第三章 下午 3.1 回到辦公室

●　胃酸和抗酸劑：酸和堿

雖然你沒點第一道菜，但午餐你還是吃得有點多了。要是不吃那份草莓摜奶油也許會好一點。現在回到了辦公室，你感覺肚子裏胃酸很多，有點反胃。

在我們胃的內壁上有所謂的胃腺（gastric gland）。它們的數量非常多，約500萬個，相當於每平方毫米就有100～150個胃腺，而且還分為各種類型。管狀腺體（tubular gland）占據了胃體和胃底（矛盾的是，胃底卻位於整個胃結構的上方）的大部分。它們的壁細胞（parietal cell）能產生氫離子（H+）和氯離子（Cl-），兩者結合形成胃液（gastric juice）的重要成分——鹽酸（HCl）。一般來說，氫和氯的分泌是通過特殊的機製同時進行的，這種機製以配對的方式起作用。但如果是氯的基礎分泌，就不會同時伴有氫的分泌了。主細胞（principal cell）會產生胃蛋白酶原（pepsinogen）。這種酶（跟所有酶[1]一樣是一種蛋白質）是無活性的，但在鹽酸的自動催化下，它會在胃腔中被轉化為胃蛋白酶（pepsin），這是一種在蛋白質消化中起重要作用的酶。賁門腺（cardiac gland）僅位於賁門區域，會產生糖蛋白。位於幽門部的幽門腺（pyloric gland）也是如此，但幽門腺還會產生一種特殊的糖蛋白，稱為抗貧血因子（antianemia factor），又叫卡斯爾氏內因子（Castle’s intrinsic factor）。如果沒有這種因子，我們攝入的維生素B12[又叫鈷胺素（cobalamine）或外因子（extrinsic factor） ]就不會被吸收。幽門腺還會產生黏蛋白（mucoprotein），其作用是保護胃黏膜本身不受胃液的化學侵蝕。在胃液中存在的酶中，還有脂肪酶（lipase），它可以參與脂肪的代謝，但是它在胃的強酸環境中是沒有活性的（隻有在中性環境下才有活性）。最後，在胃中還有內分泌細胞（內分泌細胞也普遍存在於心房，但沒有明確的定位），產生各種激素，如胃泌素（gastrin）。

空腹和消化過程中都會分泌胃液。我們每個人平均每天分泌2.5～3升胃液。它包含99.4%的水，剩下的正如我們前麵所提到的，都是蛋白質、具有蛋白質結構的酶、鹽酸和鹽類。

胃液的產生是由於迷走神經的刺激（味覺、咀嚼和嗅覺以及心理的反射）和局部機製的作用（如胃脹氣和胃內存在食物）。胃液分泌也受各種胃腸激素的調節。胃液有多種功能：它可以繼續消化食物（特別是蛋白質部分）；可與食物形成食糜（由胃產生的**物質，隨後通過幽門進入十二指腸）；可以對營養物質進行消毒（胃液pH值低不利於微生物的存活）；還有重要的抗貧血作用（通過分泌卡斯爾氏內因子）。

我們通常所說的胃酸[50]（你認為是中午吃的草莓摜奶油引起的），其實與普遍的看法相反，它並不是直接由胃引起的（胃基本上不會產生過量的鹽酸）。典型的胃灼熱（燒心）不是因為胃液裏的酸性物質與食物混合，而是酸性物質倒流到食道。我們已經說過，胃的黏膜可以很好地抵禦胃液的腐蝕（因此它不會產生胃灼熱的感覺）。相反，食道的黏膜沒有這種保護作用，就會產生燒心的感覺。餐後少量反流是非常正常的，不會造成任何問題。但如果反流物多，且有一定的頻率（每周2～3次），那麽就是一種真正的病理性疾病了，稱為胃食管反流病（Gastroesophageal Reflux Disease， GERD），這種情況下必須得找專業的醫生進行治療。

在正常情況下，為了避免偶爾的胃食管反流，最好遵循一些生理小常識，排在第一的就是不要暴飲暴食。無論怎樣，如果實在控製不住自己，吃點抗酸藥或許會有用。不過，要想知道抗酸藥的工作原理，我們還是多了解一些酸和堿的知識吧。

在日常用語中，任何具有刺激性和（或）腐蝕性的物質都被稱為酸，但這並不是絕對的。在化學術語中，“酸”這個詞有它確切的含義，然而對它進行嚴格的定義其實並不容易。除了酸還有堿，它們的化學性質相反，兩者會通過中和反應（neutralization reaction）產生鹽類。

