化學

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化學是研究物質組成結構以及屬性,和它們在化學反應當中變化的科學
在化學反應當中,連接原子的鍵斷裂並重新形成,形成了具有不同性狀的物質。在一個巨熱的鍊鋼爐當中,氧化鐵即一種化合物和一氧化碳形成了鐵(一種化學元素)和另外一種化合物:二氧化碳。
1931年的化學實驗室
香港科技大學生物化學學院實驗室中的工作檯

化學拉丁語Chemia希臘語Χημεία德語Chemie英語Chemistry法語Chimie西班牙語Química)是一門研究物質的性質、組成、結構、變化,以及物質變化規律的科學。化學研究的對象涉及物質之間的相互關係,或物質和能量之間的關聯。傳統的化學常常都是關於兩種物質接觸、變化,即化學反應[1],又或者是一種物質變成另一種物質的過程。這些變化有時會需要使用電磁波,當中電磁波負責激發化學作用。不過有時化學都不一定要關於物質之間的反應。光譜學研究物質與光之間的關係,而這些關係並不涉及化學反應。

「化學」一詞,若單從字面解釋就是「變化的科學」之意。化學主要研究的是化學物質[2]互相作用的科學. 化學如同物理皆為自然科學基礎科學。很多人稱化學為「中心科學英語The central science」,因為化學為部分科學學門的核心,如材料科學奈米科技生物化學等。

研究化學的學者稱為化學家。在化學家的概念中一切物質都是由原子或比原子更細小的物質組成,如電子中子質子[3]一堆原子結合以後可以成為各種其他物質,例如分子離子或者晶體

化學亦經常被稱之為「中心科學」,因為其連接物理概念及其他科學,如生物學。當代的化學已發展出許多不同的學門,通常每一位化學家只專精於其中一、兩門。在中學課程中的化學,化學家稱為普通化學德語Allgemeine Chemie英語General Chemistry法語Chimie Générale)。普通化學是化學的導論。普通化學課程提供初學者入門簡單的概念,相較於專業學門領域而言,並不甚深入和精確,但普通化學提供化學家直觀、圖像化的思維方式。即使是專業化學家,仍用這些簡單概念來解釋和思考一些複雜的知識。

辭源[編輯]

英語中的「化學」(chemistry)一字的語源有多種說法。一種說法認為是由「鍊金術」(alchemy)得名的。英語中「alchemy」一詞源於古法語的「alkemie」和阿拉伯語的「al-kimia」,意為「形態變化的學問」(the art of transformation)。阿拉伯語中的「kimia」一字則源於希臘語。亦有另一種說法認為英語中的「chemistry」一字源自埃及語中的「kēme」,意思是「」(earth)。

中國,「化學」一詞最早出現在1857年墨海書館出版的期刊《六合叢談[4]偉烈亞力提及王韜在其日記中記載了從戴德生處聽聞的「化學」一詞[5][6]。一般認為中文中的「化學」一詞是徐壽翻譯英國人的書《化學鑒原》一書時發明的。

「化學」一詞被介紹到日本,取代了原先日語中的譯法「舍密」[7][4]

歷史[編輯]

人類早期對火的認識[編輯]

最早的化學要算是人類對的研究。對於當時的人來說,火可以將一種物體變成另一種物體,所以成為了當時人最有興趣研究的現象。如果沒有火,人類不會發現到玻璃的製造方法。

鍊金術[編輯]

人類發現了黃金這種貴重的金屬之後,很多人轉移研究怎樣把其他物質變成黃金。公元前300年至1500年,煉金術士皆研究如何將一些便宜的金屬轉化成黃金,因此累積了金屬的提取和處理有關的觀察和技術。有些煉金術士主要的工作是製造藥物,中國當時亦有所謂煉丹術。2000年前,人類已廣泛使用青銅。當時的人類文明,對於陶瓷染色釀造造紙火藥等在工藝方面已有一定成就,在技術經驗上,對物質變化的理解已有一定觀察和文獻累積。

早期化學[編輯]

早期化學家收集了很多不同物質的資料。在17世紀以前,化學成就並不大(燃素說、煉金術),其中較有成就者如:羅伯特·波義耳。到了1750年,化學仍有幾分神秘色彩,並為不正確的理論支配著。直到1773年,拉瓦錫提出了質量守恆定律,並以氧化還原反應解釋燃燒現象,推翻了盛行於中世紀的燃素說,才開啟了現代化學之路他因此被尊崇為「化學之父」。接著道爾頓整合當時的化學知識並以自身的實驗所得提出了劃時代的原子說,此後,一些化學家相繼發現了各種化學元素,後來門得列夫建立了元素週期表另化學視界更臻完備。1901年,化學家諾貝爾以其遺產成立了諾貝爾化學獎表揚對化學,對人類有貢獻者。

