第1章 从宇宙到原子(1)
世界的组成
大千世界都是由物质组成的。从人们日常所需的生活用品，到人们赖以进行生产的生产资料；从大自然的树木、花草、鸟兽，到岩石、高山、大海，从地球上的万物到茫茫宇宙中的太阳、月亮和星球……都是物质。
这形形色色的物质，都是由一种被称为分子的微粒构成的。例如水是由水分子构成；氧由氧气分子构成。假如杯子里的水全由水分子组成，那么称这种水为纯净物。实际上，天然水中常常溶解有少量的各种盐类，还有病菌和其他杂质。天然水中还含有其他物质分子，所以是不纯净的。这种由不同种分子组成的物质，称为混合物。混合物没有固定的组成，也没有一定物质。在我们周围存在的绝大多数天然物质都是复杂的混合物，像泥土、花岗石、海水等。
纯净物质当中，有的是由同种元素组成，再也不能发生分解反应，这种物质称为单质。如果是几种不同元素化合而成的物质，称为化合物，它们在一定条件下，能够发生分解反应。如水在电流的作用下，可以分解出氢气和氧气。我们说水是化合物，氢气和氧气都是单质，单质又可以分为金属和非金属两大类。氢气和氧气是非金属；金、银、铜、铁、铝等是金属。
自然界在变化
自然界的物质时时刻刻都在发生变化。自人类学会创造和使用工具之后，自然界的变化就更迅速更广泛了。现在我们使用的每样东西，几乎都是从无用或不大有用的原始状态，转变成外观完全不同又颇为有用的的状态。桌子是用木材做的；茶杯是用瓷土烧制的；纸张是用竹、木、麻、草造的……
自然界中物质所发生的种种变化，在化学家眼里，可以分成两类。一类是在变化时，物质的组成、性质、特征都改变的，称为化学变化。例如，绿叶变黄；氧和氢化合成水；铁生锈；铜在硝酸中溶解；汽油在汽车发动机内燃烧；由铁矿石炼铁；氨分解为氢和氮等。另一类是在变化中不产生新的物质，仅仅改变它的物理性质的，称为物理变化。例如空气中的水蒸发结成雨、雪、冰雹；海水结晶出食盐；将木材变成家具；铁熔化等。
每个化学变化都产生一种（或一种以上的）新物质，有些是我们需要的，有些是我们不需要的，甚至是有害的。例如，从矿石提炼金属，各种金属可以再加工成金属制品；从原油裂解得到各种烯烃有机物，再通过各种化学反应，可以制成塑料、合成纤维、药物和合成橡胶等成千上万种化学制品，极大地丰富了我们的生活。
但是，每一次化学变化带来的副作用，也是令人担忧的，特别是人们关心的环境污染。譬如，煤的燃烧产生二氧化碳、二氧化硫，汽油的燃烧产生一氧化碳、氮氧化合物，进入大气。
还有农药的残留物，肥料流失到江河，家庭垃圾，工业的废弃物等堆积如山。由此可见，人类在应用化学变化为自己造福的同时，隐藏着祸害的根源。不过，化学的研究可以更多更有效地控制化学变化，多产生有利于人类的财富，减少有害的副产物或废物。
人类赖以生存的物质——空气
地球上的生物，要靠看不见的空气生活。那么，空气是什么呢空气中的主要成分是氧气和氮气。氧气占空气的体积约21％，氮气约占78%，还有少量氩气、二气化碳、氪、氖、氦、水汽、臭氧等。空气是一种弥漫在地球周围的混合气体，它对人类的生命活动有着密切关系。
例如，空气中二氧化碳增加，会使地球表面的气温升高，出现“温室效应”，造成气候反常等影响。据科学家预测，到公元2030年，如果地球气温比现在高4.5℃，这将使南极的冰层融化，引起海平面上升，最终导致全球性洪水泛滥，后果不堪设想。因此，科学家正在研究预防的办法。
科学研究已经证实，现代空气污染的主要原因是工业生产中释放的大量废气。由于煤和石油等燃料的大量消耗，空气中二氧化硫、悬浮颗粒物、氮氧化物、一氧化碳等有毒有害杂质含量增加，就会给人类带来灾难性的危害。1952年12月伦敦烟雾事件，四天中死亡人数比常年同期约多4000人。事件发生的一星期内，支气管炎、冠心病、肺结核和心脏衰弱病患者的死亡人数分别为事件前一周同类死亡人数的9.3倍、2.4倍、5.5倍和2.8倍。肺炎、肺癌、流感及其他呼吸道疾病患者的死亡率都成倍增加。
