高中化学/化学是材料科学
在上一章中，我们讨论了一些早期炼金术士的目标以及当今化学家的一些作用。你可能已经注意到，尽管化学实验方法有所改进，化学性质的知识也得到了增加，但 21 世纪的化学和公元前 5 世纪的化学都关注这个问题：物质如何从一种形式转变为另一种形式？我们能否预测物质的性质？以及如何控制这些性质以使我们能够利用它们？化学本质上是研究物质和材料的科学。因此，我们将从考虑对早期文明和当今社会都很重要的某些化学材料开始我们的化学讨论。
- 举例说明科学家可能在实验室中测量或观察到的化学性质。
- 解释物理变化和化学变化之间的区别，并举例说明。
- 确定质量可以转化为能量，能量可以转化为质量的情况。
在人类对化学有任何了解之前，他们使用周围世界中所能找到的一切。至少在少量情况下，一种很容易被早期文明获得的材料是金属。原生金、银和铜，以及锡和铁的化合物都可以在悬崖和洞穴中自然存在（事实上，在加利福尼亚州埃尔多拉多县发现天然金是 1849 年淘金热的导火索），因此，这些金属在早期对人们来说非常重要。
许多古代文明用从周围岩石中搜集的金属制作工具、珠宝和武器。然而，过了一段时间，人们发现通过将天然金属与其他物质混合，他们可以创造出具有优越性能的新材料。
人类最早生产的一些材料包括金属混合物（或更确切地说是*溶液*），被称为*合金*。青铜是人类最早发现的合金之一。青铜可以通过加热锡和铜块使其液化，然后将两种纯金属混合在一起制成。青铜对早期文明来说非常重要，因为它比铁更耐锈，比铜更硬，可以保持锋利，并且可以磨成锐利的边缘以制造工具和武器。
另一种在文明史早期生产的合金是钢。如你之前所学，钢是铁和碳（或木炭）的合金。钢，特别是乌兹钢（需要一种特殊的技术，包括加入玻璃），特别坚固，可以制成非常锋利的边缘，非常适合制造剑。另一种早期文明就知道生产的古老材料是黄铜。黄铜也是一种合金，由两种纯金属铜和锌制成。早期的罗马人知道，如果他们将铜和一种叫做闪锌矿的锌矿石一起熔化，他们就可以生产出黄铜，它既像金一样闪亮，又耐锈。黄铜是制造硬币的常见材料。
你可能注意到这些“古老”材料主要是合金。在发现青铜、黄铜和钢铁的时代，人们对物质的组成或物质在微观尺度上的组装方式知之甚少。因此，发明材料在很大程度上依赖于反复试验。然而，到 19 世纪末，科学家们开始了解物质的组成，这种理解导致了对如何开发具有理想性能的材料的新见解。
最近历史上的一项重大突破是塑料及其产品的发现。最初，塑料是通过化学修饰纤维素制成的，纤维素是一种存在于植物中的天然化学物质。然而，随着化学知识的发展，科学家们开始意识到塑料具有特殊的性质，因为在微观尺度上，它们是由成千上万个微小的分子链缠绕在一起组成的。科学家推断，如果他们改变这些链中的化学物质，但仍然设法保持链的完整性，他们就可以制造出具有新性能的新塑料。于是塑料革命开始了！
半导体是另一类“新”材料，其发展主要基于我们对化学的改进理解。由于科学家了解物质的组合方式，他们可以预测如何微调半导体的化学成分，使其吸收光并充当太阳能电池，或者发射光并充当光源。我们已经走过了很长一段路，从早期生产青铜和钢铁的时代。然而，随着我们对化学理解的不断提高，我们将能够创造出比今天更实用的材料。
希望此时此刻你已经完全相信化学研究的重要性及其实用性。然而，你可能仍然想知道化学家到底*做什么*。化学是研究物质及其变化的学科。一般来说，化学家对你可以测试和观察的特性（如化学物质的气味或颜色）和太小而无法看到的特性（如你吸入的氧气或你呼出的二氧化碳在比世界上任何现有显微镜强大 1000 倍的显微镜下是什么样子）都很感兴趣。
等等…化学家怎么能*知道*氧气和二氧化碳在根本不存在的显微镜下是什么样子？科学方法怎么了？依靠*观察*和*仔细测量*怎么了？事实上，由于化学家*不能*看到不同材料的潜在结构，他们必须更加依赖科学方法！化学家就像侦探。假设一名侦探试图破获一起谋杀案——她会怎么做？显然，侦探首先要访问犯罪现场并寻找证据。如果凶手留下了足够的线索，侦探就可以拼凑出一个解释发生事情的理论。
