视觉之旅：奇妙的化学反应（彩色典藏版）

视觉之旅.奇妙的化学反应：彩色典藏版

（美）西奥多·格雷（Theodore Gray）　著

（美）尼克·曼（Nick Mann）　摄

陈晟　孙慧敏　宫珏　译

丁雪　刘子宁　审校

人民邮电出版社

北京

图书在版编目（CIP）数据

视觉之旅.奇妙的化学反应：彩色典藏版/（美）西奥多·格雷（Theodore Gray）著；（美）尼克·曼（Nick Mann）摄；陈晟，孙慧敏，宫珏译.--北京：人民邮电出版社，2019.5

ISBN　978-7-115-50654-2

Ⅰ.①视…　Ⅱ.①西…②尼…③陈…④孙…⑤宫…　Ⅲ.①化学反应—普及读物　Ⅳ.①0643.19-49

中国版本图书馆CIP数据核字（2019）第019508号

版权声明

Copyright © 2017 Theodore Gray

Originally published in English by Black Dog & Leventhal Publishers，Inc.

Simplified Chinese edition copyright © 2019 POSTS & TELE COM PRESS Co.，LTD All rights reserved.

定价：69.80元

读者服务热线：(010)81055410　印装质量热线：(010)81055316

反盗版热线：(010)81055315

广告经营许可证：京东工商广登字20170147号

内容提要

作为大家期盼已久的西奥多·格雷的“化学三部曲”的第三本书，《视觉之旅：奇妙的化学反应》（彩色典藏版）艺术性地探索了分子之间是如何互相作用，发生化学反应，从而塑造了我们的世界，并让它变得生机勃勃的。

西奥多·格雷从《视觉之旅：神奇的化学元素》和《视觉之旅：化学世界的分子奥秘》开始，并在《视觉之旅：奇妙的化学反应》中，完成了对化学世界的探索之旅。在《视觉之旅：神奇的化学元素》之中，格雷先生给读者呈现了周期表中的118种元素，那是一幅你从未见过的、引人入胜的画卷。他向我们展示了元素如何连接起来，形成组成我们这个世界的各种物质—从食盐到肥皂等各种我们身边的东西，图书设计得五彩斑斓、精彩纷呈。接着，我们读到了《视觉之旅：化学世界的分子奥秘》，格雷和摄影师尼克·曼精心安排了惊艳的照片，格雷用他那广受欢迎的讲故事的方式，阐释了分子之间是如何相互作用的，我们这个世界的本质又是什么。

本书是格雷的“化学三部曲”的收官之作，也是这些年来格雷用他那独特而愉快的方式给我们讲述化学的终章。本书集化学背后的故事与震撼的图片于一体，先简要回顾了元素和分子的基本概念，然后解释了与他所钟爱的化学反应类型相关的基本概念，如能量、熵和时间。在本书中，我们可以看到颜色和火焰中的化学反应，还可以看到我们身边、厨房、实验室以及工厂中的一些化学反应。

本书适合任何想要领略物质世界奥秘的人士阅读。

译者序

很荣幸，再次参与了格雷先生著作的翻译。实际上，这本书属于他的“化学三部曲”，其中上一部《视觉之旅：化学世界的分子奥秘》也是由翻译本书的原班人马翻译的，有幸得到了读者的肯定，并获得了“第八届吴大猷科学普及著作奖翻译类佳作奖”，我们总算没有辜负格雷先生的厚望和编辑的辛勤努力。

本书作为《视觉之旅：神奇的化学元素》《视觉之旅：化学世界的分子奥秘》的后续作品，也算是“化学三部曲”的收官之作。如果说《视觉之旅：神奇的化学元素》讲的是这个美丽世界是由什么东西组成的，《视觉之旅：化学世界的分子奥秘》说的就是这些东西是“如何组成”这个美丽世界的，而本书更进一步指出了“世界为什么会这样组成”，告诉我们在五彩缤纷的表象背后默默主宰一切的逻辑是什么。

本书的读者对象包括在校学生和化学爱好者，甚至对于专业的化学人士而言，翻阅本书也是有所裨益的，你往往能在不经意间发现一些惊喜。比如，对于“爆炸”问题，中学、大学的教科书里的解释都会强调“物质在有限的、密闭的空间内剧烈燃烧并放出大量气体”，但本书用一个生动的例子纠正了这个误解：哪怕是在开放空间内，爆炸依然能够发生，问题的关键不在于产生了多少气体，而在于反应的速度——这一点，连我们都没有想到。对于从事中学化学教育、科学教育、青少年STEM（科学、技术、工程、数学）教育的老师而言，本书也是一本非常好用的参考书、一个实用的案例库。

因此，我们热忱地向读者推荐本书。尽管大多数人在高中之后就不会再学习化学课程，但这并不妨碍他们阅读、理解本书的内容，因为格雷先生的作品总是深入浅出，用丰富的例子解释抽象的概念。看过本书，再回头看看周围的世界，相信你会有完全不同的认识，就像《黑客帝国》中的尼奥一下子认清了世界的本源。

