化学是什么(電子書)

前 言

《化學是什麼》作為"未名·自然科學是什麼"叢書中的一本，於2011年出版以來，經歷7年，多次印刷，得到讀者的廣泛關注和厚愛。北京大學出版社將這套叢書按精裝書出版，我借此機會進行修改增補作為第2版。本書繼承第1版的宗旨，將它作為一本科普作品，不要求像教科書那樣追求它的學術理論深度和知識的系統完整來闡述，而是以科學為大眾的理念，在浩若大海的化學科學知識寶庫中，擷取幾朵浪花，讓它在有限的篇幅中走進大眾生活，使讀者從化學知識中得益，能更科學、更明白、更健康地生活，能正確地看待周邊關係到化學的一些問題，認識化學在社會發展中的重要作用，了解化學在促進人類健康、提高生活質量上的貢獻，從而提高對化學知識的興趣。

和書名的直觀要求不同，本書對一些問題除了提供參考答案外，更多的是通過現實生活中遇到的背景材料，啟迪讀者對問題的思考，像一把金鑰匙開啟化學知識寶庫。

化學與人類的發展有著非常深厚的淵源。化學和人類的生活產生密切的聯系，人們的衣、食、住、行處處都離不開化學。

利用化學的知識和技術，生產化肥和農藥，促進農作物的豐收，在20世紀人口倍增的情況下，糧食供應充足，化學立了大功。

利用化工冶金煉制鋼鐵；合理配料，燒制水泥、玻璃和磚瓦，興建廣廈億萬間；以各種美觀實用的裝飾和現代材料修整出隔熱、隔音、防潮和防腐的舒適住房，化學提供了物質基礎。

開采石油，煉制質量優良的油品；制作輕質材料用於飛機、車船，讓人們快速地在海陸空中通行，其中的動力、設備、儀表，甚至每個螺釘和焊接技術都包含著化學科學的貢獻。

新世紀，信息工業是社會經濟發展最快速的部門，它改變了人們的生活面貌。手機隨身帶，隨時和遠隔千萬裡的親朋好友通話。在舒適的家裡，通過彩色電視收看國內外的風光和發生的大事等。從電器設備內部的芯片、顯示屏到外殼，每個部件所用的材料都是化學和有關科技結合的結晶。

人們穿的衣服，從紡織纖維的制造和處理，到各種色彩鮮艷花布的印染，許多環節化學起了關鍵作用。

化學和醫學結合，研制和使用藥物醫治疾病，提高了人類的健康水平，延長了人類的壽命。

化學在理論上和技術上正以前所未有的速度向新領域擴展。不同學科間的交叉、滲透不斷深入。人們在如何建設可持續發展的和諧社會時，日益關注思考化學的科學原理和知識，探索先進的技術和方法，解決環境、材料、能源、信息和生命科學等熱點問題。

然而在社會的發展進程中，人們享受著化學科學發展成果的同時，對化學也有著種種責難、疏遠和反對。

上天賜給人類的煤、石油和天然氣開采出來，通過燃燒的化學反應，自然資源日益減少，經過若幹年資源枯竭，我們的子孫後代，日子怎麼過？瓦斯爆炸、油庫燃燒、煤氣中毒，都是化學品在作祟，怎樣遠離易燃易爆物品和化學品？

2010年夏天，北半球天氣反常炎熱，俄羅斯森林大火損失慘重，巴基斯坦水災以及我國長江和松花江洪澇災害，造成巨大的經濟損失和人員傷亡。可是南半球天氣卻冷得出奇。反常天氣的出現，有人說主要是太陽黑子頻繁活動造成，也有人說是大氣中過量的二氧化碳所致。太陽是天上的東西，人們無力去制止，便將更多目光關注到化石能源的氧化燃燒反應，責難中國這個用煤大國產生大量的二氧化碳。

一些化學品的發明和使用，導致環境的污染和人們健康的危害。有些不法分子把蘇丹紅添加到雞鴨飼料中做紅心蛋，在牛奶中添加三聚氰胺提高奶制品的含氮量。這些信息一曝光，化學品的名聲大受損害。遠離化學品和化學，親近"綠色的"和"天然的"成了時尚。

