●　纸张和废纸：纸张中的化学

经过一小段路程，伴随着对蓝天、冰、盐、汽油和安全气囊沉浸式的思考，你来到了办公室。虽然每天早上都能看到办公桌上乱七八糟的样子，但你仍然会惊叹于有这么多废纸。在没有电脑之前，情况更加糟糕。信息技术的出现大大减少了纸质文件的流通和数量，但纸这种材料仍然作为传递信息的媒介发挥着重要作用。

在古代，最早用于绘画和书写的材料是石头和泥板。自公元前3000年以来，埃及人就使用莎草纸作为书写材料，这种材料由同名的沼泽植物纸莎草（Cyperus papyrus）的茎制成。希腊人和罗马人也使用莎草纸。从公元3世纪起，羊皮纸的使用开始普及。羊皮纸由羔羊皮、绵羊皮或山羊皮经石灰浸渍后干燥打磨而成。真正意义上的纸张是由中国人发明的，并于12世纪开始大规模传播。

一般来说，纸是由各种纤维混合压缩（毡合）而得。中国人最开始以蚕茧为原料，后来改进为用桑科植物（例如构树，Broussonetia papyrifera）和其他植物的皮。已知最早的纸张样本可以追溯到公元150年，是用破布制成的。从8世纪开始，纸张的使用首先在日本和小亚细亚传播，然后在地中海非洲、西班牙和后来的整个欧洲传播。

阿拉伯人将纸张引入欧洲，在西班牙和意大利的西西里岛建立了最早的造纸厂。12世纪，波利瑟·达·法布里亚诺（Polese da Fabriano）在博洛尼亚（Bologna）附近的雷诺（Reno）河边建立了一家造纸厂。1455年发明的活字印刷术[3]推动了随后几个世纪的纸张生产。1798年法国发明家尼古拉斯·路易斯·罗伯特（NicolasLouis Robert）发明了第一台造纸机，然后在1803年由英国的出版商兄弟乔治·福德里尼埃（George Fourdrinier）和西利·福德里尼埃

（Sealy Fourdrinier）进行了完善。在当时，纸张用破布来制备，但很快由于产量的增加导致了原材料的匮乏，于是他们尝试寻找新的原材料。1840年左右，人们开始使用木头造纸。时至今日，大部分纸张也仍是由木头制成。

木材是一种含有多种物质的复合材料。其中主要有纤维素

（cellulose，约45%）、半纤维素（hemicellulose，约30%）、木质素（lignin，约20%）及其他挥发性较强的成分（约5%），如萜烯、树脂、脂肪酸。我们在第一章第3节中已经提到，纤维素是一种多糖，由葡萄糖分子通过β-1,4糖苷键（β-1,4 glycosidic bond）连接组成，然后这些葡萄糖分子聚合链通过氢键相互平行地结合在一起（图15）。

图15　纤维素分子链结构

半纤维素也是一种多糖，但结构比较不规则。纤维素只由葡萄糖分子构成，但半纤维素的构成中还含有其他单糖。另外，它是支链结构而非纤维结构。木质素是一种主要由酚类单体组成的复杂聚合物。其中的单体主要有对香豆醇（p-coumaryl alcohol）、松柏醇（conifery alcohol， 4-羟基-3-甲氧基肉桂醇，4-hydroxy-3methoxycinnamyl alcohol）和芥子醇（sinapyl alcohol， 4-羟基-3,5二甲氧基肉桂醇，4-hydroxy-3-dimethoxycinnamyl alcohol）。

为了制备纸张，必须去除木头成分中的木质素。这可以用机械方法和化学方法来实现。

在机械方法的处理（磨解）中，通过将去皮后的木材（杨木或杉木）紧压在磨木机的旋转磨石上粉碎来磨解木材纤维。处理后就得到了一种类似于锯屑的糊状物（称为机械浆），然后经过精制以使纤维更细小，随后进行漂白。所谓的化学浆（或称为纤维木浆），就是将削成片的木材与适当的试剂（如氢氧化钠和硫化钠）放于高压釜内，在高温下经过蒸煮制得。在此过程中，木质素和其他物质被去除，得到了几乎纯净的纤维素。由这种纸浆制成的纸非常结实，这也是制牛皮纸（Kraft，在德语中是“结实”的意思）的工艺。但是这种工艺过程中使用的硫化钠会产生带有臭鸡蛋味的有毒物质硫化氢，进而带来环境问题。另外，此过程只有50%的木材被转化为纸浆，所以纸张产量很低，还会产生大量的废水。但是，我们也在尝试利用这些废料产生能量以用于工艺生产过程本身。

所谓的半化学浆是由阔叶木（山毛榉和杨树）的木片经过类似于化学浆的工艺生产出来的。但半化学制浆是不完全的蒸煮，也就意味着有一定量的木质素残留。半化学浆的质量不如化学浆，通常用于制造新闻纸、印刷纸、瓦楞纸板等其他产品。最后，还有所谓的“高得率浆”，制作这种木浆无须分离木质素，只需要通过化学处理（有时还需要高温蒸煮）将其软化即可。

木浆制得后就要进行漂白（beaching）。过去使用的漂白剂的成分为次氯酸钠（NaClO）或二氧化氯（ClO2）。现在为了避免水污染则使用过氧化氢（H2O2）作为漂白剂，并将废水回收处理。

