化学的分支

化学的范围如此广，如若不设置某种框架，那么我对它的介绍以及这门学科本身就会像一头没有脊椎的鲸鱼一样没有方向地翻来滚去。化学家们摸索到了一种框架，便于他们开展研究工作，组建志趣相投的团体，还可以像独自制定政策、发展经济的国家那样制定他们的程序。有别于大多数国家，这里的边界是模糊的，通常在两个领域的重叠处会取得惊人的进展。尤其是当学科像目前的化学一样成熟，每个活动领域都被仔细探索过时，灵感可能会如同在艺术领域内一样，出现在肥沃的重叠边界上以及化学与其他学科重叠的前沿领域中，从而取得丰硕的成果。

为了我们的目的，即在本书中了解化学的总体结构，我们需要了解化学的不同分支并大致了解它们所关注的问题。化学的这些分支仍遍布于大学的科系、课程，以及报道新发现的期刊中，所以对它们的介绍仍是化学入门手册的重要组成部分。但请留意：不管是智识的还是科系的，边界正在消解。

化学最广泛、最重要、最传统的，如今仍被广泛使用的分类方法是分为物理化学、有机化学和无机化学三个分支。

物理化学处于物理学和化学的交界处（它的名字由此而来），它研究化学原理，就像我们之前提到的，它主要包括解释原子、分子结构的量子力学和评估能量的作用、利用的热力学。它还关注宏观和微观层面上反应发生的速率。在后一研究中，物理化学追踪单个分子在反应过程中分开、随后重组成不同化学物质的亲密生活。物理化学的一项主要活动就是解释研究方法，尤其是“光谱学”。

我们将在第五章中了解到，光谱学使用各种光将分子内部的信息呈现到观测者眼中，越来越多的是合成眼中。为了解释由这些极其复杂的方法获得的数据，物理化学家必须拿出他们的所有法宝，尤其是量子力学。事实上，在这一领域内，化学家和物理学家的工作没有明确的界限，以至于对某些使用接近物理学家的方式研究单个分子行为的科学家而言，物理化学这一名称常被称为化学物理学。

有机化学是有关碳化合物的化学。一个元素可支配一整个化学分支的事实证实了，看似普通的碳却本领非凡。元素周期表是化学家使用的有关元素化学性质的图表，碳处于元素周期表的中间点，在很大程度上，它并不会选择与其他元素形成化学联系。值得一提的是，它满足于与自身结合。鉴于碳这一不温不火的特性，它可以形成复杂得令人惊叹的链与环。有机体之所以具有生命，正是因为有了这令人惊叹的复杂性，所以碳化合物是生命的结构与反应方面的基础设施。如今数百万的碳化合物涉及极其广泛的领域，以至于不出意料地，为了能对它们进行研究而发展出了一整个化学分支，并发展出了特殊的研究方法、命名法体系以及看法。

为什么被称为“有机”？这是因为碳元素造就了分子的复杂性（除了几个例外，比如简单的二氧化碳分子），以至于我们起初认为只有大自然才能形成它们。换而言之，依据“活力论者”的观点，它们是有机体的产物。活力论的终结起始于1828年，当时有研究证实，一种简单的无机矿物可转化为具有“有机”特征的化合物（即尿素）。即便争论激烈地持续了一段时间，但从那时起，有机化学中的“有机”就成了一个古语；然而方便的古语难以替代，于是这个词语存留下来，但现在仅用于表示“碳的化合物”。

除了碳元素外，还有百余种其他元素。对它们的研究属于无机化学的范畴。可以想到，作为一个涵括一百多种特性截然不同的元素的学科分支，无机化学是一个重要且庞杂的研究领域。通过对该学科进行各种细分，可以在某种程度上约束它的杂乱性。一个重要的分支就是固体化学，其研究对象为无机固体，例如超导材料与使计算普及成为可能的半导体材料。很难不把无机化学类比于由百余件乐器组成的管弦乐团，担任指挥兼作曲家的化学家适当地排布乐器，从而演奏出以不同方式组合而成的交响乐。

碳也没能逃过无机化学家那双元素周期表扫描眼。一些较简单的碳化合物，像是我之前提到过的二氧化碳，以及致命的毒气一氧化碳、构成景观的白垩和石灰石，有机化学家对它们并不感兴趣，乐意将它们排除在研究范围之外，它们按照惯例被归为无机物。然而，就在这两个分支交汇之处，有一种化合物既是碳原子的复杂集合体，又含有各种金属原子。很多此类化合物是化学工业中重要的催化剂；还有一些对有机体的机能起到了重要作用。这就是金属有机化学这一跨学科领域，它是有机化学家与无机化学家之间卓有成效之合作的成果的最佳体现。