第4章 化學軼事(2)
六、消失的鑽石
1813年秋天，英國著名化學家，法拉第的老師戴維（H．Davy，1778—1829年）和法拉弟為了研究一個科題，需收集一些土壤樣品，沿途考察來到了托斯卡納伯爵的城堡。
身為大貴族的托斯卡納伯爵瞧不起平民，故意讓戴維師徒在客廳當中空等了很久之後才露麵。當他聽到戴維說到這裏是為了采集泥土後，對戴維大加嘲笑，說：“我沒你們那麼多科學知識，但生活得不是比你們好嗎？由此看來，科學有什麼用呢？”
戴維並沒有生氣，反而開始向他講解科學知識。當伯爵聽到戴維說金剛石和鑽石跟泥土中的碳是同一種元素的時候，哈哈大笑。戴維向伯爵反複解釋，都無法讓他相信，金剛鑽是由純碳構成的。伯爵從手上取下鑲嵌著鑽石的戒指，遞給戴維說：“請您確證一下吧，把它燒著了，我就相信您。”戴維讓法拉第拿出放大鏡，點著了燃燒爐。然後把金剛鑽放在被烈火燒得滾熱的一個小盒裏，又把用透鏡聚焦的強烈陽光，照到這塊閃閃發光的寶石上。過了一會，鑽石開始燃燒，在目瞪口呆的伯爵眼皮底下漸漸變小，化為一縷青煙消失在空氣中。伯爵大為驚訝，再也不敢小看科學了。
伯爵的驚訝其實很容易理解。堅硬無比又閃爍著絢麗光彩的鑽石，怎麼可能跟那些黑不溜秋的碳是同一個東西呢？但是在自然界當中，這種現象不但是存在的，而且有很多元素都有這樣兩種甚至兩種以上性質迥然不同的存在形式。化學家們把這種同一元素的不同存在形式稱為同素異形體。金剛石或者鑽石跟石墨就是碳常見的兩種同素異形體。碳還有兩種同素異形體，都是近年來才由化學家人工合成出來的，一種是富氏烯，一種是碳納米管。
除了碳之外，還有很多元素一樣存在同素異形體。比如錫，就有白錫、灰錫和脆錫三種同素異形體。常溫下錫以白錫的形式存在，是堅硬的銀白色金屬。但是溫度下降到攝氏13.2度以下時，白錫會逐漸轉變為灰錫，金屬晶體分崩離析，變成一些灰色的粉末。溫度如果在零下33攝氏度時，這種轉變過程會進行得飛快，簡直有如瘟疫蔓延，未開始轉化的白錫一接觸到一點灰錫也會立刻開始迅速變化，因此有個專門名稱叫做“錫瘟”。1812年冬天，拿破侖的法國大軍軍服上的錫製紐扣在俄羅斯的寒冬中就遭遇了錫瘟，紛紛化為粉末飛揚。可憐的士兵們在寒冬中敞開胸懷，許多人就此變成了“冰雕”，長眠在異鄉。
同素異形體其實就是相同元素的原子通過不同的結合方式形成的物質。這樣的形成方式主要有三種：
一、晶格中原子的排列方式不同。例如金剛石和石墨。這種方式形成的同素異形體化學性質基本相同，但是物理性質往往差別很大；
二、晶格中分子排列的方式不同。例如正交硫和單斜硫。這種方式形成的同素異形體化學性質也基本相同，物理性質不同；
三、組成分子的原子數目不同。例如：氧氣和臭氧。這種方式形成的同素異形體，物理和化學性質都不相同。金剛石或者石墨和碳納米管、富氏烯也是這種類型的。
人們既然知道了同素異形體的存在，又了解到它們之間的區別所在，自然有人就會想到，能不能通過某種手段實現它們之間的化學變化？比如，要是能把黑乎乎的石墨變成鑽石，那該多好啊。為了這個夢想，化學家努力了100多年，屢敗屢戰，屢戰屢敗。當中甚至還鬧出一個大笑話：1863年，氟的發現者，著名化學家莫瓦桑宣布成功實現了石墨到金剛石的轉化。世界一片歡騰之後發現，別人無法重複這個實驗。直到莫瓦桑逝世之後，人們才知道，原來是一位助手厭煩了無休止的實驗，向實驗器皿中悄悄放進了一顆鑽石！
物理化學的發展最終為實驗化學家指明了努力的方向。物理化學的相關計算表明，要讓石墨轉化為金剛石，就必須在上千度的高溫和幾千個大氣壓的高壓下才有可能。1954年，通用公司使用專門製造的裝置，在2000度、5.5萬個大氣壓的條件下，終於成功製得了第一批人造金剛石。
今天，隨著技術的發展，人造金剛石的產量和成本都在下降，在工業上幾乎已經完全取代了天然金剛石。而且在有的領域如半導體工業上，隻有人工合成的金剛石薄膜才能滿足生產需求。人們還合成了色彩絢麗，能夠用來作首飾的人造鑽石，出售給愛美的人士。化學家毀壞了托斯卡納伯爵的一顆鑽石，卻要還給人類無數顆。
七、超級抽水機
世界上有很多植物。大多數植物生長在氣候濕潤的地區，可是也有的植物生長在幹旱地區。比如紅柳，它能在一年到頭隻有幾個毫米降水的沙漠地帶生存；再比如仙人掌，不但能在沙漠生長，而且其中還富含水分。古代的印第安人和西部牛仔們在沙漠中旅行的時候，常常依靠仙人掌來補充水分和體力。它們是如何從幹燥的土壤中吸收水分的呢？又是如何保持水分不流失的呢？
