第一章
起源、范圍和組成

貪婪。貪婪使人類踏上了一段令現(xiàn)今所有人都感慨萬千的非凡旅程。在這里，我所說的貪婪是指對長生不老的追尋與對無盡財(cái)富的獲取。得到它們的假定途徑就是操縱物質(zhì)來獲取可以治療病痛、實(shí)現(xiàn)長生不老的萬靈藥，還有能把類似金的東西（或是顏色相近，像尿液和沙子；或是重量相近，像鉛）變成金的秘方。盡管這兩個(gè)目的都未曾實(shí)現(xiàn)過，但是煉金術(shù)士無休無盡的試驗(yàn)讓他們對這些物質(zhì)有了相當(dāng)多的了解，同時(shí)也提供了某種（常常是名副其實(shí)的）“混合肥料”，使得一門真正的科學(xué)—化學(xué)—從中誕生。

天平是使得煉金術(shù)轉(zhuǎn)向化學(xué)的重要儀器。精確稱量物體的能力賦予了人類把數(shù)字聯(lián)系到物質(zhì)上的潛能。這一成就的重要性不該被忽視，因?yàn)榭梢园芽諝狻⑺⒔?，以及其他各種物質(zhì)與有實(shí)際意義的數(shù)字聯(lián)系起來確實(shí)是一件非同尋常的事。就這樣，通過附加數(shù)值，自然科學(xué)領(lǐng)域引入了對物質(zhì)及其可發(fā)生的變化的研究（現(xiàn)今化學(xué)的研究范圍），在其中，定性的概念可以被量化，且可以接受包括與闡述這些概念的理論的嚴(yán)格檢驗(yàn)。

在物質(zhì)從一種化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N前后對其進(jìn)行稱量，從而得出了化學(xué)中所有的解釋所依據(jù)的一個(gè)重要概念：原子。自從古希臘人在沒有任何證據(jù)的情況下推測出世界上存在某種最終不可分割的微粒開始，“原子”的概念已毫無根據(jù)地在人類的意識中漂浮了兩千多年。約翰·道爾頓（1766—1844）的實(shí)驗(yàn)證實(shí)他們的推測是有科學(xué)依據(jù)的，他通過對化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)前后的質(zhì)量進(jìn)行分析而得出了結(jié)論：物質(zhì)的基本組成要素是化學(xué)元素，它們是由不可改變的原子組成的，隨著一種化學(xué)物質(zhì)變成另一種，原子那種不可改變的行為方式可以通過簡易的稱重法記錄下來。

現(xiàn)今，原子成了化學(xué)的貨幣?；旧匣瘜W(xué)中的每個(gè)解釋都會涉及它們，它們或是單個(gè)存在，或是以我們所說的分子的形式組合在一起。原子是所有物質(zhì)的組成部分：你可以看到、摸到的每樣?xùn)|西都由原子構(gòu)成。盡管它們很小，但是說用肉眼看不到它們就完全錯(cuò)了?？匆豢脴洌阍诳春芏嘣??？匆话岩巫樱阍诳春芏嘣??？催@頁紙，你在看很多原子（即便這一頁是在顯示屏上顯示的）。摸你自己的臉，你在觸摸很多原子。摸一塊面料，你在觸摸很多原子。當(dāng)然，單個(gè)原子是小到看不見的，但是物質(zhì)是由成群的原子構(gòu)成的，我們可以用肉眼看見這些成群的原子以化學(xué)物質(zhì)的形式圍繞著我們。然而在之后的第五章中，我會解釋如今化學(xué)家們?nèi)绾慰梢钥吹缴踔?span id="o6hx94x" class="bold">單個(gè)原子的圖像。

一共有一百余種不同類型的原子。至于“類型”是什么意思，我將在第二章中解釋，屆時(shí)我們將探究原子的內(nèi)部并辨認(rèn)使不同類型的原子有所區(qū)別的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。每一種不同的原子類型對應(yīng)著一個(gè)不同的化學(xué)元素。所以，就像有氫、碳、鐵等元素一樣，也有氫原子、碳原子、鐵原子等，直至最近在2013年發(fā)現(xiàn)的元素，它是完全無實(shí)際用途且只能極短暫存在的114號元素。（準(zhǔn)確地說：它是116號元素，但是它前面的兩個(gè)元素仍有待發(fā)現(xiàn)。）化學(xué)中的核心觀點(diǎn)就是，當(dāng)一種化學(xué)物質(zhì)變成另一種的時(shí)候，原子自身不會發(fā)生改變：它們只會交換伙伴或形成新的排列方式?；瘜W(xué)就像婚姻的分與合。

