高中化學/化學是材料科學
在上一章中，我們討論了一些早期鍊金術士的目標以及當今化學家的一些作用。你可能已經注意到，儘管化學實驗方法有所改進，化學性質的知識也得到了增加，但 21 世紀的化學和公元前 5 世紀的化學都關注這個問題：物質如何從一種形式轉變為另一種形式？我們能否預測物質的性質？以及如何控制這些性質以使我們能夠利用它們？化學本質上是研究物質和材料的科學。因此，我們將從考慮對早期文明和當今社會都很重要的某些化學材料開始我們的化學討論。
- 舉例說明科學家可能在實驗室中測量或觀察到的化學性質。
- 解釋物理變化和化學變化之間的區別，並舉例說明。
- 確定質量可以轉化為能量，能量可以轉化為質量的情況。
在人類對化學有任何瞭解之前，他們使用周圍世界中所能找到的一切。至少在少量情況下，一種很容易被早期文明獲得的材料是金屬。原生金、銀和銅，以及錫和鐵的化合物都可以在懸崖和洞穴中自然存在（事實上，在加利福尼亞州埃爾多拉多縣發現天然金是 1849 年淘金熱的導火索），因此，這些金屬在早期對人們來說非常重要。
許多古代文明用從周圍岩石中搜集的金屬製作工具、珠寶和武器。然而，過了一段時間，人們發現透過將天然金屬與其他物質混合，他們可以創造出具有優越效能的新材料。
人類最早生產的一些材料包括金屬混合物（或更確切地說是*溶液*），被稱為*合金*。青銅是人類最早發現的合金之一。青銅可以透過加熱錫和銅塊使其液化，然後將兩種純金屬混合在一起製成。青銅對早期文明來說非常重要，因為它比鐵更耐鏽，比銅更硬，可以保持鋒利，並且可以磨成銳利的邊緣以製造工具和武器。
另一種在文明史早期生產的合金是鋼。如你之前所學，鋼是鐵和碳（或木炭）的合金。鋼，特別是烏茲鋼（需要一種特殊的技術，包括加入玻璃），特別堅固，可以製成非常鋒利的邊緣，非常適合製造劍。另一種早期文明就知道生產的古老材料是黃銅。黃銅也是一種合金，由兩種純金屬銅和鋅製成。早期的羅馬人知道，如果他們將銅和一種叫做閃鋅礦的鋅礦石一起熔化，他們就可以生產出黃銅，它既像金一樣閃亮，又耐鏽。黃銅是製造硬幣的常見材料。
你可能注意到這些“古老”材料主要是合金。在發現青銅、黃銅和鋼鐵的時代，人們對物質的組成或物質在微觀尺度上的組裝方式知之甚少。因此，發明材料在很大程度上依賴於反覆試驗。然而，到 19 世紀末，科學家們開始瞭解物質的組成，這種理解導致了對如何開發具有理想效能的材料的新見解。
最近歷史上的一項重大突破是塑膠及其產品的發現。最初，塑膠是透過化學修飾纖維素製成的，纖維素是一種存在於植物中的天然化學物質。然而，隨著化學知識的發展，科學家們開始意識到塑膠具有特殊的性質，因為在微觀尺度上，它們是由成千上萬個微小的分子鏈纏繞在一起組成的。科學家推斷，如果他們改變這些鏈中的化學物質，但仍然設法保持鏈的完整性，他們就可以製造出具有新效能的新塑膠。於是塑膠革命開始了！
半導體是另一類“新”材料，其發展主要基於我們對化學的改進理解。由於科學家瞭解物質的組合方式，他們可以預測如何微調半導體的化學成分，使其吸收光並充當太陽能電池，或者發射光並充當光源。我們已經走過了很長一段路，從早期生產青銅和鋼鐵的時代。然而，隨著我們對化學理解的不斷提高，我們將能夠創造出比今天更實用的材料。
希望此時此刻你已經完全相信化學研究的重要性及其實用性。然而，你可能仍然想知道化學家到底*做什麼*。化學是研究物質及其變化的學科。一般來說，化學家對你可以測試和觀察的特性（如化學物質的氣味或顏色）和太小而無法看到的特性（如你吸入的氧氣或你撥出的二氧化碳在比世界上任何現有顯微鏡強大 1000 倍的顯微鏡下是什麼樣子）都很感興趣。
等等…化學家怎麼能*知道*氧氣和二氧化碳在根本不存在的顯微鏡下是什麼樣子？科學方法怎麼了？依靠*觀察*和*仔細測量*怎麼了？事實上，由於化學家*不能*看到不同材料的潛在結構，他們必須更加依賴科學方法！化學家就像偵探。假設一名偵探試圖破獲一起謀殺案——她會怎麼做？顯然，偵探首先要訪問犯罪現場並尋找證據。如果兇手留下了足夠的線索，偵探就可以拼湊出一個解釋發生事情的理論。
