一个几何物理学者眼中的化学（3）

物质的结构、状态都已趋于稳定了，为什么还要有化学变化、物理变化？原因有三。一是外部原因，本体身不由己；连文人毛泽东都会说，坐地日行八万里；天要下雨、娘要嫁人，由不得你。二是不进则退，不进化就要灭亡。三是稳定都是暂时的，变化才是永恒的；没有人、物是长生不老的。物理变化还好，只是改变位置和方向；化学变化就要改变结构了。

按照Dalton的观点，化学变化/反应仅仅是原子的重新排列组合，因为原子既不能被创造也不能被分成更小的粒子，更不能被毁灭。按照化学键的观点，化学反应是化学键的断开与重铸；各分子在外力的作用下，不停地发生碰撞；一些有效碰撞断开了较弱的、不太稳定的键，再与更强电子密度的云相结合，形成新的物质。现如今，原子已经被再分成原子核、电子云和数百种瞬时粒子，核反应堆深入人类生活之中，影响到了人类的食物、药品、毒品及生化武器，乃至整个地球大环境。核内的质子和中子也可以再分解为夸克、弦和胶子，质子内部的夸克链式反应已在人类思想中，我们离掌控整个宇宙不远了。

从宏观上看，实现化学变换的手段有三类：一是混合，如酸碱中合、溶解和合成；两种反应性强弱不一的物质放在一起就会发生原子的相互置换，以达成一种更稳定的结构。二是加热、通电或辐射（电磁爆），也就是注入能量；比如氧化还原让电子转移、燃烧、矿物提取等。三是加压、核反应甚至多层次的核爆炸。使用催化剂可以提升化学反应的速度，并不改变产品的结构。用于物质提纯的过滤、蒸馏和雾化是物理变化，不改变分子的结构。

怎么表示一种化学变化的过程呢？化学家们用加号和箭头写成

反应物1 + 反应物 2 + 。。。 → 产品1 + 产品2 + 。。。

其中各种物质的书写顺序无关紧要。可能有1到3种反应物，更多种反应物时要分多步、多个方程式写出。各物质都以分子式写出，并在后面用括号标明其状态，如s表示Solid，l表示liquid，g是gas。如果是处于水溶液中，则标注aq (aqueous)；当物质溶解于水时，可以在箭头上方标注H2O（也可不写）。有催化剂或者加压通电时，在箭头的上方或下方或右方标明。

要紧的是最终产品的形式。学生们说，那是老师给定的，无需担心；老师们则说，要靠实验观察，不可把原子随意重组。几何物理学者说，猜猜试试总是可以的。按照各分子轨道的几何形状、强弱程度，加上稳定性准则，可能的中间产品是可以确定的。如果出现逆向的反应，按照平衡性的原则，最终产品是完全可以确定的。例如，燃烧一氧化碳会生成什么？CO + O2 → ? 二氧化碳，还有水。又如，KBa(aq) + AgNO3 →? 自然是KNO3 + AgBa，离子（NO3）(-1) 是一个功能整体（Functional Group）, 在反应中作为一个整体不可拆分。单原子离子更是不可再分。可惜的是，化学家们怕麻烦，连共价键、极性键和离子键都没有标出，以后也只会标出氧化数（Oxidation Number）而已。

现假定产品形式已知，还要平衡反应方程式。因为各种原子不生不灭，用简单的待定系数法就可确定。例如，乙烷燃烧生成二氧化碳和水：C2H6 + O2 → CO2 + H2O，先写成 aC2H6 + bO2 → cCO2 + dH2O，比较两边各原子的总数，可得方程式 2a = c, 6a = 2d, 2b = 2c + d。取最小的正整数解，可得 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O。方程式中的系数，表示该分子（或原子、离子）的个数；如果给出的是各反应物的质量，先要通过其摩尔质量换算成摩尔数（不一定是整数），按照系数的比值，确定剩余的反应物。最先用完的反应物起限制作用，它决定了产品的量。

实现化学变换主要靠电。在物理中，主要是用水力、风力、燃煤、核辐射等能量通过电磁感应，或者光电效应去驱动电子；在化学中，可以直接分离电子：将电解质溶于水，分离出阴阳离子，形成电场，非局部化的电子自然就从电势高的地方流向电势低的地方；正如水往低处流（引力势能低处）。所有离子化合物都是强电解质，其它电解质都含有H+或OH-。有机物中只有醋酸CH3COOH是弱电解质；它的离子化过程可以表为 CH3COOH (aq) ←→ CH3COO-(aq) + H+(aq) ，双箭头表示过程可逆：刚开始溶于水时，醋酸分解出醋离子CH3COO-和氢离子H+（即质子），尔后部分阴阳离子也可以重新结合成醋分子。强电解质如食盐和氯酸，在水中会完全离子化：NaCl(s) → (H2O) Na+(aq) + Cl-(aq), HCl(g) → (H2O) H+(aq) + Cl-(aq)。

