我们学的化学就这?

认真阅读下面的文章,并思考文末互动提出的问题,严格按照 互动:你的答案 格式在评论区留言,就有机会获得由商务印书馆提供的优质科普书籍《科学传奇》一本。

如果只从标准教科书或高中课程中学习化学,很容易一叶障目不见泰山。
当同龄人刚开始用五颜六色的液体捣鼓有趣的化学实验的时候,十几岁的我就已经非常热爱化学这门学科了。当然,所有的孩子都想搞一些能爆炸的东西玩。化学对孩子们有一种天然的吸引力,因为它自带爆炸、闪光、气泡以及五彩斑斓的颜色,并且总能用到酷酷的、形状复杂奇特的玻璃器皿。
此外,我也碰巧是一个历史爱好者。有时读到有关金属加工的古老历史,或原子能、太阳能电池半导体等更现代的东西时,很难看出它们之间的共同点——因为学校里教的化学并没有那么“接地气”。这便是此文要做的事情。

混合与分离

简单来说,应用化学就是混合分离。我们周围的世界充满了不同的元素,但它们通常以我们不想要的方式出现。比如说岩石富含铝、硅和铁,但它们结合在矿物里,没法直接用。
因此,在实践中,化学就是把我们需要的物质从无用的东西中分离出来。这样的途径纷繁复杂,以至于我们很容易忽略全局,没有意识到这只是分离两种或多种化合物的另一种形式。
下面,就让我们在不同的例子中,更好地了解分离和提纯化合物的所有方法。

总体思路

在讨论细节之前,让我概述一下总体思路。
把混合在一起的两个元素分开,有很多有创意的方法。例如,如果一个有磁性而另一个没磁性,可以用磁铁;如果一个在加热时变成气体,而另一个不变成气体,则很容易将气体和固体分离;或者一种化合物比另一种密度大得多,就可以使用人工重力(离心伪力)进行分离,比如使用离心机。
但是如果这些元素是以化学方式结合的,那怎么把它们分开呢?假设你有原子 X 和 Y ,它们被束缚成化合物 XY 。
加热通常会使化合物分解。X 元素和 Y 元素从化合物状态分离开来,但它们仍然混在一起。解决方案通常是加入第三个元素 Z 。如果 Z 可以与 Y 形成比 X 更牢固的键,那么 Y 和 Z 将结合在一起形成 YZ ,这时 X 元素可以被单独保留。
化学键的强度决定了你需要加热到什么程度来将其破坏。因此,如果加热到足够分解 XY ,但不足以分解 YZ 的温度,那么你能够逐渐提纯出元素 X 。
使用温度计,你可以确保温度保持在一个固定值,在这一温度,只有一种特定的化合物变成气体,而其余的保持液态或固态。

蒸馏-按物相分离

水中可能混有一些我们不想要的杂质化合物,通过蒸馏的方式可以得到干净的水。蒸馏利用的是一种常见的分离技术,即根据不同的相,分离两种化合物。三种常见相分别是固体、液体和气体。不同相的化合物更容易分离。
将水加热到 100°C 以上时,它会从液体变为气体(水蒸气)。这时,水从与之混合的东西中分离出来。把水蒸气引到别处并冷却,就能得到干净的水。我们将水分离了出来,可能剩下某种固体,比如说盐(由气体和金属组成的化合物)。
生产酒精时的做法正好相反。酒精的生产常常伴有水的参与。生产中用酵母和糖最高能得到浓度为 14% 的酒精,那如何让这个数字变得更高呢?
酒精的沸点比水低。因此,如果将温度保持在 100°C 以下,则只有酒精蒸发。然后将其冷却以回收浓缩酒精。如果不够纯净的话,原则上只要重复这个过程就可以了。

冶炼

铁矿石和铜矿石不只含纯金属,通常以 Fe₃O₄ 和 Fe₂O₃ 的方式存在,其中含有我们不需要的氧。很多情况下岩石里面混杂着根本不含铁的矿物,我们就可以粉碎岩石,并按重量分离——重的石头更有可能含有铁化合物。
然而,在化合物中分离氧和铁还需要化学的手段。这时“冶炼”就出场了。任何化合物被加热时,只要有足够的热量,将它们结合在一起的化学键就会断裂。因此,当我们加热铁矿物时,我们会得到铁氧分离的一锅“热汤”。
我们不期望的是,一旦“原子汤”冷却下来,它们就会再次结合在一起。解决办法是添加一些与氧的结合力更强的物质。例如,氧和碳成键生成二氧化碳(CO₂),这一化学键非常强,意味着将原子分开将需要大量的热量。
发现与蒸馏的类同之处了吗?高温能将部分化合物转化为气体。在熔炉中,温度可能足以分解铁原子和氧原子,但不足以使氧原子和碳原子彼此分离。
因此,当我们通过高温将铁、氧和碳“烩成一锅汤”时,碳和氧会结合在一起,再也不会分离。我们现在可以像蒸馏一样去除碳和氧,因为二氧化碳是气体,而铁是液体。
炉渣和金属就像油和水一样分层,于是我们很容易就可以将他们分开。炉渣是所有我们不想要的东西的混合物——杂质。
还有另一种形式的分离。你知道油和水是如何分层的吗?铁和炉渣也会发生这种情况。炉渣是铁矿石中我们不需要的所有其他化合物的总称。我们将碳酸钙(CaCO₃)扔进去,让它与铁矿中我们不需要的二氧化硅(SiO₂)反应,会产生浮在纯铁之上的炉渣,我们称之为相分离。然后可以将炉渣倒出;因为它比铁更脆,我们还可以像铁匠一样把它敲下来。
即使没有化学反应,熔炼也可以用于分离。就像蒸馏一样,不同的化合物加热时的反应不同:炉渣通常比氧化铁更易熔化。因此,如果有足够的热量,炉渣会融化并在底部聚集,而氧化铁则以固体的形式留在顶部。添加一些辅助物质可以也促进这一过程,通常是可以降低炉渣熔点的石灰石(碳酸钙)碎块,使其更易熔化。

