牛津通识读本：化学

作者简介

彼得·阿特金斯，牛津大学林肯学院研究员，英国著名化学家、化学教育家和科普作家。著有作品近70部，包括享誉世界的教材《物理化学》（已出版至第10版），以及《无机化学》《化学原理》《分子量子力学》等其他教材。此外，还撰写有多部科普图书，比如《伽利略的手指》《周期王国》《分子》《热力学定律入门》等。

内容简介

新世界 处于开发中的重要技术包括那些可直接研究少量原子和分子的技术，它们将取代通过观测大量样品来推知原子和分子行为的方法。化学家们想知道分子间相互作用与转变的亲密关系，而可以检测到单个分子的性质，或它们结合到一起发生反应——化学键松动、原子挣脱限制而重新排列——时的性质是化学（至少是物理化学）梦寐以求的圣杯。近些年来，我们可以观测水分子在飞秒（10-15秒，1/1 000 000 000 000 000秒）量级的时间尺度上的逐步变化，并且在将时间尺度缩小至阿秒（10-18秒，比之前快一千倍）方面取得了进展，在这一尺度上，即便是电子的运动也会定格，最终化学成了物理学。 当我们遇到微小的原子团时，有趣的问题和特殊的规则会发生作用。以水为例：最小的冰块有多大？研究表明，你至少需要275个水分子才能使分子团表现出类似冰的性质，大约475个水分子才会使分子团真正成为冰。这是一个立方体，每条边上有八个水分子。这类知识的重要性在于，它有助于我们模拟大气中云的形成过程，并理解液体如何凝固。 当研究低温下的一小组原子的时候，我们需要接受它们的行为由量子力学支配，并预料到它们会有不寻常的特性。所有物质，包括日常物质，都由量子力学支配，但是我们面对的是数量庞大的原子，因此即使是一小撮盐，其不寻常的特性也会被冲淡，我们只能感知到平均状态，即我们所熟知的普通物质的行为。这些人们开始制造出的具有新状态的物质可能对化学本身并不重要，但是也说不定：它们可能在存储数据、发展量子计算方面成为绝佳选择。 化学家们正为一个研究少量分子的新兴领域做出巨大贡献：纳米科学与纳米科技的世界。纳米系统（源于希腊文nanos, 小矮人）由直径大约为100纳米 （10-7米，1/10 000厘米）的实体组成，它处于单个分子（比它小1 000倍）与大块物质（比它大1 000倍）的中间区域。前沿领域总是令人着迷，这个介于大与小之间的概念前沿领域也不例外。纳米粒子（注意“纳米”这一前缀可以加到很多名词前面，未来将会更多）小到可以表现出量子效应，小到让人们对曾被当作完备理论的热力学感到困惑并重新审视它。 对物理化学家而言，这是一个成果丰硕的探索领域，他们可以构想、完善传统理论，从而用于这些未曾有过的非传统材料。在这一领域内，有机和无机化学家也有很多可贡献之处，尤其在制备纳米材料方面，因为研制出的有机和无机物质都可以用于纳米领域。制备过程可以“自上而下”，从宏观材料雕刻出纳米材料，就像雕塑师在大理石上雕刻；也可以“自下而上”，一砖一瓦地建造出纳米结构。后者尤其有趣，因为其建造通常以“自组装”形式进行。在这个不需要人工干预的过程中，分子被摇晃混合在一起，就会聚合成想要的纳米结构，就像我们曾经可能幻想过的，随便摇晃拼图碎片，它们就可以自动扣在一起而组成一幅图片，并不用麻烦地动手将它们拼在一起。 如今，纳米技术，即纳米材料的开发和应用，与纳米科学，即对它们的整体研究，在化学领域蔚然成风，这是理所当然的，因为纳米材料有远大的前景。所有研究机构都投入了这类研究。纳米材料的潜在应用领域横跨几个学科，并已成为众多实际应用的核心。例如，与传统硅太阳能电池相比，它们展现出更优的光捕获特性，已用于血糖传感器。由于担心有毒的镉元素可能不适于注射进人体内，所以人们已对用于血糖传感器的含镉材料进行了广泛研究；但最近在灵长类动物身上的实验结果减轻了这方面的忧虑。纳米棒、纳米线、纳米纤维、纳米晶须、纳米带及纳米管也都研制出来了，有望用于纳米机械与纳米计算机领域。 化学即将在计算微型化方面发挥重要作用。我们已见证了缩小计算机体积（以及降低能耗）产生的影响，从20世纪50年代可以填满整个房间的早期计算机演变为如今微型的、无处不在的、功能强大的计算机，还见证了它们给社会和日常生活带来的影响。这是由米到厘米尺度的转变，计算机的线性尺寸缩小了100倍，体积与重量减少了100万倍，从房间大小缩小到口袋大小，但计算能力却大幅提升了。若现今分子计算领域的发展取得成果，那么之前曾发生过的尺寸缩小、能力提升、社会影响力随之增大的情况就可以再现。 计算过程取决于两方面：存储与处理。存储在分子层面很容易实现，只要引起分子形状的改变，这种改变可被保留下来并且通过某种观测方式获取。例如，可以使某个分子弯曲成某种形状，对应数字1，也可以弯曲成另一种形状，对应数字0。如今，可以进行多种构象变化，例如一个环状分子滑向一个棒状分子的某一端并停留在那里。处理更加困难，但核心就是从特定的输入得到特定的输出。化学是以化学反应的形式从输入得到输出，包括两种试剂相遇而产生光。 自然在研发DNA的时候就已经解决了数据存储问题，也已经进化出提取这些信息并将其转化为有机体的方法。我们的记忆在大脑中以未知的方式进行化学编码，提供了一个巨大却又脆弱且存储不完善的数据库。DNA分子被用于进行简单的算数运算，如果它们遇到了一个破损的蛋白质分子，就会“决定”采取必要的治疗方式。培养计算机而非制造计算器仍是科学幻想，但是有迹象表明这一幻想即将成为现实。 彼得·阿特金斯是英国知名的化学家、化学教育家、科普作家，他编写的化学教材为多国采用，他的科普书《伽利略的手指》《周期王国》等已引介到国内，广受读者好评。本书回顾了化学的历史，包括起源、范畴、细分学科；通过介绍原子、分子等基本粒子，讲解了化学反应的原理和分类；以生动的例子，展现化学在衣食住行、工农业、高新科技方面的应用。本书破除了人们对化学难以理解的错误印象，引导读者从常见的现象和事件中发现化学的趣味，感受化学对尖端技术和人类文化生活的重要贡献。