阿西莫夫最新科学指南-下 [美]-第3部分
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一个大类，这就是芳香族化合物，而其余的有机物则总称为脂肪族
化合物。）苯分子既不能再添加氢原子，又难于断裂。
对于苯分子中的双键所具有的这种奇怪的稳定性，19世纪的
化学家无法做出解释，并为此大伤脑筋。这一点看起来微不足道，
然而，整个凯库勒结构式系统却因为苯分子不肯就范而陷入窘境。
由于这一系统未能解释这一明显的自相矛盾的现象，其余的一切
也就变得捉摸不定了。
在
20世纪以前，德国化学家悌勒的解释最接近于正确答案。
他于
1899年提出，当双键与单键相间排列时，
1对双键的相邻两
端由于某种缘故而彼此中和，并抵消了彼此的活动性。作为一个
例子，让我们来看看丁二烯。丁二烯形状最为简单，仅具有被
1个
单键隔开的两个双键（共轭双键）。如果想在它上面添加两个原
第十一章 分 子
第十一章 分 子
子，那就只能如下式所示，添加在位于两端的碳原子上。这种观点
认为，由于苯的
3个双键位于同一个环上，因此彼此就完全中和
了，因而解释了苯的稳定性。
CH2＝CH－CH＝CH2
此处可添加原子
大约在
40年之后，根据新的化学键理论找到了更好的答案。
这种新理论将原子看作是由共享电子连接的。
凯库勒曾将化学键画作两个原子之间的
1条短线，而现在则
被看成是
1对共享电子（见第六章）。当
1个原子同
1伙伴结合
时，这个原子就与这个伙伴共享它的
1个电子，而这个伙伴也向价
键捐献出
1个电子作为回报。碳原子的外壳层有
4个电子，因而
能结合
4个原子或原子团；氢原子能向价键赠送
1个电子，因而能
结合
1个其他的原子，等等。
这就产生了一个问题：电子是怎样被共享的呢？两个碳原子
显然是均等地共享它们的电子对的，因为它们对电子的吸力相等。
另外，在像
H2O这样的化合物中，氧原子对电子的吸力比氢原子
大，因此，氧原子在与氢原子共享电子对时占得就多一些。这意味
着，氧原子由于电子占得多一些而带有稍微过剩的负电荷，氢原子
由于电子占得少一些而带有稍微过剩的正电荷。
1个含有氢氧对
的分子，如水或乙醇，由于分子的某一部分集中了较多的正电荷而
在另一部分集中了较多的负电荷，结果便形成了两个电极。这样
的分子称为极性分子。
有关分子结构的这种观点是荷兰化学家德拜于
1912年首先
提出来的（后来他提出了获得极低温度的磁性方法，见第六章）。
他利用电场来测量分子中两电极间的距离。在电场中，极性分子
会按正极对负极、负极对正极的方式排列起来，因此就很容易测量
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纪
30年代初期，测量偶极矩已成为一项
常规性工作。德拜由于这项成就及其他方面的贡献而获得了
1936年的诺贝尔化学奖。
有关分子结构的这个新看法阐明了早期观点所无法解释的一
系列现象。例如，它能说明物质沸点的某些反常现象。总的来说，
分子量越大，沸点就越高。不过，这条规则常被打破。分子量仅为
18的水在
100℃时沸腾，而分子量为
44（高出水分子量的两倍）的
丙烷却在低得多的温度（…42℃）下开始沸腾。为什么会有这种差
异？答案是：水是偶极矩很大的极性分子，而丙烷是非极性的——
它不具有电极。极性分子总是倾向于按正极对负极、负极对正极
的方式排列。由于相邻分子之间存在静电引力，要使这些分子彼
此分离是很困难的，因此，这样的物质具有较高的沸点。因而，虽
然乙醇与它的同分异构体二甲醚具有相同的分子量（
46），但乙醇
的沸点（
78℃）要比二甲醚的沸点（…24℃）高得多。乙醇具有很大
的偶极矩，而二甲醚的偶极矩却很小。水的偶极矩甚至比乙醇的
还要大。