漂白后的木浆要进行打浆。用滤网处理悬浮在水中的纸浆纤维，水从孔隙中漏出去后纤维则沉淀在滤网表面。在造纸厂中，一系列的辊棒带动滤网循环运转，从而使整个过程得以连续。纸浆纤维层经干燥、压制后，卷成卷或切割后叠在一起。放置水和纸浆纤维混合液的容器叫打浆机（pulper）。根据要制备的纸张类型，还可以添加适量的废纸在里面，但这些废纸事先是经过净化的，或者还有可能通过蒸汽工艺脱过墨。

这样得到的原纸表面吸水性很强，不适合书写或印刷。因此必须使用各种添加剂进行特殊的表面处理。这些添加剂涂在原纸表面，形成所谓的涂布纸（patina）。所用的各种添加剂可以包括淀粉、聚合物[如聚乙酸乙烯酯（polyvinyl acetate）]或其他物质（如高岭土）。杂志纸就是这样处理制成的，印刷后的纸张涂上一层透明的胶料，就能获得有光泽的外表（就像封面一样）。涂布后，纸张必须进一步干燥，并且根据用途还可以进行其他特殊处理。

纸张一般根据克重来分类，克重是指每平方米纸的重量。克重值可以从10克/平方米（厚度为0.03毫米的纸张）到150克/平方米（厚度为0.3毫米的纸张）不等。对于厚度为2毫米的纸张，克重值可以达到1200克/平方米。普通复印纸一般为80克/平方米。

●　桌上的照片：摄影中的化学

当你还在感叹着办公桌上大量杂乱的纸张及思考着它们是什么来源的时候，你的目光停留在儿子还在蹒跚学步时的照片上。

因为是几年前的照片了，所以它是一张传统照片而非数码照片。除了回想起孩子的童年，你还想起了以前自己冲洗黑白照片的时候。摄影也有一段传奇的历史[38]值得我们简单回顾一下，以此来向大家说明一个简单的图像背后有多少化学反应。

任何相机，无论是传统相机还是数码相机，发挥功能的基础都是相机暗箱。这种光学仪器由一个带小孔（称为针孔）的密封箱构成，会在小孔对面的内壁上产生孔外部的倒立图像（我们的眼睛也以类似的方式工作，在我们的视网膜上产生我们看到的画面的倒立图像）。相机暗箱的发明比较早，可以追溯到11世纪。在小孔上装上透镜可以大大提高所获得的图像质量。从达·芬奇（Leonardo da Vinci， 1452—1519）开始，许多艺术家通过在纸上描摹图像来准确地体现真实感。而困扰很多学者的问题就是如何把从暗箱中得到的图像固定下来而不用重新进行描摹，这直到19世纪才开始取得可喜的成果。

1725年，德国科学家约翰·海因里希·舒尔茨（Johann Heinrich Schulze， 1687—1744）将石膏、银和硝酸混合，得到了一种在光照下会变黑的物质，他称它为“黑暗的携带者”（scotophorus）。

英国科学家托马斯·韦奇伍德（Thomas Wedgwood， 1771—1805）与同是英国人的化学家汉弗莱·戴维爵士（Sir Humphry Davy， 1778—1829）合作，成功地用银盐将图像固定在皮革或玻璃上，这就是所谓的“光照图像”。

从1816年开始，法国人约瑟夫·尼塞尔·尼普斯（JosephNicphore Nipce， 1765—1833）和他的哥哥克洛德（Claude）一起把注意力集中在氯化银的性质上。实际上，这种盐对光很敏感，会因为金属银的释放而变黑。他将这种化合物在纸张和其他物品上做了多次尝试。尼普斯还研究了犹太沥青的性质。1826年，尼普斯将这种物质涂抹在一块锡板上并曝光约8小时，成功地获得了一张图像，这张图像展示了他在勒格拉斯（Le Gras）[位于圣卢普德·瓦伦内斯（Saint-Loup-de-Varennes）附近]的工作室的窗外的屋顶景色，这是目前已知的最古老的照片，保存在得克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）的哈里兰森（Harry Ransom）中心。尼普斯称他所获得的图像为日光图（Heliograph）。大约在同一时间，法国艺术家和化学家路易斯·雅克·曼德·达盖尔（Louis-Jacques-Mand Daguerre， 1787—1851）也开始尝试固定暗箱的图像，并与尼普斯开始了书信往来。1829年，尼普斯和达盖尔共同成立了一家公司，专门从事新摄影技术的开发。1837年，在尼普斯去世后，达盖尔成功地开发了一种新技术，这种技术后来被称为达盖尔摄影法或银板摄影法（daguerreotype）。该技术是将镀银的铜板暴露在碘蒸气中，在表面形成一层碘化银（光敏材料），经过长时间的曝光后，再用水银蒸气对板子进行处理，使之前暴露在光线下的区域变白，最后用硫代硫酸钠（Sodium Thiosulfate）溶液处理，消除碘化银的残留使图像稳定。但要观察所产生的图像，必须从一个可以适当反射光线的角度观察。此外，这些铜板比较脆弱不牢固，所以必须放在玻璃板下存放。在达盖尔之前的几年，英国人威廉·福克斯·亨利·塔尔博特（William Fox Henry Talbot， 1801—1877）曾取得了有趣的成果。他先用氯化钠，再用硝酸银处理一张纸，得到的纸张表面有一层氯化银，使纸张变得对光敏感。将某些物体（如布料花边或羽毛）放在纸上，再放在光线下照射，这样就可以固定物体的影子。塔尔博特称这些图像为“影子摄影”（sciadografia，来自英文阴影“shadow”）。但是，塔尔博特无法解决一个问题，那就是这些图像无法永久固定住，显像时间很短，一段时间后就会消失。这个问题的解决要归功于德国人威廉·赫歇尔（William Herschel， 1738—1822），他选择用硫代硫酸钠处理图像，并引入了“定影”（fixation）一词，这个词至今仍在使用，表示对摄影图像进行稳定处理。同样也是赫歇尔引入了“照片”（photography）一词来表示用光获得的图像。正如我们前面所看到的，这种图像在以前有各种不同的叫法。