2015年8月12日，位於天津港濱海新區的倉庫發生化學物品大爆炸，造成大量人員傷亡和巨大的物資損失。這起事故的發生多麼令人痛心。究其原因是由於從事相關工作的各級領導幹部、技術人員以及具體操作的工人，沒有學好化學，缺乏有關化學的基礎知識，不理解制定的法規是根據化學科學安全生產必須要遵循的道理，而沒有嚴格地貫徹落實，玩忽職守。普及化學知識多麼重要！

對化學科學知識的缺乏，居然導致在電視廣告中出現呼喊"我們恨化學"！2015年10月，我寫了一百多字的公開告狀信，"狀告"CCTV8登載"我們恨化學"的廣告，在互聯網上發表。幾天之內公開告狀信得到國內外數以百萬計的網友們的點讚，國內數十家省市級報刊發表專題評論文章，呼吁重視化學科學，反對將化學妖魔化。中國科協於年終舉辦"科普中國--點讚：2015年中國十大科普傳播事件"，將"我們恨化學"轉變為我們要重視化學、熱愛化學。化學科學的發展日益得到人們的關注和支持。

化學是什麼？從事化學工作的人需要深入地、正確地理解，還應當帶動不從事化學工作的人們對化學有正確的了解，用化學科學觀點來看周圍世界，增強對化學的認識，促進全面地看待自然規律，提高科學知識的素養。利用化學科學知識，變害為利，變廢為寶，促進工農業的發展，建設美麗舒適的環境，提高人們的健康生活水平，這正是化學科學的內容、化學教育的職責，也是作者寫作本書的初衷。

作者寫作時所選的內容盡可能地取材於新世紀社會和科技發展中涉及的化學問題，提供給大專院校化學和化工專業的師生、中學化學老師、高中生和廣大科普愛好者作化學的科普讀物和"化學"課的參考教材。

