化學(xué)趣史之玻璃小傳

1、教育資源化學(xué)趣史之玻璃小傳從前，有一個(gè)叫做腓尼基的地方，也就是現(xiàn)在的地中海周邊，那里的人熟諳航海術(shù)，擁有經(jīng)商的天賦。有一天，一艘滿載蘇打的腓尼基商船在航行時(shí)遇到了風(fēng)暴，為躲避風(fēng)暴來到了一個(gè)小港灣。小港灣里物資匱乏，水手們只好搬來蘇打塊作為支架，在沙灘上支起大鍋?zhàn)鲲?。簡單的晚餐過后，眾水手就開始圍著火堆就寢了，沒有任何一部書籍記載了他們睡前是不是談了些什么高中男生寢室里經(jīng)常會談的那些不能讓女樓長聽見的話題，總之他們躺下之后好像睡得不是很老實(shí)，因?yàn)橐归g居然有冒失的水手踢翻了蘇打塊，倒在了火堆上。翌日，風(fēng)也平了浪也靜了，水手們收拾行囊繼續(xù)開始說走就走的旅行，一位好奇的水手驚異地發(fā)現(xiàn)，居然同時(shí)看到了兩

2、個(gè)日出，天上一個(gè)，熄滅的火堆旁還有一個(gè)，看上去碎碎的。眾人聞?dòng)嵍季鄣交鸲堰?，尋到了一堆亮晶晶的石頭。這些石頭是那么奇特，如同寶石一般晶瑩剔透，一下子讓腓尼基人興奮了起來。這種可愛的石頭便是現(xiàn)在我們所說的玻璃，狡黠的腓尼基人將這個(gè)過程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)只是將蘇打和沙子混在一起加熱就可以得到玻璃，于是在那個(gè)還沒有誕生專利保護(hù)法的年代，他們將配方作為一種秘密口耳相傳，由此生產(chǎn)玻璃并進(jìn)行貿(mào)易，在地中海地區(qū)發(fā)了大財(cái)，雄霸好幾百年。這個(gè)故事流傳極為廣泛。在20世紀(jì)八九十年代的中國，電視才剛剛普及，當(dāng)時(shí)有一類給小孩子們看的科普類動(dòng)畫，具中就有這段發(fā)明玻璃的逸事。筆者小時(shí)候也是頗受這個(gè)故事啟發(fā)，幼小的心靈里刻著這

3、么兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)方程式：粘土灼燒得到陶瓷，沙子灼燒得到玻璃。為此，曾經(jīng)瞞著家里自己學(xué)會了使用火柴，然后開始實(shí)驗(yàn)，最后兩個(gè)反應(yīng)只成功了半個(gè)一一第一個(gè)得到了陶，但怎么也燒不由碗和盤子的質(zhì)感，不過燒生的陶制球在很長時(shí)間里成為小伙伴們的玩具，尤其裝在彈弓里威力無窮，比起形狀不規(guī)則的石子好用很多（現(xiàn)在想想當(dāng)時(shí)沒被作死真是幸運(yùn)），至于用沙子燒玻璃的實(shí)驗(yàn),火焰里的沙子根本紋絲不動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果慘不忍睹。在完全不懂化學(xué)時(shí)做過的化學(xué)實(shí)驗(yàn)只有這兩個(gè)，直到多年以后才發(fā)現(xiàn)原來問題生在沒有掌握腓尼基人的配方，沒有加入蘇打一一原來玻璃的化學(xué)成分是硅酸鈉鹽，沙子提供二氧化硅，而蘇打則是碳酸鈉，兩者發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳，固體

4、部分就是玻璃。當(dāng)知道了這一點(diǎn)之后，自以為是覺得既然已經(jīng)深諳訣竅，也就沒必要再去自己嘗試了。又過了多年，閱讀莫些書籍時(shí)看到，其實(shí)很多人都曾嘗試過驗(yàn)證這個(gè)傳說，結(jié)果都以失敗告終，看起來曾經(jīng)的失敗不是因?yàn)榕浞?。如果這個(gè)傳說是真的，那么可想而知腓尼基人是多么幸運(yùn)地獲得了一次偶然的結(jié)果并將其發(fā)揚(yáng)光大。無論如何，學(xué)術(shù)界都已對這個(gè)玻璃被如此發(fā)明的說法產(chǎn)生了強(qiáng)烈的質(zhì)疑。燒制玻璃的訣竅根據(jù)考古的一些資料，真正能夠稱為玻璃的古代玻璃應(yīng)該是在2019年前左右被發(fā)明出來，當(dāng)時(shí)的羅馬帝國是這一技術(shù)的擁有者，他們不僅具有高超的燒制技藝，還發(fā)展出了各類吹制技術(shù)，這就相當(dāng)于現(xiàn)代的塑料工業(yè)中，他們不僅會合成，還會加工，太了不起

