01 原子

原子是化学以及我们宇宙的基本结构单元,它们构成了元素、行星、恒星以及你和我。弄清原子由何构成以及它们之间如何相互作用,就几乎能解释实验室以及大自然中发生的所有化学反应。

比尔• 布莱森曾写过一句非常著名的话:我们每个人体内都可能含有十亿个曾经属于威廉• 莎士比亚的原子。“哇,”你可能会想,“十亿个莎士比亚的原子,那可真不少!”十亿是个大数目,但有时也不是。一位三十三岁的人在这个世上度过的时光大约是十亿秒,十亿粒精盐大概可以装满一个普通浴缸,但十亿个原子还不到人体原子总数的一百亿亿分之一。换句话说,人体含有超过一千亿亿亿个原子,而十亿个已故莎士比亚的原子还构不成一个脑细胞。这也从一个侧面展现了原子是多么小。

多汁的桃子 原子如此之小,很久以来人类一直无法直接观测它们,直到超高分辨率显微镜技术出现才改变了这一状况。2012 年,澳大利亚科学家终于设法拍摄到了单个原子投下的影子。不过,化学家并不总是需要亲眼看到它们才能认识到,在某一根本层面上,原子可以解释实验室以及生命中大多数化学过程是如何发生的。更确切地说,这些化学过程与原子外层的一种更为微小的亚原子粒子——电子的活动有关。

如果把一个原子比作一只桃子,那么位于桃子中间的桃核便是原子核,它由质子和中子构成,而多汁的果肉便由电子构成。事实上,如果真有一只像原子一样的桃子,那么它大部分都是多汁的果肉,桃核则非常小,以至于你吞下它时都不会察觉到。这形象地说明了原子的大部分空间都被电子所占据。然而,原子核虽小,却维系着一个原子的存在。它含有带正电荷的质子,能够对带负电的电子产生足够的静电引力,防止电子四散逃逸。

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原子理论与化学反应

1803 年,英国化学家约翰• 道尔顿在一次演讲中提出了原子理论,认为物质是由不可分割的微小粒子——原子构成的。要而言之,不同的元素由不同的原子构成,它们之间可以相互结合生成化合物,而化学反应则是这些原子的重新组合。

为什么氧原子会是氧原子? 并非所有原子都是相同的。你可能已经意识到一个原子与一只桃子并没有多少相似之处。但我们不妨继续使用这个比喻,并扩展水果的品种,那么我们就可以得到很多不同品种或“风味”的原子。如果将一个氧原子比作一只桃子,那么一个碳原子可能就是一个李子。两者都是由电子包裹着原子核而构成的小球,但性质却有天壤之别。氧原子喜欢成双成对形成氧气分子(O2)漂浮在空中,而碳原子则喜欢相互连接在一起形成坚硬的金刚石或铅笔中的石墨(C)。而让它们成为不同元素(参见第6 页)的根源是它们的质子数。

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“解剖”一个原子

在J.J. 汤姆森提出的早期的“梅子布丁”原子模型中,原子是一个带有正电荷的“布丁”,其中均匀分布着一些带有负电荷的“梅子”(电子)。后来原子的模型才成为现在的样子:质子与另外一种名为中子的亚原子粒子一起构成了一个微小、致密的原子核,它的周围笼罩着电子云。我们还知道质子和中子由更小的粒子——夸克构成。化学家通常不会与这些更小的粒子打交道,它们是物理学的研究对象,可以通过加速器轰击原子发现它们的身影。但需要注意且非常重要的一点是,原子以及宇宙中物质相互结合的模型是在不断发展的。比如,2012 年希格斯玻色子的发现,确认了另外一种粒子的存在,这种粒子早已被物理学家纳入模型并用于预测其他一些粒子。然而,还需要做很多工作去确认它是否就是物理学家一直在寻找的那一类型的希格斯玻色子。

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氧原子拥有八个质子,比碳原子多两个。有些重元素(像钅喜、锘等)的原子核中有上百个质子。这么多正电荷挤在一个小小的原子核中,它们相互排斥,平衡很容易被打破,因而这些重元素都是不稳定的。

通常,一个原子,无论其是何种“风味”,都会拥有与原子核中质子数目相同的电子。如果一个原子“丢失”了一个电子,或是获得了一个额外的电子,原子核所拥有的正电荷数目便与外层电子的负电荷数目不再相同,这时原子便成为了化学家所说的“离子”——带有电荷的原子或者分子。离子非常重要,它们所带的电荷会帮助物质(比如食盐中氯化钠以及石灰石中碳酸钙)紧密地聚集在一起。

构筑生命的“砖块” 除了构成厨房里的调味品,原子还构成了所有会爬、会呼吸或会生根的生物,构筑了它们体内那些结构令人惊叹的复杂分子,比如DNA和蛋白质(肌肉、骨骼、毛发的主要成分)。这些都是原子与原子通过化学键(参见第18 页)生成的。然而,地球上生命的有趣之处在于,尽管它们的多样性令人眼花缭乱,但无一例外都含有一种原子:碳。

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从幽暗深邃的海底热泉烟筒附近居民身上的细菌到翱翔在天空中的鸟儿,这个星球上没有哪种生命体内不包含碳元素。但由于我们还没在其他地方发现生命,我们无从得知这是否只是生命进化的偶然选择,也无从得知生命是不是可以使用其他原子繁衍生息。科幻小说的粉丝倒是应该很熟悉其他类型的生物,比如《星际迷航》以及《星球大战》中出现的硅基外星生物。

原子排排坐 纳米技术(参见第178 页)领域的进步,让更高效的太阳能电池板、定向消灭癌细胞的药物等不再是科学幻想,也让原子世界成为了世界关注的焦点。纳米技术所要面对的是十亿分之一米的世界,虽然这一尺度依旧大于单个原子的尺寸,但已经可以触碰到数个原子以及单个分子了。2013 年,IBM 的科学家“拍摄”出了世界上最小的定格动画,内容是一个小男孩在玩皮球,其中的小男孩和皮球都由铜原子构成,每个原子都清晰可见。终于,科学开始能够在化学家看待这个世界的尺度上有所作为了。

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目录

  • 引言
  • 01 原子
  • 02 元素
  • 03 同位素
  • 04 化合物
  • 05 聚集在一起
  • 06 相变
  • 07 能量
  • 08 化学反应
  • 09 化学平衡
  • 10 热力学
  • 11 酸
  • 12 催化剂
  • 13 氧化还原
  • 14 发酵
  • 15 裂解
  • 16 化学合成
  • 17 哈伯制氨法
  • 18 手性
  • 19 绿色化学
  • 20 分离
  • 21 光谱
  • 22 晶体学
  • 23 电解
  • 24 微细加工
  • 25 自组装
  • 26 芯片实验室
  • 27 计算化学
  • 28 碳
  • 29 水
  • 30 生命起源
  • 31 天体化学
  • 32 蛋白质
  • 33 酶作用
  • 34 糖
  • 35 脱氧核糖核酸
  • 36 生物合成
  • 37 光合作用
  • 38 化学信使
  • 39 汽油
  • 40 塑料
  • 41 氯氟烃
  • 42 复合材料
  • 43 太阳能电池
  • 44 药物
  • 45 纳米技术
  • 46 石墨烯
  • 47 3D打印
  • 48 人造肌肉
  • 49 合成生物学
  • 50 未来燃料
  • 化学元素周期表
  • 致谢
  • 译后记