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.2

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.2

的水解过程可用各种不同的方法来加速。最常见的加速方法是在混合

物中加进一定量的酸。

对大分子化学结构的首次研究可追溯到1812年，那一年，俄国化

学家克希霍夫发现，淀粉加酸煮沸能生成一种与葡萄糖（从葡萄中提

取的糖）性质相同的糖。1819年，法国化学家布拉孔诺通过煮沸各种

植物产物如木屑、亚麻和树皮——它们都含有一种叫做纤维素的化合

物——也得到了葡萄糖。人们很容易猜想到，无论是淀粉还是纤维素，

都是由葡萄糖单元构成的，至于淀粉和纤维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：

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上,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，l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

“……unununununun……”的图式构成。人体的消化液具有使淀粉的

un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（ruhber）。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

和硫磺的混合物撒落在火热的炉子上。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：

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。

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”），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。

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

不剩。

舍恩拜因立即意识到了这种化合物的潜力，这可从他给这种化合

物起的名字——火药棉——上看出来。（这种化合物还叫做硝化纤维

素。）舍恩拜因向好几个国家的政府兜售他的这个秘方。普通火药在

点燃时会产生浓烟，熏黑炮手，弄脏大炮，因而发射几次后就需要清

扫一次。另外，在发射第一排炮弹之后，阵地上便升起滚滚浓烟，致

使战斗不得不在盲目的估计下进行。因此，各国的军事部门都争相采

用这种威力更大而又无黑烟的炸药。于是，制造火药棉的工厂雨后春

笋般地建立了起来。然而，这些工厂几乎就像它们兴建时的速度那样，

很快就被炸掉了。火药棉太容易爆炸了，往往等不到大炮发射。到了

19世纪60年代初期，“走火”的火药棉的隆隆声终于沉寂下来，不论

是从数字还是从文字上看，情况都确实如此。

然而，后来找到了一些方法，能够清除掉使火药棉走火的少量杂

质。这样，火药棉的制造和使用就变得足够安全了。1889年，英国化

学家迪尤尔（他以使气体液化而闻名于世）和他的合作者阿贝耳引进

了一项技术，即将火药棉与硝化甘油混合，然后再在这种混合物中加

入凡士林，最后将其压制成线状（这种混合物就叫做无烟线状火药）。

这种火药棉最后终于成为一种有用的无烟火药。1898年西班牙与美国

之间的那场战争就是用普通火药来打仗的最后一场战争。

[机器时代也为令人战栗的射击技术尽了一份力量。19世纪60年

代，美国发明家加特林制造出了第一支能够迅速连发子弹的连发枪；

19世纪80年代，美国另一位发明家马克沁对这种枪进行了改进。加特

林连发枪俗称左轮。这种枪和它的改进型马克沁机枪使得19世纪晚期

的厚颜无耻的帝国主义者对于非洲和亚洲的那些“劣等种族”（吉卜

林①的带有侮辱性的话）具有空前的优势。正如当时流行的一句歪诗

所说，“不管发生什么情况，我们有马克沁机枪，而他们都没有。”]

这方面的“进步”在20世纪仍在继续。第一次世界大战期间，最

重要的炸药是三硝基甲苯，即人们所熟悉的缩写TNT。第二次世界大

战期间，威力更大的旋凤炸药（三次甲基三硝基胺）投入使用。这两

种炸药都含有硝基，而不含硝酸根。不过，对于战争贩子来说，任何