化学是什么？-第4章 什么的化学和化学的什么（2）

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4.2.1　化学物质及常用名称

化学试剂（chemical reagent）是指供化学研究实验、分析化验和教学使用的纯化学物质。它的品种已多达上万种，按其组成和结构常分为无机试剂、有机试剂和生化试剂（有时也将它并入有机试剂中）。按其用途又可分为标准试剂、通用试剂、特效试剂、指示剂、溶剂、仪器分析专用试剂、高纯试剂、有机合成基础试剂、生化试剂、临床试剂、电子信息工业专用试剂、教学实验用试剂等。我国对实验室通用试剂的纯度等质量标准的制定有4种规格：

（1）优级纯或一级品。符号GR，绿色标签，用于精密分析实验。

（2）分析纯或二级品。符号AR，金光红色标签，用于一般分析实验。

（3）化学纯或三级品。符号CP，蓝色标签，用于一般化学实验。

（4）生化试剂。符号BR，咖啡色或玫红色标签，用于生物化学实验。

1994年，我在《百科知识》杂志上发表了一篇文章，标题是“化学键：它把原子结合成世界”，其内容是说明化学键是将原子结合成物质世界的作用力。化学键有强弱之分。共价键、离子键和金属键是三种强的典型的化学键，它们是在分子或晶体中，将两个或多个原子相互结合在一起的作用力，导致原子（或离子）形成相对稳定的分子和晶体。分子之间以及分子以上层次的超分子和其他各种有序和无序的聚集体，则是依靠氢键、静电相互作用、疏水相互作用和范德华引力等较弱的作用力，将分子结合在一起，这些弱的相互作用其作用能比强化学键的键能小1～2个数量级，称它们为次级键。由于键型变异及结构的复杂性，在一种单质或化合物中，常常包含多种类型的化学键。若将共价键、离子键、金属键和次级键等4种不同键型排列在四面体的4个顶点上，则构成化学键键型四面体，如图4.2.1所示。根据单质或化合物中存在的化学键类型，可以标出该单质或化合物在图中的位置。石墨晶体的位置处在由共价键、金属键、次级键组成的三角平面中心，表明石墨晶体是由这三种型式的化学键将C原子结合在一起。

共价键是指由A和B两个原子共用一对自旋相反的电子互相吸引而形成的化学键。每一对自旋相反的电子形成一个共价单键，常用A—B表示。若A和B两个原子共用两对或三对电子，形成的化学键称为共价双键或三重键，以[插图]表示。按分子轨道理论，当两个原子互相接近时，它们的原子轨道互相叠加组成分子轨道，电子进入成键轨道，体系的能量降低，形成稳定的分子，此即原子间通过共价键结合成分子。由于原子轨道在空间按一定的方向分布，成键方向叠加最大，所以共价键具有明显的方向性。图4.2.2示出若干分子中的共价键。

（a）H2，（b）O2，（c）N2，（d）P4，（e）H2O，（f）C2H6，（g）C2H4，（h）C2H2，

（i）C6H6共振结构式，（j）C6H6简化式

在共价键中，通过键轴方向不存在节面的分子轨道称为σ轨道，由σ电子形成的共价键称为σ键。通过键轴方向存在一个节面的分子轨道称为π轨道，由π电子形成的共价键称为π键。通过键轴方向存在两个互相垂直的节面的分子轨道称为δ轨道，由δ电子形成的共价键称为δ键。共价单键通常是σ键。共价双键中一根是σ键，另一根是π键。共价叁键中，一根是σ键，另两根是π键。共价四键中，一根是σ键，两根是π键，还有一根是δ键，如中存在。

在共价键中，电子局限在两个原子的区域，称为定域键。由多个原子参与形成的化学键称为离域键。离域键有的是缺电子多中心键，如B2H6中有两个弯曲的BHB三中心二电子（3c-2e）键。大量存在于芳香族有机分子中的多中心键为离域π键，如苯分子中6个C原子和6个电子形成的 离域π键。

