科学出版社分享 http://blog.sciencenet.cn/u/sciencepress 中国最大的综合性科技出版机构之一,科学家的出版社!

博文

无处不在的化学 精选

已有 7130 次阅读 2018-4-16 13:47 |个人分类:科学书摘|系统分类:科普集锦| 走近化学, 科学出版社, 徐冬梅, 无处不在的化学, 化学

有人说“我们爱化学”,有人说“我们恨化学”,大多数人则似乎将自己定位于迷惑不解的旁观者。但是,我们每一个人都无时无刻不在享受着化学提供的便利,同时又不可避免地面临着化学带来的问题。化学,就是这么让我们又爱又恨,却又与我们息息相关。毫不夸张地说,世界和生命本身就是由化学物质组成的,我们一生都生活在不断变化的化学世界中,我们的衣食住行、喜怒哀乐和生老病死都与化学密不可分。那么,我们怎么能不关心化学!让我们一起走近化学,了解化学!


化学与世界


世界之大,包罗万象,其中的一草一木都与化学有着千丝万缕的联系。就其本质而言,恒星、行星、大气、水、土壤、生物、房屋建筑、交通工具、各种生活学习用品,甚至肉眼几乎无法看到的灰尘,这些物体都是由物质组成的,而物质是由化学元素组成的。从微观的角度看,物质是由肉眼无法分辨的微粒——分子组成的,分子则由更小的微粒——原子构成,原子又由质子、中子和电子构成。质子和中子属于强子,强子由夸克构成,夸克又可分为上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克。电子属于轻子,轻子还包括电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子。


timg (4).jpg


趣的是,“夸克”一词来自爱尔兰作家、诗人詹姆斯·奥古斯汀·艾洛依休斯·乔伊斯(James Augustine Aloysius Joyce,1882.2.2—1941.1.13)的小说《芬尼根的苏醒》(Finnegan’s Wake)中的词语“quark”,其在书中的含义之一是一种海鸟的叫声。美国物理学家、1969 年诺贝尔物理学奖获得者默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann,1929.9.15—)取夸克作为构成物质的一种微粒的名称,有三层用意,一是他觉得“夸克”适合他最初认为的“基本粒子不基本、基本电荷非整数”的奇特想法;二是表示他对矫饰的科学语言的抵制;三是表示他对鸟类的喜爱。值得关注的是,夸克也还不能说是构成物质的最基本微粒,目前科学家预言,所有的基本粒子可能都是由很小很小的线状的“弦”构成,包括有端点的“开弦”和圈状的“闭弦”或“闭合弦”。弦的不同振动和其他运动产生出各种不同的基本粒子。弦论是最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用(引力、电磁力、弱核力和强核力)统一起来的理论。

 

一般而言,谈论物质组成时,说物质的元素“组成”,属于宏观上的概念;而“构成”则常用来指分子由原子构成,原子由质子、中子和电子构成等微观上的概念。从化学的角度看,世界很简单,目前已知的组成世间万物的化学元素只有一百多种;但是世界又很复杂,这一百多种化学元素组成了不胜枚举的物质和形形色色的物体,而且这些物质和物体都在不断地变化着,其中很多是化学变化,如电闪雷鸣和雨水循环可以使无机化合物转变成有机化合物,熊熊大火可以将有机化合物变成二氧化碳和水。


生命与化学


timg (1).jpg


在整个世界中,生命体是最鲜活、最重要的组成部分。自古以来,生命的起源是多个领域的科学家不断探究的奥秘。自然界在极其漫长的时间里,由非生命物质经历极其复杂的化学过程形成了生命,这是被普遍接受的生命起源假说——化学起源说。


化学起源说将生命的起源分为四个阶段。第一个阶段,从无机小分子生成有机小分子。这一阶段是生命起源的化学进化过程,是在原始的地球条件下进行的。第二个阶段,从有机小分子物质生成生物大分子物质。这一过程是在原始海洋中发生的,氨基酸和核苷酸等有机小分子物质,经过长期积累和相互作用,在黏土吸附等适当条件下,通过缩合作用或聚合作用形成了原始的蛋白质分子和核酸分子。第三个阶段,由生物大分子物质组成多分子体系。这一过程是怎样形成的?答案只有团聚体假说、微球体假说和脂球体假说等一些假说。第四个阶段,有机多分子体系演变为原始生命。这一阶段是在原始的海洋中完成的,是生命起源过程中最复杂和最有决定性意义的阶段,但是至今人们还无法在实验室里验证这一过程。

 

化学起源说的重要依据之一是两位著名科学家和他们的创造性实验。美国芝加哥大学的化学家、生物学家史坦利·劳埃德·米勒(Stanley Lloyd Miller,1930.3.7—2007.5.20)和加州大学圣地亚哥分校的著名宇宙化学家、物理学家、1934 年诺贝尔化学奖得主哈罗德·克莱顿·尤里(Harold Clayton Urey,1893.4.29—1981.1.6),于1953 年在实验室里进行了一项模拟假设性早期地球环境的实验,即著名的米勒-尤里实验(Miller-Urey experiment),其研究目的是考察在原始地球环境中化学变化发生的可能性及结果。米勒-尤里实验是关于生命起源的经典实验,其实验装置和过程的图解如图1 所示。


