什么是化学

什么是化学_我想知道的西方科

第二十章　什么是化学

根据《不列颠百科全书》上的解释，化学是研究物质的性质、组成、结构和它们发生的转变（化学反应），以及转变中吸收或释放能量的科学。

这是个比较复杂的概念，可以这样分成三步改写：

1.化学是研究物质的性质、组成和结构等的科学，这些性质可以总称为物质的“化学性质”。

2.化学是研究物质之间可能产生的化学反应的科学。

3.在这种反应之中，能够吸收或者放出能量。

上面这三步中许多的概念需要解释清楚。

第一个就是物质。

我们要强调的是这个“物质”与我们平常所称的物质不同，它专指那些有确定结构的物质。这种物质有两种，一类是单质，也就是由同一种原子构成的物质。例如我们所见到金、银、铜、铁、锡等金属，还有我们见不到的一些气体也是，如氢、氧、氮，等等。第二类则是化合物，也就是由化学反应而生成的物质，例如氢与氧产生化学反应而生成的水，就是一种典型的化合物。

像以上的单质与化合物才是化学研究中的物质，它们的共同特点是有确定的化学成分。至于其他物质，像一块石头或者一根木头，就不是属于化学讨论里的物质了，它们的成分太复杂，不属于我们所称的单质或者化合物。

第二个是物质的性质、组成与结构，任何单质或者化合物都有这些特征。

我们来看单质，例如金，它是一种比较软的单质，由金原子组成的，如此等。水则是我们最熟悉的化合物了，它无色、无臭、无味、由氢与氧两种元素组成。

那么水是怎么由氢原子与氧原子构成的呢？如下图：

（图A）

（图B）

（图C）

如图A，我们看到，两个氢原子和一个氧原子构成了一个水分子，即H₂O。在图B中，是水蒸气大概的分子结构，那些大球是氧原子，小球是氢原子。图C则是冰的分子骨架结构。看得出来，一个大氧原子周围都粘着两个小小的氢原子，就像一个篮球上面粘着两个乒乓球一样。无数个这样的水分子有规律地聚集在一起就构成了冰。

我们要探讨的第三个概念是化学反应。

什么是化学反应呢？简而言之，化学反应是一些物质转换成另外一些物质的化学过程。

从这个解释中可以看出，化学反应的主要特点就是物质之种类的转换，即通过反应之后，一些物质会转变成为另外一些种类的物质。例如氢与氧产生化学反应生成水。因为氢、氧与水无疑是不同的物质。还有一些更为常见的反应，例如木炭在氧气中燃烧，也是一种化学反应，生成的是二氧化碳。用化学公式写就是：。

化学反应的另一个基本特性是它能够吸收或者释放能量。例如氢与氧反应生成水，就能够释放能量了，即热能。而当我们要将水通过电解分解成氢与氧时，它就要吸收能量了，即电能。

化学反应能够吸收或者释放能量，尤其是能够释放能量，这种特性对于人类的生存是至关重要的。最鲜明的例子就是火，从万年之前的原始人钻木取火，到现在我们用液化气烧饭，都是化学反应。没有这样的反应也就没有火，没有火也就没有人类文明，这句话恐怕不过分吧！

—无机与有机化学—

像数学或者物理学一样，化学也有大量分支，大大小小加起来大概有几十个，但归纳起来，可以分为五个大分支：无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、生物化学。了解了这五个分支，我们对何谓化学也就有一个基本的轮廓了。

我们先来看无机化学。

—无机化学—

无机和有机里的“机”有“生命”之意，所谓无机即无生命，无机物也就是无生命的物质了。过去化学家们认为，自然界的物质大体可以分成两种：一种与生命有关，一种与生命无关。并将与生命有关的物质称为“有机物”，它能构成有生命的动物、植物、微生物，或者也可以由这些有生命的东西产生出来。与之相对，无机物就是与生命无关的物质了，它们既不构成我们所熟悉的生命体，又不能由生命体产生出来。前者如淀粉、蛋白质、脂肪等，后者如金属和岩石等。

化学上还有一个更简单的办法来区分无机物与有机物。

这个简单的办法就是找碳。对于几乎任何一种化合物，如果我们要判定它是有机物还是无机物，一个最简单的办法就是在里面找碳。如果这种化合物中含有碳，就是有机物；否则就是无机物。某些含有碳的简单化合物，例如碳元素、二氧化碳、一氧化碳、碳酸盐等，它们虽然含有碳，由于它们结构简单，与结构复杂的有机物大不相同，因此也将之归入无机物之列。