达盖尔希望将其发明用于商业用途，但同时他不想透露银板摄影法的技术方法。于是他想到了求助于法国政府，政府必须购买版权并让大家都能使用这项发明。他找到了物理学家弗朗索瓦·阿拉果（Franc?ois Arago， 1786—1853），他既是著名的科学家，也是君主制政府议会中的左翼反对派代表。1839年，阿拉果将达盖尔的发明交给了法国科学院，并意外引起了当时的内政部部长坦内盖·杜沙泰尔（Tanneguy Duchatel）的兴趣。部长之所以感兴趣，是因为想到能够将达盖尔的发明用于司法领域，记录罪犯的信息。因此，这项发明被法国政府购买，达盖尔获得了金钱和荣誉，尼普斯的儿子也获得了终身年金。

从19世纪下半叶开始，摄影技术发展迅速。1851年，英国人弗雷德里克·斯科特·阿彻尔（Frederick Scott Archer，1813—1857）提出了一种用湿润的火棉胶（在乙醇中加入硝化棉）进行摄影的方法（火棉胶摄影法）。这种方法可以获得比银板摄影法更清晰的图像，最重要的是用底片可以大量印制出相同的照片。

1859年，德国化学家和物理学家罗伯特·本生（Robert Bunsen， 1811—1899）和英国化学家亨利·恩菲尔德·罗斯科（Henry Enfield Roscoe， 1833—1915）引入了镁闪光灯，可在极短的曝光时间内拍摄照片（镁闪光是一种化学反应：镁粉和空气中的氧气发生反应而产生出非常强烈的光线）。

1861年，英国物理学家麦克斯韦通过加色法，用3种不同颜色（红、绿、蓝）的滤光器第一次拍摄出了彩色照片。相反，1869年，法国人路易斯·迪克·迪奥隆（Louis Ducos du Hauron，1837—1920）则提出了减色法。在这些发明问世的同时，摄影设备的构造技术也取得了相当大的进步。

银盐，尤其是由银和卤素组成的卤化银的独特性质是传统胶片摄影的基础。卤素（halogen）是元素周期表中第七主族的元素：氟、氯、溴和碘（还有砹，但由于其具有放射性，所以摄影中不使用）。当存在于感光乳剂颗粒中的卤化银受到光的照射时，它会部分分解出金属银。每一颗曝光的颗粒释放的金属银非常少，几乎看不见。所有感光颗粒的集合构成了所谓的潜影（latent image）。之所以称为潜影，是因为它是一种看不见的影像。为了使其真实可见，必须进行显影（develop）操作，即用还原性物质[通常使用对苯二酚（hydroquinone）]处理乳剂。显影液会使（已经形成过银的）感光颗粒释放出额外数量的银，而对没有感光的颗粒没有影响。这样，胶片上就出现了由黑色金属银沉积形成的真实图像。曝光比较多的地方会显得比较暗，没有曝光的地方就会显得比较明亮，这就是负像（negative image）。但是这种图像在光照下是不稳定的，因为残留在照片上的卤化银见光后仍能感光而变黑。这时就需要进行第二次处理彻底消除卤化银：也就是所谓的定影。定影是用硫代硫酸钠（Na2S2O3）作为定影液，硫代硫酸钠能与卤化银发生化学反应形成可溶的复合物，这种复合物可用洗涤水冲洗掉，这样就可以得到带有负像的胶片了。要得到正像（positive image，也就是与拍摄场景一样）就必须进行印刷。可以直接将胶片与相纸接触或者是用放大灯将放大的胶片图像投射到相纸上，然后再进行照明。相纸和胶片一样，也有一层以卤化银为基础的乳剂。相纸曝光后就将其依次放入显影液和定影液中，最后得到正像。正像中曝光多的部分较亮，曝光少的部分较暗，就像在现实中一样。

为了获得彩色照片，我们使用了3层叠加的卤化银（感光乳剂），每一层都加入了一种特殊的染料。还有一种特殊的显影液，叫作显色剂（cromogeno），它除了还原卤化银外，还能使各敏感层形成颜色。这样就得到了带颜色的负像，随后的印刷再产生正像。如果你愿意，还可以通过特殊的反转冲洗（reversal development）在胶片（反底片）上立即获得正像。

●　数码摄影：CCD传感器和CMOS传感器

如今，传统的“化学”摄影在很大程度上被数码摄影所淹没，几乎成了回忆。即使是柯达（Kodak）这样的工业巨头，也因无法适应新技术而为其缺乏远见付出了惨重的代价。但是，要是有谁认为化学与今天的数码摄影无关就大错特错了。首先，构成数码相机电子元件的材料中就有很多化学成分。与传统相机不同的是，数码相机没有胶卷，而是采用光敏传感器将光信号转化为电信号，从而转化为数字图像信息。这些传感器基本上可以分为两种类型：CCD传感器（Charge Coupled Device，电荷耦合器件图像传感器）和APS-CMOS传感器（Active Pixel Sensor-Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体-主动式像素传感器）。CCD传感器也被广泛应用于扫描仪（就像放在你办公桌上靠近你孩子照片的那台机器一样）和传真机中。