即使偵探在犯罪發生時不在犯罪現場，即使偵探沒有親眼看到兇手殺害受害者，只要有正確的證據，偵探就可以非常確定地知道事件是如何發生的。化學也是如此。當化學家進入實驗室時，他們透過進行測量來收集證據。一旦他們從他們可以觀察到的性質中收集了足夠的線索，他們就會利用這些證據來拼湊出一個解釋他們無法觀察到的性質的理論——那些太小而無法看到的性質。
化學家在實驗室中實際測量了哪些性質？好吧，你可能猜到了一些。想象一下，你去朋友家吃飯，卻被端上了一道你不認識的東西——你會做哪些觀察來確定你到底被端上了什麼？你可能會聞聞食物。你可能會注意到食物的顏色。你可能會試圖確定食物是液體還是固體，因為如果它是液體，它可能就是湯或飲料。如果你想知道你是否被端上了冰淇淋，食物的溫度可能會有用！你也可以用叉子取一小塊食物，然後嘗試確定它的重量——輕的甜點可能是天使蛋糕，而重的甜點可能是磅蛋糕。你被端上的食物數量也可能是一條線索。最後，你可能想知道一些關於食物質地的資訊——它是像方糖一樣硬而顆粒狀，還是像黃油一樣柔軟容易塗抹？
信不信由你，你可能用來識別未知食物的觀察與化學家用來了解新材料的觀察非常相似。化學家依靠氣味、顏色、狀態（即它是固體、液體還是氣體）、溫度、體積、質量（與重量相關，你將在後面的部分中發現）、和質地。然而，你可能使用一種用來了解食物的性質，但你絕對不應該用來了解化學物質的性質——味道！
在*原子理論*中，你將看到某些性質的測量是如何幫助早期科學家發展出關於物質化學結構的理論的，這種結構的尺度遠小於他們所能看到的。你還會了解這些理論反過來如何使我們能夠預測我們甚至還沒有創造出來的新材料。
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在上一節中，我們討論了物質的性質，以及科學家如何利用這些性質來推斷物質結構的某些事實。然而，如果化學家只研究顏色和氣味等性質，他們就只收集了一半的證據。雖然物質的性質可以告訴我們很多資訊，但物質所經歷的 *變化* 也可以告訴我們很多資訊。假設你被端來了一塊蛋糕，你發現它摸起來很冷。你可能會猜到這是一塊冰激凌蛋糕。但另一方面，也許它只是一塊普通蛋糕，只是放在了冰箱裡。你能想到一些方法來區分一塊冷凍的冰激凌蛋糕和一塊冷凍的普通蛋糕嗎？嗯，一種可能性是等一會兒，看看你的蛋糕片是否融化。如果蛋糕片融化了，那它就是一塊冰激凌蛋糕，如果沒有，那它就只是一塊普通的蛋糕。在這種情況下，你觀察的不是一種 *性質*，而是一種 *性質的變化*。在這個例子中，變化的性質是狀態。
同樣，化學家透過研究物質可以經歷的變化來了解物質的性質。化學家區分了他們研究的兩種不同 *型別* 的變化——*物理變化* 和 *化學變化*。**物理變化** 是不改變物質身份的變化。一些型別的物理變化包括
- 狀態變化（從固體變為液體或氣體，反之亦然）
- 混合物的分離
- 物理變形（切割、凹陷、拉伸）
- 製備溶液（特殊型別的混合物）
當你有一個裝有美分和鎳幣的混合物的罐子，你把混合物分類，使你有一堆美分和另一堆鎳幣時，你並沒有改變美分或鎳幣的身份——你只是把它們分成兩組。這將是一個物理變化的例子。同樣，如果你有一張紙，你不會透過把它撕碎而把它變成其他東西。在你開始撕碎之前是紙，在你完成之後它仍然是紙。同樣，這也是一個物理變化的例子。
你可能覺得理解為什麼狀態變化是物理變化有點困難。在我們用構成它們的更小的單位（原子和分子）來討論化學物質之前，你可能不明白為什麼凍結一種物質或沸騰一種物質只是一種物理變化。
不過，現在你只需要相信狀態變化是物理變化。如果你有任何疑問，請記住這一點：當湖泊在冬天結冰時，水並沒有消失或變成其他東西——它只是採取了一種新的形式。液態水和固態水（冰）只是我們所知的水的不同形式。在大多數情況下，物理變化往往是可逆的——換句話說，它們可以雙向發生。你可以透過冷卻將液態水變成固態水；你也可以透過加熱將固態水變成液態水。
化學家關注的另一種變化是 **化學變化**。當一種物質由於化學反應而變成一種全新的物質時，就會發生化學變化。同樣，隨著我們對化學物質和化學物質的外觀的瞭解越來越多，化學變化的含義以及化學變化和物理變化之間的區別將變得更加明顯。現在，請意識到化學物質是由稱為原子的微小單位組成的。其中一些原子是鍵合在一起的（或“粘合”在一起的），但在化學變化過程中，一些鍵會被斷裂，新的鍵會被形成。
