高中化學/化學史
在中世紀時期，一群被稱為鍊金術士的人開始尋找將普通金屬（如鉛、銅和鐵）轉化為黃金的方法（圖1.14）。你能想象如果你可以去商店買一些鐵釘，然後把它們變成黃金，你會賺多少錢嗎？你很快就會變得富有！
鍊金術士嘗試了許多不同種類的化學物質，尋找他們稱之為“賢者之石”的東西——一種傳說中的物質，對於將普通金屬轉化為黃金是必要的。我們現在知道，不存在“賢者之石”，也沒有任何化學反應可以從另一種金屬中產生黃金。我們知道這一點，因為我們現在對宇宙中的物質有了更好的理解。然而，正是由於這些早期的鍊金術士，人們才開始對化學感興趣。
- 簡述化學是如何開始的。
- 說明質量守恆定律。
- 解釋模型的概念，並根據觀察結果建立簡單的模型。
當我們談論“化學”時，我們指的是對物質及其變化進行的現代科學研究。然而，“化學”這個詞與“鍊金術”非常相似，這並非巧合。早期的鍊金術士通常被稱為“化學家”，隨著時間的推移，人們開始將其工作，特別是其中比較正規的形式，稱為化學。在許多方面，我們今天對物質研究的名稱源於早期的鍊金術實踐是恰當的，因為現代化學中許多基本的技巧和裝置實際上是由早期的鍊金術士開發的。
“鍊金術”一詞的起源是一個謎。當然，早期的歐洲人從阿拉伯語“al-kimia”中借用了“鍊金術”，意思是“轉化的藝術”（當然，鍊金術士主要關注的轉化涉及黃金的創造）。我們今天關於早期鍊金術的大部分知識都基於阿拉伯文獻的翻譯。這是因為穆斯林鍊金術士是最早仔細記錄其實驗的人之一。
儘管我們關於鍊金術的最早記錄來自阿拉伯帝國，但一些學者認為阿拉伯人在公元650年左右從希臘人那裡採納了鍊金術和“al-kimia”一詞。而希臘人又可能從埃及人那裡瞭解到鍊金術。Khem是埃及的古稱，在早期歷史上，埃及人以精通黃金加工藝術而聞名。“al-kimia”很可能實際上是“al-kimiya”一詞的扭曲版本，意思是“Khem之地的藝術”，或埃及的藝術。
雖然“化學”一詞可能起源於埃及，但化學實驗似乎在世界各地都很普遍，甚至早在公元前5世紀就已經存在。在中國，早期鍊金術士的目標主要是尋找“長生不老藥”——一種可以治癒所有疾病並防止死亡的藥劑。具有諷刺意味的是，許多這些早期的靈丹妙藥都含有汞和砷鹽的混合物，這兩種物質都劇毒。事實上，據說有幾位中國皇帝在飲用“長生不老藥”後去世（圖1.15）。儘管從未找到可以治癒所有疾病的神奇藥劑，但早期的中國化學家確實發現了許多新的化學物質和化學反應，包括用於煙花和火藥的反應。
與中國人一樣，印度的鍊金術士也對不同化學物質的一些醫療益處感興趣。除了醫學之外，印度鍊金術士還對金屬和冶金學著迷。早期的印度文獻包含從地下開採的礦石中提取和提純銀、金和錫等金屬的方法。此外，印度次大陸的鍊金術士首先意識到，透過將熔融金屬與其他化學物質混合，他們可以生產出具有新的和有益特性的材料。例如，烏茲鋼（也稱為大馬士革鋼）是大約公元300年在斯里蘭卡發現的一種物質。它是透過將適量的熔融鐵、玻璃和木炭混合製成的，但它之所以出名，是因為它可以用來製造寶劍，這些寶劍因其鋒利和強大的戰鬥能力而聞名。
大約在斯里蘭卡開發烏茲鋼的同時，埃及和希臘的鍊金術士也開始進行實驗。在這個世界這一地區，鍊金術的大部分工作都涉及顏色和染料，當然還有將普通金屬轉化為金和銀。然而，柏拉圖和亞里士多德等希臘哲學家也提出了一個重要的觀點，即宇宙可以透過統一的自然規律來解釋。正如您將在下一節中發現的那樣，現代化學依賴於對這些普遍規律的研究。當然，現代科學定律與柏拉圖或亞里士多德所設想的定律略有不同。一般來說，科學定律是透過仔細的實驗和觀察確定的，而早期的希臘人則認為他們的“自然規律”可以透過哲學推匯出來。