CCD（电荷耦合器件）是于1969年由著名的贝尔实验室（Bell Labs）的维拉·博伊尔（Willard S. Boyle， 1924—2011）和乔治·史密斯（George E. Smith，生于1930年）所发明的。次年他们研制出第一台原型机，并于1975年制造出了第一台带CCD传感器的摄像机，其画质适合电视拍摄。此后，CCD传感器迅速普及，现在已经成为所有能够摄像和摄影的数码设备的核心。2009年，博伊尔和史密斯也因此发明而获得诺贝尔物理学奖。CCD传感器是在进行P型掺杂的硅片（半导体）基础上制成的（见第一章第1节）。在硅片表面覆盖薄薄的一层二氧化硅作为绝缘层。二氧化硅层上面是微小的电极，称为栅极（gates）。当光线照射到CCD传感器上时，单个光子会从硅中释放出电子（光电效应）。由于相邻栅极之间的电势差，这些电子都积累在“单元”中。每一个单元都构成了一个感光的图像元素（light-sensitive picture elements）或者说像素（pixels），也就是图像被分解并随后重建的最小单位。然后，积累在CCD传感器中的电子电荷（入射光越强，电荷越多）会被送到电子控制电路中进行处理。进行这种处理的组件是读出装置（readout station）。

我们也可以了解一下CCD传感器是如何传回彩色图像的，这非常有趣。每个像素都被彩色滤光片覆盖，只有特定颜色的光线通过才是透明的。这样一来，只有当像素被与滤光片一样颜色的光照射到时才会被激活。通过红、绿、蓝三种颜色的滤光片的特定分布（拜耳滤色阵列，filtration pattern di Bayer），就可以知道到达CCD传感器每一个点的红、绿、蓝三色光的强度。这些信息一旦被数字化，就可以在计算机或其他设备的显示器上重现彩色图像。通过红、绿、蓝三色（三色版印刷，tricromia）的叠加混合，可以得到多种颜色，从而使得到非常逼真的图像。

APS-CMOS传感器（主动式像素-互补金属氧化物半导体传感器）是20世纪60年代由在奥林巴斯（Olympus）公司工作的中村恒（Tsutomu Nakamura）发明的，并在随后的几年里由其他研发人员进一步完善。它由一个集成电路和一个像素矩阵组成。每一个像素内都包含一个光传感器和一个信号放大器，放大器的功能是加强单个像素的信号，因此，这被称为主动式像素（active pixel）。而在集成电路中有一个模拟数字转换器和一个数字控制器。

CCD和APS-CMOS传感器的主要区别如下：CCD图像质量较高，噪声较小，而CMOS的噪声较大；CCD功率消耗较大，而CMOS允许低功耗工作；CCD的价格要比CMOS贵一些，尽管CMOS的结构比CCD复杂。不过，近年来各家公司在技术上的巨大努力使得这两个系统具有更强的竞争力。

除了在摄影机（无论是传统的化学摄影还是数码摄影）的图像检测系统和记录系统内，化学从数码照片印刷出现那天起就一直在照片印刷中扮演着重要的角色。而现在除了使用带有各种技术（喷墨、激光、热升华等）的打印机，从数码照片开始，许多印刷厂一直在使用的方法就是将乳剂相纸通过放大机进行光学曝光，然后浸泡在药水中显影和定影。

●　影印：历史发展、光电导效应、墨粉、铁磁流体

当你处于对家庭生活的回忆和摄影技术的思考之中时，工作职责唤醒了你，你想起还有积压的工作要做呢。刚好你需要复印一份文件以便存档。你走到复印机前，放进一页文件，然后按下启动按钮。现在复印文本已经变得很平常，不再引人注目了。然而在这一系列操作的背后趣味横生，毫无疑问，就是其中的化学知识！

目前的复印机利用了静电复印（干印术，Xerography）技术，这个名称源自希腊语ξερ??（xerós），意为“干燥”，以区别于早期使用化学药水的复制技术。静电复印是基于物理学家、纽约专利律师、业余发明家切斯特·卡尔森（Chester Carlson， 1906—1968）的想法。据说他患有关节炎但又要经常用手抄写枯燥的文件，所以他努力寻找一种有效的图文复制技术。1938年，他申请了一项专利，专利中他使用了镀有硫黄的锌板，并利用了物理中的光电导效应（photoconductivity）。卡尔森想将他的想法商业化，但一开始并没有成功。1944年，他从一个非营利组织那里获得了资助，凭借此资助他得以完善他的专利技术。1947年，纽约的一家小公司——哈罗依德（Haloid）公司购买了这项当时被称为电子照相（electrophotography）的发明专利。然而，这个名字从商业角度来看并不吸引人。因此，在一位古典语言教授的建议下，改成了静电复印机（xerography）。1948年，小企业哈罗依德注册了“施乐（Xerox）”商标，1949年开始销售第一台复印机，并取得了巨大成功。施乐公司很快就成为全球巨头。

