3.2 下班後的放鬆

●　散步：空氣中的化學及其研究史

結束了一天的工作，你得以休息。回到家把車停在車庫裏，你連樓都沒上就直接換上運動服和運動鞋出去了，想到附近的公園裏走走，活動筋骨。雖然是冬天，但今天的天氣十分晴朗。此時太陽開始下山了，但在戶外的感覺還是十分清新。

我們前麵提到過，古代人認為空氣與水、土、火一起代表著4種元素。但實際上並非如此。18世紀，偉大的化學先驅們開始研究空氣的成分。他們的故事妙趣橫生，值得我們再次品讀。

古代哲學家的純理論性研究，偶有發人深省的有力見解，比如原子論，卻完全缺乏實際的論證。此類猜想頗具主觀性，因為他們無法證明觀點的客觀有效性。而煉金術士[56]則把實驗放在舉足輕重的位置。但是與真正的科學不同，煉金術除了是一門神秘的學科，也是一門精神學科，通常限於少數刻意使用晦澀語言的內行。他們的方法與現代科學的原則和價值大相徑庭，有悖於始於伽利略等幾乎所有引領科學革命的主角。17世紀的學者們開始普遍接受這樣一種觀念（這一觀念在今天看來是理所當然的，但在當時卻是異端邪說），根據這一觀念，每一個猜想和每一種理論在某種程度上都必須通過實驗進行驗證。就物質和化學而言，第一個為解釋實驗數據的理論——“燃素學說”（The Phlogiston Theory）應運而生。煉金術士在這一點上忠於亞裏士多德，也認為火是一種元素。因此，當一種物質燃燒時，該物質會釋放出火。1669年，德國煉金術士約翰·雅希姆·貝歇爾（Johann Joachim Becher， 1635—1682）用一種新的易燃性元素取代了亞裏士多德的“火”元素，他稱之為“油狀土”（terra pinguis）。貝歇爾的弟子，德國醫生、化學家喬治·恩斯特·斯塔爾繼承了他的衣缽，並提出將易燃性元素改稱為“燃素”（phlogiston）。燃素學說很好地解釋了燃燒現象。在斯塔爾看來，可燃物質中含有豐富的燃素。在燃燒過程中，燃素消失殆盡。燃燒後的殘渣因燃素的缺失而不能再燃燒。同樣的理論也能解釋為什麽金屬會生鏽或“鈣化”（今天我們稱為氧化），以及如何通過煤加熱金屬礦石（石灰）來獲得金屬。在生鏽過程中，金屬的表現類似於燃燒的物質，會失去燃素。而當用煤加熱礦石時，煤中富含的燃素就會釋放到礦石中。這樣一來，金屬便恢複如初，且富含燃素，而煤則變成了不含燃素的灰燼。需要指出的是，根據斯塔爾的理論，無論是在燃燒還是在金屬生鏽的過程中，空氣都沒有起到任何積極作用。它隻是充當一個中介，從含有燃素的物質中收集燃素，再將其釋放到那些缺少燃素的物質中。

到了18世紀末，許多學者把興趣轉向了對氣態物質的研究[57]。第一個對氣體研究做出重要貢獻的人是讓-巴蒂斯特·範海爾蒙特（Jean-Baptiste Van Helmont， 1577—1644），他引入了“氣體”一詞，這是希臘語χ?ο?（chos）的變形，意為“無形無序的初始物質”。範海爾蒙特也是第一個發現並製備空氣以外的氣態物質的人，也就是所謂的“森林氣體”，它是從木材燃燒中獲得的，相當於我們今天所說的二氧化碳。氣態無疑是物質最簡單的狀態。因此，氣體研究為物質研究開辟了新道路，特別是使物質的某些特性首次得到了定量研究。

與氣體研究有關的第一批定量研究結果在17世紀初開始出現。埃萬傑利斯塔·托裏拆利（Evangelista Torricelli， 1608—1647）和奧托·馮·格裏克（Otto von Guericke， 1602—1686）關於氣壓的實驗表明，氣體也是有重量的，這證實了氣體隻是物質的一種特殊形式。1622年，英國人羅伯特·波義耳以及後來的法國人埃德姆·馬利奧特（Edme Mariotte， 1620—1684）都發現了相同的氣體定律：在恒溫條件下，氣體的體積和壓強成反比關係。這一定律與氣體的化學性質無關，適用於所有氣體，它是我們論證所有氣體的行為都實質性相似的第一個線索。正如後來所解釋的那樣，這種相似性必須在某種程度上與所有物質的結構聯係起來。