弄清楚无机物与有机物之后，什么是无机化学也就清楚了。

无机化学就是研究无机物的组成、性质、结构和反应等的化学分支。

—有机化学—

“有机化学”一名起源于19世纪初。那时许多化学家相信在生物体内存在着一种“生命力”，这样它们才能产生特别的有机化合物。并且，这些有机物只能来自生命，是不可能由无机物产生的，也不可能在实验室里人工合成。基于这些独特之处，他们将研究有机物的化学称为“有机化学”，意即研究生命之力的化学。

然而，这种观念不久就被证明是错误的，一位德国化学家由无机物中化合成了属于有机物的尿素。这样，那个“生命力”学说就被证明是错误的了，但“有机化学”这个词却一直被保存下来。

有机化学诞生之后，人们最早的行动之一是制备有机化合物。虽然生命体是由有机物合成的，但它们的成分太过复杂，无法将之作为具体的研究对象，因此为了研究有机化学就必须制备出许多成分不那么复杂、可以对之进行确定性研究的有机物。做这项工作最早的人之一是法国化学家拉瓦锡，他发现，有机化合物燃烧后产生二氧化碳和水。由此人们知道了有机物的成份主要是碳、氢和氧等。这是对有机物的最初认识。

但这种认识显然是模糊的，为了更详细地了解之，必须像认识无机物一样，找出有机物的分子式。

这个问题一直到19世纪中期才解决。这时一个叫凯库勒的德国化学家提出了“价键”的概念。

键与价是有机化学中两个关键性的概念。

我们知道，所有化合物的分子都是由不同元素的原子组成的，它们是怎么组成的呢？在这里科学家们提出了“键”的概念，他们认为，化合物分子是由其组成的原子通过键结合而成的，并且用一条小横杠来表示，即“－”。我想在这里不妨把键设想成为一条绳子，是它将不同种类的原子捆在一起的。

那么这些不同种类的原子到底是怎么结合的呢？这种结合当然是有一定规律的，与不同原子的特性有关。由于在所有已知的化合物中，一个氢原子只能与一个别的元素的原子结合，氢就被选作一种单位。能够与这种元素的一个原子结合的氢原子的个数就是这种元素的价数。例如，1个氧原子能够与2个氢原子结合，因此氧是2价的。1个碳原子能结合4个氢原子，因此碳是4价的。

按照上面的价键学说，就能够用形象的图表来显示它们的分子结构了，例如，甲烷与乙烷的结构式是这样的：

看得出来，一个甲烷分子是由一个碳原子和四个氢原子合成的。而一个乙烷分子是由两个碳原子和六个氢原子合成的。

到这里您也许会好奇地问：为什么碳这么怪呢？能够与这么多的其他元素结合成这么多种类的有机物？能构成生命，甚至仅仅排列的形式不同就能形成截然不同的物质，真是奇哉怪也！

不错，碳的确是所有元素中最奇异的元素，几乎无所不能：既能在自然界独立不羁地存在，又能与其他元素化合成无数种新物质，这些新物质中还包括万物之灵的生命。甚至，它就像魔术师一样，用一些完全相同的元素，什么新东西也不用加进来，就这么摇身一变，就成了别的物质，例如从新戊烷变成了正戊烷，从丑陋的石墨变成了美丽的钻石！

为什么碳竟然具有如此古怪的性质呢？这个问题等到后面我们讲元素周期律时就会明白了。那时我们会看到，一个碳原子最外层有4个电子，这个数目比较怪，不多也不少。因为最稳定的是最外层有8个电子，最不稳定的是只有1个。因此有4个电子的碳原子就有最大的机动性，可以与许许多多的元素结合，同时自己又比较稳定，因此具有最大的灵活性。

