生活中处处都是化学。

人们大多认为化学是在实验室里完成的,但化学就在我们身边(图片来自Shutterstock)

你可能想化学只存在于实验室、食品添加剂或危险物质中,但化学涉及我们周围的一切。美国化学学会(ACS)指出,“你听到的、看到的、闻到的、尝到的和触摸到的一切都涉及化学和化学制品(物质),听觉、视觉、味觉和触觉本身都涉及到人体内一系列复杂的化学反应和相互作用”。

所以,即使你不是一个化学家,你也参与化学变化之中,这几乎包括你所做的任何事情,当你做饭时,当你用清洁剂擦拭你的桌面时,当你吃药或者稀释浓缩果汁让味道不那么强烈时,都会产生化学反应。

美国化学学会指出,化学是研究物质本身的性质及变化,包括任何有质量和占据空间的物质及其在不同环境和条件下发生的变化。化学不仅要了解物质的性质,如化学元素的质量或组成,而且还要了解物质如何和为什么会发生某些变化——是否某些东西因为与另一种物质结合而发生变化,或是因为在冰箱里放了两周而冻结,或者因为阳光照射太多而改变了颜色。

化学的基础

化学之所以涉及我们所做的一切,是因为几乎所有存在的东西都可以分解成化学组成部分。化学的主要组成部分是化学元素,它们是由单个原子构成的物质。每种化学物质都是独一无二的,由一定数量的质子、中子和电子组成,并通过名称和化学符号来识别,例如碳的“C”。科学家们迄今为止发现的元素都列在元素周期表中,既包括自然界中发现的碳、氢、氧等元素,也包括人造元素,如镧。

化学元素可以结合在一起形成化合物,化合物是由多种元素组成的物质,如二氧化碳(由一个碳原子与两个氧原子相连)或单个元素的多个原子,如氧气(由两个氧原子连接在一起)。这些化合物可以与其他化合物或元素结合形成无数其他物质和材料。

化学是一门物理科学

化学通常被认为是一门物理科学,正如大英百科全书所定义的那样,因为化学研究不涉及生物。研究和开发中涉及的大多数化学,例如为客户制造新产品和新材料,都属于这一范围。但根据生物化学学会的说法,在研究生物化学方面,作为一门物理科学的区别变得有点模糊。生物化学家研究的化学物质和化学过程在技术上并不被认为是“活的”,但了解它们对于理解生命是如何运作的很重要。

化学是一门物理科学,这意味着它不涉及“生命”的东西。很多人经常练习化学的一种方法,也许没有意识到,那就是烹饪和烘焙。(图片来自Shutterstock)

化学的五大分支          

根据LibreText出版的在线化学教科书,化学分为五个主要分支。此外,还有更专业的领域,如食品化学、环境化学和核化学,但本文重点介绍化学的五个主要分支学科。   

分析化学包括对化学物质的分析,包括定性的方法,如观察颜色的变化,以及定量的方法,如检查一种化学物质吸收的导致颜色变化的光的确切波长。这些方法使科学家能够描述化学物质的许多不同性质,并能从许多方面造福社会。例如,分析化学通过检测食品中的化学物质在冷冻过程中的变化来帮助食品公司制作更美味的冷餐。例如,分析化学也被用来通过测量水或土壤中的化学物质来监测环境的健康状况。      

生物化学,如上所述,利用化学技术来理解生物系统在化学意义上是如何工作的。多亏了生物化学,研究人员已经能够绘制出人类基因组图,了解不同蛋白质在体内的作用,并开发出许多疾病的治疗方法。

无机化学研究无机物或非生物如矿物和金属中的化合物。传统上,无机化学考虑的是不含碳的化合物(有机化学涵盖了碳),但根据美国化学学会的说法,这个定义并不完全准确。在无机化学中研究的一些化合物,如“有机金属化合物”,含有金属,金属是附着在碳上的金属,碳是有机化学中研究的主要元素。因此,这类化合物被认为是这两个领域的一部分。无机化学用于制造各种产品,包括油漆、肥料和防晒霜。

有机化学研究的是含有碳的化合物,碳是生命所必需的元素。有机化学家研究这些化合物的组成、结构、性质和反应,这些化合物与碳一起含有其他非碳元素,如氢、硫和硅。有机化学应用于许多领域,如美国化学学会所述,如生物技术、石油工业、制药和塑料。

物理化学利用物理学中的概念来理解化学是如何工作的。例如,弄清楚原子是如何运动和相互作用的,或者为什么一些液体,包括水,在高温下变成蒸汽。物理化学家试图在一个非常小的尺度上——在原子和分子的水平上——去理解这些现象,从而得出关于化学反应如何起作用以及是什么赋予了特定材料独特性质的结论。据美国化学学会称,这类研究有助于为化学的其他分支提供信息,对产品开发也很重要。例如,物理化学家可能会研究某些材料,如塑料,可能会与接触的化学物质发生反应。

化学家是做什么的?

化学家从事各种领域的工作,包括研发、质量控制、制造、环境保护、咨询和法律。ACS称,他们可以在大学工作,为政府或私营企业工作。以下是一些化学家的工作示例。     

研发

在学术界,从事研究的化学家的目的是进一步了解某一特定主题,而不一定有特定的应用。然而,他们的研究结果仍然可以应用于相关产品和应用。在工业中,从事研究和开发的化学家利用科学知识来开发或改进特定的产品或工艺。例如,食品化学家改善食品的质量、安全性、贮藏性和口感;药剂师分析药物制剂的质量;农业化学家开发大规模作物生产所需的肥料、杀虫剂和除草剂。有时,研究和开发可能不涉及改进产品本身,而是涉及制造该产品的制造过程。化学工程师和工艺工程师设计出新的方法,使他们的产品制造更容易和更具成本效益,例如在给定的预算内提高产品的速度或产量。

环境保护

环境化学家研究化学物质如何与自然环境相互作用,聚焦土壤、水和空气等自然过程中存在的化学物质和化学反应。例如,科学家可以从一个感兴趣的地方收集土壤、水或空气,并在实验室进行分析,以确定人类活动是否已经或将污染环境或以其他方式影响环境。据美国劳工统计局称,一些环境化学家还可以帮助修复或清除土壤中的污染物。有环境化学背景的科学家也可以担任各种组织的顾问,如化工公司或咨询公司,就如何按照环境法规完成实践提供指导。

法学

化学家可以利用他们的学术背景为科学问题提供建议或主张。例如,化学家可以从事知识产权方面的工作,他们可以将他们的科学背景应用于科学领域的版权问题,或者在环境法领域,他们可以代表特殊利益集团,并在某些活动发生之前向监管机构申请批准。化学家也可以进行分析,以帮助执法。法医化学家捕捉并分析犯罪现场留下的物证,以帮助确定涉案人员的身份,并回答有关犯罪如何以及为何实施的其他重要问题。法医化学家使用各种各样的分析方法,如色谱法和光谱法,这些方法有助于鉴定和量化化学物质。

(中国科协杨宝龙根据美国化学学会官方资料整理,图片来源:Shutterstock)