●　蓝天：瑞利散射和大气现象的各种变化

早餐后你就出门了。现在正值冬季，气温很低，但今天的天气很好，天空万里无云，一片湛蓝。我们对这样的天空已经习以为常，但若是想要解释清楚为什么天空是蓝色的就不是那么简单了。英国物理学家约翰·威廉·斯特拉特·瑞利（John William Strutt Rayleigh， 1842—1919）[34]成功解释了这个问题。在这一现象的基础上，光的一种特殊行为被命名为瑞利散射（Rayleigh scattering）。当光线穿过由小颗粒（其尺寸与光的波长相当）组成的介质（如大气中的气体分子）时，它会向各个方向偏转。但根据入射光波长的不同，扩散强度也不同。瑞利发现，大气散射光的强度与入射光线波长的四次方成反比。太阳光由各种波长不同的成分（对应于彩虹颜色的色光）构成，波长较短的光受大气散射的影响较大。组成太阳光的色光波长从红光到紫光逐渐减小，因此散射能力最强的色光应该是紫光。但是由于紫光在太阳光中的强度很弱，所以散射最强的就变成了波长也很短，但光强度更高的蓝光。所以天空呈现蓝色多亏了有大气层作为扩散介质。在没有大气的情况下，天空会呈现黑色，宇航员在地球大气层外的旅行证实了这一点。

今天的天空中没有云，但我们知道云一般是白色的，有时也会更暗。云由悬浮在空中的水滴组成，因此它们是比分子和光的波长大得多的“物体”。在这种情况下，光仍然是向各个方向扩散的，但不管波长大小如何，它们的散射程度都是一样的。另外我们还知道，所有波长的光合在一起就是白光，所以我们的眼睛看见的就是白色的云。有时候阳光无法穿透厚云层，下层的云处在阴影之中就会显得很暗。它们的大体积，尤其是它们的厚度阻碍了光线的通过，所以云朵看起来是“阴暗”的。

仔细想想这些事情你会觉得奇怪，为什么在黎明和日落的时候天空反而呈现出红色？在这种情况下，所涉及的现象不再是光的散射，而是空气中的分子对辐射的吸收。在黎明和日落时分，太阳比地平线低，太阳发出的光侧着射入地球表面，太阳光必须穿过更厚的大气层，因此大气层也就吸收了更多的太阳光。但空气中的气体分子主要吸收波长较短的光线，而波长较长的光却能安然无恙地通过。所以到达我们眼睛的光线中红光会更多。

●　道路上的冰和盐

尽管天空晴朗，但气象部门预测明天会下雪甚至可能有霜冻。为此，市政府已安排在街道上撒盐。当你走出家门的时候恰巧有一辆撒盐车经过。你的脑海中浮现出你姑姑在制作冰激凌时，将碎冰和盐混合，以此来降温的画面。但是这样一来，在道路上撒盐又有什么意义呢？不是进一步降低温度了吗？制作冰激凌的撒盐和道路除冰撒盐这两种现象虽然看起来相似，但也必须解释一下，以免大家混淆。在标准大气压下，纯水在0℃时会结冰（也可以说冰会在这个温度时融化），而盐（或其他物质）的水溶液反而会在更低的温度下结冰，并且溶液的浓度越高，凝固点越低。这种现象被化学家们称为冰点降低（同样，溶液的沸点也比纯溶剂高，在这种情况下我们称其为沸点升高）。当盐被加到冰（或雪）里时，我们会发现同时存在3种不同的物质（化学家称它们为相）：固体冰、固体盐以及盐融化在原有的少量水里面形成的氯化钠溶液。这3种相的共存决定了不平衡、不稳定的局面。然后冰逐渐融化，形成的水会进一步溶解盐。冰的融化过程会从外界环境中吸收热量，这样就会使物质温度逐渐降低（这就解释了为什么要用冰和盐的混合物来降低温度制作冰激凌）。最后会达到以氯化钠溶液为代表的单相组成的平衡状态。最终的温度会下降，但冰层却已经完全消失了，而这正是我们想要达到的目的。温度下降多少取决于盐的添加量。如果使用普通食盐（氯化钠），则可达到的最低温度是-21.3℃，这个值称为共晶温度（eutectic temperature）。一般情况下，如果将两种纯物质混合，得到的混合物的熔点会比两种纯物质的熔点低。这种特殊的混合物具有最低熔化温度，被称为低共熔物（eutectic mixture）。在加入氯化钠的情况下，得到的低共熔物是质量浓度约为23%的氯化钠溶液。

