撇開暗物質(zhì)不談，98%的物質(zhì)都是純氫和氦。但值得慶幸的是，數(shù)十億年前，超級巨星們將氫和氦融合成所有其他元素，然后以大爆炸的方式，將它們擴散到整個宇宙。這就是化學(xué)的起源。這些元素組合在一起形成巨大的不同的分子組合，這些分子以驚人數(shù)量的復(fù)雜方式結(jié)合在一起。
一、大學(xué)化學(xué)
化學(xué)是研究物質(zhì)的所有形態(tài)及其相互作用的學(xué)科。從簡單的原子到復(fù)雜的生物分子，比如蛋白質(zhì)和DNA。
人類對化學(xué)的興趣由來已久。如果沒有火的化學(xué)反應(yīng)，我們就不會成為今天的我們。我們用它來開發(fā)其他化學(xué)技術(shù)，從烹飪食物，用槳制造金屬或制造玻璃，等等。從那時起，人類文明的許多進步都是建立在化學(xué)進步的基礎(chǔ)上的，比如金屬加工、制造化肥、制造新材料和藥物。
讓我們看看在化學(xué)學(xué)科里，都有什么。
首先，物質(zhì)和所有不同的物質(zhì)都是由最小的尺度構(gòu)成的。我們從原子和元素周期表開始，元素周期表組織了所有不同類型的原子，即化學(xué)元素。每個色譜柱中的元素具有相似的化學(xué)性質(zhì)。原子是由原子核中的質(zhì)子和中子構(gòu)成的，周圍環(huán)繞著電子。大部分的化學(xué)反應(yīng)都是由電子的行為決定的。通過將原子結(jié)合在一起，你可以得到不同種類的分子，它們被稱為化合物。
化合物的化學(xué)性質(zhì)通常與組成它們的元素非常不同，比如，氫很容易爆炸，氧氣很容易燃燒。但把它們結(jié)合起來只會得到水，是最不容易爆炸燃燒的東西。化合物不一定是由單分子構(gòu)成的。許多固體，如金屬或鹽，有一個由重復(fù)的原子群構(gòu)成的晶體結(jié)構(gòu)，稱為單位晶格。如果你有幾種物質(zhì)在一起，你就有一種混合物，就像你周圍的空氣或蛋糕。
接著就是，原子是如何結(jié)合在一起的，這是一個非常重要的概念，鍵合。原子以幾種不同的方式結(jié)合在一起，它們通過竊取或共享電子或?qū)㈦娮右苿拥讲煌臉?gòu)型來降低它們的結(jié)合能?？茖W(xué)中的一個普遍規(guī)律是，所有東西都試圖最小化它們的能量，而鍵合是原子實現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方式。
理解化學(xué)物質(zhì)中能量如何運動對于理解反應(yīng)何時會發(fā)生或不會發(fā)生至關(guān)重要。例如，木頭不會與氧氣反應(yīng)而自燃，但如果你一開始就給它足夠的能量，它就會自燃。另一個能量非常重要的例子是你可以通過引入催化劑來加速其他兩種化合物之間的反應(yīng)。催化劑使反應(yīng)的能量更有利，所以加速了反應(yīng)。
能量還決定化合物何時以不同的形式存在——固體、液體或氣體。它們的形態(tài)取決于它們所處的溫度和壓強。每種材料的數(shù)值都不同，但一般來說，低溫和(或)高壓下物體是固體，高溫和低壓下是氣體。另一種非常有趣的物質(zhì)形式是等離子體，它是從氣體原子中剝離電子，使它們變成離子。這是用來制造霓虹燈的。
化學(xué)反應(yīng)是化學(xué)的核心，化合物之間發(fā)生反應(yīng)，為什么發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)后還剩下什么。有許多不同種類的反應(yīng)，可以用不同的方式來分類。所有這些反應(yīng)都受一套被稱為化學(xué)定律的基本規(guī)則的支配，其基礎(chǔ)是質(zhì)量和能量守恒，這意味著無論物質(zhì)或能量在化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生或破壞，它們只是變成了不同的形式。
動力學(xué)研究的是反應(yīng)發(fā)生的快慢，以及控制反應(yīng)速率的因素。電子從一個反應(yīng)物轉(zhuǎn)移到另一個反應(yīng)物的反應(yīng)稱為氧化還原反應(yīng)或氧化還原反應(yīng)。簡而言之，氧化意味著物質(zhì)失去電子，還原意味著獲得電子。它們必須同時發(fā)生。鈉和氯就是一個例子。氯是還原劑，鈉是氧化劑。物質(zhì)的另一個重要性質(zhì)是它們的ph值無論它們是酸還是堿。有幾種理論來模擬酸堿反應(yīng)，但一種思考方法是酸或物質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)中含有氫離子，而堿是一種吸收氫離子的物質(zhì)。如果有許多不同的化合物可以相互反應(yīng)，就會在一種物質(zhì)和另一種物質(zhì)之間出現(xiàn)波動。平衡是指每種物質(zhì)的量都是恒定的，即使反應(yīng)仍可能發(fā)生。這也可以發(fā)生在相變中，比如從固體到液體或從液體到氣體。
這些是化學(xué)基礎(chǔ)知識?；瘜W(xué)研究著眼于這些規(guī)則如何應(yīng)用于不同的化學(xué)系統(tǒng)。
現(xiàn)在我要繼續(xù)講化學(xué)中的不同領(lǐng)域。
