第一章
起源、范围和组成

贪婪。贪婪使人类踏上了一段令现今所有人都感慨万千的非凡旅程。在这里，我所说的贪婪是指对长生不老的追寻与对无尽财富的获取。得到它们的假定途径就是操纵物质来获取可以治疗病痛、实现长生不老的万灵药，还有能把类似金的东西（或是颜色相近，像尿液和沙子；或是重量相近，像铅）变成金的秘方。尽管这两个目的都未曾实现过，但是炼金术士无休无尽的试验让他们对这些物质有了相当多的了解，同时也提供了某种（常常是名副其实的）“混合肥料”，使得一门真正的科学—化学—从中诞生。

天平是使得炼金术转向化学的重要仪器。精确称量物体的能力赋予了人类把数字联系到物质上的潜能。这一成就的重要性不该被忽视，因为可以把空气、水、金，以及其他各种物质与有实际意义的数字联系起来确实是一件非同寻常的事。就这样，通过附加数值，自然科学领域引入了对物质及其可发生的变化的研究（现今化学的研究范围），在其中，定性的概念可以被量化，且可以接受包括与阐述这些概念的理论的严格检验。

在物质从一种化学物质转变为另一种前后对其进行称量，从而得出了化学中所有的解释所依据的一个重要概念：原子。自从古希腊人在没有任何证据的情况下推测出世界上存在某种最终不可分割的微粒开始，“原子”的概念已毫无根据地在人类的意识中漂浮了两千多年。约翰·道尔顿（1766—1844）的实验证实他们的推测是有科学依据的，他通过对化学物质反应前后的质量进行分析而得出了结论：物质的基本组成要素是化学元素，它们是由不可改变的原子组成的，随着一种化学物质变成另一种，原子那种不可改变的行为方式可以通过简易的称重法记录下来。

现今，原子成了化学的货币。基本上化学中的每个解释都会涉及它们，它们或是单个存在，或是以我们所说的分子的形式组合在一起。原子是所有物质的组成部分：你可以看到、摸到的每样东西都由原子构成。尽管它们很小，但是说用肉眼看不到它们就完全错了。看一棵树，你在看很多原子。看一把椅子，你在看很多原子。看这页纸，你在看很多原子（即便这一页是在显示屏上显示的）。摸你自己的脸，你在触摸很多原子。摸一块面料，你在触摸很多原子。当然，单个原子是小到看不见的，但是物质是由成群的原子构成的，我们可以用肉眼看见这些成群的原子以化学物质的形式围绕着我们。然而在之后的第五章中，我会解释如今化学家们如何可以看到甚至单个原子的图像。

一共有一百余种不同类型的原子。至于“类型”是什么意思，我将在第二章中解释，届时我们将探究原子的内部并辨认使不同类型的原子有所区别的内部结构。每一种不同的原子类型对应着一个不同的化学元素。所以，就像有氢、碳、铁等元素一样，也有氢原子、碳原子、铁原子等，直至最近在2013年发现的元素，它是完全无实际用途且只能极短暂存在的114号元素。（准确地说：它是116号元素，但是它前面的两个元素仍有待发现。）化学中的核心观点就是，当一种化学物质变成另一种的时候，原子自身不会发生改变：它们只会交换伙伴或形成新的排列方式。化学就像婚姻的分与合。

尽管“原子”意味着不可分割，但事实上是可以分割的。即使凭空猜想也可以得出这一结论，因为不同类型原子的存在就意味着它们拥有不同的结构，所以借由充足的想象力就可以把原子炸开并确定组成原子的所谓亚原子粒子。实验证实了这个猜想，我们将会在第二章中看到原子的内部结构，从而了解它们不同特性的起源。在这一方面，化学极度依赖物理学，因为物理学家阐明了原子的结构，化学家进而利用这些知识来理解由它们构成的分子和它们发生的反应。

上一句话暗示了化学的范围。它意味着需要引入物理学的概念才能理解化学。诚然，化学大量吸收了物理学家提出的诸多概念（作为回报，我们化学家为他们提供了研究用的物质）。在所有这些相互借鉴中，有两个极其重要的引入概念，其一与单个原子及其亚原子组成部分的特性相关，其二与可感知到的大的物质（例如一罐水或一块铁）相关。用更专业的话说，它们分别是微观世界和宏观世界。

