有人說“我們愛化學”， 有人說“我們恨化學”， 大多數人則似乎將自己定位于迷惑不解的旁觀者。 但是， 我們每一個人都無時無刻不在享受著化學提供的便利， 同時又不可避免地面臨著化學帶來的問題。 化學， 就是這麼讓我們又愛又恨， 卻又與我們息息相關。 毫不誇張地說， 世界和生命本身就是由化學物質組成的， 我們一生都生活在不斷變化的化學世界中， 我們的衣食住行、喜怒哀樂和生老病死都與化學密不可分。 那麼， 我們怎麼能不關心化學！讓我們一起走近化學， 瞭解化學！
化學與世界
世界之大，
有趣的是， “誇克”一詞來自愛爾蘭作家、詩人詹姆斯·奧古斯汀·艾洛依休斯·喬伊絲（James Augustine Aloysius Joyce， 1882.2.2—1941.1.13）的小說《芬尼根的蘇醒》（Finnegan’s Wake）中的詞語“quark”， 其在書中的含義之一是一種海鳥的叫聲。 美國物理學家、1969 年諾貝爾物理學獎獲得者默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann， 1929.9.15—）取誇克作為構成物質的一種微粒的名稱， 有三層用意， 一是他覺得“誇克”適合他最初認為的“基本粒子不基本、基本電荷非整數”的奇特想法；二是表示他對矯飾的科學語言的抵制；三是表示他對鳥類的喜愛。
一般而言， 談論物質組成時， 說物質的元素“組成”， 屬於宏觀上的概念；而“構成”則常用來指分子由原子構成， 原子由質子、中子和電子構成等微觀上的概念。 從化學的角度看， 世界很簡單， 目前已知的組成世間萬物的化學元素只有一百多種；但是世界又很複雜，
生命與化學
在整個世界中， 生命體是最鮮活、最重要的組成部分。 自古以來， 生命的起源是多個領域的科學家不斷探究的奧秘。 自然界在極其漫長的時間裡， 由非生命物質經歷極其複雜的化學過程形成了生命， 這是被普遍接受的生命起源假說——化學起源說。
化學起源說將生命的起源分為四個階段。第一個階段，從無機小分子生成有機小分子。這一階段是生命起源的化學進化過程，是在原始的地球條件下進行的。第二個階段，從有機小分子物質生成生物大分子物質。這一過程是在原始海洋中發生的，氨基酸和核苷酸等有機小分子物質，經過長期積累和相互作用，在黏土吸附等適當條件下，通過縮合作用或聚合作用形成了原始的蛋白質分子和核酸分子。第三個階段，由生物大分子物質組成多分子體系。這一過程是怎樣形成的？答案只有團聚體假說、微球體假說和脂球體假說等一些假說。第四個階段，有機多分子體系演變為原始生命。這一階段是在原始的海洋中完成的，是生命起源過程中最複雜和最有決定性意義的階段，但是至今人們還無法在實驗室裡驗證這一過程。
化學起源說的重要依據之一是兩位著名科學家和他們的創造性實驗。美國芝加哥大學的化學家、生物學家史坦利·勞埃德·米勒（Stanley Lloyd Miller，1930.3.7—2007.5.20）和加州大學聖地牙哥分校的著名宇宙化學家、物理學家、1934 年諾貝爾化學獎得主哈樂德·克萊頓·尤裡（Harold Clayton Urey，1893.4.29—1981.1.6），於1953 年在實驗室裡進行了一項模擬假設性早期地球環境的實驗，即著名的米勒-尤裡實驗（Miller-Urey experiment），其研究目的是考察在原始地球環境中化學變化發生的可能性及結果。米勒-尤裡實驗是關於生命起源的經典實驗，其實驗裝置和過程的圖解如圖1 所示。