5、的天賦了。雖然也因各種因素有過衰退，但羅馬人還是把這技術(shù)的優(yōu)勢一直保持到了近代，甚至直到現(xiàn)代，威尼斯的玻璃還是為世人所稱贊。早在羅馬帝國之前，大約3500年前，埃及人就已發(fā)明了所謂的玻璃，但本質(zhì)上只是具有釉面的陶器。至于腓尼基人的貢獻(xiàn)，更大的可能性是他們在埃及人和羅馬人之間起了一種承上啟下的作用。之所以說羅馬人發(fā)明玻璃的說法更為可信，最主要的原因是玻璃燒制過程的訣竅是燒制溫度，在此之前，人類對火的掌握還不夠成熟，并不能提供足夠高的溫度來燒制品質(zhì)優(yōu)良的玻璃。要想使成品呈現(xiàn)晶瑩剔透的狀態(tài)，需要在1200以上的條件并保持較長時(shí)間，所以在野外環(huán)境一次打翻爐火就產(chǎn)生晶瑩玻璃的可能性幾乎為零除非那爐火是被

6、雷劈倒，瞬間產(chǎn)生了局部高溫這并非單純是調(diào)侃，自然界存在的黑曜石就是一種黑色玻璃，是由于火山的高溫而產(chǎn)生的二氧化硅結(jié)晶。水晶固然也可以看作是一種玻璃，但天然水晶的形成過程是晶體生長，與玻璃燒制截然不同。長期以來，西方人認(rèn)為神奇的中國人并沒加過有關(guān)玻璃的技能點(diǎn)，只是在漢朝莫個(gè)時(shí)期通過與西域交流，掌握了玻璃燒制技術(shù)，然后玻璃就成為貴族與宗教的專屬材料，沒有得到什么發(fā)展。不過現(xiàn)代化學(xué)證明，瓷器與玻璃有著非常密切的關(guān)聯(lián)，瓷釉就是一種玻璃，而中國人燒制的琉璃則是一種有別于西方鈉鈣玻璃體系的鉛鋼玻璃體系，總之，在玻璃發(fā)展史上，中國也是有著原創(chuàng)性貢獻(xiàn)的，但乏善可陳。中國人對瓷器熱衷而沒太怎么關(guān)注玻璃，很大程度

7、上因?yàn)橹袊牟Ａ该鞫炔桓?，模模糊糊的還不如瓷器的素肌玉骨來得更好，而且鉛鋼玻璃的實(shí)用性很低，所以在過去的兩三千年里，我們的祖先不斷地在瓷器這一棵技能樹上亂點(diǎn)，卻忽略了玻璃這個(gè)寶藏，這實(shí)在很可惜。玻璃的透明特質(zhì)玻璃擁有很多寶貴的性能，比如耐腐蝕、絕緣等等，但最重要是的光學(xué)特征。在繼續(xù)下文之前，我們首先搞清楚一個(gè)小問題，非晶體的玻璃為什么會是透明的？從外觀上看，玻璃和水晶很像，從結(jié)構(gòu)上說，它們也都是以教育資源教育資源二氧化硅為主，但二者卻有著非常本質(zhì)的區(qū)別玻璃是非晶體而水晶則是晶體。結(jié)構(gòu)化學(xué)理論認(rèn)為，晶體都是有序排列的，就像閱兵時(shí)的部隊(duì)方陣，而非晶體則是無序的，就像閱兵時(shí)的群眾方陣。區(qū)分有序和無

8、序的方式是這樣的，假設(shè)閱兵方陣足夠大，大到無窮大那么大，那么如果平移或者旋轉(zhuǎn)莫個(gè)角度之后，這個(gè)方陣看上去和原來一樣，那就是有序,反之則是無序。玻璃從微觀結(jié)構(gòu)上不具備這樣的特性，因此它就是非晶體，從宏觀上表現(xiàn)由沒有固定熔點(diǎn)，這個(gè)知識點(diǎn)好像初中就普及了。玻璃之所以透明，正是拜其非晶體的特性所賜，而水晶之所以透明則是因?yàn)樗蔷w一一聽起來是不是特別矛盾？這個(gè)就需要慢慢解釋了。實(shí)際上，透明的本質(zhì)是光可以穿透，比如空氣中的分子間隔很大，對于光波而言與真空差不太多，所以空氣是透明的。但液體和固體的分子間隔比較小，光波就比較容易受到原子和分子的阻隔，如果在這個(gè)過程中，原子或分子對光波中的能量產(chǎn)生了興趣，事情

9、就不太好玩了，它們就會吸收掉相應(yīng)波長的光波，有色透明物質(zhì)就是吸收了一部分可見光而透過了其他可見光，而金屬特殊的電子海洋結(jié)構(gòu)使得可見光遇到金屬更是被全波段吸收。水晶中的二氧化硅成分并不會強(qiáng)烈吸收可見光，所以光波如入無人之境，除了界面反射的那一部分以外，都透射出來了。等一等，我們是不是說到界面發(fā)生的反射現(xiàn)象？這一點(diǎn)很重要，研究發(fā)現(xiàn)，水晶對光波的反射率大約只有8%，也就是說92%的光可以透射過去。界面的反射作用會累積，所以當(dāng)晶體界面越多，晶體的透明度就會越低，因此當(dāng)我們抓一把水晶塊放在一起看，它們就變得不透明了?？梢韵胂?，如果這些水晶塊之間不是空氣，而是無定型的二氧化硅，那么由于界面仍然存在，這樣半

