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姜雪峰:什么是化学?︱启明星之声

发布时间: 2021-11-18 16:35:27   试剂信息网
摘要: 解释“什么是化学”是一个极难又极简单的任务。今日,姜雪峰教授从生活体验来带你感受化学的魅力。

化学是生命,化学就是身边的你我他


元素周期表中的118个元素组成了多姿多彩的世界与生命。它们各具特点、性质丰富。

(Li)是最轻的金属(0.534克/立方米),铯(Cs)是最软的金属(莫氏硬度约为0.5),钨(W)是熔点最高的金属(3540摄氏度),汞(Hg)是最重的液体(13.6吨/立方米),氧(O)是地壳中含量最多的元素(48.6%),铝(Al)是地壳中含量最多的金属(7.73%),铀(U)是最后一个被分离出来的天然元素,锎(Cf)是最贵的金属(约1000万美金/克)


大自然神奇地挑中了碳(C)作为地球碳基生命的基础,如果你学了化学,了解了碳稳定而多样的四面体延展性,就会知道这并不是偶然。


(H),作为第一号元素,无时无刻不对我们的世界产生方方面面的影响,它不仅在医学上具有重要用途,而且其中蕴含的氢能还是能量转换率最高的清洁能源、未来能源。


(O),能与几乎所有其他元素形成化合物,广谱的氧化作用令它承担起从组建和保护地球到孕育和构成生命的重任。


O、H构成了这个星球独有的水分子,如果你学了化学,知道了“手拉手”的氢键让水既不是飘忽不定的气体,也不是稳如泰山的固体,这时,你就会明白它为什么成了构建生命的基础。


氮气(N2),一个在空气中稳定到我们都认为它“懒惰无用”的组分,却能悄悄地通过化学“魔术”转化为我们身体中最重要的物质基础——氨基酸,氨基酸连接在一起就成了肽,肽链卷曲、组合、折叠就成了蛋白质,蛋白质在生命各种纷繁复杂的变化中酝酿出看似容易却极其精巧复杂的生理功能。氮的高爆倾向不仅仅体现在高浓度的硝酸盐,同样还体现在我们熟知的三硝基甲苯(TNT)、硝酸铵、硝化甘油和三碘化氮上,因此,由氮气、氢气催化合成氨气的方法也是第一次世界大战时发展起来的。



化学是感觉,化学就是酸甜苦辣鲜


化学是我们口中的酸




不同的化学结构决定了物质的不同功能,我们因此而体会到香醋、柠檬、酸奶具有不同的酸味。


酸味的本质是由氢离子刺激舌黏膜而引起的味感。凡是在溶液中能解离出氢离子的化合物都具有酸味。酸味的强度(酸度)不仅仅取决于溶液中氢离子的浓度,还与酸根的种类、溶液组分特别是糖的存在有关。


化学是我们口中的甜




带给我们甜蜜感的不仅仅有蔗糖、果糖、麦芽糖、葡萄糖,还有山梨醇、甘露醇、木糖醇,甚至D型的氨基酸也会有甜甜的味道——这就是为什么馒头咀嚼很久以后会产生甜味的原因。


我们能感知到甜味,是因为活性分子和嘴巴里的受体发生了相互作用,味觉感受器细胞又将化学刺激的信息内容转化为神经信号传递给了大脑。


衡量甜味强弱的标准称为甜度,甜度是一个相对值,通常将室温下5%蔗糖溶液的甜度定为1.0,其他物质的甜度则与之相比较得到,例如:葡萄糖的甜度为0.5~0.8,甘露糖的甜度为1.1~1.8,木糖的甜度为1.2,而山梨醇的甜度为0.4~0.6,甘露醇的甜度为0.69,木糖醇的甜度为0.9~1.0。


化学是我们口中的苦




咖啡、茶叶、可可碱,莲子、百合、秋水仙,都有苦味,但它们产生苦味的结构并不相同,产生苦味的机理也不相同。


为什么大量服用苦杏仁易中毒?那是因为苦杏仁苷在葡萄糖苷酶的作用下会分解为杏仁腈,产生有剧毒的氢氰酸。


虽然产生的机理各不相同,但总的来说,苦味大多来自呈味分子的疏水基。如果亲电性基团与亲核性基团的距离很近,就可以形成分子内氢键,使整个分子的疏水性增强,而这种疏水性是分子与脂膜中多烯磷酸酯组成的苦味受体相结合的必要条件。苦味物质虽然口感不好,但是它们可以对人体产生积极作用,例如,茶叶的苦味物质具有祛除疲劳、兴奋神经的作用。


