周公度

教授，北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

本文摘錄自作者所著的《化學是什么》一書，該書由北京大學出版社出版。介紹中文“化學”一詞是誰首先使用及其含義；介紹化學是從三個方面研究化學物質的科學：一是物質的組成和結構，二是物質的合成制備，三是闡明和控制化學反應的過程。介紹化學出現(xiàn)的許多分支學科。

1 化學名稱的由來

“化學”一詞何時出現(xiàn)？是誰首先使用？

從人類文明發(fā)展的歷史可知，人類從用火開始，就知道自然界中出現(xiàn)的各種變化：將柴草燃燒，熊熊烈火，煙氣騰騰，柴草化為灰燼；將黏土拌水，做成陶瓷坯件，經(jīng)火燃燒，變化而成為可以盛水的陶瓷器皿；將礦石冶煉，化石成金，得到性質完全和礦石不同的金屬。人們的生產(chǎn)和生活的實踐已了解物質能互相作用、發(fā)生變化。“化”是變化和改變之意；“化”是造化，即自然界運動變化、造成萬物。中國五代時（公元10世紀），道家譚峭更著有《化書》，但并無“化學”一詞?！盎瘜W”是什么時候出現(xiàn)的呢？據(jù)史學家考證，中文“化學”一詞于1856年（清朝咸豐六年）見之于書刊。由韋廉臣（英國人，A.Williamson）編寫的《格物探原》一書用了“化學”一詞，該書還介紹了西方近代科學中的一些化學知識。另外，1857年在上海出版的刊物《六合叢談》發(fā)刊號的“小引”，是由偉烈亞力（英國人，A.Wylie）于1856年寫就，文中寫道：“今予著《六合叢談》一書，亦欲通中外之情，載遠近之事，盡古今之變，見聞所逮，命筆志之，月各一篇”。又說“比來西人之學此者，精益求精，超前軼古，啟明哲未言之奧，辟造化未泄之奇。今略舉其綱：一為化學，言物各有質，自有變化，精誠之上，條分縷析，知有六十四元，此物未成之質也”。兩個外國人能寫出這樣的漢文，是由于有中國學者李善蘭（1810—1882）等共事，他們在討論為這門科學取名時，必是想到中國文化所積累的對事物變化的認知?！盎痹跐h語中指變化、轉化和造化，因此把英文chemistry按含義譯為“化學”，既古雅又恰當?！盎瘜W”此詞一出，很快為知識界采用。例如，1862年京師設立的同文館，就曾講授近代天文學、數(shù)學和化學等科。1867年上海江南制造局附設譯學館，翻譯格致、化學和制造等方面的書籍。

化學一詞流傳到日本，對日本學術界也產(chǎn)生影響。此前日本文獻中翻譯一些西方科學著作，名稱多從音譯。例如，1837年將《實驗化學原理》（Elements of Experimental Chemistry）譯成《舍密開宗》，在此，“舍密”是Chemie（德文）的音譯。1862年東京西洋醫(yī)學所附設“舍密局”，是日本學校設化學實驗室之始。1868年又在大阪設立舍密局，講授物理和化學。“舍密”雖然和原文發(fā)音相近，但意義費解，不如化學更為切意。所以當日本學者從中國著作中看到將Chemie或Chemistry譯為化學時，便逐步舍“舍密”而就“化學”。中日兩國文字中都共同使用漢字，但發(fā)音并不相同。

在1856年，中文“化學”名稱出現(xiàn)的時候，距離道爾頓原子學說的建立已超過半個世紀，已知道有64種元素，知道由這些元素的原子互相作用化合而成各種化合物。化學這個名字從開始就已深入到原子和分子的層次來研究物質的變化規(guī)律。

2 化學的含義

化學的中心含義在“化”字。“化”指變化、轉化、造成萬物之造化等。在五彩繽紛的世界中，各種事物都在不停地變化著：日出日落、刮風下雨、人長大、樹長高、燒火煮水、麥粒磨成面粉、生米煮成熟飯等等。自然科學各個學科分別研究各種變化的規(guī)律：天文學研究宇宙各星體運行變化規(guī)律，氣象學研究各地的陰晴雨雪，生物學研究動植物的生長規(guī)律，物理學研究各種物質的物理性質和物理變化，化學研究各種物質的化學性質和化學變化。什么是化學變化？下面通過一些實例來討論說明。

