30秒探索：化学

前言
尼瓦尔多·特洛

化学的核心概念是整体可通过其组成部分来解释。物质的特性可由组成物质的微小组成部分来解释。了解了这些，就了解了整个物质的整体。哲学家称这种观点为简化论。简化论在思想史上并非总是受到欢迎，而且其普世正确性也尚不明确。但化学在解释物质乃至生物的特性方面取得了惊人的成功，并仍将继续取得成功，这表明简化论至少是一种强大而有效的观点。
化学里“物质微小组成部分”的概念是原子、离子和分子。尽管物质是由基本粒子组成的观点早在2000多年前就提出来了，但直到距今仅约200年前才被广泛接受。在这之前，多数思想家认为物质是连续的，并不存在小的基本粒子。16世纪出现的科学革命让科学家们把自己对自然的认知和经验测量更加仔细地结合起来。由于经验测量支持基本粒子的模型，连续性模型就不再使用了。
18世纪，粒子模型一被人们接受，化学领域的进步就来得相对更快了。科学家们开始搞清楚组成物质的基本粒子的结构。20世纪早期至中期，化学家们有了很好的模型来解释原子是如何结合起来形成分子，以及原子和分子的结构如何影响它们所组成物质的特性。事实上，在整个化学领域，结构和特性之间的关系是重要的统一性主题。
化学的第二个统一性主题是从简单到复杂的演化。人们发现，在自然界中，将简单粒子以稍微不同的方式组合，便能得到非常复杂的物质。字母表中26个字母可以用不同方式组合成大量的单词，然后以不同方式将这些单词组合成大量复杂的句子。同样地，构成物质的118种元素可结合起来形成很多化合物，这些化合物又可组合形成数量更为庞大的复杂物质，包括所有的生物。
化学可进行何种程度的解释？我们仍然不是非常清楚。我们知道化学可以解释气体的特性，但化学能解释人脑运转的方式吗？20世纪下半叶，在化学的基础上发展产生的生物学，取得了巨大的成功。现在我们知道处于生命核心地位的复杂分子结构的细节，以及这些结构影响生物多种特性的方式。我们可定制分子与疾病做斗争，甚至改变生命组织中的遗传分子（DNA）来改变这些生命体的特征。21世纪带来了新的挑战和新的方向。一方面，科学家们利用化学的观点，正在尝试解释更为复杂的现象，例如人的意识；另一方面，科学家们正利用化学构造更为细小的结构和机器，一次仅使用一个原子。某一天我们可能会拥有分子潜水艇，它能够在血管中航行，与入侵的癌细胞或病毒作战。此外，科学家们还制造出各种新材料，如石墨烯就是一种仅有一个原子厚度的二维物质，但其强度比铁还要高。也许在可预见的未来，物质的粒子模型将有更强的能力来解释物质特性并产生新的技术。
本书概览
本书中，我们将展示化学中50个极其重要的观点。每个条目都被分成如下的几个部分：30秒钟化学是解释部分，3秒钟核心内容是用一句话解释观点，而3分钟扩展知识则描述该观点是如何应用于更宽泛或不同环境的。本书以原子及其结构和特性开篇，然后展示原子如何结合在一起形成化合物，以及我们如何能了解化学元素结合及产生的分子。接着我们来到物质的状态（气态、液态和固态）和化学反应。然后讨论能量学，并描述支配能量流动的法则。后，我们对化学的四个分支进行纵览，这四个分支分别是无机化学、有机化学、生物化学和核化学。我们的目标不是尽量多地描述化学，而是让读者“浅尝”化学，让读者知道我们周围和自身大千世界的事物背后，粒子正在跳着复杂而美丽的舞步，让一切成为可能。

化学让我们认识到，我们自身及周边的事物，都是由粒子构成的。

石墨烯是一种新型碳基材料，只有一个原子的厚度，但强度超过铁。

电子在原子中的位置对了解原子的结合方式至关重要。

你也许对原子和分子非常熟悉，但是你知道为什么某些粒子的特性与其他的粒子不同吗？或者当这些粒子结合时又会发生什么呢？聚合物是什么东西？它们为什么如此有用？单原子裂解时为什么会释放出能量？而这些能量又是从哪里来？人类头发的直径能够让多少辆纳米车通过？