图1 米勒-尤里实验图解

资料来源:http://tieba.baidu.com/p/4376022953

 

他们用一个装有一些海水的烧瓶代表原始的海洋,其上部通过管道连接一个球形空间,里面充满了水蒸气(H₂O)、甲烷(CH4)、氨气(NH₃)、氢气(H₂)和一氧化碳(CO)等气体,以模拟原始大气圈的气体。他们首先给装有海水的烧瓶加热,使水蒸气在管中循环,接着通过两个电极放电产生火花,激发球形空间中的气体发生化学反应,以模拟原始天空闪电对原始大气圈气体的作用。在球形空间的下部连接一支冷凝管,使反应后的产物和水蒸气冷凝,形成液体回到烧瓶的底部,以模拟原始的降雨过程。经过一周持续不断的实验后,取样分析烧瓶里的水中的化学成分,发现有氨基酸等多种新的有机化合物,以及氢氰酸。氢氰酸可以合成腺嘌呤,腺嘌呤是核苷酸的组成部分,而核苷酸是组成生命遗传物质——核酸的基本单元。


通过化学实验,米勒和尤里向人们证明了在生命起源的第一步,从无机小分子形成有机小分子,在原始地球条件下是完全可以实现的。也许生命本身就是化学反应的产物。当然,可以想象,从有机小分子的生成到地球生命的出现,是一个极其复杂而漫长的过程。

 

化学对生命的贡献体现在以下几个方面:


①生命体由化学元素组成。组成动植物体的化学元素绝大部分形成无机化合物和有机化合物,如氯化钠和氨基酸。


②维持生命的要素:氧气、水、蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素、矿物质和微量元素等各种营养物质都是化学物质。


③生命体中进行着多种化学反应。例如:小分子物质的脱水缩合反应,如氨基酸合成蛋白质;水解反应,如脂肪水解成甘油和脂肪酸;氧化分解反应,如葡萄糖分解为丙酮酸;酶催化反应,如唾液淀粉酶将淀粉转化为麦芽糖,胃蛋白酶将蛋白质转变为多肽,肠肽酶将多肽分解为氨基酸等。据估计,人体内的化学物质平均每80 天左右就有一半被分解。


④生命体的健康与多种化学平衡有关,如酸碱平衡、电荷平衡、水平衡、沉淀溶解平衡、维生素和微量元素平衡等。一旦某个平衡被打破,生命体就表现出某种疾病。


因此,从化学的角度,人体可以看作是一个具有智慧和自主行为能力的复杂而神奇的化学反应体系,人的生存、生长发育、喜怒哀乐和生老病死都与化学物质密切相关。1950~1955 年,全人类的平均寿命为45 岁左右,至2010~2015 年增长到了68 岁左右,这期间的生命保障,化学也是功不可没。


材料与化学


材料(material)是具有特定用途或可以用于制造其他产品的物质。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。


timg.jpg


首先,无论是青铜、铁、铝合金等金属材料,还是石材、胶合板、塑料等非金属材料,其本身都是由化学物质组成的。例如,青铜器的青铜主要是铜锡合金,为了改善合金的工艺性能和机械性能,大部分青铜内还加入其他合金元素,如铅、锌、磷等。锡是一种稀缺元素,所以现在工业上还使用许多不含锡的青铜,它们不仅价格便宜,还具有所需要的性能。无锡青铜主要有铝青铜、铍青铜、锰青铜、硅青铜等;铝合金由铝和其他金属,如镁,按照一定比例熔炼而成。铝镁合金硬度大、质量轻,常用于制造飞机的机身、火箭的箭体,也可以用于管道设施、居室门窗等领域。


其次,材料的生产过程离不开化学化工技术,例如包括塑料在内的性能各异、用途广泛的各种合成高分子材料,都是通过小分子物质之间发生化学反应制备的。

 

因此,化学是材料发展的源泉和保障,而人们对新材料的需求又为化学发展增添了动力、开辟了新的空间。随着科学技术的发展和生活水平的提高,人们对材料提出了越来越高的要求,比如要求材料具有高强度、耐高温、隐形、自修复、形状记忆等性能。具有特定功能的新材料的设计和合成一直是化学化工领域的一大研究热点。


能源与化学


能源(energy)是能提供某种形式能量的物质资源,是人类和社会赖以生存和发展的必要条件。虽然世界各国都在积极开发利用太阳能、风能、水能(包括河流水库水能、潮汐能、波浪能、海流能等)、地热能、生物能、氢能、核能等新能源,但是石油、煤和天然气等传统天然资源仍然是目前能源中的中坚力量。这三种天然资源都是由化学物质组成的。