由不同种类原子之间形成的共价键，因两个原子吸引电子的能力不同，整个化学键的正电荷重心和负电荷重心不重合，这种共价键称极性共价键，简称极性键，如HCl分子中的HCl键，H原子端显正电性，Cl原子端显负电性。由同核的两个原子形成的双原子分子中的化学键是非极性键。

两个成键原子间电子云分布的极大值偏离两原子间连线的化学键，成键电子云的分布呈弯曲形。这种化学键称为弯键。例如，四面体形P4分子中电子云极大值处在PP键外侧，形成的化学键是弯键。

金属键的形成是由于金属元素的电负性较小，电离能也较小，金属原子的外层价电子容易脱离原子核的束缚，而在金属晶粒中由各个正离子形成的势场中比较自由地运动，形成自由电子或称离域电子。这些在金属晶粒中运动、离域范围很大的电子和正离子吸引胶合在一起的作用力，称为金属键。纯金属或合金不论是固态或熔融态，都存在这种自由电子和正离子，原子间的结合力都是金属键。金属键没有方向性，每个原子中电子的分布基本上呈球形，自由电子的胶合作用将使球形的金属原子作紧密堆积，形成能量较低的稳定体系。金属具有良好的导电性和传热性，和金属键的自由电子密切相关。金属优良的延展性和金属光泽，以及金属容易形成各种成分的合金等性质都决定于金属键的特性。金属晶体的结构可看作球形原子堆积密度大、配位数高、能充分利用空间的结构。金属单质的等径圆球密堆积的结构类型最常见的有：

立方最密堆积（ccp）　

如图4.2.3（a）所示，在常温常压下Cu、Ag、Au、Al、Ca、Sr、Ni等16种金属采用这种结构。

六方最密堆积（hcp）　

如图4.2.3（b）所示，在常温常压下Be、Mg、Ti、Zn、Sc、Er等20多种金属采用这种结构。

双六方最密堆积（dhcp）　如图4.2.3（c）所示，在常温常压下La、Ce、Pr、Nd等10种金属采用这种结构。

体心立方密堆积（bcp）　

如图4.2.3（d）所示，在常温常压下Li、Na、V、Fe等13种金属采用这种结构。

注意，在有些化合物中，金属原子间形成金属-金属键，例如（CO）5Mn—Mn（CO）5分子中存在Mn—Mn共价单键，分子中存在共价双键，分子中存在共价叁键。它们都是共价键，而不是金属键。

离子键是指正、负离子以它们所带的正、负电荷间的静电吸引力而形成的化学键，又称静电键。它一般由电负性较小的金属元素和电负性较高的非金属元素化合形成，例如金属钠和氯气反应，形成氯化钠晶体，在其中Na＋和Cl-之间的化学键即为离子键。离子键的强度正比于正负离子电价的乘积，而和正负离子间的距离成反比。由于离子的极化变形等原因，键型发生变异，离子间的结合力常含有部分共价键，纯粹由静电作用的离子键较少。离子化合物常温下通常是以晶体状态存在。图4.2.4示出NaCl（a）和CsCl（b）的晶体结构。在NaCl结构中，每个Na＋周围有6个Cl-，每个Cl-周围有6个Na＋；在CsCl结构中，每个Cs＋周围最邻近的有8个Cl-，每个Cl-周围有8个Cs＋。NaCl的晶体结构也可看作Cl-作立方最密堆积［如图4.2.4（a）］，Na＋填在密堆积的八面体空隙中形成。