我们一般使用普通的氯化钠来清除道路上的冰，也可以使用氯化钙。通常我们还会将这两种盐与沙子或碎石混合，以增加地面的摩擦力，为车辆轮胎提供良好的附着力。

●　制冷板

低共熔物也应用于低共熔片（eutectic plate）。这是一种含有低共熔溶液的金属板，溶液可以被内部冷却盘管冷冻。冻结后的溶液马上就会从外部吸收热量，从而保证放置环境（如集装箱、冷冻食品运输车等）的制冷效果。普通的制冷板（Piastre refrigeranti），又称冰晶盒（siberino），也是采用同样的原理，将它放在冷冻室中冻结，然后用于保温袋和便携式冰箱的制冷。

●　汽车：汽油、碳氢化合物、内燃机

一路上想着盐、冰和共晶这些知识，不知不觉中你已经来到了车库。你上了车，然后插上钥匙，启动车子去上班。你可能觉得奇怪，但确实这次你又开启了一个化学反应。这个反应是发生在汽车气缸中的碳氢化合物的燃烧（或氧化）。碳氢化合物是由碳和氢组成的化合物，因为它们只由两种元素组成，所以化学家称它们为二元化合物（Binary compound）。众所周知，碳氢化合物是当前社会重要的能源来源（也是生成无数其他化合物的基本）。根据其分子结构，碳氢化合物可分为不同的类别。分子以开链形式存在的称为脂肪族化合物（aliphatic compound）。而在具有闭合（环状）链的碳氢化合物中，有脂环族化合物（alicyclic compounds）和芳香族化合物（aromatic compounds）[ 或芳香烃（aromatic hydrocarbon） ]。脂环族化合物尽管具有闭合碳链，但它有着与脂肪族相似的化学键。芳香族具有特殊的电子结构，赋予了它们特殊的性质（取名为“芳香族”，是因为许多这类化合物具有芳香气味；但现在化学家们认为只要此类化合物满足特定电子结构，不管是否有香味，都叫芳香族化合物）。脂肪族包含烷烃（alkane）、烯烃（alkene）和炔烃（alkyne），烷烃中的碳原子之间只有单键（只由一对电子构成），烯烃含有碳碳双键（2对电子），炔烃含有碳碳三键（3对电子）。

汽车使用的汽油主要是由碳原子数为5～9个的烷烃和烯烃的混合物组成，但也存在芳香烃和其他化合物（见下文）。在我们的汽车发动机中，汽油在化油器中被雾化并与空气混合。空气与汽油的混合物进入气缸后被活塞压缩，在压缩冲程结束时，气缸顶端的火花塞产生的火花使混合物猛烈燃烧。燃烧释放的能量推动活塞运动，这样的运动会通过连杆传递给曲轴。气缸中发生的燃烧是汽油中的碳氢化合物与空气中的氧气之间的燃烧反应，得到的产物主要是水（由于高温而呈水蒸气状态）和二氧化碳（但还会有其他化合物形成，会带来污染问题，见下文）。这些产物通过排气管排出，在天气寒冷时很容易发现水的排出，因为蒸气会凝结成特有的白色雾气。