現代化學[編輯]

現代化學始於20世紀初期蓬勃發展的量子力學萊納斯·鮑林引進量子力學解釋化學鍵的本質,得以用波函數線性疊加來描述。質子中子電子的發現,使化學真正由原子尺度來理解化學反應量子力學電子學的發展,使得許多新型儀器得以開發,來探索和分析化合物的結構和成分,如原子分子光譜儀X射線核磁共振質譜儀等。

當代化學[編輯]

移液器,一種生化常用的實驗儀器
正在做實驗的人

當代化學大致分為四大學門,各學門又有許多延伸的子學門和應用化學領域。

四大學門主要為:

  • 物理化學是從物理角度分析化學原理的化學學門,可謂近代化學的原理根基。物理化學家關注於分子如何形成結構、動態變化、分子光譜的根本原理,以及平衡態等基本問題,涉及熱力學動力學量子力學統計力學等重要物理領域。物理化學和化學物理兩者差異不大,端看研究者所關注或偏向的層面而定。大體而言,物理化學為四大學門中最講求數值精確以及理論架構嚴謹的學門。
  • 分析化學開發分析物質成分、結構的方法,使化學成分得以定性和定量,化學結構得以確定。分析化學是化學家最基礎的訓練之一。化學家在實驗技術和基礎知識上的訓練,皆得力於分析化學。當代分析化學著重儀器分析,常用的分析儀器有幾大類,包括原子與分子光譜儀、電化學分析儀器、核磁共振、X光及質譜儀。
  • 有機化學研究碳、氫、氧、氮、硫等元素組成的化合物的化學學門。有機化學主要研究有機化合物的合成途徑和方法、機構和物理性質。由於有機化學高度的應用性和悠久的發展歷史,通常被普羅大眾視為當代化學的代名詞。有機合成和新反應途徑的開發,對於藥物,天然物,生物和材料高分子的開發,都是極為重要的一環,對於化學工業有極大的影響。
  • 無機化學有機化合物以外元素的化學領域,研究化合物的合成途徑和方法,機構和物理性質,最常見的分子體系為金屬錯合物。有機和無機化學領域常有交疊,甚至有密不可分的趨勢。有機金屬化學就是一門結合有機和無機領域的化學。

其他延展和應用的學門:

  • 理論化學從物理的理論去解釋各種化學現象的學門。
  • 計算化學由於分子體系的複雜性,分子的反應,動態,結構,經常是無法完全以量子力學做計算的。因此計算化學提供各種簡約的計算方法,來預測並輔助實驗結果的推斷。實用性上已有諾貝爾獎的肯定,如1998年獲諾貝爾化學獎的密度泛函方法。
  • 生物化學生物化學是研究生物體內發生的化學反應和相互作用的學科,被應用於研究細胞中各組分(例如蛋白質,碳水化合物,脂類,核酸以及其他生物分子)的結構和功能。 生物化學被廣泛應用於蛋白質各項化學性質的研究,特別是應用於酶促反應的研究。
  • 熱化學是以熱力學的觀點來研究化學,以等狀態函數來描述和預言化學物質穩定性和化學反應發生的結果。
  • 電化學是研究各種因為推動而發生的化學作用或者會在運作途中産生電力的化學作用的科學學門。生活中常見的各種電池就是電化學的研究成果。
  • 光化學研究各種化學物質,受到各種頻率光線照射之後的化學反應變化。
  • 藥物化學研究化學物質怎樣用於藥物中,從而改變藥物的功效,做出醫療的作用。它其實是幾個化學門派,包括有機化學、生物化學、物理化學,及幾個不屬於化學的科學學門,包括藥理學分子生物學統計學的結合。
  • 量子化學量子力學及其他純理論手段解釋各種化學現象。
  • 核子化學研究不同的次原子粒子怎樣走在一起,形成一個原子核,及研究一個原子核中的物質如何變化。
  • 放射化學是化學的一個分支,旨在研究那些參與化學反應物質屬於或帶有放射性同位素的化學反應的一門學科。例如,採用的放射性同位素 125I 標記各種蛋白質激素,以便利用放射免疫分析技術,檢測血清標本之中相應物質的濃度。
  • 天體化學研究外太空的化學物質,分析它們的成分、結構與地球上的物質有什麼不同。
  • 大氣化學是一種對地球大氣層及其他星球的大氣層的研究。大氣化學都會研究環境變化途中發生過什麼化學反應,是大氣科學的一個重要分支學科。
  • 環境化學從化學角度研究自然環境中生物的變化。
  • 綠色化學研究怎樣從化學角度減低污染
  • 資訊化學用電腦去解決化學上的問題。
  • 地球化學研究地殼中各種物質的化學特性,解釋它們的構造。
  • 石油化學從化學角度研究石油天然氣的特性及煉油技術。
  • 高分子化學研究比較大的分子,即是高分子,例如發泡膠怎樣造出來和有些什麼特性。高分子化學亦會研究怎樣令很多分子結合為一粒高分子。
  • 超分子化學研究共價鍵以外各種化學鍵,例如氫鍵范德華力疏水效應的運作。

