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第8章 有趣的化学现象(3)

另一种观点认为,目前的气候变暖与“温室效应”并无直接的关系。它与地球上一个温和的冰后期一致,也许是19世纪末结束的“小冰期”的后果。也就是说,全球增温是地球气候循环中的自然现象。关于全球变暖的发展趋势,他们根据极地区域冰核中氧同位素资料,推测出地球气候的自然循环,认为目前地球气候处于自然冷却期,这将抵消二氧化碳的影响。

但是,这种假说目前尚缺乏较多的证据,也无法否定全球增温与大气中二氧化碳含量增加相吻合的事实。因此,迄今多数科学家相信“温室效应”理论。但是,这个理论有一个关键问题还没有解决,这就是海洋在全球二氧化碳平衡中的作用问题,即海洋吸收、储存和转移大气中二氧化碳的能力有多大,海洋对大气中二氧化碳增加的反馈作用如何,这是海洋与全球气候变化关系中的主要问题之一。

海洋与二氧化碳

研究表明,大气中的二氧化碳通过海——气界面进入海洋,并通过海洋中各种化学的、物理的和生物的过程吸收、储存和转移。因此,海洋对大气中二氧化碳含量的变化起着重要作用。

据初步估计,人类每年向大气中排放的二氧化碳,大约有一半进入海洋。海洋在吸收和储存二氧化碳方面,是通过化学和生物的作用,把大气中的二氧化碳转化为碳的化合物。海水的二氧化碳化合物形态主要是碳酸,而海洋植物对二氧化碳的利用,以及碳酸钙、碳酸镁等的形成,都会直接影响海水中二氧化碳的含量。

研究还表明,海洋中的二氧化碳与大气中的二氧化碳并不处于平衡状态,这与海洋的物理过程有关。例如,在北纬50°的大西洋,二氧化碳从大气进入海洋,那里的表层海水向北冰洋方向流动,水温迅速降低,二氧化碳在海水中的溶解度增加,海——气之间二氧化碳不平衡加剧,使大气中更多的二氧化碳进入海洋。而在赤道太平洋,由于深层冷水涌升到温度较高的海面,海水中二氧化碳出现过度饱和,此时海洋便向大气释放二氧化碳。

海洋对大气中二氧化碳的另一个重要影响,是碳的运输和转移在海洋二氧化碳分布和海——气之间交换速率所起的控制作用。它包括水平运输和垂直转移,主要取决于海洋环流、生物生产力和物理——化学过程。现已发现,其中生物过程的贡献尤为重要,特别是所谓的“生物泵”在垂直转移过程中发挥了重大作用,它促进了碳从海表层向深层的转移。

研究表明,生物的初级生产主要限于真光层,浮游植物在那里进行光合作用吸收二氧化碳,并将其转化为颗粒态,即浮游植物细胞,然后通过食物链逐级转化为更大的颗粒。而在中层带则由浮游动物的活动所控制。因此,海洋碳的垂直转移主要依靠浮游动物的碎屑和粪粒来完成。

研究还表明,海洋中碳酸盐(主要碳酸钙和碳酸镁)的形成和沉积是碳转移的另一个途径。碳酸钙和碳酸镁的表现溶解度与海水的温度、盐度、压强有关,但研究发现,温度和盐度并不是影响海水碳酸钙饱和度的主要因素,决定的因素是碳酸盐。而影响碳酸盐浓度的主要是海水中的二氧化碳浓度。

因此,在全球变化研究中已经把它作为全球海洋通量研究的主题列入计划,以确定和深入了解在全球尺度海洋控制碳及其有关生源要素通量变化的过程,估计海洋与大气、海底和陆架界面间的交换量,进而为研究和预测长期气候变化服务。

欧亚大陆间的内海——黑海

黑海的命名

亚欧大陆中部,有个辽阔的海域。该海域的海水颜色不同于一般大海,它不呈蔚蓝色,而呈现黑色。“黑海”正由于其颜色而得名,在阳光下,黑色的海水闪烁着晶晶亮光,犹如镶嵌在大地上的一颗黑宝石。但是,黑海又处于中纬度地区,暴风雨络绎不绝,致使乌云遮天盖地,天海浑然一色,如若有人身临其境,则心惊肉跳,仿佛末日降临。

黑海的颜色

为什么黑海的颜色是黑色的呢?原来,黑海海域辽阔,但它的出口只有一处,同地中海相连接,即西面的土耳其海峡。海峡有的地方又窄又浅,最窄处只有700米宽,最浅处只有33米深,流量受阻,使黑海与地中海的海水未能及时大量交换。大家知道,黑海表层海水受顿河、第聂伯河、多瑙河等大量淡水流入的影响,密度较小而黑海深层海水受地中海高盐度海水的影响,密度较大。

这样,密度大的海水在下层,密度小的海水在上层,使得200米以下的海水静静地躺在海底,与外界隔绝,氧气得不到补充。缺氧之后,水中的硫花细菌活跃起来。把海底大量有机物分解,形成硫化氢。高浓度的硫化氢、把海底淤泥染得乌黑一片。黑色的海底贪婪地把照射到海水中的各种颜色的光全部吸收。因此,我们看到的黑海的海水,便是黑色一片了。

多彩的大海——赤潮

古代的赤潮现象

1831~1836年,达尔文在《贝格尔航海记录》中记载了在巴西和智利近海面发生的束毛藻引发的“赤潮”事件。

据记载,中国早在2000多年前就发现“赤潮”现象,一些古书文献或文艺作品里已有一些有关“赤潮”方面的记载。

现代的赤潮现象

2007年,中国广东省的海陵大堤以东海域出现大面积颜色异常现象,海域海水呈现红褐色,且深浅不一,呈片状分布。经有关专家现场采样测定,这是一起“赤潮”现象。异常海域水体中浮游的植物种类为血红哈卡藻,该藻属无毒品种,对人体无直接伤害,但“赤潮”物在夜间因呼吸作用消耗水中的溶解氧,导致养殖生物容易因缺氧而窒息死亡。

目前,“赤潮”已成为一种世界性的公害,“赤潮”现象在很多国家和地区发生的都很频繁。

发生“赤潮”的原因

“赤潮”是在特定环境条件下产生的,相关因素很多,但其中一个极其重要的因素是海洋污染。大量含有各种含氮有机物的废污水排入海水中,促使海水富营养化,这是“赤潮”藻类能够大量繁殖的重要物质基础。

“赤潮”的危害

海洋是一种生物与环境、生物与生物之间相互依存、相互制约的复杂生态系统。系统处于一个相对稳定、动态平衡的状态。当“赤潮”发生时这种平衡就会遭到干扰和破坏。有些赤潮生物分泌赤潮毒素,当鱼、贝类处于有毒“赤潮”区域内,摄食这些有毒生物,虽不能被毒死,但生物毒素会在体内积累,其含量大大超过食用时人体可接受的水平,严重时甚至可导致死亡。

会变色的酸碱指示剂

神奇发现

300多年前,英国年轻的科学家罗伯特·波义耳在化学实验中偶然发现了一种奇特的实验现象。有一天清晨,在实验时少许酸沫飞溅到紫罗兰鲜花上。为洗掉花上的酸沫,他把花用水冲了一下,一会儿发现紫罗兰颜色变红了,当时波义耳感到既新奇又兴奋,他认为可能是盐酸使紫罗兰颜色变红。

他立即把那篮鲜花全部拿到实验室,取了当时已知的几种酸的稀溶液,把紫罗兰花瓣分别放入这些稀酸中,结果紫罗兰都变为红色。由此他推断,不仅盐酸,而且其他各种酸都能使紫罗兰变为红色。他想以后只要把紫罗兰花瓣放进溶液,看它是不是变红色,就可判别这种溶液是不是酸。

后来,他又弄来其他花瓣做试验,用它来检验是不是酸,同时用它来检验一些碱溶液,也产生了一些变色现象。

他还采集了药草、牵牛花、苔藓、月季花、树皮和各种植物的根……泡出了多种颜色的不同浸液,有些浸液遇酸变色。有些浸液遇碱变色,不过有趣的是,他从石蕊苔藓中提取的紫色浸液,酸能使它变红色,碱能使它变蓝色,这就是最早的石蕊试液,波义耳把它称作指示剂。为了使用方便,波义耳用一些浸液把纸浸透、烘干制成纸片,使用时只要将小纸片放入被检测的溶液,纸片上就会发生颜色变化,从而显示出溶液是酸性还是碱性。今天,我们使用的石蕊、酚酞试纸、pH试纸,就是根据波义耳发现的原理研制而成的。

后来,随着科学技术的进步和发展,许多其他的指示剂也相继被另一些科学家所发现。

原理探秘

酸碱指示剂。用于酸碱滴定的指示剂,称为酸碱指示剂。这是一类结构较复杂的有机弱酸或有机弱碱,它们在溶液中能部分电离成指示剂的离子和氢离子,并且由于结构上的变化,它们的分子和离子具有不同的颜色,因而在pH不同的溶液中呈现不同的颜色。常用的酸碱指示剂主要有4类:硝基酸类、酚酞类、磺代酚酞类、偶氮化合物类。

酸碱指示剂既然都是一些有机弱酸或有机弱碱,那么在不同的酸碱溶液中,它们的电离程度就不同,于是会显示不同的颜色。

石蕊和酚酞都是酸碱指示剂,它们是一种弱的有机酸。在溶液里,随着溶液酸碱性的变化,指示剂的分子结构发生变化而显示出不同的颜色。

在酸性溶液里,红色的分子是存在的主要形式,溶液显红色;在碱性溶液里,电离平衡向右移动,蓝色的离子是存在的主要形式,溶液显蓝色;在中性溶液里,红色的分子和蓝色的酸根离子同时存在,所以溶液显紫色。

酚酞是一种有机弱酸,它在酸性溶液中浓度较高时,形成无色分子。

自制酸碱指示剂。有许多植物色素在不同pH值的溶液里会呈现出不同的颜色。因此,每个地方都可以就地取材,自制一些酸碱指示剂。下面介绍一些自制的方法:

1.从红萝卜皮中提取酸碱指示剂:刮下红萝卜的红皮后,用95%的酒精浸泡一天左右,过滤取出它的滤液即酸碱指示剂。按检验的需要制作pH在1~14的标准液若干个,每个标准液取10毫升分置于试管中,再分别加入红萝卜皮浸泡液10滴,塞紧作为比色样品。在某待测溶液中加入红萝卜浸泡液,颜色发生变化后再与比色样品比较,就能确定待测溶液pH值的大致范围。

2.从紫草中提取酸碱指示剂:取适量紫草并用50%的酒精浸泡一天可得到紫草素的紫色的酒精溶液即酸碱指示剂。其遇到酸碱的变色与石蕊试液相同。

3.从紫色卷心菜中提取酸碱指示剂:取约250克紫色卷心菜,洗净切碎置于不锈钢锅中加水煮沸10分钟,然后过滤冷却置于容器中即可用作酸碱指示剂。其用法可参照上述操作1的方法。

还有很多植物的色素如月季花、菊花、牵牛花等的浸出液都可以制成不同的酸碱指示剂。

神奇的缓释药物

难吃的药

人们经常与药物打交道,尤其是那些慢性病患者。在药物为人们解除病痛的同时,人们也发现服药是一件麻烦事。服药的方法一般都是一天吃几次,每次吃几片药,有时还要连续吃好多天的药,才能使疾病痊愈。有的病不得不长期服药,例如高血压病人,一年365天都得服降压药。如果你服的是中药,还需要花很多时间去煎药,那就更费力了。

能不能吃一次药管很多天呢?这样一来,岂不是可以大大地省事省时了,而且还可以防止因为忘了吃药或不及时吃药耽误了治病。

如果真的能实现吃一次药管很多天的话,人一旦得了病,因为在身体里已经有了治这种病的药物,等于已经打了预防针,疾病就会很快地痊愈。

不要以为“吃一次药管很多天”是异想天开,化学家和药物学家已经开始在为实现这一理想而努力了。

化学家和药物学家的办法,当然不是把各种药品让病人一次都吃进去,这样做不但达不到治病的目的,还会使病人中毒,这是因为要让药物在人体内发挥疗效,就必须使药物在一定的时间内,保持所需要的浓度,浓度不足时,治不好病,浓度过大了,人就会中毒。

缓释胶囊药物

那么,最理想的方案到底是什么呢?化学家和药物学家开始设想,如果能够制造出一种能在人体内慢慢释放的药物,这不就能达到吃一次药管很多天的效果吗?这也正是缓释药物出现的原因。

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