1754年，蘇格蘭醫生約瑟夫·布萊克（Joseph Black， 1728—1799）在其博士論文中介紹了對一種新氣體的研究結果。這種氣體是通過加熱礦石白苦土（magnesia alba，碳酸鎂，MgCO3）而獲得的，與範海爾蒙特的“森林氣體”具有相同的特性。布萊克還發現，加熱後的礦石殘渣（氧化鎂，MgO）可以與這種氣體重新結合，生成碳酸鎂。布萊克稱這種氣體為固定空氣（fixed air），今天我們知道這種氣體就是二氧化碳。

1766年，英國化學家亨利·卡文迪許（Henry Cavendish，1731—1810）發表了他對另一種氣體的研究結果。這種氣體可以通過酸與金屬的反應來製備，後來被人們稱為氫氣，它性質特殊，輕盈且易燃。由於卡文迪許是燃素學說的堅定支持者，他認為自己分離出的氣體正是喬治·恩斯特·斯塔爾提出的易燃性元素。另一位化學家，英國人約瑟夫·普裏斯特利（Joseph Priestley， 1733—1804），在1774年通過加熱“汞灰”（氧化汞），成功製備了一種新的氣體。這種新氣體雖然不具有可燃性，但卻能促進其他物質的燃燒。此外，這種氣體還可以供給生物呼吸來維持動物的生命，而卡文迪許和布萊克的氣體卻無法做到這一點。由於這種新的氣體與卡文迪許的氣體性質如此迥異，因此普裏斯特利將其稱為“脫燃素空氣”。實際上，依照斯塔爾的理論，氣體的這種支持其他物質燃燒的能力可以歸功於它對燃素的高吸收性。

安托萬·洛朗·拉瓦錫被一致認為是現代化學的奠基人[58]。他將化學從煉金術的神秘背景中徹底解放出來，使其成為一門現代科學。拉瓦錫的偉大貢獻在於，他係統而嚴謹地將伽利略的定量方法引入了物質轉化的研究中，將物質從定性到定量的轉變開拓到極致。拉瓦錫對定量研究的重視，在他早期的工作中已經顯現。例如，1764年對石膏成分的測定。拉瓦錫成功駁斥的第一個煉金術概念是嬗變（transmutation）。忠於四元素理論的煉金術士們堅信一種元素有可能轉化為另一種元素。例如，水在經過長時間加熱後會得到固體殘渣。這一現象被煉金術士們解釋為水對土的嬗變。拉瓦錫試圖驗證這一說法，他將水煮了101天，在水沸騰的過程中，他精確地回收了形成的蒸氣並使其重新凝結成水。在實驗結束時，他確實觀察到了固體沉積物的形成。但是，通過稱量水、固體殘留物和容器的重量，拉瓦錫得出了與煉金術士不同的結論。水的最終量（收集的蒸氣凝結而成的水）與初始量完全相等，這說明固體殘渣不是由水的嬗變產生的，而是由於盛水容器的一部分玻璃被溶解後結晶所致。在實驗結束時，容器的重量比最開始時要輕一些，損失的重量與固體殘渣的重量完全一致。