感謝康寧教授為修改本版的內容提供許多寶貴資料和寶貴意見。

感謝方守獅教授的推薦和《自然雜志》沈美芳等編輯，

將本書第1版的主要內容，連續發表在該期刊2011年第33卷第5期到2012年第34卷第2期中，推薦給廣大讀者。

感謝北京大學出版社楊書瀾和魏冬峰、鄭月娥等編輯的策劃和細致的編輯加工。

前言 / 001


第1章化學名稱的由來和含義 / 00

11 化學名稱的由來 / 00

12 “化學”的含義 / 00


第2章化學是研究原子和分子
的科學 / 00

21 化學的研究物件 / 0

22 原子和元素 / 0

221 原子、元素和同位素 / 0

2.2.2 原子量 / 0

23 元素周期表 / 0

231 元素周期表的建立和發展 / 0

2.3.2 周期表中周期的劃分 / 0

2.3.3 元素的分族和分區 / 0

24 分子和化合物 / 0

241 分子和化合物的含義 / 0

2.4.2 高分子 / 0

2.4.3 超分子 / 0

25 太陽和地球中的原子和分子 / 0


第3章化學是社會發展的推動者 / 0


31 用火的化學活動產生了人 / 0

32 早期的化學活動和社會的發展 / 0

321 燒制陶瓷 / 0

322 冶煉金屬 / 0

323 煉丹 / 0

3.2.4 發明黑火藥 / 0

325 化學變化的樸素觀點 / 0

33 近代化學和社會的發展 / 0

331 拉瓦錫的燃燒理論及其他成就 / 0

332 道爾頓原子學說和新元素的發現 / 0

333 阿伏加德羅分子論和微觀世界 / 0

334 尿素和有機物的人工合成 / 0

34 20世紀的化學推動社會迅猛發展 / 0

341 合成氨和化學肥料的發展 / 0

342 高分子材料的發展 / 0

343 核化學和放射化學的發展 / 0

344 深入認識物質的微觀世界 / 0

345 對生命物質的認識 / 0


第4章什麼的化學和化學的什麼 / 0


003
004

41 什麼的化學 / 0

4.1.1 無機化學 / 0

412 有機化學 / 0

413 分析化學 / 0

414 物理化學 / 0

415 生物化學 / 0

416 水的化學 / 0

42 化學的什麼 / 0

421 化學物質及常用名稱 / 0

422 化學鍵 / 0

423 化學武器 /

424 化學治療 /

425 化學家和化學工程師 /





第5章化學是能源的開拓者 /


5.1 能源和化學 /

52 石油 /

521 石油工業發展概況 /

522 石油100年都用不完 /

523 留著石油作化工原料 /

53 煤 /

54 天然氣 /

55 太陽能 /

56 氫能及其他可再生能源 /

561 氫能 /

562 生物質能和沼氣 /

563 醇能 /

57 核能 /


第6章化學是材料的研制者 /

61 金屬材料 /

611 鋼鐵 /

612 鋁材 /

613 鈦合金 /

62 合成高分子材料 /

621 概況 /

622 化學纖維 /

6.2.3 高分子薄膜材料 /

6.2.4 醫用高分子材料 /

6.3 玻璃和陶瓷 /

6.3.1 玻璃 /

632 陶瓷 /

6.4 電子信息材料 /

6.4.1 單晶硅 /

6.4.2 液晶 /

6.5 碳納米材料的化學 /

6.5.1 單質碳簡介 /

6.5.2 納米金剛石材料 /

6.5.3 石墨烯材料 /


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第7章化學是環境的保護者 /

7.1 環境和化學 /

7.1.1 環境化學 /

7.1.2 社會發展和環境問題 /

7.1.3 綠色化學 /

7.2 水的污染和治理 /

7.2.1 水體的污染 /

7.2.2 水的治理 /





7.3 氣候變暖和低碳化學 /

7.3.1 地球氣候變暖的原因 /

7.3.2 氣候變暖對環境生態的影響 /

7.3.3 實現低碳化學，緩和氣候變暖 /

7.4 大氣化學 /

7.4.1 大氣圈概況 /

7.4.2 臭氧層的破壞和挽救 /

7.4.3 大氣污染物和PM2.5 /

7.4.4 酸雨 /


第8章化學是美好生活的創建者 /


8.1 化學為人類提供健康的飲食 /

8.1.1 食物的營養素 /

8.1.2 糖類 /

8.1.3 蛋白質 /

8.1.4 脂類 /

8.2 維生素 /

8.2.1 維生素概述 /

8.2.2 維生素A /

8.2.3 B族維生素 /

8.2.4 維生素C /

8.2.5 維生素D /

8.2.6 維生素E /

8.2.7 維生素K /


007
008


8.3 藥物化學的研究使人延年益壽 /

8.3.1 我國中醫藥的巨大成就 /

8.3.2 從柳樹葉到阿司匹林 /

8.3.3 青蒿素的化學改性惠及億萬瘧疾
患者 /

8.3.4 石膏藥物作用的討論 /

8.3.5 化學合成藥物增進人類健康 /

8.3.6 中國藥物化學家的重任 /

8.4 生活中的化學元素問題 /

8.4.1 人體中的化學元素 /

8.4.2 食鹽加碘，解除病痛，增進智力 /

8.4.3 三鹿奶粉摻三聚氰胺事件 /


8.4.4 酸性食品和堿性食品 /

8.4.5 缺鈣和補鈣 /

8.4.6 茶葉和茶葉蛋 /



第9章化學是自然科學的探索者 /



9.1 開拓新創意和新思想 /

9.2 揭開生命的奧秘 /

9.2.1 化學對生命的認識 /

9.2.2 “化學是什麼”和“生命是什麼”的
關聯 /

9.2.3 測定細胞中蛋白質的原位結構 /

9.2.4 化學合成生物學 /

9.3 水在大腦記憶功能中的作用 /

9.4 研究宇宙的演變 /

9.4.1 人們對宇宙的認識 /

9.4.2 宇宙創生大爆炸理論可信否 /

9.5 開拓可持續發展的研究 /


參考文獻 /






第1版後記 /


索引 /

20世紀的化學推動社會迅猛發展

20世紀的100年間，科學技術迅猛發展，人類對物質的需求大幅度地增加。在社會發展的推動和化學學科先進理論指導下，化學出現了許多重大的突破性進展，它和其他各個學科一起，深入到社會的各個領域，為人類創造了豐富的物質財富，增進人們的健康水平，形成了嶄新的社會面貌，也使人們對物質世界的認識深入了一大步。