为了提高发动机效率，重要的是要保证空气和汽油的混合物在压缩冲程结束之前不会自燃。如果出现这种情况，发动机就会运转不畅，用专业术语来说就是发动机爆震。汽油的质量是根据其抵抗压缩过程而不自燃的能力来评估的。这种能力叫作抗爆震能力。为了使汽油的抗爆性更可观，我们定义了辛烷值（octane number）这个常规量，它是每种汽油抗爆性能的指标。传统上选择两种碳氢化合物（烷烃）作为测定辛烷值的标准燃料，分别为正庚烷和异辛烷。正庚烷（n-heptane, normal heptane）是一种由7个碳原子组成的直链烷烃（这就是它为什么叫作正庚烷）。它的抗爆性差，换句话说就是当它与空气混合时，通过简单的压缩很容易就燃烧，因此将它的辛烷值设定为0。2,2,4-三甲基戊烷（2,2,4-trimethylpentane），或称异辛烷（isooctane），含有8个碳原子，分子结构中含有支链，抗爆性好，它的辛烷值设定为100。如果将这两种烃混合，得到的混合物将具有中等抗爆震能力（因此辛烷值也是如此）。为了确定汽油的辛烷值，我们将它的抗爆震能力与正庚烷和异辛烷的混合物的抗爆震能力进行比较，直到找出性能与该汽油完全相同的混合物。混合物中异辛烷的百分比对应着我们汽油的辛烷值。举个例子来说，如果汽油与含有95%异辛烷和5%正庚烷的混合物具有相同的抗爆震能力，我们就说它的辛烷值为95。优质汽油必须具有较高的辛烷值，而要得到优质汽油基本上有两种方法。第一种是改变碳氢化合物的分子结构。一般来说，直链烷烃（如正庚烷）的辛烷值较低，而具有支链的烷烃（如异辛烷）的辛烷值较高。所以汽油生产商就尝试通过增加支链分子的含量来提高辛烷值。为了实现这个目的，我们采用了两步工艺流程，即裂化（cracking）和重整（reforming）。裂化（字面意思是指断裂）是一种石油化工工艺，在加热（高温）或催化（使用特殊的固体催化剂）条件下，通过使分子链较长的烃断裂来获得短链烃。重整（字面意思是重组）就是通过使用特定的金属催化剂将直链烃转化为其他具有支链的烃的过程。

然而，用上述过程得到的汽油并不总是具有足够高的辛烷值。所以为了进一步提高辛烷值，还可以在汽油中添加特殊的抗爆剂。最早使用的汽油抗爆剂之一是四乙基铅（teraethyl lead），它是一种金属有机化合物，其分子由1个铅原子与4个乙基连接而成，因此它的分子式为Pb（CH2CH3）4。1921年，任职于通用汽车公司戴顿（Dayton）实验室的托马斯·米基利（Thomas Midgley， 1889—1944）发明了四乙基铅。米基利不仅受过工程师训练，是一位机械工程师，同时也是一位多产的发明家。除了发现了四乙基铅的抗爆性能，他还于1930年合成了二氯二氟甲烷（dichlorodifluoromethane），可作为家用冰箱的制冷剂气体。该物质由杜邦公司（DuPont）以氟利昂（freon）的名称在市场上销售，是第一种被广泛使用的氟氯烃（chlorofluorocarbon，简称CFC）。但米基利这些富有创造力的发明既成就了他，也扼杀了他。1940年，51岁的他患上了小儿麻痹症，成了残疾人。因此，他发明了一套复杂的绳索滑轮装置，使残疾人能够自己下床。1944年，他被装置的绳索缠住，窒息身亡。

●　绿色汽油

多年来，四乙基铅被广泛用于所谓的超级汽油或红色汽油中（因为此类汽油中加入了红色染料来区别于其他汽油，所以叫它红色汽油）。但是铅是一种毒性极强的重金属，人们后来意识到铅通过汽车尾气不断地排放到环境中，造成了严重的污染问题（米基利本人也出现了铅中毒的症状）。因此，红色汽油逐渐被绿色汽油（添加了另一种染料制成）取代。这两种汽油在意大利共存了一段时间。从2002年1月1日起，红色汽油正式退出市场。目前市面上唯一可用的汽油是绿色汽油。与红色汽油不同，绿色汽油不含四乙基铅，通常会使用其他添加剂来提高辛烷值。刚开始是加入大量的芳香烃[如苯（benzene）]作为添加剂。但这些化合物具有致癌性，因此人们也一直在减少它们的使用。目前，常用的添加剂之一是甲基叔丁基醚（methyl tertiary butyl ether，MTBE）。MTBE的一个缺点是它极易溶于水，因此如果它泄漏到环境中，就有可能造成地下水污染。另一种会使用的添加剂是乙基叔丁基醚（ethyl tert-butyl ether， ETBE）。