基本概念[編輯]

原子[編輯]

一粒原子是由原子核及外圍帶負電荷的電子組成的粒子,一般而言是化學研究的最小尺度範疇。原子核由質子中子組成。電子帶負電荷,質子帶正電荷,個數相同使得電荷平衡,令整個原子呈中性。

氦原子的結構示意圖

元素[編輯]

一種元素即是所有原子核內有一樣多的質子的原子的統稱,例如這種元素中所有原子都是只有一粒質子。這個概念換過來說亦可:所有原子核中有六粒質子的原子都是,所有原子核中有九十二粒質子的都是。元素亦有另一定義,就是所有不可以用化學方法分解的物質都是元素。

在這麼多種列舉元素的方法中,最常用和最方便的莫過於元素週期表。週期表根據原子序數來排列原子,而原子序數就是一粒原子中質子的數量。因為這個奇怪的排列,排在一起的元素,無論是同一個直行、同一個橫行還是純粹在附近,都有一些大致上固定的關係。

同一種元素可能有很多個不同的同位素。它們除了重量有些分別,或者有的因為太多、太少中子而導致原子核不穏定之外其他東西大致一樣。

元素周期表

物質[編輯]

化學物質是指一種物體,它既確定了其化學組成,也確定了它的化學屬性[8]。嚴格的來講,混合的化合物,元素等都不能算是化學物質,只能說是化學藥品或者說化學製品。大多數我們日常生活碰到的化學品都是混合物,比如空氣合金生物製品

命名法[編輯]

物質的命名法在化學語言當中是最嚴格的一環。早在很久以前,化合物的命名是由其發現者自行決定的,這樣則導致了命名的困難和混亂。而現在我們最常用的還是國際純粹與應用化學聯合會 (International Union of Pure and Applied Chemistry) (IUPAC) 命名方法。它用一個命名系統讓所有的化合物都有一個獨有的名稱和代碼。有機化合物通過有機命名[9]系統命名;而無機化合物通過無機命名[10]系統命名。而通過化學索引服務(Chemical Abstracts Service),我們可以輕鬆的通過CAS號(CAS registry number)來找到每一個化合物的性質、特性、命名和結構。

分子[編輯]

一個分子結構式描述了化學鍵以及它在分之中所連接的原子的位置,圖上為紫杉醇的分子結構

一個分子是化合物的最根本組織,不用化學方法是拆不開的。大部分分子都是由兩個或以上原子組成,但是都有些特例,例如氣分子,只有一個原子。這些原子,如果多於一個,是由化學鍵結合。

離子和鹽[編輯]

離子是帶電荷的物質,可以由原子或分子失去或得到電子形成。正離子(例如離子Na+)和負離子(例如離子Cl)結合可以成為電荷中性的(例如食鹽NaCl)。有些離子是由幾個原子組成,而它們進行化學作用的時候又不會分離,例如磷酸根離子(PO43−)、銨離子(NH4+)。氣相的離子通常被稱為電漿體

酸鹼性[編輯]

物質可以被分類為一種或者是一種。通常我們有幾種進行酸鹼分類定義的理論。其中最簡單的要數阿累尼烏斯理論Arrhenius theory),它認為:酸是能夠在水當中電離出水合氫離子的物質;而相反鹼則是在水當中電離出氫氧根離子的物質。而 酸鹼質子理論Brønsted–Lowry acid-base theory)則認為酸是能夠在化學反應中給其他物質氫正離子的物質;而鹼則是相應能得到氫離子的物質。第三種理論被稱作是路易士酸鹼理論Lewis acid-base theory),它是基於形成化學鍵之上的。路易士理論認為:酸是在鍵的形成當中接受了一對電子;而鹼則是在形成鍵的過程中給予了其他物質一對電子。因此,一個物質如果對於不同的酸鹼理論來說,可能在此是酸,在另外一個理論來說卻是鹼。