根据NaCl晶体中的离子键结构，可以解析它所具有的性质：

① NaCl晶体是由Na＋和Cl-交替排列而成，并不存在Na—Cl双原子分子。准确地说，不应称NaCl为分子式，而应称为化学式。

② Na＋和Cl-间的接触距离为282 pm，为推得离子的大小提供可靠的实验数据。

③ NaCl晶体溶于水的过程是晶体中正负离子水化的过程，不是中性Na—Cl分子离解过程。溶液中由于存在Na＋和Cl-离子而能导电。

④ NaCl晶体的熔点较高（801℃），这是由于它结构中每个离子都被异性离子包围吸引，而不存在特别薄弱的环节。

⑤ NaCl晶体中离子的位置固定，是绝缘体，不导电；当熔化后，带电的Na＋和Cl-在熔体中能各自向相反方向迁移导电。

氢键是除共价键、离子键和金属键三种强键外，弱键中的强者，它通常用X—H…Y表示，其中X、Y均为电负性较高的原子，即F、O、N、Cl等。当H原子和X原子形成共价键X—H时，由于X原子的电负性高，吸引价电子的能力较强，电子靠近X原子，使H原子带有部分正电荷。带部分正电荷的H原子遇到带有孤对电子而电负性较强的Y原子时，H…Y间存在着较强的静电吸引力以及部分共价键的作用力，使它们之间接触距离缩短，吸引力加强，这种原子间的作用和H、X、Y三个原子都有关系，故用X—H…Y表示。氢键的键长是指X和Y之间的距离，而不是H…Y的距离。

早在20世纪三四十年代，美国结构化学家鲍林（L．Pauling，1901—1994）等从测定冰等化合物的晶体结构及冰的升华热等数据，提出氢键的重要性。在他所著的《化学键的本质》中，提出分子间趋向于尽可能地生成氢键，以降低化合物的能量，增加稳定性。他还用这个观点研究蛋白质的分子结构，提出蛋白质中多肽链通过氢键形成α-螺旋体和β -折叠层的结构模型，在以后测定的蛋白质结构中得到了证实，这对于蛋白质结构的认识起了很大的作用。到20世纪50年代，沃森（J．D．Watson，1928—　）和克里克（P．H．C．Crick，1916—2004）提出脱氧核糖核酸（DNA）双螺旋结构，正是氢键结构的范例，开辟了生物化学、分子生物学和基因工程等新领域。在DNA双螺旋中，有机碱的腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）通过氢键结合成对：

这两对的氢键专一互补配对作用的规律，是20世纪自然科学最重要的发现之一。

化学武器是指由具有毒性的化合物或混合物，以其毒害作用制成的具有杀伤力的武器。它不同于炸药用以制作枪弹和炸弹，不同于烟雾剂用以制造烟雾弹，也不同于汽油用于制作燃烧弹和凝固汽油弹。第一次世界大战期间，德国军队在与英法联军作战中，首次利用了氯气弹，开创使用化学武器的先例。下面分别举几个化学武器所用材料的情况。

光气学名碳酰氯。这是第一次世界大战时使用的窒息性化学武器。1915年德国军队使用光气的第一天，有1000多人中毒，两天内死去146人，幸存者长年累月忍受折磨。1917年，英国军队也用液态光气做成的炸弹回击德军，当炸弹炸开，炸弹中的液体光气气化为烟雾，除许多士兵中毒外，运送辎重的马匹、树上的鸟以及壕沟里的老鼠等生物也都中毒死亡。

氢氰酸（HCN）、氰化钾（KCN）和氯化氰（ClCN）等氰化物是剧毒物质，也是重要的工业原料，用作配位体及合成其他产物的中间体。第二次世界大战期间，希特勒纳粹分子曾用氰化物一类全身中毒性毒剂杀死集中营中250万名战俘和平民。

芥子气学名为二氯二乙硫醚。纯品为无色油状液体，有大蒜味。芥子气为糜烂性毒剂，1917年德国军队曾经使用它，使受害者角膜发炎，眼睛丧失视力，咽喉酸痛，呼吸困难，皮肤灼伤、出现水泡糜烂。1986年在两伊战争中伊拉克的萨达姆曾用芥子气攻击伊朗士兵，致使8500多名士兵和伊拉克平民丧生。日本在侵华战争也用过这种化学武器，1945年投降后没有销毁，也没有交待罪恶事实，甚至还将它掩埋到地下。2003年黑龙江省齐齐哈尔市工人在挖掘地基时挖出5个储芥子气的金属桶，因不知道它是毒物，在拆卸过程中发生泄漏，致使43人不幸中毒，其中1人死亡。

