一張通往化學世界的地圖

知識 08-08

繼《物理學地圖》和《數學地圖》後， Dominic Walliman又製作了一張《化學地圖》。儘管該地圖系列並沒有全面地包含所有的話題，也僅限於最簡單地描述，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容之上。

化學地圖。（圖片來源： Dominic Walliman，經作者授權使用）

在宇宙誕生之初，由於溫度太高，無法產生中性的原子（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，並且溫度慢慢冷卻到可以產生穩定的原子核，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。後來，當恆星開始誕生時，一切就都改變了。

在宇宙誕生後的~138億年後，在一個藍色的星球上，一群具備高等智慧的文明得知了恆星之所以會發光的秘密。在恆星的核心中，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，恆星最終會在一場絢麗的爆炸中結束自己的生命。恆星誕生-死亡-誕生…在這個循環往複的過程中，產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複雜的方式結合在一起。而化學則是一門研究這些物質的性質、組成、結構、變化規律、以及相互作用的基礎自然科學。從簡單的原子，到複雜的生物分子，都是化學的研究對象。

起源

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展其它的化學技術，比如煮東西、製造金屬和玻璃等等。之後，文明的發展其實都是基於化學的進步，比如金屬加工、化肥生產、製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，並了解化學是如何與生活中的一切緊密聯繫在一起的。在進入化學領域之前，我們需要掌握一些基本的化學規則。

化學規則

-Matter -

物質

原子和元素周期表。

既然化學是一門研究物質的學科，那麼我們首先就得知道物質是由什麼構成的。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。

-Chemical Compound -

化合物

像水、二氧化碳等等都是化合物。

不同的原子之間會以固定的質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。化合物並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，是由重複的多個原子構成，稱為單位晶格。如果有許多不同的物質聚在一起就會形成混合物，比如你周圍的空氣或一個蛋糕。

- Bonding-

鍵

鍵包括了共價鍵、離子鍵、氫鍵和范德華鍵。

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。

- Energy-

能量

木柴和氧氣的反應也是解釋能量的一個例子。右邊為催化劑的作用。

理解能量在化學物質中是如何傳播的是了解一個反應究竟會不會發生的關鍵。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。

- Phases-

相

固相、液相、氣相。

能量也決定了化合物的形態，比如固態、液態或氣態。它們會以何種形態出現取決於它們所處的溫度和所受的壓力。為了說明這三種狀態，以及溫度和壓力的重要性，我們以水為例。在生活中，我們會發現水在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變溫度。

另一種非常有趣的物質形態被稱為等離子體。在這種狀態下，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於內部的等離子體。

- Reactions-

化學反應

反應有多種類型，比如合成、分解、置換反應等。熱力學決定了反應能否發生，動力學決定了反應的快慢。

化學反應是化學的核心：哪種化合物之間會相互反應，為什麼它們會反應，以及反應後會剩下什麼。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則（即化學定律）所支配。最基本的規則是質量和能量守恆，意味著沒有任何物質或能量能夠在化學反應中被製造或毀滅，它們只是會轉變成不同的形態。

動力學研究的是反應發生的快慢，並決定了反應率是多少。在一個反應中，電子從一個反應物轉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，它們必須一起發生。

物質的另一個重要性質就是pH值，代表了酸鹼程度（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，酸性物質會放棄一個氫離子，而鹼性物質會接納一個氫離子。

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。在一個封閉的系統中，這意味著兩種物質之間可以變來變去。當正向反應的速率與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則應用在不同的化學系統中。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。）

化學領域

- Theoretical Chemistry-

理論化學

理論化學專註於解釋原子和分子的結構，以及利用數學方法來描述它們是如何相互作用的。它跟理論物理和量子化學有著緊密的聯繫，並經常利用計算化學中的技巧來模擬原子、分子和反應。但是，要模擬比單個氫原子更複雜的系統的量子行為是非常困難的。因此，許多計算機科學中最先進的技巧會被用來模擬分子，以及它們之間是如何作用的。事實上，這是未來量子計算機中最令人期待的一個應用之一，因為量子計算機可以直接模擬化學系統，並且能夠幫助發現新奇的材料和藥物等等。

- Physical Chemistry-

物理化學

物理化學從物理學角度來研究化學系統，比如能量、力、時間、運動、熱力學、量子性質等，可謂是近代化學原理的根基。物理化學有許多的子領域，比如研究電子的性質的電化學，這對研究更好的電池或材料科學很重要。材料科學試圖研發具有新性質的材料，比如極限強度、耐久性或自我修復。同時，發展新材料也有助於製造核聚變反應堆。

- Analytical Chemistry-

分析化學

分析化學就好比是偵探工作，當你獲得某樣物質時，需要採用定性和定量分析來確定物質的組分，以及測定物質中各組分的含量。化學家發展了不同的方法來探索和測量不同材料的不同性質。傳統的方法涉及到濕化學方法，比如根據不同的溫度，蒸餾法會將不同的化合物分離。也有許多現代技巧，比如色譜法，不同的化合物會以不同的速度通過溶液，因此會分離。或者許多不同類型的光譜學，可以通過照射光來探測材料；或質譜法，當材料通過電場或磁場時，由於質量不同就會分離。

- Inorganic Chemistry-

無機化學

大部分被研究的無機化合物都是人造的，其主要的動力來自找到具有新性質的化學製品，可以被應用在化學工業以及其它領域。事實上，化學家在這方面的努力大多數都被應用在生活之中，比如醫藥，農業、特別的液體（洗滌劑或乳化劑）、特別塗層、色素、染料等都被應用在工業用途上。在化工生產中，催化劑非常重要，因為它們會加速其它的化學反應。

- Organic Chemistry-

有機化學

有機化學主要研究生命分子的結構和行為，這些分子通常由一套不同的原子構成，比如碳、氫、氧和氮等。有機化學家也會製造一些有用的有機化合物。有機分子全都包含碳，碳氫鍵也是有機化學中最常見的結構。有機化學在工業上有諸多應用：化肥、殺蟲劑、潤滑劑、聚合物和塑料等。日常生活中我們會用到的有香水、香料和防腐劑，以及製藥工業中的藥品。