一個幾何物理學者眼中的化學（3）

物質的結構、狀態都已趨於穩定了，為什麽還要有化學變化、物理變化？原因有三。一是外部原因，本體身不由己；連文人毛澤東都會說，坐地日行八萬裏；天要下雨、娘要嫁人，由不得你。二是不進則退，不進化就要滅亡。三是穩定都是暫時的，變化才是永恒的；沒有人、物是長生不老的。物理變化還好，隻是改變位置和方向；化學變化就要改變結構了。

按照Dalton的觀點，化學變化/反應僅僅是原子的重新排列組合，因為原子既不能被創造也不能被分成更小的粒子，更不能被毀滅。按照化學鍵的觀點，化學反應是化學鍵的斷開與重鑄；各分子在外力的作用下，不停地發生碰撞；一些有效碰撞斷開了較弱的、不太穩定的鍵，再與更強電子密度的雲相結合，形成新的物質。現如今，原子已經被再分成原子核、電子雲和數百種瞬時粒子，核反應堆深入人類生活之中，影響到了人類的食物、藥品、毒品及生化武器，乃至整個地球大環境。核內的質子和中子也可以再分解為誇克、弦和膠子，質子內部的誇克鏈式反應已在人類思想中，我們離掌控整個宇宙不遠了。

從宏觀上看，實現化學變換的手段有三類：一是混合，如酸堿中合、溶解和合成；兩種反應性強弱不一的物質放在一起就會發生原子的相互置換，以達成一種更穩定的結構。二是加熱、通電或輻射（電磁爆），也就是注入能量；比如氧化還原讓電子轉移、燃燒、礦物提取等。三是加壓、核反應甚至多層次的核爆炸。使用催化劑可以提升化學反應的速度，並不改變產品的結構。用於物質提純的過濾、蒸餾和霧化是物理變化，不改變分子的結構。

怎麽表示一種化學變化的過程呢？化學家們用加號和箭頭寫成

反應物1 + 反應物 2 + 。。。 → 產品1 + 產品2 + 。。。

其中各種物質的書寫順序無關緊要。可能有1到3種反應物，更多種反應物時要分多步、多個方程式寫出。各物質都以分子式寫出，並在後麵用括號標明其狀態，如s表示Solid，l表示liquid，g是gas。如果是處於水溶液中，則標注aq (aqueous)；當物質溶解於水時，可以在箭頭上方標注H2O（也可不寫）。有催化劑或者加壓通電時，在箭頭的上方或下方或右方標明。

要緊的是最終產品的形式。學生們說，那是老師給定的，無需擔心；老師們則說，要靠實驗觀察，不可把原子隨意重組。幾何物理學者說，猜猜試試總是可以的。按照各分子軌道的幾何形狀、強弱程度，加上穩定性準則，可能的中間產品是可以確定的。如果出現逆向的反應，按照平衡性的原則，最終產品是完全可以確定的。例如，燃燒一氧化碳會生成什麽？CO + O2 → ? 二氧化碳，還有水。又如，KBa(aq) + AgNO3 →? 自然是KNO3 + AgBa，離子（NO3）(-1) 是一個功能整體（Functional Group）, 在反應中作為一個整體不可拆分。單原子離子更是不可再分。可惜的是，化學家們怕麻煩，連共價鍵、極性鍵和離子鍵都沒有標出，以後也隻會標出氧化數（Oxidation Number）而已。

現假定產品形式已知，還要平衡反應方程式。因為各種原子不生不滅，用簡單的待定係數法就可確定。例如，乙烷燃燒生成二氧化碳和水：C2H6 + O2 → CO2 + H2O，先寫成 aC2H6 + bO2 → cCO2 + dH2O，比較兩邊各原子的總數，可得方程式 2a = c, 6a = 2d, 2b = 2c + d。取最小的正整數解，可得 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O。方程式中的係數，表示該分子（或原子、離子）的個數；如果給出的是各反應物的質量，先要通過其摩爾質量換算成摩爾數（不一定是整數），按照係數的比值，確定剩餘的反應物。最先用完的反應物起限製作用，它決定了產品的量。

實現化學變換主要靠電。在物理中，主要是用水力、風力、燃煤、核輻射等能量通過電磁感應，或者光電效應去驅動電子；在化學中，可以直接分離電子：將電解質溶於水，分離出陰陽離子，形成電場，非局部化的電子自然就從電勢高的地方流向電勢低的地方；正如水往低處流（引力勢能低處）。所有離子化合物都是強電解質，其它電解質都含有H+或OH-。有機物中隻有醋酸CH3COOH是弱電解質；它的離子化過程可以表為 CH3COOH (aq) ←→ CH3COO-(aq) + H+(aq) ，雙箭頭表示過程可逆：剛開始溶於水時，醋酸分解出醋離子CH3COO-和氫離子H+（即質子），爾後部分陰陽離子也可以重新結合成醋分子。強電解質如食鹽和氯酸，在水中會完全離子化：NaCl(s) → (H2O) Na+(aq) + Cl-(aq), HCl(g) → (H2O) H+(aq) + Cl-(aq)。

