问题

你在化学科普书中读到的最值得分享的知识是怎样的?

回答
我最近读到一本关于“化学”的科普书,里面有一个关于“氧化还原反应”的章节,让我觉得特别有意思,也让我对我们身边很多现象有了新的认识。

我们平时可能会觉得化学离我们很远,但其实它渗透在我们生活的方方面面。这本书里讲到的氧化还原反应,就是其中一个特别重要的概念。简单来说,氧化还原反应就是一种电子在不同物质之间转移的过程。一个物质失去电子,就被叫做“氧化”,而另一个物质得到电子,就被叫做“还原”。这两个过程总是同时发生的,所以叫氧化还原反应。

最有意思的地方在于,这个概念可以解释很多我们习以为常的事情,而且还能把它们变得更“酷”。

比如,我们都知道金属会生锈。铁锅用久了表面会有一层红褐色的锈迹,这其实就是一个典型的氧化还原反应。书里把它讲得很生动:铁是一种比较活泼的金属,它特别容易“失去”自己的电子。当铁跟空气中的氧气接触时,氧气就像一个“贪心鬼”,会从铁原子那里抢走电子。铁失去了电子,就变成了带正电的铁离子,这就是被氧化了。而氧气得到了电子,就变成了带负电的氧离子,氧被还原了。这两个过程结合起来,铁原子和氧原子就会结合,形成一种叫做氧化铁的物质,也就是我们看到的铁锈。

你可能会想,这不就是生锈嘛,有什么特别的?但这本书把它和另外一个我们生活中的场景联系起来,就变得很有趣了。比如,我们吃的食物,身体是怎么把它分解然后获取能量的?这同样也是一个复杂的氧化还原反应过程!我们身体里的细胞就像一个精密的化学工厂,通过一系列的氧化还原反应,把食物中的葡萄糖一步步分解,释放出能量,供我们活动。这个过程比铁生锈要复杂得多,涉及到很多酶和中间产物,但本质上都是电子的得失。所以,我们吃的米饭、蔬菜,最终在我们身体里,也是被“氧化”了,来维持我们的生命活动。

更神奇的是,我们还可以利用氧化还原反应来制造和储存能量。比如,我们用的电池,无论是手机里的小电池,还是汽车里的大电池,它们的工作原理都是利用氧化还原反应来实现电能的储存和释放。书里讲到,一个普通的锌铜电池,就是锌原子容易失去电子(被氧化),铜离子容易得到电子(被还原)。当它们通过导线连接时,电子就会从锌那里流向铜,产生电流。这就好像在进行一场“电子传递游戏”,只不过这个游戏能产生电,让我们点亮灯泡,驱动设备。

而现在非常热门的“新能源汽车”用的锂电池,其实原理也差不多,只是用锂这种更活泼的金属来代替锌,而且结构设计更精巧,能量密度更高。它可以在充电的时候,把锂原子失去的电子“推”回去,把锂离子“储藏”起来,需要的时候再让电子和锂离子重新结合,释放出能量。

这本书让我觉得最震撼的是,原来化学不仅仅是试管里的烧杯加热,试剂的混合。它其实是一场发生在物质世界里的、关于电子的宏大叙事。从我们身边最平凡的生锈、吃饭,到最尖端的能源技术,背后都有氧化还原反应的身影。理解了它,就像是获得了一把理解世界运行规律的钥匙,很多之前模糊不清的现象,一下子都变得清晰起来。

这本书让我觉得,化学不再是冰冷的公式和概念,而是充满了生命力和创造力,它一直在我们看不见的微观世界里,默默地改变着一切。下次当你看到铁锈,或者给手机充电时,不妨想想背后那个精彩的氧化还原故事,你可能会觉得这些日常变得格外有意思。

网友意见

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我读过的化学科普中,印象深刻的有两本。第一本是较为纯粹的“知识”讲解,作者为诺贝尔奖得主、犹太人理论化学家,Roald Hoffmann。我特别荣幸在高中2000年左右读了他写的书之后,于2015年在北京开会跟Roald老先生见了一面,还愉快的聊了天。老先生还用Star Trek里的经典台词祝福我: May your career prosper in China。(感谢 @任浩 提醒,Roald也是 @袁岚峰 老师的博后导师)

在该书中,Hoffmann老先生深入浅出的讲解了手性分子、化学品的功用和滥用的危害。功用记得不太清楚了,危害的例子是一种药物沙利多迈可以使孕妇的胎儿畸形。因为有一张配图,我至今记得这段。这本书以前是大陆翻译版,不知道为啥新版用的是一位台湾人的翻译。

第二本则有一些politics。这本书叫《完美的对称》,讲述足球烯的发现历史。原来是在星际里发现了一种-(C=N)n-长链,地球上没有天然的这种分子。科学家们想要在地球上制备一些,设计了一个半球形的反应器。结果这种长链没弄出来,倒是合成出了一种新型的全是碳的化合物。当他们绞尽脑汁解析完其结构时,有个合作者立即说:这是个足球啊!就这样,足球烯横空出世。而且,参与发现足球烯的有五个课题组之多,最后只有三个人得了诺贝尔奖。科研实际上充满了竞争,不亚于奥林匹克运动会。我们看奥运赛事的时候,总会产生“这个错误也能犯?我上我也行”这种错觉,实际上自己可能连赛区赛也无法出线。但没得奖的也拿到了专利,钱这方面不吃亏。但是这里边有个博士,觉得没得奖也没拿到专利,被不公平对待了。但是这位博士没有在历史上留下什么浪花。这段故事还是拿到专利的那位PI主动提起的。

看了这本书十七八年之后,我居然也做了一个星际分子的研究。太神奇了:


还有一段让我印象深刻的化学小故事,不是化学科普。是福泽谕吉在自传里回忆,他们年轻的时候学“西洋学”,实际上只要是外文书,里边啥知识都学。有一阵子他们得到一本化学书,就立即自己动手,尝试复现,制备书里的化学品。第一个尝试是硫酸。结果做的人为了防止别人误拿,放在一个很高的柜子顶上,被一个倒霉蛋碰到,硫酸泼头,速度冷水冲洗,小命保住了,但立即变秃子。第二次尝试制备氨水。他们之前还开会研究:这东西气味很重,要怎么办,才能保证做出来之后不被人打死呢?最终决定弄一条船,在船上制备氨水!他们立即租来一条船,买了牛骨头等必需品,最终果然做出了氨水!结果迎风臭十里,招来河两岸居民一片叫骂。

上述两个例子让我对化学产生兴趣之外,也生动的教育了我化学品要慎用!我在初中买了一批化学仪器,本来准备在家里做做小实验的,看了上述故事之后,在家里就一律用清水做实验,纯锻炼我的实验技巧了。用化学品的实验一律去学校实验室搞。

(福泽谕吉自传还是看商务印书馆的好)

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