阿西莫夫最新科学指南-下 [美]-第6部分
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素的分子结构的细节，则还有待于对葡萄糖的分子结构的进一步
认识。最初，由于结构式尚未出现，人们只知道葡萄糖的经验式是
C6H12O6。这种比例关系表明，6个碳原子中的每一个都连接着
1
个水分子
H2O）。因此，葡萄糖以及结构与之相似的化合物被称为
碳水化合物。
葡萄糖的结构式是德国化学家基利阿尼于
1886年研究出来
的。他证明，葡萄糖分子的
6个碳原子构成一条直链，彼此分离的
氢原子和氢氧根就连接在这个链上。在葡萄糖分子中，任何地方
都没有完整的水分子组合。
在以后大约
10年的时间里，德国化学家
E。 费歇尔对葡萄糖
进行了详细研究，并研究出了碳原子周围的氢氧根的精确排列方
式，其中有
4个氢氧根是不对称的。这些氢氧根有
16种可能的排
列方式，因此有
16种可能的性质不同的旋光异构体。的确，化学
家们已经研制出了所有这
16种异构体，然而只有少数几种真正在
自然界中存在。
下面是葡萄糖和其他两种常见的果糖和半乳糖的结构式：
38H
HO
H
H
H
O CH2
C
C
C
C
CH2
O
HOH
OHH
OHH
OH
OH
H
HO
HO
H
38H
HO
H
H
H
O CH2
C
C
C
C
CH2
O
HOH
OHH
OHH
OH
OH
H
HO
HO
H
CH
C
C
C
C
CH2
OH
H
H
OH
OH
O
葡萄糖果糖半乳糖
这些是能够充分展示分子不对称性的最简单的结构。但实际
上，分子为非平面的环状，每个环由
5个（有时是
4个）碳原子和
1
个氧原子组成。
正是由于对这些糖的旋光性的研究，E。 费歇尔才建议将旋光
化合物分为
L系和
D系两大类。由于为碳水化合物化学奠定了
坚实的基础，他获得了
1902年的诺贝尔化学奖。
化学家们一旦知道了简单糖类的结构，要想知道简单糖类以
何种方式构成更为复杂的化合物就比较容易了。例如，
1个葡萄
糖分子和
1个果糖分子可以缩合成蔗糖——我们餐桌上的食糖。
葡萄糖与半乳糖相结合形成乳糖，在自然界中，乳糖仅存在于乳汁
中。
没有理由认为缩合不能无限制地进行下去。事实上，淀粉和
纤维素的情况就是如此。这两种物质都是由葡萄糖单元按一定图
式缩合而成的长链构成的。
缩合图式的细节是很重要的，因为尽管这两种化合物都由相
同的单元构成，但二者却有着深刻的差异。
这种或那种形态的淀粉构成了人类食物的主要成分，而纤维
素则全然不适于食用。由于化学家们的苦心钻研，终于弄清楚了
第十一章 分 子
第十一章 分 子
缩合图式的差异，它与下面的情况有些类似：假设葡萄糖分子可
以正着看（用
u表示）或倒着看（用
n表示），那么，淀粉分子可以看
成是由葡萄糖分子按
“……uuuuuuuuu……”的图式缩合而成的，而
纤维素则按“……
ununununun……”的图式构成。人体的消化液具
有使淀粉的
uu键合进行水解的能力，使淀粉水解成我们可以吸收
而获得能量的葡萄糖。而同样的消化液却对纤维素的
un键合无能
为力，因此，我们所食用的纤维素都是穿肠而过，最后排出体外。
尽管没有一种高等动物能够消化纤维素，但有些微生物，例如
寄生在反刍动物和白蚁肠道中的微生物，却能做到这一点。多亏
了这些不显眼的助手，使我们受益匪浅的牛才能靠吃草而生存，使
我们狼狈不堪的白蚁靠吃木头而活命。这类微生物能大量地将纤
维素转化为葡萄糖，它们消耗掉自己所需要的一份，而将多余的供
给寄主。这些微生物提供加工过的食物，而寄主则提供原料和住
所。两种生物之间这种互惠的合作方式称之为共生现象（源自希
腊语，意为“共同生活”）。
晶型和非晶型聚合物
哥伦布曾经发现，南美洲土著人所玩的一种球，是用硬化了的
植物汁液做成的。哥伦布以及以后两个世纪里到过南美洲的探险