這些方程式並沒有表現出溶解或者水合（Hydration）的完整畫麵。其實，每個離子都被水分子包圍著，陽離子對著水分子的負極（即O端），陰離子對著水分子的正極（H端）。水分子把離子分開、包圍，防止離子重新組成中性分子，這才有了人造電池。

第一個實用的化學電池是John Frederic Daniel在1839年發明的，基於Alessandro Volta的設計，其工作原理如下。當把一塊鋅片放入硫酸(II)銅的水溶液中時，一個鋅原子被奪走兩個外層電子（它在2B族）成為鋅離子Zn+2（這一過程稱為氧化），原來的銅離子Cu+2則被還原成為銅原子Cu，銅的蘭色逐漸褪去。這一過程用分子式表為：Zn(s) + CuSO4(aq) → Cu(s) + ZnSO4, 用離子式表為 Zn(s) + Cu (+2) + (SO4) (-2) → Cu(s) + Zn (+2) + (SO4) (-2) 。這裏的銅呈+2價，盡管它屬於族1B，但可以有+1和+2兩種氧化態。硫酸離子SO4(-2) 是旁觀者（不參與全過程），可以從兩邊約去：Zn(s) + Cu+2(aq) → Zn+2(aq) + Cu(s)。

離子化過程必須在兩個分開的空間裏同時進行，並且用一根導線把它們連接起來，讓產生的電子流過。把一塊鋅片放入一瓶硫酸鋅溶液中：Zn(s) + ZnSO4(aq) → 2Zn(+2)(aq) + (SO4)(-2)(aq), 或簡寫為 Zn(s) → Zn(+2)(aq) + 2e(-1)。另一邊，把一塊銅片放入一瓶硫酸銅溶液中：Cu(s) + CuSO4(aq) → 2Cu(+2)(aq) + (SO4)(-2)；或者 Cu(s) → Cu(+2)(aq) + 2e(-1)；當Cu(+2)接到兩個電子後，還原成為Cu: Cu(+2)(aq) + 2e(-1) → Cu。電子流出的地方叫陽極，這裏是鋅片端；電子流入的地方叫陰極，這裏是銅片端。如果兩瓶溶液不分開的話，銅離子將從鋅原子獲取兩個電子而還原為銅原子，因為它處於不穩定的高價態。

為了形成一個閉合的電路，兩種溶液還需要用一個通路連接起來，以便丟失電子的陽離子（這裏是Zn+2）從陽極流出，同時另一端獲得電子的陰離子（這裏是SO4(-2)）從陰極流走；而且構成通路的物質不能與溶液或電極中的離子起反應。這就要求它是惰性的電解液，比如氯化鉀（KCl）或硝酸銨（NH4NO3）。這個通路被稱為鹽橋（Salt Bridge），通路隻是一根U形管，兩端用軟棉（木）塞住。工作時，兩瓶溶液中的陽離子（Zn(+2), Cu(+2), K+, NH4(+)等）從陽極流向陰極，而陰離子（SO4(-2), Cl-, NO3(-1)等）則從陰極流向陽極。如果沒有鹽橋的話，陽極中形成的正電荷（因Zn丟失兩個電子）和陰極中形成的負電荷（被Cu(+2)所捕獲的電子）將很快中和，電勢差消失。

我們還有幹電池。用鋅片包住一根碳芯，中間填滿糊狀的二氧化錳（MnO2,Mn處於+4價）和氯化氨（NH4Cl）。在鋅端，一個鋅原子Zn被兩個氯電子氧化成為鋅離子Zn(+2)，留下兩個電子；隨著電子的聚集，外層的鋅片就成了陰極。同時，氯離子的形成也成就了氨離子(NH4)+，此陽離子被MnO2提供的電子中和，碳棒就被正電荷包圍而成為了陽極。當然也可以選用其它金屬材料如鋰。

在通常的溫度和大氣壓（1 atm）下，絕大多數的化學反應都是在水溶液中進行的；可以說幾乎一切有機物的反應都是在水中進行的，因為沒有水就沒有生命。水可以溶解一切物質，因為H2O的特殊結構。它是極性分子，既可以形成正離子（H3O）+, 也可以形成負離子 （OH）-；純淨的水是一種極弱的電解質。水既可以呈酸性，也可以呈堿性。

在水溶液中的化學反應可以分為三類：（1）沉澱反應。通常是一種離子化合物，放入某種物質的水溶液中，形成一種不可溶的沉澱物。例如，碘化鈉（NaI）放入硝酸鉛（Pb(NO3)2）的水溶液中，形成碘化鉛（PbI2）（不可溶）和硝酸鈉（NaNO3）。判定一種離子化和物是否可溶有一定的規則可尋：含有+1價陽離子（如Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, (NH4)+）或-1價陰離子（如Cl-, Br-, I-, (ClO3)-, (HCO3)-, (NO3)-）的化合物是可溶的；-2價硫酸離子（SO4）(-2)是可溶的。例外情況是，Ag+，（OH）-不可溶。當然，如果溫度和壓強足夠高的話，任何物質都有一定的可溶度。