拉瓦錫的另一個重要發現是關於物質的燃燒，正如我們前麵所看到的，這是當時化學的主要議題之一。他的第一個實驗是關於金剛石的燃燒。通過觀察二氧化碳的產生，拉瓦錫推斷出金剛石與碳的化學性質相似。隨後，拉瓦錫的注意力集中在金屬的煆燒上。我們已經看到了燃素學說是如何解釋這些現象的。像當時的其他化學家一樣，拉瓦錫清楚地意識到，通過加熱金屬而獲得的灰燼在質量上要比之前的金屬更重。這一事實駁斥了燃素學說，因為根據燃素學說，在煆燒過程中，金屬必須失去燃素。因此，為了自圓其說，我們必須得假設燃素的重量為負數，才能使煆燒前後重量的增加合理化。在我們看來，這種解釋未免有些牽強，但當時的化學家們默然噤聲。不過，很顯然，拉瓦錫較真了。通過測量，他意識到當在一個密閉容器中煆燒金屬時，金屬增加的重量與空氣減少的重量相等。並且不管怎樣，這個容器中物質的總質量保持不變。通過這種方式，他意識到有什麽東西從空氣中轉移到了金屬上，並且不能像燃素學說所說的那樣反應可逆。拉瓦錫還將他的考慮拓展到其他物質的燃燒上，例如木材。顯然，木材燃燒後得到的灰燼比最初的木材更輕。但是，如果把燃燒得到的氣態物質也收集起來，就可以證實，燃燒產物的重量（今天我們稱為質量）之和正好等於初始物質（木材加空氣）的重量之和。拉瓦錫把這一原理的驗證延伸到了所有的化學轉化上，因此他提出了質量守恒定律，它是物質的基本原理之一。物質既不會被創造，也不會被毀滅，這種想法本身並不具備絕對的時代遠見性，自古有之，並不斷伴隨著西方思想史革新而發展。隻是得益於拉瓦錫的工作，它才獲得了那種實驗論證的合理性和細節考究的嚴謹性，因此可以在認識物質現實的過程中大放異彩。

但是，拉瓦錫的燃燒理論並未完備，我們還需確定從空氣中轉移到金屬裏的究竟是什麽。1774年，拉瓦錫得知普裏斯特利發現了“脫燃素空氣”。次年，拉瓦錫發表了一篇論文，他對燃燒提出了以下解釋：空氣不是一種單一的氣體，而是兩種氣體的混合物。在金屬的燃燒和煆燒過程中，隻有普裏斯特利的脫燃素空氣參與其中。他把此氣體稱為“氧氣”（oxygen，字麵意思是“酸的發生器”，因為他錯誤地認為它是所有酸的成分）。這位科學家於是專注於研究氧氣的性質。因為氧氣能供給呼吸，拉瓦錫就判定燃燒過程和呼吸過程之間有絕對的相似性。畢竟在呼吸過程中，吸入氧氣，呼出二氧化碳，這跟燃燒過程如出一轍。拉瓦錫與著名的天文學家皮埃爾·西蒙·德·拉普拉斯（PierreSimon de Laplace， 1749—1827）一起對呼吸過程進行了定量研究。他驚訝地發現，吸入的氧氣並不是全部以二氧化碳的形式排放出來，生物體還保留了一部分。同年，卡文迪許繼續對他發現的氣體（氫氣）進行實驗。值得注意的是，他發現這種可燃氣體燃燒後會產生水。於是拉瓦錫開始相信水是由氫和氧組成的，而不是煉金術士所認為的元素。此外，他還推測動物機體中既含有碳也含有氫。在呼吸過程中吸入的氧氣，部分與碳結合，以二氧化碳的形式排出體外，部分與氫氣結合以提供水。

通過一些簡單的想法，最重要的是通過不可替代的測量工具，拉瓦錫就這樣隻在一個概念框架中理順了一係列的化學現象。同時，他也徹底地消滅了幾千年來圍繞物質世界的一係列模糊的規則和晦澀的真理。最後，在生命將息時，拉瓦錫設計了一個合理的化學命名體係，為物質世界的明晰界定做出了貢獻。1789年，他發表了《化學基礎論述》（Trattato elementare di chimica）一書，總結了他所有的主要觀點，這是現代第一部化學教科書。

但是，他同時代的人並不讚賞他。1794年，他在法國大革命期間被送上斷頭台，隻因他曾在君主製期間擔任過稅務官等重要的公職。革命者因此把他蔑視為一個罪惡滔天的權術傀儡，而忘記了他對科學的非凡貢獻。偉大的數學家約瑟夫·路易·拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange， 1736—1813）在拉瓦錫死後評論說：“砍掉那顆腦袋隻需片刻，但另一顆聰穎卓越的腦袋的誕生，也許一個世紀的時間都不夠。”

