認識分子世界,你才能真正認識自己。
這個世界不只是你看到的那個樣子,
世界上的每一樣東西,都是分子組成的,
你拿起的這本書、你呼吸的空氣、
你穿的衣服、你喜歡的花、甚至你自己,
都是各種不同的分子組成的。
你吃香喝辣、滿足口腹之慾時,享用的是分子;
欣賞如詩的景致時,使你心曠神怡的也是分子;
聞到腐敗氣味時,觸動嗅覺的也還是分子;
甚至喜悅、滿足、憤怒等情緒,
也都有分子可以控制。
暢銷書《化學元素王國之旅》的作者艾金斯,
在帶我們暢遊元素王國後,
進一步帶領我們進入由元素構成的分子世界,
讓你透過小分子,由內到外,認識自己,
也更了解這個世界。
作者簡介:
艾金斯 著
著名的英國化學家,曾任牛津大學林肯學院的研究員與講師,研究專長為量子理論,主要教授量子力學與量子化學。除了研究與教學,他也勤於筆耕,在專業教科書方面,他寫的《物理化學》、《無機化學》、《分子量子力學》是史上最暢銷的三本化學教科書。他對於推廣科學知識,將化學以沒有門檻的方式介紹給一般讀者,也特別有熱誠,著作約有二十餘本,其中翻成中文版的有《化學分子世界導覽》、《化學分子世界導覽》(皆為天下文化出版)。
章節試閱
第一章 簡單物質
這類分子也許很簡單,但絕非不重要,它們包括了空氣中的各種氣體成分以及海洋中的水。即便它們不見得都是生命的組成要件,卻是生命出現的必須條件。它們也在大災難中扮演殺手,因為這類分子中包括了一些汙染、破壞自然的物質。大自然要逃過它們的荼毒,才有機會欣欣向榮。
除非你正在深海當潛水夫,否則你平常是浸泡在氣體中,其中約有五分之四為氮氣、五分之一為氧氣。氣體分子永遠不停到處亂竄(沒錯,「氣體」一詞的英文為gas,與「混亂」chaos共用同一個希臘字根)。這些氣體分子劃過空間的速度約與音速相當(在海平面高度約為每秒340公尺),一個分子在與另一分子發生碰撞後,會各自朝不同方向疾駛而去,而且每次發生碰撞後不到一秒鐘,又會與另一分子互撞。
同樣地,不斷會有大批分子快速撞上容器表面,包括你的容器表面(你的皮膚),使容器表面與你的皮膚承受持續的壓力,這壓力每平方公分約達1公斤重,卻並不被人覺察。
咱們一生就在這個巨大壓力之下蹣跚度過。即使身處平靜溫暖的夏日,或寂靜無擾的房間內,你全身上下都處在看不見的分子風暴攻擊下。風起時,只是分子流動偏向某一個方向,讓你某邊的臉感覺到了衝擊。有的時候這個看不見的分子激流力道可以強大到吹折樹木、摧毀建築物。不過我們人類吐氣開聲,稱為「演說」的動作更為強悍,因為:一言即足以喪邦。
早期的大氣是來自我們腳底下地球的內部,火山爆發時熔岩外噴,大氣隨之釋放出來。今天類似的情形仍在世界各地小規模地發生,夏威夷大島上的火山爆發,伴隨著外溢的炙熱岩漿,可以清楚看到釋出的氣體。
空氣
我們並不確切了解地球上的大氣打哪兒來,或曾經發生過怎樣的變化。不過大家都同意,從天外飛來、聚集成地球前身的岩石和微行星,進行了「放氣」,因而造成最早期的大氣。今天類似的放氣現象仍發生在火山地區,據推測火山所釋放的氣體,在最初的大氣層中含量都應該非常豐富,主要成分有:水蒸氣、氫氣、氯化氫、一氧化碳、二氧化碳、氮氣以及一些含硫分子。不過目前的大氣中,只有氮氣仍然含量豐富。