化學知識告訴我們，這是滲透壓的功勞。
用一張半透膜隔開兩側不同濃度的水溶液。這裏所謂半透膜，是指這張膜能夠讓水分通過，同時能阻止水溶液中的溶質通過。這個時候會出現一個有趣的現象：膜兩側的水壓會自動變得不一致。如果在兩邊各接上一根豎直的玻璃管，我們就可以看到兩根玻璃管裏麵的水位不一樣高。兩側的濃度差越大，這個高度差也就越大。這個高度差下麵的水壓差，也就是這兩個濃度不同的溶液的滲透壓。真正理解滲透壓的原理要用到物理化學當中化學勢的概念或者從統計力學的角度出發，需要相當的基礎，這裏就不詳細解釋了。
幹旱地帶的植物正是利用滲透壓的原理來吸收和保持水分的。這些植物的體內都包含有大量的糖分等物質，和土壤中比起來，溶液的濃度要大得多。而它們的細胞外麵的細胞膜，正好就是一種半透膜。於是盡管植物體內的水分比起外界來說豐富得多，由於滲透壓的存在，它們不但不會流失水分，相反地還能從土壤中吸取更多的水分。
其實，自然界當中存在的幾乎所有的植物，都利用滲透壓的原理來從環境中吸取水分。隻是越幹旱的地區生長的植物這種能力越強。
不光是植物，動物的生存也和滲透壓息息相關。人生病了打吊針的話，醫生一定不會用水來配製藥劑，而必須用滲透壓和人體血液接近的生理鹽水來配；很多海水魚，一旦被放到淡水裏麵，不多久就會全身腫脹而死；馬拉鬆選手在跑了長途之後，一定不能喝白開水……聰明的讀者不難想到，這些都是因為有滲透壓的存在呢。
有的讀者可能已經想到，根部吸收的水分，又是如何運送到植物的上端的呢？難道也是滲透壓麼？
是，但不完全是。高大樹木根部的滲透壓可以達到6～7個大氣壓，能夠將水分送到60米左右的高度，這幾乎是滲透壓作用的極限了，如果要再提高滲透壓，過高的濃度會殺死植物細胞。但是，世界上有的樹木高達100多米，比如澳洲的杏仁桉樹普遍都能長到100米以上，甚至有一棵樹長到了156米！像這樣高大的樹木的存在告訴人們，必然還存在別的水分輸送機理。
這個動力來自水的內聚力。我們已經知道，水分子之間有相當強的締合作用，使得水的表麵張力特別大。因此細管中一根連續的水柱要斷裂開來時，就需要一定的外力。管子越細，這種力量越大。這些高大的樹木正是利用這種現象，把水通過許許多多非常細小的毛細管道送到樹梢。有人計算過，這種毛細管道中的水柱，抗拉強度比同樣粗細的鋼纜還要高！人類的抽水機，隻能把水分抽到10米左右的高度，相比之下這些樹木簡直就像給自己裝備了一台超級抽水機！
植物就是通過如此巧妙地利用物理化學規律，為自己的生存和發展從環境中汲取水分。
八、小分子大用處
生物化學的研究告訴人們，生命活動主要是由蛋白質/DNA/RNA 等等大分子參與/控製/調節的。幾十年來，人們一直認為，小分子除了影響體液平衡等等簡單的過程之外，並沒有什麼太大的作用。雖然生物化學研究早就知道，小分子其實參與多種生命活動的調節，但是這些“小分子”隻是相對於蛋白質等高分子來說小，對於通常的物質來說，它們的分子量仍然很大。比如常見的類固醇激素，分子量一般都達到數百。
不過，1992年，一種藍色小藥片卻打碎了這種看法。這種藥片就是著名的“偉哥”。偉哥被輝瑞製藥公司開發出來，最初是作為治療咽喉炎的藥物。在臨床實驗中卻發現它作為治療ED障礙的藥物更為有效。不久前據報導說又有人意外地發現它還對心髒疾病等有療效作用，因此醫學界又對它展開了進一步的研究。
和之前一般的看法不同，Vigor的作用機理偏偏就是完全通過小分子調節人體機能。這種簡單到了隻有兩個原子的地步的分子：一氧化氮卻偏偏在生理中有著複雜的作用：一氧化氮能夠作為“信使”向肌肉細胞發出信號，使得血管壁周圍的肌肉舒張，讓血液順暢地流過血管（這正是偉哥治療ED障礙和心髒病的原理）；它也能對神經元起作用，老年癡呆症等神經性疾病都很可能與一氧化氮的作用機製相關；一氧化氮同時還是免疫係統對付外來細胞的利器，免疫細胞合成一氧化氮，作為化學武器用來殺死目標。隻要痕量的一氧化氮，就足以對人體的生理活動起到調節作用。發現了一氧化氮的作用之後，人們才知道為什麼硝酸甘油可以治療心絞痛——正是因為硝酸甘油在人體內會分解，放出微量的一氧化氮！這種奇妙的功能，令生物化學家也為之驚訝。隨著研究者們對一氧化氮在循環、免疫以及神經係統中作用機理越來越深入的了解，相關藥物的應用已越來越廣泛。 同時，它還啟發人們，有效的藥物不一定是在試管裏麵有著良好表現的藥物，而是在生物組織當中有著良好表現的。