1884年，瑞典化學家、1903年的諾貝爾獎得主斯萬特·奧古斯特·阿累尼烏斯（Svante August Arrhenius， 1859—1927）第一次嚐試對酸和堿進行準確的定義。在阿累尼烏斯看來，酸是一種能在水中離解出氫離子H+（質子）的物質；相反，堿是一種能在水中離解出負離子OH-（氫氧根離子）的物質，這個負離子由氧原子和氫原子連接組成。阿累尼烏斯的定義在很多情況下都很好用，但它有局限性。這個定義非常“絕對”，阿累尼烏斯沒有考慮到特殊情況——同一種物質有可能會既表現出酸的性質又表現出堿的性質。因此，1923年，丹麥人約翰內斯·尼古拉斯·布倫斯特（Johannes Nicolaus Br?nsted， 1879—1947）和英國人托馬斯·馬丁·勞裏（Thomas Martin Lowry， 1874—1936）提出了一個新的定義。根據布倫斯特和勞裏的觀點，酸是能釋放出H+的物質，堿是能接受H+的物質。這就假設了酸和堿是相互依賴的關係，酸堿反應僅僅是由於質子的交換（就像氧化還原反應是由於電子的交換一樣）。當然，失去H+的物質有可能重新獲得H+，同樣，獲得H+的物質也有可能會再釋放出H+。因此，在布倫斯特和勞裏的理論中就將這樣的一對酸堿稱為共軛酸堿對（conjugate acid-base pairs）。

同年，美國人吉爾伯特·牛頓·路易斯提出了一個更為全麵的理論。根據該理論，酸是能夠接受電子對（同一軌道上自旋方向相反的一對電子）的物質，而堿是能夠釋放電子對的物質。因此，路易斯的理論將酸和堿的概念擴展到了不一定含有氫的物質，被稱為路易斯酸堿理論。

為了測定溶液的酸堿度，我們定義了一個叫作pH值的量，在第一章第3節中我們已經說過了。

有些溶液即使在加入了酸或堿之後，仍能保持恒定的pH值。這種溶液被稱為緩衝溶液（buffer solution）。我們的血液就是一種有效的緩衝溶液。由於碳酸根離子和碳酸氫根離子之間特殊的酸堿平衡，即使我們吃了酸性或堿性物質，血液的pH值也會保持在7.35～7.45。但某些疾病可能會引起身體的酸中毒（pH＜7.35）或堿中毒（pH＞7.45）。

回到胃酸（或者說是食道裏的酸）的問題，可以從兩個方麵進行防治。一種方法是使用可以限製鹽酸生成的抗分泌藥物。另一種更常見的方法，就是使用抗酸藥物。抗酸藥是含有堿性物質的產品，能夠中和過量的胃酸。比較傳統的抗酸藥是碳酸氫鈉（NaHCO3）。若是從氫氧化物的角度來看，它並不是真正意義上的堿，而是一種鹽；但它是由強堿（氫氧化鈉）和弱酸（碳酸）反應生成的，可以表現出堿性物質的性質，與酸發生中和反應。比如，它與胃汁中的鹽酸會發生以下反應：

HCl+NaHCO3→ NaCl+ H2O+ CO2

反應會生成氯化鈉（NaCl，普通食鹽）、水和二氧化碳氣體。服用碳酸氫鈉後不可避免地打嗝就是因為CO2。另外，我們不建議有高血壓的人使用碳酸氫鈉，因為患此病的人應該限製鈉的攝入。目前市麵上的很多抗酸劑都是以鎂加鋁（magaldrate）或氫氧化鋁鎂[aluminate magnesium hydroxide，AlMg2（OH）7·H2O]、氫氧化鎂[Mg（OH）2]或氫氧化鋁[Al （OH） 3]為基礎。這些產品不會增加人體鈉的攝入，除了這個優點，它們還能與可能存在的膽汁鹽結合（膽汁鹽首先通過十二指腸反流到胃，然後再反流到食道）。因此，抗酸劑對於由某些疾病引起的堿性反流也是有用的。

●　讀一份很長的報告：眼鏡、玻璃、光致變色

吃了前段時間醫生開的抗酸藥後（千萬不要輕信親朋好友的建議，要問醫生），胃灼熱的感覺就消失了，你也可以專心工作了。老板剛剛發給你一份很長的報告，你必須得看一下。如果隻是看一些篇幅短的東西的話，你的視力還是沒多大問題的，但要長時間閱讀時，你就要戴上眼鏡了。你最近買了一副新款的光致變色眼鏡——這是化學的真正傑作！

眼鏡鏡片由玻璃製成，而玻璃本身就是一種特殊的化學產品。

化學中的“玻璃”與我們所熟知的那種玻璃的含義略有不同。其實，凡是無定形的固體，也就是非晶體，都叫“玻璃”。從微觀角度來看，玻璃的結構是無序的，與**的結構非常相似。盡管玻璃的黏性很高，但它仍然可以被認為是**。化學概念中的玻璃不一定是透明的。例如，呈黑色、不透明並且有光澤的火山礦物黑曜岩（obsidian）實際上就是玻璃。從20世紀60年代開始，化學家們甚至還成功製造出了金屬玻璃，也就是具有玻璃特性的金屬合金，這些合金表現出非常有趣的性質。