你可能想知道如何知道何時發生了化學變化。有時很難判斷，但有一些化學變化的跡象可以觀察。如果發生以下情況，可能發生了化學變化
- 發生了顏色變化
- 材料本身發出光、熱或聲音
- 出現了沉澱物（兩種液體混合時形成的固體）
- 產生了氣體（透過冒泡或新的氣味檢測到）
化學變化通常比物理變化更難逆轉。燃燒紙就是一個化學變化的好例子。與撕碎紙不同，燃燒紙實際上會導致新的化學物質的形成（確切地說，是二氧化碳和水）。注意，撕碎的紙至少可以部分重新組裝，而燃燒的紙卻不能“未燃燒”。換句話說，燃燒只能進行一個方向。燃燒不可逆的事實是另一個很好的跡象，表明它涉及化學變化。
化學家關注物質的性質以及物質所經歷的變化。不過，在大多數情況下，化學家感興趣的變化要麼是物理變化，比如狀態變化，要麼是化學變化，比如化學反應。無論哪種情況，拉瓦錫的質量守恆定律都適用。在物理變化和化學變化中，物質既不會被創造也不會被破壞。然而，物質還可以經歷另一種實際上違反拉瓦錫質量守恆定律的變化，那就是物質轉化為能量，反之亦然。
拉瓦錫研究化學的時候，還沒有技術能夠讓科學家將物質轉化為能量，將能量轉化為物質，但現在可以做到了。這就是愛因斯坦在他著名的方程式 *E = mc2* 中提出的概念。（這個方程式表明，一定數量物質中的能量等於物質的質量乘以光速的平方。）化學反應不涉及將可衡量的能量轉換為質量或將質量轉換為能量。然而，在處理放射性的化學中，以及在核電站發電中，質量-能量轉換非常重要。
- 人類發明的最早材料中有一些是 *合金*，例如青銅、鋼鐵和黃銅。
- 隨著對化學的理解不斷提高，人們能夠設計出新的、有用的材料，比如塑膠和半導體。
- 化學家實際上無法看到大多數材料的潛在結構。因此，他們測量他們能夠看到或觀察到的性質，並利用這些證據來發展解釋化學物質如何在亞微觀（比用顯微鏡能看到的還要小）尺度上組織起來的理論。
- 科學家觀察到的物理性質中有一些與狀態（固體、液體或氣體）、溫度、體積、質量和質地有關。
- 化學家還研究不同材料經歷的變化；這可以為他們提供有關所涉及的化學物質的寶貴資訊。
- 在化學中，有兩種重要的變化——物理變化和化學變化。
- 物理變化是不改變物質身份的變化；它們通常是可逆的。
- 化學變化是在一種物質由於化學反應而變成另一種物質時發生的。它們通常很難逆轉。
- 物質也可以轉化為能量，能量也可以轉化為物質。
- 說出化學家主要感興趣的兩種變化型別。
- 判斷下列每個陳述是正確還是錯誤。
- (a) 塑膠是在公元 300 年左右的羅馬發明的
- (b) 青銅是合金的例子
- (c) 塑膠是合金的例子
- (d) 黃銅是合金的例子
- 判斷下列每個陳述是正確還是錯誤。
- (a) 物理變化通常伴隨著顏色變化
- (b) 燃燒的篝火是化學變化的例子
- (c) 當你用煤炭給你的房子供暖時，煤炭會發生化學變化
- (d) 當你掉了一個盤子，它碎了，盤子發生了物理變化
- 在以下每個例子中，確定所涉及的變化是物理變化還是化學變化。
- (a) 扁平一個橡皮泥球
- (b) 將一碗櫻桃和一碗藍莓混合在一起
- (c) 將水煮沸
- (d) 煮雞蛋
- 朱迪有兩個裝滿透明液體的燒杯，她需要知道第一個燒杯中的液體是否與第二個燒杯中的液體相同。在哪些情況下朱迪使用物理性質來回答她的問題，在哪些情況下朱迪使用化學性質的變化來回答她的問題？
- (a) 朱迪聞了兩種液體，發現第一個燒杯中的液體有很濃的氣味，而她完全聞不到第二個燒杯中的液體。
- (b) 朱迪在第一個燒杯中加入了一些食鹽，發現形成了白色沉澱物。然後，她在第二個燒杯中加入了一些食鹽，但什麼也沒有發生。
- 合金
- 一種溶液（或一種特殊的混合物），其中至少有一種成分是金屬。
- 化學變化
- 由於化學反應，一種物質變成一種全新的物質時發生的變化。
- 物理變化
- 不改變物質身份的變化。
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