本節通過幾方面的實例，實際地理解化學是什麼，以及它在社會發展中的作用。而更全面的情況則在後續幾章中介紹。

341 合成氨和化學肥料的發展

1909年德國化學家哈柏(F.Haber, 1868—1934)用鋨作催化劑，成功地在高溫高壓下將惰性很大的氮氣和氫氣化合成氨氣。

N2+3H22NH3

哈柏因此獲得1918年諾貝爾化學獎。

德國人博施(C.Bosch，1874—1940)在哈柏的基礎上深入研究。他先後試用2500多種不同的催化劑配方，經過6500多次試驗，找到性能很好而又廉價的鐵催化劑，實現合成氨的大規模的工業化生產，並促進農業生產的發展。博施因合成氨的生產而獲得1931年諾貝爾化學獎。

20世紀後半葉，許多化學家看到由於合成氨等催化工業產品的需要量大增，思考著深入地、精確地了解它們的反應機理的必要性，使之進一步提高生產水平。其中德國化學家埃特爾(G.Ertl，1936—）是杰出的代表人物，他對表面化學進行深入研究，其中也包含闡明合成氨反應過程是由7個步驟構成。他的這些成就使他獲得了2007年諾貝爾化學獎。

不同時代的三位大師認真地對合成氨的化學進行研究，促進化學科學的發展，造福人民，分別都獲得了諾貝爾化學獎。化學是一種永無止境的科學。

氨氣除了用來制造氨水、碳酸氫銨、硫酸銨、尿素等化學肥料外，還是其他許多化工產品的原料，用以生產硝酸、硝酸銨、氯化銨、硝化甘油、三硝基甲苯、硝化纖維、己內酰胺和己二胺等數目眾多的化學品。

1. 合成氨奠定了現代農業化肥的基礎

化肥是指在農業上用作肥料的化學制品。基本的化肥是含氮、磷、鉀三種營養元素的肥料。

(1) 氮肥。主要有促進作物的莖葉繁茂、分蘗增多、籽實飽滿，提高產量和蛋白質含量等作用。以合成氨為基礎，進一步生產出尿素、硫酸銨、硝酸

銨、氯化銨、碳酸氫銨、氨水等。

(2) 磷肥。促進作物分蘗、早熟，增加抗寒能力以及提高作物的產量和質量。大部分是以磷灰石礦物為原料，或磨細直接作肥料，或和硫酸等反應形成水溶性較高的過磷酸鈣和其他磷酸鹽作肥料，還可以用鳥糞、骨粉或工業生產中含磷的副產品進行加工。

(3) 鉀肥。促進作物生長過程中糖類化合物的合成和轉化，增進作物健康生長、抗病蟲害、抗倒伏，增加氮肥的

效果等。主要從含鉀的礦石或從含鉀的鹽湖中提取氯化鉀。

隨著科學的發展，化肥的內容和概念也得到新的發展。第一，植物的營

養元素還應包括鎂、鈣、硫、硼、鋅、錳、銅、鉬、鐵以及其他微量稀土元素，化肥的化學成分大為擴展。鎂是葉綠素的基本元素，是促進植物進行光合作用的催化元素。硫是蛋白質的組成部分，對植物的生長發育有重要影響。鋅是多種酶的組成成分，參與葉綠素和生長素的合成，促進核酸和蛋白質的合成。錳能刺激植物根部生長固氮根瘤，促進豆科植物的增產。鐵是一些酶的組成成分，在氧化還原中起重要作用，如抗樹葉發黃等。第二，施肥的方式有葉面施肥等根外施肥的方法，以及無土栽培技術為作物生長配營養餐。第三，隨著無公害綠色食品的發展，要求食品中的有害元素和化合物降低到衛生食品的要求。化肥的品種和質量以及對土壤中有害物質的處

