二氧化矽(SiO2)在人類發展的歷史上有著不可替代的地位。
作為物理化學性質優良,在自然界中大量存在,而且對人類無毒無害的物質,SiO2自從被開發以來深受眾人歡迎。
珠寶行業,雕刻行業,建築業,玻璃制造業,計時工具制造業…這些行業能夠發展到今天的程度,都離不開SiO2的幫助。在本篇論文裏,主要討論的是SiO2對計時工具發展的影響。
計時工具的發展,可以從遙遠的古代看起。壹開始古埃及使用的計時塔,到日晷與水鐘的發明,到沙漏的廣泛使用,再到14世紀機械鐘表問世,然後再到懷表和擺鐘的時代…之後接著在20世紀出現的,就是直到現在都非常廣泛地應用的石英鐘了。之後,還出現了比石英鐘更加精確的原子鐘……不過,在此我們主要討論石英鐘。
石英鐘的工作原理,是通過記在鐘表內部有壹個不停地震動的石英晶片振動的次數來計時。至於更加具體的工作原理,請見專門討論此原理的論文。
石英晶片之所以能振動,是因為它有壓電性。壓電性說簡單了,就是:給它壹點壓力,它就能放出電壓。反之亦然。
在石英鐘表裏,用的主要是“給它電,它就產生力”的特點。給它壹下電,它就振壹下。給它的電如果頻率快,它就可以持續不停地迅速振動了。而正好,很多產生電的東西都能很容易提供使之迅速振動外加交變電場。
由於使之振動工作所需的電能非常少,它本身振動的能量消耗小,振動頻率穩定,而且石英本身物理化學性質優良且穩定,很多計時工具就根據它的振動來計時。不僅如此,由於它性質穩定,振動頻率受晶片大小的影響微乎其微,所以它還適合用來制造小型的手表。
石英鐘表在如今的社會裏這麽廣受歡迎,主要是有2點:準確,便宜。
比起之前的沙漏和機械鐘表之類,石英的計時更加準確(因為它振動頻率穩定)。而比起新出現的原子鐘來說,石英鐘更便宜(因為石英在自然界可謂“遍地都是”,而且開發價格低廉)。所以,用它來造表,在現在的環境下來看,是最合適不過的了。
不信的話,可以去調查調查,大家手腕上帶著的手表,電腦裏的計時器,手機裏的鐘表…有那個不是含有SiO2的?
從現象之中,能看出本質。
從SiO2的廣泛使用中,能看出它對計時工業改進的影響力。
(二)化學與戰爭
壹、 高貴與平凡的結合體——石墨炸彈
石墨炸彈是選用經過特殊處理的碳絲制成(此知識在人教版高壹化學的《碳族元素》),每根碳絲的直徑相當小,僅有幾千分之壹厘米,因此,可在高空中長時間漂浮。由於碳絲經過流體能量研磨加工制成,且又經過化學清洗,因此,極大地提高了碳絲的傳導性能。碳絲沒有粘性,卻能附在壹切物體表面。它通過爆炸或火藥引爆散布在敵方陣地,破壞敵方防空和發電設備。碳絲可進人電子設備內部、冷卻管道和控制系統的黑匣子。碳絲彈頭對包括停在跑道上的飛機、電子設備、發電廠的電網等所有東西都產生破壞作用。90年代初,海灣戰爭時,石墨炸彈在“沙漠風暴”行動中首次登場。當時,美國海軍發射艦載戰斧式巡航導彈,向伊拉克投擲石墨炸彈,攻擊其供電設施,使伊拉克全國供電系統85%癱瘓。90年代末,以美國為首的北約對南斯拉夫的空襲中,美國空軍使用的石墨炸彈型號為BLU-114/B,由Fll7A隱形戰鬥機於1999年5月2日首次對南電網進行攻擊,造成南全國70%的地區斷電。
二、瞞天過海的真實寫照——煙幕彈
大家知道,化學中的“煙”是由固體顆料組成,“霧”是由小液滴組成,煙幕彈的原理就是通過化學反應在空氣中造成大範圍的化學煙霧。例如裝有白磷的煙霧彈引爆後,白磷迅速在空氣中燃燒,反應方程式為: ,(此知識在人教版高二化學的《氮族元素》)P2O5會進壹步與空氣中的水蒸氣反應生成偏磷酸和磷酸,並且偏磷酸有毒反應方程式為:P2O5+H2O=2HPO3,2P2O5+6H2O=4H3PO4,這些酸液滴與未反應的白色顆粒狀P2O5懸浮在空氣中,便構成了“雲海”。
同理,四氯化矽和四氯化錫等物質也極易水解