酸性強度的衡量方法主要有兩種:第一種是阿累尼烏斯定義的也就是我們最常用的pH,它是通過衡量一個溶液當中氫離子的濃度來確定酸性的大小。它的計算方法是 pH=-log10[H+],也就是pH等於氫離子濃度的負對數(以10為底)。因此可以說,擁有更高濃度的氫離子溶液,其pH越低而酸性更強。第二種是Brønsted–Lowry定義,也就是酸解離常數(Ka),它衡量的是物質作為酸的時候給予氫離子的能力。因此一個酸性越強的物質,其Ka更高,更具有給予氫離子的的傾向。同樣的我們可以用pOH代替pH, Kb代替Ka來說明鹼性強度。

氧化還原[編輯]

氧化還原的概念和一個物質的原子獲取或者給予電子的能力有關。物質擁有氧化其他物質的能力就被成為氧化性,而此物質被成為氧化劑oxidizing agents),或者成為氧化物。一個氧化劑能夠將電子從其他的物質上移走。相應的,具有還原其他物質的物質被稱作有還原性而成為還原劑reducing agents)或者成為還原物。一個還原試劑能夠傳遞給其他物質電子並且氧化自身。 而正因為其「給予」了其他物質電子,它還被稱為供電子物。 氧化還原的性質與氧化數oxidation number)有關--其實真正的給予或者獲取完成的電子並不存在。 所以,氧化過程被定義為增加了氧化數,而還原則是降低的氧化數。

化學品[編輯]

化學品泛指一切有確實化學構造及化學成份的物質,所以又稱化學物質。它們可以是元素、化合物或混合物。日常生活中,我們會遇到的東西多數都是混合物,例如合金

化合物[編輯]

一顆氯化鈉(食鹽)的結晶

化合物是一些以不同元素用固定比例結合而成的物質。成份的比例決定了它的化學特性。例如是用以二比一組合而成,結果它三個原子之間就造了一個104.5度的角度出來。不同化合物及元素之間的變化稱為化學反應

摩爾以及物量[編輯]

摩爾英語mole)(僅台灣地區使用莫耳一詞)是物量國際單位,符號為mol。1摩爾是所含基本微粒個數與12碳-12({}_6^{12}\!\mbox{C})中所含原子個數相等的一系統物量。使用摩爾時,應指明基本微粒,可以是分子原子離子電子或其他基本微粒,也可以是基本微粒的特定組合體。1摩爾物質中所含基本微粒的個數等於亞佛加厥常數,符號為NA,數值約是6.0221367×1023,常取6.02×1023

一種物質的摩爾質量式量,在使用國際單位制時,在數值上相等。

化學鍵[編輯]

原子電子以及分子軌域

化學鍵是指組成分子材料的粒子之間互相作用的力量,其中粒子可以是原子離子或是分子。化學鍵的物理本質來自於原子和原子之間電子靜電力量子力學上意指原子間電子的波函數線性疊加。化學鍵是化學最重要的概念之一,物理理論本質由萊納斯·鮑林建立。化學家為能簡潔表述化學鍵並規避量子力學的複雜性,將化學鍵分類為共價鍵離子鍵金屬鍵,較弱的鍵結如氫鍵等。無論分類為何,其物理本質都是相同的。

分子間力[編輯]

分子間力是不同分子之間的作用力,主要有氫鍵范德華力親水作用疏水作用等,這種作用力比化學鍵弱,容易打開或重新組合,但是是形成分子空間排列和架構的重要作用力,是現代化學的重要研究方向之一。

物理特性[編輯]

湧上沙灘造成,就是水與的物理特性

物質有時會是液體,有時會是固體,有時會是氣體,這些叫作物質的相態。一件物質是否軟、透不透光、透光的話它的折射率是多少,這些都是一件物質的物理特性。總而言之,物理特性即是一種物質不靠化學作用都可以斷定到的特性。

化學反應[編輯]

氯化氫發生化學反應生成氯化銨

化學反應是一種物質轉變為另一種物質的過程,涉及分子元素的交換和化學鍵的轉移、形成或消失。化學反應形成的改變既可令很多獨立的分子結合,也可將一個較大型的分子拆開成為很多獨立的小分子,甚至是同一分子內有原子移動,即使原子的數量沒有改變,但仍會構成化學反應。

平衡[編輯]

能量[編輯]

化學定律[編輯]

化學反應的守恆必須符合物理守恆定律,反應前後應符合:

化學工業[編輯]

化學工業(化工)是當代經濟活動當中重要的一部分.全球50大化學品製造商在2004年共銷售了5870億美元的業績, 其中利潤佔據了8.1%, 其中研發成本佔據了2.1% [11]

學科分類[編輯]

