通往化學世界的地圖

 　　繼《物理學地圖》和《數(shù)學地圖》后， Dominic Walliman又制作了一張《化學地圖》。盡管該地圖系列并沒有全面地包含所有的話題，也僅限于最簡單地描述，但其目的是讓讀者大略的了解各學科的主要分支。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，無法產(chǎn)生中性的原子(甚至是原子核)，因為它們會立即在對撞中被擊碎。但隨著時間流逝，宇宙膨脹的越來越大，并且溫度慢慢冷卻到可以產(chǎn)生穩(wěn)定的原子核，就會得到~75%的氫、~25%的氦以及0.0000001%的鋰，除此外沒有其它的元素。后來，當恒星開始誕生時，一切就都改變了。

　　在宇宙誕生后的~138億年后，在一個藍色的星球上，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，恒星最終會在一場絢麗的爆炸中結束自己的生命。恒星誕生-死亡-誕生…在這個循環(huán)往復的過程中，產(chǎn)生了今天我們知道的所有元素。這便是化學的來源。

　　這些元素會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雜的方式結合在一起。而化學則是一門研究這些物質(zhì)的性質(zhì)、組成、結構、變化規(guī)律、以及相互作用的基礎自然科學。從簡單的原子，到復雜的生物分子，都是化學的研究對象。

　　當我們提起化學家的時候，腦海中閃過的畫面總是一群穿著白衣大褂的人在實驗室中搗鼓著五顏六色的奇異液體。但事實上，我們每個人都是化學家。人類在很早的時候就對化學產(chǎn)生了濃厚的興趣。從火的化學反應開始，人類就一直運用它來發(fā)展其它的化學技術，比如煮東西、制造金屬和玻璃等等。之后，文明的發(fā)展其實都是基于化學的進步，比如金屬加工、化肥生產(chǎn)、制造新的材料和藥物等。

　　化學是生活中的一部分，可惜的是大多數(shù)人都沒有意識到這一點。這張地圖的目的正是帶領大家認識化學，并了解化學是如何與生活中的一切緊密聯(lián)系在一起的。在進入化學領域之前，我們需要掌握一些基本的化學規(guī)則。

　　既然化學是一門研究物質(zhì)的學科，那么我們首先就得知道物質(zhì)是由什么構成的。我們生活中接觸到的一切物體都是由原子構成的。而在過去的100年中，科學家才逐漸搞清楚原子的真實面目。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成)，繞著原子核運行的是電子。電子的數(shù)目和行為對化學反應很重要。元素周期表上的每個化學元素都代表了不同的原子，同一列的元素具有相似的化學性質(zhì)。

　　不同的原子之間會以固定的質(zhì)量比結合形成不同的分子，比如一個碳原子結合兩個氧原子會形成二氧化碳等。不同類型的分子被稱為化合物。

　　化合物的性質(zhì)通常和構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，即不會燃燒也不會助燃。化合物并不只是由單一的分子構成，有許多固體(比如金屬或鹽)都具有晶體結構，是由重復的多個原子構成，稱為單位晶格。如果有許多不同的物質(zhì)聚在一起就會形成混合物，比如你周圍的空氣或一個蛋糕。

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

　　理解能量在化學物質(zhì)中是如何傳播的是了解一個反應究竟會不會發(fā)生的關鍵。例如紅磷燃燒，紅磷有的時候在空氣中會燃燒，是紅磷和氧氣反應釋放出了能量，我們看到的火焰(鬼火)就是能量的表現(xiàn)形式。還有一個例子能夠彰顯能量的重要性，即通過引進催化劑，兩個化合物能夠加速反應。例如過氧化氫在一般情況中會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)就會加快其反應速度。

　　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，我們會發(fā)現(xiàn)水在0度時會凝結成冰，在100度燒開時變成水蒸氣。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，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)被稱為等離子體。在這種狀態(tài)下，氣體中的原子會擁有比正常更多或更少的電子，從而形成陰離子或陽離子。生活中常見的霓虹燈的光線就來源于內(nèi)部的等離子體。

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

　　動力學研究的是反應發(fā)生的快慢，并決定了反應率是多少。在一個反應中，電子從一個反應物轉(zhuǎn)換到另一個的過程叫氧化還原反應。氧化意味著失去一個電子，而還原意味著得到一個電子，它們必須一起發(fā)生。

　　物質(zhì)的另一個重要性質(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，在化學反應中，酸性物質(zhì)會放棄一個氫離子，而堿性物質(zhì)會接納一個氫離子。

　　在同一條件下，正反應方向和逆反應方向均能進行的化學反應稱為可逆反應。在一個封閉的系統(tǒng)中，這意味著兩種物質(zhì)之間可以變來變?nèi)ァ．斦蚍磻乃俾逝c逆向反應的速率達到平衡時，可逆反應就會達到化學平衡。

　　上面所提到的都是化學的基礎。化學研究則是將這些規(guī)則應用在不同的化學系統(tǒng)中。接下來我們將要進入不同的化學領域。(這些領域都有各自延伸的子學科和應用化學領域。)