但在我們平常的語言中，“玻璃”與上述微觀描述一樣，指的是一類材料，但不同的一點就是我們所指的玻璃一般都是透明的。所有這些透明的“正常”玻璃（包括你的眼鏡鏡片）都有一個共同點：主要由二氧化矽製成。古代的人們早就對這種材料有了認知。根據老普林尼（Plinio il Vecchio， 23—79）撰寫的《自然史》（Naturalis Historia），玻璃的發明可以追溯到公元前3000年的腓尼基（Phoenicia）[今黎巴嫩（Lebanon）一帶]。從公元前2000年開始，埃及人就開始使用玻璃了，這一點從各種考古發現中可以得到證實。從古至今，玻璃的生產和加工技術日臻完善。如今玻璃的種類繁多，為滿足實際的不同使用需求，每種玻璃還都有各自的特點。

生產玻璃的原料是存在於許多礦物中（首先就是沙子）的二氧化矽。之前說過玻璃類似於高黏度的**，這裏我們可以確認一下。首先是它的熱行為。如果我們對晶體進行加熱，溫度到達熔點後，我們就會觀察到晶體開始從固態變成液態，而且在從固態變為液態的整個轉變過程中（固液共存狀態），溫度會一直保持不變。但是，如果我們加熱玻璃，我們隻會觀察到玻璃在逐漸軟化，因為它並沒有真正的熔點。除了熱行為，玻璃的機械性能也很獨特。玻璃在機械應力的作用下會隨著時間的推移而變形，盡管我們在短期內觀察不到這一變化。從微觀層麵上來看，這一點則表現為玻璃分子彼此的相對流動，就像在**中一樣。我們通過測量古代玻璃窗（如哥特式大教堂的玻璃窗）的厚度，發現底部玻璃的厚度大於頂部玻璃的厚度，從而就證明了玻璃分子因自身重量而發生了漸進式的滑動。

但玻璃最明顯的特點是對可見光透明。如果光能透過某種材料而不被吸收，那麽這種材料就是透明的。光（見第一章第5節拓展：光、顏色和物質）是電磁輻射，也就是在空間傳播的振**電場和磁場。這是一種電場和磁場粒子垂直於傳播方向[橫波（transverse wave）]發生振**的波動現象。然而，量子力學（或者說是20世紀前30年發展起來的描述微觀世界的物理學）將光解釋為一份一份能量子的組合，這個能量子就稱為量子或光子。單個光子的能量取決於輻射的頻率（也可以說取決於其顏色：例如，藍色光子比紅色光子的能量更多）。相反，一束光的強度則與單位時間內穿過單位表麵的光子數有關。電磁輻射之所以能與物質相互作用，是因為原子和分子在每個狀態中的能量值都是確定的（也就是說它們擁有量子化的能級）。如果一個光子的能量（也就是特定的頻率）等於原子或分子的兩個能級之間的能量差，那麽光子就可以被吸收。因此，當物質麵對特定頻率的輻射時，它會表現出不透明的性質。如果不是特定頻率，則該物質將會是透明的。正如我們在第一章第1節中已經看到的那樣，在固體中，能級組成價帶和導帶，價帶和導帶由一個禁帶（forbidden band）隔開。在玻璃中，能隙（禁帶寬度）的值比可見光的頻率值更高，而且禁帶中沒有能級。因此，可見光的輻射不被吸收，可以透過玻璃。如果我們使用紫外線輻射，情況就會不一樣。紫外線輻射的頻率較高，因此能量也較高，可以與玻璃的能隙值相對應。所以紫外線輻射被吸收，玻璃對這種輻射不透明。如果換種物質，將紫外線輻射照射到純二氧化矽（如石英）上時，紫外線就可以穿過二氧化矽而不被吸收。在製備玻璃的過程中，在二氧化矽中加入其他物質（主要是純堿，即碳酸鈉）可以改變玻璃的能隙值，使它能夠吸收紫外線輻射。除了與可能的吸收輻射有關外，當玻璃表現出與光波長相當或更大麵積的光學均勻性時，玻璃也會變透明。如果玻璃表現出不均勻性，光就會在各個方向上發生散射（scattering）。這通常發生在多晶材料中，由於晶界（grain boundary）[相鄰晶粒（或微晶）之間的界麵]的不均勻性（見第二章第2節）而產生光的散射。它也會發生在毛玻璃中，人們故意在玻璃的表麵上製造這些不均勻性以使其變得半透明。

玻璃對紅外線輻射一般也表現為不透明。紅外線輻射的光子能量比可見光的能量低，但卻等於玻璃分子振動能級的值。這些能級的產生是因為原子必須圍繞它在分子內的平衡位置進行振動。

此外，玻璃中的某些物質還可以使禁帶中出現能級。在這種情況下，一定頻率的光輻射就可以被吸收，因為不是所有組成白光的色光都能通過玻璃，玻璃就會被染上顏色。如果在熔融的玻璃中加入氧化鈷，我們就會得到藍色的玻璃；加入氧化銅，就會得到綠色或淡藍色的玻璃；加入錳化合物，就會得到紫色的玻璃；等等。最後，我們注意到，即使是無色玻璃，實際上也不完全是無色的。如果我們從切割邊緣（玻璃有一定的厚度是為了增加光線所穿過的厚度）觀察玻璃片，就會感覺玻璃略呈綠色，這是因為玻璃中存在一些不可避免的雜質，但是當光線穿過的玻璃厚度較小時，我們就不會注意到這些顏色。