即使侦探在犯罪发生时不在犯罪现场，即使侦探没有亲眼看到凶手杀害受害者，只要有正确的证据，侦探就可以非常确定地知道事件是如何发生的。化学也是如此。当化学家进入实验室时，他们通过进行测量来收集证据。一旦他们从他们可以观察到的性质中收集了足够的线索，他们就会利用这些证据来拼凑出一个解释他们无法观察到的性质的理论——那些太小而无法看到的性质。
化学家在实验室中实际测量了哪些性质？好吧，你可能猜到了一些。想象一下，你去朋友家吃饭，却被端上了一道你不认识的东西——你会做哪些观察来确定你到底被端上了什么？你可能会闻闻食物。你可能会注意到食物的颜色。你可能会试图确定食物是液体还是固体，因为如果它是液体，它可能就是汤或饮料。如果你想知道你是否被端上了冰淇淋，食物的温度可能会有用！你也可以用叉子取一小块食物，然后尝试确定它的重量——轻的甜点可能是天使蛋糕，而重的甜点可能是磅蛋糕。你被端上的食物数量也可能是一条线索。最后，你可能想知道一些关于食物质地的信息——它是像方糖一样硬而颗粒状，还是像黄油一样柔软容易涂抹？
信不信由你，你可能用来识别未知食物的观察与化学家用来了解新材料的观察非常相似。化学家依靠气味、颜色、状态（即它是固体、液体还是气体）、温度、体积、质量（与重量相关，你将在后面的部分中发现）、和质地。然而，你可能使用一种用来了解食物的性质，但你绝对不应该用来了解化学物质的性质——味道！
在*原子理论*中，你将看到某些性质的测量是如何帮助早期科学家发展出关于物质化学结构的理论的，这种结构的尺度远小于他们所能看到的。你还会了解这些理论反过来如何使我们能够预测我们甚至还没有创造出来的新材料。
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在上一节中，我们讨论了物质的性质，以及科学家如何利用这些性质来推断物质结构的某些事实。然而，如果化学家只研究颜色和气味等性质，他们就只收集了一半的证据。虽然物质的性质可以告诉我们很多信息，但物质所经历的 *变化* 也可以告诉我们很多信息。假设你被端来了一块蛋糕，你发现它摸起来很冷。你可能会猜到这是一块冰激凌蛋糕。但另一方面，也许它只是一块普通蛋糕，只是放在了冰箱里。你能想到一些方法来区分一块冷冻的冰激凌蛋糕和一块冷冻的普通蛋糕吗？嗯，一种可能性是等一会儿，看看你的蛋糕片是否融化。如果蛋糕片融化了，那它就是一块冰激凌蛋糕，如果没有，那它就只是一块普通的蛋糕。在这种情况下，你观察的不是一种 *性质*，而是一种 *性质的变化*。在这个例子中，变化的性质是状态。
同样，化学家通过研究物质可以经历的变化来了解物质的性质。化学家区分了他们研究的两种不同 *类型* 的变化——*物理变化* 和 *化学变化*。**物理变化** 是不改变物质身份的变化。一些类型的物理变化包括
- 状态变化（从固体变为液体或气体，反之亦然）
- 混合物的分离
- 物理变形（切割、凹陷、拉伸）
- 制备溶液（特殊类型的混合物）
当你有一个装有美分和镍币的混合物的罐子，你把混合物分类，使你有一堆美分和另一堆镍币时，你并没有改变美分或镍币的身份——你只是把它们分成两组。这将是一个物理变化的例子。同样，如果你有一张纸，你不会通过把它撕碎而把它变成其他东西。在你开始撕碎之前是纸，在你完成之后它仍然是纸。同样，这也是一个物理变化的例子。
你可能觉得理解为什么状态变化是物理变化有点困难。在我们用构成它们的更小的单位（原子和分子）来讨论化学物质之前，你可能不明白为什么冻结一种物质或沸腾一种物质只是一种物理变化。
不过，现在你只需要相信状态变化是物理变化。如果你有任何疑问，请记住这一点：当湖泊在冬天结冰时，水并没有消失或变成其他东西——它只是采取了一种新的形式。液态水和固态水（冰）只是我们所知的水的不同形式。在大多数情况下，物理变化往往是可逆的——换句话说，它们可以双向发生。你可以通过冷却将液态水变成固态水；你也可以通过加热将固态水变成液态水。
化学家关注的另一种变化是 **化学变化**。当一种物质由于化学反应而变成一种全新的物质时，就会发生化学变化。同样，随着我们对化学物质和化学物质的外观的了解越来越多，化学变化的含义以及化学变化和物理变化之间的区别将变得更加明显。现在，请意识到化学物质是由称为原子的微小单位组成的。其中一些原子是键合在一起的（或“粘合”在一起的），但在化学变化过程中，一些键会被断裂，新的键会被形成。
