現代化學I

何謂現代化學

鮑爾（科學作家）

只懂化學的人，其實連化學也不懂！——利希藤貝格

如何逃避科學

想逃避科學課，只要等到硫酸之類的老式有毒藥品上場時就行啦。科學老師通常都頭也不抬，就說：誰也不許碰試管內的東西。
把幾可亂真的假酸液試管擺在裝著酸液的試管的旁邊。老師開始咚嚨咚嚨講起課來。你猛然跳起來大叫：「老師！老師！我再也支持不住了！」接著喝入假酸液，昏倒裝死。千萬注意，如果拿錯試管，就不是裝死，而是真的死翹翹了。

即使是莫爾斯渥司這個最調皮搗蛋的學童也坦承，學一點化學偶爾還真的派得上用場。

看似無聊的學問

化學和其他科學相比，算是最沒有魅力的科學了。

物理學家總是在思考宇宙最深的奧秘：萬物從何而來？將如何變化？物質是什麼？時間是什麼？物理學呈現出科學中最抽象的一面；而當物理學家以巨型望遠鏡搜索天空，尋找宇宙回音、用直徑長達數公里的粒子加速器使次原子粒互相撞擊，搜集線索找出世界是由什麼組成的，則展現出科學的深度與廣度。

生物學家對付的問題則是與生死相關。他們要研究對抗人體的數千種遺傳疾病，或努力去瞭解海中的一團膠如何演化成今日的人類。地質學家勇敢面對猛烈的火山和地震；海洋學家探究世界神秘的深淵。

而化學家在做什麼？

這個嘛，他們在製造油漆等亂七八糟的東西。

也許有人覺得製造油漆的過程，大概就跟看著它乾掉一般無趣。但事實並非如此，我希望這本書的內容能讓你信服，它是一門精細巧妙的技藝。

如果還想知道些更多吸引人之處，我也會提到油漆與活細胞、肥皂泡、肌肉組織以及塑膠的許多共通點。製造油漆沾到了化學的一角，充滿了無從想像的驚奇，可以用來清楚說明：瞭解物質的化學本性，如何幫助我們塑造、控制世界的形體。

老實說，很多其他科學還與神秘難測的事件相連時，化學早已是日常生活的一部分，從植物生長、雪花成形、火焰燃燒中，都可以體驗到化學。

化學研究一向給人平淡乏味的印象，關於這一點老實說，化學家自己該負一些責任，很多化學家似乎默認，他們的研究雖然有價值，但滿無趣的。低期望倒真的讓化學家一開始就受種種窒礙。〔牛津大學對化學家的揶揄，認為他們（八成是男性）是蓄著長髮，兩手髒兮兮，陰鬱的笨蛋。可能還狂灌啤酒，像是社交場合上的大猩猩〕。甚至化學家經常會謙虛到了一種沒有安全感的程度。他們在研討會中常說：「這個結果為什麼會這樣，我不太清楚，這可能需要物理學家來解釋。我最大的貢獻，就是合成出這些化合物。」

化學中見世界

我寫這本書並不是要發起什麼改革運動，而只是想真正的呈現出當代化學家從事的研究，讓大家明白「現代化學」不再只是把試管倒來倒去，氣味叫人受不了的工作（雖然偶而不免還是如此）。能做到這點，我就很滿意了。

要瞭解現代化學，我們必須先對基本的化學原理有一點認識，也要稍微知道一些跨學門的觀念，如遺傳學、氣候學、電子學和混沌等研究。

《現代化學I、II》絕不是教科書：它並沒有完整說明全部的化學觀念，而且在介紹一些傑出的研究時，也不以精確的科學語言來描述。我只想讓讀者明白，要發現世界的奧妙，觀察恆星與研究演化論不是僅有的指望；事實上，從洗碗精、樹葉、車子的觸媒轉化器中，都可以一窺其妙。