●　催化转换器

多年以来，一直有规定新车都必须安装催化转换器（catalytic converter）。这种装置必须具有三个功能：1. 必须燃烧所有残留的碳氢化合物；2. 必须将一氧化碳（燃烧过程中可能形成的有毒气体）氧化成二氧化碳；3. 必须将氮氧化物（也是有毒气体）还原成氧气和氮气。我们所说的三元催化转换器具有全部的这三种功能。

催化转换器通常由一个钢筒组成，钢筒内有一个多孔支架（陶瓷或金属材质），支架上有一层薄薄的氧化铝（铝的氧化物），称为洗涂层（wash-coat）。这一薄层大大增加了与废气接触的活性表面。最后，洗涂层表面还分布有大量由铂（Pt）、铑（Rh）和钯（Pd）的混合物组成的真正的催化剂颗粒。要使催化转换器有效地工作，发动机的供给很重要。到达气缸的空气-汽油混合物必须有足够的量，以确保空气中的氧气量足以燃烧掉汽油中的所有碳氢化合物。这个空气-汽油混合物的最佳用量也必须根据油门位置、温度等情况时刻调整。为了确保这一点，我们使用了一个特殊的装置：λ探针（lambda sonde）。这个名字来源于希腊字母λ，代表空气量与燃料量之间的关系。λ探针是一个检测废气中氧气含量的传感器。探针将收集到的信息发送到电子控制单元，再由电子控制单元调节燃烧室内的汽油流量。催化转换器必须在250℃以上的温度下才能有效工作。此外，在汽车冷启动后的一段时间，催化转换器不能立即达到最佳工作状态，所以制造商也在尝试尽量缩短这段时间。

对于装有催化转换器的汽车，绝对要避免使用含铅汽油。铅会对催化剂造成不可逆的损害，从而失去催化作用（所谓的“中毒”现象）。还有其他物质也会使催化剂中毒，如润滑油中的磷和锌。因此，必须使用合适的润滑剂并检查其消耗量。另外，还要避免未燃烧的汽油与催化剂接触。所以我们就要避免用推动车辆的方法来启动发动机，如果发动机点火失败（misfiring），不仅要避免反复打火启动，还应避免在发动机高速运转时关闭发动机。

●　安全气囊：叠氮化钠

你的汽车是最新的车型，制造工艺完全符合欧洲的汽车污染物排放标准，在设计上也最大限度地保证了驾驶员和乘客的安全。所以，除了主动安全配置（ABS防抱死制动系统、ESP车身稳定控制系统、TCS牵引力控制系统[35]），它还有6个安全气囊。安全气囊这类重要的被动安全装置的运行同样基于化学反应。

1951年，德国的沃尔特·林德勒（Walter Linderer）申请了第一个“在发生危险时能自动充气膨胀的折叠式充气容器”的专利。同年，美国人约翰·W. 海德里克（John W. Hedrik）也产生了类似的想法，并于1953年申请了发明专利。这些原始的安全装置由一个气囊组成，在发生撞击时，里面的压缩空气会使气囊膨胀。但这种气囊的主要缺陷就是膨胀速度太慢。在发生事故时，气囊必须非常迅速地膨胀起来才能起到有效的保护作用。我们通过用小型爆炸装置代替压缩空气系统解决了这一问题，而这也是至今仍在使用的技术。现代安全气囊基本上有以下几个部件：传感器，可以检测到由于撞击引起的突然减速；电子控制单元，接收传感器信号并启动雷管；雷管中电流通过白炽电阻产生热量，引爆胶囊中的低烈度炸药；爆炸释放出的大量气体使气囊充气；气囊的后部有孔，可在随后放出气体。在一些混合型气囊中，爆炸时还会释放出装在第二个胶囊中的压缩惰性气体。

常用的爆炸药剂是叠氮化钠（Sodium azide）。它是一种含有钠和氮的二元化合物（结构式见图14），化学式为NaN3，呈白色固体，无味，有剧毒。在常温下性质稳定，但当它被加热到300℃左右时就会发生剧烈爆炸，分解出金属钠和氮气，其化学反应式为：2NaN3 → 2Na + 3N2。