除了苦味的有机化合物,苦味的无机盐也有很多,大海中的溴化钾、碘化钾、氯化镁都是海水苦味的来源。但是,无机盐的苦味与其所含阴离子和阳离子的离子直径之和有关,一般情况下,离子直径之和小于6.5埃的盐显示咸味,随着直径的增大,苦味逐渐增强。


化学是我们口中的辣




辣椒、大蒜、洋葱、辣根、生姜,都会让我们感到不同的灼烧感与疼痛感。电信号在受体蛋白间的传递,有的让我们增加了食欲,有的却让我们流下了眼泪。


辣味产生的本质,是进入口腔的辣素分子直接作用于舌头表面的感觉神经细胞,并与细胞表面的辣椒素受体特异性结合,使离子通道打开,产生瞬时电位,电信号被传递给神经中枢,使中枢系统产生灼热和疼痛感。


斯科威尔辣度是衡量辛辣程度的重要参数。


测量斯科威尔辣度时,要先将辣味提取液按比例稀释数倍,让5名左右评测员找出刚刚能察觉出辣味的最低浓度样品,再根据样品的稀释倍数转化成辣度。


化学是我们口中的鲜




海鲜的鲜是核苷酸的鲜,而味精的鲜是氨基酸的鲜。它们与舌上皮味蕾、味觉细胞及味觉受体作用产生味感,再经由一系列反应产生效应物1,4,5-肌醇三磷酸,促进味蕾离子通道作用,使膜电位发生变化,最后将味觉信号通过神经纤维传递给大脑……


原来,我们的每一种感受都源于化学分子与生命分子的作用过程,以及由此产生的化学变化。



化学是日常,化学就是衣食住用行


丝、棉、麻、皮革、尼龙,为何会在不同季节给我们带来不同的穿着舒适感?这源于高分子化学结构的设计与优化。


小小一粒药片,为何会让肿瘤缩小、皮肤消肿、疼痛减弱、不适消失?这源于药物化学的分子设计与改造。


钢筋、水泥、陶瓷、塑料,如何耐热、耐寒、耐水、耐腐蚀?这都源于材料化学家通过巧妙构思,将化学机构、性质与功能神奇地结合了起来。


手机、计算机、电视机的显示屏以及各类LED材料中,也有小小的化学分子发挥着大大的作用。


香水、洗发水、化妆品,让我们的生活变得如此整洁与美好,让我们在感受到香气扑鼻的过程中还能品味着前香、中香与后香的变幻,这依然要归功于化学分子的创制。


设计出小小一块电池,它会给我们的手机、计算机带来能量,还会给汽车、航天飞船带来驱动力,这都是化学运用物质与能量转化过程中的规律帮助人类追寻梦想。



那么,化学是什么?


化学就是人生,帮助我们参透人生的哲理。每一个现象都有它背后复杂而深刻的原理,原理不仅仅能解释现象,更能帮助我们设计“期待的现象”。


每一种物质的变化都伴随能量的变化,反之,能量的变化也会引发物质的变化。每一个分子都是一个整体,“牵一发而动全身”就是变构的魅力。每一场变化,弱了不可及、强了反脱靶,“恰如其分”是我们一生追寻的度。


每一个循环,不仅仅有创造,还有解构再创造,“闭环的思考”是平衡稳定的关键。


希望大家选择化学,不是出于“王婆卖瓜、自卖自夸”,而是为了让我们更好地理解这个世界和自己;

希望大家选择化学,不仅仅是为了择业的宽泛,更是为了在一个细分的领域有你自己独立的见解;

希望大家选择化学,不仅仅因为化学能锤炼理性的科学思维,更因为它是科学与实践、理论与创造的完美结合。


更关键的是,我们要用化学变化的视角看待自然变化,要用化学推理的逻辑判断事物发展,要用化学循环的担当维护社会和谐。


-本文摘编自《创新无界——启明星科普文集》(上海科学技术出版社,2021年10月)-


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本文作者姜雪峰,华东师范大学教授,上海市政协委员。国家杰出青年基金、国家优秀青年基金、国家万人计划,教育部青年长江学者,上海市优秀学术带头人、五四青年奖章、青年岗位能手、青年科技启明星、浦江学者。曾获2020年中美化学与化学生物学教授协会杰出教授奖、2020年上海市科普贡献个人一等奖、2019年中国均相催化青年奖、2018年IUPAC元素周期表青年科学家硫元素代言人、2018年药明康德生命化学研究奖。中国青年科技工作者协会理事,中国化学会高级会员,英国皇家化学会士。