化学,为了更美的生活

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这是人类历史上最伟大的发现之一，一幅化学地图。119个元素构成了绚丽多彩的世界。（图1）

顶排的元素是碳、氮和氧，对生命非常重要，氧气在宇宙中的含量排第三位，人体中氧含量占了一半；在室温下，汞是唯一的液态金属，密度是水的14倍；作为火柴头的主要成分，活泼的磷能够在空气中自燃。

王佛松（中国科学院院士）：化学太神妙了。

掌握并控制这些元素，能改变人类的生活。

从古老的炼金术士，到新时代的造物主，化学家创造出了成千上万的物质。

白春礼（中国科学院院长）：化学和我们的衣食住行密切相关。

脱下树叶和兽皮之后，人类换上了棉布与丝绸，如今，又把石油和水穿在身上。钻石，为什么恒久远？色彩，究竟从何而来？

服装的变化浓缩了文明的发展历程。衣服不仅能抵御寒冷，保护身体，还可以传递社会信息。现在，人们在衣着上追求更多美丽的色彩、更加舒适的面料，以及更全面的功能。没有化学的力量，这一切都不可能实现。

现代化学工业的开端，起源于一抹美丽的蓝色。

在没有化工颜料之前，染料来自于大自然，最好的蓝色颜料取自稀缺的青金石。这是一种蓝中带紫、闪着点点金光的矿石，蕴藏着幽邃的光辉，最适宜描绘天空的深远。（图2）

一位初到罗马的年轻画家，正为这种蓝色颜料发愁。由于青金石稀少而昂贵，价格和黄金相同，他不得不在一幅快要完成的画作上留下空白。许多年后，这个年轻人创作出了大卫像、西斯廷教堂壁画和圣彼得大教堂圆顶等一系列伟大的艺术品，他的艺术思想影响了几个世纪。然而，那幅《埋葬基督》中的空白，却成了艺术巨匠永留的遗憾。（图3）（图4）

假设米开朗基罗生活在今天，这种遗憾绝对不会发生。

图1 化学元素周期表

两种不同颜色的溶液混合的瞬间，变成了青蓝色。只要将这种溶液抽滤、烘干，就能得到一种粉末状的晶体。蓝中带紫，闪着点点金光——这正是米开朗基罗曾经求之不得的蓝色颜料。

如今能够轻而易举地得到它，这要归功于18世纪德国化学家狄斯巴赫的偶然发现。

两种不同颜色的溶液。偏红的是三氯化铁，黄色的是铁氯化钾，这正是狄斯巴赫当年伟大的实验使用的原料。将这两种物质充分混合，经过过滤、烘干之后，得到了漂亮的蓝色沉淀，狄斯巴赫将其称之为“普鲁士蓝”。（图5）

仅仅使用两种含铁的化合物，狄斯巴赫制成了世界上第一种合成颜料。

铁是地球上含量最丰富的元素之一，地球其实就是个铁矿。火星则由于含有氧化铁而呈现红色。铁是有光泽的银色金属，但它在潮湿空气中很快就会生锈。加入1.7%的碳，铁就变成更耐久的不锈钢。

不要小看这个简单的实验，狄斯巴赫的成功之处在于，他窥见了制造化合物的潜能。

白春礼：化学也是最具创新活力的学科，世界上现在有上千万种化合物是化学家合成的，是自然界本不存在的。是通过研究原子、分子之间的相互作用，经过合成的方法，构成这些新的物质，以满足人类生活的各种需要。

不需要提炼矿石或植物，也可以合成出漂亮的颜色。这意味着，有机合成不但可以弥补天然物质的不足，甚至在某些方面还使其得到改善。当时化学家将这一理论的第一批成果应用在了染料领域。1850年之后，化学给这个世界带来了各种各样的色彩。

王佛松：很多花梢的衣服，各种颜色的衣服，染料是化学家搞出来的，没有漂亮的化学染料，天然染料哪能染出那么多好看的衣服？

王柏华（北京服装学院教授）：合成染料的好处是它的颜色，色彩，色谱特别丰富。

不过，合成新物质并非将各种化学物质混在一起那么简单。

王佛松：水是氧和氢结合的化合物，它的分子很简单，两个氢原子一个氧原子结合起来。但是怎么使原子结合起来，变成一个新分子呢？

水，覆盖了地球表面大约三分之二的面积。它是我们最熟悉、也是最简单的化合物之一。氢原子和氧原子是怎样结合在一起的呢？

或许，化学界一对性格迥异的“同胞兄弟”，能告诉我们答案。

钻石，自然界最硬的物质。它璀璨、稀少、价格昂贵。对性感女神玛丽莲·梦露来说，钻石是“姑娘们最好的朋友”；而在化学家眼中，它和铅笔芯没什么两样——都是碳元素的单质而已。（图6）

图2 青金石

图3 圣彼得大教堂

图4 米开朗基罗画作《埋葬基督》

图5 伟大的实验

图6 钻石与石墨标本

所有元素都是由原子构成的。钻石和石墨这对“同胞兄弟”之所以性格迥异，是因为碳原子排列的方式大不相同。

C代表碳，H代表氢，短线代表链接原子的化学键。（图7）

碳的4个键能以不同强度连接其它碳原子，这是碳能以两种极端形式存在的原因。在钻石中，碳原子的4个键以三维的方式连接其它碳原子，这是钻石最硬的原因；但在石墨中，碳原子只有3个键在同一平面中连接其它碳原子，这使得连接较弱，因此石墨显得非常软。（图8）

王佛松：世界上那么多东西，都可从化学键这里得到解析，一百多个元素，通过不同的结合，可生成数以万计，数以百万计，数以亿计的化合物，就是靠化学键，这是个很了不得的理论。

碳的四个键，使它具有另外一个特别的性质。

我们把非常熟悉的一幅名画中的人想像成是一个碳原子。他的一只手连接一个其它原子，另一只手连接另一个原子，两只脚也能连接。所以四键的碳能与很多原子化合。碳能形成环和长链，很少元素具有这样的性质。（图9——1图9——2 图9——3）

很多物质中都有碳，从恐龙的化石，到最小的病毒。碳存在于DNA、纤维素、脂肪和糖类中，对生命十分重要。人类从出生到死亡，都依靠碳作为营养，每个人一天平均要摄入300克碳。

含碳的化合物比其他任何化合物都多。所以，掌握了碳的化学合成，就能设计和制备新的化合物。现代化学工业很快进入了这个领域。

2 0世纪3 0年代，一个名叫华莱士·卡罗瑟斯的美国化学家驾驭了碳元素，并将碳变成了金钱。