圖1 米勒-尤裡實驗圖解
他們用一個裝有一些海水的燒瓶代表原始的海洋，其上部通過管道連接一個球形空間，裡面充滿了水蒸氣（H₂O）、甲烷（CH4）、氨氣（NH₃）、氫氣（H₂）和一氧化碳（CO）等氣體，以模擬原始大氣圈的氣體。他們首先給裝有海水的燒瓶加熱，使水蒸氣在管中迴圈，接著通過兩個電極放電產生火花，激發球形空間中的氣體發生化學反應，以模擬原始天空閃電對原始大氣圈氣體的作用。在球形空間的下部連接一支冷凝管，使反應後的產物和水蒸氣冷凝，形成液體回到燒瓶的底部，以模擬原始的降雨過程。經過一周持續不斷的實驗後，取樣分析燒瓶裡的水中的化學成分，發現有氨基酸等多種新的有機化合物，以及氫氰酸。氫氰酸可以合成腺嘌呤，腺嘌呤是核苷酸的組成部分，而核苷酸是組成生命遺傳物質——核酸的基本單元。
通過化學實驗，米勒和尤裡向人們證明了在生命起源的第一步，從無機小分子形成有機小分子，在原始地球條件下是完全可以實現的。也許生命本身就是化學反應的產物。當然，可以想像，從有機小分子的生成到地球生命的出現，是一個極其複雜而漫長的過程。
化學對生命的貢獻體現在以下幾個方面：
①生命體由化學元素組成。組成動植物體的化學元素絕大部分形成無機化合物和有機化合物，如氯化鈉和氨基酸。
②維持生命的要素：氧氣、水、蛋白質、脂肪、碳水化合物、維生素、礦物質和微量元素等各種營養物質都是化學物質。
③生命體中進行著多種化學反應。例如：小分子物質的脫水縮合反應，如氨基酸合成蛋白質；水解反應，如脂肪水解成甘油和脂肪酸；氧化分解反應，如葡萄糖分解為丙酮酸；酶催化反應，如唾液澱粉酶將澱粉轉化為麥芽糖，胃蛋白酶將蛋白質轉變為多肽，腸肽酶將多肽分解為氨基酸等。據估計，人體內的化學物質平均每80 天左右就有一半被分解。
④生命體的健康與多種化學平衡有關，如酸堿平衡、電荷平衡、水平衡、沉澱溶解平衡、維生素和微量元素平衡等。一旦某個平衡被打破，生命體就表現出某種疾病。
因此，從化學的角度，人體可以看作是一個具有智慧和自主行為能力的複雜而神奇的化學反應體系，人的生存、生長發育、喜怒哀樂和生老病死都與化學物質密切相關。1950～1955 年，全人類的平均壽命為45 歲左右，至2010～2015 年增長到了68 歲左右，這期間的生命保障，化學也是功不可沒。
材料與化學
材料（material）是具有特定用途或可以用於製造其他產品的物質。材料是人類賴以生存和發展的物質基礎。
首先，無論是青銅、鐵、鋁合金等金屬材料，還是石材、膠合板、塑膠等非金屬材料，其本身都是由化學物質組成的。例如，青銅器的青銅主要是銅錫合金，為了改善合金的工藝性能和機械性能，大部分青銅內還加入其他合金元素，如鉛、鋅、磷等。錫是一種稀缺元素，所以現在工業上還使用許多不含錫的青銅，它們不僅價格便宜，還具有所需要的性能。無錫青銅主要有鋁青銅、鈹青銅、錳青銅、矽青銅等；鋁合金由鋁和其他金屬，如鎂，按照一定比例熔煉而成。鋁鎂合金硬度大、品質輕，常用於製造飛機的機身、火箭的箭體，也可以用於管道設施、居室門窗等領域。
其次，材料的生產過程離不開化學化工技術，例如包括塑膠在內的性能各異、用途廣泛的各種合成高分子材料，都是通過小分子物質之間發生化學反應製備的。
因此，化學是材料發展的源泉和保障，而人們對新材料的需求又為化學發展增添了動力、開闢了新的空間。隨著科學技術的發展和生活水準的提高，人們對材料提出了越來越高的要求，比如要求材料具有高強度、耐高溫、隱形、自修復、形狀記憶等性能。具有特定功能的新材料的設計和合成一直是化學化工領域的一大研究熱點。
