化學的分支

化學的范圍如此廣，如若不設置某種框架，那么我對它的介紹以及這門學科本身就會像一頭沒有脊椎的鯨魚一樣沒有方向地翻來滾去。化學家們摸索到了一種框架，便于他們開展研究工作，組建志趣相投的團體，還可以像獨自制定政策、發展經濟的國家那樣制定他們的程序。有別于大多數國家，這里的邊界是模糊的，通常在兩個領域的重疊處會取得驚人的進展。尤其是當學科像目前的化學一樣成熟，每個活動領域都被仔細探索過時，靈感可能會如同在藝術領域內一樣，出現在肥沃的重疊邊界上以及化學與其他學科重疊的前沿領域中，從而取得豐碩的成果。

為了我們的目的，即在本書中了解化學的總體結構，我們需要了解化學的不同分支并大致了解它們所關注的問題。化學的這些分支仍遍布于大學的科系、課程，以及報道新發現的期刊中，所以對它們的介紹仍是化學入門手冊的重要組成部分。但請留意：不管是智識的還是科系的，邊界正在消解。

化學最廣泛、最重要、最傳統的，如今仍被廣泛使用的分類方法是分為物理化學、有機化學和無機化學三個分支。

物理化學處于物理學和化學的交界處（它的名字由此而來），它研究化學原理，就像我們之前提到的，它主要包括解釋原子、分子結構的量子力學和評估能量的作用、利用的熱力學。它還關注宏觀和微觀層面上反應發生的速率。在后一研究中，物理化學追蹤單個分子在反應過程中分開、隨后重組成不同化學物質的親密生活。物理化學的一項主要活動就是解釋研究方法，尤其是“光譜學”。

我們將在第五章中了解到，光譜學使用各種光將分子內部的信息呈現到觀測者眼中，越來越多的是合成眼中。為了解釋由這些極其復雜的方法獲得的數據，物理化學家必須拿出他們的所有法寶，尤其是量子力學。事實上，在這一領域內，化學家和物理學家的工作沒有明確的界限，以至于對某些使用接近物理學家的方式研究單個分子行為的科學家而言，物理化學這一名稱常被稱為化學物理學。

有機化學是有關碳化合物的化學。一個元素可支配一整個化學分支的事實證實了，看似普通的碳卻本領非凡。元素周期表是化學家使用的有關元素化學性質的圖表，碳處于元素周期表的中間點，在很大程度上，它并不會選擇與其他元素形成化學聯系。值得一提的是，它滿足于與自身結合。鑒于碳這一不溫不火的特性，它可以形成復雜得令人驚嘆的鏈與環。有機體之所以具有生命，正是因為有了這令人驚嘆的復雜性，所以碳化合物是生命的結構與反應方面的基礎設施。如今數百萬的碳化合物涉及極其廣泛的領域，以至于不出意料地，為了能對它們進行研究而發展出了一整個化學分支，并發展出了特殊的研究方法、命名法體系以及看法。

為什么被稱為“有機”？這是因為碳元素造就了分子的復雜性（除了幾個例外，比如簡單的二氧化碳分子），以至于我們起初認為只有大自然才能形成它們。換而言之，依據“活力論者”的觀點，它們是有機體的產物。活力論的終結起始于1828年，當時有研究證實，一種簡單的無機礦物可轉化為具有“有機”特征的化合物（即尿素）。即便爭論激烈地持續了一段時間，但從那時起，有機化學中的“有機”就成了一個古語；然而方便的古語難以替代，于是這個詞語存留下來，但現在僅用于表示“碳的化合物”。

除了碳元素外，還有百余種其他元素。對它們的研究屬于無機化學的范疇。可以想到，作為一個涵括一百多種特性截然不同的元素的學科分支，無機化學是一個重要且龐雜的研究領域。通過對該學科進行各種細分，可以在某種程度上約束它的雜亂性。一個重要的分支就是固體化學，其研究對象為無機固體，例如超導材料與使計算普及成為可能的半導體材料。很難不把無機化學類比于由百余件樂器組成的管弦樂團，擔任指揮兼作曲家的化學家適當地排布樂器，從而演奏出以不同方式組合而成的交響樂。

碳也沒能逃過無機化學家那雙元素周期表掃描眼。一些較簡單的碳化合物，像是我之前提到過的二氧化碳，以及致命的毒氣一氧化碳、構成景觀的白堊和石灰石，有機化學家對它們并不感興趣，樂意將它們排除在研究范圍之外，它們按照慣例被歸為無機物。然而，就在這兩個分支交匯之處，有一種化合物既是碳原子的復雜集合體，又含有各種金屬原子。很多此類化合物是化學工業中重要的催化劑；還有一些對有機體的機能起到了重要作用。這就是金屬有機化學這一跨學科領域，它是有機化學家與無機化學家之間卓有成效之合作的成果的最佳體現。