本书由陈晟（化学博士、西华大学讲师）、孙慧敏（果壳网科学编辑）和宫珏（果壳网科学编辑、公众号@酷炫科学的运营者）翻译，由丁雪（化学博士、新药开发工程师）和刘子宁（化学博士、新药开发工程师）审校，人民邮电出版社的韦毅编辑负责全书的策划和有关编辑工作。希望我们的努力能够得到各位读者的认可。翻译上难免会有疏漏，全体译者诚恳接受各位的批评指正，若有任何问题，请发送邮件至liupeng@ptpress.com.cn。

再次感谢读者能选择本书，并感谢格雷先生为我们提供了如此优秀的作品。

陈晟

2018年11月22日，于成都红光镇

作者序

几年前，我曾经在位于合肥的中国科学技术大学做过一个讲座。在讲座后的提问环节，一个学生向我展示了一本翻得很旧的书，那正是我写的《视觉之旅：神奇的化学元素》。他告诉我，他之所以决定报考这所大学并攻读化学专业，就是因为他在小时候看过这本书。不消说，对于一个作者而言，最大的成就感莫过于听到自己的书给别人带来了积极的影响。在地球的另一边，我的书曾改变了一个年轻人的人生轨迹，这是我永远难忘的事情。

这件事还让我意识到，《视觉之旅：神奇的化学元素》这本书已经出版很久了，我必须尽快完成我在十年前就制订的计划—写完这套“化学三部曲”。看第一本书的孩子，如今都长大成人了。对我而言，这个旅程的终点就是《视觉之旅：奇妙的化学反应》的出版。在它之前，则是《视觉之旅：化学世界的分子奥秘》一书。而现在你手里拿着的这本书，就是这个三部曲旅程在中国的目的地。

我之前曾来过中国，但真正和中国建立联系则是在《视觉之旅：神奇的化学元素》一书中文版出版之后。近年来，我每次来中国待的时间越来越长。在我的家乡，年复一年，似乎没有什么明显的变化。但我在每隔一两个月之后再次访问北京时，总会发现又出现了一些新的东西。

中国是这个地球上最有活力、变化最大、改变最快的地方。因此，《视觉之旅：奇妙的化学反应》这本书能在中国面世，也是非常令人激动的事情。我之前的两本书讨论的是静态的事物。对于元素，总体来说，它们是永恒不变的，无论把它们连接成什么样的临时性结构，它们都会一直待在那儿。

然而，化学反应恰好相反。正如中国一样，它们充满活力、日新月异而不故步自封，总是努力奔向未来。我希望我的这本关于令人激动的化学世界的书能够在它天然的故乡—中国找到更多的知音。我也深深地感谢我的出版商、编辑和译者们，感谢他们让这本书呈现在中国读者面前。

西奥多·格雷

引言

2008年，我开始动笔写作《视觉之旅：神奇的化学元素》时就想过要创作“化学三部曲”：《视觉之旅：神奇的化学元素》《视觉之旅：化学世界的分子奥秘》《视觉之旅：奇妙的化学反应》（编辑注：前两本书已经由人民邮电出版社出版）。这3本书放在一起，就是一部通往化学世界的指南。你可以从元素开始认识世界，因为万物都是由元素组成的。然后，你把元素拼在一起，就形成了分子。再然后，你把这些分子送进一个纳米尺度的“搏击俱乐部”里进行反应。从写第一本书到现在算起来都有10年了……10年啊！不过，现在这套“化学三部曲”总算要完成了。在完成本书的日子里，在将这些文字付诸笔端的生活之中，我感觉自己被转化成了许许多多个分子，那些我们在书里正在讨论的分子。我的孩子们都已长大，我的头发也日渐稀少。但这是值得的！我希望你们看到这3本书时能和我一样感到愉快。

编辑提示：本书中提及的实验都伴有不同程度的危险，可能给自己和他人带来人身伤害。非专业人士请勿模仿！！！

1　化学是魔法

敬畏自然很重要，但不被世间的能量和力量所迷惑也同样重要，因此我们要学会如何去理解它们、控制它们。

把两块强磁铁彼此推挤在一起，感受它们之间那种虽不可见却又彼此排斥的力量吧。如果手边有的话，现在就去尝试吧。当你遇到了某个神奇的机会，同时握住两块磁铁就会和握住单独的一块磁铁完全不同。当你感觉世界充满神奇并为事物为何这样而感动的时候就回过头来思考一下。

请注意以下事实：磁铁只不过是普通的小东西，我们知道磁性是怎样作用的以及怎么制造磁铁。天然磁铁是来自另一个世界的物体，比如月球的岩石或其他星球的碎片。它们造访了人类世界，给我们带来了它们故乡的力量和知识。

