化学

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1个分类: 化学

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化学是一门研究物质的性质、组成、结构和变化的科学。

[编辑] 概論

科隆大學生物化學學院實驗室中的工作枱

很多人稱化學為「中心科學」(Central science)，因為化學將科學的其他分支，例如：材料科學、奈米科技、生物化學等等連上。化學的很多專科都與其他科學學派有相同的地方。

化學其中一個基本的成份是它的研究涉及物質。所謂的涉及可以是兩種物質互相影響，亦可以是物質與其他不是實體的東西，例如能量之間的影響。傳統的化學常常都是關於兩種物質相遇、變化，平日常說的「化學反應」；又或者是一種物質變成另一種物質的過程。這些變化有時會需要使用電磁波，當中電磁波負責激發化學作用。不過有時化學都不一定要關於物質之間的反應。光譜學研究物質與光之間的關係，而這些關係並不涉及化學反應。

研究化學的學者稱為化學家。在化學家的概念中一切物質都是由原子或比原子更細小的物質組成。一堆原子結合以後可以成為各種其他物質，例如分子、離子或者結晶體。地球上一切的東西，生活中一切的物件和物質的特性都是受化學特性和物理特性所掌管。

鋼之所以那麼硬，是因為它們中的原子組成了一個很大的結晶，每粒原子都與鄰近的原子結合得很牢。木之所以能燃燒，因為它們與空氣中的氧只要超過某溫度就會發生反應，發光和發熱。水是液體，因為它們中的粒子的活動程度大於固體而少於氣體。人有視覺，因為眼中有些遇到光會變化的蛋白質，把訊息傳到腦中。

化學中有很多不同的分支，而每一位化學家通常都是強於一、兩個範疇；在中學課程中的化學，化學家稱為「普通化學(General Chemistry)」。普通化學是化學的導論。普通化學課程提供初學者入門簡單的概念，相較專業分支領域而言，並不甚完善和精確，但確實提供化學家直觀和圖像化的思維方式。很多時候化學家用這些簡單概念來解釋一些複雜的知識。

[编辑] 名称及来历

英文「化學」（Chemistry）一词的词源有多种说法。

一种说法认为是由「鍊金術」（Alchemy）得名的。英文中alchemy一词源于古法文alkemie和阿拉伯文al-kimia，含义是“形态变化的学问”(the art of transformation)。阿拉伯语kimia一词源自希腊文。
另一种说法认为来自埃及语kēme（chem），意思是“土”（earth）。

中文“化学”一词最早出现在1857年墨海书馆出版的期刊《六合叢談》。伟烈亚力提及王韬在其日记中记载了从戴德生处听闻的“化学”一词。^[1]

“化学”一词被介绍到日本，取代了原来日语中的译法“舍密”（音译自荷兰语）。

[编辑] 歷史

門得列夫像

[编辑] 人类早期对火的认识

最早的化學要算是人類對火的研究。對於當時的人來說，火可以將一種物體變成另一種物體，所以成為了當時人最有興趣研究的現象。如果沒有火，人類不會發現到鐵和玻璃的製造方法。

[编辑] 炼金术

當人發現了金這一種貴重的金屬之後，很多人去研究怎樣把其他物質變成金。這些研究促成了一種原科學(protoscience)－鍊金術的誕生。化學的早期歷史主要都是與金屬的提取和處理有關。2000年前，人類己廣泛使用金，銀，汞(水銀)，銅，鐵和青銅。

中国古代的炼丹术，西方古代的炼金术，就部分含有化学的雏形，并对近代化学的形成、发展有重大意义。而中国古代在陶瓷、染色、酿造、造纸、火药等在化学工艺方面成就杰出。

1800年裏(公元前300-1500年)，煉金術士的主要興趣是將一些便宜的金屬轉化成黃金。跟着的一百年是醫療化學的世紀,因為那時候化學家主要的工作是製造藥物。

[编辑] 早期化学

古化學家收集了很多不同物質的資料。但是化學的發展到了16世紀還是很慢。在17世紀出現了好幾位大化學家，其中之一是罗伯特·波义耳，他被尊崇為化學之父。在這之後，很多新發現一個接着一個的出現。到了1850年，化學己與現在所熟知的甚為相似。1873年拉瓦錫(Antoine Lavoisier)提出質量守恆定律(conservation of mass)開始出現。接著化學家發現了各種化學元素，為後來門得列夫(Дми́трий Ива́нович Менделе́ев，Dmitri Mendeleev)建立的元素週期表奠定基礎。1901年，諾貝爾化學獎成立，確認了化學對人類的貢獻。

