冯大诚
杂说“油”(1) 精选
2021-4-5 08:10
阅读:4202

杂说“油”(1)

我们在读小学时就知道,一般的物质具有固态、液态和气态这三种状态。在温下,我们能够看到最多的液态物质恐怕就是水和油。本文就说说油。

油这个字,最早的字书《说文解字》上的解释是长江的一条很小的支流的名称,即油水(油江)。这条小支流在湖北公安县,其入长江处称油口或油江口,现已湮没。

《三国志蜀书 先主传》注引《江表传》:“(刘)备别立营于油江口,改名为公安。”《方舆纪要公安县》:“今县城北有油口巡司。”如今公安县内还有一条油江路。

不过,在先秦或西汉的著作中,常见的“油”字以及词“油油”,似乎都有“有光泽”、“可流动”、“光滑”以及“和谐恭敬”等意思。

例如:“麦秀渐渐兮,禾黍油油”(先秦佚名《麦秀歌》);“自我天覆,云之油油”(《史记司马相如传》);“礼已,三爵而油油以退”(《礼记玉藻》);“天油然作云,沛然下雨,则苗浡然兴之矣”(《孟子梁惠王上》)等。

这些意思,似乎都与“油”字的组成即“水经由之处”相关。大概也正是由于这个缘故,到了后来张骞从西域带回胡麻,从胡麻籽中榨出来的液体也就称之为“油”,其原因大概还是因为它能够像水一样流动。从此以后,人们把各式植物种子中榨取出来的植物油,都称为“油”。

当然,更早的时候,人们就知道食用和使用各种动物脂肪。不过,并不称它们为油,而是称为脂(取自有角的动物,如牛羊)或膏(取自无角的动物,如猪狗)。至于把植物油与动物脂肪合称为油脂,应当是很后来的事情了。

我国在汉代就发现“高奴有洧水可燃”(《汉书》),洧水是延河的支流,“水上有肥,可接取用之”(《水经注》)。到了宋代,沈括在《梦溪笔谈》中才把它命名为石油,他认为石油可以代替松枝不完全燃烧得碳粉而做墨,一定可以很有用处。

至于今天使用最多的从石油中得到的各种矿物油,则是近代从西方传入的。是资本主义产业革命后,近代工业的产物。

我们现在用到最多的矿物油,是作为能源的汽油、煤油和柴油。

众所周知,在这三种燃料油中,汽油的沸点和凝固点最低,在常温下就容易挥发,也极难凝固。煤油次之,而柴油特别是所谓重柴油,沸点最高,也容易凝固。

为什么这样呢?人们一般都是这样说的:这些矿物油都是碳氢化合物,也就是所谓烃类。汽油大多是7~12个碳原子的烃的混合物,煤油是11~17个碳原子的烃类混合物,柴油中的烃类的碳原子数可多达22个。碳链中的碳原子个数越多,烃的沸点就越高。

可是,我们应当再问一下,为什么碳原子个数越多,烃的沸点就越高呢?这个问题还是要从头说起。

烃,也就是碳氢化合物,是由分子构成的。各个烃分子所含有的碳原子和氢原子的个数不同,它们的熔点和沸点就各不相同。汽油、煤油和柴油都是若干烃类的混合物,所以都没有确定的沸点和凝固点。为了说明问题,我们挑选几个典型的烷烃来解释。

最简单的烃是甲烷,CH4,是天然气的主要成分,常温下当然是气体。汽油中的烷烃,我们以辛烷为例,C8H18。煤油和柴油中的烷烃,我们以十二烷C12H26和十六烷C16H34为例。

甲烷的熔点: -182.5℃,沸点 :-161.5℃,常温下当然是气体。辛烷的熔点:-56.8℃,沸点:125.6℃,常温下是液体。十二烷的熔点:-9.6℃,沸点:216℃,常温下也是液体。十六烷的熔点:18.2℃,沸点287℃,室温较低时为固体,较高时为液体。

