1-4 化学反应

到现在为止，在我们所描述的一切过程中，原子和离子的伙伴并没有变更，但是当然也有这种情况，原子的组合的确改变了，形成新的分子。图1-8就是说明这一情况的。在一个过程中如果原子的伙伴重新排列，我们就称之为 化学反应 。其他前面所描述的过程称为物理过程，但是两者之间并没有明显的界限（大自然并不关心我们究竟如何去称呼，它只知道不断地进行工作）。图1-8表示碳在氧气中的燃烧。在氧气中，两个氧原子紧紧地吸引在一起（为什么不是 三个 甚至四个吸引在一起？这是此类原子过程的一个很典型的特征。原子是非常特别的：它们喜欢一定的伙伴，一定的方向，等等。物理学的任务就是要分析每一个原子为什么想要它所希望要的东西。无论如何，两个氧原子形成了一个饱和的、适宜的分子）。

这些碳原子应该处于固态晶体之中（可以是石墨，也可以是金刚石 ）。现在，比如说有一个氧分子跑到碳这边来，每个氧原子可以抓住一个碳原子而以一种新的组合——“碳氧”——一起飞走，这就是所谓的一氧化碳气体分子，它的化学名称是CO。这种气体分子很简单：字母“CO”实际上就是这个分子的一个画像。但是碳吸引氧的能力比氧吸引氧或者碳吸引碳的能力更大。因此，在这个过程中氧原子可能在到达时只带有一点点能量，但是氧和碳的结合却是非常彻底而剧烈的，所有靠近它们的原子都吸收能量。于是就产生了大量的分子运动的能量——动能。当然，这就是 燃烧。 我们从氧和碳的结合得到了 热量 。这种热量通常是以热气体的分子运动的形式存在的，但是在某些情况下，由于热量非常大而 发出了光 。这就是产生 火焰 的过程。

此外，一氧化碳分子并不感到满足。它可能再缚住另一个氧原子，因此，可能出现远为复杂的反应：氧与碳会结合起来，同时偶而又与一氧化碳分子碰撞。于是一个氧原子可能结合到一个一氧化碳分子上，最终形成另一个分子，它包含一个碳原子和两个氧原子，称为二氧化碳，并以CO ₂ 表示。假如我们以很快的速度在很少的氧气中燃烧碳的话（例如，在汽车引擎中，爆炸是如此迅速，以致没有时间形成二氧化碳）就形成了大量的一氧化碳。在许多这种重新排列的过程中，大量的能量被释放出来，依反应条件的不同而形成爆炸、火焰等。化学家研究了这些原子的排列情况，发现每一种物质都是某种类型的 原子的排列 。

为了说明这个概念，我们来考虑另一个例子。如果我们走到一个紫罗兰花圃里去，我们知道那是一种什么香气。这是某种 分子 或者说原子排列钻进了我们的鼻子。首先，这种分子是怎样钻进来的呢？这很容易。假如香气是飘浮在空气中的某种分子，它们就会到处晃动，四面八方地撞来撞去，很可能偶尔钻进了我们的鼻子。可以肯定，分子并不想特别进入我们的嗅觉器官。在挤成一堆的分子中，大家都无目的地到处徘徊，而碰巧有一些分子却发现自己原来已到达人的鼻子中了。

现在，化学家可以取一些像紫罗兰香气这样特殊的分子进行分析，然后告诉我们原子在空间的 精确排列 。我们知道二氧化碳分子的结构是简单而对称的：O—C—O（这也很容易用物理方法来确定）。然而，即使对化学中那些非常复杂的原子排列，人们也可以通过长期的、卓越的探索工作来查明其排列方式。图1-9是空气中紫罗兰香气图。我们再一次发现有氮、氧以及水蒸气（为什么这儿有水蒸气？因为紫罗兰是湿的。所有的植物都会蒸发水气）。然而，我们还看到一个由碳原子、氧原子及氢原子组成的“怪物”，它也选择了一种特殊的排列形式。这种形式比二氧化碳的排列远为复杂，事实上，它是一种极为复杂的排列。遗憾的是，我们无法画出所有那些在化学上已确实知道的情况，因为所有的原子的精确排列都是三维的，而我们的画面只能是二维的。六个碳原子组成了一个环，但它不是扁平的，而是一种“皱褶”的环。环的所有角度和间距都已知道。所以一个化学式只是这样的分子的一个画像。当一位化学家把它写在黑板上时，粗略地说，他是在二维空间里“画”图。比如，我们见到六个碳原子组成的一个“环”，在一个端点还悬挂着一条碳“链”，链的第二个端点的碳上有一个氧原子，还有三个氢原子连在那个碳原子上，两个氢原子和三个碳原子竖在这儿，等等。