家们，无不对这些有弹性的球（用巴西的一种树木的汁液做成）感
到惊讶不已。后来，一些样品被当作珍品带回欧洲。大约在
1770
年前后，普里斯特利（在发现氧之前不久）发现，这种弹性物质能够
擦掉铅笔的痕迹，于是给它起了个不起眼的名字—
—擦子
（rubber）。这至今仍是这种物质的英文名字。英国人称它为印度
擦子，因为这种物质来自“印度”（哥伦布发现新大陆时误以为那就
是印度）。这种物质就是橡胶。
后来，人们又发现了橡胶的其他一些用途。
1823年，有个名
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叫麦金托什的苏格兰人在两层布中间夹一层橡胶，然后做成长袍，
以供雨天使用。他的这种防雨衣获得了专利，至今人们有时仍将
雨衣叫做麦金托什。
然而，这样使用橡胶有一个问题，就是它在热天会变得像胶一
样黏，而在冷天则又变得像生皮革一样硬。许多人试图发明对橡
胶进行加工处理的方法，以消除它的这些令人讨厌的特性。其中
有一位名叫古德伊尔的美国人，虽然他对化学一无所知，但他却坚
持研究，一次次试验又一次次失败，仍坚持不懈。
1839年的一天，
他不小心将橡胶和硫磺的混合物撤落在火热的炉子上。他赶忙将
这些混合物从炉子上刮下来，结果他惊奇地发现，加过热的橡胶和
硫磺的混合物尽管还是热的，但却很干燥。他将这些混合物再加
热和冷却，结果发现，它既不因加热而变黏，也不会遇冷而变硬，始
终保持柔软而富有弹性。
现在，在橡胶中加入硫磺的过程叫做硫化（依照罗马火神伍尔
卡努斯的名字取名）。说来令人慨叹，虽然古德伊尔的发现价值连
城，但他本人却从未得到过任何报偿。他毕生为取得专利权而斗
争，到死时仍负债累累。
对橡胶分子结构的认识要追溯到
1879年，那一年，法国化学
家布沙尔达将橡胶在与空气隔绝的条件下加热，结果得到一种叫
做异戊二烯的液体。异戊二烯的分子由
5个碳原子和
8个氢原子
组成，排列方式如下：
CH3
CH2 CCH CH2
另一种植物汁液（胶乳）产自东南亚的一些树木，它能产生一
种叫做固塔坡胶的物质。这种物质缺乏橡胶那样的弹性，但在与
空气隔绝的条件下加热时，也生成异戊二烯。
第十一章 分 子
第十一章 分 子
不论是橡胶还是固塔坡胶，都是由几千个异戊二烯单元构成
的。正如淀粉和纤维素的差别那样，橡胶与固塔坡胶的差别也是
键合图式的不同。在橡胶中，异戊二烯单元按…… uuuuu……图式
连成蜷曲的长链。这种长链在受拉时会伸直，因而橡胶富有伸缩
性。在固塔坡胶中，异戊二烯单元按…… ununununun……图式连
成长链，这种长链一开始就比较直，因此，它的伸缩性要小得多（图
11…3）。
图 11…3由几千个异戊二烯单元构成的固塔坡胶分子的一个部分。
左边的前 5个碳原子（黑色球）与和它们结合的 8个氢原子构成了 1个异戊二烯
单元
简单的糖分子如葡萄糖是单糖（希腊语，意为“一个糖”）；蔗糖
和乳糖是双糖（“两个糖”）；而淀粉和纤维素则是多糖（“许多糖”）。
由于两个异戊二烯分子连接形成一种有名的化合物——萜烯（来
自松节油），所以橡胶和固塔坡胶也叫做聚萜烯。
早在 1830年，贝采利乌斯（化学名称和符号的大发明家）就给
这类化合物取了统一的名称。他将基本单元称为单体（“一份”），
而将大分子称为聚合物（“许多份”）。由许多单元（比如 100个以
上）组成的聚合物称为高聚物。淀粉、纤维素、橡胶和固塔坡胶都
是高聚物的例子。
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聚合物并不是地道的化合物，而是由大小不一的分子组成的
复杂的混合物。测定平均分子量的方法有多种，其中一种方法就
是测量黏度（在给定压力下流体流动的难易程度）。分子越大，拉