自从德布罗意和薛定谔提出电子是波包而不是轮廓分明的粒
子这个新的电子观点（见第八章）之后，化学键的概念经历了一次更
深刻的变化。
1939年，美国化学家泡令在一本题为《化学键的本质》
的书中提出了分子键的量子力学概念。特别值得一提的是，他的理
论终于解释了苯分子具有极大稳定性这种自相矛盾的现象。
泡令将构成价键的电子描述为它所联结的两个原子之间的共
振。他证明，在一定条件下，必须认为电子占据着许多位置中的任
何一个位置（但概率不同）。由于电子具有类似波的性质，所以最
好是把电子想象为被泼散开的一摊墨迹，以代表这些位置的单概
率的加权平均值。电子散开得越均匀，该化合物就越稳定。如果
分子拥有数个位于同一平面内的共扼键，并且所具有的对称性能
第十一章 分 子
第十一章 分 子
够使电子（视为
1个粒子）拥有数个可供选择的位置，那么，这种共
振稳定性就最有可能发生。苯环是在一个平面上而且是对称的。
泡令证明，苯环的价键实际上并不是单、双键相间，而可以说是电
子泼散开来，形成一种均匀分布，从而使所有的价键都十分相像，
并且全都比普通的单键更牢固、更稳定。
共振结构虽然能圆满地解释化学键的性状，但却很难用画在纸
上的简单图形来表示。正因为如此，尽管用现代的观点来看，古老
的凯库勒结构只不过是对电子实际状况的近似描述，但它至今仍被
普遍应用，而且直到可预见到的将来，无疑还要被继续沿用下去。
有机合成
在科尔贝制成醋酸之后，有一位化学家在
19世纪
50年代对
有机物质的实验室合成开始进行全面系统的、有条有理的研究。
他就是法国人贝特洛。贝特洛首先利用一些像一氧化碳这样的更
为简单的无机物制成了一系列简单的有机化合物，然后逐步增加
后者的复杂性，最后得到相当复杂的有机化合物，如乙醇。当然，
这是合成乙醇，但它同
“真品
”毫无区别，因为它就是真品。
乙醇是大家都很熟悉的一种有机化合物，而且倍受许多人的
青睐。化学家们不必用水果或粮食作为原料，而仅用煤、空气和水
就能制造出乙醇（煤提供碳，空气提供氧，水提供氢），这个想法的
确非常迷人，从而使化学家们荣获了“奇迹创造者”这一新称号。
总而言之，有机合成被提上了重要议事日程。
然而，对于化学家们来说，贝特洛所做的甚至更有意义。他开
始合成自然界中并不存在的一些产物。他用甘油（舍勒于
1778年
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发现的一种化合物，可从分解活机体的脂肪制取）和某些酸（虽然
知道它们天然地存在于别的地方，但当时并不知道它们天然地存
在于脂肪中）化合，结果获得了若干种与活机体中的脂肪不尽相同
的脂肪性物质。
于是，贝特洛为一种新的有机化学——自然界中所不存在的
分子的合成——奠定了基础。这意味着，人们不仅能制造一些也
许在性能上稍差一些的合成物质，来替代某些因数量不足而很难
或不能满足需求的天然化合物，而且还能制造出性能比天然物质
还要好的合成物质。
自从贝特洛指明了道路之后，有机合成不仅能够弥补天然特
质之不足，而且还能以这种或那种方式使其性能得到改善，这种观
点在化学家们的心目中相当牢固地树立了起来。由这种新观点所
产生的第一批成果是在染料领域。
第一批合成物质
有机化学的研究始于德国。维勒和李比希都是德国人，继他
们之后，德国又出现了其他一些颇具才华的有机化学家。然而，在
19世纪中叶之前，英国甚至根本没有能同德国相提并论的有机化
学家。事实上，英国的学校当时对化学极不重视，只在午饭后的休
息时间教授这门课程，并不指望（也许根本就不愿意）许多学生对
化学产生兴趣。因此，第一个轰动世界的合成工艺竟出自英国，实
在令人惊奇。
事情的大致经过如下：1845年，伦敦皇家理科学院终于作出
认真开设化学课程的决定，并请来一位年轻的德国人执教。这个
人就是当时只有
27岁的