你的眼鏡鏡片是由玻璃製成的，但你也知道，光學性能與玻璃相當的塑料鏡片出現也已經有一段時間。塑料鏡片的優點是不易碎、重量輕。相反，玻璃鏡片更耐磨損，除了可能會破損的缺點，它們能保持光學性能不變，有更長的使用壽命。

你的鏡片還有另一個典型的化學（或者更確切點，光化學）特點，就是具有光致變色功能。這種鏡片在亮光下顏色會變暗，起到太陽鏡的作用。反之，當鏡片處於光線較弱的環境中時，它們就像普通眼鏡一樣是完全透明的。這些鏡片的功能原理與我們在第一章第5節中討論的攝影原理非常相似。實際上，鏡片的這種奇特現象也是因為鹵化銀。20世紀60年代上半葉，美國康寧公司（Corning Incorporated，製造玻璃、陶瓷和其他類似材料）生產了第一塊變色鏡片。正如我們在攝影那一節看到的那樣，當溴化銀受到光的照射時，它會分解並釋放出一定量的金屬銀。如果這種情況發生在鏡片裏，鏡片就會變暗。但問題的關鍵是如何使這種現象可逆，也就是說當光照停止時，如何讓銀和溴重新結合，從而使鏡片顏色變淺。在照相工藝中這是不可能的，因為銀一旦釋放出來就會遠離溴，因此無法與溴重新結合。但是如果將大小合適的溴化銀顆粒嵌入玻璃中，銀和溴都會保持在原位置，並且彼此之間有適當的距離，以便在光照停止時可能重新結合。當然，要想從實際應用的角度獲得滿意的效果，一切都要在合理的時間內進行，並且要有明顯的視覺效果。因此，必須慎重選擇溴化銀顆粒的大小。如果顆粒大小超過15納米，即使在沒有光的情況下，鏡片也會顯得不透明。相反，如果顆粒小於8納米，即使有銀的釋放，也不會觀察到鏡片變暗。但是我們通過精良的技術，可以生產出尺寸在8～15納米的溴化銀顆粒，一旦它們分散在鏡片的玻璃中，就會精確地、並且不知疲倦地進行光致變色工作。

多年來，使用光致變色現象一直是玻璃鏡片的專屬特權，因為溴化銀顆粒技術無法應用於塑料鏡片中。不過，一段時間以來，市麵上出現了防碎變色鏡片（塑料鏡片）。這種鏡片使用的原理與變色玻璃鏡片不同，它是在鏡片中加入複雜的有機物[如嗪（oxazine）或萘並吡喃（naphthopyran）]，當被光照射時，這些有機物能以可逆的方式改變自身結構，從而使自身和鏡片的顏色改變。這些物質通常以均勻的厚度添加到鏡片表麵。這樣做的好處是，即使在鏡片厚度變化的情況下，也能使鏡片顏色均勻變暗。而變色玻璃鏡片則不然，在鏡片較厚的地方，變暗的情況可能會更明顯。