我們不禁要問,其他氣體都跑哪去了?而不在其上的氣體又打哪來?本節和下一節提供了其中幾個答案,只不過都是些有點靠著聰明想像出來,而有可能與事實不相符的推測。
首先,有一樣物質的去處可以馬上解決,那就是氫氣分子。氫氣非常輕、移動得非常快,很容易逃脫地球的重力拉扯,進入太空後消失,就像今天新形成的氫氣所做的一樣。
1 氧 oxygen O2
氧占了大氣中約20%的體積,是地殼中含量最豐富的元素,大約占了地殼總質量的一半。地殼中的氧出現的型態,是與其他元素結合成的水、各種碳酸鹽、矽酸鹽、氧化物等。氧在月球上的含量也非常豐富,但並非以自由態的形式出現,而是全都給捉住在月球岩石的化合物中。在地球上,開礦的目的是要得到金屬,因此會拋掉礦石中的氧;等將來太空旅行變得頻繁且大眾化後,我們也許會發現,到月球上去開採「氧」礦,是很有經濟效益的。
雖然大氣裡的氧含量很豐富,工業界也藉由分餾液態空氣來獲得純氧,但地球初成形時,大氣中的含氧量非常低。其中有的氧是因石塊裡釋出的水分子(5),遇到太陽射出的猛烈紫外射線而放氣出來的。而在大約27億年前,才有大量的氧氣加入大氣,當時出現了能行光合作用的細胞,也就是我們俗稱為藍綠藻(其實是一種細菌)的原核生物。這些單細胞、無細胞核的生命形式,在建構自己各種碳水化合物(93)的過程中,從水裡取得所需的氫(拋棄剩下的氧),並從二氧化碳中取得碳跟氧。
所以,如今對我們非常寶貴,且是動物生命所不可或缺,到陌生環境探測時一定必須隨身攜帶的氧,在偏愛另一種生命形式的早期大氣中,居然是製造汙染的壞東西!當時的巨大汙染在地球上留下了痕跡:光合作用的出現使氧含量高漲,把溶在海水中的鐵氧化了。地球生了鏽,造就出偉大的紅色鐵礦蘊藏,忠實記錄了這個事件。
大氣的歷史仍然備受爭議,尤其是關於氧氣消長的部分。累積的證據顯示,氧氣濃度曾經大幅度波動,石炭紀(3億年前)期間曾經高達35%。在小行星撞地球導致恐龍滅絕的事件裡,由於當時空氣中的氧濃度超高,使撞擊引燃大火,加劇了事件的毀滅性。目前大氣中氧氣濃度似乎跟兩類含碳物質間的平衡有關,而這兩類物質分別存在生物圈中,以及埋藏在生物圈下方的岩石內(如此才不會造成大火)。據估計,被栓牢在地下的碳(包括砂岩中的微小顆粒)超過了目前生物圈中總碳量的20,000倍。
氧氣是異常危險的物質,對生命而言更是如此,生物使用氧氣所冒的險幾乎與玩火無異。呼吸氧氣有如暴露在輻射線下,造成的傷害在化學性質上也相同,原因是這兩種情況都產生了自由基。自由基是具有單數電子的分子。以氧為例,氧自由基的形成是先獲取一個電子,形成稱為過氧化離子的O2-,然後進一步成為劇毒的過氧化氫分子(H2O2,11)及會造成輻射傷害的氫氧自由基(OH)。
有人曾估計,在細胞利用氧的過程裡,約有1%到2%的氧轉變成過氧化離子,而在進行劇烈運動時,比例更可能上升到10%。看起來似乎沒啥了不起,但是一年下來,即使不做任何運動,也會有2公斤的過氧化離子在人體內產生。從另一個角度來看,我們每人一年內因呼吸招致的危害,大約相當於照射了10,000次胸腔X光!看來,要避免死亡就只有停止呼吸一途。另一個比較正面的角度則是,因為氧與太陽製造出相同的原子團,由此我們開始了解,長久以來生物因為學習在強烈的太陽輻射下存活,不知不覺中也同時準備好對付氧氣毒害的方法。