最古老的年輕科學

1950年，著名的美國化學家鮑林說：「化學是一門年輕的科學。」雖然化學早在古老的中國、巴比倫、或更早就存在了，但鮑林的論點是可以理解的。在1950年的時候，離搞清楚原子的結構，不過幾十年而已，對於原子這個化學家愛用的基本素材，才剛有初步的瞭解；而俄國科學家門得列夫（Dmitri Mendeleev, 1834-1907）繪製的化學元素週期表，也才只有81年的歷史，甚至其中的一些空格，是近幾年才填滿的。但是在鮑林說過這句話的半世紀之後，化學是否仍然保持年輕活力？

激發、指引今天大多數化學的原理、法則，已經大異於當初引發發鮑林做出評論的那些原理、法則了。新的化學不太能劃分成像傳統化學那樣領域。大學裡教的化學仍然常按傳統分成物理化學、有機化學和無機化學。但是現在很少有化學家能宣稱，他們單純只研究某個領域的化學；嶄新的化學概念與分類不斷冒出，研究人員根據這些新概念與分類，重新定義自己的工作。

我在下面列出的一些概念與分類，其實還不算不完全，我提到的這些觀念，會在書中不斷的出現，而且常常串聯起原本完全不相干的研究。在閱讀《現代化學I、II》時，能先記得這些觀念，會有些幫助。

也許有很多人對塑膠時代的到來感到悲傷。然而塑膠時代明確宣告，我們可以設計更合乎需要的新材料，而不必勉強以天然物做成的材料來打發。

現在的塑膠性質似乎五花八門應有盡有：它們的抗張強度可與鋼鐵比擬、可以溶於水中或以微生物分解、可以導電、變色、像肌肉一樣收縮彎曲。塑膠通常是含有碳鏈的「聚合物」分子；同時，以矽和氧為基的聚合物，可用來製成新型態的陶瓷材料，或在硬度和強度上都有突破的「人造岩石」。

近年來材料科學會變得超級熱門，得歸功於大家終於體認到，只要摸清楚材料結構的分子組成，就能設計出在工程上有用的性質。現在我們已經能夠操弄個別原子來合成出材料，這種能力為半導體微電子學開創了新機，也為仿造設計精巧的自然材質，做出人造骨頭或外殼等，帶來了契機。

還有，當我們有能力改進並控制材料的微觀結構，化學有時還會陸續產生含有意外驚喜的新材料，例如稱為富勒烯（fullerene）的碳籠（carbon cage），或是稱為準晶體（quasicrystal）的金屬合金。

電子學

我是不是曾提過塑膠也可以導電？

沒錯，我們不僅知道這個性質，而且也應用在電子零件上了。現在已經發現很多種類的合成化合物，都擁有類似金屬的導電性，有些甚至還顯現引人注目的超導體性質，即具有零電阻的導電性。磁體也可以不含一點金屬，而以含碳和氮的分子為主要成分，使磁體幾乎像是有機物了。

看起來，整個電子工業很有可能不再需要金屬或矽之類的傳統半導體。有些人的終極夢想，是用個別的分子來建造電路，利用導電的分子線路，連結原子大小的成分，成為極為緊密的「分子零件」。

另一種想達到分子電子學的提議更大膽：以非傳統材料來製造傳統的微電子元件，也就是把熟悉的二極體和電晶體擺在一邊，而從自然界中尋找靈感。例如，光合作用時，生物體內細胞的微電流在各個分子間流通，此時其他的生物分子則調節電流，作用有如縮小的電子元件。瞭解了這些天然元件的作用機制，就能開啟「有機電子學」的大門。

自組合

如果要像前面〈電子學〉提到的，一次移動一個分子，建構出分子結構，則工程師對微型世界的操控要更精確、運作速度要更快才行。

但是除了做苦工把分子一個一個接上去之外，還有一種替代法：就是讓分子自己進行組合。這個好像是希望一堆磚塊突然自己疊成一座房子，而分子組合的形式又比磚塊多。譬如，肥皂分子可以同時聚集成各種複雜的結構，包括片狀、層狀以及像人造細胞般的薄膜。其他有自我組織能力，形成各種規則排列的有機分子，我們稱之為液晶。