●　一杯水：水中的化學，礦泉水和自來水

讀完報告之後（如果沒有眼鏡，讀起來肯定會更累），你感到口渴。你起身活動活動腿腳，然後去辦公室走廊的飲水機那裏接了一杯冰水。

從某種角度來看，喝水被認為是世界上最簡單的事情。水實際上是一種極為簡單的物質，但要研究它的特性卻並不簡單[51]。水是我們賴以生存的基本物質，長期以來一直被視為一種元素。在希臘傳統文化中，水與土、火、氣一起代表著四種元素[四元素理論（stoicheia）]或根[四根（rhizomata）]，一切存在的物質都來源於這些元素。但是這裏的元素並不是化學意義上的元素，要想從化學角度來了解水，我們必須等到18世紀末。法國偉大的化學家安托萬·洛朗·拉瓦錫發現，水是由氫和氧這兩種元素結合而成。一個水分子（H2O）由兩個氫原子與一個氧原子構成。兩個H-O鍵之間形成104.45°的夾角。由於氧比氫吸引電子的能力更強（氧具有更強的電負性），所以形成H-O鍵的電子對不是對稱分布在兩個原子之間的，而是更靠近氧原子。因此，這兩個H-O鍵是極性共價鍵，表現為氧原子帶部分負電荷（δ-），氫原子帶部分正電荷（δ+）。這使得水分子的行為就像微小的電偶極子一樣（電偶極子就是指兩個分隔有一段距離，電量相等，正負相反的電荷），水的許多特性都是因為它是極性分子。我們可以用很簡單的實驗方法來驗證水分子的極性。稍稍打開水龍頭，讓水呈細流狀流出來，然後用一根事先用布擦過的棍子（塑料或玻璃的）靠近水流（用布擦是為了使棍子帶電），我們會看到細細的水流被棍子吸引，水流路徑偏離垂直方向。無論棍子帶正電還是負電都會發生這種情況。極性水分子受外界電場的影響就會相應地改變其運動方向。如果我們用非極性**（如汽油）代替水，就會發現**流向不會有任何偏離。水分子的極性還可以解釋其他事情，比如為什麽冰的密度比液態水的密度低。極性分子之間，一個分子的正極部分和另一個分子的負極部分之間會產生吸引力。這種吸引力稱為偶極-偶極相互作用。如果是極性水分子，帶正電荷的部分就是氫原子。由於氫原子電負性極小，它可以在兩個水分子之間進行交換，以至我們再也分不清它是屬於哪一個水分子。在這種情況下，水分子間的相互作用是一種特殊類型的偶極-偶極相互作用，我們稱為氫鍵，氫鍵使水分子之間緊密連接。這就解釋了為什麽與類似物質[如硫化氫（H2S）]相比，水的沸點更高。在常壓下，當溫度降低至0℃時，水開始凝固，水分子在氫鍵作用力下按照六邊形的幾何形狀逐漸排列起來（氫鍵具有極強的方向性）。這種排列方式使水分子之間的平均距離比水液態時更遠，因此，冰的密度比液態水的密度低8%左右。冰的密度比水的密度低，這又可以解釋為什麽人們會在冰上滑倒（還記得我們在第一章第4節中說過什麽嗎）。你站在冰麵上的時候腳底總是很滑，但實際上你不是在冰上滑倒的，而是在水上滑倒！讓我們看看這是為什麽吧。隨著水的凝固，水的體積會逐漸增大，變成冰（這就是為什麽在冬天無人居住的山區房屋中，人們要把水管排空，目的就是防止水凝固後體積增大使水管爆裂）。但是如果將冰塊進行壓縮，則有利於融化。當我們踩在冰層上時，我們的體重會使鞋底產生壓力。這種壓力會使冰塊局部融化，從而在腳下形成一層薄薄的液態水膜，我們就是在這上麵滑倒的（在水坑裏不會發生這種情況，因為下麵是粗糙的路麵，會產生摩擦力，但是在濕潤光亮的路麵上則會發生）。南極探險家萊因霍爾德·梅斯納爾（Reinhold Messner）的說法證實了這一點，在極低溫度（-30～-40℃）的冰麵上人根本不會滑倒。因為即使受到我們的重量擠壓，極低的溫度也會阻止冰的表麵融化。同樣的原理我們還可以解釋為什麽冰川會不斷向下遊移動。冰川的巨大重量施加巨大的壓力在冰岩分離表麵，這些壓力使冰塊部分融化，然後冰川在形成的液態水層上向下滑動。最後，還有一種魔術也是利用了相同原理，這是一種有趣的現象，稱為複冰現象（regelation）。如果我們在一塊冰上放一根鋼絲，鋼絲兩端係有砝碼，用來增加鋼絲線在冰塊上的壓力，慢慢地鋼絲就會陷到冰塊裏麵去，直到完全穿過冰塊。但是鋼絲穿過之後的冰塊仍是完整的。鋼絲所施加的壓力融化了部分冰塊，造成了一個切口。但是液態水仍然留在裂縫中，並在一段時間後由於低溫而再次凝固（複冰），所以最後冰塊仍是完整的（圖24）。

圖24　複冰現象

水分子的極性也解釋了為什麽相對於離子物質或極性物質而言，它是極好的溶劑。比如，當我們將普通食用鹽（氯化鈉）溶於水時，鈉離子（Na+）和氯離子（Cl-）之間的吸引力減弱，每個離子都被一定數量的水分子包圍[溶解（solvation）]。水分子中帶負電的氧離子會靠近Na+，而水中帶正電的氫離子會更靠近Cl-。但水不能溶解非極性物質，如油類（見第一章第2節中關於表麵活性劑的討論）。

水的氧原子上有兩對電子沒有成鍵（非鍵合電子或孤對電子）。除了解釋水分子的折疊幾何形狀，這些電子在確定水分子的化學性質方麵也具有相當重要的意義。例如，如果水與酸接觸，孤對電子的存在可以使水分子與H+相互作用形成H3O+[水合氫離子（oxonium ion）]。根據布倫斯特和勞裏的說法，也就是說水表現得像堿一樣（因為能與酸反應）。例如水與鹽酸就會有以下反應：

HCl+H2O→H3O++Cl-

另一方麵，根據布倫斯特和勞裏的說法，如果水與堿[例如氨氣（NH3）]接觸，它可以作為酸提供一個H+：

NH3+H2O→NH4++OH-

簡而言之，就是根據反應物質的不同，水可以表現為酸性，也可以表現為堿性。我們把具有這種特性的物質稱為兩性物質。水的兩性特征可以使兩個水分子相互作用，一個作為酸，另一個作為堿。由此有了下麵被稱為水的自耦電離（autodissociation）平衡或質子自遷移（autoprotolysis）平衡的反應：