化学家是怎样发现这种排列的呢？他把几瓶东西混合起来，如果变红了，就说明，在某处有两个碳原子与一个氧原子联结在一起；如果变蓝了，就说明根本不是那么一回事。这是所做过的最奇妙的探索工作之一——有机化学。为了发现极其复杂的阵列中的原子排列，化学家观察两种不同的物质混合后究竟会发生什么事？当化学家描述原子的排列时，物理学家从来不怎么相信化学家了解他在谈论的是什么。大约在20年前就能在某些情况下用物理方法来研究这些分子的排列（不完全像我们这个分子那样复杂，只包括了它的一部分），而且能通过 测量 而不是观察颜色来确定每个原子的位置，嗨！你瞧！化学家几乎总是正确的。

结果，实际上紫罗兰的香气里有三种略为不同的分子，其差别仅在于氢原子的排列不同。

化学的一个任务是给物质命名，从而使我们知道它是什么。给这种形状起个名字看看。这个名称不仅要表明形状，而且还要说出这里是一个氧原子，那里是一个氢原子——确切地说出每个原子的名称和位置。所以我们可以设想，为了全面起见，化学名称一定是十分复杂的。你们看！这个东西的比较完整的名称是4-（2，2，3，6-四甲基-5-环己烯基）-3-丁烯-2-酮，它告诉你这样东西的结构，还告诉你这就是它的排列方式。我们可以意识到化学家所遇到的困难，也懂得这样长的命名的理由。化学家们并不想把名称搞得这样晦涩难解，但在试图用词汇来描写分子时，他们却遇到了非常棘手的问题！

图1-10是 α -鸢尾酮香料的分子结构图。

我们怎么 知道 存在着原子呢？可以用上面提到过的一种技巧：我们 假设 存在着原子，而一个又一个的结果与我们的预言相符合，如果事物真 是 由原子组成的话，它们就应当如此。此外，也多少有点更为直接的证据，下面就是一个很好的例子。由于原子是如此之小，你用光学显微镜观察不到它，事实上，即使用 电子 显微镜也不行（用光学显微镜，你们只能看到大得多的东西）。要是原子一直在运动，比如水中的原子，那么如果我们把某种较大的球放到水中去，这个比原子大得多的球就会晃来晃去——就像玩球时，一个很大的球被许多人打来打去一样。人们向各个方向推球，结果球在场地上作不规则的运动。同样，“大球”也将运动，因为它在各方面受到的碰撞不等，在各个时刻受到的碰撞也不等。因此，如果我们用很好的显微镜观察水中很小的粒子（胶粒），就能看到微粒在不停地跳动，这是原子碰撞的结果。这种运动称为 布朗运动 。

我们在晶体结构上也可看到进一步的证据。在许多情况下，由X射线分析推断出的结构在空间“形状”上与自然界中的晶体实际上显示出来的形状相符合。实际晶体的各个“面”之间的夹角，与从晶体是由多“层”原子构成的假设推断出来的角度之差在秒以下。

一切都由原子构成 。这就是关键性的假设。例如，在整个生物学中最重要的假设是： 动物所做的每件事都是原子做的 。换句话说： 没有一件生物所做的事不能从这些生物是 用服从物理定律的运动原子组成的这个观点来加以理解 。这在开始时并没有认识到：提出这种假设需要做一些实验与推理。但现在它已被接受了，它是在生物学领域内产生新观念的最有用的理论。

如果一块由一个挨一个的原子组成的钢或盐可以具有这种有趣的性质；如果水——它只不过是些小滴，地球上到处都有——可以形成波浪和泡沫，这些波浪冲向水泥堤岸时会产生冲击声和奇妙的浪花；如果一流细水永远只能是一堆原子， 那么还会有什么呢 ？假设我们不是把原子排成确定的样式，再三重复，不断反复，或者甚至形成像紫罗兰香气那样复杂的东西，而是制造出一种各处 都不相同 的排列：不同的原子以不同的方式配置，不断改变，从不重复，那么事情会变得更加不可思议吗？——那个在你面前走来走去与你攀谈的东西可能是一大群排列得非常复杂的原子吗？这个东西的彻底复杂性可能动摇你对它产生一些什么想象吗？当我们说，我们是一堆原子，这并不意味着我们 只是 一堆原子，当你站在镜子面前，你就能在镜子里看到，一堆并非简单地一个一个重复排列的原子所组成的东西将会具有何等丰富而生动的内容！ sZL4kzH2E3zXi2TImMUtoNLeQu3QoGhRrKgKF6q0l1uDkUrnKHFSIe5IFoIi2DP+