通往化學(xué)世界的地圖

 　　繼《物理學(xué)地圖》和《數(shù)學(xué)地圖》后， Dominic Walliman又制作了一張《化學(xué)地圖》。盡管該地圖系列并沒(méi)有全面地包含所有的話題，也僅限于最簡(jiǎn)單地描述，但其目的是讓讀者大略的了解各學(xué)科的主要分支。本文的描述也將鎖定在這張圖所包含的內(nèi)容之上。

　　在宇宙誕生之初，由于溫度太高，無(wú)法產(chǎn)生中性的原子(甚至是原子核)，因?yàn)樗鼈儠?huì)立即在對(duì)撞中被擊碎。但隨著時(shí)間流逝，宇宙膨脹的越來(lái)越大，并且溫度慢慢冷卻到可以產(chǎn)生穩(wěn)定的原子核，就會(huì)得到~75%的氫、~25%的氦以及0.0000001%的鋰，除此外沒(méi)有其它的元素。后來(lái)，當(dāng)恒星開(kāi)始誕生時(shí)，一切就都改變了。

　　在宇宙誕生后的~138億年后，在一個(gè)藍(lán)色的星球上，一群具備高等智慧的文明得知了恒星之所以會(huì)發(fā)光的秘密。在恒星的核心中，氫和氦不斷地聚變提供了源源不斷的能量。這些能源總有耗盡的一天，恒星最終會(huì)在一場(chǎng)絢麗的爆炸中結(jié)束自己的生命。恒星誕生-死亡-誕生…在這個(gè)循環(huán)往復(fù)的過(guò)程中，產(chǎn)生了今天我們知道的所有元素。這便是化學(xué)的來(lái)源。

　　這些元素會(huì)聚集形成各種各樣不同形式的分子，這些分子更是意想不到的以各種復(fù)雜的方式結(jié)合在一起。而化學(xué)則是一門(mén)研究這些物質(zhì)的性質(zhì)、組成、結(jié)構(gòu)、變化規(guī)律、以及相互作用的基礎(chǔ)自然科學(xué)。從簡(jiǎn)單的原子，到復(fù)雜的生物分子，都是化學(xué)的研究對(duì)象。

　　當(dāng)我們提起化學(xué)家的時(shí)候，腦海中閃過(guò)的畫(huà)面總是一群穿著白衣大褂的人在實(shí)驗(yàn)室中搗鼓著五顏六色的奇異液體。但事實(shí)上，我們每個(gè)人都是化學(xué)家。人類(lèi)在很早的時(shí)候就對(duì)化學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。從火的化學(xué)反應(yīng)開(kāi)始，人類(lèi)就一直運(yùn)用它來(lái)發(fā)展其它的化學(xué)技術(shù)，比如煮東西、制造金屬和玻璃等等。之后，文明的發(fā)展其實(shí)都是基于化學(xué)的進(jìn)步，比如金屬加工、化肥生產(chǎn)、制造新的材料和藥物等。

　　化學(xué)是生活中的一部分，可惜的是大多數(shù)人都沒(méi)有意識(shí)到這一點(diǎn)。這張地圖的目的正是帶領(lǐng)大家認(rèn)識(shí)化學(xué)，并了解化學(xué)是如何與生活中的一切緊密聯(lián)系在一起的。在進(jìn)入化學(xué)領(lǐng)域之前，我們需要掌握一些基本的化學(xué)規(guī)則。

　　既然化學(xué)是一門(mén)研究物質(zhì)的學(xué)科，那么我們首先就得知道物質(zhì)是由什么構(gòu)成的。我們生活中接觸到的一切物體都是由原子構(gòu)成的。而在過(guò)去的100年中，科學(xué)家才逐漸搞清楚原子的真實(shí)面目。原子的核心是原子核，由質(zhì)子和中子組成(它們又是由更小的夸克構(gòu)成)，繞著原子核運(yùn)行的是電子。電子的數(shù)目和行為對(duì)化學(xué)反應(yīng)很重要。元素周期表上的每個(gè)化學(xué)元素都代表了不同的原子，同一列的元素具有相似的化學(xué)性質(zhì)。

　　不同的原子之間會(huì)以固定的質(zhì)量比結(jié)合形成不同的分子，比如一個(gè)碳原子結(jié)合兩個(gè)氧原子會(huì)形成二氧化碳等。不同類(lèi)型的分子被稱(chēng)為化合物。

　　化合物的性質(zhì)通常和構(gòu)成它們的元素非常不同，像由可助燃的氧和可燃燒的氫組成的水，即不會(huì)燃燒也不會(huì)助燃?；衔锊⒉恢皇怯蓡我坏姆肿訕?gòu)成，有許多固體(比如金屬或鹽)都具有晶體結(jié)構(gòu)，是由重復(fù)的多個(gè)原子構(gòu)成，稱(chēng)為單位晶格。如果有許多不同的物質(zhì)聚在一起就會(huì)形成混合物，比如你周?chē)目諝饣蛞粋€(gè)蛋糕。