能源與化學
能源（energy）是能提供某種形式能量的物質資源，是人類和社會賴以生存和發展的必要條件。雖然世界各國都在積極開發利用太陽能、風能、水能（包括河流水庫水能、潮汐能、波浪能、海流能等）、地熱能、生物能、氫能、核能等新能源，但是石油、煤和天然氣等傳統天然資源仍然是目前能源中的中堅力量。這三種天然資源都是由化學物質組成的。
石油是從地下深處開採出來的黃色至黑色的可燃性黏稠液體，其主要成分是由碳和氫組成的烴類。煤是古代植物長期埋於地下，處於空氣不足的條件下，經歷複雜的生物化學和物理化學變化後逐步形成的可燃性礦物，含硫酸鹽、硫鐵礦等無機化合物及碳、氫、氧、氮、硫等組成的有機化合物，還有一些水分。天然氣是聚集在地層內的低分子量飽和脂肪烴類氣體，主要成分是甲烷，另有含六個碳原子以下的其他烷烴及約5%的硫化氫、二氧化碳和氮氣等非烴成分。石油、煤和天然氣除了作為能源以外，還可以提供化學工業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，由這些基本化工原料通過化學反應幾乎可以得到所有其他化工原料和產品。
隨著地球人口逐漸增多，以及工業化進程的加快，石油、煤和天然氣等不可再生的天然資源不久後將消耗殆盡，這是有識之士共同感知的危機。太陽能、風能、水能、地熱能、氫能和核能等新能源的開發是全世界面臨的一項迫在眉睫而又充滿挑戰的工程，新能源的開發過程中遇到的很多問題都需要依靠化學化工技術進行解決。
我們的生活與化學
從衣、食、住、行、清潔、美化、娛樂到疾病的發生與治療，我們的生活與化學結下了不解之緣。
當我們穿上各色服裝時，其實我們就與纖維、染料和各種織物整理劑形影不離。纖維是天然或合成的高分子材料，豐富多彩的合成纖維是化學對人類的一大貢獻；化學染料和顏料則為我們的外表添色添彩；而且人們還通過化學的方法，使衣服的保暖性、舒適性更好，耐用性、觀賞性更強。
我們一日三餐所吃的糧食中，所含的人體必需的營養成分都是天然的化學物質；要保障糧食豐產豐收也離不開化肥和農藥等人工合成的化學品。另外，要想把食物加工成色香味俱全的食品，尤其是超市里琳琅滿目的包裝食品，需要的各種食品添加劑都是天然或合成的化學物質。我們能感知到酸、甜、苦、辣、鹹、鮮等各種美味，也是化學物質的作用。
吃飽穿暖後，當我們在溫馨的家裡休息時，我們其實也是處於一個小小的化學世界中，無論是建築和裝修用的磚瓦、水泥、金屬、木材、玻璃、塑膠、塗料、黏合劑等材料，還是居室中的氣息，都和化學密不可分。當我們出行的時候，從我們穿的鞋子、走的路面，到汽車等代步工具，以及令人頭痛的交通污染，無不與化學相關。
清潔是健康的前提，而美化是對生活的高層次追求。無論是牙膏、肥皂、沐浴露、洗衣粉、洗潔精等清潔用品，還是潤膚乳、防曬霜、爽膚水、粉底、眼影、唇膏、染髮劑等護膚美容用品，都是化學品。
禮花和美酒幾乎是節日或喜慶的必備之物，禮花由多種化學成分經過多道工序製作而成，美酒則是含有乙醇及其他化學成分的水溶液。
當我們不幸生病的時候，免不了化驗、扎針、吃藥、輸液，甚至手術，化驗中常常要用到化學物質和化學反應，而從藥物、針管、輸液導管、綁帶、膠布，到手術用的一次性帽子和乳膠手套，化學品的身影同樣無處不在。
本文摘編自徐冬梅主編《走近化學》前言及第1章，內容略有刪減改動。
《走近化學》
