完美歐姆蛋的化學：從手沖咖啡到深蹲，生活中無處不在的化學反應

這本不談氫鋰鈉鉀銣銫鍅，
只聊在你煮咖啡、烹飪、打扮、滑手機、歡樂暢飲或健身時，
會發生的各種迷人化學反應。

「這張書頁上的墨水是被紙張纖維吸收的分子，書背的膠不過是把書頁和書封黏在一起的華麗分子。化學無所不在，無處不是。」──凱特‧比貝多夫


化學看似高深莫測、難以親近，
然而化學無處不在，隱藏在所有事物之中，
從早晨的陽光、洗頭時用的洗髮精、運動時穿的排汗衫，
到你正在看的手機螢幕、書本上的文字墨水，
化學就藏在你的身體、你的衣服和你手中的這杯雞尾酒裡。
環顧四周，所有的物質都是分子組成，
生活中的每時每刻，化學都緊緊相隨。

美國德州大學比貝多夫博士，
以充滿知識、動感與娛樂性的教學手法，
在《今日秀》（The Today Show）、《凱莉克萊森秀》（The Kelly Clarkson Show）、《NBC晚間新聞》（NBC Nightly News）等熱門節目中介紹各種化學現象，
打破艱澀或需死記硬背的刻板印象，
證明科學和樂趣就像聚合物中的分子一樣緊緊結合，
歡樂風格廣受大眾歡迎，並獲得化學家凱特（Kate the Chemist）的稱號。

比貝多夫博士在這本書中延續其幽默與瘋狂，
用一日生活，展示化學如何在我們所做的每一件事中發揮作用，
無論你是在烤蛋糕、化妝、洗澡還是談戀愛，「化學」都涉入其中。

本書分為兩大部分，
第一部分介紹入門知識，瞭解原子、分子、和化學反應的基本原理，
第二部分則是關於日常生活中的化學，
從早晨的手沖咖啡，到夜晚享用的葡萄酒。
了解在你烘焙、清潔、烹飪、健身時，所運作的各種化學。

這裡不討論夸克，也不提艱澀的科學方法，
但讀完這本書後，你會對基礎化學有一定的認識，
了解原子是組成宇宙一切的基石，又是怎麼組合在一起變成電腦、沙拉醬或冰啤酒；你也會發現化學存在於你每天接觸和遇見的一切，
例如咖啡因是如何帶給我們這麼多「能量」？又為什麼會影響人的行為？
衣服是否吸濕排汗，由分子間的距離決定。

你將對周遭的一切有嶄新和意外的發現，
更能欣賞這個世界的美，更了解生活，更了解自己。


【好評推薦】

比貝多夫博士是個以宅為榮的化學宅，她表明無論你是在烤餡餅、洗手還是欣賞日落，科學無處不在，而且很有趣！在這本重要的書裡，你將發現化學的偉大奇蹟……畢竟，它是萬事萬物的基本。
──科學教育家 比爾•奈（Bill Nye）

感謝凱特提醒我們探索生命的奧祕是多麼有趣，即使在地球上也是如此。
──美國NASA太空人 佩吉•惠特森（Peggy A. Whitson, Ph.D.）

讀者將意識到化學實際上是多麼重要！多麼酷！
──Publishers Weekly

凱特‧比貝多夫 博士
Dr. Kate Biberdorf

美國德州大學（University of Texas）化學系教授。暢銷兒童科普書The Big Book of Experiments作者。曾在《今日秀》（The Today Show）、《凱莉克萊森秀》（The Kelly Clarkson Show）、《NBC晚間新聞》（NBC Nightly News）、《荷伯報到》（The Late Show with Stephen Colbert）等熱門電視節目中介紹化學知識，廣受大眾歡迎。目前與丈夫、兩隻狗與一隻脾氣暴躁的貓住在德州奧斯汀。
官方網站：KateTheChemist.com

廖亭雲

畢業於國立台灣大學翻譯碩士學位學程，現為專職自由譯者。
翻譯作品包括《內容電力公司》、《上游思維》和《壓力管理大腦使用手冊》等。
聯絡信箱：tingcloudyy@gmail.com