（2）酸堿反應。按照Arrhenius的定義，酸是溶於水時可以產生一到三個氫離子H+即質子的腐蝕性物質，具有酸味，可讓植物染料變色，可與金屬發生反應；而堿是溶於水時可以產生氫氧離子OH(-)的物質，具有苦味和滑感，也可讓植物染料變色。Arrhenius的定義隻局限於水溶液中。1932年，丹麥化學家Johannes Bronsted把酸定義為化學反應中的質子捐贈者，而堿則是質子接受者，這就不必限於水溶液中的反應。

常見的酸分子通常寫為HA的形式，如碳酸（H2CO3）、硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、氯酸（HClO3）。含有氫、氧和另一種原子的酸稱為氧酸（Oxoacids），如磷酸H3PO4、HBrO3。堿的分子式通常寫為 BOH的形式，如NaOH、KOH、Ba(OH)2。含有氨分子NH3的化合物也歸入堿類，因為當它溶於水時會產生氫氧離子。

有機物中的核糖酸在蛋白質的合成中起著關鍵作用，它分為兩類：脫氧核糖酸（deoxyribonucleic acids, 即DNA）和核糖酸（RNA）。核糖酸隻有4種基本組成塊：A = Adenine，H5C3N5，G = Guanine, H5C3 N5O, C = Cytosine, H6C4N3O, T = Thymine, H6C4N2O2；組成蛋白質的氨基酸有20種。DNA分子是已知最大的分子，摩爾質量可以達到數百億克；如果把人體中的DNA分子都拉長、連在一起的話，長度可達100個天文單位（從地球到太陽的距離）。RNA分子的大小則可變，其摩爾質量可以從數克到兩萬五千克。

酸與堿的中和反應生成水和一種鹽，此鹽含有除H+之外的陽離子，以及除OH(-)或 O(-2)之外的陰離子。反應方程式可寫為：HA + BOH → BA + H2O。比如食鹽的製造：HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O (l)。反應過程中，出現了質子的轉移。

（3）氧化還原反應。氧化的本意是與氧原子的結合，現指反應過程中一個原子失去一個或多個電子。還原反應原指與氫原子的結合，現指陽離子獲取一個或多個電子。反應過程中，一個原子得/失的電子數可以用氧化數（Oxidation Number）來標明。如 H(0)2(g) + Cl(0)2(g) → 2H(+1)Cl(-1)(g). 一個原子的氧化態可能有多種，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中的原子總是+1態，而7A族原子通常為-1價，但除F外，Cl、Br、I也可以是+1, +3, +5, 甚至+7. 主族2A原子總是+2價，6A原子常為-2，但除O外，其它也可以是+4或者+6。需要看分子中各鍵的性質；氧化數也可以是分數。

從形式上看，Redox可以分為三類：綜合，兩個分子（原子或離子）合並為一個。例如，硫的燃燒：S（0, s） + O(0)2(g) →.S(+4)O(-2)2(g)。分解，一種化合物分解為多種成分，如 2K(+1)Cl(+5)O(-2)3 →2K(+1)Cl(-1) + 3O(0)2。第三，置換，一種化合物中的一個離子或原子被另一種元素的離子或原子所取代。這又可以分為三個子類。一是氫置換，1A或2A中的金屬取代一個氫原子，如 2Na(0)(s) + 2H(+1)2O(-2)(l) → 2Na(+1)O(-2)H(+1)(aq) + H(0)2(g)。二是金屬置換，一種化合物中的一個金屬原子被另一種金屬原子所取代；如 Ti(+4)Cl(-1)4(g) + 2Mg(0)(l) → Ti(0)(s) + 2Mg(+2)Cl(-1)2(l)。三是鹵置換，一種鹵原子被另一種鹵原子所取代；如 Cl(0)2(g) + 2Na(+1)I(-1)(aq) → 2Cl(-1)(aq) + I(0)2(s)。

置換是否發生，取決於原子（離子）的活動性（activity）。化學家們總結出了金屬的活動性序列：Li > K > Ba > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Cr > Fe > Cd > Co > Ni > Sn > Pb > (H) > Cu > Hg > Ag > Pt > Au。氫H前麵的原子會取代H，H後麵的則不會與水或酸發生反應。前麵的金屬會取代後麵的金屬。鹵族的活動性序列為 F2 > Cl2 > Br2 > I2，小的分子比大的分子更活躍。

據說弄清化學反應的機製，是一個化學家的一生的使命，可在幾何和物理學家的眼裏，這不過是分分鍾的事情。