不过，它们的家可不是另一个星球，而是另一个尺度。在非常小的微观世界里，原住民就是量子化的力量，它可以控制自然界中的物质和力量。

量子化的磁力存在于世间万物之中，也存在于古往今来的任何时间尺度上。不过，通常它们的作用方向不同，彼此抵消了，隐藏在我们的视野之外。但是，当我们创造出了一块强磁铁时，我们就把大量单独的量子化的力量聚拢在同一个方向上，从而把这种令人惊讶的力量带到了我们的世界里，这就是为什么我们会感觉磁铁在把我们的手推开或拉近。

而量子所处的这个微观世界同样也是化学的地盘。我们点燃一把火，或者一片树叶变黄了，这些都是大量（多得超乎你的想象）的原子共同作用而创造出的在人类世界的尺度上能够看得到的效应。

在这一章里，我们就要探索这个世界。

来，看看荧光棒吧！当你弄碎荧光棒中的一颗小胶囊之后，两种溶液混合在一起，突然整个荧光棒就开始发光了！这怎么可能呢？虽然在每个便利店都能买到这种东西，它比一瓶水还便宜，但我猜，你也曾经为这种东西的神奇感到惊讶。

光是从哪里来的呢？

光是由数量惊人的光子所组成的，光子携带着能量，以光速飞行。制造光子有许多种方法，而荧光棒里发生的事是其中最复杂的方法：每一个光子都是由一个一次性的化学机器亲手打造出来的。

我们从零开始设计和制造了这些机器，所以我们当然知道它们是怎样工作的，我也可以解释给你听。（如果你发现我的解释里有很多自己不熟悉的词语的话，不必担心，我将在本书稍后的部分再解释它们。）

想要通过化学机制产生光线，你需要一种能够吸收、释放光子的分子，这种光子的能量范围还必须在可见光的范围之内（若能量太低，光子则变成了不可见的红外线；若能量太高，则产生不可见的紫外线）。

在这个反应中，染料分子可以无限次反复使用，但其他的分子只能使用一次，这是因为它们的结构被破坏，提供了制造光子所需的能量。这台精密的化学机器的工作，就仅仅是为了产生一个单独的光子。如果还需要产生其他的光，就必须使用另一套分子。

在1秒内，一根普通的荧光棒可以激活和破坏掉10000000000000000台这样的化学机器，来产生我们看到的光。

这真的是魔法吗

这一章的标题是“化学是魔法”，但我只告诉了你一个特定的化学魔法是怎么发生的。难道因此就不能把它叫作魔法吗？

我喜欢用“魔法”这个词来形容化学，就像形容魔术舞台上的表演那样。魔术之所以被称为魔术，就是因为你不知道它的秘密在哪里时，它所展现出来的看起来都是超自然现象。有些人喜欢这种未知的神秘感，但我总是觉得，搞清楚这个把戏比观看表演更能让自己满足。与一次表演呈现的效果相比，表演所需的智慧和技巧更有趣。

古代的巫师和今天的专业魔术师们小心谨慎地保护着他们的秘密，因为这是商业上必须考虑的事情。如果每个人都知道他们的把戏是怎么回事，那么他们的饭碗也就丢了。科学则恰恰相反。当科学家们发现了一个特别巧妙的把戏，比如一件看似不可能的事情突然变成了现实，他们就想向全世界宣告此事。

而我（绝对是站在科学阵营里的）迫不及待地想要告诉你身边发生的所有那些巧妙而无形的化学魔法的秘密，但这并不会降低它们的神奇程度。这只是意味着，你有机会给别人讲讲这些把戏是怎么变出来的。比如，下次看到某人在挥舞荧光棒时，你就可以告诉他们，棒子里的这些微小的化学机器正在制造光子，而且每次仅制造一个。

任何足够先进的技术，看起来都很像魔法。

——亚瑟·克拉克

100年前的机器的工作原理都是很容易理解的，它们所有的活动部件都在运动，你也可以将其拆分成几部分。这些机器很神奇，但你可以很容易地看出它们并不是魔法。

但是，假设你把一部手机拿给一个从蒸汽时代穿越过来的人看，他肯定会觉得自己看到了魔法，对不对？

即便在今天，你也依然看不到那些让手机看起来像魔法的东西是如何工作的。它们的运行机制中的每一部分都是不可见的。如果你把一部手机拆散，你所看到的不过就是一个嵌着各种金属元件的小塑料板而已。把芯片单独拿出来看，也是看不出它里头有什么有趣的东西的。所有这些有趣的事情发生在比可见光的波长还要小的电路之中。

那些部件小到肉眼看不见的“魔法般的机器”，是现代发明的产物；化学也一直是以这种方式进行的，它的反应机制从来都是完全不可见的。今天，化学只是看起来像魔法，但我们知道它实际上并不是。在远古时代，没有一个人知道它是如何运作的，这就给神秘学的胡闹和严肃科学的研究都留下了许多空间。