中世紀的歐洲人同樣對鍊金術著迷。不幸的是，歐洲許多鍊金術士借鑑了阿拉伯鍊金術士中更神秘的一些思想，因此，歐洲鍊金術很快與巫術、魔法和尋找“賢者之石”聯絡在一起。直到17世紀後期，歐洲化學家才開始應用科學方法。羅伯特·波義耳（1627-1691）是第一個這樣做的歐洲人，他使用定量實驗來測量氣體壓力和體積之間的關係。他使用科學方法為其他歐洲科學家鋪平了道路，並幫助建立了現代化學科學。
在羅伯特·波義耳首次進行實驗大約100年後，一位名叫安託萬·拉瓦錫（1743-1794）的法國科學家在化學反應前後仔細測量反應物和產物的質量時使用了科學方法（圖1.16）。由於總質量（或物質數量）從未改變，拉瓦錫的實驗使他得出結論：質量既不會被創造也不會被破壞。這被稱為質量守恆定律。拉瓦錫因其對物質研究的重要貢獻而常常被稱為“現代化學之父”。
在拉瓦錫的工作取得成功之後，涉及仔細測量和觀察的實驗變得越來越流行，這導致我們對化學物質和化學變化的理解迅速提高。事實上，到19世紀末，化學知識已經增加了這麼多，以至於實際上每個人都停止了尋找“賢者之石”。
如果你不能用它把鐵變成金或開發一種能讓你永生的藥劑，你可能會想知道為什麼化學的研究如此重要。當像波義耳和拉瓦錫這樣的科學家證明鍊金術只不過是一個騙局時，為什麼化學沒有消亡？好吧，即使我們不能用化學制造黃金或永生，現代化學仍然非常強大！可能不存在可以治癒所有疾病的藥劑，但如今許多化學家正在開發針對特定疾病的治療方法。事實上，化學家們正在研究從艾滋病/艾滋病毒的治療方法到抗癌藥物的一切。
現代化學家不僅研究對我們有益的化學物質，還研究可能對我們有害的化學物質。例如，環境化學家會檢測我們周圍環境的空氣、土壤和水，以確保我們不會接觸到重金屬（如汞或鉛）或化學農藥。此外，當環境化學家發現危險物質時，他們會利用其化學知識來清理汙染。同樣，每次你在雜貨店購買包裝食品時，都可以確信化學家已經進行了許多測試，以確保這些食品不含任何毒素或致癌物（致癌化學物質）。
化學家還負責創造我們今天使用的許多重要材料。其他技術也依賴於化學。事實上，你的平板液晶電視、手指上的立方氧化鋯戒指以及你家中的節能 LED 燈，都得益於我們對化學的改進理解（圖 1.17）。
那麼，化學家是如何取得所有這些非凡成就的呢？與許多隨意混合任何可以找到的東西進行實驗的早期鍊金術士不同，今天的化學家使用科學方法。這意味著化學家依賴於仔細的觀察和眾所周知的物理定律。透過將觀察結果和定律結合起來，化學家發展出他們稱之為模型的東西。模型實際上只是在特定情況下預測將會發生什麼的途徑。有時這些模型是數學模型，但其他時候，它們純粹是描述性的。
模型是對你實際研究物件的任何模擬、替代或替身。一個好的模型包含你所關注的真實系統中的基本變數，解釋真實系統上的所有觀察結果，並且儘可能簡單。模型可以像代表地球的球體或代表氣體分子的檯球一樣簡單，也可以像代表光的數學方程一樣複雜。
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隨著時間的推移，科學家們使用了許多不同的模型來表示原子。隨著我們對原子的認識發生變化，我們用來表示它們的模型也隨之改變。我們的原子模型已經從“不可破壞的球體”發展到“李子布丁”模型，再到“核模型”。
