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      姜雪峰:什么是化學?︱啟明星之聲

      發布時間: 2021-11-18 16:35:27   試劑信息網
      摘要: 解釋“什么是化學”是一個極難又極簡單的任務。今日,姜雪峰教授從生活體驗來帶你感受化學的魅力。

      化學是生命,化學就是身邊的你我他


      元素周期表中的118個元素組成了多姿多彩的世界與生命。它們各具特點、性質豐富。

      (Li)是最輕的金屬(0.534克/立方米),銫(Cs)是最軟的金屬(莫氏硬度約為0.5),鎢(W)是熔點最高的金屬(3540攝氏度),汞(Hg)是最重的液體(13.6噸/立方米),氧(O)是地殼中含量最多的元素(48.6%),鋁(Al)是地殼中含量最多的金屬(7.73%),鈾(U)是最后一個被分離出來的天然元素,锎(Cf)是最貴的金屬(約1000萬美金/克)。


      大自然神奇地挑中了碳(C)作為地球碳基生命的基礎,如果你學了化學,了解了碳穩定而多樣的四面體延展性,就會知道這并不是偶然。


      (H),作為第一號元素,無時無刻不對我們的世界產生方方面面的影響,它不僅在醫學上具有重要用途,而且其中蘊含的氫能還是能量轉換率最高的清潔能源、未來能源。


      (O),能與幾乎所有其他元素形成化合物,廣譜的氧化作用令它承擔起從組建和保護地球到孕育和構成生命的重任。


      O、H構成了這個星球獨有的水分子,如果你學了化學,知道了“手拉手”的氫鍵讓水既不是飄忽不定的氣體,也不是穩如泰山的固體,這時,你就會明白它為什么成了構建生命的基礎。


      氮氣(N2),一個在空氣中穩定到我們都認為它“懶惰無用”的組分,卻能悄悄地通過化學“魔術”轉化為我們身體中最重要的物質基礎——氨基酸,氨基酸連接在一起就成了肽,肽鏈卷曲、組合、折疊就成了蛋白質,蛋白質在生命各種紛繁復雜的變化中醞釀出看似容易卻極其精巧復雜的生理功能。氮的高爆傾向不僅僅體現在高濃度的硝酸鹽,同樣還體現在我們熟知的三硝基甲苯(TNT)、硝酸銨、硝化甘油和三碘化氮上,因此,由氮氣、氫氣催化合成氨氣的方法也是第一次世界大戰時發展起來的。



      化學是感覺,化學就是酸甜苦辣鮮


      化學是我們口中的酸




      不同的化學結構決定了物質的不同功能,我們因此而體會到香醋、檸檬、酸奶具有不同的酸味。


      酸味的本質是由氫離子刺激舌黏膜而引起的味感。凡是在溶液中能解離出氫離子的化合物都具有酸味。酸味的強度(酸度)不僅僅取決于溶液中氫離子的濃度,還與酸根的種類、溶液組分特別是糖的存在有關。


      化學是我們口中的甜




      帶給我們甜蜜感的不僅僅有蔗糖、果糖、麥芽糖、葡萄糖,還有山梨醇、甘露醇、木糖醇,甚至D型的氨基酸也會有甜甜的味道——這就是為什么饅頭咀嚼很久以后會產生甜味的原因。


      我們能感知到甜味,是因為活性分子和嘴巴里的受體發生了相互作用,味覺感受器細胞又將化學刺激的信息內容轉化為神經信號傳遞給了大腦。


      衡量甜味強弱的標準稱為甜度,甜度是一個相對值,通常將室溫下5%蔗糖溶液的甜度定為1.0,其他物質的甜度則與之相比較得到,例如:葡萄糖的甜度為0.5~0.8,甘露糖的甜度為1.1~1.8,木糖的甜度為1.2,而山梨醇的甜度為0.4~0.6,甘露醇的甜度為0.69,木糖醇的甜度為0.9~1.0。


      化學是我們口中的苦




      咖啡、茶葉、可可堿,蓮子、百合、秋水仙,都有苦味,但它們產生苦味的結構并不相同,產生苦味的機理也不相同。


      為什么大量服用苦杏仁易中毒?那是因為苦杏仁苷在葡萄糖苷酶的作用下會分解為杏仁腈,產生有劇毒的氫氰酸。


      雖然產生的機理各不相同,但總的來說,苦味大多來自呈味分子的疏水基。如果親電性基團與親核性基團的距離很近,就可以形成分子內氫鍵,使整個分子的疏水性增強,而這種疏水性是分子與脂膜中多烯磷酸酯組成的苦味受體相結合的必要條件??辔段镔|雖然口感不好,但是它們可以對人體產生積極作用,例如,茶葉的苦味物質具有祛除疲勞、興奮神經的作用。