　　但問(wèn)題是，原子是如何結(jié)合在一起的?這就需要知道鍵的概念。原子之間會(huì)以不同的方式連接在一起，它們通過(guò)偷竊或共享電子來(lái)減少結(jié)合能，或者將它們重新排列成不同的結(jié)構(gòu)。科學(xué)中的一個(gè)通用規(guī)則是所有東西總是試圖最小化它們的能量，而鍵正是原子達(dá)到這個(gè)目的的一種方式。

　　理解能量在化學(xué)物質(zhì)中是如何傳播的是了解一個(gè)反應(yīng)究竟會(huì)不會(huì)發(fā)生的關(guān)鍵。例如紅磷燃燒，紅磷有的時(shí)候在空氣中會(huì)燃燒，是紅磷和氧氣反應(yīng)釋放出了能量，我們看到的火焰(鬼火)就是能量的表現(xiàn)形式。還有一個(gè)例子能夠彰顯能量的重要性，即通過(guò)引進(jìn)催化劑，兩個(gè)化合物能夠加速反應(yīng)。例如過(guò)氧化氫在一般情況中會(huì)緩慢分解成水和氧氣，但分解速度極其慢，如果加入碘化鉀(催化劑)就會(huì)加快其反應(yīng)速度。

　　能量也決定了化合物的形態(tài)，比如固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)。它們會(huì)以何種形態(tài)出現(xiàn)取決于它們所處的溫度和所受的壓力。為了說(shuō)明這三種狀態(tài)，以及溫度和壓力的重要性，我們以水為例。在生活中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)水在0度時(shí)會(huì)凝結(jié)成冰，在100度燒開(kāi)時(shí)變成水蒸氣。冰、水、水蒸氣分別是水的固、液、氣相。在高原上，氣壓比正常情況要低，可能水在70多度就能燒開(kāi)，這就是壓力改變了水到水蒸氣的相轉(zhuǎn)變溫度。

　　另一種非常有趣的物質(zhì)形態(tài)被稱(chēng)為等離子體。在這種狀態(tài)下，氣體中的原子會(huì)擁有比正常更多或更少的電子，從而形成陰離子或陽(yáng)離子。生活中常見(jiàn)的霓虹燈的光線就來(lái)源于內(nèi)部的等離子體。

　　化學(xué)反應(yīng)是化學(xué)的核心：哪種化合物之間會(huì)相互反應(yīng)，為什么它們會(huì)反應(yīng)，以及反應(yīng)后會(huì)剩下什么。有許多不同方式的反應(yīng)，可以用不同的方法來(lái)分類(lèi)。所有這些反應(yīng)都是由一系列基本規(guī)則(即化學(xué)定律)所支配。最基本的規(guī)則是質(zhì)量和能量守恒，意味著沒(méi)有任何物質(zhì)或能量能夠在化學(xué)反應(yīng)中被制造或毀滅，它們只是會(huì)轉(zhuǎn)變成不同的形態(tài)。

　　動(dòng)力學(xué)研究的是反應(yīng)發(fā)生的快慢，并決定了反應(yīng)率是多少。在一個(gè)反應(yīng)中，電子從一個(gè)反應(yīng)物轉(zhuǎn)換到另一個(gè)的過(guò)程叫氧化還原反應(yīng)。氧化意味著失去一個(gè)電子，而還原意味著得到一個(gè)電子，它們必須一起發(fā)生。

　　物質(zhì)的另一個(gè)重要性質(zhì)就是pH值，代表了酸堿程度(如pH=0的鹽酸，pH=7的純水，pH=14的氫氧化鈉)。思考它們的其中一種方式是，在化學(xué)反應(yīng)中，酸性物質(zhì)會(huì)放棄一個(gè)氫離子，而堿性物質(zhì)會(huì)接納一個(gè)氫離子。

　　在同一條件下，正反應(yīng)方向和逆反應(yīng)方向均能進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)稱(chēng)為可逆反應(yīng)。在一個(gè)封閉的系統(tǒng)中，這意味著兩種物質(zhì)之間可以變來(lái)變?nèi)ァ．?dāng)正向反應(yīng)的速率與逆向反應(yīng)的速率達(dá)到平衡時(shí)，可逆反應(yīng)就會(huì)達(dá)到化學(xué)平衡。

　　上面所提到的都是化學(xué)的基礎(chǔ)?；瘜W(xué)研究則是將這些規(guī)則應(yīng)用在不同的化學(xué)系統(tǒng)中。接下來(lái)我們將要進(jìn)入不同的化學(xué)領(lǐng)域。(這些領(lǐng)域都有各自延伸的子學(xué)科和應(yīng)用化學(xué)領(lǐng)域。)