假設和理論包含了一些科學家對自然界如何運作的想法，但他們並不完全確定。這些假設和理論是用來解釋和檢驗科學思想的自然模型。
化學家會構建關於不同化學物質混合在一起、加熱、冷卻或壓縮時會發生什麼的模型。化學家利用過去實驗中的許多觀察結果來發明這些模型，並利用這些模型來預測未來實驗中可能發生的事情。一旦化學家擁有能夠相當好地預測實驗結果的模型，這些工作模型就可以幫助他們瞭解需要採取哪些措施才能達到某個期望的結果。這個結果可能是生產一種特別堅固的塑膠，也可能是檢測食品中的毒素。
科學不是唯一一個成員使用科學方法的職業。進行觀察、提出假設並透過實驗檢驗假設的過程也是偵探和醫生的常用程式。
- “化學”一詞來源於阿拉伯語“al-kimia”，意思是“轉化的藝術”。
- 化學起源於鍊金術的研究。大多數鍊金術士都在尋找“點金石”，這是一種傳說中的物質，可以將普通金屬變成黃金。
- 中國鍊金術士尤其對尋找“長生不老藥”感興趣。
- 在印度，早期化學主要集中在金屬方面。
- 科學方法包括進行仔細的觀察和測量，然後利用這些測量結果提出假設（想法），這些假設可以依次透過更多實驗進行檢驗。
- 羅伯特·波義耳和安託萬·拉瓦錫採用了“科學方法”，從而促成了現代化學的興起。
- 質量守恆定律指出質量既不會被創造也不會被破壞。
- 現代化學家進行實驗並利用他們的觀察結果來發展模型。模型然後幫助化學家理解和預測未來實驗的結果。模型還有助於化學家設計新材料和治療疾病的方法。
- “化學”一詞源於哪裡？
- 考慮以下關於約翰的學習習慣和成績的資料
表 1.4 學習時間（小時） 考試成績 0 20% 5 40% 10 60% 15 80% - (a) 提出一 個定性（文字，但沒有數學）模型，該模型可能描述約翰學習時間長短與他在考試中表現如何之間的關係？
- (b) 如果約翰希望在下一次考試中獲得 92% 的成績，他應該學習大約 6 小時、9 小時、12 小時還是 18 小時？請說明你的理由。
- (c) 如果約翰學習 7 小時，你認為他會得 15%、97%、68% 還是 48%？請說明你的理由。
- 海倫想知道檸檬汁是否會與茶發生化學反應使其顏色變淺。因此，海倫向 250 毫升的茶中加入了 25 滴檸檬汁，並觀察到茶的顏色明顯變淺。海倫想確保顏色變淺是化學反應的結果，而不是稀釋的結果。為了作為這個實驗的對照，海倫應該進行以下哪一項活動？
- (a) 海倫應該向另一份 250 毫升的茶中加入 25 滴橙汁。
- (b) 海倫應該向另一份 250 毫升的茶中加入 25 滴蒸餾水。
- (c) 海倫應該向 250 毫升的蒸餾水中加入 25 滴檸檬汁。
- (d) 海倫應該向 250 毫升的檸檬汁中加入 25 滴茶。
- (e) 海倫應該向 250 毫升的茶中加入 25 滴茶。
- 化學
- 物質的組成、結構、性質和反應的科學
- 假設
- 旨在解釋一組觀察結果的提議。
- 定律
- 特定觀察結果之間存在的關係。
- 科學方法
- 一種研究方法，包括觀察以產生和檢驗假設和理論。
- 理論
- 經過反覆檢驗而得到支援的假設。
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