化学

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科隆大學生物化學學院實驗室中的工作枱

化學是一門研究物質的性質、組成、結構、變化，以及物質間相互作用關係的科學。「化學」一詞，若單從字面解釋就是「變化的科學」之意。化學如同物理皆為自然科學之基礎科學。很多人稱化學為「中心科學」(Central science)，因為化學為部分科學學門的核心，例如材料科學、奈米科技、生物化學。

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」，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。

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，中子和質子。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。

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」(General Chemistry)。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。

[编辑] 名称及来历

「化学」一词最早出现在1857年墨海书馆出版的期刊《六合叢談》。伟烈亚力提及王韬在其日记中记载了从戴德生处听闻的「化学」一词。^[1][2]

「化学」一词被介绍到日本，取代了原先日语中的译法「舍密」^[3]。

英語中的「化學」(chemistry)一字的語源有多种说法。一种说法认为是由「鍊金術」(alchemy)得名的。英語中"alchemy"一词源於古法語的"alkemie"和阿拉伯語的"al-kimia"，意為「形态变化的学问」(the art of transformation)。阿拉伯语中的"kimia"一字則源於希腊語。

亦有另一种说法认为英語中的"chemistry"一字源自埃及语中的"kēme"一字，意思是「土」(earth)。

[编辑] 歷史

门捷列夫像

[编辑] 人类早期对火的认识

最早的化學要算是人類對火的研究。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，人類不會發現到鐵和玻璃的製造方法。

[编辑] 炼金术

主条目：炼金术

人類發現了黃金這種貴重的金屬之後，很多人轉而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，人類己廣泛使用金、銀、汞、銅、鐵和青銅。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。

[编辑] 早期化学

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，之後，多位化學家紛紛成名，其中之一是 羅伯特·波義耳(Robaird Ó Bhaoill)，他被尊崇為「化學之父」。到了1750年，化學己與現在所熟知的甚為相似。1773年，拉瓦錫(Antoine Lavoisier)提出了質量守恆定律。接著一些化學家相繼發現了各種化學元素，為後來门捷列夫(Дми́трий Ива́нович Менделе́ев)建立的元素週期表奠定了基礎。1901年，諾貝爾化學獎成立，確認了化學對人類的貢獻。

[编辑] 近代化学

近代化學始於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，得以用波函數的線性疊加來描述。質子、中子和電子的發現，使化學真正由原子尺度來理解化學反應。量子力學和電子學的發展，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，如原子和分子光譜儀、X射線、核磁共振和質譜儀等。

[编辑] 當代化學

微量吸管，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，以及平衡態等根本問題，涉及的物理包涵熱力學、動力學、量子化學、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。諾貝爾獎得主李遠哲先生之研究領域化學反應動力學即屬物理化學。
• 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，以及質譜儀。
• 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。
• 電化學是研究各種因為電力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，做出醫病的作用。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、分子生物學和統計學的結合。
• 量子化學用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。
• 天文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及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。

[编辑] 基本概念

[编辑] 命名法

在化學中，命名法是指將各種化學品命名的方法。对不同类别的化学品，化学命名法也有不同。例如，有机化合物遵循有机化学命名法，无机化合物遵循无机化学命名法，而最常见的化合物——二元化合物的俗名也有一套习惯，参见二元化合物。

[编辑] 原子

主条目：原子

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。原子核由質子和中子組成。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。

[编辑] 元素

主条目：元素

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，例如氫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碳，所有原子核中有九十二粒質子的都是鈾。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。

[编辑] 化合物

主条目：化合物

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。例如水是用氫同氧以二比一組合而成，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。

[编辑] 分子

主条目：分子

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，例如氦氣分子，只有一個原子。這些原子，如果多於一個，是由化學鍵結合。

[编辑] 離子

主条目：離子

離子是带电荷的物质，可以由原子或分子失去或得到电子形成。正離子（例如鈉離子Na⁺）和負離子（例如氯離子Cl^-）結合可以成為電荷中性的鹽（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离，例如磷酸根離子(PO₄^3-)、銨離子(NH₄⁺)。气相的离子通常被称为等离子体。

[编辑] 化學品

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。

[编辑] 化學鍵

主条目：化學鍵

化學鍵是指組成分子或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的電力，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、離子鍵和金屬鍵，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。

[编辑] 分子间力

分子间力是不同分子之间的作用力，主要有氢键，范德华力，亲水作用／疏水作用等，这种作用力比化学键弱，容易打开或重新组合，但是是形成分子空间排列和架构的重要作用力，是现代化学的重要研究方向之一。

[编辑] 物理特性

水湧上沙灘造成浪，就是水與沙的物理特性

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。

[编辑] 化學反應

主条目：化學反應

鹽酸同氨发生化學反應

化學反應是一種物質轉變為另一種物質的過程，涉及分子中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。

[编辑] 定律

化學反應的守恆必須符合物理守恆定律，反應前後應符合：

• 質量守恒定律：一個化學反應發生，物質的總質量不會有任何變化。
• 能量守恒定律：化學反應所產生的能量總和不變，只是能量形式依照反應模式而變化。
• 電荷守恆定律：化學反應前後的電荷數應守恆。

[编辑] 学科分类

[编辑] 参看

• 诺贝尔化学奖
• 元素列表
• 化学工业
• 化学品列表
• 化学术语列表
• 元素周期表
• 化学家
• 同位素列表
• 化學基本主題列表

[编辑] 註釋及参考資料

[编辑] 参考文獻

[编辑] 外部連結

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