空气中的氧气是人类赖以生存的重要物质之一。人类应该使空气保持清、纯净、新鲜，只有清新的气氛中才能愉快地工作、学习和生活。
化学界的“骡子”——液晶
有一种新型电子计算器，它有许多本领，既可以用来计算，又能显示日历和时间，若要它定时报信，它又有准时发出“嘟——嘟——”的声音。这许多功能都在一块小小的屏幕上映现出来。这块屏幕，就是用崭新的显示材料——液晶做成的。
液晶是什么，又是怎样被发现的呢？
1888年，澳大利亚有位叫莱尼茨尔的科学家，合成了一种奇怪的有机化合物，它有两个熔点。把固态晶体加热到145℃时，便熔成液体，只不过是浑浊的，而一切纯净物质熔化时却是透明的。如果继续加热到175℃时，它似乎再次熔化，变成清澈透明的液体。后来，德国物理学家列曼把处于“中间地带”的浑浊液体，叫做液晶。它好比是既不像马，又不像驴的骡子，所以有人称它为有机界的“骡子”。液晶自被发现后，人们并不知道它有什么用途，直到1968年，人们才把它作为电子工业上的重要材料。
电子表或者计算器中的液晶为什么会显示出数字呢？原来，液晶在正常情况下，它的分子排列很有秩序，是清澈透明的。但是，加上直流电场以后，分子的排列被打乱了，有一部分液晶变得不透明颜色变深，因而能显示数字和图像。
根据液晶会变色的特点，人们便用它来指示温度、报警毒气等。例如，液晶能随着温度的变化，使颜色从红变绿、蓝。这样可以指示出某个实验中的温度。液晶遇上氯化氢、氢氰酸之类的有毒气体，也会变色。在化工厂里，人们把液晶片挂在墙上，一旦有微量毒气逸出，液晶变色了，就提醒人们赶紧去查漏、堵漏。
最理想的燃料
汽车、飞机等现代交通工具都用汽油作动力燃料，可是汽油在内燃机里并不能完全燃烧，而且燃烧之后产生的有害废气又严重地污染大气。科学家经过长期研究，认为氢才是一种最理想的燃料。
水是氢的“仓库”，用电解的方法，可以把水中的氢和氧分离出来。如果把氢和氧重新混合燃烧，就会产生3000℃的高温。燃烧后生成的水对人类也不会产生污染，所以氢是最清洁的燃料。
氢又是热效率最高的燃料。同汽油相比，重量相等的氢在燃烧后产生的能量多，氢气在空气中燃烧的速度比汽油要快十倍以上。
以氢气作为燃料的最大困难是它不易贮存。氢在零下259℃以下才能变成固体。液态氢必须保存在零下253℃低温中，稍微提高一点温度，就会沸腾，到零下239.9℃，液态氢极易挥发和气化。科学家已经想出了不少贮存的办法，但要把它变成汽车和飞机的燃料，仍有不少困难。
科学家还在考虑另一种比普通氢更好的燃料，它是氢的孪生兄弟——重氢，学名叫氘。从水中电解出来的氢有万分之二是氘。每50吨水可电解产生5吨氢，其中有1公斤是氘，它在发生核反应时，能产生1.8亿千瓦的能量，相当于10公斤铀或2万吨煤所产生的能量。假如人工能够控制氘的核反应，那么氘便是取之不尽用之不竭的永久能源。
化肥之源
氮是肥料三要素（氮、磷、钾）中首要一员，庄稼离不开氮。空气中虽有约五分之四的氮气，可惜不能直接被植物当作氧料吸收。
100多年前，化学家就设想把空气中的氮变成肥料。直到1908年，德国化学家哈柏才找到了用氮气和氢气直接化合生成氨的方法，也就是现在合成氨工业中的“哈柏法”。这种方法必须在高温高压下，才能把氮气和氢气经过催化而合成氨。
后来，人们从豆科植物的根瘤菌中得到启示，试图找到一种化合物，让氮气在常温常压的条件下，轻而易举地变成氮肥供植物吸收。
十多年前，我国科学家卢嘉锡在研究固氮酶固氮活性中心的结构模型方面取得成就。根据卢嘉锡教授的理论模型合成出的化合物，具有将氮气合成氨的能力，这项成果使我国在化学模拟生物固氮的研究上，达到了世界先进水平。
为什么豆科植物的根瘤菌能把氮气变成氮肥呢？十多年前，科学家从固氮微生物体内分离出固氮酶，对固氮酶的两种蛋白质——钼铁蛋白和铁蛋白进行了研究，才弄清了“庐山真面目”：只有这两种蛋白同时存在，固氮酶才有固氮能力。于是，科学家向固氮微生物学习，研究固氮酶的活性中心模型，以便让“模型物”像固氮菌一样，能够在常温常压下，把氮气源源不断地制造成氨。