今天我們明確地知道了空氣的化學成分，如表3所示：

表3　幹燥大氣的平均組成（按體積計算）

注：二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）的濃度因季節和測量地點而異。

●　臭氧

在距離地球表麵15～35千米處（相當於平流層的下麵），有一種新的空氣成分：臭氧。這種氣體由瑞士籍德國化學家克裏斯蒂安·弗裏德裏希·舍恩貝因（Christian Friedrich Sch?nbein，1799—1868）於1839年發現。在白磷的緩慢氧化和水的電解過程中，舍恩貝因注意到有一種帶有蒜味的氣體產生，這種氣體類似於暴風雨來襲時，閃電過境後觸發的那種嗅覺。於是他引入“臭氧”一詞來表示這種氣體，該詞來源於希臘語?ζειν（ózein），正好就是“聞”“發臭”的意思。區別於普通的氧氣——由2個原子構成，臭氧分子由3個氧原子構成。臭氧是氧氣的一種同素異形體（來源於希臘語?λλο?，意為“其他”，τρ?πο?，意為“方式”）。

臭氧性質十分不穩定。在20℃時，氣態臭氧的半衰期為3天，而液態臭氧的半衰期僅為20分鍾，且易爆炸。

空氣中的氧氣在光化學過程中可以轉化為臭氧，因此，在大氣中，臭氧可以通過閃電放電而形成。所涉及的化學反應如下：

臭氧也可以通過一些儀器來製備，但因為臭氧儲存困難，所以必須在使用時現場製取。臭氧具有消毒殺菌作用，因此可用於遊泳池、輸水管道、食品工業等方麵。

除了大氣層，臭氧有時也會出現在近地麵上，這主要是由於城市汙染產生了有利於臭氧形成的前體物（揮發性有機化合物、氮氧化物等）。臭氧的毒性相當大，當它在空氣中的濃度超過一定的值時，就會引起眼睛和上呼吸道的刺激和炎症，並隨之出現流淚、咳嗽、呼吸困難和呼吸急促等不良反應。如果說近地麵的高濃度臭氧有害健康，那麽在大氣層中的臭氧則對我們的生存大有裨益。臭氧層對太陽的紫外線（UV）輻射有過濾作用。所謂的UV-C輻射（波長為10～280納米）會被雙原子氧分子（O2）吸收，它們相互反應產生臭氧。而UV-B輻射（波長為280～315納米）幾乎完全被不斷形成和分解的臭氧分子吸收。最後，能量最低的UV-A輻射（波長為315～400納米）可以穿過臭氧層，到達地球表麵。可見光輻射、部分紅外輻射和其他來自太空的輻射也是如此。

20世紀70年代以來，人們開始認識到（除了正常的局部變化：例如，臭氧層在赤道較薄，而在兩極處較厚），由於廣泛用於製冷工業（冰箱、空調等）的氟氯烴化合物（CFC）的無節製排放，臭氧層可能會受到破壞。因為氟氯烴可與大氣中的臭氧發生反應，來降低臭氧的濃度。由於發現了氟氯烴在大氣化學中的作用，3位科學家於1995年獲得諾貝爾化學獎，他們分別是：墨西哥人馬裏奧·何塞·莫利納·亨裏克斯（Mario Jos Molina Henríquez，生於1943年）、美國人弗蘭克·舍伍德·羅蘭（Frank Sherwood Rowland， 1927—2012）和荷蘭人保羅·約瑟夫·克魯岑（Paul Jozef Crutzen，生於1933年）。這說明化學家可以為環境保護做出重要貢獻，他們絕不是工業的奴隸。

從1984年開始，人們還發現在極地地區，特別是南極洲上空，臭氧層的變薄尤為明顯。所以從那時候起，臭氧空洞的問題便被一再提及。“臭氧空洞”一詞表明，極地上空的臭氧層厚度呈周期性降低。在春季，衰減尤為明顯。隨著越來越多的人指責氟氯烴的濫用是導致臭氧空洞的罪魁禍首，一項以氟氯烴為主題，致力於管製這類化合物的生產和使用的國際條約——《蒙特利爾議定書》（Montreal Protocol）就此誕生。該議定書於1987年9月16日簽署，1989年1月1日生效，此後又經過多次修訂。當然，也有些人認為氟氯烴並不是造成臭氧空洞的唯一元凶。

