互动科普

五彩缤纷的大千世界是由多种多样的分子构成的。研究分子的科学就是化学。我们大致把化学概括成几大类：核心化学、交叉学科的化学和应用化学。

核心化学是对化学自身的认识。150年以来，大致经历了从宏观到微观，从现象到本质，从组分到结构，从静态到动态，从均相到界面，从解析到合成的历程。如今化学家们已经大体上了解了化学的本质，甚至在一定程度上掌握了分子的运动规律了。早年人们从放热、释能这些宏观量的变化去了解化学反应，形成了“化学热力学”；又从速率、加温这些动态量的变化来观察化学反应，形成了“化学动力学”。六七十年前，结构化学家们用X射线衍射方法确定了各种分子的结构。“量子化学”则是通过量子力学的理论预言了分子的几何形状。这种预言是通过计算各种形状分子的能量而确定的。如果说，结构化学家们能确定分子的结构和形状，那么合成化学家们则可以巧夺天工地做出奇形怪状的分子出来，例如球形分子、星形分子、链形分子、镶嵌分子、手性分子、发光分子、导电分子等等。化学家们还对发生在界面上的反应特别关注，早年的“胶体化学”，后来的“界面化学”、“催化化学”，到近年的“纳米化学”等等都是如此。因为分子在近距离受界面的影响和在气体或液体中不同，所以会发生迥然不同的化学变化。

化学和物理、生物、地学互相渗透，彼此交叉，形成了边缘学科。其中，“化学物理”或称“分子物理”就是运用物理学的知识和手段来研究分子的性质或者化学变化的本质。再往深里说一层，“分子力学”既可采用经典力学去描述分子内、外的作用力，也可以用量子力学去计算出这些作用力的能量和方向，从而搞清了化学反应的原因。换句话说，它回答了化学反应是如何发生的这一基本问题。“光化学”，尤其是“激光化学”是化学和物理学交叉的另一活跃领域。在许多大学中，化学系拥有的激光器比物理系还要多！激光已经成为激发分子、干扰反应和检测产物的基本研究手段了。如果我们把“电化学”的内涵由早期的电极上的化学延伸到分子中电子迁移的化学，就会发现有关的化学过程非常之多，诸如光合作用、荧光变色、构型变异等等。如果说，在过去的100年中，化学的种种奥秘被比它更基础的学科层次—物理学解开来了，那么半个世纪以前则开启了化学解开比它高的学科层次—生物学的大门，诞生“分子生物学”。DNA的双螺旋结构组合的多样性直接解开了繁复的遗传密码。植物光合作用的奇妙过程也几乎被化学家们完全弄清楚了。化学和地学的交叉产生了“地球化学”，回答了40亿年来地壳的化学组分和结构的演变。不断陆续发现的星际分子正在促成“太空化学”的形成。

当代的分析化学技术已经到了精微和高超的程度。早年观察颜色的变化的方法早已被各种光谱分析所取代。用天平称重量的方法也被精密的质谱仪取代，它能在瞬息之间称出几十万种质量不同的分子。色谱柱也能把吸附能力只有些微差别的众多分子分离开来，就像10万人参加马拉松赛跑，虽然同时起跑，却是一个个先后到达终点。现在甚至于能观察单个分子的荧光和操纵单个原子的反应了。

已有的化学知识和方法可以应用到许许多多方面中去。石油化工运用了催化反应的成果。能源方面，化学在开拓太阳能利用、燃料电池、光电材料、生物能源、煤化学、可燃冰等方面起着重要的作用。化学在材料科学起着主导作用。如果说，冶金化学指导人们冶炼出各种特殊的合金，那么高分子化学就能合成出五花八门的塑料制品和纺织纤维。环境科学更是有赖于化学。人类排泄了大量的温室气体、卤代烷烃、氮氧化物、纸浆废水、制药残渣、城市垃圾和矿山尾渣等等，它们样样都需要化学家们参与治理。至于当代的医药工业，更是需要有机化学、生物化学和药物化学的支撑和发展。

由此可见，化学几乎是一门无处不在、无孔不入的学问，和自然环境、人类生活、社会进步有着太多太广的联系。同时，化学学科也有着大量的未知的问题和领域有待研究。这就是把2011年设定为“国际化学年”。提醒全世界关注化学的用意吧！

（本文发表于《科学世界》2011年11期）