氧氣是無臭、無色、無味的氣體,壓縮成液體後轉為淡藍色。顏色的轉變是分子對在吸收光線上合作的結果,這種合作現象只在液態中,當這對分子長時間近距離待在一起時才會發生。另外氧還有一樣頗不尋常的性質:它具有磁性。磁鐵會吸引液態氧,就是氧有磁性的明證,但是氣態氧也有磁性。
要了解此磁性現象,我們得知道任何電子都會以順時針或是逆時針方向自旋,自旋電子成了微小的磁鐵。在絕大多數的分子裡,順時針自旋的電子跟逆時針自旋的電子,數目相同,各自的磁效應剛好抵消,因此分子沒有磁性。氧分子滿特殊的:它的電子中有一對的自旋方向相同(譬如兩個都是順時針),因而磁效應不能彼此抵消。我們可以利用氧的這項特性,測量人造空氣中的氧含量,這種人造空氣可用在早產兒的保溫箱中,而由儀器監測氣體的磁性,換算出其中氧分子的濃度。
煉鋼過程中需要用到巨量的氧氣,大約是一噸氧煉一噸鋼。把氧氣鼓吹過不純的熔融鐵漿,氧會跟其中的雜質(特別是碳)結合,把雜質以氣體的形式帶走。這裡,氧氣的效用比空氣好,原因是空氣的主成分是氮(2),氮通過熔融鐵漿時會帶走太多熱能。(摘自本書第一章)
第一章 簡單物質
這類分子也許很簡單,但絕非不重要,它們包括了空氣中的各種氣體成分以及海洋中的水。即便它們不見得都是生命的組成要件,卻是生命出現的必須條件。它們也在大災難中扮演殺手,因為這類分子中包括了一些汙染、破壞自然的物質。大自然要逃過它們的荼毒,才有機會欣欣向榮。
除非你正在深海當潛水夫,否則你平常是浸泡在氣體中,其中約有五分之四為氮氣、五分之一為氧氣。氣體分子永遠不停到處亂竄(沒錯,「氣體」一詞的英文為gas,與「混亂」chaos共用同一個希臘字根)。這些氣體分子劃過空間的速度約與音速相當(在海平...
目錄
化學分子世界導覽目錄序帶你看見分子世界在導覽之前元素和原子化合物原子間的鍵結有機化合物分子間的力混合物第一章簡單物質空氣水和氨煙霧、汙染與酸雨第二章燃料、脂肪和肥皂碳氫燃料醇及酸脂肪和油奶油和人造奶油肥皂和清潔劑第三章人工製造的跟自然生成的聚合物聚合物跟塑膠橡膠聚脂及丙烯酸聚合物耐綸蛋白質糖、澱粉及纖維素第四章味覺、嗅覺和痛覺甜味酸跟苦辛辣與清涼肉香跟燒烤水果跟食物花朵和精油動物體臭第五章景觀和色彩視覺葉子、胡蘿蔔和紅鶴花朵、水果和葡萄酒褐色、碰傷和曬黑第六章光明與黑暗止痛劑和治病靈丹興奮劑討人厭的化合物第七章生命性生殖名詞注釋分子索引圖片來源
化學分子世界導覽目錄序帶你看見分子世界在導覽之前元素和原子化合物原子間的鍵結有機化合物分子間的力混合物第一章簡單物質空氣水和氨煙霧、汙染與酸雨第二章燃料、脂肪和肥皂碳氫燃料醇及酸脂肪和油奶油和人造奶油肥皂和清潔劑第三章人工製造的跟自然生成的聚合物聚合物跟塑膠橡膠聚脂及丙烯酸聚合物耐綸蛋白質糖、澱粉及纖維素第四章味覺、嗅覺和痛覺甜味酸跟苦辛辣與清涼肉香跟燒烤水果跟食物花朵和精油動物體臭第五章景觀和色彩視覺葉子、胡蘿蔔和紅鶴花朵、水果和葡萄酒褐色、碰傷和曬黑第六章光明與黑暗止痛劑和治病靈丹興奮劑討人...
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