这些方程式并没有表现出溶解或者水合（Hydration）的完整画面。其实，每个离子都被水分子包围着，阳离子对着水分子的负极（即O端），阴离子对着水分子的正极（H端）。水分子把离子分开、包围，防止离子重新组成中性分子，这才有了人造电池。

第一个实用的化学电池是John Frederic Daniel在1839年发明的，基于Alessandro Volta的设计，其工作原理如下。当把一块锌片放入硫酸(II)铜的水溶液中时，一个锌原子被夺走两个外层电子（它在2B族）成为锌离子Zn+2（这一过程称为氧化），原来的铜离子Cu+2则被还原成为铜原子Cu，铜的兰色逐渐褪去。这一过程用分子式表为：Zn(s) + CuSO4(aq) → Cu(s) + ZnSO4, 用离子式表为 Zn(s) + Cu (+2) + (SO4) (-2) → Cu(s) + Zn (+2) + (SO4) (-2) 。这里的铜呈+2价，尽管它属于族1B，但可以有+1和+2两种氧化态。硫酸离子SO4(-2) 是旁观者（不参与全过程），可以从两边约去：Zn(s) + Cu+2(aq) → Zn+2(aq) + Cu(s)。

离子化过程必须在两个分开的空间里同时进行，并且用一根导线把它们连接起来，让产生的电子流过。把一块锌片放入一瓶硫酸锌溶液中：Zn(s) + ZnSO4(aq) → 2Zn(+2)(aq) + (SO4)(-2)(aq), 或简写为 Zn(s) → Zn(+2)(aq) + 2e(-1)。另一边，把一块铜片放入一瓶硫酸铜溶液中：Cu(s) + CuSO4(aq) → 2Cu(+2)(aq) + (SO4)(-2)；或者 Cu(s) → Cu(+2)(aq) + 2e(-1)；当Cu(+2)接到两个电子后，还原成为Cu: Cu(+2)(aq) + 2e(-1) → Cu。电子流出的地方叫阳极，这里是锌片端；电子流入的地方叫阴极，这里是铜片端。如果两瓶溶液不分开的话，铜离子将从锌原子获取两个电子而还原为铜原子，因为它处于不稳定的高价态。

为了形成一个闭合的电路，两种溶液还需要用一个通路连接起来，以便丢失电子的阳离子（这里是Zn+2）从阳极流出，同时另一端获得电子的阴离子（这里是SO4(-2)）从阴极流走；而且构成通路的物质不能与溶液或电极中的离子起反应。这就要求它是惰性的电解液，比如氯化钾（KCl）或硝酸铵（NH4NO3）。这个通路被称为盐桥（Salt Bridge），通路只是一根U形管，两端用软棉（木）塞住。工作时，两瓶溶液中的阳离子（Zn(+2), Cu(+2), K+, NH4(+)等）从阳极流向阴极，而阴离子（SO4(-2), Cl-, NO3(-1)等）则从阴极流向阳极。如果没有盐桥的话，阳极中形成的正电荷（因Zn丢失两个电子）和阴极中形成的负电荷（被Cu(+2)所捕获的电子）将很快中和，电势差消失。

我们还有干电池。用锌片包住一根碳芯，中间填满糊状的二氧化锰（MnO2,Mn处于+4价）和氯化氨（NH4Cl）。在锌端，一个锌原子Zn被两个氯电子氧化成为锌离子Zn(+2)，留下两个电子；随着电子的聚集，外层的锌片就成了阴极。同时，氯离子的形成也成就了氨离子(NH4)+，此阳离子被MnO2提供的电子中和，碳棒就被正电荷包围而成为了阳极。当然也可以选用其它金属材料如锂。

在通常的温度和大气压（1 atm）下，绝大多数的化学反应都是在水溶液中进行的；可以说几乎一切有机物的反应都是在水中进行的，因为没有水就没有生命。水可以溶解一切物质，因为H2O的特殊结构。它是极性分子，既可以形成正离子（H3O）+, 也可以形成负离子 （OH）-；纯净的水是一种极弱的电解质。水既可以呈酸性，也可以呈碱性。

在水溶液中的化学反应可以分为三类：（1）沉淀反应。通常是一种离子化合物，放入某种物质的水溶液中，形成一种不可溶的沉淀物。例如，碘化钠（NaI）放入硝酸铅（Pb(NO3)2）的水溶液中，形成碘化铅（PbI2）（不可溶）和硝酸钠（NaNO3）。判定一种离子化和物是否可溶有一定的规则可寻：含有+1价阳离子（如Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, (NH4)+）或-1价阴离子（如Cl-, Br-, I-, (ClO3)-, (HCO3)-, (NO3)-）的化合物是可溶的；-2价硫酸离子（SO4）(-2)是可溶的。例外情况是，Ag+，（OH）-不可溶。当然，如果温度和压强足够高的话，任何物质都有一定的可溶度。