例一，水在電爐中通過加熱變成水蒸氣，這是物理變化；水在電解槽中通電電解，在兩個電極上分別放出氫氣（H2）和氧氣（O2），這是化學變化。

例二，將石墨拌和些黏土及其他配料做成鉛筆，在紙上寫字，石墨粘在紙上，這是物理變化；將石墨放在加催化劑的爐中，加上高壓、高溫，石墨轉變?yōu)榻饎偸?，金剛石和石墨的化學成分，都是由碳原子組成，但原子間的排列方式和化學鍵都發(fā)生變化，性質也全變了，這是化學變化；將石墨作電極放電，有一部分變成球碳分子，如C60，這也是化學變化。

例三，將葡萄粒榨汁，加些蔗糖，變成一杯飲料，這是物理變化；將這帶葡萄皮的加糖葡萄汁，密封在瓶中，過半個月，變成葡萄酒，這是化學變化。

例四，分別將氯化鈉、三氧化硫、氯化氫氣、蔗糖和乙醇等加入水中，變成鹽水、硫酸、鹽酸、糖水和酒精。通常前三者是化學變化，后兩者有不同看法。因為NaCl在水中解離為Na＋和Cl－，并和H2O結合成水合離子。SO3和水作用生成硫酸（H2SO4）或解離成H＋（或H3O＋）和SO2－4。HCl和水作用生成鹽酸、解離成H3O＋和Cl－。對于蔗糖和乙醇溶于水變成糖水和酒精（或酒水）過程，有人認為它們是物理變化，因為在溶解過程中這兩種分子內原子的連接方式和化學鍵都沒有變化，當溶液通過蒸發(fā)將水除去，依然得到蔗糖和乙醇兩種物質。又有人認為這兩種物質在溶解時，改變了分子間的氫鍵等作用力，在溶液中又和水分子有水合作用，應當是化學變化。實際上物質的溶解度、溶解熱、溶液的性質和溶液的濃度等基本上是化學家在進行研究。至于氣體的混合過程則是物理變化。

人們進行勞動操作，沒有大量地引起原子間化學鍵變化者都屬于物理變化。例如將木頭鋸斷、將彎曲的彈簧拉直、將鋼鐵銼成粉末等都不是化學變化，而是物理變化。

化學變化又稱化學反應或化學作用。由上面幾個實例可見，化學變化是物質中原子間的排列方式和化學鍵發(fā)生改變的變化。將鐵絲銼成粉末，粉末的粒徑雖然小到0.1 mm，但是這個尺度相對于鋼鐵中原子間的距離仍然大上數(shù)萬倍，在一小粒鐵粉中，鐵原子數(shù)仍超過萬億個，這些原子的排列方式和化學鍵依然和鐵絲中的情況一樣，它們的性質也相同。

化學變化的內容非常豐富多樣。例如在同一個煤爐中燒煤，爐門開大一點，進到爐中的空氣多一點，燃燒生成的氣體中主要是二氧化碳，一氧化碳很少；若將爐門關小，進到爐中的空氣少，燃燒生成的氣體中一氧化碳含量會大增。冬天用煤爐燒煤取暖，一些人煤氣中毒喪命，就是因為供給燃煤的氧氣太少，產(chǎn)生一氧化碳所致。

在石油化工中，用同一種原料，改變反應器中供給其他輔料的成分、改變反應器中的催化劑、溫度和壓力等條件，一種原料可生產(chǎn)出多種不同的產(chǎn)品。例如用乙烯為原料，可得聚乙烯、環(huán)氧乙烷、氯乙醇、乙醇、乙酸、聚乙烯醇、聚氯乙烯等上千種產(chǎn)品。

化學反應的速度因不同的成分和條件而異，差別極大。將米煮成飯，即將淀粉和水作用生成糊精和葡萄糖，常壓下要20min，在高壓鍋中，只要5 min。用天然氣點火燃燒加熱，若不謹慎小心，閥門沒有關嚴，天然氣漏到關閉門窗的廚房中，當達到一定的濃度，一個火星就會出現(xiàn)大爆炸，傷及房屋和人員。

從上面介紹的幾個例子可見，化學是深入到物質內部原子和分子層次了解物質變化規(guī)律的科學?；瘜W反應和化學知識關系到人們的衣食住行和日常生活的各個方面。

3 化學的內容

從上述討論可知，化學是在深入到原子和分子水平上研究元素、化合物和材料等物質的組成、制備、性質、結構、應用、互相作用和變化規(guī)律的科學?；瘜W涉及人們的衣食住行、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境的改造和治理等各個方面。在人類多姿多彩的生活中，化學無處不在。化學不僅是化學工作者的專業(yè)知識，也是廣大人民群眾普及科學知識的重要內容?；瘜W起源于人類生活實踐，隨著火的利用，制陶、冶煉、釀酒、造紙和制藥等的發(fā)展，化學得以產(chǎn)生和發(fā)展。現(xiàn)代化學的成就集中表現(xiàn)在已合成和分離了近3000萬種化合物，并將此成果廣泛地應用到糧食、能源、交通、材料、醫(yī)藥、防衛(wèi)以及環(huán)境保護等各個方面。為創(chuàng)建高度的文明社會、為經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，化學得到持久不衰的發(fā)展動力。