在这台漂亮的老式机器里，每一个部件都是看得到的。只要仔细看看，你就可以清楚地看出它是怎么工作的。

一部手机。从它的外部来看，你很难说出它的各个部分是怎么工作的，就算你把它拆了，依然说不清楚。

莎士比亚戏剧《麦克白》中的3位女巫，丹尼尔·戈登作。

巫婆捣鼓的这些药水，在现代有一个相当商业化的例子，那就是所谓的“顺势疗法药物”。生产商列举出了一大堆奇怪的成分，但实际上“药物”里根本不含有这些东西（这在美国是合法的，因为一条愚蠢的法律准许这类特殊的产品撒谎）。为了“正确”地得到这些成分，制造商不得不将其稀释多次，而且每次稀释时，还得在特定的方向上震动、轻敲一定的次数。这些全都是瞎扯。如果没有这么多的人被敲竹杠，损失不是如此之大的话，这件事听起来倒还是蛮有趣的。

远古时代的魔法大部分是化学反应

一些人将古代的“神秘知识”小题大做，将其视为打开巨大力量的钥匙，认为它们已经失落在现代世界的快餐和愚蠢的电视节目之中了。而事实是：以现代人的眼光来看，这些神秘的知识要么非常简单，要么明显就是错误的。从一份报纸的周末版上获得的有意思的信息都比从那些古老的神秘之书里获得的还要多。

有趣的是，我发现远古时期许多被认为是魔法和神秘学知识的东西中，有很多其实就是化学，或者至少是化学上的尝试。所有古代魔法的工作原理实际上也都是化学。确切地说，没有一个符咒或者咒语真的在发挥作用，但有一些药剂真的会起作用。

起作用的那部分药剂就逐渐演变成了现代化学，而没有起作用的那部分则继续待在江湖郎中兜售的“保健药品”、顺势疗法和各种“逆生长”的化妆品里，而且至今依然很流行。

蝾螈的眼睛，青蛙的脚趾，蝙蝠的毛发，狗的舌头，蝮蛇的叉状舌头，盲蠕虫的刺，蜥蜴的脚，再加上枭的翅膀，（这副药剂）拥有强大的魔力，就像地狱中的汤锅在翻腾。

——威廉姆·莎士比亚

这并不复杂，把一大堆听起来很奇特的东西混在一起煮一会儿，并照着咒语书念上几句咒语，然后就可以期待它们变成一锅强有力的药剂了。然而，无论它们闻起来有多臭，也不管你曾多么专业地吩咐黑暗之力把它们变得为你所用，用蝾螈之眼制造的药剂就是没有用。

幸运的是，并不是每个古人都抱着这种一厢情愿的想法来制造药剂。他们中的一些人明白，自然是非常挑剔的，它根本不关心你的请求是怎样的。这些人知道，如果要想获得有功效的药剂，他们就必须发奋努力来研究这个世界，一旦有了幸运的发现，就锲而不舍地深入研究，努力尝试各种各样的方法，直到某个组合能够带给他们一些有趣的结果。换句话说，在“科学”这个词还没发明之前，这些人就已经算是科学家了。

黑火药的成分：木炭（黑色）、硝石（白色）和硫黄（黄色）。

如果你随意挑选3种粉末并将它们混在一起，结果不会有任何特殊的事情发生。然而，如果你选择的是3种特定的粉末，比如上图中这些白色的、黑色的和黄色的粉末，然后以适当的比例将它们混合起来，你就得到了一种有魔力的物质。结果就是它会按照你的旨意征服你的敌人，或者用地狱的烈火将他们吞没，或者把他们炸上西天。

换句话说，这些就是火药的成分。

火药，就像魔法药剂，而它也确实是有魔力的药剂。它能做出令人惊讶的事情，并能在这个世界上释放出巨大的能量。不过，和魔法药剂不同的是，在混合这3种成分时，你不需要念诵任何傻兮兮的咒语，只要按照正确的方法去混合，它每次就都能奏效。

关键在于，我们通常不会把火药叫作“魔法”，主要是因为它真的能够发挥作用。也因如此，新的发明产生了，比如烟花和枪炮。这和巫师们捣鼓的“魔药”是不同的，因为无论对古代还是现代的巫师们来说，“魔药”都是个死胡同。接下来，我们会了解到火药是如何通过一种奇妙的方式组合起来的（参见第134页），以及它更好的替代品是什么（参见第148页）。最后，在第193页，我们将了解火药是如何发挥作用的，其中的化学反应到底是什么。

混合完毕的火药

使用火药的时刻

有时候，人们会取笑古代的炼金术士，因为他们痴迷于尝试那些我们知道根本不可能成功的事情，比如把铅转化为黄金，或者寻找长生不老药。不过，这种责备是不公平的，因为那时人们没有搞清楚炼金术士和那个时代的神秘主义者、骗子的区别。