A。 W。霍夫曼。建议聘用
A。 W。霍夫曼
的是维多利亚女王的丈夫阿尔贝特亲王（亲王本人也是德国血
统）。
第十一章 分 子
第十一章 分 子
A。 W。霍夫曼感兴趣的课题很多，煤焦油即是其中之一，他曾
在李比希指导下从事的第一个研究项目中接触过这种物质。煤焦
油是在煤与空气隔绝条件下高温加热而产生的一种黑色粘稠物
质。它虽然不讨人喜欢，但却是有机化学药品的一个重要来源。
例如，在
19世纪
40年代，它是大量制取相当纯净的苯和一种称之
为苯胺的含氮化合物（与苯有关）的原料，以上两种化合物都是
A。 W。霍夫曼最先从煤焦油中提取出来的。
A。 W。霍夫曼来到英国
10年之后，偶然遇到一位名叫珀金的
17岁少年，他当时正在皇家理科学院学习化学。A。 W。霍夫曼慧
眼识英才，而且一旦发现人才，便热情扶持。他把这位少年提升为
助教，让他从事煤焦油化合物的研究工作。珀金对工作满腔热情，
从不懈怠。他在家里建立了一个实验室，从学校回来之后就在家
里的实验室里继续工作。
A。 W。霍夫曼对化学在医学上的应用也很感兴趣。
1856年
的一天，他在沉思中喃喃自语：能不能用化学方法合成奎宁（一种
治疗疟疾的天然物质）呢？这时结构式尚未盛行起来，人们只知道
奎宁的原子组成，至于它的结构有多么复杂，当时无人知晓。（直
到
1908年人们才正确地推导出奎宁的结构式。）
年仅
18岁的珀金，多亏他对奎宁的复杂结构一无所知，才敢
于去解决奎宁的合成问题。他开始用的原料是他从煤焦油中提取
的一种化合物烯丙基甲基苯胺。它的分子所含的各种原子的个数
似乎均为奎宁的一半。珀金猜想，如果使两个这样的分子合并在
一起，再把所缺的氧原子补足（比如说，混入一些重铬酸钾。它能
使与它混合的化合物增添氧原子，这在当时已为人所知），那么，或
许就能得到奎宁分子。
这种做法当然不会给珀金带来任何结果。他所得到的只是一
种肮脏的棕红色黏液，后来他改用苯胺进行试验，结果得到一种黑
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色黏液。可是在这种黑色黏液中，他隐约看到了一种紫色闪光。
他加进一些酒精，那些无色的酒精便变成了美丽的紫色。珀金立
即意识到，他或许发现了一种可用作染料的物质。
染料一向是深为人们喜爱但价格昂贵的物质。在古代，色泽
鲜艳、耐洗耐晒的优质染料寥寥无几。这些染料有取自靛蓝植物
的靛蓝和与之关系密切的菘蓝（罗马时代初期，不列颠曾因菘蓝而
闻名于世）；有取自蜗牛类动物的推罗紫（得名于古代的推罗城
①，
该城曾靠此业致富。在罗马帝国后期，皇家的孩子都诞生在挂有
推罗紫壁毯的房间里，皇族“生于紫色之中”的说法即由此而来）；
还有取自茜草科植物的淡红色的茜素（茜素一词源于阿拉伯语，意
为“汁液”）。除以上几种从古代和中世纪传下来的染料之外，后来
的染匠又增添了几种热带染料和无机颜料（现在主要用于绘画）。
这就可以说明，当珀金意识到他的紫色物质有可能成为染料
时，他为什么会那么激动了。在一位朋友的建议下，他给苏格兰的
一家对染料感兴趣的公司寄去了一些样品，并很快得到回音：紫色
化合物性能良好。那么，能不能廉价供应呢？于是，珀金便着手申
请专利（对于一个
18岁的年轻人能否获得专利一事，人们争论不
已，但他还是终于获得了专利），并退学转入了实业界。
要实现他的这个计划，可不是轻而易举的事。珀金必须白手
起家，用自行设计的设备从煤焦油中制取他自己的原料。然而，他
在
6个月之内就制取了他称之为苯胺紫的物质，这是一种自然界
中所没有的化合物，其色度范围超过任何天然染料。
法国染匠比保守的英国染匠更快地采用了这种新染料，他们
把这种由锦葵属植物制取的颜色称之为锦葵紫，而将这种染料称
①现在译为提尔（今改名为苏尔），黎巴嫩南部省沿海城镇。该城在中文�
