石油：工业的血液

在大量使用了木材和煤之后，人类在第二次工业革命时开始使用第三种可供燃烧的能源——石油。相比木材和煤炭，石油有两个显著的优点：使用便利和能量密度高。这给社会的方方面面带来了一系列革命，我们将再一次看到能量利用的水平和文明进步之间的关系。

人类发现和使用石油的历史其实很久远。早在公元前10世纪之前，古埃及人、美索不达米亚人和古印度人已经开始采集天然石油。在美索不达米亚的楔形文字泥板上，记载着在死海沿岸采集天然石油的事情，不过，准确地说应该是“以天然形态存在的石油沥青”（我们知道，现在的石油沥青是原油加工过程中的副产品）。早期文明并不是将石油当作能源来使用，而是将天然沥青作为一种原材料。在古巴比伦，沥青被用于建筑，而在古埃及，它甚至被用于制药和防腐。木乃伊的原意就是沥青。在阿拉伯帝国崛起时，当地人用沥青铺路，建设帝国的中心巴格达。

中国在西晋时开始有关于石油的记载。到南北朝时，郦道元（？—527）在《水经注》中介绍了石油的提炼方法，这应该是世界上最早关于炼油的记载。此后，在北宋沈括的《梦溪笔谈》中，也有利用石油的记载。

作为能量的来源，石油首先被用于战争而不是取暖或者照明。公元前6世纪，阿契美尼德王朝（前550—前330）的波斯人开始打井取石油，然后很快将它用于战争中的火攻。居鲁士二世（Cyrus II of Persia，前600年至前598年间—前530年）在攻取巴比伦时，他的部将用沥青点火，烧毁固守在房屋内进行抵抗的巴比伦人的建筑。在随后的2000多年里，很多文明都有将石油用作火攻武器的记载，但是大家并不用它做燃料或者照明，因为原油燃烧时油烟太大，而且火苗不稳。

石油真正被广泛地用于照明，要感谢加拿大的发明家亚伯拉罕·格斯纳（Abraham Gesner，1797—1864）和波兰发明家伊格纳齐·武卡谢维奇（Ignacy Lukasiewicz，1822—1882）。他们于1846年和1852年先后发明了从石油中低成本地提取煤油的方法，从此，使用煤油照明不再有上述问题。武卡谢维奇等人的方法其实是利用石油中不同成分有不同沸点的原理，加热原油将各种成分分离。

1846年，在中亚地区的巴库发现并建成了世界上第一座大型油田，当时巴库出产世界上90%的石油。1861年，世界上第一座炼油厂建成。19世纪末，在北美大陆的许多地方都发现了大油田，煤油很快取代蜡烛成为西方主要的照明材料，并且因此形成了一个很大的市场。也就是在这个时期，约翰·洛克菲勒成了世界石油大王——他控制了美国的炼油产业，并因此间接地控制了原油的开采、原油和成品油的运输，以及成品油的定价。

石油成为世界主要的能源来源之一，是靠内燃机的发明。通过内燃机和汽油（或者柴油）来提供动力，比采用蒸汽机和煤更方便、更高效，也更清洁。因此，从19世纪末开始，全世界的石油用量剧增。19世纪中期（1859），美国的石油年产量只有2000桶，但是到了1906年，就达到了1.26亿桶，半个世纪增加了6万多倍，石油成了继煤炭之后又一种重要的化石燃料。

石油作为世界主要能源的登场时间，和两次世界大战的时间基本吻合，因此，它不仅成了各方争夺的战争资源，也决定着战争的走向和结果。第一次世界大战前夕，担任英国海军大臣的丘吉尔敏锐地认识到，油比煤做军舰动力更有优越性，它让军舰更快、更灵活，也更省人力。于是，他决定把英国的海军优势建立在石油之上，所有舰船燃料都以油代煤，并且在他的任期内完成了这种转变。后来的战争进程证明，丘吉尔非常远见卓识。当时英国本身不产油，因此它一直设法控制着中东地区的石油资源，直到二战结束之后很长一段时间。在第二次世界大战中，一些重要的战役都和争夺石油有关，比如苏联和德国围绕争夺巴库油田的一系列战役，日本进军南太平洋争夺石油资源的诸多战役等。在二战期间，同盟国的石油总产量高达10亿吨，而轴心国只有6600万吨，不到前者的7%。因此，石油紧缺也是轴心国战争失败的一个重要原因。

从19世纪末开始，煤虽然还是世界上最重要的燃料，但石油的用量一直高速增长。到了20世纪70年代，人类意识到石油是一种有限的原料，如果不节省使用，很快就会耗尽，因此在1973年石油危机之后，石油的使用增速开始放缓。除中国外，世界主要产油国产量没有根本性变化。2017年，美国原油产量为37亿桶，基本上和1970年持平。沙特阿拉伯和俄罗斯的石油产量与美国相当。这三大产油国的产量和20世纪70年代初（1973年石油危机之前）相比没有什么变化，而伊朗则只有当年峰值的一半。

不过，虽然世界上原油产量没有增加，但是人们对它的依赖程度却非常高。由于石油的能量密度高，燃烧迅速，因此今天世界上90%的运输动力依然来自石油。如果飞机使用煤作为动力燃料，恐怕一半的载重量要用在所携带的煤上，而且起飞前还要经过长时间预热。

石油工业带来的另一个结果是极大地促进了化学工业的发展，这是因为石油本身是许多化学工业产品的原料。

虽然化学品的制造（比如酿酒、酿醋）和使用早在公元前就有了，但是它变成工业，并且和科学的发展联系起来，则是在19世纪。由于钢铁工业的迅速发展需要炼焦炭，从而产生了大量被称为煤焦油的废物，于是化学家在研究煤焦油的特性时，发展出了化学工业。

1856年，英国18岁的化学家威廉·亨利·珀金（William Henry Perkin，1838—1907）在提取治疗疟疾的特效药奎宁时，偶然发现煤焦油里的苯胺可以用来生产紫色的染料，于是他申请并获得了苯胺紫制造的专利。由于当时染料的价格昂贵，各国化学家竞相利用煤焦油研制染料，很快发明了各种颜色的合成染料，形成了一个新的庞大的产业——有机化学工业。之后，随着石油和天然气的廉价供应，有机化学家找到了比煤焦油产量更高、使用更方便的化工原材料，从此开启了石油化工工业。利用石油合成塑料的方法便是在这样的背景下发明出来的。

▲图7.1 用煤焦油生产染料

今天使用最广泛的聚乙烯塑料（用于制造食品袋、薄膜、餐具），虽然被发明出来的时间较早，但是产品化的时间反而晚。

1898年，德国科学家佩希曼（Hans von Pechmann，1850—1902）在一次实验事故中无意合成出今天常用的塑料——聚乙烯（又称为PE）。但是由于生产聚乙烯的原料“乙烯”在自然界中很少，因此无法大规模生产，所以这项偶然的发现被搁置一旁。

1907年，出生于比利时的美国科学家贝克兰（Leo Baekeland，1863—1944）发明了用苯酚和甲醛合成酚醛塑料的方法。这种塑料不仅价格低廉，而且耐高温，适用范围广，从此开创了塑料工业，而贝克兰也被称为“塑料工业之父”。

19世纪末20世纪初，俄国和美国的工程师先后发明了通过裂解从石油中提炼乙烯的技术。随后在20世纪20年代，标准石油公司（Standard Oil）开始从石油中提取乙烯。1933年，英国的帝国化学公司（ICI）再次无意中发现了从乙烯到聚乙烯的合成方法。因为有了充足的原材料供应，聚乙烯材料得以广泛应用。在此之后，人类以石油为原材料。发明了各种各样的新材料，大致可以分为塑料、合成橡胶与合成纤维三大类。

塑料是今天全世界使用最多的材料之一，每年的使用量约为3亿吨，人均40千克，其中中国占了全球塑料使用量的1/4左右。塑料的种类非常多，常见的就有十几种。今天使用最多的塑料除了聚乙烯，还有聚氯乙烯（人们常说的PVC，水管、地板、建筑门窗框等都来自聚氯乙烯）。这两种塑料在外观上差不多，但是聚乙烯无毒，可以包装食品；聚氯乙烯有毒，不能作为食品包装。

塑料的诞生还促进了人造革产业的发展。19世纪末，德国率先发明了人造革。人造革一词早期的叫法Presstoff，就来自德语的Preßstoff，即塑料复合物的意思。但是这种人造革并不结实，因此没有实际的应用。20世纪30年代，人们用聚氯乙烯和帆布制造出了皮革替代品——人造革。在二战期间，缺少天然原材料的德国大量使用人造革制作军服和军用品，如军装、马鞍和武器的皮套。

除了催生出塑料工业，随着石油化工的发展，人们开始探索用合成材料替代天然材料，合成橡胶应运而生。橡胶最初是源于橡胶树上白色黏稠的分泌物，通过人工采集后，经过凝固、干燥等加工工序，制成弹性固状物，属于天然材料。

人类使用橡胶的历史可以追溯到公元前16世纪的奥尔梅克文化（Olmec culture），最早的考古证据来自中美洲出土的橡胶球。后来，玛雅人也学会利用橡胶制造东西，阿兹特克人甚至会用橡胶制作防雨布。

1736年，法国地理学家孔达米纳（Charles Marie de La Condamine，1701—1774）从美洲带回橡胶的样品。1751年，他向法兰西科学院递交了一篇弗朗索瓦·弗雷诺（François Fresneau，1703—1770）写的关于橡胶性质的论文。这篇论文于1755年发表，是历史上第一篇介绍天然橡胶的论文。

天然橡胶如果不经过处理，既不结实，也缺乏弹性。1839年，美国发明家查尔斯·古德伊尔（Charles Goodyear，1800—1860）发明了橡胶的硫化方法，将硫黄和橡胶一起加热，形成硫化橡胶，才让它真正得以使用，这距离西方人接触到橡胶已经过去了100年。然而，古德伊尔并不是一个精明的商人，也不善于利用专利保护自己的发明。因此，在他那个年代，很多人利用他的发明挣到了钱，而他自己却负债累累。不过，古德伊尔对此并不遗憾，他说：“生活不应仅仅由美元和美分来衡量，我不会抱怨他人收获我种植的成果。相反，如果一个人播种之后，却没有人收获，才是让人遗憾的事情。”今天世界著名的固特异（Goodyear）轮胎橡胶公司就是为了纪念他而命名的，但是与他或者他的家人其实没有任何关系。

古德伊尔虽然找到了处理橡胶的实用方法，但是对橡胶的化学成分并不清楚。1860年，英国人格雷维尔·威廉斯（Charles Greville Williams，1829—1910）经由分解蒸馏法实验，发现了天然橡胶的单元构成是异戊二烯，这为后来合成橡胶提供了根据。

世界对橡胶大量的需求是在汽车诞生之后。今天世界上那些著名的橡胶公司，包括德国的马牌、意大利的倍耐力、法国的米其林和美国的固特异等公司，都诞生于19世纪末，并且随着汽车工业的发展而发展。然而，天然橡胶只能生长在暖湿地区，世界上大部分国家不适合种植，因此产量非常有限。到了战争年代，如中国、日本或者德国等不出产天然橡胶的国家，就很容易被敌国切断橡胶供应。因此，德国从20世纪初就开始想办法人工合成橡胶。

1909年，德国的科学家弗里茨·霍夫曼（Fritz Hofmann，1866—1956）等人，用异戊二烯聚合出第一种合成橡胶，但是质量太差，根本不可用。第一次世界大战期间，德国的橡胶供应完全被英国人切断。迫于橡胶匮乏，德国人采用了二甲基丁二烯聚合而成甲基橡胶，这种橡胶可以大量生产，而且价格低廉，但是耐压性能不理想，战后便被淘汰了。在随后十多年里，欧美各国合成了种类不同的人造橡胶，但是都因为质量太差，不堪使用。

真正从理论层面解决人造橡胶技术问题的是两位分别获得了诺贝尔化学奖的科学家。20世纪30年代，德国化学家施陶丁格（Hermann Staudinger，1881—1965）建立了大分子长链结构理论，苏联化学家谢苗诺夫（Nikolay Semenov，1896—1986）建立了链式聚合理论。有了这些理论的指导，通过小分子材料聚合大分子材料，人工合成实用的橡胶才成为可能。

在二战期间，由于日本占领了全世界重要的橡胶产地东南亚，美国和苏联加速了合成橡胶的研制和生产。1940年，美国百路驰（BFGoodrich）公司和固特异公司分别研制出高性能、低成本的合成橡胶，对保证二战时橡胶的供应有很大的帮助。在二战期间，美国合成橡胶的产量从2000吨增加到92万吨，虽然它们当时依然只占橡胶用量的一小部分，但是已经显示出合成橡胶的广阔前景。

20世纪60年代，壳牌石化公司（Shell Chemical Company）发明了人工合成的聚异戊二烯橡胶，首次用人工方法合成了结构与天然橡胶基本一样的合成天然橡胶，从此人造橡胶可以彻底取代天然橡胶了。今天，全世界每年生产2500万吨橡胶，其中70%是合成橡胶。

如果说合成橡胶只是对一种天然物的复制，那么尼龙（nylon）则是自然界原本并不存在的人造物，它的发明开创了化学工业结合纺织工业的一个新领域。

1928年，杜邦公司成立了基础化学研究所，负责人是当时年仅32岁的卡罗瑟斯（Wallace Carothers，1896—1937）博士，他主要从事聚合反应方面的研究。1930年，卡罗瑟斯的助手发现，采用二元酸和二元胺经缩聚反应而形成的聚酰胺纤维，其化学结构和性能与蚕丝相似，而且这种人造丝弹性比天然蚕丝结实，延展性非常好。卡罗瑟斯意识到这种人造物的商业价值，于是对高聚酯进行了深入的研究。1935年，世界上第一种合成纤维诞生了，它后来得名尼龙。令人遗憾的是，1937年，卡罗瑟斯因抑郁症自杀身亡。1939年10月24日，用尼龙制造的长筒丝袜上市，引起轰动。尼龙丝袜当时在美国被视为珍奇之物，有钱人争相购买。而追求时髦的底层妇女，因为买不起丝袜，便用笔在腿上绘出纹路，冒充丝袜。

▲图7.2 丝袜的放大特写照片

二战时，尼龙被优先用于军工，制造降落伞，并且被美军带到了欧洲。二战后，很多喜欢时尚的法国妇女热衷用制作降落伞的尼龙缝制性感的衣服，她们会为了求得一块降落伞布而结交美国大兵。可见当时尼龙受欢迎的程度。当然，后来人们发现还是棉、麻、蚕丝和羊毛做的衣服穿得舒服，因此，高档的服装已经不再使用尼龙。但是，尼龙的用途却越来越广泛，而且在尼龙之后有越来越多的合成纤维被发明出来。今天，通过合成得到的高质量的超细纤维，很多在性能上已经完全可以媲美纯棉制品。

在石油工业和化学工业的发展过程中，能量这条主线的作用是非常明显的。它们一方面涉及煤和石油这些化石燃料；另一方面，化学工业本身也是高能耗的，在人类没有能力调动足够多的能源之前是无法发展的。

相比之下，信息这条主线的作用是隐性的，但其重要性却不能忽视，因为科技的进步，就伴随着信息的积累和传递。今天，我们见到的每一种天然物质都是经过了35亿年历史的进化和筛选才形成并保留下来的，但是自从有了化学工业，我们在短短的一个多世纪里就创造了无数的新物质，其中有些甚至解决了一直困扰人类的“生存问题”。