离心

离心机可以看做是一个飞速旋转的圆筒,其中最重的化合物被推到底部,以便移除。这是另一种机械分离的形式。
用离心机将固体或较重的元素甩向底部,使其更容易分离。
离心机在核科学中非常重要。
因为质子数相同,铀的各个同位素具有相同的化学性质,没法用化学方法分离开。中子的数量决定了它们在核反应中的性质,不同中子数的铀同位素,具有非常微小的重量差别
为了更方便提纯,利用铀原料与氟气反应生成六氟化铀( UF₆):以气体形式存在的分子相对容易移动。但是由于质量的差别很小,必须增加离心机的转速,使较重的气体聚集起来。
就像许多分离过程一样,这些操作必须一次又一次地重复。提取出的较重气体并不是完全纯净的,因此需要把它们放入新的离心机,重复离心过程,才会得到我们需要的越来越高浓度的铀同位素。

固液气分离

制造太阳能电池板需要非常纯的硅,而常规的冶炼操作无法提供足够的纯度。我们可以参考蒸馏的技巧,以某种方式把我们想要的或不想要的物质转化为气体,剩下固体或液体。
通过一些步骤,我们可以将硅 (Si) 转化为硅烷 (SiH₄) 气体。其他杂质不一定会在这个过程中变成气体,我们得以将硅从其他杂质中分离出来。
当然,之后我们需要将混合物中的氢去除掉,这种化合物会在高温下裂解,氢可以被燃烧掉。

浸出

将矿物溶解在酸或其他液体中,可以将其中不同的化合物分离开来。我们想要的化合物可能会溶解,而不感兴趣的物质会落到底部被过滤掉。
这就是一些像铀这种物质的加工方法。我们可以使用浸出法从铀矿中生产低纯度的铀,俗称“ 黄饼” (yellow cake)。
虽然具体过程不完全相同,但这与从沙子中分离盐有一些相似之处。盐会溶于水,沙子不溶解,只会沉入水底。这样你就可以过滤掉沙子,然后通过蒸馏来回收盐。

粉末化、混合和浆料

关于将物质分离,我们已经谈了很多,但有时为了分离,首先要混合。例如,如果矿物是大块固体,那么它在酸中就会溶解得很慢;再比如炼铁时需要石灰石中的碳酸钙与尽可能多的矿石发生反应。
别忘了,化学反应只有在原子相互接触、发生相互作用时才能发生。内部的岩石不能与外部的酸直接反应,只有岩石表面才可以。
汽油在内燃机中剧烈燃烧也是这个道理。只有液滴表面的汽油分子才可以与氧结合,产生热量。因此,汽车发动机中的化油器的任务,就是制造雾状的氧。大量的微小液滴比少数的大液滴具有更大的表面积,为迅速反应提供了机会,从而引发爆炸。就像碎石的表面积比大卵石大一样,制造火药时我们也需要将原料磨成粉末,获得更大的接触面积来相互反应,创造许多并行反应来引发爆炸。
于是在化学反应中经常会用到浆料(类似泥浆的固液混合物)——粉末与液体充分混合,能够让化学反应更容易发生。
如何让气体与固体发生反应?只是向一块石头喷射某种气体可没啥用。
塑料也被称之为聚合物,塑料的生产就是将相对简单的分子链连接成较长的分子链。
将乙烯(C₂H₄) 气体鼓进通过装有齐格勒-纳塔(Ziegler-Natta)催化剂及其溶剂的容器,乙烯分子可以结合成一条长链。你得到了想要的化合物——聚乙烯(一种塑料聚合物),但随之而来的是混在其中的许多杂质。
因此,接下来等着你的是分离、过滤、溶解、干燥等一系列步骤。

将分离步骤和混合步骤结合

在实际的化学过程中,我们很少仅在一个混合步骤或一个分离步骤后,就能得到想要的东西。无论你使用蒸馏、浸出、熔炼、过滤、离心还是化学反应,你更容易得到一些不需要的化学物质。要想只留下想要的物质,需要使用许多不同的分离步骤。
复杂之处就在于,通常执行一种特定的分离操作需要先进行某种混合。因此,生产任何东西实际上都是不断地进行各种各样的分分合合。

结论

化学过程看起来千头万绪、难以理解,但它们基本上都是混合与分离,只是用到的工艺方法不同。一个宏观上看起来是分离的操作,其实可能是很多细小的混合和分离步骤的总和,而这些小步骤甚至还可以做进一步细分。
读罢此文,无论是金属冶炼、酿造、炼油还是聚合(塑料生产),利用上述的框架,您都能对所涉及的化学过程有一个更好的了解。

作者:Erik Engheim

(0)

相关推荐