量子力学是由物理学引入的一个重要概念，用于解释单个原子和分子的微观世界性质。尽管许多化学知识都是在19世纪发展起来的，但是我们并不理解为什么一些事情会发生，而另一些不会。在那时，艾萨克·牛顿的“经典力学”，即用于解释物体运动的数学演算，有至高无上的地位，因为它如此成功地解释了行星的轨道和小球的飞行轨迹，人们由此产生了这样的预期：当行星和小球被简化为原子的时候，就可以找到对化学的解释，这样牛顿力学领域也将涵盖化学。牛顿对炼金术的徒劳关注可能表明他也是如此想的。然而，在19世纪末和20世纪初，人们发现，将行星和小球简化为原子的做法让经典力学一败涂地：即便是牛顿力学中的基础概念，在被应用于原子及其组成部分的时候，也会面临土崩瓦解。这就是盲目使用外推法的危险之处。

于是，在20世纪初，1927年前后，一种新的力学诞生了，它被证实可极为成功地解释原子与亚原子粒子的特性。直至今天，在预测能力与数值精度方面，量子力学理论仍未被超越。尽管在很大程度上这一理论仍难以理解，不得不承认这是一个令人烦恼的瑕疵，但是我会在合适的时机尽力提炼出为了理解原子的行为，从而进一步理解整个化学所需要知道的知识。我们将会看到，当化学家搅拌、煮沸液体的时候，他们其实是在诱使原子按照量子力学的奇怪规则行事。

另一个由物理学引入的重要概念是热力学，它用于解释宏观世界中大的物质的特性。热力学是研究能量及其转化的科学。它的出现的一个很重要的原因在于维多利亚时代对蒸汽机的依赖，它推动社会在字面意义上前进也在经济方面进步，但它很快就成了构成化学的一个重要部分。我们这门学科的物质基础是原子，但它们所发生的变化受制于能量的控制与驱动。我们将会看到，能量不仅在燃料燃烧的时候被释放出来（这是能量参与化学反应的一个明显、有用却原始的方式），它还支配着原子的一般行为，例如原子可以形成怎样的结构、原子可以发生怎样的组织变化，以及这些变化可以以怎样的速率发生。能量还会以一种微妙的方式成为化学反应的推动力，因为反应是在能量的驱动下进行的，我将会在第三章中对此进行详述。因为能量与化学的结构密切相关，所以尽管热力学发源于工程学，它却在化学中起着很重要的作用，这就不足为奇了。

化学向下深入物理学寻求解释（还通过物理学向下深入数学寻求量化表述），向上延伸至生物学实现不计其数的非凡应用。这并不意外，因为生物学只不过是化学的延伸。这种论调可能类似于宣称社会学是粒子物理学的延伸，在生物学家对此表示不满之前，请允许我详加解释。有机体由原子与分子构成，这些结构可以用化学解释。有机体发挥功能，即存活，是通过体内复杂的反应网络进行的，这些反应可以用化学解释。有机体利用分子结构与化学反应进行繁殖，这些同样都是化学的一部分。有机体通过改变分子结构的方式，比如通过嗅觉和视觉，对它们所处的环境做出反应，所以这些反应（我们所拥有的全部五种感官）都是化学的延伸。即使像物种进化与物种起源这类超宏观现象，也可当作热力学第二定律鬼斧神工般的作品，因此也算化学的一个方面。一些有机体可以思考世界的本质，我主要指人类，而作为这些思考的基础和表现形式的心理过程正是来源于复杂的化学反应网络。所以，生物学确是化学的延伸。不管我真正的想法如何，我并不想将这种看法强加给他人—一切令生物学家感兴趣的东西，例如动物的一般行为，也只是化学的延伸，我限于认为所有有机体的结构、反应以及生理过程都是化学的。因此，化学渗透生物学领域，为我们对有机体的理解做出了不可估量的贡献。

我们人类是社会意义上精巧的有机体，可以建造东西。我们可以制造人工制品。我们可以开采地下的矿石、抽取深海中的液体，还可以收集天空中的气体，并致力于将所有这些原材料转变为我们需要的任何东西。化学的一个方面就是将这些原材料转变成可铸造、锻造、纺织、黏合、食用或仅可燃烧的物质。尽管化学家们可以靠边站，让铸造工来铸造、锻造工来锻打、塑形工来塑形，总的来说，就是让制造工来制造，从而创造出最终的人工制品，但正是化学家们提供了原材料，提供了现代科技社会的基础设施，从而为世界经济及个人与国家的风貌做出了巨大贡献。

就像我在前言中强调过的那样，在这所有光辉之下也存在黑斑与污点。化学诚然赋予了人类残害与杀戮的能力，在这本关于化学是什么的小书中，我们不应无视它供应的炸药、神经毒气以及它对我们脆弱的环境无心或故意地施加的压力。我会在后面的内容中直面这些问题，但在此—为了强调个人评判的重要性—我想请你暂且忽略化学对现代世界的所有贡献，这会将你带回痛苦的、危险的、不舒适的、精神受压抑的石器时代，然后请你思考此时此刻的黑暗是否遮掩了光明。