炼金术士们努力工作，以识别和理解那些有魔力的物质（也就是我们说的化合物），把它们拿来做实验，混合在一起，慢慢地朝着他们的目标前进。在揭开化学变化本质的征途上，他们还有很长的路要走，包括去理解“不会变化的元素”的概念（他们对此非常有兴趣，因为他们想找到一个特例，能够让他们用便宜的金属制造黄金）。

他们弄错了很多事情，但同样也做对了很多事情。更重要的是，他们的工作是基于实际来开展的。他们坚信，要通过实验来验证他们的想法，这是一个完全现代的、科学的研究模式。他们笃信证据、研究和确证。18世纪，现代化学作为一个坚实的科学门类拔地而起，它实际上就是建立在炼金术的基础之上的。

《炼金术士》，纳维尔·康维斯·韦斯于1937年作。

磷在空气中燃烧

白磷和氧气（来自空气）之间的化学反应，制造出了一个可爱的三维分子，每个分子含有4个磷原子和10个氧原子。

那些会发光的化合物对炼金术士的吸引力是无穷无尽的。当亨尼格·布兰德在1669年发现磷时，他非常确定地断言，这一定就是制造黄金的关键所在。由于这种物质是他从尿液（嗯，尿液的颜色确实很像黄金）中提取出来的，而且它还会在黑暗中发光，他认为这就能够证明，这种物质从它的起源那儿继承了某种有生命的力量。他是对的，白磷的确是一种强有力的物质，只不过白磷并不具有他希望看到的那种力量。

那些喜欢处理有剧毒、易自燃的物质的化学家们，最喜欢当众演示“磷太阳”现象。下图就是我无畏的同事哈尔·索萨博斯基教授正在进行演示，他将一小片白磷悬浮在一瓶纯氧之中。

亨尼格·布兰德是在德国汉堡工作的时候发现磷的。而图中展示的则是270年之后汉堡市的样子。在第二次世界大战中，盟军的空军在此投下了数千枚炸弹，其中不少就是白磷燃烧弹。力量本身并无善恶之分。磷是强有力的元素，是拿它来促进植物生长还是用于夷平一座城市，取决于它的使用者。

白磷有剧毒，只要温度比室温高一点儿，它就会在空气中自发地燃烧起来。当它在皮肤上慢慢熔化时，则会发出一种诡异的光芒。（然而，今天在做这个实验时，需要非常小心地戴上双层手套。）

石松粉是炼金术士们的最爱，它可以被拿来做一场精彩的表演，或者用来向某位国王证明他们确实有控制自然的神奇力量。抓一把这种粉末，把它们扔进蜡烛的火焰里，就能得到一团爆发的火焰，但火光转瞬即逝，完全不会留下任何烟尘的痕迹。

当它被扔到空中时，石松粉的表现几乎就和火药一样，但它实际上只是石松的孢子。它是植物的一部分，而不是几种物质简单混合起来形成的东西。然而，与体积相比，它的表面积大得让人难以置信，使它可以迅速地燃烧，这就让它看起来很像自然界里的化学物质了。

当你看到这种东西的表现时，你就能深切地理解，为什么古人会把它视为真正的魔法了。

“法老之蛇”，正如它的名字那样，是一个古老的炼金术的魔术把戏。不过，它和1821年弗里德里希·维勒在第一次合成硫氰酸汞时的发现有关。这个化学反应用的化合物是硫氰酸汞，这种物质有剧毒（因为它含有汞元素）。现代，给孩子们玩的这个魔术的版本已经安全得多，但和早期的版本同样有趣。

今天，给孩子们玩的“黑蛇”烟花很好地取代了“法老之蛇”，因为其中不含有剧毒的金属物质。市场上销售的烟花，其配方被作为商业秘密而未公开，但主要包括一些可以分解为碳的东西（通常是亚麻籽油）、一些可以燃烧的东西（可能是萘）和刚刚够用的氧化剂（典型的例子就是硝酸钾）。这些物质混合在一起让烟花能够以一个适当的速度燃烧（既不太快也不太慢）。通常，你每次只会点燃其中的一个小球，不过在这里我们点燃了数百个小球，因为这样看起来真的很炫酷。

我还是小孩子时就记得的化学反应

当我还是个小孩子时，我就喜欢上了化学，而原因跟一千年前那些沉迷于炼金术的人非常相似。和一大块黏土、蝾螈之眼不同的是，当你把不同的化合物恰当地混合在一起之后，它们确实能产生一些效果。数百年前，第一批炼金术士通过各种尝试，找到了一些真正有意思的化合物。而当我还是小孩子时，他们的这些经验以及我学习的其他知识就在指导我。这些知识早先时候是从互联网上的百科全书里获取的，后来则是在大学里获取的。

那天，我发现了一个黑火药的配方，其中详细地记载了各种成分的百分比，这让我十分激动。我清楚地记得那一天，有如昨日一样清楚。我从高高的书架上拿下了“火”字头的书来，翻动书页，离那个配方越来越近……终于，我看到了它，如此朴实无华：75%的硝酸钾、15%的木炭以及10%的硫黄。