主編：徐冬梅
北京：科學出版社，2018.3
ISBN：978-7-03-056828-1
《走近化學》從化學與眾多領域的相關性、化學的基礎知識、生命體中的化學、衣食住行中的化學、日用化學品以及環境中的化學多個角度展示與人類及人類活動密切相關的化學世界，揭開化學的神秘面紗，引導讀者瞭解化學的基礎知識並用辯證思維看待化學。通過對熱點問題的探討，培養讀者積極面對全球化帶來的各種挑戰，跨領域、多角度思考問題的能力，批判性思維能力和包容性理解能力。説明讀者拓寬知識面，優化知識結構，培養科學和人文素養，提高公民意識和社會責任感。全書注重科學性、知識性、趣味性和思辨性相結合，各章相對獨立又不乏系統性，寫作力求由淺入深、條理清晰、詳略得當。
（本期編輯：小文）
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這是被普遍接受的生命起源假說——化學起源說。化學起源說將生命的起源分為四個階段。第一個階段，從無機小分子生成有機小分子。這一階段是生命起源的化學進化過程，是在原始的地球條件下進行的。第二個階段，從有機小分子物質生成生物大分子物質。這一過程是在原始海洋中發生的，氨基酸和核苷酸等有機小分子物質，經過長期積累和相互作用，在黏土吸附等適當條件下，通過縮合作用或聚合作用形成了原始的蛋白質分子和核酸分子。第三個階段，由生物大分子物質組成多分子體系。這一過程是怎樣形成的？答案只有團聚體假說、微球體假說和脂球體假說等一些假說。第四個階段，有機多分子體系演變為原始生命。這一階段是在原始的海洋中完成的，是生命起源過程中最複雜和最有決定性意義的階段，但是至今人們還無法在實驗室裡驗證這一過程。
化學起源說的重要依據之一是兩位著名科學家和他們的創造性實驗。美國芝加哥大學的化學家、生物學家史坦利·勞埃德·米勒（Stanley Lloyd Miller，1930.3.7—2007.5.20）和加州大學聖地牙哥分校的著名宇宙化學家、物理學家、1934 年諾貝爾化學獎得主哈樂德·克萊頓·尤裡（Harold Clayton Urey，1893.4.29—1981.1.6），於1953 年在實驗室裡進行了一項模擬假設性早期地球環境的實驗，即著名的米勒-尤裡實驗（Miller-Urey experiment），其研究目的是考察在原始地球環境中化學變化發生的可能性及結果。米勒-尤裡實驗是關於生命起源的經典實驗，其實驗裝置和過程的圖解如圖1 所示。
圖1 米勒-尤裡實驗圖解
他們用一個裝有一些海水的燒瓶代表原始的海洋，其上部通過管道連接一個球形空間，裡面充滿了水蒸氣（H₂O）、甲烷（CH4）、氨氣（NH₃）、氫氣（H₂）和一氧化碳（CO）等氣體，以模擬原始大氣圈的氣體。他們首先給裝有海水的燒瓶加熱，使水蒸氣在管中迴圈，接著通過兩個電極放電產生火花，激發球形空間中的氣體發生化學反應，以模擬原始天空閃電對原始大氣圈氣體的作用。在球形空間的下部連接一支冷凝管，使反應後的產物和水蒸氣冷凝，形成液體回到燒瓶的底部，以模擬原始的降雨過程。經過一周持續不斷的實驗後，取樣分析燒瓶裡的水中的化學成分，發現有氨基酸等多種新的有機化合物，以及氫氰酸。氫氰酸可以合成腺嘌呤，腺嘌呤是核苷酸的組成部分，而核苷酸是組成生命遺傳物質——核酸的基本單元。
通過化學實驗，米勒和尤裡向人們證明了在生命起源的第一步，從無機小分子形成有機小分子，在原始地球條件下是完全可以實現的。也許生命本身就是化學反應的產物。當然，可以想像，從有機小分子的生成到地球生命的出現，是一個極其複雜而漫長的過程。