隨著生產(chǎn)和科學的發(fā)展，化學所涵蓋的內容廣泛而豐富，它主要是從三個方面研究物質的科學：一是利用各種分析方法測定物質由哪些原子以什么比例組成，原子間以什么作用力結合在一起，它們具有什么樣的空間排布。二是用化學合成手段制造出各種組成和結構的化合物和材料。三是闡明并控制化學反應的全過程。

化學出現(xiàn)許多分支。例如，無機化學、有機化學、分析化學、物理化學、高分子化學和生物化學等早已形成，較新出現(xiàn)的材料化學、能源化學、環(huán)境化學、藥物化學、食品化學等內容也已十分豐富。許多學科相互交叉滲透、融合在一起，難解難分，如物理化學和化學物理、生物化學和化學生物學。有的學科按物質存在的狀態(tài)來分，如膠體化學、納米化學和表面化學等；有的按研究對象的組成來分，如硅酸鹽化學、維生素化學、石油化學、煤化學、一碳化學等。

在自然科學中，常常在所研究內容的名詞前冠上“化學”，表明該學科所從事的研究內容。例如，在物質、物種和物品前加上化學，就成為化學物質、化學物種和化學品。

化學物質（chemical substance）是指原子或原子通過化學鍵結合而成的各種物質，它包括中性的單個原子、多個原子組成的分子、原子基團、帶電的正負離子，它們可以是人工合成或天然存在的物質，可處在氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)，以及基態(tài)、激發(fā)態(tài)、吸附態(tài)等形式存在的純化合物或混合物。將物質冠上化學兩個字以后，對于其他一些物質，例如光子、電子、中子、夸克等亞原子微粒及其聚集體，宇宙中的中子星、黑洞、核聚集體以及電磁場和引力場等物質形態(tài)，由于它們不是以原子為結構單元所組成，應排除在化學物質之外，稱它們?yōu)榉腔瘜W物質。

由于化學物質可以以多種形態(tài)存在，進行化學反應時，可能是中性的原子或分子、或帶電的離子、或吸附在某個基體表面上的基團，不好確定地稱它為原子、分子或離子，這時可用化學物種（chemical species）這個名稱?；瘜W物種是泛指由原子組成、能相對穩(wěn)定地存在的原子、分子、離子、自由基、簇合物、化合物、超分子等化學實體。

化學品（chemicals，chemical）是化學藥品和化學物品的簡稱。通常是指整體地或部分地經(jīng)過化學反應工藝處理所得的產(chǎn)品，將它用在化學工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中，作為它的原料或成為它的產(chǎn)品。包括單質和化合物以及日常生活中用到的化學藥品。

又如，化學工業(yè)是生產(chǎn)化學品的工業(yè)，它是根據(jù)社會的需求和原料等實際情況，研究化學生產(chǎn)過程的規(guī)律，尋求技術先進、經(jīng)濟合理的原理、方法、流程、單元操作和設備，生產(chǎn)出質優(yōu)價廉的產(chǎn)品。由于化學科學有別于其他自然科學，它是研究通過化學變化制造新物質的科學，可將化學工業(yè)理解為工業(yè)化學，成為化學的分支學科。

從“化學”名稱出現(xiàn)至今的一個半世紀，特別是后半個世紀，中國化學科學和化工生產(chǎn)起了巨大的發(fā)展和變化，進入世界化學大國的行列。現(xiàn)在，化學正以可持續(xù)發(fā)展的理念，追求資源利用最大化、環(huán)境影響最小化，創(chuàng)造大量新物質，為社會各方面的發(fā)展提供物質基礎。化學和材料、信息、能源、環(huán)境、生命、地學、空間和核科學等密切聯(lián)系，互相滲透，在人類認識自然和改造自然，提高人類的生活質量和健康水平中發(fā)揮巨大的作用，推動社會不停地發(fā)展進步。

（2011年5月3日收到）

［1］趙區(qū)華.化學通史［M］.北京：高等教育出版社，1990.

［2］潘吉星.談“化學”一詞在中國和日本的由來［M］／／趙匡華.中國古代化學史研究.北京：北京大學出版社，1985.

［3］北京大學化學與分子工程學院編（馬玉國，王峰主編）.分子共和國［M］.北京：知識出版社，2009.

［4］周公度.化學辭典：第2版［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2011.