理論化學(xué)試圖用數(shù)學(xué)方法解釋原子和分子的結(jié)構(gòu)以及它們?nèi)绾蜗嗷プ饔?。它與理論物理和量子化學(xué)密切相關(guān)，經(jīng)常使用計算化學(xué)的技術(shù)，在計算機中模擬原子、分子和反應(yīng)。模擬比單個氫原子更復(fù)雜的物體的適當(dāng)量子行為是非常困難的，對多個物體來說更是不可能。計算機科學(xué)中的許多尖端技術(shù)被用來嘗試和模擬分子以及分子之間的相互作用。事實上，這是量子計算機最令人興奮的應(yīng)用之一，因為它們將能夠直接模擬化學(xué)系統(tǒng)。我在發(fā)現(xiàn)新材料、新藥物等方面提供幫助。
物理化學(xué)，從物理的角度研究化學(xué)系統(tǒng)，比如能量，力，時間，運動，熱力學(xué)，量子性質(zhì)等等；還有許多領(lǐng)域，比如研究電化學(xué)中的電子特性，這對開發(fā)更好的電池很重要，或者材料科學(xué)，這是試圖創(chuàng)造具有新特性的材料，如極端強度，耐久性或自愈合。這對于建造依賴新材料的地球核聚變反應(yīng)堆來說是一個關(guān)鍵問題。
分析化學(xué)就像偵探工作。你有一個樣本，你需要弄清楚它是由什么組成的。在不同成分的數(shù)量上，化學(xué)家已經(jīng)開發(fā)了大量的技術(shù)來探測和測量不同材料的不同性質(zhì)。傳統(tǒng)的技術(shù)包括濕化學(xué)技術(shù)，比如沉淀，它根據(jù)化合物蒸發(fā)的溫度來分離化合物。還有很多現(xiàn)代技術(shù)，比如色譜法，不同的化合物在溶液中以不同的速度移動，因此被許多不同種類的光譜學(xué)分離開來，這些光譜學(xué)可以通過光照來檢測材料，或者質(zhì)譜儀，材料被扔過電磁場根據(jù)它們的質(zhì)量將它們分開。
最后，我們會講到無機化學(xué)、有機化學(xué)和生物化學(xué)。
有機和生物化學(xué)研究生物的化學(xué)，無機化學(xué)研究的是其他一切，盡管仍然有大量的交叉。無機化學(xué)所研究的大部分無機化合物都是人造的，很多動機是尋找具有新特性的化學(xué)物質(zhì)可以用于化學(xué)工業(yè)。
事實上，在人類努力的領(lǐng)域中，很少有有機化學(xué)沒有以某種方式應(yīng)用于醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)，特殊的液體如洗滌劑或乳化劑，特殊的涂料材料，顏料或許多工業(yè)用途的燃料。在化學(xué)生產(chǎn)本身，催化劑是非常重要的，因為它們可以加速其他化學(xué)反應(yīng)。有機化學(xué)也滲透到材料科學(xué)中，制造具有新型晶體結(jié)構(gòu)的固體，如高溫超導(dǎo)體，例如無機化學(xué)和有機化學(xué)之間的列表是無窮無盡的還有有機金屬化學(xué)。它研究的是有機化合物，它們與金屬結(jié)合，通常用于化學(xué)工業(yè)中的反應(yīng)，通常作為催化劑。
有機化學(xué)研究生命分子的結(jié)構(gòu)和行為，生命分子通常是由碳、氫、氧、氮和其他一些不同的原子組成的。有機化學(xué)家也在研究制造具有有用性質(zhì)的新型有機化合物。有機分子都含有碳，而碳?xì)滏I是有機化學(xué)中最常見的結(jié)構(gòu)。有機化學(xué)在工業(yè)、化肥、農(nóng)藥、潤滑劑、聚合物和塑料方面有大量的應(yīng)用。在消費領(lǐng)域，有香料，調(diào)味劑和防腐劑，當(dāng)然，還有制藥行業(yè)的藥物。
最后，在有機化學(xué)之外產(chǎn)生了生物化學(xué)，它研究生物體的化學(xué)。
生物化學(xué)研究無機成分，如水或礦物質(zhì)。但也研究最大、最復(fù)雜的分子，比如蛋白質(zhì)、脂肪和DNA。另一方面，這一領(lǐng)域也與分子生物學(xué)相融合，分子生物學(xué)是研究生命如何從細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)過程中產(chǎn)生的最細(xì)微的細(xì)節(jié)。在生物化學(xué)中，有四大類被稱為生物分子的分子。碳水化合物用于結(jié)構(gòu)和儲存能量；脂質(zhì)構(gòu)成脂肪；蛋白質(zhì)是由氨基酸組成的大分子氨基酸在體內(nèi)有大量不同的功能；還有用來傳遞遺傳信息的核酸。生物化學(xué)的研究對醫(yī)學(xué)產(chǎn)生了巨大的影響，幫助我們了解傳染病和遺傳疾病，改善器官和組織移植，通過臨床診斷找出你的問題，當(dāng)然，了解營養(yǎng)，研究維生素和礦物質(zhì)在我們體內(nèi)的功能。生物化學(xué)對農(nóng)業(yè)、研究土壤、肥料和蟲害控制也非常重要。還有很多其他的應(yīng)用。
這就是化學(xué)的全貌，化學(xué)跨越了一個巨大的復(fù)雜山脈，從單個原子到維持生命的細(xì)胞。
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