化學對生命的貢獻體現在以下幾個方面：
①生命體由化學元素組成。組成動植物體的化學元素絕大部分形成無機化合物和有機化合物，如氯化鈉和氨基酸。
②維持生命的要素：氧氣、水、蛋白質、脂肪、碳水化合物、維生素、礦物質和微量元素等各種營養物質都是化學物質。
③生命體中進行著多種化學反應。例如：小分子物質的脫水縮合反應，如氨基酸合成蛋白質；水解反應，如脂肪水解成甘油和脂肪酸；氧化分解反應，如葡萄糖分解為丙酮酸；酶催化反應，如唾液澱粉酶將澱粉轉化為麥芽糖，胃蛋白酶將蛋白質轉變為多肽，腸肽酶將多肽分解為氨基酸等。據估計，人體內的化學物質平均每80 天左右就有一半被分解。
④生命體的健康與多種化學平衡有關，如酸堿平衡、電荷平衡、水平衡、沉澱溶解平衡、維生素和微量元素平衡等。一旦某個平衡被打破，生命體就表現出某種疾病。
因此，從化學的角度，人體可以看作是一個具有智慧和自主行為能力的複雜而神奇的化學反應體系，人的生存、生長發育、喜怒哀樂和生老病死都與化學物質密切相關。1950～1955 年，全人類的平均壽命為45 歲左右，至2010～2015 年增長到了68 歲左右，這期間的生命保障，化學也是功不可沒。
材料與化學
材料（material）是具有特定用途或可以用於製造其他產品的物質。材料是人類賴以生存和發展的物質基礎。
首先，無論是青銅、鐵、鋁合金等金屬材料，還是石材、膠合板、塑膠等非金屬材料，其本身都是由化學物質組成的。例如，青銅器的青銅主要是銅錫合金，為了改善合金的工藝性能和機械性能，大部分青銅內還加入其他合金元素，如鉛、鋅、磷等。錫是一種稀缺元素，所以現在工業上還使用許多不含錫的青銅，它們不僅價格便宜，還具有所需要的性能。無錫青銅主要有鋁青銅、鈹青銅、錳青銅、矽青銅等；鋁合金由鋁和其他金屬，如鎂，按照一定比例熔煉而成。鋁鎂合金硬度大、品質輕，常用於製造飛機的機身、火箭的箭體，也可以用於管道設施、居室門窗等領域。
其次，材料的生產過程離不開化學化工技術，例如包括塑膠在內的性能各異、用途廣泛的各種合成高分子材料，都是通過小分子物質之間發生化學反應製備的。
因此，化學是材料發展的源泉和保障，而人們對新材料的需求又為化學發展增添了動力、開闢了新的空間。隨著科學技術的發展和生活水準的提高，人們對材料提出了越來越高的要求，比如要求材料具有高強度、耐高溫、隱形、自修復、形狀記憶等性能。具有特定功能的新材料的設計和合成一直是化學化工領域的一大研究熱點。
能源與化學
能源（energy）是能提供某種形式能量的物質資源，是人類和社會賴以生存和發展的必要條件。雖然世界各國都在積極開發利用太陽能、風能、水能（包括河流水庫水能、潮汐能、波浪能、海流能等）、地熱能、生物能、氫能、核能等新能源，但是石油、煤和天然氣等傳統天然資源仍然是目前能源中的中堅力量。這三種天然資源都是由化學物質組成的。
石油是從地下深處開採出來的黃色至黑色的可燃性黏稠液體，其主要成分是由碳和氫組成的烴類。煤是古代植物長期埋於地下，處於空氣不足的條件下，經歷複雜的生物化學和物理化學變化後逐步形成的可燃性礦物，含硫酸鹽、硫鐵礦等無機化合物及碳、氫、氧、氮、硫等組成的有機化合物，還有一些水分。天然氣是聚集在地層內的低分子量飽和脂肪烴類氣體，主要成分是甲烷，另有含六個碳原子以下的其他烷烴及約5%的硫化氫、二氧化碳和氮氣等非烴成分。石油、煤和天然氣除了作為能源以外，還可以提供化學工業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，由這些基本化工原料通過化學反應幾乎可以得到所有其他化工原料和產品。