2H2O → H3O++OH-

但是由於能解離成離子的水分子極少（在25℃時，5.5億個水分子中隻有一個水分子解離），這一平衡式更容易向左移動。但這個平衡依然非常重要，因為它調節著自然界中所有的酸堿平衡（包括你胃裏的酸堿平衡）。

喝了飲水機裏接出來的那杯涼水，你感到非常愉悅。飲水機裏有冷卻器，可以使水變涼。桶裝水的包裝上一般會標注名字和水源地。辦公室裏的是正常的礦泉水。記得你曾經和一個朋友就礦泉水好還是自來水好的問題進行了很長時間的討論。雖然討論了很久，但你們仍無法達成共識。這不是一個簡單的問題，也沒有一個確定的、普適的答案。不過，自來水和礦泉水肯定是有區別的[52]。

根據法律規定，所有飲用水中的微生物或其他物質的濃度不得超過對健康造成危害的濃度。

水必須立即裝瓶才能被稱作礦泉水，因為它是從水源流出來的，沒有經過任何處理。而自來水在通過輸水管道分配給用戶之前，可能會經過化學處理，以確保其可飲用性。

礦泉水必須來自受保護且無汙染的泉水或地下水。水源必須無菌純淨，且化學成分和溫度相對穩定。水的包裝瓶上必須貼上標簽，標明它的產地和主要化學物理特性。而自來水一般取自水體，甚至是淺層水體（湖泊、河流、地下或淺層含水層），通常會進行殺菌消毒處理（通過使用氯氣、次氯酸鈉和二氧化氯等試劑）和其他必要的處理（沉澱、過濾、澄清、絮凝、軟化等），以消除各種化學汙染和一些不需要的雜質。

礦泉水中還含有礦物鹽，再加上少量的微量元素就可以使水具有特殊的性質。

礦泉水必須得到衛生部門的專門認可，而自來水則是獲得國家、地區或省特許權的公共用水，可以引入輸水管道。

這兩種水都受專門的管製。礦泉水要接受衛生部門和生產企業自控係統的定期檢查和核實，並需要在整個生產周期中進行頻繁的抽樣檢查。每隔5年還需要更新包裝標簽，並進行所有必要的產品分析。

而自來水要受到其他定期檢查的管製，以確保其可飲用性。自來水與礦泉水不同，自來水的一些參數標準（如亞氯酸鹽、溴酸鹽等）的控製取決於自來水所進行的處理，而礦泉水則不需要這些處理。

●　家用淨水設備、反滲透作用

我們不能籠統地說礦泉水好還是自來水好，每一種水應分開來單獨評估。可以肯定的是至少在發達國家，他們的監管措施完全保證了這兩種水的健康安全。但如果我們考慮到水的感官特性，情況就有所不同。市麵上的礦泉水保證了較好口感，而自來水雖然可以飲用，卻不一定很好喝。為此，現在市麵上有很多可以改善自來水特性的家用設備。有些設備是真的有效，而有些則是徹底的騙局，我們下麵馬上就會談到這個。

有效果的設備包括過濾壺和反滲透裝置。過濾壺的濾芯通常包含活性炭或離子交換樹脂（Ion-exchange Resin）。活性炭具有很強的吸附性。吸附是一種在物質表麵發生的物理化學現象，由於物質表麵的分子與物質外部的分子相互吸引，產生分子間的相互作用，從而使物質表麵可以吸附其他物質。離子交換樹脂是一種聚合物，具有的特殊官能團會吸附水中存在的其他正離子和負離子，並將其替換為H3O+和OH-（H3O+和OH-共同形成水）。因此，通過離子交換樹脂過濾出來的是去離子水。濾水壺可以用來減少飲用水中氯的含量和鈣、鎂離子的含量（決定水的硬度）。

反滲透裝置利用了我們在第一章第3節中講到的滲透現象。這些裝置中使用了半透膜，水受到的壓力高於其滲透壓，因此水（溶劑）就會被迫穿過半透膜。所以穿過膜的水是純淨的，而所有溶解的離子都聚集在半透膜的另一側。這樣得到的去離子水不能直接飲用，因為我們需要水中有礦物鹽。所以必須將去離子水與原水混合，適當地摻入一定量的鹽分。

過濾壺的價格適中，但反滲透裝置的價格卻十分昂貴，因此我們應該仔細考慮購買這種裝置是否合適。除非你有特殊需求或者你們家的飲用水質量特別差，否則不建議購買，因為這種裝置通常很複雜，不適合家用。