盡管“原子”意味著不可分割，但事實(shí)上是可以分割的。即使憑空猜想也可以得出這一結(jié)論，因?yàn)椴煌愋驮拥拇嬖诰鸵馕吨鼈儞碛胁煌慕Y(jié)構(gòu)，所以借由充足的想象力就可以把原子炸開并確定組成原子的所謂亞原子粒子。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這個(gè)猜想，我們將會在第二章中看到原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而了解它們不同特性的起源。在這一方面，化學(xué)極度依賴物理學(xué)，因?yàn)槲锢韺W(xué)家闡明了原子的結(jié)構(gòu)，化學(xué)家進(jìn)而利用這些知識來理解由它們構(gòu)成的分子和它們發(fā)生的反應(yīng)。

上一句話暗示了化學(xué)的范圍。它意味著需要引入物理學(xué)的概念才能理解化學(xué)。誠然，化學(xué)大量吸收了物理學(xué)家提出的諸多概念（作為回報(bào)，我們化學(xué)家為他們提供了研究用的物質(zhì)）。在所有這些相互借鑒中，有兩個(gè)極其重要的引入概念，其一與單個(gè)原子及其亞原子組成部分的特性相關(guān)，其二與可感知到的大的物質(zhì)（例如一罐水或一塊鐵）相關(guān)。用更專業(yè)的話說，它們分別是微觀世界和宏觀世界。

量子力學(xué)是由物理學(xué)引入的一個(gè)重要概念，用于解釋單個(gè)原子和分子的微觀世界性質(zhì)。盡管許多化學(xué)知識都是在19世紀(jì)發(fā)展起來的，但是我們并不理解為什么一些事情會發(fā)生，而另一些不會。在那時(shí)，艾薩克·牛頓的“經(jīng)典力學(xué)”，即用于解釋物體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)演算，有至高無上的地位，因?yàn)樗绱顺晒Φ亟忉屃诵行堑能壍篮托∏虻娘w行軌跡，人們由此產(chǎn)生了這樣的預(yù)期：當(dāng)行星和小球被簡化為原子的時(shí)候，就可以找到對化學(xué)的解釋，這樣牛頓力學(xué)領(lǐng)域也將涵蓋化學(xué)。牛頓對煉金術(shù)的徒勞關(guān)注可能表明他也是如此想的。然而，在19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，人們發(fā)現(xiàn)，將行星和小球簡化為原子的做法讓經(jīng)典力學(xué)一敗涂地：即便是牛頓力學(xué)中的基礎(chǔ)概念，在被應(yīng)用于原子及其組成部分的時(shí)候，也會面臨土崩瓦解。這就是盲目使用外推法的危險(xiǎn)之處。

于是，在20世紀(jì)初，1927年前后，一種新的力學(xué)誕生了，它被證實(shí)可極為成功地解釋原子與亞原子粒子的特性。直至今天，在預(yù)測能力與數(shù)值精度方面，量子力學(xué)理論仍未被超越。盡管在很大程度上這一理論仍難以理解，不得不承認(rèn)這是一個(gè)令人煩惱的瑕疵，但是我會在合適的時(shí)機(jī)盡力提煉出為了理解原子的行為，從而進(jìn)一步理解整個(gè)化學(xué)所需要知道的知識。我們將會看到，當(dāng)化學(xué)家攪拌、煮沸液體的時(shí)候，他們其實(shí)是在誘使原子按照量子力學(xué)的奇怪規(guī)則行事。

另一個(gè)由物理學(xué)引入的重要概念是熱力學(xué)，它用于解釋宏觀世界中大的物質(zhì)的特性。熱力學(xué)是研究能量及其轉(zhuǎn)化的科學(xué)。它的出現(xiàn)的一個(gè)很重要的原因在于維多利亞時(shí)代對蒸汽機(jī)的依賴，它推動(dòng)社會在字面意義上前進(jìn)也在經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)步，但它很快就成了構(gòu)成化學(xué)的一個(gè)重要部分。我們這門學(xué)科的物質(zhì)基礎(chǔ)是原子，但它們所發(fā)生的變化受制于能量的控制與驅(qū)動(dòng)。我們將會看到，能量不僅在燃料燃燒的時(shí)候被釋放出來（這是能量參與化學(xué)反應(yīng)的一個(gè)明顯、有用卻原始的方式），它還支配著原子的一般行為，例如原子可以形成怎樣的結(jié)構(gòu)、原子可以發(fā)生怎樣的組織變化，以及這些變化可以以怎樣的速率發(fā)生。能量還會以一種微妙的方式成為化學(xué)反應(yīng)的推動(dòng)力，因?yàn)榉磻?yīng)是在能量的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行的，我將會在第三章中對此進(jìn)行詳述。因?yàn)槟芰颗c化學(xué)的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，所以盡管熱力學(xué)發(fā)源于工程學(xué)，它卻在化學(xué)中起著很重要的作用，這就不足為奇了。

