大学化学, 2019, 34(8): 68-71 doi: 10.3866/PKU.DXHX201904037

科普

化学科普:原始部落游历记(上)

方思敏, 兰泉, 刘卫, 冯红艳, 汪红蕾, 郭林华, 吴红, 朱平平,

A Travel of the Primitive Tribe (Part 1)

FANG Simin, LAN Quan, LIU Wei, FENG Hongyan, WANG Honglei, GUO Linhua, WU Hong, ZHU Pingping,

通讯作者: 朱平平, Email: ypren@xmu.edu.cn

收稿日期: 2019-04-22   接受日期: 2019-05-17  

基金资助: 中国科学院2018年科普教育类项目.  2018D0038

Received: 2019-04-22   Accepted: 2019-05-17  

Fund supported: 中国科学院2018年科普教育类项目.  2018D0038

摘要

中华文化如浩渺星空,群星闪耀,诗词与成语作为星空中的璀璨明珠不仅蕴含着丰富的人文内涵,亦闪耀着夺目的理性光辉。本文将跟随科普家族成员大华和小雪的脚步一同走进原始部落,边游历边探寻诗词与成语中的化学韵味,领略中华文化的博大精深。

关键词: 诗词 ; 成语 ; 化学

Abstract

Chinese culture is like a vast starry sky where poetry and idioms are the bright pearls. This article followed the steps of Dahua and Xiaoxue into a primitive tribe, where they explored the charm of chemistry in poetry and idioms and appreciated the profoundness of Chinese culture.

Keywords: Poetry ; Idiom ; Chemistry

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本文引用格式

方思敏, 兰泉, 刘卫, 冯红艳, 汪红蕾, 郭林华, 吴红, 朱平平. 化学科普:原始部落游历记(上). 大学化学[J], 2019, 34(8): 68-71 doi:10.3866/PKU.DXHX201904037

FANG Simin. A Travel of the Primitive Tribe (Part 1). University Chemistry[J], 2019, 34(8): 68-71 doi:10.3866/PKU.DXHX201904037

“大华,大华,快起来啦!”小雪一早大声喊道,“要迟到了!”

“今天是周末,怎么会迟到。”大华不满地翻了个身,想要继续他的美梦。

小雪强行拉起企图赖床的哥哥,嚷道:“今天化学科普家族进行团建,要去化学山进行真人CS,上次咱们因为迟到就被点名批评了,这次可不能再迟到了。”

两人匆匆吃完早饭,便直奔化学山与大家族成员汇合。大华张望四周,发现了较远处的掩蔽之地,欲隔岸观火,伺机而动。于是兴奋地拉起小雪躲开众人悄悄向其靠近,途中不料大华一个趔趄,脚底一软,拉着小雪一起坠落于一片松软之地。兄妹俩傻傻地愣了数十秒,才回过神大声求救,却没有任何的回应。两人绝望地环顾周围,一片漆黑,只能听到窸窣的流水声,两人决定循声而去一探究竟。

正所谓“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”,曲径尽处,豁然开朗,山青鸟鸣,心旷神怡。兄妹俩见到眼前的美景手舞足蹈,并且注意到有两名妇女正在附近的河边忙碌,于是走上前去解释道:“我们是化学科普家族的成员,我是哥哥叫大华,这是我妹妹叫小雪,我们误入洞中,寻求出口,无意冒犯,敬请原谅。”两名妇女打量着娇小的兄妹俩,脸上还有跌入洞中留下的灰尘和划痕,流露出疼惜之意,说道:“这里是原始部落,只有一条通路去往外界,路途较远且出口隐蔽难寻,我们忙完手头之事指引你们出去。”

兄妹俩连声道谢,好奇地问妇女在干什么。一名妇女说道:“我们在利用黄金与沙子的比重差异,用水反复淘洗希望得到金子。”大华兴奋地喊道:“今天亲眼所见‘沙里淘金’啊,金的化学性质非常稳定,具有很强的抗腐蚀性,在高温下也不容易与氧气反应,并且密度很大,所以才能用此法淘金(图1)。”

图1

图1   沙里淘金的示意图[1]


大华又忽然想到地壳中金的含量非常低,大约只有一百亿分之五,问道:“以这样的方法提取金是不是很困难?”另外一名妇女边淘边抬头说道:“是的,我们风吹日晒地不断淘洗,过程艰苦,收获甚微。”小雪感叹道:“怪不得这个成语现在比喻从大量的材料里选择精华,好东西不易得,也比喻做事费力大而收效少。”