●　慢跑、運動鞋：橡膠中的化學

你來到了公園，深吸一口空氣（幸好這一帶沒有什麽臭氧）後就開始跑步了。你想試試新買的跑鞋——一雙由先進材料製成的科技瑰寶，其中，橡膠肯定是占據主體地位的材料。

橡膠是自歐洲人發現美洲以來就廣為人知的眾多產品之一。克裏斯托弗·哥倫布（Cristoforo Colombo）和其他探險家了解到，南美洲人民長期以來一直在使用一種從植物中提取的乳膠，但在很長時間裏，人們都熟視無睹。法國地理學家、數學家查爾斯·瑪麗·德·拉·康達明（Charles-Marie de La Condamine，1701—1774）對這種產品表現出了好奇心，並在1736年對亞馬孫進行的一次地理考察期間，從當地的察察利人（Tsachali）那裏學習到了這種乳膠的提取技術和可能的用途。乳膠提取自屬於大戟科（Euphorbiaceae）的橡膠樹（Hevea brasiliensis）。察察利人通過割開樹皮來提取乳白色**狀的乳膠。他們叫它天然橡膠（caoutchouc）或生橡膠，意思是“哭泣的木頭”。天然橡膠被製成各種防水材料，應用範圍包括他們在河上使用的獨木舟。考察歸來的康達明，帶回了幾個乳膠樣品。樣品隻會在短時間內保持液態，之後就會變得幹硬。用乳膠製作的物品有一個缺點，這製約了它的適用性，那就是它們的稠度與溫度有關：如果溫度較低，乳膠就會硬化，變硬且脆；如果溫度較高，乳膠就會被軟化，直至黏稠。1770年，前麵提到過的約瑟夫·普裏斯特利偶然發現，硬化的乳膠在紙上摩擦後可以擦除鉛筆的痕跡。從此，“橡皮”（india-rubber，來自動詞rub，意為“擦”）一詞就誕生了，英語中也用這個名字來表示這種材料。但很少有人知道，橡皮擦其實是化學家的發明（自然也有察察利人的功勞！）。

不久後，人們發現橡膠可溶於鬆節油。1783年，人們將橡膠溶於鬆節油後，再將此溶液抹在布料上，幹燥後就得到了一種防水性良好，甚至連氣體也不能透過的布料。孟格菲（Montgolfier）兄弟立即利用這一特性製造了熱氣球。不論是從科學角度，還是從商業角度來看，人們對橡膠都越來越感興趣了。1803年，第一家橡膠廠在巴黎成立。但是橡膠受溫度影響的問題依然存在。1834年，德國化學家弗裏德裏希·盧德斯多夫（Friedrich Ludersdorf， 1801—1886）和美國化學家納撒尼爾·海沃德（Nathaniel Hayward， 1808—1865）發現，在橡膠中加入硫黃能明顯改善其機械性能。1839年，美國發明家查爾斯·固特異（Charles Goodyear， 1800—1860）在多次失敗之後，通過將橡膠和硫黃混合加熱，終於發明了後來被稱為硫化（vulcanization）的工藝過程[“硫化”一詞用來紀念火神沃肯（Vulcan）]。這種工藝不僅消除了天然橡膠的難聞氣味，還大大改善了它的機械特性，並提高了它對溫度變化、形變、化學試劑等的抗性。硫化工藝代表了一個巨大的技術進步，盡管在當時它的作用原理仍不得而知。1895年，米其林（Michelin）兄弟將橡膠用於製造汽車輪胎，證明了橡膠在提高汽車性能方麵的有效性。工業對乳膠的需求也急劇增長，橡膠樹的種植量很快就供不應求。因此，人們試圖栽種其他品種的橡膠植物，甚至還試圖了解乳膠的化學構成，以便進行可能的人工合成。但這項工作並非易事。英國人邁克爾·法拉第和法國人讓-巴蒂斯特·杜馬（Jean-Baptiste Dumas， 1800—1884）分別於1826年和1838年提出，橡膠的成分是碳氫化合物。