静电复印中利用的光电导效应的原理是：当一些材料用适当频率的光照射时，它们的导电性会增加。半导体就具有此特性，当它们吸收光子时会产生电子-空穴对（见第一章第1节）。入射光频率的能量必须与价带和导带之间的能隙的能量相对应。我们发现最初卡尔森使用的硫黄就是一种光电导材料。但具有最佳光电导性的是硒（selenium）。硒在元素周期表中与硫同属第六主族，于1817年由瑞典化学家永斯·雅各布·贝采利乌斯发现。硒的名字来自希腊语Σελ?νη（Selne），是“月亮”的意思。之所以这么叫，是因为它在熔化后经冷却就会出现类似于银的金属光泽，而在以前炼金术士就常把银与月亮联系在一起。

现代复印机的活性元件就是硒鼓（涂有一层硒的铝辊）。辊筒表面通过高压充电而带负电荷。曝光灯照亮原文件，文件纸面上的白色区域将光反射到感光鼓（硒鼓）表面（而书写有字的部分不会）。硒鼓被光照亮的区域会变得有导电性，它会向地面放电失去电荷。硒鼓上未受光照的区域（原文件的书写部分）仍然带电，这样就在辊筒上形成了一个由电荷分布组成的文件潜像。复印机的墨粉由含有碳颗粒、氧化铁和热敏树脂的细粉组成。墨粉带正电，当它被施加到辊筒表面时，只会黏附在带负电的区域，这个区域就是原文件上写字的区域。这样一来，虚拟的文字图像就转化为真实的图像。辊筒上的真实图像被转移到一张预先带有负电荷（比辊筒上的负电荷含量更多）的纸上。但此时由于墨粉未固定，复印件上的字体仍不稳定。为了固定它并使其稳定，使用覆盖有不粘材料的热辊将纸片压紧并加热。加热会使墨粉熔化并牢牢地粘在纸上，从而形成跟原件一模一样的复印件（这就是为什么复印件从复印机里出来时是热的）。复印的最后一个阶段就是清洁辊筒（用橡胶刮刀清除残留的墨粉），并通过强光将其彻底放电。清洗完毕后，辊筒就可以进行下一次复印了。

进行彩色复印是一项技术挑战，直到20世纪70年代才得以实现。它利用了减色合成技术，使用4种不同颜色的墨粉：黑色、黄色、品红色和青色。在旧的彩色复印机中，使用了4种不同的静电辊，每一种静电辊都能产生出一种特定的颜色。但最近，为了实现更好的性能和更低的成本，人们已经研发出单辊彩色复印机。随着信息技术的出现，复印机融合了图像扫描仪（使用CCD传感器）和普通打印机（通常为激光打印）的功能。

我们所说的墨粉在普通的电脑打印中也被广泛使用：墨粉被打印头喷到纸张上，加热后就会被固定下来，这与复印时所用的方法类似。墨粉中的氧化铁发挥着重要的作用，因为氧化铁具有磁性，可以利用专门产生的磁场在纸上精确地排列墨粉。磁性会使墨粉变得非常有趣。如果将其分散在低密度的植物油或润滑油中，就可以得到铁磁流体（ferrofluid）。铁磁流体是一种在磁场存在时强烈极化的**，一般是通过较小的铁磁颗粒（如墨粉中的氧化铁颗粒）分散在**中，并加入可能的表面活性剂和乳化剂而得到。这种颗粒必须非常小，直径在10纳米左右（1纳米为十亿分之一米）。当铁磁流体置于强磁场中时，表面会形成奇特的规则波纹序列（图16）。之所以会出现这种情况，是因为悬浮的磁性粒子倾向于与外部磁场的磁力线对齐。形成的波纹可以呈现出尖峰状，波纹越尖锐，磁场就越强烈。

图16　铁磁流体在磁场作用下的典型波纹

●　一台电脑中有多少化学知识

复印完文件后，你又坐在办公桌前，因为你要用电脑写一份报告。普通的个人电脑（PC）里的化学知识简直多得惊人，但你应该从来没有注意过。一个普通的PC工作台一般由主机、显示器、键盘和外围设备（打印机、扫描仪等）组成。主机内部是印制电路板（PCB， printed circuit boards）。印制电路板由塑料基板制成，基板上固定着电子元件，如集成电路、电容器、电阻器和电感器。这些部件通过导电合金材料的走线相互连接。印制电路板的制作过程中使用了各种材料，包括：以玻璃纤维增强热固性树脂为基础的聚合物层压板，油墨和丝网印刷（screen printing）浆料，感光聚合物，保护漆，固定剂和稀释剂，贵金属和非贵金属。另外，一块印制电路板的组成中有33%的陶瓷和玻璃，33%的塑料，33%的金属以及最后不到1%的纸和电容器中的**。

集成电路是由半导体材料（通常是硅）裸片和用于连接其他元件的金属导体构成的，其中裸片封装在一个管壳中。管壳可以是陶瓷的或塑料的。塑料制的管壳是目前集成电路最常见的类型。这种管壳一般由惰性填料（常由二氧化硅组成）、环氧树脂、阻燃剂和其他成分组成。引线框架（leadframe）[39]由硅制成，并含有少量的溴、磷、砷和锑，上面覆盖着一层很薄的铝（约0.001毫米），有时还会再加一层塑料或陶瓷保护层。芯片与引线框架的连接通常使用氧化铝，并且还要加入镁、钙、硅、钛的氧化物。其他通常会使用的半导体材料有锗、砷化镓、磷化镓、磷化铟和磷砷化镓。锗和硅用于二极管，其他材料一般用于LED。