沙林学名甲氟膦酸异丙酯。无色液体，神经性毒剂。能被NaOH或Na2CO3碱性溶液水解成无毒的化合物。沙林没有在战争中大规模使用过，但是在1995年3月20日，奥姆真理教用它在东京地铁发动攻击，致使6000余人中毒，即使抢救及时，也有12人死亡，14人终生瘫痪。

毕兹学名二苯基羟乙酸-3-奎宁环酯。毕兹为失能性毒剂。白色或黄色粉末，不易溶于水，易悬浮分散在水中。人吸入毕兹气溶胶，会出现一系列中毒症状：口、鼻、喉有焦灼感，皮肤干燥潮红，不能走动，不能准确回答问题，士兵失去战斗能力。

1965年、1969年和1970年，美军在越南战争期间多次使用毕兹毒气弹，使越南守军丧失战斗能力，美国军队趁机发动攻击，占领阵地，并将越军刺死。

现在，禁止化学武器已成为世界人民的共同呼声。1992年第41届联合国大会一致通过了《关于禁止发展、生产、储藏和使用化学武器及销毁这种武器的公约》。1997年正式生效。

化学治疗简称化疗。通常是指对病原微生物、寄生虫、恶性肿瘤所致疾病的化学药物治疗。目前多指肿瘤化疗，即应用药物治疗恶性肿瘤。虽然各类化疗药物对肿瘤细胞作用机制不同，但总的目的是要抑制肿瘤细胞的无限增殖，达到控制癌症的发展和治疗目的。抗癌药物进入人体后迅速分布到全身，既可杀灭局部的肿瘤也可杀死远处转移的肿瘤，因此化疗是一种全身性的治疗。化疗是治疗癌症的多种方法之一，对于那些有全身扩散倾向以及中晚期肿瘤是主要治疗手段。多数情况下，化疗需与手术、放疗联合使用。化疗的效果取决于肿瘤的类型和病况。有的可以治愈，更多的是抑制肿瘤生长和扩散，延长生存期。药物在杀伤肿瘤细胞的同时，也会对正常细胞和组织造成损害，产生较大的毒副作用，如免疫功能下降、白细胞减少、消化道黏膜溃疡、脱发等。所以化疗都是分次进行，即多疗程治疗。通过疗程后的间歇，让正常细胞得到修复和恢复，配合饮食调理、营养的补充，使病人能坚持完成计划的化疗周期，达到应有的疗效。化疗药物来自植物和人工合成，已超过数十种。现阶段临床使用的抗癌药物可分为：① 烷化剂，如环磷酰胺等；② 抗代谢物，如甲氨喋呤、氟尿嘧啶；③ 抗肿瘤抗生素，如丝裂霉素；④ 激素类的抗癌药，如甲羟孕碱、甲地孕酮；⑤ 植物成分的抗癌药，如长春新碱、长春地辛、香菇多糖；⑥ 其他抗癌药及辅助冶疗药，如顺铂、卡铂、干扰素等。近些年来，靶向药物已经取得一定成果。靶向药物治疗就是使药物瞄准肿瘤部位，使局部保持较高的浓度，延长药物作用时间，提高对肿瘤的杀伤力；而对正常组织细胞的作用小，相对毒副作用弱，大大减轻病人痛苦，明显提高疗效。最新的分子靶向药物利用肿瘤细胞与正常细胞之间分子生物学上的差异（包括基因、酶、信号传导等不同特性），通过调节细胞增殖的信号传导和调节血管生成的传导途径等作用，抑制肿瘤细胞的生长增殖，直至最后杀灭。这类化疗药物疗效更好，副作用更少，是非常有前途的化疗药物。在讨论化学治疗，特别是化学治疗癌症时，人们心里常出现两个问题：一是化学致癌物，另一个是化学恐惧症。下面分别加以介绍。