我們對分子間相互作用的方式摸得愈清楚，就更有能力對分子進行規劃，讓它們自行組成這些錯綜複雜的結構。

這裡再度顯現，我們要以大自然為師的地方還多著呢，大自然中有很多分子，都可用獨特且有規律的方式，識別、組織其他分子。在大自然裡或實驗室中，如果分子能夠「辨識」與自我組合，就有可能以分子的各個結構，組成完整的分子；也就是有可能進行「複製」。

複製

生物體的主要特性之一，就是能夠自我複製。

進行複製並不需要特別的智能，光靠化學作用就可以達成目的。從1953年發現DNA的結構之後，對化學複製如何進行，就開始有了瞭解。DNA複製時，進行複製的單股DNA分子，功能就像「模板」，利用模板裝就可以配出完整的複製品；這種裝配過程牽涉到「互補」，也就是進行複製的分子把自己當鷹架，裝配上各個互補的配對單位，完成DNA的複製。

目前很明顯，不是只有DNA這麼複雜的分子才能進行複製。小分子和分子組合，已經可以在試管中進行複製。在某種意味上，這些分子代表著，我們朝「人造生物」之路邁出了第一步。

但是這些合成複製使用的起始物，一般來說與最終產物的差異並不大，這些複製並不是從頭做起，而只是加速在最後階段發生的複製作用而已。因此，要真正的合成出生物，還有很長的路要走。

不過，1982年發現，與DNA有關的RNA，自個兒就可以耍「複製」的把戲（不需要DNA等大批分子的協助），也許提供了極重要的線索，可以說明為什麼只靠化學反應，就能產生生命。

特異性

化學反應常會產生一大堆副產物，要從中萃取出想要的東西，通常都麻煩極了。但是人體內進行的生物化學反應，卻根本不會發生這種情況。人體內的每個反應，通常都只產生一個所要的產物。雖然現在我們的化學合成法雖然笨手笨腳，也不要放棄達到與生物體反應境界的希望。

事實上，運用在生物上發現的「分子辨識」原理，我們的合成手法也愈來愈熟練。我們正在想辦法使化學反應有特異性。

生物化學有特異性，酵素類的分子扮演重要的角色。雖然我們對酵素的作用機制，仍一知半解，但也設計出許多有酵素特質的合成分子。

同時，化學工業正學習利用酵素靈敏的化學控制性，讓酵素在「生物反應器」中作用；如此，化學工廠利用生物技術，才能製造出複雜的醫藥產品，否則單靠人力智慧是辦不到的。

此外，石油化學公司也發現，「沸石」之類的礦物具有簡單的「固態酵素」功能，有助於從原油中萃取出有用的產品。

從原子觀察

化學變化的發生，僅在一眨眼之間。在化學反應過程中，兩個分子互相作用的時間，可能就有幾兆分之一秒而已。

在過去要知道分子間真正的作用情形，是極端困難的，但是現在已有一些方法，可以用底片捕捉住這些短暫瞬間。在分子作用時，發射出成千上萬的不連續雷射脈衝光，就可以及時捕捉住分子運動的影像。目前，我們可以觀察到分子在打滾、撞擊及形成新的原子排列時的轉變。