理，成為研究化肥的重要內容。

農用肥料除化肥外還有大量的有機肥料，它是指動植物的殘骸、人畜和家禽的糞便以及其他有機廢棄物等。它的來源有農作物秸桿還田、廄肥、堆肥、有機物灰燼、沼氣池肥、綠肥、飼養場和屠宰場廢棄物。正確使用有機肥料既有為農作物提供營養和改良土壤的雙重作用，也利於改善環境。對這類肥料又稱為綠色肥料。使用有機肥料需要化學知識的指導，幫助了解施肥的物件和方法。例如草木灰富含鉀元素，是堿性物質，草木灰和碳酸氫銨不宜混合在一起同時施用，以免氮肥流失。對有機肥料要進行化學成分分析和生化分析，並根據情況進行處理，以免毒物和細菌等有害物質傷害人體和進入農產品。

當化肥源源不斷地施放到田間，植物生長得到物質保證。加上農用殺蟲劑及一系列農藥的使用，農業得到欣欣向榮的發展，世界糧食的產量成倍地增長。第二次世界大戰後半個多世紀，世界糧食產量翻了兩番，糧食生產量的增長率在這期間始終高於人口出生率，人類從整體上脫離了饑餓的威脅。

2. 和化學肥料發展的同時，化學和生物學一起研究農用殺蟲劑和農藥並獲得迅速的發展

農用殺蟲劑和農藥常有它的兩面性：一方面在防治害蟲上有很好的效果；另一方面殘留在農產品和土壤中的農藥影響產品的質量，影響人們的健康。農業化學家要不斷地對現有的農藥進行篩選，防止和控制使用農藥帶來的負面影響；開展低毒高效農藥的研究，替代高毒性農藥；還要普及安全使用農藥的方法及限用措施，特別控制使用在直接吃喝的果品、蔬菜和茶葉等農產品的生產過程中。

化學是什麼？化學是促進農業豐收，是解決“民以食為天”問題的大功臣。

342 高分子材料的發展

20世紀，由於高分子化學的發展形成了三大合成材料工業：塑料、纖維和橡膠。它們以酚醛塑料、尼龍66纖維和氯丁橡膠為開端，發展迅速、應用面廣，人們的衣、食、住、行以及日常生活用的各種物品均離不開高分子材料。到20世紀末，世界塑料和樹脂的年產量超過1億噸，人造纖維超過2000萬噸，橡膠超過1000萬噸。年產高分子材料的總體積已超過全部金屬的總和。20世紀被稱為高分子時代。下面分別對塑料、橡膠、纖維和塗料加以簡單介紹。

1. 塑料

塑料是以合成的高分子化合物為基礎，加入輔助劑，如增塑劑、填料、穩定劑、潤滑劑等制得。有的塑料產量大、用途廣、價格低廉，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等，大量地用在塑料購物袋、包裝袋、農用塑料薄膜、家具、日常用品等各個方面。另外一些塑料，如聚酰胺、聚甲醛、聚苯醚和聚碳酸酯等，是通過共聚、填充、增強和合金化等途徑提高其應用性能，使它耐磨、耐壓和耐拉，能耐較寬的溫度變化範圍，能在苛刻的環境條件下長期地使用，以適應工業部門發展的需要，如飛機、汽車、火車、輪船等新型交通工具的發展，計算機等信息產業，化工和製藥設備的更新等。有些特殊的需要，如2008年北京奧運會主遊泳館“水立方”即是一個大型的塑料制品。

2. 橡膠

橡膠是一類線型柔性高分子化合物。其分子鏈的柔性好，在外力作用下可產生較大形變，除去外力後能迅速恢復原狀。順丁橡膠、丁苯橡膠、氯丁橡膠等通常用來制造輪胎及其他常用彈性制品。而具有特殊性能，如耐寒、耐熱、耐油和耐臭等的特種橡膠(如硅橡膠、氟橡膠、聚氨酯橡膠等)也已根據需要研制開發。