如果你有一大塊金子和一把鋼鋸,可以鋸下來一塊漂亮的、沉甸甸的金磚,一塊這樣的金磚價值1415萬美元,如果我們用一塊普通的磚,隻在它的表麵鍍上一層金,也可以得到一塊美麗的金磚,至少它的表麵是金的。這種磚的成本是多少呢?是173美分。一塊價值15萬美元的金磚,和一塊鍍金的價值為173美分的金磚,在充當催化劑的作用時是等同的。因為表層的原子決定了金磚是否具有催化作用。固體的催化劑隻是把它的表麵提供給氣體分子,作為它們相遇的場所。例如一個甲醇分子在金屬銠催化劑表麵上停留時,一般它隻黏附在上麵一會兒(被吸附了)。如果這時有一氧化碳分子恰好到達,它就會與吸附在表麵的甲醇分子化合形成乙酸分子,並離開金屬銠的表麵。但如果甲醇分子和一氧化碳分子在其他氣相中相遇,它們便不會發生上述反應。這是因為金屬銠催化劑表麵原子才能提供這種特殊環境,才能使甲醇和一氧化碳分子迅速反應。
你有過這種經曆嗎:吃米飯或饅頭的時候,如果咀嚼的時間長一些,就會感到甜味?這是因為澱粉在酶的作用下水解成葡萄糖的原因。人體就是一個大的有機體,人體內進行著各種各樣的有機反應,而這些反應通常需要在溫和的條件下進行,它們反應都離不開一種特殊的催化劑——酶。在人和動物的生命活動中,酶扮演了重要的角色。如果沒有酶,我們吃一頓飯所需要消化的時間大約是五十年。但是,在酶的催化作用下,經過一段時間,食物被消化,釋放出能量供給人體的生命活動,所以過幾個小時,我們又會產生饑餓的感覺。酶不但能加速反應,而且它還是調控全身化學反應的關鍵物質。人體攝人食物後會產生很多能量,如果這些能量在一步反應之後都釋放出來的話,根本無法保證生命的正常運轉。所以生命體內的氧化反應隻能一步一步地進行,使得能量逐級釋放。例如葡萄糖最終轉化為二氧化碳和水,有二十多個連續的生化反應,這種逐級氧化代謝全靠酶來控製,它即使熱量能夠緩慢地釋放,又提高了熱量的利用率。酶自身屬於蛋白質,它是一種生物催化劑,一種酶隻能催化一個特定的反應,具有高效性和專一性的特點,就是我們通常所說的:一把鑰匙開一把鎖。例如,過氧化氫酶隻能使過氧化氫分解的速度加快,它對於其他的化學反應,就不是一種催化劑了。每一種酶都有一個恰好配得上的底物(就是酶對它起作用的那個物質,也叫酶的作用物),就是說,酶和底物能夠配套,就像鑰匙和鎖一樣。所以每一種酶很容易跟它相匹配的那個底物結合,但是跟其他的物質結合就不太容易或根本不能結合。這就是我們通常所說的酶的專一性。
我們在生活中還會遇到這種情況:你麵前有一堆生柿子,又青又硬,咬一口,澀得不得了,很難吃。這時家長說了:在生柿子堆裏放一個熟梨,一起放在塑料袋裏,過幾天,柿子就熟了,變得又甜又軟。不僅柿子是這樣,如果你到農村去還會發現:在果園中,一棵果樹上一部分果實成熟了,那麼整棵樹的果實都會很快地成熟;如果一棵果樹的果實成熟後,整片果園的果實也會很快都成熟了。這是巧合嗎?當然不是。果實在自然成熟的過程中會釋放出乙烯,越接近成熟,乙烯的含量越大。果實本身產生的乙烯具有促進果實成熟的作用,成熟的果實釋放的乙烯就像“信息”一樣傳遞給其他果實,對其他果實的成熟起到了促進作用。人們認識到這種現象後,就想到了用乙烯來進行人工催熟果實。但是乙烯是氣體,不容易在田間施用,於是人們想到一種方法——“攻心為上”,設法把乙烯送到果樹內部。科學家發明了一種試劑稱為“乙烯利”,乙稀利施用後能被植物吸收,在植物體