图14　叠氮化钠的结构式

正是释放出来的大量氮气充斥着气囊袋。另外，生成的金属钠化学活性很强，如果不处理可能会引起其他的问题。所以我们会让它与合适的试剂反应，立即转化为化学性质不活泼的硅酸钠。

叠氮化钠的爆炸使安全气囊以约320千米/小时的速度在30～50毫秒的时间内迅速膨胀，这可能会使驾驶员或乘客的头部受到强烈的后推力。因此，一定要系好安全带，座位上的头枕要有适当的厚度和形状，防止脑挫伤。安全气囊一旦使用就必须更换，不能重复使用。

20世纪60年代汽车安全气囊开始使用，但直到80年代以后才得到大规模推广，最开始汽车只使用了正面安全气囊装置，后来还增加了侧面的防撞安全气囊。

根据一些统计数据，安全气囊的使用使正面撞击的死亡率降低了30%。所有因安全气囊而活下来的人，都应该感谢安全气囊里的这个化学反应。

●　玩具与化学

停好车后你还得走上几百米才能到办公室。途中你经过一家文具店，里面也卖玩具。幸好这家店已经开门了，而今天你是提前出门，所以时间还早。你想趁机去逛一逛，因为你想带一份礼物回去送给你儿子，他昨天在学校里的考试取得了好成绩。你走进去开始四处挑选。现在几乎所有的玩具都是由塑料制成的，你不禁会想到这些合成材料的背后有多少化学知识呀！我们将在第三章第2节中更详细地讨论塑料。

店里有一个架子是专门用来摆放老式玩具的，就跟你小时候玩过的那些一样，这些玩具现在依然很受孩子们的欢迎。另一个架子上有许多泡泡瓶。每个瓶子里都有溶液和一根用来吹泡泡的带圆圈的塑料棒。

里面的溶液通常使用的是肥皂水或其他清洁剂的水溶液。如果你想吹出很大的泡泡，可以按照以下配方配制溶液：按体积计算，将10%的洗涤剂、84%的蒸馏水或去离子水和6%的甘油混合。溶液配制后需要搅拌但不能摇晃，以免形成泡沫。为了获得更持久的泡泡，我们可以增加洗涤剂的量和（或）甘油的量。但是，如果洗涤剂的浓度超过了12%，气泡反而变得不持久。甘油用于增强形成气泡的液膜，使用糖也可以达到同样的效果，但最好使用等量的水和糖加热制成的糖浆。在有糖浆的情况下，制作泡泡水的有效配方是：将甘油、洗涤剂、糖浆按照4∶2∶1的比例混合。使用蒸馏水（或去离子水）能有效避免自来水中金属离子的干扰。就像我们在第一章第2节中已经看到的那样，在一个简单的肥皂泡背后有着非常有趣的科学知识。

靠近泡泡的架子上摆着的是彩色气球。它们由天然橡胶制成，而天然橡胶是异戊二烯（2-甲基-1,3-丁二烯，2-methyl-1,3butadiene）的聚合物（见第三章第2节）。长长的聚合分子链被折叠并连接在一起，形成一张极富弹性的网。当我们给气球充气时，最初以完全的随机方式取向的聚合分子链，因为可以围绕碳原子间的单键进行内旋转而变长。气球的膜看似完全不透水，但实际上它有一定的孔隙率，这也是为什么在一定时间后气球会慢慢瘪掉。

魔术师经常利用橡胶的独特性能来玩花样，比如将针刺入膨胀的气球，但气球不会破裂。

要做到像魔术师一样，你需要一个气球和一根长约45厘米的针或者一根长竹签（用于烧烤的竹签）。气球不需要完全充满气体（约为最大尺寸的2/3），针（或竹签）必须涂上油。这时将针插入气球最厚的地方（气球底部），再让它从气球口打结处附近出来。如果你的操作都正确，那么气球即使被刺穿，它也不会爆裂！一旦针头被拔出就会有两个小孔，空气就会从这两个小孔中出来。你可以将气球抛向空中然后用针将其刺破，来避免被他人看穿，发现气球在漏气。