爱好诗词的大华有感而发:“唐朝诗人刘禹锡有云‘日照澄洲江雾开,淘金女伴满江隈。美人首饰王侯印,尽是沙中浪底来’,这首《浪淘沙九首(其六)》就生动地描绘了‘沙里淘金’的艰辛,今日所见更知不易。”大华若有所思地点点头,对小雪说道:“所以我们早已采用先进的化学提取法采金了,即用稀氰化钠溶液溶解矿砂中的金,再以锌还原出溶液的金。也有用水银溶解的,得到的金汞经过蒸馏除汞得到金[2]。”看到两位妇女正诧异地望着他们,大华刚准备解释,忽然天色昏暗,电闪雷鸣,妇女们赶紧收拾工具,招呼着兄妹俩去避雨。

说时迟那时快,刚到避雨之处倾盆大雨从天而降。一名妇女点燃了蜡烛,这时大华才看清避雨处原来是个宏伟壮观的溶洞,小雪也被所见的美景震撼,撒娇地问道:“我的好哥哥,快给我讲讲这些千姿百态的物质都是什么,它们如何形成的吧?”大华摇头无奈地说道:“你呀,只有有求于我时,才能从你尊口中听到哥哥的称呼。”小雪立即用手比个大大的心,大华总是拿这个妹妹没有办法,指了指妇女手中燃烧的蜡烛,问道:“由此你想到什么诗句?答对了才给你解释。”

小雪笑道:“嗯嗯,这个简单。‘春蚕到死丝方尽,蜡炬成灰泪始干’很是应景,此句道出了诗人李商隐甘愿燃烧自己,无私奉献的情怀。”大华追问道:“你可知道其中暗含的化学原理?”小雪仰起头说道:“这个自然是知道的,体现了一种燃烧的化学现象。蜡烛的主要原料是石蜡(古代蜡烛更多使用动物油脂),石蜡是几种固体烷烃CnH2n+2 (n = 17–35)的混合物,主要是正二十二烷(C22H46)和正二十八烷(C28H58)以及硬脂酸,它们燃烧都产生二氧化碳和水(图2) [3]。”

图2

图2   蜡烛燃烧的示意图

${\rm{2}}{{\rm{C}}_{{\rm{22}}}}{{\rm{H}}_{{\rm{46}}}} + {\rm{ }}67{{\rm{O}}_2}\mathop = \limits^{{\rm{点燃}}} 44{\rm{C}}{{\rm{O}}_2} \uparrow {\rm{ }} + {\rm{ }}46{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}$
${\rm{2}}{{\rm{C}}_{{\rm{28}}}}{{\rm{H}}_{{\rm{58}}}} + {\rm{ }}85{{\rm{O}}_2}\mathop = \limits^{{\rm{点燃}}} 56{\rm{C}}{{\rm{O}}_2} \uparrow {\rm{ }} + {\rm{ }}58{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}$


大华从没见过小雪这么一本正经,忍不住笑出声来,小雪听到笑声很是恼火,揪起大华的耳朵抱怨道:“我哪里说错了么,笑得这么开心?我不说了,轮到你给我解释此景的成因了。”大华赶紧远离小雪几步,清清嗓子说道:“遵命。大小姐现在看到的是溶洞奇观,这种奇观需要经过上万年、甚至上亿年的逐渐积累而形成,需要经过无数次化学反应而造就!”

大华发现妇女们也听得津津有味,说得更起劲了:“不知大家可听过‘水滴穿石’这一说法?”其中一个妇女怯怯地问道:“是指石头经过水长年累月的冲击而被滴穿的现象么?”大华点头道:“不仅如此,其中也有化学反应的参与,当含有二氧化碳的雨水滴在主要由碳酸钙组成的岩石上时,会生成可溶性的碳酸氢钙,这就是溶蚀作用。”这时另一位妇女迫不及待地打断道:“岩石被溶蚀为什么会有这些千奇百态、错落有致的沉积物呢?”大华示意其耐心听,继续说道:“溶蚀后形成的碳酸氢钙水滴由于环境的变化,分解为不溶于水的碳酸钙而重新沉积。如图3所示,当沉积发生在溶洞顶时,则缓慢形成悬垂的钟乳石,当液滴滴到洞底后再沉积,则形成石笋[4]。”

图3

图3   溶洞的示意图

$\begin{array}{*{20}{c}}{{\rm{CaC}}{{\rm{O}}_3} + {\rm{C}}{{\rm{O}}_2} + {{\rm{H}}_2}{\rm{O}} = {\rm{Ca}}{{\left({{\rm{HC}}{{\rm{O}}_3}} \right)}_2}}\\{{\rm{Ca}}{{\left({{\rm{HC}}{{\rm{O}}_3}} \right)}_2} = {\rm{CaC}}{{\rm{O}}_3} \downarrow + {\rm{C}}{{\rm{O}}_2} \uparrow + {{\rm{H}}_2}{\rm{O}}}\end{array}$