最常用的电容器有：金属化纸介电容器（metalized paper capacitor），由两根纤维带组成，纤维的一侧会镀上一层薄薄的锌或其他低熔点金属膜；金属化塑料电容器（metallized plastic capacitor）与金属化纸介电容器构成相同，但其中含有聚碳酸酯（polycarbonate）或聚丙烯；铝电解电容器（aluminium electrolytic capacitor）含有与乙二醇、盐类及有机溶剂混合的硼酸。钽电解电容器（tantalum electrolytic capacitor）的工作原理与铝电解电容器相同，它采用氧化钽（Ta2O5）作为电介质层，二氧化锰（MnO2）作为电解质。电阻器由氧化铝陶瓷基板构成，基板上有一层导电金属或玻璃和碳的混合物。接头通常由金、钯银（Palladium Silver）或具有相同电性能的材料制成。

电感器由绕在陶瓷芯或铁磁芯上的铜线组成，还可以涂上环氧树脂。铁磁芯可以是用有机黏结剂烧结的铁，也可以是铁镍合金或铁锌合金，而且还可以含有钐、镨、钴或钕等稀有元素。继电器（relays）具有外围控制功能，其特点是电流损耗低、对外界干扰的敏感度低、可靠性高等。继电器中最常用的材料是铁、铜和环氧树脂。通常会使用铍来改善铜制弹簧触头的性能。另外，用于磁性零件的元素有铁、镍、锰、锌、钴、铬、硅、钼、钛、碳、钒、钡、钐、锶、硒、镨、钕等。高性能的磁芯通常由铁与钐、钕或钴结合而成。焊料一般会用63%的锡和37%的铅组成的合金。其他焊接材料有锑锡合金（antimony-tin alloy）、铋锡合金（bismuth-tin alloy）、铟锡合金（indium-tin alloy）。最常用的黏合剂通常由环氧性质或丙烯酸性质的化合物构成。

电脑中的指示灯一般由LED组成（见第一章第1节）。LED材料中含有少量由磷化铟（InP）或磷化镓组成的半导体材料。

数据处理器的外壳通常由金属制成，并带有塑料部件。电脑显示器中除了有印制电路板，还有阴极射线管，或称显像管。阴极射线管基本上由四部分组成：锥体部分、屏幕、锥体与屏幕之间的连接部分和电子部分。用于制造阴极射线管的玻璃可以有不同的类型，但所有类型都含有能够吸收X射线的金属氧化物：如氧化铅（PbO）、氧化钡（BaO）、氧化锶（SrO）。屏幕内含有的荧光物质一般为锌、铕、钇、镉的硫化物或磷化物。在较早的型号中，荧光涂层主要含有镉和硫化锌，而在新型号中，则是94%的硫化锌和稀土。

显示器有不同的类型。液晶显示器（LCD）（见第一章第1节）使用了2000种不同类型的**，包括反式-4-丙基-（4-氰基苯基）-环己烷[trans-4-Propyl- (4-hydroxyethyl) -cyclohexane]和氧化偶氮苯（Azoxybenzene），而用于屏幕背光的灯管一般含有汞或其他稀有金属。等离子显示器含有汞或放射性同位素，如63Ni（镍的放射性同位素）、85Kr（氪的放射性同位素）或3H[氚（Tritium），氢的放射性同位素]。电致发光显示器（electroluminescent display）中一般是以硫化锌（ZnS）和重金属或稀土金属为基础的化合物。电脑显示器外壳由ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）塑料或含有约20%阻燃剂[十溴二苯醚（Decabromodiphenyl ether）或八溴二苯醚（Octabromodiphenyl ether）]的类似材料制成。

键盘基本上是由约200平方厘米狭长的印制电路板和塑料罩组成。

综上所述，构成电脑的主要材料可以归纳为如表1所示。

表1　电脑的组成材料

●　手机、钶[4]钽铁矿和大猩猩

在电脑上写了大约15分钟后，你的手机响了，是一个同事想问你什么时候去吃午饭。手机现在是我们又一不可或缺的科技产物。当然，它也包含了很多化学成分，即使我们平时没有怎么去想过这个问题。

手机的构成中也有很多我们上面所列举的电脑的材料。平均而言，一部手机中有约58%的塑料、25%的金属、16%的陶瓷和1%的阻燃剂。在25%的金属含量中，有铜、钴、锂（电池中）、铁、镍、锡、锌、银、铬、钽、镉以及少量的锑、金、铍，有时还有铂等元素。

原材料的来源多种多样。铅、镉、金、铍、铁、银和铋一般来自北美洲，铝、锡、锌和铜来自南美洲，镍和钯来自俄罗斯，钽来自巴西、澳大利亚和非洲，铬和铂来自非洲，硅、锑和砷来自中国。

为了满足日益精进的新技术生产，我们对稀有元素的需求日益增加，这也产生了严重的社会政治问题。比如所谓的钶钽铁矿（coltan）就引起了国家纷争。这个名字由于大众媒体的报道而变得相当流行，它是铌铁矿-钽铁矿（columbite-tantalite）的缩写，铌铁矿-钽铁矿是一种由铌铁矿[（Fe, Mn）Nb2O6]和钽铁矿[（Fe, Mn）Ta2O6]的复杂混合物组成的矿物。钶钽铁矿是一种黑色砂石，其主要矿床分布在巴西、澳大利亚和非洲，特别是莫桑比克（Mozambique）和刚果（Congo）。钶钽铁矿对于高科技产业来说非常重要，因为从此矿物中可以提取出钽（Ta），用钽来制造电容器的话，其性能比老式的陶瓷电容器要好得多。钽是一种亮灰色的过渡金属，硬度极高，耐化学腐蚀，是热和电的优良导体。钽是1802年由瑞典化学家安德斯·埃克伯格（Anders Ekeberg， 1767—1813）发现的，1820年由永斯·雅各布·贝采利乌斯分离出来。多年来，人们一直认为钽和铌是同一种元素，但后来发现它们是两种不同的元素。