这些成分的比例，实际上是相当灵活的。历史上，各个版本的火药差别相当大，配方里有上下10%的变化幅度。不同的配方比例，能够实现不同的燃烧速度，以应对不同的用途。比如，火箭发动机里的火药需要能够燃烧一小段时间；而子弹里的火药则要求在千分之一秒的时间里燃烧成气体。关于更多有关火药燃烧速度的知识，参见本书第193页。

为什么中国人能在尚未理解火药的作用原理的情况下就早已发明了火药呢？答案无疑就是这种配方上的灵活性。你并不需要把所有的东西都按照恰当的比例混合，就能看到一些有趣的东西了。实际上，你所需要的只是硝酸钾，把它加到任何可燃的物质甚至是普通的白纸中，都可以使这种物质燃烧得更充分。如果你对这个世界有足够的注意力，很显然，这个迹象就意味着硝酸钾有进一步研究的价值。你不用很费劲就能想到把硝酸钾加到其他可燃的东西（比如木炭、硫黄）中，或者把硝酸钾同时和这两种物质混合。此后，要做的只是一个系统性测试，以找到最佳的混合比例。（编者注：下图中最左侧的物质为高分子化合物，此处只画出了其中一部分结构单元。）

揭秘：这张图上的纸曾经在硝酸锶溶液（而不是硝酸钾溶液）中浸泡过，这两种物质相当近似。直说吧，这么做只是因为用硝酸锶泡过的纸拍出来的照片比用硝酸钾泡过的纸更有吸引力。不过，它们展示出来的现象基本上是相同的。

制作火药，最艰难的部分就是混合和研磨。在传统的工艺中，如果要制造爆炸用的火药，通常需要使用电动球磨机，把火药研磨上几小时（参见第194页）。在混合的过程中，如果你失误了，它们就真的会爆炸。幸运的是，我只有一个研钵和杵，我也没有足够的耐心把这些火药研磨足够长的时间（所谓幸运是因为原料研磨不充分，就会使得火药的危险性大大降低）。

用我的这种马马虎虎的制造工艺得到的火药更可能产生所谓的“剧烈燃烧”，而不是一场真正的爆炸。这种火药拿来做烟花很合适，拿来做炮弹就太糟糕了。我相信，当人们最初把这些物质混合起来时，他们得到的应该就是类似的东西。它不会爆炸，看起来也没什么用处，但肯定是很有意思的。这种东西牢牢地吸引了他们的注意力，鼓励他们做更多的实验。慢慢地，他们找到了让火药性能变得更好的关键所在，并开发出了能够在火箭和大炮上使用的火药。

在第4章中，我们会看到一个把火药用在烟花商品中的例子；在第6章里，我们会知道它燃烧的速度到底有多快。

这儿本来应该有一张照片，用来呈现我小时候做的那个闪光火药火箭。呃，这里并没有配图，是因为我不想再重新做一个了，它太危险了。我当时的做法（如今绝对不会再重复了）是：把一些效果特别的闪光火药（铝粉和高氯酸钾的混合物）塞进用秸秆制成的厚纸管子里。我记不清是从哪儿得到这个主意的了，但它的确有效。闪光火药被装进一根细细的管子里，因此它并没有“闪光”，而是迅速燃烧，火药产生的力量足以把这个“火箭”发射到离地6～9米的空中。有几次为了让这事更加愚蠢，我还会给这个闪光火箭再挂上一个爆竹。是的，这真的是一件蠢事，而且我当时也知道这是蠢事，不过我敢说，孩子嘛，都是有点儿傻气的。

当我在给这些火箭装填火药时，从没有一枚在我眼前爆炸，但实际上这是非常容易发生的事情。这些年来，我之所以对待化学实验万分小心，其中一个原因就是：当我坐在饭桌边上，看着窗外，想起当年那一瓶打开的闪光火药、管子和钉子，我的胃部就会有一阵不适，我会问我自己：“为什么要把一根钉子反复地插入这根摩擦力够大的管子里，就为了装填闪光火药？”我当时已经明白那很危险。认真地说，有时候孩子们是很笨的，如果你现在正是这样一个和我当年相似的孩子，请记住做实验要小心。你们会变得很聪明，但同时，请确保你不会把自己炸飞。

我喜欢这种物质，它是一种透明的液体。不过，如果你加几滴别的东西进去，一小时之后，虽然它看起来并无变化，但实际上它已经变成了透明的固体。这像个魔法，带给我把东西嵌在其中的巨大乐趣。这就是浇注用的聚酯树脂，在手工制作商店很容易买到。加进去的那几滴东西常被称为“催化剂”，但这个词用在这儿是错误的。确切地说，它是自由基引发剂，能够启动一个链式反应，最终让整个树脂都卷入反应中来。数量庞大的小分子最终彼此连接在一起，形成许多巨大的分子。而这些大分子再彼此以网状交叉连接，让最终的材料又硬又韧。