同時，顯微鏡讓我們看到物質中，個別原子的狀態。這類的顯微鏡已不再用光線而是使用電子來得到物件的影像，這些物件的體積，只有針頭的幾百萬分之一。

晶體中規則堆疊的原子晶格、液晶薄膜中規則堆疊的分子或是DNA的雙螺旋，這些影像都是以這種新型的顯微鏡來顯像的。

非平衡態

在自然界中有很多複雜的形狀，從雪花到植物的根與葉等，一向都使自然科學學家迷戀又困惑。

最近的發現更讓人驚訝：形成複雜模式的過程，不一定需要高階的控制機制；這些複雜的模式可以在系統中自動形成，顯然毫不受拘束。

系統在完全不平衡之下，不一定會淪為不規則，也許在適當的條件下，它們會自行組織成大型模式，既錯綜複雜，又完美對稱。其中一例就是稱為準晶體的「禁制晶體」（forbidden crystal）；另外有些展現出所謂「碎形」（fractal）的性質，也就是不管如何放大詳看，圖形都是同一個樣子。

不平衡的系統常常會表現出動態的變動模式，並持續保持如此，即使系統一直在改變也一樣。非平衡的化學反應產生了連鎖的化學波，像是螺旋狀的漩渦或池塘中激起漣漪。

在非平衡系統中，通常會先出現振盪、週期性的行為，接著產生完全不可預測的情形，也就是「混沌」（chaos）。現在，在某些化學反應中，已經可以偵測到混沌的特徵。

介尺度化學

我們對「巨觀尺度」與「微觀尺度」的化學程序，已經瞭解得相當透徹。巨觀尺度就是指，在這個尺度下的東西，我們看得到也摸得到，而微觀尺度指的是分子級的規模。

但是介於這兩者之間的「介尺度」（mesoscopic scale），也就是大小從數千原子到數千個細胞的範圍，仍屬於未知的領域。千餘個分子組合後的行為，會像大塊材料還是像個別的分子？答案常常是兩者皆非：在這種規模下，看到的可能是全新的性質。

最新的技術可以誘發分子「自組成」成為大型結構，例如人造薄膜或是規則的液晶陣列等，開啟了介尺度的研究領域。我們也可以把原子蒸氣凝結成原子簇，原子數目可隨意控制，從只有3、4個原子到數千個原子不等。用這種方法可以觀察到，系統從分子狀態發展成塊狀固體時性質的改變。

自組成分子有時會在原子數目達「魔術數字」時卡住，而呈異常的穩定狀態，至於為什麼會如此，原因還不是很清楚。其中碳原子簇的例子特別有意思，它們可以排成大小相當特定的中空的碳籠。這些碳籠對於化學、電子和材料科學，提供了全新的研究方向。

能量轉換

很多化學反應都會產生能量，而且能量形式通常為熱能。自從人類馴服火種以來，我們就已經可以利用能量獲益；然而值得注意的是，今天我們產生能量的主要方法，仍是利用如同燃燒般粗糙且沒效率的化學程序。

利用電池把化學能轉換成電能，是較直接的方法，但是電池的價錢不便宜，提供的電力也不足以應付大眾的需求。不管如何，新型態的電池正在發展中，希望能帶來新的應用：例如，成為車輛或人造衛星的動力來源。

在沒有龐大輸出功率需求的地區，由體型小巧簡潔、重量輕盈的電池提供有效率、安全和便利能量。

我們每天接收太陽數百萬千瓩的免費能量，但是幾乎找不到有效的方法，把這些能量儲存、轉化成更有用的形態。化學提供的答案是「太陽電池」：利用會吸光的材料吸收太陽能，再把太陽能轉化成化學能儲存起來，或直接轉變成電能來利用。最先進的太陽電池正在研究、學習大自然的太陽電池──植物體的光合作用中心。

感測器

快速、有效偵測出特定化學物質存在與否的能力，關係到生死存亡。有毒氣體的外洩、監控身體血液中葡萄糖或麻醉劑的含量、測試食品中有害的化合物等，都需要敏銳可靠的感測裝置。很多化學感測器靠的都是電化學原理，相關的化學物質引發電極上的電流或電壓變化。

現在正在發展的感測器，利用的是天然酵素的分子辨識能力，這種感測器對某些種類的生物化學品，反應很靈敏。同時，聚合物科學也提供有選擇性的塑膠薄膜，只會讓某種分子通過，其他分子都不能滲透。