化學(xué)向下深入物理學(xué)尋求解釋（還通過物理學(xué)向下深入數(shù)學(xué)尋求量化表述），向上延伸至生物學(xué)實(shí)現(xiàn)不計(jì)其數(shù)的非凡應(yīng)用。這并不意外，因?yàn)樯飳W(xué)只不過是化學(xué)的延伸。這種論調(diào)可能類似于宣稱社會學(xué)是粒子物理學(xué)的延伸，在生物學(xué)家對此表示不滿之前，請?jiān)试S我詳加解釋。有機(jī)體由原子與分子構(gòu)成，這些結(jié)構(gòu)可以用化學(xué)解釋。有機(jī)體發(fā)揮功能，即存活，是通過體內(nèi)復(fù)雜的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的，這些反應(yīng)可以用化學(xué)解釋。有機(jī)體利用分子結(jié)構(gòu)與化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行繁殖，這些同樣都是化學(xué)的一部分。有機(jī)體通過改變分子結(jié)構(gòu)的方式，比如通過嗅覺和視覺，對它們所處的環(huán)境做出反應(yīng)，所以這些反應(yīng)（我們所擁有的全部五種感官）都是化學(xué)的延伸。即使像物種進(jìn)化與物種起源這類超宏觀現(xiàn)象，也可當(dāng)作熱力學(xué)第二定律鬼斧神工般的作品，因此也算化學(xué)的一個(gè)方面。一些有機(jī)體可以思考世界的本質(zhì)，我主要指人類，而作為這些思考的基礎(chǔ)和表現(xiàn)形式的心理過程正是來源于復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。所以，生物學(xué)確是化學(xué)的延伸。不管我真正的想法如何，我并不想將這種看法強(qiáng)加給他人—一切令生物學(xué)家感興趣的東西，例如動(dòng)物的一般行為，也只是化學(xué)的延伸，我限于認(rèn)為所有有機(jī)體的結(jié)構(gòu)、反應(yīng)以及生理過程都是化學(xué)的。因此，化學(xué)滲透生物學(xué)領(lǐng)域，為我們對有機(jī)體的理解做出了不可估量的貢獻(xiàn)。

我們?nèi)祟愂巧鐣饬x上精巧的有機(jī)體，可以建造東西。我們可以制造人工制品。我們可以開采地下的礦石、抽取深海中的液體，還可以收集天空中的氣體，并致力于將所有這些原材料轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀冃枰娜魏螙|西?；瘜W(xué)的一個(gè)方面就是將這些原材料轉(zhuǎn)變成可鑄造、鍛造、紡織、黏合、食用或僅可燃燒的物質(zhì)。盡管化學(xué)家們可以靠邊站，讓鑄造工來鑄造、鍛造工來鍛打、塑形工來塑形，總的來說，就是讓制造工來制造，從而創(chuàng)造出最終的人工制品，但正是化學(xué)家們提供了原材料，提供了現(xiàn)代科技社會的基礎(chǔ)設(shè)施，從而為世界經(jīng)濟(jì)及個(gè)人與國家的風(fēng)貌做出了巨大貢獻(xiàn)。

就像我在前言中強(qiáng)調(diào)過的那樣，在這所有光輝之下也存在黑斑與污點(diǎn)。化學(xué)誠然賦予了人類殘害與殺戮的能力，在這本關(guān)于化學(xué)是什么的小書中，我們不應(yīng)無視它供應(yīng)的炸藥、神經(jīng)毒氣以及它對我們脆弱的環(huán)境無心或故意地施加的壓力。我會在后面的內(nèi)容中直面這些問題，但在此—為了強(qiáng)調(diào)個(gè)人評判的重要性—我想請你暫且忽略化學(xué)對現(xiàn)代世界的所有貢獻(xiàn)，這會將你帶回痛苦的、危險(xiǎn)的、不舒適的、精神受壓抑的石器時(shí)代，然后請你思考此時(shí)此刻的黑暗是否遮掩了光明。