在我们的日常观察中，一个基本的原则就是：只要看就好了，不要促使被观察的东西发生变化。然而，这种材料就是一个反例。它是一类光固化环氧胶（参见第155页，进一步了解环氧胶的化学性质），你只需要用蓝光或紫外线照上几秒，它就会变成像石头一样坚硬的固体。所以呢，保管时必须把它放在黑暗的地方，它才能保持液态。而当你试图在一个很强的光源下看它的时候，它就会迅速变成固体。幸运的是，光谱的范围很宽，你能够在正常的室内光线下处理这种树脂胶，而不需要关灯。商品化的环氧胶套装常常包括一管环氧胶和一盏蓝光/紫外线LED灯（用来让其固化）。

光固化塑胶已经出现数十年了，但直到最近几年才有可以轻易买到的零售包装。但是，它值得我们等待，即使价格确实很高。

从头开始制造食盐，是我期盼了很多年的事情。现在，我好不容易有了一个机会去实现这个愿望。这是几个能把我吓得魂不附体的实验之一，而且也是由于各种原因，不得不重复制作、拍摄的少数实验之一。

我喜欢它，是因为这是一个基本化学元素之间发生作用的范例。你把氯气（一种元素单质，具有窒息性的剧毒气体）吹到金属钠（一种元素单质，遇水就会爆炸）的表面上，结果就会产生火焰和浓烟，这种浓烟的成分就是常见的食盐（氯化钠，化学式为NaCl）。

在本书中的一些地方，我在绘制化学反应式时，会画出比实际反应多一些的原子和分子。但其下面的文字说明中，通常会精确地表示符合反应物比例的最少的分子数和原子数。比如，两个钠原子会和一个氯气分子发生反应。但我会将其画成10个钠原子与5个氯气分子（含有10个氯原子）发生反应。数字是不一样了，但重要的是，原子个数之间的比例依然是2∶1。我这样做的目的就是为了以一个合适的尺度来展现反应产物，也就是氯化钠的晶体构成。在任何一个真实的化学反应中，都会有数万亿个原子、分子发生反应，但在反应物中原子个数之间的比例是保持不变的。

我第一次做这个实验时，是为了给一盘面条加点儿盐。

这个古老的曲颈瓶（如右图所示）制造于18世纪，是由更古老的蒸馏装置演变而来的。那些炼金术士为了进一步的研究而设计制造了一些仪器装置，这只是其中的一个例子。亨尼格·布兰德就是使用这样的装置发现了磷的存在的（参见第7页）。

这些曲颈瓶的“直系后裔”，就是那些人们在听到“化学实验室”时会联想到的东西。如果你把这样一套装置摆在中世纪的那些炼金术士面前，他们或许会惊讶于玻璃吹制工艺的精湛，但对于这些东西的用途，并不会产生迷惑。他们会认出蒸馏烧瓶、冷凝管和接收瓶。我想，他们最可能会赞叹设计的精巧和制造工艺的让人难以置信的精密程度。若他们知道正是他们最初发明的蒸馏瓶和曲颈瓶才导致了这种魔法一般的物件，他们也会感到骄傲吧！（甚至在今天的玻璃仪器中，还有现代款的曲颈瓶，只是很少用到了。）

这些仪器正是化学专业的学生首次接触经典的化学世界时会遇到的东西。如果说化学也有个“黄金时代”的话，那应该就是在19世纪晚期到20世纪中期了，因为当时大量的科学发现和技术进步都归功于有机合成化学的成果。今天，我们从零开始，几乎可以创造出任意一个你喜欢的、结构在化学上也合理的分子来。这要归功于多少代化学家的工作，是他们创造出了数千个独立的化学反应，这些反应既可以把一种分子转化为另一种小分子，也可以将其转化为一种更复杂的分子。

玻璃曲颈瓶

磨口玻璃T形连接器

布氏漏斗

三颈烧瓶

一个心形的四颈烧瓶（但它已经碎了）

索氏提取器

蛇形冷凝管

直形冷凝管

韦氏分馏柱

一体式蒸馏套件（蒸馏柱+冷凝管）

图中的这位名叫帕西·朱利安（1899-1975），在接下来的一整页里，你可以看到他合成的分子——毒扁豆碱。从头开始合成这种分子，需要很多步骤，他在1935年终于将其合成成功。毒扁豆碱的全合成是如此艰难，又是如此重要。它不仅让朱利安一举成名，而且让他的工业化学家的职业生涯变得既漫长又富有。如果有一所以你的名字来命名的大学，那么这足以说明你在财务上很成功。通常来说，捐钱修建大学的人往往就能够以自己的名字来命名这所大学。