序言
在這本書開始之前，我想要先承認一件事。
我是個化學宅。
我是化學家，我先生喬許也是化學家，而且我們大多數的朋友也都是科學家。（當然不是全部，畢竟沒有人是完美的。）我因為主持過幾次以夸克（quark）為主題的輕鬆對談而略有知名度；我和喬許曾經在約會夜熱烈討論獲得諾貝爾獎的某個實驗中的參數，也曾經激烈爭辯元素週期表上的哪個元素最棒──絕對是鈀（palladium），想都不用想。
不過我知道不是每個人都像這樣。
說實話，大多數人都不是這樣。
化學確實有很難懂的部分，我的老天，基本上科學就是個很難理解的領域。實在有太多專有名詞和規則，一切都看起來複雜到不可思議。尤其化學更是如此，因為我們看不到任何化學。
如果是生物學，你可以解剖青蛙。
老師可以在現實生活中展示物理性質給你看，像是加速。
但是我卻沒辦法把原子放到你手上。
有時候，就連我的親友都不太懂我在做什麼。
我最要好的朋友雀爾喜就是最典型的例子，她超級聰明，理解一般化學，她在珠寶業的工作甚至還和化學有關。但是，雀爾喜從來沒有弄「懂」過我們的高中化學課在做什麼。在我深深著迷的同時，雀爾喜卻感到無聊又迷惘，當時高二的我一點都不瞭解她的感受。
但現在，我完全瞭解了，我幾乎每天都會看到像雀爾喜一樣的學生。
身為德州大學奧斯汀分校（University of Texas at Austin）的教授，我開了一堂叫做「情境化學」（Chemistry in Context）的課。這是基礎入門課程，專為將來應該再也不會上任何一堂科學課的學生設計；你可以想像一下，主修英文的學生會想要修一堂可以拿到C又最簡單的科學課程，我開的就是這種課。
有一年，在上課第一天，有個學生問了有關夸克的問題，於是我開始離題，最後在五百名大一生面前對次原子粒子長篇大論。有些學生手忙腳亂地想要寫筆記，有一群學生只是盯著我看，臉上呈現各種驚嚇和恐懼的狀態，另外有些學生轉而用手機錄影，還有兩個女生緊抓著彼此。
這整件事本來可以變成趣談，但我卻嚇壞了幾百名願意給化學（還有我）一個機會的學生。大部分的學生都不知道我在說什麼，彷彿我說的是克林貢語（Klingon）。我敢說這種情況只會讓迷思更根深蒂固：科學就是無聊又難以理解。
所以用詞很重要──尤其是我們在討論科學的時候。
我剛拿到博士學位時，用電子郵件寄了一份論文給媽媽。幾分鐘之後，我媽打電話過來，我還來不及說哈囉，就聽到她的笑聲，完全不懂是怎麼回事。我寄錯附件了嗎？還是她剛剛看了很傻的貓咪影片？又或是不小心按到手機？
最後她上氣不接下氣地說：「凱蒂，我一個字都看不懂！ass…napthyl是什麼東西？」我媽笑得實在太過頭，沒辦法再說下去。我一頭霧水，我明明就跟她說過我的研究主題是什麼，為什麼她就是不懂？
於是我打開文件，讀了第一行：