化学致癌物是指能使人类或哺乳动物的机体诱发癌症的化学物质。经动物致癌实验证实，有致癌作用的化学致癌物已达1000多种。人类的肿瘤80％～85％与化学致癌物有关。可分为确证致癌物、怀疑致癌物和潜在致癌物三类：① 确证致癌物是经流行病学调查和动物实验都能证实与人类肿瘤有因果关系的化学致癌物，有26种左右，如砷、铬、铬酸盐、镍、二氯甲醚、氯甲醚、2-萘胺、4-氨基联苯、4-硝基联苯、石棉、联苯胺、氯乙烯、苯并［a］芘等。② 怀疑致癌物是对人类有高度致癌可疑性的化学物质，约有30种，如铍、镉、亚硝胺类化合物、黄曲霉素及一些芳香类染料等。③ 潜在致癌物是对人类有潜在致癌作用的化学物质，如DDT、六六六、氯仿、四氯化碳、二甲基肼等。

化学恐惧症是指在当今世界上有些人认为“凡是采用化学手段生产、合成的东西一概都是对人体有害的”。将有害有毒与化学尤其是人工合成的化学品画等号，以致在生活和工作中对化学合成物采取排斥和回避的态度。这是对化学的误解和不必要的恐惧，也是毫无科学根据的。化学在20世纪以来大大改变了我们的生活，虽然有些化学品有毒副作用发生，但化学品在提高生活质量、延长人类寿命等方面功不可没。关键是要严格论证，安全使用，拒绝恐惧，理性对待。

化学家是从事化学研究工作的科学家的简称。化学工程师是从事化学工业研究和生产技术的工程师。两者常常是不可分的，即他既是化学家又是化学工程师。在人类的历史长河中，化学起了极大的作用。化学的发展造就了强大的化学家和化学工程师群体，其中杰出的英才，创造了令世人瞩目的辉煌业绩，推动化学科学和化学工业深入而广泛地向前发展，改变了世界的面貌。下面以三人为例，介绍他们的主要业绩。

1．门捷列夫

俄国化学家门捷列夫（D．I．Mendeleyev，1834—1907）发现了化学元素周期律，即元素的性质随着原子量（现在科学的表达应为原子序数）的递增而呈周期性变化。1869年，他将当时已知的63种元素按其原子量的大小和它的性质编制出元素周期表，对各元素进行分族，即使得化学科学系统化。根据他编制的表，预言存在新的元素，如“类铝”即以后发现的镓、“类硼”即以后发现的钪、“类硅”即以后发现的锗。

1871年，门捷列夫发表文章写道：“我认为最有兴趣的是Ⅵ族中缺少一种类似碳的金属元素。它紧接着在硅的下面，因此称它为类硅，类硅的原子量应该大约是72，……比重大约是5.5，……它在一切的情况下是可熔的金属，在强热下挥发并氧化，不易分解水蒸气，几乎不与酸作用。不从酸中释放出氢气而形成很不稳定的盐。”1886年，温克勒尔等发现了锗，发现其性质几乎和门捷列夫预言的完全一致。他们专门致函给门捷列夫写道：“为您的天才工作的新胜利向您祝贺和表示深切敬意。”

周期律的确立是将科学实验得到的知识，经过综合分析而形成理论，具有科学的预见性和指导性。把各种元素看作有内在联系的统一体，而不是彼此孤立的简单堆积，为寻找新元素提供理论上的向导。以后化学家经过探索研究，不断发现了新元素，除填满原来表中的空格外，还往前发展增添了新的周期。至今7个周期、18个族、118种元素，都已完整地被发现。

门捷列夫曾自己评价元素周期律：“定律的确证只能借助于由定律引申出来的推论。这种推论如果没有这种定律便不能得到和不能想到，其次才是用实验来检验这种推论。因此，我在发现了周期律之后，就多方引出如此合乎逻辑的推论，这些推论能证明这一定律是否正确，其中包括未知元素的特征和修改许多元素的原子量。没有这种方法就不能确证自然界的定律。不论被法国人推崇为周期律发现人的尚古多也好，英国人所推崇的纽兰兹（J．A．R．，Newlands）也好，以及被另一些人认为是周期律的创始人的迈耶尔（Mayer）也好，都没有像我从最初（1869年）起就做的那样，敢于预测未知元素的特性，改变公认的原子量，或一般说来，把周期律看作是一个自然界中结构严密的新定律，它能把散乱的材料归纳起来。”