从炼金术到磷的发现，再到朱利安系统地合成毒扁豆碱这种复杂的分子，经历了巨大的飞跃。它的跨度堪比从奥威尔·莱特和韦伯·莱特的自行车店到人类第一次登上月球。

迪堡大学朱利安科学研究中心将朱利安合成毒扁豆碱视为该校的几个最重大的成就之一。无论是在过去还是现在，有机合成都是一项严肃的工作：如果你能够找到一条路线，低成本地合成一种在商业上或医学上有重要意义的分子，你就能改变世界。朱利安发现了毒扁豆碱及其他几种重要分子的合成方法，从而拯救了数百万人的生命，改善了他们的生活。

2003年，我和我的朋友麦克斯·惠特比在位于美国印第安纳州的迪堡大学朱利安科学研究中心里安放了一个供展示的“元素周期表”。来到印第安纳州的这个小镇的游客们，都被这个“元素周期表”吸引。所以，间接地说，麦克斯和我也是朱利安发明的受益者。

另一个吸引游客们的展品，是摆在小镇广场上的本来几乎不可能出现在那里的德国制造的V-1“嗡嗡飞弹”。我不愿意去搞明白，这样一个纳粹制造的恐怖的武器（用于在第二次世界大战期间随机地轰炸平民）是怎样结束其作为武器的生命并被骄傲地摆在印第安纳州郊区的一个小镇的法庭门口的。或许，有太多的可能性。

在迪堡大学展出的这个“元素周期表”里，我们为每一个元素都做了一个立体模型，用来突出地展示其性质和用途。

毒扁豆碱的全合成

所谓全合成的意思，是指朱利安博士通过一系列反应，把目标分子——毒扁豆碱从无到有地搭建出来（在这个例子中，“无”指的是一些结构非常简单的苯酚，这种东西可以从原油中大量提取到）。合成过程的前4步就是制造非那西丁，在此之前这一部分工作已经由其他研究者完成了，朱利安就是从这儿开始的。

我曾参加过一个高级有机化学实验室的课程（该课程能够让很多参加者打消做个化学家的念头）。在课程中，一位老仓库保管员讲述了“过去的好日子”：那时他还不需要考虑诸如“安全性”“不得毒害学生”之类的问题，而这种无拘无束的状态，如今已然是痴心妄想。

他介绍了过去如何让所有学生喝下一大堆化学物质，然后让他们搜集隔夜的尿液，次日上课时，再从这些尿液中蒸馏、提炼出产物。而这些产物就是之前这些学生服下的化学原料经由他们的身体自动合成的。我想，他一定在开玩笑吧！

直到很多年后，我才发现了真相，其实他并没有开玩笑。这种生物合成方法（在活的生物体内进行的化学合成）可以产生马尿酸，在很长时间里真的就是让学生们这么干的。我很想亲自尝试一次，但实际上并没有真正去做，因为那些原料的味道让人非常难以忍受。所以呢，我把下面这本书（出版于1935年）上的有关内容拍摄下来，恭恭敬敬地呈现在这里。

《有机化学实验》，路易斯·费舍尔著，1935年由D.C.Health公司出版。

呃，我为什么要给你说这么多关于有机合成和各种复杂的玻璃实验仪器的事情呢？因为就是在这个课程中，我意识到自己并不想当一名有机化学家。这倒不是因为尿液的事情，而是因为我意识到，我对这些化合物的漂亮的名字与它们的结构之间的明确的逻辑关系的喜爱，要胜过对这些物质本身的喜爱。不要误会，我也很喜欢化学！不过，如果你是一名在实验室里工作的严肃的化学家，你就不能领略摆弄各种东西的乐趣。我在那个课程上的表现并不好，因为它需要非常仔细地进行测量和权衡各种问题。

我想要的是另一种生活，因此这反而让我更加敬佩那些人的技术和奉献精神，他们发展了湿法化学的科学和艺术，并把它提升到了如此之高的程度。

这一节的标题叫作“我还是小孩子时就记得的化学反应”，但我必须承认，我并不是真的记得下面这个反应，因为我还是孩子时从没有做过这个反应。不过，如果我现在已经190岁了，那就可以说我的孩子做过它。在19世纪的英格兰，“火中取栗”是一个很流行的游戏（我希望它能重新流行起来）。

游戏的开始很简单：拿一个温热的盘子，里头装上葡萄干、李子或其他干果，然后倒入大量温热的白兰地，再将它点燃。这个游戏的内容就是抓出干果，然后以最快的速度把它们咬碎吃下去。这样，你就不会被烫伤了。一旦这些干果进了你的嘴里，就没有多余的氧气可以供它们继续燃烧，火焰就熄灭了。相反，如果你犹豫了，你就输了。

因为白兰地燃烧时产生的是一种非常透明、微弱的淡蓝色火焰，所以这个小游戏最适合在黑暗中玩，同时别忘了找一张耐火的桌子！如果白兰地溅出来，你的双手可能就会着火啦。