  • 無機化學是研究無機化合物的化學。
  • 有機化學是研究有機化合物的結構、性質、製備的學科,又稱為碳化合物的化學。
  • 分析化學是開發分析物質成分、結構的方法,使化學成分得以定性和定量,化學結構得以確定。
    • 定性分析主要任務是確定物質(化合物)的組分
    • 定量分析需要測定物質(化合物)中各組分的相對含量的分析方法
    • 儀器分析是用儀器的物理學方法, 測量物質的物理和化學性質的參數, 並實驗其變化, 以此判斷其化學成份, 元素含量, 甚至化學結構等。
  • 生物化學是研究生物體中的化學進程的一門學科,常常被簡稱為生化。
  • 材料化學(材料科學或材料工程)是一個多學科領域,涉及物質的性質及其在各個科學和工程領域的應用。它是研究材料的製備或加工工藝、材料的微觀結構與材料宏觀性能三者之間的相互關係的科學。
  • 核化學又稱為核子化學,研究原子核(穩定性和放射性)的反應、性質、結構、分離、鑒定等的一門學科。
  • 物理化學是一門從物理學角度分析物質體系化學行為的原理、規律和方法的學科,可謂近代化學的原理根基。
  • 理論化學運用非實驗的推算來解釋或預測化合物的各種現象。近年來,理論化學主要包括量子化學,即應用量子力學來解決化學問題。
    • 量子化學是應用量子力學的規律和方法來研究化學問題的一門學科。
  • 結構化學是研究原子、分子和晶體結構以及結構與性能之間關係的學科。近幾十年,這門學科獲得迅速發展,結構化學觀點不僅滲透到化學各個分支學科領域,同時在生物、材料、礦冶、地質等技術科學中也得到應用

其他還有諸如放射性元素核化學放射分析化學同位素化學輻射化學核燃料反應爐裂變產物化學、、地球化學海洋化學大氣化學環境化學宇宙化學星際化學藥物化學農業化學石油化學木材化學土壤化學煤化學食品化學化學地理學天體化學岩石化學空間化學膠體與界面化學

參見[編輯]

註釋及參考資料[編輯]

  1. ^ Chemistry. (n.d.). Merriam-Webster's Medical Dictionary. Retrieved August 19, 2007.
  2. ^ What is Chemistry?
  3. ^ Matter: Atoms from Democritus to Dalton by Anthony Carpi, Ph.D.
  4. ^ 4.0 4.1 沈國威. 譯名「化學」的誕生. 自然科學史研究. 2000, 19 (1): 55–71. 
  5. ^ 參看《朗文化學詞典》,香港朗文出版社出版,1997年
  6. ^ 有關「化學」一詞的譯名來源亦可參看譯名「化學」的誕生
  7. ^ 註釋:「舍密」一字是音譯荷蘭語中的"chemie"一字的
  8. ^ Hill, J.W.; Petrucci, R.H.; McCreary, T.W.; Perry, S.S. (2005). General Chemistry (4th ed.). Pearson Prentice Hall. p. 37.
  9. ^ IUPAC Nomenclature of Organic Chemistry
  10. ^ IUPAC Provisional Recommendations for the Nomenclature of Inorganic Chemistry (2004) [1]
  11. ^ "Top 50 Chemical Producers". Chemical & Engineering News 83 (29): 20–23. July 18, 2005. http://pubs.acs.org/cen/coverstory/83/8329globaltop50.html

參考文獻[編輯]

  • Atkins, P.W. Galileo's Finger (Oxford University Press) ISBN 0-19-860941-8
  • Atkins, P.W. Atkins' Molecules (Cambridge University Press) ISBN 0-521-82397-8
  • Stwertka, A. A Guide to the Elements (Oxford University Press) ISBN 0-19-515027-9
  • Chang, Raymond. Chemistry 6th ed. Boston: James M. Smith, 1998. ISBN 0-07-115221-0
  • Atkins, P.W., Overton, T., Rourke, J., Weller, M. and Armstrong, F. Shriver and Atkins inorganic chemistry (4th edition) 2006 (Oxford University Press) ISBN 0-19-926463-5
  • Clayden, J., Greeves, N., Warren, S., Wothers, P. Organic Chemistry 2000 (Oxford University Press) ISBN 0-19-850346-6
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  • Atkins, P.W. et al. Molecular Quantum Mechanics (Oxford University Press)
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  • Pauling, L. The Nature of the chemical bond (Cornell University Press) ISBN 0-8014-0333-2
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  • Smart and Moore Solid State Chemistry: An Introduction (Chapman and Hall) ISBN 0-412-40040-5

外部連結[編輯]