为了纪念门捷列夫对科学的贡献，国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）将原子序数为101号的元素命名为Mendelevium，元素符号为Md，中文名称为钔。不久前，联合国宣布2019年为元素周期表国际年（International Year of Periodic Table，IYPT），纪念门捷列夫创建元素周期表150周年。

瑞典化学工程师诺贝尔（A．B．Nobel，1833—1896）在19世纪50年代制造硝化甘油炸药。这种炸药是将甘油慢慢地加到浓硝酸和浓硫酸的混合溶液中反应而得。他发现用干燥的硅藻土吸收硝化甘油后，可保有原来的爆炸能力，但引爆的敏感度大为降低，可以安全储存、运输。为此他取得了专利，使他在全世界都有炸药制造业的股份，加上他在俄国巴库油田有产权，因而成为拥有巨富的化学家。对这些财富他立了遗嘱，内容为：“请把我的全部财产作为基金，以基金的利息作为奖金，并把奖金五等分，作下述五种奖的奖金，在每年奖给为全人类作出了最卓著贡献的人。

（1）物理学奖。奖给在这个领域有最重要发现或发明的人。

（2）化学奖。奖给在这个领域有最重要发现或最重要改良的人。

（3）生理学或医学奖。奖给在这个领域有最重要发现的人。

（4）文学奖。奖给在这个领域表明了理想主义的倾向，有最优秀作品的人。

（5）和平奖。奖给为国与国之间的友好，撤除或裁减军备，召开和平会议以及实施和平会议的原则作出了最大努力的人。”

诺贝尔奖于1901年开始颁发，经过一个多世纪的实践，它已成为全世界影响力最大的一个奖项。鼓励全世界无数的化学家、物理学家等献身于科学事业，为人类社会的发展作出巨大贡献。为了纪念诺贝尔对科学的贡献，国际纯粹和应用化学联合会将原子序数为102号的元素命名为Nobelium，元素符号为No，中文名称为锘。

诺贝尔奖于1901年开始颁发，经过一个多世纪的实践，它已成为全世界影响力最大的一个奖项。鼓励全世界无数的化学家、物理学家等献身于科学事业，为人类社会的发展作出巨大贡献。为了纪念诺贝尔对科学的贡献，国际纯粹和应用化学联合会将原子序数为102号的元素命名为Nobelium，元素符号为No，中文名称为锘。

中国化学工程师侯德榜（1890—1974），1890年8月9日生于福建闽侯，1911年就读于北京清华学堂，以全优的成绩震动了当时的清华园。1913年保送留学美国麻省理工学院和哥伦比亚大学，先后获得学士、硕士、博士学位和荣誉博士称号。1921年学成回国，从此把毕生精力献身于我国化学工业。作为我国近代化学工业的奠基人之一，他不仅是中国化学工业的开拓者，也是世界制碱技术权威。

1926年，侯德榜任永利化学工业公司总工程师兼碱厂厂长，突破索尔维集团的技术封锁，攻克难关，建成亚洲第一家碱厂，用索尔维法年产万吨红三角牌纯碱，在万国博览会上获得金奖，畅销国内外。1937年，他在南京生产首批合成氨、硫酸、硫铵和硝酸，开创我国化肥工业新纪元。1938年，他完成连续生产纯碱和氯化铵的“侯氏碱法”，使原料盐的利用率达到98％。1958年，他领导我国化肥专家开发生产碳酸氢铵新工艺，促进了化肥工业的发展。1962年，他实现联合生产纯碱和氯化铵的“联合制碱法”，实现氨碱联合生产，为我国化学工业作出巨大贡献。侯德榜的科技著作硕果累累。早在1933年，他著的英文版《纯碱制造》在美国出版，成为世界首部制碱专著。以后，他继续修订出版第二版。1960年，中文版《制碱工学》出版。1974年他病故后，他的学生和同事们继承他创下的基业，把他的专著传承下去。2004年《制碱工学》（第二版）问世，此时正值我国纯碱工业在产量和技术上均跃居世界首位之年，他这部传世之作是纯碱工业技术著作的主线。

未完待续......

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