目前的感測器在某些特殊的情形下，已經可以偵測單一種分子，達到了測試靈敏度的極致。這樣的靈敏度，已經超過人體的主要化學感測器──鼻子的嗅覺系統了。

達到這種標準的感測器，是利用光譜儀來偵測，原理為分子與光的相互作用，優點是物質在非常遠的距離外，就可以偵測到，而不必與偵測器實際接觸。用這種方法，可以偵測到地球大氣層、或星際間與恆星大氣層中的化合物。

環境

人類從生活在地球上開始，就不斷的傾倒化學廢物到河流、海洋、土壤和空氣中。現在快吃到破壞環境的惡果了，才不得已開始注意到環境中的化學成分。從歐洲來的污染會出現在北極的雪中；發電廠排放的廢氣會變成酸雨降落到地面；以前我們認為很穩定不有會危害的氣體，現在發現它們會侵蝕臭氧層。含碳化合物燃燒後產生的二氧化碳，會使地球變成悶熱的溫室。

我們已經搞清楚是哪些化學反應，造成這些環境危害，但它們對地球生態和氣候的影響，還很難評估。不過從研究過去大氣層受純天然過程引發的化學變化，對地球溫度產生的影響情形，就可以找到線索。科學家正在研究冰泡裡抓住的古代空氣，與久遠以前沉積在海床上的沉積岩，各有怎樣的組成，試著從中瞭解大氣化學與氣候變遷的關連。

另外，也從找出大氣中與海洋裡金屬的循環路徑，來一探污染物的傳輸途徑。研究人員也努力為那些會危害或弄髒地球的物品，找出較安全的替代品；例如，會破壞臭氧層的CFC（氟氯碳化合物）的替代品，或是細菌的分解的塑膠。

化學三部曲

《現代化學》共有兩冊，依內容分成三個部分。

《現代化學I》討論的是化學的某些傳統研究，共有4章。第1章至第4章的內容分別為：構造與鍵結、熱力學與動力學、光譜學與結晶學。我希望在其中清楚說明，這種傳統是變動的傳統，它會促成原有的工具和概念進行改變，來迎接新的目標和挑戰。

科學中某些題材一旦完成階段性任務，就會遭到淘汰棄置，但是至少在這4章中提到領域裡，因為新的發現和先進的技術，能確保在未來的幾十年，這些「傳統」方法仍然是炙手可熱的。

從傳統到現代

在《現代化學II》中，分為〈新產物，新功能〉與〈化學是一種過程〉兩個部分。在〈新產物，新功能〉的3章中，只有第7章的膠體化學，會勾起1950年代的研究人員一些回憶，但儘管如此，今天對膠體化學的研究也與1950年代時大不相同了。

〈新產物，新功能〉主要介紹的是，對分子層面的瞭解增加，導致對化學反應和性質的看法全面改觀，並使化學銜接起與其他學科間的鴻溝，例如分子生物學、電子學、和材料科學等。

簡而言之，〈新產物，新功能〉會探討化學研究的一些新功能〈化學是一種過程〉中，將討論一些我所謂的「化學是一種過程」的觀點。那就是說，在討論化學變化時，我不會著重產物、化學反應和相互作用的機制，而拉高層次來探討這些化學過程產生的影響。生命本身就是早期地球上化學作用產生的結果（第8章）；大自然世界成長和形態的複雜性，一定也是從簡單的化學過程中演變出來（第9章）；我們的大氣、環境、和氣候很多重要的變化（第10章）其來有自，都有它化學轉變中的源頭。

臺灣大學化學工程系畢業、美國卡內基美隆大學化學博士。曾任東海大學及靜宜大學兼任副教授、國立台灣科技大學化工系兼任教授。著有《奈米科技導論》、《石油及石油化學工業概論》等，譯有《生物世界的數學遊戲》等。