六個新1,2-二氫苊基含氮雜環碳烯負載型鈀（II）催化劑呈現出合成和催化性質。可以使用2,4,6-三甲苯基或1,2-異丙N-芳基取代基，製造出二氫苊基碳烯。

那個瞬間，我全都懂了──我媽看到了什麼，我的學生聽到了什麼，還有雀爾喜感受到了什麼。我媽完全不知道我寫的1,2-二氫苊基含氮雜環碳烯負載型鈀（II）催化劑是什麼東西。
而且說實在的，她也沒有必要知道。（如果你好奇的話，這種類型的催化劑是用於影響製作藥品所需的化學反應。）
化學真的很酷，讚到驚天動地，但是化學家（包括我自己）卻經常用沒有博士學位就聽不懂的說法來談論科學。在這本書中，我要採取完全相反的做法。我的任務就是要讓我媽──還有各位讀者──瞭解，為什麼我對化學充滿熱情，為什麼化學很迷人，為什麼化學讓人熱血沸騰，還有為什麼你也應該要熱愛化學。
我可以保證，接下來的內容不會討論到夸克，甚至不會提及任何科學方法。不過當你讀完這本書，你會對基礎化學有一定的理解，也會發現化學無所不在，從你早上用在頭髮上的洗髮精，到傍晚美麗的日落。化學存在於你呼吸的空氣，這真的是和你的生命息息相關；化學也存在於你每天接觸和遇見的一切。你越是瞭解化學，就越能欣賞我們所在的這個世界。
只要現在看看你的周遭，眼前所見的一切都是物質，所有的物質都是由分子組成，而分子則是由原子組成。
這張書頁上的墨水是被紙張纖維吸收的分子，書背的膠不過是把書頁和書封黏在一起的華麗分子。化學無所不在，無處不是。
在前四章，我會先闡述需要具備的背景知識，你才能瞭解原子、分子、和化學反應的基本原理。你可以把這些內容想像成化學入門課，也可以想成是複習一下高中一年級的你在傳紙條給死黨時老師所教授的內容（對了，我敢保證，讀完這一節，你一定會終於「搞懂」原子是怎麼回事。）
本書的第二部分是關於日常生活中的化學，從早晨的手沖咖啡，到夜晚享用的葡萄酒。從早到晚，我們會進行各式各樣的活動：烘焙、清潔、烹飪、健身，甚至是去海邊。在過程中，你會學到在手機、防曬乳和布料等日常用品中運作的各種化學。
我之所以寫這本書，是希望讀者不僅能「搞懂」化學，更可以對化學感到熱血沸騰。我真心期望你可以對自己周遭的世界有一些嶄新和意外的發現──而且你會想要分享自己所學到的知識，也許是對伴侶、小孩、好友、同事……甚至是在暢飲時段遇到的陌生人。
因為，我深深相信，一顆熱愛科學的心可以讓世界變得更好。
讓我們開始吧。

序言
第一部：高中沒教的化學
1 小東西的重要性：原子
2 形狀才是重點：空間中的原子
3 動動物理腦：固體、液體和氣體
4 鍵會斷開自有理由：化學反應

第二部：從這裡到那裡，化學無所不在
5 起床的最大動力：早餐
6 感受那股熾熱：健身
7 你就是美：著裝打扮
8 給我陽光：海灘活動
9 派，可不是開玩笑的：下廚時間
10 邊吹口哨邊動手：打掃家裡
11 Happy Hour! 最棒的時光：酒吧
12 日落時分放鬆一下：床笫之間