過濾壺和反滲透裝置確實有效，但商家在銷售策略上往往會采用欺詐手段。為了給潛在客戶留下深刻印象，商家有時會做一些讓人好奇的演示，讓客戶相信自己家的自來水質量不好。這些演示中商家會在水樣中引入兩個連接在電流發生器上的電極，然後他們說水中形成的大量鐵鏽色沉澱物表明水中雜質較多。實際上，沉積物是由電極（電解現象）產生的，與水質無關。商家所用的這種方法最多隻能粗略地說明水的電導率，進而說明水中溶解的鹽類含量。但是，還沒有絕對的證據表明含鹽量低的水一定比含鹽量高的水更健康。此外，所有那些在市麵上流行了一段時間，並且商家承諾可以生產活力水、能量水、電解水、堿化水、磁化水等的設備，都沒有科學依據。

●　沒電的計算器：電池、電化學

喝完水之後，你回到辦公桌前，拿出一張資產負債表，需要檢查一些數字。你從抽屜裏拿出電子計算器，但發現它沒電了。不過還好你有一個備用的新電池。你可能從來沒有想過，從你手表中的紐扣電池到汽車中的鉛酸電池，所有化學電池都是依靠化學反應來工作的[53]。所有的電池都運用了一種特殊的化學反應，稱為氧化還原反應（oxidation-reduction reaction）。化學中的“氧化”一詞不僅是指與氧的結合反應，更普遍一點來說是指化學物質失去電子的任何過程（與氧的結合也包括在這個定義中）。而還原則是指任何獲得電子的過程。由於電子幾乎不存在自由態，所以每當一種物質發生氧化作用時，一定會有另一種物質發生還原作用，這兩個過程總是聯係在一起，所以我們稱其為氧化還原反應。因此，氧化還原反應涉及了兩個反應物之間的電子交換，電子有序的流動組成電流（至少在金屬導體中是這樣）。這就可以理解為什麽可以利用氧化還原反應產生電流。眾所周知，第一塊電池是由亞曆山德羅·伏打（Alessandro Volta， 1745—1827）發明的。在了解到1791年前後路易吉·加爾瓦尼（Luigi Galvani，1737—1798）對青蛙進行的實驗後，伏打並沒有接受加爾瓦尼提出的關於存在“動物電”的理論。伏打認為，在解剖青蛙的肌肉中觀察到的收縮並不是因為動物身上存在電，而是因為實驗中使用的不同金屬的電弧所產生的電流。而恰恰是由於實驗中所涉及的金屬的不同特性使一個金屬失去電子，另一個獲得電子（電子要到1800年年底才會被發現，所以伏打不可能知道這一點）。伏打在1799年年底製作了他的第一塊電池，並於1800年3月20日與英國皇家學會主席進行了電池的交流。他的“電動裝置”（或“柱狀裝置”）由交替的鋅盤和銅盤構成，金屬之間用浸泡在硫酸中的毛氈隔開。伏打製作的電池從曆史和概念的角度來看是很重要的，但它在工作中卻存在不少的問題。1836年，英國化學家約翰·弗雷德裏克·丹尼爾（John Frederic Daniell， 1790—1845）完善了伏打在電池方麵的工作，他製造了一種鋅銅電池（圖25），其中鋅為負電極，浸泡在硫酸鋅（ZnSO4）電解溶液中；銅為正電極，浸泡在硫酸銅（CuSO4）電解溶液中。但要使電池正常工作，這兩種鹽溶液必須通過鹽橋連接起來。這裏的鹽橋就是一根裝滿硝酸鉀（KNO3）的飽和溶液的管子，管子兩端的蓋子（如多孔玻璃）可以滲透離子和水。

圖25　丹尼爾鋅銅電池示意圖

在丹尼爾電池中，鋅被氧化失去兩個電子，變成鋅離子（Zn2+）進入溶液。

Zn→Zn2++2e-

另一側，硫酸銅溶液中的銅離子（Cu2+）被還原，獲得了鋅失去的兩個電子，變成了金屬銅：

Cu2++2e-→Cu

但是隻有當銅（陰極）和鋅（陽極）兩個電極連接外部電路時，才會發生這兩個“半反應”，其中鋅失去的電子流向銅，從而產生電流。

隨後的幾年裏，人們使用不同的材料作為電極和電解質，製造出了許多其他類型的電池。但所有的這些電池都運用了能發生電子交換的氧化還原反應。

1886年，卡爾·加斯納（Carl Gassner， 1855—1942）申請了鋅碳電池的專利。這種電池進一步發展了喬治·勒克蘭奇（Georges Leclanch， 1839—1882）的一種電池型號（於1866年發明並申請專利），多年來一直占據市場龍頭地位。鋅碳電池的鋅外殼（陽極）構成了一個圓柱形的容器，裏麵裝有作為電解質的二氧化錳和氯化銨與碳粉的混合糊狀**。陰極是一根浸在電解液中的石墨棒。但是隨著電池行業的發展，鋅碳電池不得不麵對20世紀50年代發明的堿性電池的競爭，之所以叫堿性電池，是因為電解液中含有堿性的氫氧化鉀（KOH）。紐扣電池（常用於手表、計算器等）的電解質通常是氧化銀。在此之前，同樣也非常流行使用以氧化汞作為電解質的水銀電池[由魯本（Samuel Ruben）和馬洛裏（Philip Rogers Mallory）的公司共同開發出來]。但由於水銀有毒，後來逐漸被禁止使用。自20世紀70年代以來，鋰電池的使用開始普及。很多電池在放完電後就不能再用了，而鋰電池就彌補了這一缺點，如果有與負載電流方向相反的外部電流通過時，它就可以進行充電。在充電過程中鋰電池內部的反應向反方向進行，產生電流，一旦反應物得到恢複，電池就可以重新使用。