“铌”这个名称来源于希腊神话中的一个人物——坦塔罗斯（Tantalus）。冒犯了众神之后，坦塔罗斯受到严厉的惩罚。他站在及颌的深水里，一想喝水，水就退去；他的头上有结满果实的果树，一想去摘树枝就会移开。坦塔罗斯有一个女儿叫尼俄柏（Niobe），“铌”这个名称就来源于此。

非洲钶钽铁矿的开采造成了非常严重的问题。肆无忌惮的跨国公司从控制了矿产资源的武装团体那里购买钶钽铁矿，这样就为血腥的战争埋下了隐患。此外，矿井中的工人很多是儿童，他们要在恶劣的条件下工作。除了造成社会损失和存在侵犯人权的行为外，毫无节制的开采还对环境造成了极大破坏。受害者中就有不幸生活在钶钽铁矿所在地区的美丽山地大猩猩。所以我们在决定更换智能手机之前，最好先考虑一下这个问题。

拓展：光、颜色和物质

色彩是能直接影响灵魂的工具。色彩是琴键，眼睛是琴槌，灵魂是多弦的钢琴[40]。

这是瓦西里·康定斯基（Vasilij Kandinskij， 1866—1944）在1910年8月于巴伐利亚州（Baviera）的穆尔瑙（Murnau）完成的《论艺术的精神》（Lo spirituale nell’arte）一书中所写的。

色彩主宰着我们的生活，让我们的生活更加美丽迷人。自古以来，人类就喜欢欣赏色彩，赋予色彩深刻的文化含义，并试图利用色彩来表现自己的精神面貌和情感。新色彩的探索对一些文明甚至经济的发展影响深远。而化学在这一领域也一直发挥着重要作用[41]。

我们所说的颜色是由我们的大脑产生的感觉，这种感觉来自一系列复杂的物理、化学和生理过程。所有这些过程的源头都是光。

关于光的本质，人们争论了很久。艾萨克·牛顿认为，这是一束沿直线传播的粒子束（微粒说，corpuscular theory）。相反，荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens， 1629—1695）则提出“媒介理论”，他认为光是由在假设的物质媒介以太（ether）中传播的波构成。根据这一理论，光的行为应该与普通声波以及在海面上传播的声波行为类似。莱昂哈德·欧拉（Leonhard Euler， 1707—1783）在1746年提出了光的波动说（undulatory theory），并得到了其他学者的支持。苏格兰人麦克斯韦提出的电磁理论接受了光的波动概念，将其纳入更广泛的理论中，并认为光是一种特殊的电磁波，由振**的电场和磁场在空间中（真空中也一样）以波的形式传播（实际上并不存在以太）。

电磁波的参量有很多，其中有频率和波长。频率表示电磁波在一秒钟内的振**次数，用赫兹（Hz）表示。波长则表示波在完成一次完整振**所需的时间内所传播的距离，用米或者纳米、毫米、分米、千米等长度单位表示。频率f、波长λ和波的传播速度v（真空中的电磁波的速度都约为300 000千米/秒）之间有一个关系式（v = fλ），从这可以看出频率与波长成反比，频率增加波长会减小，反过来，频率减小波长会增大。

我们所说的光仅代表电磁波的一部分，它们的频率值在435～790太赫兹（即一千亿赫兹）之间，或者说波长为400～700纳米。这些数值处在人的视网膜的敏感值范围内，在这些数值范围之外我们的眼睛是看不见的。也就是说我们看不见所有频率低于435太赫兹的辐射（红外辐射、微波、无线电波）和所有频率高于790太赫兹的辐射（紫外线辐射、X射线、γ射线）。

然而，在可见光中，我们的大脑在处理来自眼睛的信息时所产生的感觉会根据波长（或频率）不同而有所不同。400纳米左右的波长被认为是红色，700纳米左右的波长被认为是紫色。在这两种颜色之间是所有其他组成彩虹的颜色。我们所感觉到的白光是所有波长的光组合而成的。

眼睛视网膜上的特殊感光细胞对不同颜色光波的反应很敏感，这些细胞因其形状被称为视锥细胞（cone cell）。除了视锥细胞还有其他的光感受器，称为视杆细胞（rod cell），这些细胞对光线的强弱反应非常敏感，让我们即使在弱光条件下也能看得见，但它们对颜色不敏感。

当我们看着一朵罂粟花时，我们认为它是红色的，因为存在于花瓣中的物质几乎吸收了所有白光的成分，但红色的成分却被反射到我们的眼睛里。仅仅是这个简单的观察，我们就明白了光和物质是可以相互作用的。