你可能想知道如何知道何时发生了化学变化。有时很难判断，但有一些化学变化的迹象可以观察。如果发生以下情况，可能发生了化学变化
- 发生了颜色变化
- 材料本身发出光、热或声音
- 出现了沉淀物（两种液体混合时形成的固体）
- 产生了气体（通过冒泡或新的气味检测到）
化学变化通常比物理变化更难逆转。燃烧纸就是一个化学变化的好例子。与撕碎纸不同，燃烧纸实际上会导致新的化学物质的形成（确切地说，是二氧化碳和水）。注意，撕碎的纸至少可以部分重新组装，而燃烧的纸却不能“未燃烧”。换句话说，燃烧只能进行一个方向。燃烧不可逆的事实是另一个很好的迹象，表明它涉及化学变化。
化学家关注物质的性质以及物质所经历的变化。不过，在大多数情况下，化学家感兴趣的变化要么是物理变化，比如状态变化，要么是化学变化，比如化学反应。无论哪种情况，拉瓦锡的质量守恒定律都适用。在物理变化和化学变化中，物质既不会被创造也不会被破坏。然而，物质还可以经历另一种实际上违反拉瓦锡质量守恒定律的变化，那就是物质转化为能量，反之亦然。
拉瓦锡研究化学的时候，还没有技术能够让科学家将物质转化为能量，将能量转化为物质，但现在可以做到了。这就是爱因斯坦在他著名的方程式 *E = mc2* 中提出的概念。（这个方程式表明，一定数量物质中的能量等于物质的质量乘以光速的平方。）化学反应不涉及将可衡量的能量转换为质量或将质量转换为能量。然而，在处理放射性的化学中，以及在核电站发电中，质量-能量转换非常重要。
- 人类发明的最早材料中有一些是 *合金*，例如青铜、钢铁和黄铜。
- 随着对化学的理解不断提高，人们能够设计出新的、有用的材料，比如塑料和半导体。
- 化学家实际上无法看到大多数材料的潜在结构。因此，他们测量他们能够看到或观察到的性质，并利用这些证据来发展解释化学物质如何在亚微观（比用显微镜能看到的还要小）尺度上组织起来的理论。
- 科学家观察到的物理性质中有一些与状态（固体、液体或气体）、温度、体积、质量和质地有关。
- 化学家还研究不同材料经历的变化；这可以为他们提供有关所涉及的化学物质的宝贵信息。
- 在化学中，有两种重要的变化——物理变化和化学变化。
- 物理变化是不改变物质身份的变化；它们通常是可逆的。
- 化学变化是在一种物质由于化学反应而变成另一种物质时发生的。它们通常很难逆转。
- 物质也可以转化为能量，能量也可以转化为物质。
- 说出化学家主要感兴趣的两种变化类型。
- 判断下列每个陈述是正确还是错误。
- (a) 塑料是在公元 300 年左右的罗马发明的
- (b) 青铜是合金的例子
- (c) 塑料是合金的例子
- (d) 黄铜是合金的例子
- 判断下列每个陈述是正确还是错误。
- (a) 物理变化通常伴随着颜色变化
- (b) 燃烧的篝火是化学变化的例子
- (c) 当你用煤炭给你的房子供暖时，煤炭会发生化学变化
- (d) 当你掉了一个盘子，它碎了，盘子发生了物理变化
- 在以下每个例子中，确定所涉及的变化是物理变化还是化学变化。
- (a) 扁平一个橡皮泥球
- (b) 将一碗樱桃和一碗蓝莓混合在一起
- (c) 将水煮沸
- (d) 煮鸡蛋
- 朱迪有两个装满透明液体的烧杯，她需要知道第一个烧杯中的液体是否与第二个烧杯中的液体相同。在哪些情况下朱迪使用物理性质来回答她的问题，在哪些情况下朱迪使用化学性质的变化来回答她的问题？
- (a) 朱迪闻了两种液体，发现第一个烧杯中的液体有很浓的气味，而她完全闻不到第二个烧杯中的液体。
- (b) 朱迪在第一个烧杯中加入了一些食盐，发现形成了白色沉淀物。然后，她在第二个烧杯中加入了一些食盐，但什么也没有发生。
- 合金
- 一种溶液（或一种特殊的混合物），其中至少有一种成分是金属。
- 化学变化
- 由于化学反应，一种物质变成一种全新的物质时发生的变化。
- 物理变化
- 不改变物质身份的变化。
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