元素週期表
謝辭
參考書目
詞彙表

第五章
起床的最大動力：早餐

由於你已經掌握了基礎的化學原則，我想要帶你度過很普通──但有點忙碌──的一天。我會指出其中的各種科學原理，並且讓你看看我最喜歡的實際例子。不過容我提醒一下，如果你需要快速複習前幾章介紹的任何專有名詞，可以利用書中最後附的詞彙表來喚起記憶。該說的都說完之後，就讓我們從一天的起點開始：早餐。
你有沒有聽過別人說，他們早上在喝下第一杯咖啡之前都很暴躁？也許這根本就是你本人，或者也許你有注意到上司喝下早晨的義式濃縮咖啡之後變得比較和善。已經有決定性的證據顯示，咖啡會影響我們的心情，多半是因為人很容易對咖啡因分子依賴成性，當身體積極地想要得到更多咖啡因，人就會變得易怒。別難過，我也會這樣。每、天、早、上、都、會。
三甲黃嘌呤──通常稱為咖啡因──是一種無氣味的白色粉末，並帶有苦味。天然的咖啡因存在於咖啡豆和茶葉裡，因此我們很少看到粉末的型態。攝取之後，咖啡因會產生像精神藥物（例如尼古丁或嗎啡）的作用，也就是會搞亂大腦運作的方式，並且影響人的行為。有些精神藥物只會影響心情，但藥效更強的種類則真的會影響人的意識。整體而言，咖啡因的作用相當輕微；對我們的中樞神經系統（包含脊髓和大腦的部分）造成的影響微乎其微。
那麼這些作用到底是怎麼回事？咖啡因進入你的身體之後會怎麼樣？一個簡單的分子是如何帶給我們這麼多「能量」？又為什麼會影響人的行為？
首先，咖啡因的分子式是C8H10N4O2而且含有官能基嘌呤（functional group purine），這表示這種分子有一個五員環融合到六員環，其中每個環各含有兩個氮原子。（所謂的五員環其實就是有五個原子組成環狀，而不是五個原子排成一列。同樣地，六員環是六個原子組成環狀。）
以上的分子結構非常重要，因為這讓咖啡因可以與人類大腦的特定受器鍵結在一起。這些受器通常會試圖和人體原有的分子腺苷結合，但是受器卻被混淆，並意外和咖啡因連結。這對人體來說是個大問題，因為腺苷是用來產出更大的分子（RNA），而且是對攸關人命的分子。幸好，和咖啡因形成的鍵只是一時的，因此並不會永久阻礙腺苷發揮原有的功能。
一般而言，腺苷和我們大腦中的受器產生作用時，我們會覺得想睡或昏昏沉沉。因此當腺苷無法和大腦受器結合，咖啡因就可以避免頭腦昏沉的狀況發生。也就是說，咖啡因其實沒有「帶給你能量」，只是阻擋了其他會讓你想睡的分子。
就像夜店的保鏢一樣，不過這是大腦的專用保鏢。
長期下來，人可能會咖啡因中毒──經常一天攝取1～1.5公克的咖啡因，讓腺苷受器過勞之後的狀態。這些人通常很容易辨識出來，因為他們時常處於易怒和煩躁的狀態，而且會頻繁頭痛。如果一天攝取超過10公克（或10,000毫克）的咖啡因，就真的會出現咖啡因攝取過量的問題。不過你可能必須要付出極大的心力才有辦法在二十四小時內讓這麼多咖啡因進入體內，畢竟這等同於要喝下五十杯咖啡或兩百多罐健怡可樂。
相較於汽水，咖啡和茶是更有效率的咖啡因來源。喝下一杯咖啡，很有可能會攝取到大約100毫克的咖啡因，不過如果是特定的咖啡豆加上特定的技術，咖啡因含量有可能高達175毫克。不知道你有沒有想過，烘製咖啡豆（和泡咖啡本身）的整個過程其實還蠻迷人的。舉例來說，義式濃縮咖啡機和過濾式咖啡壺（percolator）可以從淺焙的豆子萃取出最多咖啡因，不過如果要從深焙豆萃取出最多三甲黃嘌呤，最好的方式是手沖咖啡。話雖如此，一般而言不論是淺焙或深焙咖啡，每杯咖啡都含有同樣相對數量的咖啡因分子（義式濃縮咖啡除外）。
讓我們來仔細分析烘豆的過程，再判斷為什麼會這樣。豆子剛開始加熱的時候，會在所謂的吸熱過程中吸收能量。不過當溫度來到大約175°C（347°F），會突然變成放熱過程，也就是豆子吸收了太多熱能，以至於這時候會把熱能傳回烘豆機的空氣中。在這個階段，必須要調整機器的設定，才能避免過度烘焙咖啡豆（有時候這會導致咖啡帶有燒焦味）。有些烘豆師甚至會讓豆子反覆經歷幾次吸熱和放熱反應，來達到不同的風味。
一段時間之後，正在烘焙的咖啡豆會漸漸從綠色變為黃色，再變成深淺不一的棕色。我們會用「烘焙度」來指稱豆子的顏色，也就是烘焙度較深的咖啡豆顏色會比烘焙度較淺的豆子深（真是驚喜）。咖啡豆的色澤取決於烘焙的溫度，比較淺焙的豆子是加熱到大約200°C（392°F），偏深焙的豆子則是加熱到約225～245°C（437～473°F）。