当你继续在商店里逛的时候，你看到了一款小时候的玩具。你已经很多年没见过这个玩具了。它的注册商标是Silly Putty?（复活蛋弹力彩泥）。

它是一种粉红色的胶状物，装在一个小小的蛋形容器中包装出售。彩泥有独特的性质：如果你慢慢地拉扯它，它就会伸长，形成细丝；如果你用力一拉它就会断开；如果你把它塑成球状扔在地上，它就会像普通的橡皮球一样弹跳；如果你用力把它塞进管子里，它就会膨胀到从管子的另一端出来；如果你把它压在一张报纸上，拿起来之后它的表面就会印上报纸上的内容，因为它吸收了部分印刷的油墨。最新版本的彩泥中还添加了磷光物质，使它能在黑暗中发光。1941年，通用电气公司的化学家首次创造出这种磷光物质。他们的目标其实是想制造出一种硅基合成橡胶。虽然他们没有成功，但由于制造出来的这种磷光物质性能独特，所以这种物质就被当作玩具使用和销售。从化学角度来看，彩泥是一种硅基聚合物。硅酮（silicone），又称聚硅氧烷（polysiloxane），是一类以重复的硅氧键为主链，硅原子上直接连接有机基团的聚合物。1907年，英国化学家弗雷德里克·基平（Frederick Kipping， 1863—1949）合成了第一种硅酮。彩泥之所以有黏弹性，是因为它是一种非牛顿流体（non-Newtonian fiuid）。与其他流体不同，彩泥的黏度不随温度而变化（如牛顿所述）。但是，当彩泥受到急速的机械应力（如被剧烈地拉扯或撞击到地板）时，它的黏度就会增加。我们在家也可以轻松制得非牛顿流体，只需要将玉米淀粉与水混合就行。我们甚至还可以将这种物质装满在一个浴缸里来进行一个特别的实验，我们要从这种物质上走过去。如果你走快一点，你就能成功地从这些物质表面通过而不下沉。但如果稍作停留，你就会沉入那白色的糊状物质中！

史莱姆水晶泥（slime?，也是一个注册商标）已经流行有一段时间了，因此现在商店里已经很难找到彩泥了。水晶泥看起来像果冻，相当黏稠滑腻，有各种各样的颜色（有时通过添加硫化锌可使其发出磷光）。水晶泥还可以捏成怪兽形状，或者捏成看起来很恶心的东西，但这种材料是完全无害的（只要是由良心公司精心制作的）。与彩泥一样，水晶泥也是一种非牛顿流体。它是由从植物中提取的特殊橡胶制成的，这种植物叫作瓜尔豆（Cyamopsis tetragonolobus），是一种类似大豆的豆科植物。提取出来的胶称为瓜尔胶，由长长的多糖链（见第一章第3节）组成，而多糖链又由两种单糖——D-甘露糖（D-Mannose）和D-半乳糖（D-Galactose）以2∶1的比例形成。然后将四硼酸钠（sodium tetraborate），或称硼砂（borax， Na2B4O7）加入瓜尔胶中，这有助于聚合链之间的化学键的形成。除了用于制作玩具，水晶泥还可用于制作食品、奶油和牙膏的保护膜。我们可以用聚乙烯醇（polyvinyl alcohol）和硼砂的溶液自制水晶泥，在里面添加食用色素还可以增加颜色。较黏稠的水晶泥有时也被称为弗拉伯（Flubber）。

在另一个架子上，你看到了所谓的魔法蛋。它是一个蛋形容器，里面装着一个小塑料玩具。把魔法蛋浸入水中，它的体积会增大至200倍。这种不寻常的现象是由高吸水性聚合物（superabsorbent polymer）引起的。这些物质可以吸收大量的水，产生类似于冰的半透明凝胶。其中有一种材料叫作超级吸湿材料（Super-Slurper），由水解的淀粉-聚丙烯腈（starchpolyacrylonitrile）共聚物组成。这些物质不仅被用于儿童纸尿布、园艺（保持植物的水分）中，还常用于魔术师的表演中。