生物固氮已成为“热门”课题。科学家们一方面要制造出一种能够在温和条件下合成氨的化合物，另一方面又想使其他植物像豆科植物那样自身具备固氮的能力。日本科学家发现了一种具有固氮能力的野生水稻，再用其他固氮遗传基因植入野生水稻，使其因固氮能力一下子提高三倍。
硫在橡胶中的作用
现代生产、军事工业和日常生活中有不可缺少的橡胶，在150多年前，人们还不能制造，只知道从橡胶树中获得生胶，它热天十分柔软，到了冬天却橡木板那样硬。把生胶涂在布上，做成胶布雨衣，也只能在温暖的季节里才能使用。
1838年，美国人古德伊尔发现，如果把生胶和少量的硫黄一起加热，得到的产品比普通生胶要好得多，无论是冬天还是夏天，都能保持柔软而不粘。这样处理过的橡胶叫做硫化橡胶。
现在我们穿的雨鞋，用的自行车胎，戴的橡皮手套等像胶制品，几乎都是经过硫化处理的。
如果加入的硫黄相当多，就会成为硬橡皮。
为什么硫黄会使橡胶变得“驯服”了呢？原来，橡胶分子里的碳原子，像一根碳链条那样，一个接连着一个，这些碳原子又拉住了两个氢原子。这些分子连起来，像一条长长的线，叫做线型结构。如果这种像胶分子里混入硫黄，并加热，硫黄能够巧妙地在线型分子链之间架起桥梁，把线型结构的线型分子变成网状结构，使得橡胶的强度成倍的提高。
不过，从生胶加工成橡胶制品，要经过配料、塑炼、混炼、压延、压出、硫化等12道工序。
如果加工成轮胎，在成型和硫化两个工序上，同其他的橡胶制品生产工艺又有较大的不同。
另外，在配料时，除了要加硫黄外，还需要氧化镁、硫化促进剂、防老剂、补强剂、软化剂和着色剂等，这就像盖楼房，不仅需要砖瓦沙石，还需要钢筋、水泥一样。加了这许多化学药品，再经过加热，橡胶的弹性、强度、耐磨性都有了显著地提高，做成了胶鞋、暖水袋、胶布、雨衣、轮胎等橡胶制品，才富有光泽，经久耐用。
银的特征
古时候，人们就知道用银确定盛牛奶等食物，可以保存较长的时间不变质。因为银子也会“溶解”于水，当食物同银碗接触以后，食物中的水就会使极微量的银变成银离子。银离子的杀菌能力相当强，每升水中只要有一千亿分之二克的银离子，就足以叫细菌一命呜呼了。
银离子的杀菌功能，还可以用在消毒和外科救护方面。古埃及人就已经知道，用银片覆盖伤口有疗效。后来又有人用“银纱布”来包扎伤口，治疗皮肤创伤和难治的溃疡，有时会收到很好的效果。现代医学中，医生常用1％的硝酸银溶液滴入新生儿的眼睛里，以防治新生儿眼病。驰名中外的中医针灸，最早使用的就是小小的银针。
银的化学性质很稳定，不会与氧气直接化合。银器表面发黑，一般是遇到了硫化氢，生成黑色的硫化银的缘故。古银器长期与空气接触，在空气中极微量的臭氧作用下，也会失去光泽。
银还有许多用处，它作为良好导体可以制作导线；电镀、制镜、摄影等行业也十分需要它。
“天外来客”——陨石
在黑夜的天空，常常可以看到转瞬即逝的流星。这是太阳系中的星际物质——流星体，它一旦同地球接近，就会飞快地闯入大气层，在空中燃烧发光，直到变成气体和极微细的粉未。
一些大的流星体，在空中来不及烧光，落到地面，这就是陨石。
据科学家分析，这些天上掉下来的物质所含的元素，各不相同，一般有三类：一类是铁陨石，差不多全部是由铁、镍等元素组成，其中铁占90％左右，还有8.5％左右的镍及微量元素，这类陨石占已找到的陨石总数的6％。第二类是石陨石，它的主要成分是硅、镁及大量的铁、铝等。它在陨石中占的比例很大，有92％。第三类是石铁陨石，其中铁、镍和硅酸盐的各占一半，这类陨石占已找到的陨石总数的2％。
这些天上掉下来的石头，同地球上的矿石差不多。陨石里含有最多的元素是铁、镍、硫、镁、硅、钴、钙、氧等，全都是地球上原来就有的东西。
研究陨石的化学成分、来源和性质，能够帮助人们进一步认识宇宙空间的变化和活动，对宇宙飞行和其他空间技术开发有重大意义。
能测知年代的同位素