妇女们频频点头,小雪若有所思地说道:“原来是这样,我现在也能理解杜甫《客从》诗中为什么会有客人送给他的珍珠久放竹箱后化为血水的现象。‘客从南溟来,遗我泉客珠。珠中有隐字,欲辨不成书。缄之箧笥久,以俟公家须。开视化为血,哀今征敛无’,诗人借珍珠的凭空消失以控诉统治者的残酷剥削,表达对劳动人民的深切同情。这里珍珠的消失就是由于发生了溶蚀作用,珍珠中的碳酸钙在潮湿环境中与空气中的二氧化碳和水发生化学反应,生成碳酸氢钙溶液,溶液中混有红色物质,故而形成类似血水的红色液体。”

大华笑道:“小雪可以啊,知道举一反三了。”小雪得意地转向妇女问道:“姐姐,看样子雨还得下一阵,带我们参观参观好不好?”妇女们欣然接受,拿着蜡烛在前面带路,兄妹俩跟在后面不断感慨着大自然的神奇、景色的壮观。忽然小雪扭头问起身后的大华:“刚提到碳酸钙,我忽然想到于谦所作《石灰吟》,诗中就生动描述了一连串相关的化学反应,你可知一二?”大华怔了怔,吞吞吐吐道:“诗倒是记得,‘千锤万凿出深山,烈火焚烧若等闲。粉身碎骨浑不怕,要留青白在人间’,这蕴含的化学反应还请小妹不吝赐教。”

小雪露出得意的微笑,看着妇女们也充满渴求的眼神,不卖关子地说道:“‘粉身碎骨’的石灰石(主要成分是碳酸钙CaCO3)经过‘烈火焚烧’,在高温下被烧制成白色的生石灰[5];生石灰与水反应生成白色的熟石灰;尽管其水溶液变得浑浊,但却‘浑’不怕,是因为氢氧化钙与空气中的二氧化碳反应又会生成白色的碳酸钙,重新变得坚硬‘清白’,留于人间。相关化学反应如下:

这个反应也是现代水泥的作用原理,只不过由于涉及硅酸钙的反应,水泥的反应更为复杂。每年有超过100万吨的碳酸钙被开采用于工业生产,除了建筑业外,还可以制成粉用于牙膏、化妆品中,作为填充剂用于食品工业中,作为白色颜料用于纸张与涂料生产中[6]。”

大华拍掌叫好,感叹道:“诗人们将严肃的化学融入浪漫的诗歌中,使诗句蕴涵化学的丰富内容,映射化学的诗意光辉,其才气真令人拍案叫绝。”妇女们也点头称赞,纷纷感慨。待大家有说有笑地参观完溶洞回到洞口时,雷雨已停,其中一个妇女说道:“今天下雨耽搁了时间,去出口的道路崎岖泥泞,还是明早赶路吧。”兄妹俩感激地点点头,跟随着妇女们踏出洞外,雨后新晴,天际挂虹,山峦青翠,小雪雀跃道:“空气好清新,令人神清气爽。”大华边走边说道:“黄庭坚所作《念奴娇·断虹霁雨》中‘断虹霁雨,净秋空,山染修眉新绿’描绘的就是这般雨后景象。小妹觉得雷雨后空气清新怡人,令人惬意,是因为雨水涤荡了空气中的灰尘,打雷时分解出的氧原子有消毒杀菌的作用(图4)。”

图4

图4   雨后天晴的示意图

$\begin{array}{l}3{{\rm{O}}_{\rm{2}}}\mathop = \limits^{{\rm{放电}}} 2{{\rm{O}}_{\rm{3}}}\\{{\rm{O}}_3} = {{\rm{O}}_2} + {\rm{O}}\end{array}$


小雪有感而发:“生活处处是学问。”大家快步向妇女家中走去,到家时天色已晚,经过一天的折腾,兄妹俩吃过饭道过谢后就早早进入了梦乡。

参考文献

公众号"化学人生". "化学诗词大会"来啦![2018-04-07]. https://mp.weixin.qq.com/s/p_N_lxt5lxbQC1aje8IJTA.

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李彦,马玉国.元素的世界之元素档案.北京:中国大百科全书出版社, 2010.

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唐乐; 陈苏杭; 许志伟; 张伟; 沈瑞琪; 叶迎华. 含能材料, 2017, (8), 25.

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朱平平; 兰泉; 冯红艳; 汪红蕾; 黄微; 查正根; 郑媛; 刘济红; 魏伟; 李婉; 高明丽; 邵伟; 李维维. 大学化学, 2018, (7), 33.

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蔡金林; 薛正良; 熊天宇; 谢煜程; 胡彬; 李建立. 炼钢, 2017, (1), 3.

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杰克·查洛纳.图解化学元素:探秘我们宇宙的构成单元.卜建华,译.北京:人民邮电出版社, 2014.

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