不過就在豆子開始有點烘焙度（抱歉，沒有更貼切的說法了）之前，咖啡豆會經歷「一爆」，這個會發出聲音的階段是出現在196°C（385°F）。在這個過程中，豆子會吸收熱能，並且膨脹到兩倍大，但由於在高溫之下水分子會從豆子蒸發，豆子的質量實際上會減少約15%。
經過一爆之後，咖啡豆因為太過乾燥而不再輕易吸收熱能。這時，所有的熱能都會用於將咖啡豆外的糖分焦糖化。換句話說，熱能會用在破壞蔗糖（糖）裡的鍵，讓糖變成更小（也更香）的分子。最淺的烘焙度──例如肉桂烘焙和新英格蘭式烘焙──都是加熱到剛過一爆，就會將咖啡豆從烘豆機中取出。
烘豆過程中還有二爆，不過會出現在更高的溫度。到達224°C（435°F）時，咖啡豆的結構不再完整，而且會開始塌陷。在這個階段，你通常可以聽到第二次的「爆破」。偏深的烘焙度通常是指任何加熱到超過二爆的豆子──例如法式和義大利式烘焙。一般而言，由於歷經的溫度較高，比較深焙的豆子中會有更多經過焦糖化的糖，比較淺焙的豆子則比較少焦糖化的部分。烘焙方法可以為咖啡風味帶來的變化簡直是超乎想像，但並不會真的影響咖啡在人體內的反應──改變的只有味道而已。
買到烘焙度恰到好處的咖啡豆之後，你就能在家親手執行接下來的化學反應了。你可以用平價的磨豆機把咖啡豆研磨成幾種不同的粗細度，這絕對會影響你早上喝的那杯咖啡是什麼味道。細小的咖啡粉有大量表面積，這表示很容易就能從超迷你的咖啡豆裡萃取出咖啡因（和其他風味）。話雖如此，這通常會導致過度萃取咖啡因，讓咖啡帶有苦味。
相對地，咖啡豆也可以研磨成比較粗的顆粒。在這種情況下，咖啡豆內部暴露的程度就比不上顆粒細小的咖啡粉，因此這種咖啡喝起來通常會偏酸──有時候甚至會有點鹹。不過，如果你用粗細恰到好處的咖啡粉搭配適合的沖泡方法，就能為自己端出世界上最可口的咖啡。
最單純（也最容易）的泡咖啡方法就是把極高溫的熱水倒入粗粒的咖啡粉，浸泡在水裡幾分鐘之後，就可以從容器取出液體。這個過程叫做煎煮，是利用熱水溶解咖啡豆中的分子。大多數近代的咖啡沖泡方法都可以算是不同版本的煎煮法，我們也是因此才能喝到溫熱的咖啡，而不必用力咀嚼烘焙過的豆子。然而，由於煎煮法沒有過濾的步驟，這種版本的咖啡──暱稱是牛仔咖啡──通常會含有咖啡豆漂浮物。基於這個原因，整體來說煎煮並不是很理想的沖泡方法。
對了，你有注意到我一直避免使用「煮」（boiling）這個字眼嗎？如果你打算要泡一杯還不錯的咖啡，就絕對要避免使用滾燙的熱水。事實上，理想的水溫大約是96°C（205°F），剛好低於沸點（100°C, 212°F）。在96°C，產生咖啡香氣的分子會開始溶解。不幸的是，一旦水溫高個4度，讓咖啡帶有苦味的分子也會開始溶解，這就是為什麼咖啡迷和咖啡師這麼執著於水溫。在我家，我們甚至有用可以指定任何水溫的電煮壺。
視你喜歡喝的咖啡濃度而定，你可能會偏好使用法式濾壓或其他浸泡式的方法。和牛仔咖啡一樣的是，這種方法也會將咖啡粉浸泡在熱水中，但使用的粉比較細（大概是「粗」與「特粗」之間的差別）。經過幾分鐘之後，要用活塞把所有的咖啡粉往下壓到壺的底部，這時候留在咖啡粉上方的液體就會是完全清澈而且美味可口的咖啡。由於這種沖泡法使用的是粗粒咖啡粉，會有比較多分子溶解在咖啡溶液中，呈現出比較濃郁的口味（相較於牛仔咖啡）。
還有另一種沖泡方式：從咖啡粉上方注入熱水之後，水會先吸收芳香族分子，再滴入咖啡杯。這個過程叫做滴濾式沖泡，可以用手操作或是利用高科技機器，像是過濾式咖啡壺。不過有時這種沖泡方法會使用冷水，所以產生香氣的芳香族分子（讓咖啡帶有獨特氣味的分子）就無法溶解於水，最終的成品叫做荷蘭式冰滴咖啡，這種飲品反而是在日本最受歡迎，而且沖泡時間長達兩小時。
壓力是最普遍的咖啡沖泡方法之一，發源於義大利，後來才成為幾乎每一間咖啡店的招牌。使用這種咖啡沖泡技術時，會利用壓力促使幾乎滾燙的水穿過細小的咖啡粉。其採用的咖啡粉有非常大量的表面積（相較於法式濾壓或牛仔咖啡沖泡時使用的咖啡粉），所以水可以溶解出明顯更多的分子。也因為如此，最後泡出的濃稠液體含有很多咖啡因。事實上，義式濃縮咖啡溶液含有的三甲黃嘌呤分子多到（120～170毫克）必須以比較小的杯子盛裝，來防止毫無戒心的顧客喝下過量咖啡因。