10、結(jié)晶的水晶也將是不透明的。如果這些水晶塊足夠小，小到比光波的波長還要小，可以視作無定型時(shí)，這時(shí)的界面又消失了，這塊無定型的水晶就又透明了，但結(jié)構(gòu)卻從部隊(duì)方陣變成了群眾方陣。玻璃其實(shí)就是這種無定型的水晶中摻雜了一些金屬氧化物，像氧化鈉這些對光波沒有什么影響，但過渡金屬的氧化物卻多數(shù)對光波有吸收，藍(lán)色鈷玻璃便是這個(gè)原理。這樣一個(gè)簡單的原理卻在高分子合成中扮演著極其重要的角色。水晶和玻璃都可以看作是無機(jī)高分子，它們都透明的案例說明高分子如果本身對光波沒有吸收，那么要想做成透明物質(zhì)，最重要的任務(wù)就是取消界面的存在這樣就有兩種做法，要么像水晶一樣慢慢生長成單晶，要么像玻璃一樣干脆長成無定型。日常生活中，

11、HDPE（高密度聚乙烯）沒有透明產(chǎn)品，其原因就是結(jié)構(gòu)規(guī)整的聚乙烯太容易結(jié)晶，但又結(jié)不成單晶那樣，于是結(jié)構(gòu)中就是一些小晶體摻雜著無定型，最終便不透明了。PP（聚丙烯）結(jié)晶度稍微低一些，所以正常情況下都是半透明，如果這時(shí)加入一些助劑讓PP的結(jié)晶變得更小，那么透明的PP材料便由現(xiàn)了，現(xiàn)在市面上的透明PP便是采用的這一原理。至于為何不用長單晶的方式來做透明高分子只能說現(xiàn)階段條件不過是個(gè)美好的夢。這樣也就不難理解像PET（聚酯）、LDPE（低密度聚乙烯）、PC（聚碳酸酯）、PS（聚苯乙烯）這些塑料都是透明物質(zhì)了，它們都不太容易結(jié)晶，長出來就是無定型的。氣泡的引入也是形成界面，把玻璃做發(fā)泡工藝處理就可以得

12、到陶，陶便是不透明的，所以就不必問為什么泡沫飯盒也是聚苯乙烯為何卻不透明的事了。玻璃與科技文明說了這么多關(guān)于玻璃透明的原理，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)地跑了歷史的題。玻璃的化學(xué)結(jié)構(gòu)簡單，從誕生到現(xiàn)在，化學(xué)層面上沒有太大的改變，但玻璃的透明屬性卻改變了人類歷史的進(jìn)程。拋開政治因素不說，如果古代的中國人也發(fā)明了高透明度的玻璃，那么北宋的科普讀物夢溪筆談中是否會出現(xiàn)放大鏡這樣的小物件，還真的很難說。但事情現(xiàn)在大家都知道了，古代的玻璃之都一直在意大利，而最先用玻璃造出望遠(yuǎn)鏡看星星的也是一個(gè)叫什么伽利略的意大利人，那還是在400年前，他在望遠(yuǎn)鏡里看到了都敏俊xi坐著飛船降臨到了朝鮮半島，感慨宇宙真奇妙呀人類真渺小，然后，b

13、ang!歐洲的天文和物理跟瘋了一樣發(fā)展了起來?；瘜W(xué)的發(fā)展史中玻璃也是居功甚偉。早期的化學(xué)反應(yīng)還指望不上現(xiàn)在那些XRD（X射線衍射儀）、NMR核磁共振）、MS（質(zhì)譜）這些高大上的儀器，反應(yīng)過程都是靠肉眼觀測，換句話說，拉瓦錫要穿越到現(xiàn)在可能覺得現(xiàn)代人弱爆了，離開這些儀器估計(jì)連中國國內(nèi)的SCI期刊上都發(fā)不了文章?？咳庋塾^察的年代，容器選擇就很重要，玻璃透明度高，加工起來也比較容易，更重要的是除了有些怕堿以外還特別耐腐蝕。如果沒有玻璃，只有銅器和陶瓷，我們的化學(xué)實(shí)驗(yàn)大概就是像太上老君那樣，先是很神棍地確定把孫悟空練成丹藥需要七七四十九天，實(shí)驗(yàn)條件是三昧真火，然后終究因?yàn)橛^察不到反應(yīng)的情況判斷失誤，最后釀成火焰山的悲劇。生物學(xué)的發(fā)展同樣離不開玻璃的作用沒有玻璃就沒有顯微鏡，沒有顯微鏡哪來的現(xiàn)代生物學(xué)。還有搞互聯(lián)網(wǎng)的不要偷笑，把這個(gè)世界用互聯(lián)網(wǎng)串起來的真正功臣是光纖，說白了就是一堆玻璃絲。毫不夸張地說，玻璃支撐了現(xiàn)代科技文明的基礎(chǔ)。這就是為什么要說，我們的