了解光与物质之间的相互作用机制并不是一件简单的事情，麦克斯韦的电磁理论虽然可以解释很多光学现象，但对于这一点它却无法给出满意的答案。19世纪的物理学家们很清楚这一问题，所以他们尝试解释一种叫作黑体光谱（blackbody spectrum）的特殊实验曲线。如果我们慢慢加热一个理想的黑体，它会开始发出不同波长的电磁辐射。我们可以举个类似的例子，想象一下一块烧红的铁：刚开始它是暗红色的，随着温度的升高，铁块发出的光会越来越白。黑体的光谱是一个表示辐射强度随波长变化的曲线图，曲线走向类似于一个灯罩，并且随着温度的升高，曲线变窄，其最大值向左移动（图17）。

图17　经典电磁理论预测的曲线图

经典电磁理论预测的曲线走向与实验得到的曲线截然不同，这个问题一直让19世纪的科学家们非常头疼。成功解决这个问题的是德国物理学家马克斯·普朗克（Max Planck，1858—1947， 1918年的诺贝尔物理学奖得主）。1900年，普朗克提出了一个大胆的假说，成功地从理论上重现了黑体辐射的实验曲线。他认为物质和电磁辐射之间的能量交换可以是不连续的，而是以间断的形式（能量子）实现。普朗克还假设每个量子（quantum）的能量与辐射的频率成正比（由此得出的比例因子后来被称为普朗克常数，是现代物理学常数之一）。普朗克的想法原本只是工作中一个简单的假设，却意外地在物理学的其他领域也得到了证实，这就标志着量子力学的诞生，这个名字就来源于普朗克的量子。根据量子学的观点，光的确是麦克斯韦所主张的电磁波，但它的能量具有微粒一样的性质，是不连续的。它只能通过一个基本量的整数倍来交换，这个基本量被称为量子或者光子（photon）[该术语由美国化学家吉尔伯特·牛顿·路易斯（Gilbert Newton Lewis， 1875—1946）于1926年提出，源于希腊语φ??，φωτ??（phós，photós），意为“光”]。

量子力学表明，原子或分子可吸收的能量也是量化的。这说明它们在每个状态中的能量值都是确定的，这些确定的能量值就是能级。如果两个能级之间的能量差与光子的能量一样，光子被原子吸收，原子就会从低能级状态向高能级状态跃迁；相反，如果原子从高能级向低能级跃迁，多余的能量就会以光子的形式，也就是光辐射的形式释放出来。

量子力学建立的概念模式完美地解释了物质和电磁辐射之间的所有相互作用，也因此解释了为什么有些物质会表现出某些颜色，而另一些物质却没有。

凡是有颜色的物质，必然吸收了某些白光成分。我们所看到的是与被吸收的颜色相对应的互补色（complementary color）：两种色光以适当的比例混合能产生白光，这样的两种颜色称为互补色。例如，在我们看来薄荷是绿色的，那是因为它吸收的是红光；酸樱桃是红色的，是因为它吸收的是绿光。而白色或无色的物质则不吸收任何可见光辐射，但会吸收紫外线。最后当物体吸收了所有可见光的成分后，就会呈现黑色。实际上，白色和黑色并不是真正的颜色，白色只是所有颜色的总和，黑色只是所有颜色的缺失。

很久以来，人类所使用的颜料都是天然产物，从矿物、植物或动物中获取。但早在古代就已经有了人造颜料的工艺。例如，埃及人从一种植物——木蓝（Indigofera tinctoria）的叶子中获取靛蓝色，但他们也发明了一种化学工艺，通过加热二氧化硅、孔雀石、泡碱（碳酸钠）和碳酸钙来制得埃及蓝（Egyptian blue）。腓尼基人学会了从一种特殊的软体动物（吸器染料螺，Haustellum brandaris）中提取紫色，这种能力促进了他们的经济繁荣。

从1856年开始，颜料制备领域取得重大突破，当时英国化学家威廉·亨利·珀金（William Henry Perkin， 1838—1907）成功合成了苯胺紫（Mauveine），又叫珀金紫（Perkin’s purple），这是第一种人工有机颜料（图18）。这一发现为其他颜料的合成开辟了道路：如品红（fuchsine）、苯胺蓝（aniline blue）和苯胺紫罗兰色（violetto d’anilina）、洋红（magenta）、蔷薇苯胺蓝（rosaniline blue）、甲基紫（methyl violet）、茜素（alizarin）等。每一种颜料分子的结构中都有一种特定的原子团，称为发色基团（chromophoric group），通过吸收特定频率的光使物质具有颜色。主要的发色基团有：亚硝基（nitroso group，- NO）、硝基（nitro group，-NO2）和偶氮基（azo-group，-N = N-）。颜料分子中除了有发色基团，通常还有助色基团（auxochrome group），助色基团与发色基团相互作用可以使发色基团的吸收峰向长波移动，进而加深颜色甚至改变颜色。助色基团主要有氨基（amino group，-NH2、-NHR、-NR2）和羟基（-OH、-OR）。最后，还有其他基团，它们可以降低（向红基团，bathochromic group）或提高（向蓝基团，hypsochromic group）吸收的光的辐射频率。

图18　珀金合成的苯胺紫为染料合成工业开辟了道路

[1]包括拉瓦锡的质量守恒定律、普鲁斯特（Joseph-Louis Proust）的定比定律和道尔顿（John Dalton， 1766—1844）的倍比定律。——译者注（如无特殊说明，均为译者注）

[2]“色盲（daltonismo）”一词即从他的名字而来，他本人患有色盲症。

[3] 此处指古腾堡（Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg）于1455年发明的西文活字印刷术。——编者注

[4]钶为铌（Nb）的旧称。