伸就越长，对液体内磨擦起的作用就越大，因而，就使这种液体流
动起来更像糖蜜，而不是像水。这种方法是德国化学家施陶丁格
于
1930年研究出来的，是他在聚合物研究方面所取得的成就的一
个部分。由于他在认识这些巨型分子方面所做出的贡献，他获得
了
1953年的诺贝尔化学奖。
1913年，两位日本化学家发现，天然纤维，如纤维素的纤维，
能像晶体那样使
X射线发生衍射。从一般意义上讲，这些纤维并
不是晶体，但却显示出微晶质特征，也就是说，构成纤维分子的单
元所连成的长链，往往是一束束地、距离不等地平行排列。在这些
平行链束中，原子像在晶体中那样，按顺序重复排列。当
X射线
投射到纤维的这些断面时，就发生了衍射。
于是，聚合物就被分为两大类：晶型和非晶型聚合物。
在像纤维素这样的晶型聚合物中，由于彼此平行的相邻的长
链是以化学键连接在一起的，结果单链的强度得到增强，从而使纤
维素具有相当大的抗拉强度。淀粉也是晶型聚合物，但结晶状况
远不如纤维素，因此，缺乏纤维素的强度，也缺乏成形纤维的能力。
橡胶是一种非晶型聚合物。由于各单链并不平行排列，因而
不存在交联现象。如果受热，各长链既能彼此独立地振动，又能在
其他长链之间自由滑动。因此，随着温度的升高，橡胶或橡胶类聚
合物会变得又软又黏，以至最终熔化。（拉伸会使橡胶的长链伸
直，从而引进某些微晶质特征。因此，拉长了的橡胶具有相当大的
抗拉强度。）至于纤维素和淀粉，由于其中的各个分子在这里或那
里以化学键相连，因此它们不能像橡胶分子那样独立地振动，所以
在受热时不会变软。在温度升高到足以使分子产生振动并将分子
第十一章 分 子
第十一章 分 子
彼此振开之前，它们一直保持僵硬状态，直至烧焦和冒烟。
当温度低于使之变黏的温度时，非晶型聚合物往往是柔软而
富有弹性的。然而，在更低的温度下，这些聚合物就会变得像皮革
一样硬，甚至像玻璃那样脆。生橡胶仅在相当窄的温度范围内才
是干燥和富有弹性的。加入
5％～8％的硫磺，会在链与链之间形
成柔韧的硫键，这些硫键能降低各长链的独立性，从而防止了橡胶
在中等温度下变黏。在不太低的温度下，硫键还能增加各链之间
的自由活动范围，因此橡胶不会变硬。如果加进更多的硫，比如
30％～50％，就会使链与链之间键合得很紧密，致使橡胶变硬。这
样的橡胶称为硬橡胶。
（如果温度足够低的话，即使是硫化橡胶也会变得像玻璃那样
脆。一个普通的橡胶球，若是在液态空气中浸泡片刻之后再掷向
墙壁，也会碰得粉碎。这是在上化学课时最爱演示的实验之一。）
在一定的温度下，各种非晶型聚合物表现出不同的物理性质。
在室温条件下，天然橡胶具有弹性，各种树脂是硬而脆，而糖胶树
胶（产自南美洲的人心果树，是口香糖的主要成分）则软而黏。
纤维素和炸药
除了我们的食物——它们主要由高聚物所构成——之外，人
类使用最久的一种聚合物恐怕就是纤维素了。纤维素是木头的主
要成分，作为燃料和建筑材料，它们一向是必不可少的。纤维素还
用来造纸。以纯纤维素形式存在的纤维素棉花和亚麻，一直是人
类最重要的纺织原料。因此，
19世纪中叶的化学家们自然要转向
纤维素，用它作为制造其他巨型分子的原料。
改造纤维素的方法之一是将硝酸根（1个氮原子和
3个氧原
子）与葡萄糖中的氢氧根（羟基）连接。这样做了之后，再用硝酸和
硫酸的混合物来处理纤维素，于是就制造出了一种在当时来说是
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无与伦比的烈性炸药。这种炸药是德国出生的瑞士化学家舍恩拜
因（他曾于
1839年发现臭氧）于
1846年偶然发现的。据说，有一
天，他在厨房里（他被禁止在那里做实验，但他常趁妻子不在家时
在那里做实验）弄洒了一种酸的混合物，他赶忙抓起他妻子的棉布
围裙去擦污迹，当他将围裙挂在火炉上方烘烤时，围裙便“扑”地一
声着了起来，烧得一点不