石油是从地下深处开采出来的黄色至黑色的可燃性黏稠液体,其主要成分是由碳和氢组成的烃类。煤是古代植物长期埋于地下,处于空气不足的条件下,经历复杂的生物化学和物理化学变化后逐步形成的可燃性矿物,含硫酸盐、硫铁矿等无机化合物及碳、氢、氧、氮、硫等组成的有机化合物,还有一些水分。天然气是聚集在地层内的低分子量饱和脂肪烃类气体,主要成分是甲烷,另有含六个碳原子以下的其他烷烃及约5%的硫化氢、二氧化碳和氮气等非烃成分。石油、煤和天然气除了作为能源以外,还可以提供化学工业所需要的大量基本原料,如甲烷、乙烯、丙烯、乙炔、苯、甲苯和萘等,由这些基本化工原料通过化学反应几乎可以得到所有其他化工原料和产品。


timg (3).jpg


随着地球人口逐渐增多,以及工业化进程的加快,石油、煤和天然气等不可再生的天然资源不久后将消耗殆尽,这是有识之士共同感知的危机。太阳能、风能、水能、地热能、氢能和核能等新能源的开发是全世界面临的一项迫在眉睫而又充满挑战的工程,新能源的开发过程中遇到的很多问题都需要依靠化学化工技术进行解决。


我们的生活与化学


从衣、食、住、行、清洁、美化、娱乐到疾病的发生与治疗,我们的生活与化学结下了不解之缘。


当我们穿上各色服装时,其实我们就与纤维、染料和各种织物整理剂形影不离。纤维是天然或合成的高分子材料,丰富多彩的合成纤维是化学对人类的一大贡献;化学染料和颜料则为我们的外表添色添彩;而且人们还通过化学的方法,使衣服的保暖性、舒适性更好,耐用性、观赏性更强。


我们一日三餐所吃的粮食中,所含的人体必需的营养成分都是天然的化学物质;要保障粮食丰产丰收也离不开化肥和农药等人工合成的化学品。另外,要想把食物加工成色香味俱全的食品,尤其是超市里琳琅满目的包装食品,需要的各种食品添加剂都是天然或合成的化学物质。我们能感知到酸、甜、苦、辣、咸、鲜等各种美味,也是化学物质的作用。


timg (2).jpg


吃饱穿暖后,当我们在温馨的家里休息时,我们其实也是处于一个小小的化学世界中,无论是建筑和装修用的砖瓦、水泥、金属、木材、玻璃、塑料、涂料、黏合剂等材料,还是居室中的气息,都和化学密不可分。当我们出行的时候,从我们穿的鞋子、走的路面,到汽车等代步工具,以及令人头痛的交通污染,无不与化学相关。


清洁是健康的前提,而美化是对生活的高层次追求。无论是牙膏、肥皂、沐浴露、洗衣粉、洗洁精等清洁用品,还是润肤乳、防晒霜、爽肤水、粉底、眼影、唇膏、染发剂等护肤美容用品,都是化学品。


礼花和美酒几乎是节日或喜庆的必备之物,礼花由多种化学成分经过多道工序制作而成,美酒则是含有乙醇及其他化学成分的水溶液。


当我们不幸生病的时候,免不了化验、扎针、吃药、输液,甚至手术,化验中常常要用到化学物质和化学反应,而从药物、针管、输液导管、绑带、胶布,到手术用的一次性帽子和乳胶手套,化学品的身影同样无处不在。



本文摘编自徐冬梅主编《走近化学》前言及第1章,内容略有删减改动。




《走近化学》

主编:徐冬梅

责任编辑:李涪汁

北京:科学出版社,2018.3

ISBN:978-7-03-056828-1


《走近化学》从化学与众多领域的相关性、化学的基础知识、生命体中的化学、衣食住行中的化学、日用化学品以及环境中的化学多个角度展示与人类及人类活动密切相关的化学世界,揭开化学的神秘面纱,引导读者了解化学的基础知识并用辩证思维看待化学。通过对热点问题的探讨,培养读者积极面对全球化带来的各种挑战,跨领域、多角度思考问题的能力,批判性思维能力和包容性理解能力。帮助读者拓宽知识面,优化知识结构,培养科学和人文素养,提高公民意识和社会责任感。全书注重科学性、知识性、趣味性和思辨性相结合,各章相对独立又不乏系统性,写作力求由浅入深、条理清晰、详略得当。

(本期责编:小文)



一起阅读科学!

科学出版社│微信ID:sciencepress-cspm

专业品质  学术价值

原创好读  科学品味

点击文中书名、作者、封面可购买本书。



http://blog.sciencenet.cn/blog-528739-1109285.html

上一篇:利用连续固态相变操纵配合物电子转移及功能取得新进展
下一篇:专访童文:5G将成为物理世界的神经连接网 | 《国家科学评论》

6 农绍庄 黄永义 康建 李颖业 晏成和 yangb919

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (3 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2018-8-19 02:14

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部