SiCl4+4H2O=H4SiO4+4HCl,SnCl4+4H2O=Sn(OH)4+4HCl,也就是它們在空氣中合形成HCl酸霧,所以也可用作煙幕彈在第壹次世界大戰期間,英國海軍就曾用飛機向自己的軍艦投放含SnCl4和SiCl4的煙幕彈,從而巧妙的隱藏了軍艦,避免了敵機轟炸。現代有些新式軍用坦克所用的煙幕彈不僅可以隱蔽物理外形,而且煙霧還有躲避紅外激光、微波的功能,達到真的“隱身”。 將此知識在教學中講述,引起學生無限的想象,增強學習動力。
三、打開天堂之光和地獄之火的結合體——燃燒彈
看過《拯救大兵瑞恩》嗎?裏面有壹個美軍用燃燒彈燒死坑道中敵兵的境頭,這就是燃燒彈在現代坑道戰,塹壕戰中的作用之壹。由於汽油密度較小,發熱量高,便宜,所以被廣泛用作燃燒彈原料(此知識在人教版高中化學中高二第五章《烴》)。加入能與汽油結合成膠狀物的粘合劑,就制成了凝固汽油彈。為了攻擊水中目標,有的還在凝固汽油彈裏添加活潑堿金屬和堿七金屬鉀、鈣、鋇,金屬與水結合放出的氫氣又發生燃燒,提高了燃燒威力(此知識在人教版高中化學中高壹第二章《堿金屬》)。
對於有裝甲的坦克,燃燒彈自有對付的高招,由於鋁粉和氧化鐵能發生壯觀的鋁熱反應,2Al+Fe2O3=Al2O3+Fe+熱量(此知識在人教版高中化學中高二第四章《幾種重要金屬》),該反應放出的熱量足以使鋼鐵熔化成液態,所以用鋁劑制成的燃燒彈可熔掉坦克厚厚的裝甲,使其望而生畏。另外,鋁熱劑燃燒彈在沒有空氣助燃也可照樣燃燒,大大擴展了它的應用範圍。將此知識在教學中運用,培養他們的創造力。
四、人類進步與殺戮產物——火藥
火藥最早是由中國勞動人民發明制造的,當初主要用於醫藥。據《本草綱目》記載,火藥有去濕氣,除瘟疫,治瘡蘚的作用,從火藥兩字中的“藥”字即可見壹斑,後來火藥傳至歐洲才用於軍事。軍事上黑火藥的成分是:75%的硝酸鉀,10%的硫,15%木炭(有時火藥也呈褐色,也叫褐火藥)。黑火藥極易劇烈燃燒,方程式為:
(此知識在人教版高中化學中高壹第六章)
同時,燃燒產生的熱使氣體劇烈膨脹,發生爆炸。
隨著軍事化學發展,出現了比黑火藥爆炸威力更大的烈性炸藥。壹般是含硝基的有機化合物,首先是苦味酸即黃色炸藥,由苯酚制成,反應方程式為:
(此知識在人教版高中化學中高二第六章《烴的衍生物》)
硝化甘油是由於壹場化學實驗室的偶然事故發現的壹種烈性炸藥的主要成分,它由甘油(丙三醇)硝化制得,反應方程式為:
(此知識在人教版高中化學中高二第六章《烴的衍生物》)
後來出現了烈性炸藥TNT,現在被廣泛用作軍事武器中的炸藥和炸藥當標準,它是由甲苯硝化而成,反應方程式為:
(此知識在人教版高中化學中高二第五章《烴》)
另外,硝銨是壹種很好的氮肥,同時也是壹種烈性炸藥,當受到突然加熱至高溫或猛烈撞擊時,會發生爆炸性分解,反應方程式為:
(此知識在人教版高中化學中高二第壹章《氮族元素》)
國內外都發生過硝銨(用作肥料)倉庫爆炸事故。
至於無煙火藥則是用棉花(主要成分是纖維素)經硝化反應制得,化學名稱為纖維素三硝酸酯,高中化學課本曾有介紹。若將此知識在教學中講述,增加學習趣味性,擴大學生知識面,何樂而不為。
五、科技與死亡的代名詞——化學武器
海灣戰爭後,聯合國武器核查伊拉克的重要目的之壹就是清除其化學武器,可用化學武器的致命威力,歷史上第壹次應用化學武器是在1915年4月22日,德國軍隊在比利時戰場大規模使用氯氣,造成英法聯軍壹萬五千人中毒,其中五千人死亡。帶有苦仁味的氫氰酸更是殺人不見血。在二戰盅以忍受,嚴重可導致死亡;利用焰色反應可制出各種顏色的信號彈(此知識在人教版高中化學中高壹第二章《堿金屬》);鐵氧體的化學塗料,能吸收雷達波,可用於隱身飛機外表塗層;用AgZ或幹冰人工催化降雨作業此知識在人教版高中化學中高壹第四章《鹵族》),可形成暴雨、洪水,成為“氣象武器”, 還有核武器的三兄弟——**、氫彈和中子彈等等,在高中化學理論都有它們的身影。