拓展：化學平衡

對化學家來說，解釋化學平衡中的各組成，並了解它們如何受到如溫度和壓力等外部條件的影響，這是非常有趣的[54]。

在化學反應中，初始物質（反應物）會轉化為其他物質（生成物）。在一些特殊反應中，生成物形成之後還會繼續發生反方向的反應，生成反應物。換句話說，這些反應既能正向進行又能逆向進行，因此被稱為可逆反應（reversible reaction）。

可逆反應的發現有一段相當奇特的曆史。1798年，拿破侖在埃及進行軍事和科學考察時，讓當時傑出的法國化學家克勞德·路易·貝托萊隨行。到了埃及，貝托萊注意到環繞鹽湖的湖岸有碳酸鈉（Na2CO3）的沉積。貝托萊知道碳酸鈉能與氯化鈣（CaCl2）反應生成碳酸鈣（CaCO3）和氯化鈉（NaCl），也就是下麵的這個反應：

Na2CO3+CaCl2→CaCO3+2NaCl

在他看來，湖岸邊碳酸鈉的沉積應該是水體中高濃度的氯化鈉造成的結果，所以他認為逆向的化學反應也是有可能發生的。貝托萊將他的思考寫進了一本書，於1803年出版，題為《論化學靜力學》（Essai de statique chimique），但由於他的推理中存在一些錯誤，該書並沒有立即引起廣泛的關注。

經過一定時間後，可逆反應達到表麵上的靜止狀態，反應物和生成物共存，各組分濃度隨時間保持恒定，這種情況就稱為化學平衡（chemical equilibrium）。可逆反應無論從正反應開始，還是從逆反應開始，都可以達到同樣的平衡狀態（所以此時我們對反應物和生成物的區分變得很隨意）。

我們剛剛所說的反應達到了平衡的靜止狀態隻是從宏觀層麵來講。而從微觀層麵上來看，內部反應仍在繼續向兩個方向進行。在一定的時間間隔內，反應物轉化為生成物，而生成物又馬上會轉化為反應物。這就使得反應物的濃度和生成物的濃度保持不變。所以，化學平衡是一種動態平衡，而不是靜態平衡（指反應進行到此就完全停止）。

另外，各物質的濃度是相互聯係的。如果其中一個有變化，其他的物質也都會發生變化。這就意味著必須有一種數學關係來把它們的變化聯係起來。這種關係被稱為質量作用定律（law of mass action），由化學家彼得·瓦格（Peter Waage， 1833—1900）和數學家卡托·馬克西米利安·古德貝格（Cato Maximilian Guldberg， 1836—1902）於1864年提出。他們都是挪威人，而且還是郎舅關係（瓦格娶了古德貝格的一個姐妹）。這個定律定義了一個叫作平衡常數（equilibrium constant）的量，其值取決於反應的類型和溫度。另外，不可逆反應可以認為是一種極限情況，它的平衡常數趨於無限大。

平衡狀態下，反應物和生成物的濃度保持恒定，但我們可以通過作用於一些外部因素來改變化學平衡。首先就是濃度，如前麵提到過的，從反應外部哪怕隻改變一種物質的濃度，其他所有物質的濃度都會改變。其次就是溫度，而對於氣態物質來說，還可以改變壓強，溫度和壓強都能影響化學平衡。法國化學家亨利·路易·勒夏特列（Henri-Louis Le Chatelier， 1850—1936）在1884年提出的一個理論使我們可以預見這種外部擾動的影響。他指出，任何處於平衡狀態的化學係統，在受到外界作用時，都會傾向於將作用本身的影響降到最低。這一原理在實際操作中也非常重要，它可以確定發生反應的最佳條件，從而獲得想要的產物。

運用熱力學的方法可以研究化學平衡[55]。化學反應實際上涉及能量的變化，而研究能量交換和轉化的熱力學正好為我們研究化學反應提供了有用的工具。化學熱力學定義了一些特殊的量，稱為狀態函數（state function），它們對描述化學反應行為極為有用。其中有一個被稱為吉布斯自由能（Gibbs free energy）[以美國物理學家和化學家喬賽亞·威拉德·吉布斯（Josiah Willard Gibbs，1839—1903）的名字命名]的狀態函數可以預測一個反應是否會自發進行。如果自由能的改變量是負數（放能反應），反應將自發進行。如果改變量為正數（吸能反應），則不會自發反應。最後，如果自由能的變化等於零，反應就會處於平衡狀態（見第四章第1節拓展：反應的自發性、熱力學和動力學）。