最后，你在商店的橱窗里看到了荧光手环和荧光棒（lightsticks）。这两种玩具都有柔软的塑料外壳，内置有玻璃细管，里面装着第一种试剂，而第二种试剂则装在玻璃细管和塑料外壳之间的缝隙中。当玻璃细管被打碎后，两种试剂就开始接触并产生化学反应，从而发出光来。这是化学发光（chemiluminescence）现象。萤火虫在不知不觉中利用了类似的发光原理。萤火虫属于萤科（Lampyridae），它们的身体是真正的化学实验室，里面会发生复杂的化学反应而发光。现在人们已经很清楚萤火虫的发光机制了：萤光素（luciferin）这种物质，在一种叫作萤光素酶（luciferase）的辅酶（coenzyme）作用下发生特殊的氧化还原反应，该反应以电磁辐射的形式释放能量，而释放出的能量的频率属于可见光区域，因此就有了萤火虫发光现象。除了萤火虫，也有其他生物体具有类似的特性。例如：属于海洋腰鞭毛科的夜光虫（Noctiluca miliaris）、钵水母纲（Scyphozoa）的夜光游水母（Pelagia noctiluca）和一些陆生蠕虫品种。

化学家了解许多发光反应。现在人们对化学发光现象已经有了全方位的了解，甚至还有一门专门的学科——光化学，用于研究光与化学反应之间的关系。因此，在实验室中重现类似萤火虫发光的化学反应也成为可能。比如，一种叫鲁米诺[luminol, 5-氨基-1,2,3,4-四氢酞嗪-1,4-二酮（5-amino-1,2,3,4-dihydrophthalazine-1,4-dione）]的物质在碱性环境中很容易被过氧化氢氧化，从而发出美丽的浅蓝光。

荧光棒和荧光手环的玻璃管中一般装着邻苯二甲酸酯（phthalic acid ester）溶剂中的过氧化氢（双氧水）稀释溶液。第二种试剂由苯基草酸酯（phenyl oxalate ester）和荧光染料[9,10-双（苯乙炔基）蒽 ][ 9,10-Bis (phenylethynyl) anthracene]的溶液组成。当玻璃细管破碎时，过氧化氢和苯基草酸酯发生反应，形成苯酚和一些寿命较短的中间化合物。在反应过程中，释放的能量传递给染料分子，染料分子受到激发，以光的形式重新释放能量，恢复到原始状态。

在逛完玩具店后，你并没有找到孩子会喜欢的东西，所以你选择送他电子游戏，今天晚上就去买。刚刚的这一切确实唤起了你很多童年的记忆，而且你又学会了一点化学知识。

拓展：石油化学

噢，汤森，就像抽水那样把油从地下抽出来？怎么可能？真是胡说八道！简直是疯了[36]。

这是在1855年前后，别人对银行家詹姆斯·汤森（James Townsend）说的一句话，当时他同意资助一位年轻的纽约律师乔治·比塞尔（George Bissell），这位律师决定在宾夕法尼亚州（Pennsylvania）进行一系列的钻探以寻找石油（他们当时称为“石头油”）。比塞尔的想法是从新的矿物油中提炼出一种能够供灯使用的燃料，以替代当时使用的从煤中获得的燃料。在当时确实很难想象石头油，也就是石油会在未来现代化社会中扮演什么样的角色。我们的工业社会几十年来一直依赖石油。人们经常将石油作为一种基本的能源，但我们绝不能忘记，石油首先是我们化工原料的宝贵来源。所以我们说石油化学是指以石油或天然气的衍生物为原料的工业化学的分支。

自古以来，人们就知道石油这个东西。希腊人用ν?φθα?（náphthas）一词来表示石油，并将其用于战争。他们制造了所谓的“希腊火”（流体火焰），这是一种由多种成分组成的混合物，一旦点燃就无法用水扑灭。另外，马可·波罗（Marco Polo，1254—1324）在《马可·波罗游记》（Il Milione）中证明了石油在东方也被人们所知晓。然而几千年来，人们对石油的开发应用都只是皮毛，只有当人们掌握了能够利用于石油的新知识和新技术时，石油才成为一笔非凡的财富。而在此过程中，化学发挥了重要作用。原油是一种油状**，不同原油的密度和黏度各不相同。颜色可以从黄色到深褐色、黑色不等，并且还可能伴有荧光。从化学角度看，它是由非常多的成分组成的混合物。这些成分可根据产地的不同而不同。但无论怎样，它的主要成分还是碳氢化合物。这些化合物大部分为液态，其中也含有溶解的固态和气态碳氢化合物。另外，原油中还有少量的含氧化合物、含硫化合物和含氮化合物，有时还有少量的金属，如镍、钒、钴、铬、镉、铅、汞等。

