大呼有趣的化学知识
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从棉花与布说起

传说上古的时候,黄帝的妻子嫘祖有一次在河边洗衣服的时候,旁边的桑树上突然掉下来了一只蚕茧。蚕茧泡了水之后,上面的丝就抽出来了。嫘祖觉得有趣,就捡了几个蚕茧带回去,用热水泡,把上面的丝抽出来,编成绢,做成了衣服。用蚕丝做成的衣服又轻便又柔软,穿在身上感觉很好。由此,嫘祖成了养蚕缫丝的始祖。

到了宋元时期,棉花从西域传入中国。这是一种很好的做衣服的材料,长江流域的农民纷纷种起棉花来。棉花采摘下来以后,要先纺成棉线,再在织布机上把棉线织成布。“纺织”一词就是这么来的。可是当时的纺织技术却很落后,织出来的布不平整,织布速度也很慢。黄道婆利用在海南学到的纺织技术,加上自己的努力,对以往的纺车织机进行改进,让棉布纺织的速度和质量都比以前好了不少。

棉花变成布的过程非常复杂,要经过将近40道工序的处理。在没有机器的古代,布的生产完全依靠手工织布机。农民种棉花是个靠天吃饭的活,收成如何全看天气。把棉花采摘下来之后,全靠家里的妇女纺线织布,所谓“男耕女织”。织布是非常辛苦的,需要大量时间。因此在古代,布帛的价值其实很高,高级的丝绸、锦绣更是经常作为帝王赏赐下人的物品。织好的布还要经过裁剪缝纫,才能变成衣服。

中国传统的织布机虽然一直在改进,织布速度大有提高,却一直是人工操作。1840年开始,西方进行了第一次工业革命。织布机也在这时有了重大改进。改进后的织布机不再需要人工织布,而全部用机器,这样大大提高了布匹生产效率,布匹质量也上了一个台阶。

棉花的主要成分是纤维素,而且纤维素比例很高。

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纤维素

纤维素是一种由葡萄糖组成的多糖,不溶于水和一般的有机溶剂。纤维素的分子量非常大,是天然高分子化合物。纤维素是组成植物细胞壁的主要成分。虽然人体不能消化纤维素,可是纤维素被人吃下去之后,会在消化道中占据一定的空间,产生饱腹感;排便时还会使粪便变得松软。因此,多吃蔬菜水果有助于预防便秘。纤维素又被称为人体“第七营养素”,是膳食纤维中的重要部分。

纤维素的分子结构

纤维素虽然不溶于水和一些有机溶剂,但有一些特殊的溶液可以溶解它。硫酸铜与氨水混合的铜氨溶液就可以使纤维素与铜离子发生络合而溶解。当络合物遇到酸之后,又会重新产生纤维素沉淀。所以,把棉花甚至是木浆溶解在铜氨溶液中,再通过喷嘴挤到酸性溶液中,就能生产出纤维素纤维来。这样生产出来的材料,叫作“人造丝”

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配位键与络合物

共价键中有一种特殊情况,成键的两个电子完全来自一侧基团,这样形成的共价键叫作配位键。比如,氨气中的氮原子有一对孤立电子对,氢离子则有可以接受电子的空轨道。氨分子中氮原子上的电子对配位进氢原子的电子轨道,就形成了铵离子(NH+)。4

配位键的形成

由过渡金属的原子或离子与有孤立电子对的基团通过配位键结合形成的化合物,叫作配位化合物,又叫络合物。化妆品中常用的添加剂EDTA就是一种络合剂,除可以防止化妆品中的油脂被氧化外,它还可以与化妆品中的微量重金属离子反应形成稳定的络合物,保护有效成分不失去活性。由于EDTA的络合效果非常出色,因此也被用于医疗,挽救重金属中毒的病人。

EDTA和它与金属离子形成的络合物

虽然有了机器织布机和人造丝的技术,但是布匹的产量还是依靠棉、麻、丝、毛的生产。这些纤维产量经常受自然条件的制约,会有丰年和荒年,产量不是可以无限增长的。要是可以凭空制造出纤维来就好了。本着这种想法,科学家们开始研究,开发出了各种合成纤维。其中最重要的一种就是尼龙了。

尼龙又叫锦纶,是一种聚酰胺,由美国杜邦公司于20世纪30年代发明。40年代初期,尼龙制的丝袜一经推出,大受欢迎。妇女们在商店门前排起长长的队伍,争相抢购这种“美腿神器”。战后,由于生活稳定,尼龙丝袜开始大量生产,以满足人们的日常需要。

在实验室中,可以用己二胺和癸二酰氯来合成尼龙。把己二胺和氢氧化钠按照一定比例溶解于水中,再把癸二酰氯溶解在四氯化碳中。将水溶液缓缓倒在四氯化碳溶液上面,它们就会因为密度和溶解性的差异分层。在两种溶液的界面上,己二胺末端的氨基与癸二酰氯末端的酰卤基发生反应而连接,脱落一分子氯化氢。随后,在新分子的两端,又可分别再与两种分子发生反应,最后形成一条长链。产生的副产物氯化氢会被氢氧化钠溶液吸收,促使反应向正向进行。随着生成物尼龙被拉出,更多的分子跑到了界面上参与反应,直到反应物耗尽为止。生成的尼龙经过漂洗、烘干,就可以进入下一步工序了。因为己二胺和癸二酰氯分别含有六个和十个碳原子,所以它们合成的尼龙叫作尼龙6,10。此外,常见的还有尼龙6,6等。

美国在“二战”时期的尼龙丝袜广告

己二胺

癸二酰氯

尼龙的合成是人类高分子合成史上的重要里程碑,它标志着化学纤维时代的来临。从此开始,人类逐渐掌握了各种合成化纤的方法,并把它们商业化。丙纶、腈纶、涤纶……一大批化纤材料如雨后春笋般被发明出来,打入了服装市场。从此服装的材料不再限于天然材料,还可以由一切含碳的材料(主要是石油)逐步合成。

虽然化纤材料来源广泛,并且制成的衣服结实耐磨、色彩鲜艳、柔软舒适,但它也有着吸湿、透气性差,容易引起静电,刺激皮肤的缺点。为了整合天然纤维和合成纤维的优缺点,人们有时会采用混纺的方法,把两种以上不同的纤维混合起来,达到取长补短的效果。

虽然现在各种面料已经足够人们对衣着的要求了,但人们一定不会就此满足。随着科学的发展,一批新的面料已经出现在了科学家的研究清单中。会发电的衣服、会发热制冷的衣服、抗菌除臭的衣服、能导电的衣服,等等。这些新型面料的出现一定能极大地改变我们的生活,就像哆啦A梦的道具一样,让衣服具有更多神奇的功能。


[1]. 注:这里为了方便操作,对不同p H的模拟非常简略,因此误差可能很大。在实验室中,我们有很多方法来配置一定p H的溶液,不过家庭条件下很难完成,这里就不过多介绍了。为了使实验现象更好,萃取花青素的时候,应该尽可能浓。萃取方法见上一篇的小实验,不过原料可以换成其他紫色的蔬菜或水果皮。