[编辑] 近代化学

近代化學開始於20世紀初期蓬勃發展的量子力學。萊納斯·鮑林引進量子力學解釋化學鍵的本質，得以用波函數的線性疊加來描述。質子，中子與電子的發現，使化學真正由原子尺度來理解化學反應。量子力學和電子學的發展，使得許多新型儀器得以開發，來探索和分析化合物的結構和成分，如原子和分子光譜儀，X光和核磁共振，質譜儀等。

[编辑] 當代化學

微量吸管，一種生化常用的實驗儀器

正在做實驗的人

當代化學大致分為四大學門，各學門又有許多延伸的子學門和應用化學領域。

四大學門主要為：

分析化學開發分析物質成分、結構的方法，使化學成分得以定性和定量，化學結構得以確定。分析化學是化學家最基礎的訓練之一，化學家在實驗技術和基礎知識上的訓練，皆得力於分析化學。當代分析化學著重儀器分析，常用的分析儀器有幾大類，包括原子與分子光譜儀，電化學分析儀器，核磁共振，X光，以及質譜儀。
有機化學研究碳，氫，氧，氮，硫等元素組成的化合物的化學學門。有機化學主要研究有機化合物的合成途徑和方法，機構和物理性質。由於有機化學高度的應用性和悠久的發展歷史，通常被普羅大眾視為當代化學的代名詞。有機合成和新反應途徑的開發，對於藥物，天然物，生物和高分子材料的開發，都是極為重要的一環。
無機化學有機化合物以外元素的化學領域，研究化合物的合成途徑和方法，機構和物理性質，最常見的分子體系為金屬錯合物。有機和無機化學界綫常有交疊。有機金屬化學就是一門介於有機和無機中間的化學。
物理化學是從物理角度分析化學原理的化學分支，可謂近代化學的原理根基。物理化學家關注於分子如何形成結構、動態變化、分子光譜的根本原理，以及平衡態等根本問題，涉及的物理包涵熱力學、動力學、量子化學、統計力學等重要物理領域。物理化學和化學物理兩者差異不大，端看研究者所關注或偏向的層面而定。大體而言，物理化學為四大學門中最講求數值精確以及理論架構嚴謹的學門。諾貝爾獎得主李遠哲先生之研究領域化學反應動力學即屬物理化學。

其他延展和應用的學門：

理論化學從物理的理論去解釋各種化學現象的學門。
計算化學由於分子體系的複雜性，分子的反應，動態，結構，經常是無法完全以量子力學做計算的。因此計算化學提供各種簡約的計算方法，來預測並輔助實驗結果的推斷。實用性上已有諾貝爾獎的肯定，如1998年獲諾貝爾化學獎的密度泛函方法。
生物化學生物化學是研究生物體內發生的化學反應和相互作用的學科，被應用於研究細胞中各組分（例如蛋白質，碳水化合物，脂類，核酸以及其他生物分子）的結構和功能。生物化學被廣泛應用於蛋白質各項化學性質的研究，特別是應用於酶促反應的研究。
電化學是研究各種因為電力推動而發生的化學作用或者會在運作途中産生電力的化學作用的科學學門。生活中常見的各種電池就是電化學的研究成果。
光化學研究各種化學物質，受到各種頻率光線照射之後的化學反應變化。
藥物化學研究化學物質怎樣用於藥物中，從而改變藥物的功效，做出醫病的作用。它其實是幾個化學門派，包括有機化學、生物化學、物理化學，及幾個不屬於化學的科學學門，包括藥理學、分子生物學和統計學的結合。
量子化學用量子力學及其他純理論手段解釋各種化學現象。
核子化學研究不同的次原子粒子怎樣走在一起，形成一個原子核，及研究一個原子核中的物質如何變化。
天文化學研究外太空的化學物質，分析它們的成分、結構與地球上的物質有什麼不同。
大氣化學是一種對地球大氣層及其他星球的大氣層的研究。大氣化學都會研究環境變化途中發生過什麼化學反應。
環境化學從化學角度研究自然環境中生物的變化。
綠色化學研究怎樣從化學角度減低污染。
資訊化學用電腦去解決化學上的問題。
地球化學研究地殼中各種物質的化學特性，解釋它們的構造。
石油化學從化學角度研究石油及天然氣的特性及煉油技術。
高分子化學研究比較大的分子，即是高分子，例如發泡膠怎樣造出來和有些什麼特性。高分子化學亦會研究怎樣令很多分子結合為一粒高分子。
超分子化學研究共價鍵以外各種化學鍵，例如氫鍵、范德華力 (van der Waals force) 、疏水效應 (hydrophobic effect)的運作。