本书将化学这一科目分解为50个重要的主题，帮助我们理解事物的本质，每一个主题仅用三四百字和一幅图片进行解释。本书研究液体、固体和气体的性质和特性，还研究元素周期表中的元素。本书探究天然材料和合成材料的结构，及其令人迷惑不解的使用范围，该范围涵盖从燃料和食物到制造业以及药品行业。本书还探讨化学方程式、酸和碱、核裂变以及热动力学定律，并探究人们周围以及人体内的粒子是如何让这一切发生的。

你也许对原子和分子非常熟悉，但是你知道为什么某些粒子的特性与其他的粒子不同吗？或者当这些粒子结合时又会发生什么呢？聚合物是什么东西？它们为什么如此有用？单原子裂解时为什么会释放出能量？而这些能量又是从哪里来？人类头发的直径能够让多少辆纳米车通过？

本书将化学这一科目分解为50个重要的主题，帮助我们理解事物的本质，每一个主题仅用三四百字和一幅图片进行解释。本书研究液体、固体和气体的性质和特性，还研究元素周期表中的元素。本书探究天然材料和合成材料的结构，及其令人迷惑不解的使用范围，该范围涵盖从燃料和食物到制造业以及药品行业。本书还探讨化学方程式、酸和碱、核裂变以及热动力学定律，并探究人们周围以及人体内的粒子是如何让这一切发生的。

尼瓦尔多?特洛（Nivaldo Tro）
美国加利福尼亚州圣芭芭拉维斯蒙特学院的化学教授。他曾经三次获得该学院杰出教师的称号及学院年度杰出研究者的奖项。他主编了广泛被使用的大学教材《化学绪论及化学：分子方法》。

目 录
前言
1.原子、分子和化合物
2 术语
4 物质由粒子构成
6 原子的结构
8 原子内部
10 原子从哪里来？
12 电子的双重特性
14 原子中电子的位置
16 周期模式
18 原子结合
21 人物传略：约翰·道尔顿
22 路易斯化学键模型
24 共价键理论和分子轨道理论
26 异性相吸
29.物质状态
30 术语
32 物质结合力
34 气态
36 液态
38 固态
41 人物传略：罗伯特·波义耳
42 陶瓷
44 溶液
47.化学反应和能量
48 术语
50 化学方程式
52 燃烧反应和能量
　　来源
54 酸碱中和
56 沉淀反应产生固体
58 用化学发电
60 反应率和化学动力学
63 人物传略：汉弗里·戴维
64 能量和热力学定律
66 熵和热力学第二定律
68 熵和热力学第三定律
70 熵和自发过程
73.无机化学
74 术语
76 性原理
78 颜色
80 集群化学
82 过渡金属催化剂
85 人物传略：马里奥·莫利纳
86 碳：不仅仅用于铅笔
88 纳米技术
91.有机化学
92 术语
94 有机化学和活力论
96 碳氢化合物
98 醇类
100 醛、酮和酯
102 羧酸和胺
105 人物传略：弗里德里希·沃勒
106 化学复制自然界
108 聚合物
111.生物化学
112 术语
114 碳水化合物
116 脂类
118 氨基酸和蛋白质
121 人物传略：安娜·简·哈里森
122 生物蓝图：核酸
124 生物药品合成
127.核化学
128 术语
130 放射性
132 原子分裂
134 核质量损失
136 辐射对生命的影响
139 人物传略：奥托·哈恩
140 放射医学

你也许对原子和分子非常熟悉，但是你知道为什么某些粒子的特性与其他的粒子不同吗？或者当这些粒子结合时又会发生什么呢？聚合物是什么东西？它们为什么如此有用？单原子裂解时为什么会释放出能量？而这些能量又是从哪里来？人类头发的直径能够让多少辆纳米车通过？

本书将化学这一科目分解为50个重要的主题，帮助我们理解事物的本质，每一个主题仅用三四百字和一幅图片进行解释。本书研究液体、固体和气体的性质和特性，还研究元素周期表中的元素。本书探究天然材料和合成材料的结构，及其令人迷惑不解的使用范围，该范围涵盖从燃料和食物到制造业以及药品行业。本书还探讨化学方程式、酸和碱、核裂变以及热动力学定律，并探究人们周围以及人体内的粒子是如何让这一切发生的。

尼瓦尔多?特洛（Nivaldo Tro）
美国加利福尼亚州圣芭芭拉维斯蒙特学院的化学教授。他曾经三次获得该学院杰出教师的称号及学院年度杰出研究者的奖项。他主编了广泛被使用的大学教材《化学绪论及化学：分子方法》。