的內部釋放乙烯,起到了與施放乙稀氣體同樣的效果。同時,人們利用這個原理還可以達到水果保鮮的目的。因為果實體內會產生乙烯,這樣就使得離開果樹的生果實也能夠成熟。如果我們設法除去水果散發出來的乙烯,就可以達到水果保鮮的目的。人們把活性炭放置在生水果的周圍,由於活性炭具有吸附性,可以吸附乙烯,從而達到長期地保存生水果的目的。
同位素是一個比較抽象的概念,教學中可介紹一些實際應用的例子,以加深學生對它的理解。
同位素“示蹤法”是科學研究過程中非常重要的一種方法,在很多有機化學的反應過程中,為了探究反應曆程,都要借助同位素原子。
一種放射性同位素的原子核跟這種元素其他同位素的原子核具有相同數量的質子(隻是中子的數目不同),因此核外電子的數量也相同,由此可知,一種元素的各種同位素都有相同的化學性質。這樣,我們就可以用放射性同位素代替非放射性的同位素來製成各種化合物,這種化合物的原子跟通常的化合物一樣參與所有化學反應,卻帶有“放射性標記”,用儀器可以探測出來。這種原子叫做示蹤原子(就如同一個小小的偵察兵)。我們可以通過跟蹤同位餘齒豐南蹤跡來了解反應的機理。棉花在結桃、開花的時候需要較多的磷肥,把磷肥噴在棉花葉子上也能吸收。但是,什麼時候的吸收率最髙、磷能在作物體內存留多長時間、磷在作物體內的分布情況等,用一般的方法很難了解清楚。如果用磷的放射性同位素製成肥料噴在棉花葉麵,然後每隔一定時間用探測器測量棉株各部位的放射性強度,上麵的問題就很容易解決。另外,人體甲狀腺的工作需要碘,碘被吸收後會聚集在甲狀腺內。給人注射碘的放射性同位素碘,然後定時用探測器測量甲狀腺及鄰近組織的放射強度,有助於診斷甲狀腺的器質性和功能性疾病。事實上,在研究很多反應的曆程中,我們也用到了同位素示蹤原子。例如在酯化反應中,到底是酸脫輕基、醇脫氫還是醇脫羥基、酸脫氫,就是借助氧18同位素,用氧18標記乙醇中的氧原子,結果發現氧18主要存在於產物乙酸乙酯中,說明乙醇分子中氫氧鍵斷裂,羥基上的氫原子與乙酸分子中的輕基結合生成水,剩下的部分相互結合生成乙酸乙酯,反應方程式如下:
“夏商周斷代工程”是我國考古工作中的重大課題,其中確定武王伐紂的時間是商周年代學的關鍵。因此,兩千多年來一直引起中外學者們的極大興趣,但年代、依據不足,先後出現了44種不同說法,最大相差近一個多世紀。不久前傳來消息,我國科學家根據考古學研究和放射性同位素碳14測年法所提供的結果,應用天文學界最先進的星曆表和計算軟件,經過多年研究成功地再現了三千多年前武王伐紂的日程表。科學家們是怎麼做到的呢?在考古研究中,利用古文獻記載及考古挖掘來確定年代的手段為人們所熟悉,但碳14測年法對大多數人來說較為陌生。碳14法是同位素測年法中的一種,從1955年開始就廣泛應用在考古挖掘中發現的遺骨、文物年代的確定中。它的原理是:普通所說的碳是指原子量為12的碳,化學性質在常溫下穩定。但它有一種原子量為14的放射性同位素。這種放射性同位素碳14是高空大氣中的氮14在宇宙射線作用下形成的。空氣中大約每1萬億個碳原子,就有一個碳14原子。碳14與氧結合同樣產生二氧化碳,通過大氣對流、7欠溶解以及生物吸收。碳14均勻分布於生物圈、大氣圈、水圈中,普通碳原子與碳14原子比例基本固定。當生物死亡後或水溶液的二氧化碳沉澱為碳酸鹽,其中碳14便開始衰變為普通碳原子,碳14含量減少,生物體死亡時間越久,生物遺體、遺骸碳14含量越低。碳14半衰期,相對其他同位素的半衰期來說,碳14的半衰期較短,僅為5568±30年,一般能精確到距今5萬年以內的生物遺跡、文物、地質體的年齡。因此,碳14法比較適用時間較新的考古學和第四紀地質研究,這和人類文明時間大致一致,所以常用碳14測年法。