大家普遍认为，石油是被困在地下土壤中的生物物质经过转化而形成的（生物地理理论）。靠厌氧菌（其新陈代谢不需要氧气）的作用，再加上温度和压力的影响，随着时间的推移，生物分子发生降解，这一系列的过程决定了原油中有机物的组分。也有人提出了石油的非生物起源理论，但在科学界几乎不受认同，难以站得住脚。

碳氢化合物根据分子结构可分为不同的类别。最简单的是烷烃或石蜡烃（链烷烃，paraffin）。烷烃的碳原子之间以单键结合，形成开放的链状结构，因此具有通式CnH2n+2, n = 1, 2, 3, …。如果在分子结构中出现碳碳双键，我们就称它为烯烃。带有一个双键的烯烃的通用分子式为CnH2n。如果分子中有2个双键，就称为二烯（diene），如果有3个就称为三烯（triene），以此类推。另外，分子结构中有碳碳三键的称为炔烃，只含有一个三键的炔烃的通式为CnH2n-2。烷烃、烯烃和炔烃属于常见的脂肪烃类，都具有开链结构。如果链是闭合的，形成了一个环状，就成了脂环烃（alicyclic或cycloaliphatic），这类化合物又可细分为环烷烃（cycloalkane）、环烯（cycloalkene）和环炔（cycloalkyne）。如果分子除了具有闭合链，还具有特定的电子结构，那么就称为芳香烃或芳烃（arene）。苯、萘（naphthalene）、蒽（anthracene）等属于芳香烃。碳原子间只有单键的烃称为饱和烃（saturated hydrocarbo），含有双键或三键的烃则称为不饱和烃（unsaturated hydrocarbo）。

如前面所述，原油的成分也受开采地影响。原油一般平均含有30%的烷烃、40%的环烷烃、25%的芳香烃和5%的其他物质。

原油经钻井开采后，在炼油厂进行各种处理。经过除水和脱盐（按需要进行）过程后，原油要进行分馏（fractional distillation），分馏可以在常压（拔顶蒸馏）或减压（真空蒸馏）下进行。这个过程根据不同成分的不同沸点在特殊的设备（分馏塔）中进行。通过这种方式可以获得一些主要产物——馏分（fraction），如LPG（液化石油气）、汽油、煤油、柴油、润滑油、沥青、蜡和石蜡（石蜡是由碳原子数含量较高的烷烃组成的混合物，因此在室温下是固体）。然后还可以对上述单个产物进行特殊处理：例如，对汽油进行裂化和重整（见第67页），对柴油进行脱硫处理等。

石化工业本身就是以炼油厂的各种馏分为原料获得半成品，再由二级或精细化工行业使用[37]。石化产品的数量巨大，只需要想想我们每天直接或间接使用的药品、塑料、树脂、合成纤维、染料、杀虫剂和无数其他的物质就知道了。所以石油代表了珍贵且不可替代的矿产资源。但我们必须时刻记住，它是一种有限资源。估算世界石油的储量相当困难，而且具有很大的不确定性。但我们可以肯定的是，石油资源迟早会被耗尽。所以将石油作为燃料似乎并不是一个很明智的选择。有人说，燃烧石油生产能量就像烧古董家具为房屋供暖一样。如果考虑到石油的形成需要数千万年的时间，上面的比喻似乎非常贴切。在一些领域中，目前似乎很难找到石油的有效替代品，但在其他领域确实存在替代方案，更不用说石油衍生品的燃烧所带来的环境问题了。所以归根结底，如果人类少用石油作为原材料储备，并尝试使用其他可能同样高效的能源，那就明智多了。