      除了苦味的有機化合物,苦味的無機鹽也有很多,大海中的溴化鉀、碘化鉀、氯化鎂都是海水苦味的來源。但是,無機鹽的苦味與其所含陰離子和陽離子的離子直徑之和有關,一般情況下,離子直徑之和小于6.5埃的鹽顯示咸味,隨著直徑的增大,苦味逐漸增強。


      化學是我們口中的辣




      辣椒、大蒜、洋蔥、辣根、生姜,都會讓我們感到不同的灼燒感與疼痛感。電信號在受體蛋白間的傳遞,有的讓我們增加了食欲,有的卻讓我們流下了眼淚。


      辣味產生的本質,是進入口腔的辣素分子直接作用于舌頭表面的感覺神經細胞,并與細胞表面的辣椒素受體特異性結合,使離子通道打開,產生瞬時電位,電信號被傳遞給神經中樞,使中樞系統產生灼熱和疼痛感。


      斯科威爾辣度是衡量辛辣程度的重要參數。


      測量斯科威爾辣度時,要先將辣味提取液按比例稀釋數倍,讓5名左右評測員找出剛剛能察覺出辣味的最低濃度樣品,再根據樣品的稀釋倍數轉化成辣度。


      化學是我們口中的鮮




      海鮮的鮮是核苷酸的鮮,而味精的鮮是氨基酸的鮮。它們與舌上皮味蕾、味覺細胞及味覺受體作用產生味感,再經由一系列反應產生效應物1,4,5-肌醇三磷酸,促進味蕾離子通道作用,使膜電位發生變化,最后將味覺信號通過神經纖維傳遞給大腦……


      原來,我們的每一種感受都源于化學分子與生命分子的作用過程,以及由此產生的化學變化。



      化學是日常,化學就是衣食住用行


      絲、棉、麻、皮革、尼龍,為何會在不同季節給我們帶來不同的穿著舒適感?這源于高分子化學結構的設計與優化。


      小小一粒藥片,為何會讓腫瘤縮小、皮膚消腫、疼痛減弱、不適消失?這源于藥物化學的分子設計與改造。


      鋼筋、水泥、陶瓷、塑料,如何耐熱、耐寒、耐水、耐腐蝕?這都源于材料化學家通過巧妙構思,將化學機構、性質與功能神奇地結合了起來。


      手機、計算機、電視機的顯示屏以及各類LED材料中,也有小小的化學分子發揮著大大的作用。


      香水、洗發水、化妝品,讓我們的生活變得如此整潔與美好,讓我們在感受到香氣撲鼻的過程中還能品味著前香、中香與后香的變幻,這依然要歸功于化學分子的創制。


      設計出小小一塊電池,它會給我們的手機、計算機帶來能量,還會給汽車、航天飛船帶來驅動力,這都是化學運用物質與能量轉化過程中的規律幫助人類追尋夢想。



      那么,化學是什么?


      化學就是人生,幫助我們參透人生的哲理。每一個現象都有它背后復雜而深刻的原理,原理不僅僅能解釋現象,更能幫助我們設計“期待的現象”。


      每一種物質的變化都伴隨能量的變化,反之,能量的變化也會引發物質的變化。每一個分子都是一個整體,“牽一發而動全身”就是變構的魅力。每一場變化,弱了不可及、強了反脫靶,“恰如其分”是我們一生追尋的度。


      每一個循環,不僅僅有創造,還有解構再創造,“閉環的思考”是平衡穩定的關鍵。


      希望大家選擇化學,不是出于“王婆賣瓜、自賣自夸”,而是為了讓我們更好地理解這個世界和自己;

      希望大家選擇化學,不僅僅是為了擇業的寬泛,更是為了在一個細分的領域有你自己獨立的見解;

      希望大家選擇化學,不僅僅因為化學能錘煉理性的科學思維,更因為它是科學與實踐、理論與創造的完美結合。


      更關鍵的是,我們要用化學變化的視角看待自然變化,要用化學推理的邏輯判斷事物發展,要用化學循環的擔當維護社會和諧。


      -本文摘編自《創新無界——啟明星科普文集》(上??茖W技術出版社,2021年10月)-


      圖片

      本文作者姜雪峰,華東師范大學教授,上海市政協委員。國家杰出青年基金、國家優秀青年基金、國家萬人計劃,教育部青年長江學者,上海市優秀學術帶頭人、五四青年獎章、青年崗位能手、青年科技啟明星、浦江學者。曾獲2020年中美化學與化學生物學教授協會杰出教授獎、2020年上海市科普貢獻個人一等獎、2019年中國均相催化青年獎、2018年IUPAC元素周期表青年科學家硫元素代言人、2018年藥明康德生命化學研究獎。中國青年科技工作者協會理事,中國化學會高級會員,英國皇家化學會士。


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