隨著地球人口逐漸增多，以及工業化進程的加快，石油、煤和天然氣等不可再生的天然資源不久後將消耗殆盡，這是有識之士共同感知的危機。太陽能、風能、水能、地熱能、氫能和核能等新能源的開發是全世界面臨的一項迫在眉睫而又充滿挑戰的工程，新能源的開發過程中遇到的很多問題都需要依靠化學化工技術進行解決。
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從衣、食、住、行、清潔、美化、娛樂到疾病的發生與治療，我們的生活與化學結下了不解之緣。
當我們穿上各色服裝時，其實我們就與纖維、染料和各種織物整理劑形影不離。纖維是天然或合成的高分子材料，豐富多彩的合成纖維是化學對人類的一大貢獻；化學染料和顏料則為我們的外表添色添彩；而且人們還通過化學的方法，使衣服的保暖性、舒適性更好，耐用性、觀賞性更強。
我們一日三餐所吃的糧食中，所含的人體必需的營養成分都是天然的化學物質；要保障糧食豐產豐收也離不開化肥和農藥等人工合成的化學品。另外，要想把食物加工成色香味俱全的食品，尤其是超市里琳琅滿目的包裝食品，需要的各種食品添加劑都是天然或合成的化學物質。我們能感知到酸、甜、苦、辣、鹹、鮮等各種美味，也是化學物質的作用。
吃飽穿暖後，當我們在溫馨的家裡休息時，我們其實也是處於一個小小的化學世界中，無論是建築和裝修用的磚瓦、水泥、金屬、木材、玻璃、塑膠、塗料、黏合劑等材料，還是居室中的氣息，都和化學密不可分。當我們出行的時候，從我們穿的鞋子、走的路面，到汽車等代步工具，以及令人頭痛的交通污染，無不與化學相關。
清潔是健康的前提，而美化是對生活的高層次追求。無論是牙膏、肥皂、沐浴露、洗衣粉、洗潔精等清潔用品，還是潤膚乳、防曬霜、爽膚水、粉底、眼影、唇膏、染髮劑等護膚美容用品，都是化學品。
禮花和美酒幾乎是節日或喜慶的必備之物，禮花由多種化學成分經過多道工序製作而成，美酒則是含有乙醇及其他化學成分的水溶液。
當我們不幸生病的時候，免不了化驗、扎針、吃藥、輸液，甚至手術，化驗中常常要用到化學物質和化學反應，而從藥物、針管、輸液導管、綁帶、膠布，到手術用的一次性帽子和乳膠手套，化學品的身影同樣無處不在。
本文摘編自徐冬梅主編《走近化學》前言及第1章，內容略有刪減改動。
《走近化學》
主編：徐冬梅
北京：科學出版社，2018.3
ISBN：978-7-03-056828-1
《走近化學》從化學與眾多領域的相關性、化學的基礎知識、生命體中的化學、衣食住行中的化學、日用化學品以及環境中的化學多個角度展示與人類及人類活動密切相關的化學世界，揭開化學的神秘面紗，引導讀者瞭解化學的基礎知識並用辯證思維看待化學。通過對熱點問題的探討，培養讀者積極面對全球化帶來的各種挑戰，跨領域、多角度思考問題的能力，批判性思維能力和包容性理解能力。説明讀者拓寬知識面，優化知識結構，培養科學和人文素養，提高公民意識和社會責任感。全書注重科學性、知識性、趣味性和思辨性相結合，各章相對獨立又不乏系統性，寫作力求由淺入深、條理清晰、詳略得當。
（本期編輯：小文）
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