这些物质的最小单位都是分子,由许许多多分子构成了宏观的物质。由分子构成的物质,在常温下呈现何种状态,是由分子之间的相互作用力决定的。如果分子间作用力很小,具有一定动能的各分子就容易“自由行动”,这就形成气态。如果分子间引力较大,各个分子不容易“自由行动”,于是就凝聚在一起,形成液态和固态,其中最不容易自由行动的形成固态。换句话说,常温下由分子构成的物质所处于的状态是由分子间作用力的大小决定的。

所谓分子间作用力,当然是指分子之间的正负电荷吸引力(不要去想什么万有引力,那只有不到电磁作用力的亿亿亿亿分之一,完全不必考虑)。

例如,甲烷分子CH4,碳原子与四个氢原子分别形成四个碳氢键,呈正四面体状(就像粽子的形状),碳原子位于正中间,四个氢原子位于四个角上。当碳原子与氢原子结合成键时,由于碳原子与氢原子吸引电子的能力相差不大,再加上四个碳氢键是对称的,所以整个分子的正负电荷的中心是重合的。如果组成分子的各原子都是严格不动的,这样的分子之间的作用力将很小很小。但是情况并非如此,组成分子的各原子都不断地在平衡位置附近振动,这样分子的正负电荷的中心也就在不断变化,形成一定的瞬时偶极矩,这些偶极矩就会相互作用。更简单一点说,这个分子里的正电荷会吸引另一个分子中的负电荷。这样,甲烷分子之间仍然会有一定的相互作用力。

其他烷烃分子之间也都有这样的作用力,而且分子间总的作用力显然是各个单位基团之间作用力之和。这样,分子中的碳原子越多,也就是分子越长,相互之间的作用力将越大。

这就是烷烃分子越大(就是其中的碳原子越多),越难以气化,沸点越高的道理。

至于凝固,当温度下降时,我们看到的将是这些油越来越“粘稠”,而不是像水那样,要么是液态的水,要么是固态的冰。这是由于汽油、煤油和柴油都是各种可以相互融合的烃类分子的混合物的缘故。组成混合物的各种烃的熔点不同,所以烃类混合物没有一定的凝固点。当温度下降到一定的程度,分子的动能越来越小,不同的烃分子相互吸引,就成为粘稠体。这一点,与高温下逐渐冷却的玻璃十分相近,最后这些油完全凝固,所生成的也是所谓“玻璃体”,而不是有严格周期性排列的晶体。

烃类当然不光是烷烃,当碳-碳原子之间形成一个双键时,这样的烃便是烯。由于形成了双键的两个碳原子以及与它们相连的碳原子必须在同一个平面上(这是形成双键的必要条件),这就大大影响了这些分子链可以“自由摆动”的程度。这些“硬块”更是大大地增加了分子相互结合起来形成晶体的难度。也正是这个原因,烯烃的凝固点大大低于相应的烷烃。

我们来看看几个烷烃和它们相应的烯烃(其双键都在碳链端处的原子之间)的熔点(单位都是摄氏度)。丁烷:-135,丁烯:-185;戊烷:-130,戊烯:-165;己烷:-95,己烯:-140;庚烷:-91,庚烯:-119;辛烷:-57,辛烯:-102……
可以看出烯烃比相应的烷烃的熔点要低30摄氏度(奇数碳原子)到近50摄氏度(偶数碳原子)左右。

直链烃这样的性质也影响到它们的衍生物例如脂肪酸(即直链烃的酸)的性质,从而进一步影响到由这些脂肪酸构成的脂肪的性质。而脂肪的性质又决定了含有这些脂肪的植物能在何种合适的温度下生长发育等一系列问题。

这些将在以后的系列文章中叙述。
    


转载本文请联系原作者获取授权,同时请注明本文来自冯大诚科学网博客。

链接地址:http://wap.sciencenet.cn/blog-612874-1280328.html?mobile=1

收藏

分享到:

当前推荐数:18
推荐到博客首页
网友评论6 条评论
确定删除指定的回复吗?
确定删除本博文吗?