（2）酸碱反应。按照Arrhenius的定义，酸是溶于水时可以产生一到三个氢离子H+即质子的腐蚀性物质，具有酸味，可让植物染料变色，可与金属发生反应；而碱是溶于水时可以产生氢氧离子OH(-)的物质，具有苦味和滑感，也可让植物染料变色。Arrhenius的定义只局限于水溶液中。1932年，丹麦化学家Johannes Bronsted把酸定义为化学反应中的质子捐赠者，而碱则是质子接受者，这就不必限于水溶液中的反应。

常见的酸分子通常写为HA的形式，如碳酸（H2CO3）、硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、氯酸（HClO3）。含有氢、氧和另一种原子的酸称为氧酸（Oxoacids），如磷酸H3PO4、HBrO3。碱的分子式通常写为 BOH的形式，如NaOH、KOH、Ba(OH)2。含有氨分子NH3的化合物也归入碱类，因为当它溶于水时会产生氢氧离子。

有机物中的核糖酸在蛋白质的合成中起着关键作用，它分为两类：脱氧核糖酸（deoxyribonucleic acids, 即DNA）和核糖酸（RNA）。核糖酸只有4种基本组成块：A = Adenine，H5C3N5，G = Guanine, H5C3 N5O, C = Cytosine, H6C4N3O, T = Thymine, H6C4N2O2；组成蛋白质的氨基酸有20种。DNA分子是已知最大的分子，摩尔质量可以达到数百亿克；如果把人体中的DNA分子都拉长、连在一起的话，长度可达100个天文单位（从地球到太阳的距离）。RNA分子的大小则可变，其摩尔质量可以从数克到两万五千克。

酸与碱的中和反应生成水和一种盐，此盐含有除H+之外的阳离子，以及除OH(-)或 O(-2)之外的阴离子。反应方程式可写为：HA + BOH → BA + H2O。比如食盐的制造：HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O (l)。反应过程中，出现了质子的转移。

（3）氧化还原反应。氧化的本意是与氧原子的结合，现指反应过程中一个原子失去一个或多个电子。还原反应原指与氢原子的结合，现指阳离子获取一个或多个电子。反应过程中，一个原子得/失的电子数可以用氧化数（Oxidation Number）来标明。如 H(0)2(g) + Cl(0)2(g) → 2H(+1)Cl(-1)(g). 一个原子的氧化态可能有多种，如H一般是+1, 但也可以是-1, 如在LiH、NaH和CaH2中。一般而言，主族1A中的原子总是+1态，而7A族原子通常为-1价，但除F外，Cl、Br、I也可以是+1, +3, +5, 甚至+7. 主族2A原子总是+2价，6A原子常为-2，但除O外，其它也可以是+4或者+6。需要看分子中各键的性质；氧化数也可以是分数。

从形式上看，Redox可以分为三类：综合，两个分子（原子或离子）合并为一个。例如，硫的燃烧：S（0, s） + O(0)2(g) →.S(+4)O(-2)2(g)。分解，一种化合物分解为多种成分，如 2K(+1)Cl(+5)O(-2)3 →2K(+1)Cl(-1) + 3O(0)2。第三，置换，一种化合物中的一个离子或原子被另一种元素的离子或原子所取代。这又可以分为三个子类。一是氢置换，1A或2A中的金属取代一个氢原子，如 2Na(0)(s) + 2H(+1)2O(-2)(l) → 2Na(+1)O(-2)H(+1)(aq) + H(0)2(g)。二是金属置换，一种化合物中的一个金属原子被另一种金属原子所取代；如 Ti(+4)Cl(-1)4(g) + 2Mg(0)(l) → Ti(0)(s) + 2Mg(+2)Cl(-1)2(l)。三是卤置换，一种卤原子被另一种卤原子所取代；如 Cl(0)2(g) + 2Na(+1)I(-1)(aq) → 2Cl(-1)(aq) + I(0)2(s)。

置换是否发生，取决于原子（离子）的活动性（activity）。化学家们总结出了金属的活动性序列：Li > K > Ba > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Cr > Fe > Cd > Co > Ni > Sn > Pb > (H) > Cu > Hg > Ag > Pt > Au。氢H前面的原子会取代H，H后面的则不会与水或酸发生反应。前面的金属会取代后面的金属。卤族的活动性序列为 F2 > Cl2 > Br2 > I2，小的分子比大的分子更活跃。

据说弄清化学反应的机制，是一个化学家的一生的使命，可在几何和物理学家的眼里，这不过是分分钟的事情。