这样灵活性的结果就是碳所能够产生的化合物种类几乎与其他所有元素之间反应生成的化合物一样多呢！而且其复杂程度更是远远超过所有其他非有机物的化合物。

—分析、物理与生物化学—

在基本的无机与有机化学之外，化学还有三个重要的分支，即分析化学、物理化学与生物化学。

—分析化学—

分析化学是用分析的方法来解决问题的化学分支。因此，分析化学与其说是化学的一个分支，毋宁说是研究化学的一种方法。

分析化学的方法主要有三种：定性分析、定量分析、结构分析。

定性分析指的是分析对象中含有哪些成分，这经常是整个化学分析的第一步。这个分析可能是比较简单的，例如如果所要分析的对象只是一种普通的化合物。但也可能非常复杂，例如要分析一整车矿石中所含的矿物成分。总之，只要我们不知道眼前的物质是由一些什么样的成分组成的，就要靠定性分析来帮忙了。

与定性分析相对应，定量分析所要分析的就是物质的量了。定量分析通常在定性分析之后进行，即当定性分析分析出对象中所含的物质种类后，再对每种成分的量进行分析。这个量又包括质量、纯度等不同的内容。

结构分析则是更进一步的分析。当我们通过定性与定量分析知道分析对象中所含的成分之后，这些成分通常已经是某单独种类的化合物，然后再对这个化合物进行更进一步的深入分析，包括分析其分子结构等。这些就是结构分析所要做的工作了。

在这三步分析完成之后，我们对所要分析的对象的化学性质就会有相当详细的了解。

—物理化学—

物理化学就是用物理学的方法来研究化学，它实际上是物理学与化学之间的边缘学科。

物理化学的内容也很丰富，包括许多分支，是今天化学领域内的显学，主要有三个：即化学热力学、化学动力学、结构化学。

化学热力学主要是研究化学反应的热效应问题与能量变化的问题。我们知道，大量化学反应都伴随着热量与能量的变化。最明显的例子就是燃烧，例如煤与汽油等的燃烧，它们就是一种化学反应，与化学反应同时产生的是大量的热与光。这时，通过对热与光等物理现象的研究，就能够对前面的化学反应作出研究，例如该化合物为什么会发热发光？与它的何种化学性质有关？等等。这就像看到苹果落地而研究使之落地的万有引力一样，都是由果而溯因的研究。

研究化学反应，不但要研究反应能否进行的问题，还要研究反应进行得有多快，反应速度如何，这就是化学动力学要解决的问题了。

结构化学就是从物质的结构入手去研究其化学性质。物质的性质与其结构有密切的关系，就像“异构”现象一样，例如有三种“戊烷”，其构成分子的原子种类与数目是完全一样的，只是由于结构不同，使得化学性质产生了大变化，成为三种不同的化合物，如图：

新戊烷

异戊烷

正戊烷

钻石与石墨也是如此。实际上，几乎所有化合物之所以具有某种性质都与其内在结构有关，这种内在结构可能与其分子之内原子的结构或者与各分子之间的相互作用有关，甚至有可能更进一步与分子中的原子结构有关，不过这已经不属于化学领域而进入原子物理学的领域了。

—生物化学：探索生命的秘密—

生物化学是研究发生在生物体内的化学反应过程以及参与这些化学反应的物质性质的科学。从这里看得出来，生物化学有两个大的研究对象：一是参加这些化学反应的物质，二是在生物体内进行的化学反应过程。

我们先来看第一个对象，即生物体内参加化学反应的物质。

这些物质包括两大类有机化合物：第一类是构成生物细胞基本成分的有机化合物，如蛋白质、脂肪、碳水化合物等。第二类是在生命活动中起关键性作用的化学反应中的关键性化合物，如核酸、维生素、激素等。

例如蛋白质，它是一种结构分子，在生物的细胞之内扮演着关键性的角色，细胞所有的功能之发挥都离不开它。作为一种分子，蛋白质也像一般有机物的分子一样，有其化学结构，它主要由氨基酸分子构成，其成分包括碳原子、氢原子、氧原子、氮原子等，一个氨基酸分子的结构图如下：

这里的R代表一个特别的侧链，正是这个侧链区别了各个氨基酸。

我们再来看第二个对象，即在生物体内进行的化学反应过程。

这些化学反应过程又包括两类：第一类是发生在生物细胞内的生物化学反应，例如蛋白质的合成、物种遗传性状的传递等。这些反应与我们一般见过的化学反应大为不同，一是极为复杂，许多到现在为止对于人类还是神秘莫测的；二是相互之间有密切的关联。

第二类是生物体内能量储存与释放时发生的化学反应过程，还有生物化学反应中酶的作用以及催化酶的作用等。

这些都涉及了生命活动的核心，是以科学的方法去探究生命的奥秘。