在英國人查爾斯·漢森·格雷維爾·威廉斯（Charles Hanson Greville Williams， 1829—1910）和威廉·奧古斯·提爾登（William Augusts Tilden， 1842—1926）、法國人古斯塔夫·布夏達（Gustave Bouchardat， 1842—1918）和德國人卡爾·迪特裏希·哈裏斯（Carl Dietrich Harries， 1866—1923）等多位化學家的努力下，人們終於知道乳膠的主要成分是異戊二烯（或2-甲基-1,3丁二烯）（圖26）。

圖26　異戊二烯的分子結構

德國化學家赫爾曼·施陶丁格（Hermann Staudinger， 1881—1965）認為某些分子（例如異戊二烯）可以相互結合形成長鏈分子。施陶丁格是高分子聚合物的奠基人，多年來他的觀點一直遭到同行的強烈抨擊，但最後他還是因其遠見卓識，榮獲1953年的諾貝爾化學獎。

今天我們知道，天然橡膠的主要成分是聚異戊二烯，也就是由異戊二烯聚合而成的長鏈分子（圖27）。

圖27　天然橡膠成分聚異戊二烯的聚合物鏈

加熱後的天然橡膠會變得很柔軟，因為長長的聚合物鏈之間僅通過微弱的分子間作用力相互結合，而這種分子間作用力在受熱條件下很容易被克服。在硫化過程中，分子間形成了二硫鍵（—S—S—）（圖28），提高了分子鏈的強度和熱穩定性，同時還保有橡膠的彈性。

圖28　橡膠硫化過程中形成的二硫鍵

異戊二烯在高溫和催化劑參與的條件下發生聚合反應。除異戊二烯外，還有許多其他分子在聚合後也會生成具有橡膠特性的材料，其中，在弱應力下形變顯著，應力鬆弛後能迅速恢複到接近原有狀態和尺寸的高分子材料，稱為彈性體（elastomer）。

彈性體的長分子鏈在靜息狀態下會自行折疊，似線團般交纏。在牽引力的作用下，分子鏈伸展平鋪，當撤除機械應力時，分子鏈又會恢複原狀，這樣一來，材料就可以發生彈性形變。目前已知的彈性體眾多，而化學家們對它們的合成也已輕車熟路。彈性體通常分為熱塑性彈性體（thermoplastic elastomer）和熱固性彈性體（thermosetting elastomer）。20世紀60年代末，人們開始生產熱塑性彈性體。這種彈性體在達到一定溫度時就會軟化，因此可以被模壓成型。它們一般由苯乙烯-丁二烯共聚物、聚烯烴和共聚酯組成。而熱固性彈性體通過聚合物鏈交聯固化而成，就像最初的硫化過程一樣（但不一定要使用硫黃）。交聯的過程需要在高溫下進行，一旦成型，產品就不能再加熱再塑造。

●　口香糖

跑步時你嚼的口香糖也是一種橡膠。曆史上最早食用口香糖類似物的似乎是瑪雅人，他們會咀嚼一種從熱帶常綠樹上提取出的橡膠球（人心果樹膠，chicle）。這種樹叫作人心果樹（Manilkara zapota），多產於美洲的中南部。而現代口香糖的發明要歸功於俄亥俄州（Ohio）一名叫作威廉·森普（William F. Semple）的牙醫，他於1869年12月28日為自己的想法申請了專利。森普將天然橡膠溶解在適當的溶劑中，並加入惰性材料和香料，就這樣製造出了他的第一塊口香糖。1871年，第一批口香糖在新澤西州（New Jersey）上市，但它們又軟散又寡味。隨著生產技藝的逐步提高，我們生產出了今天的產品。我們目前使用的橡膠是合成橡膠，主要是聚異丁烯（polyisobutylene），它的彈性性能可以通過適當添加化學製劑來改善。其中所謂的黃原膠（Xanthan gum，在食品中標注為E415）是糖類經由某些微生物（黃單胞杆菌，Xanthomonas campestris）發酵後而得到的一種多糖。除口香糖外，黃原膠還可作為各種食品（布丁、蜜餞、糖果等）的增稠劑。

●　生物化學：糖、能量、乳酸等

你已經跑了約半個小時了。在訓練效果亟待提高的同時，你的腿已經隱隱酸痛。這一次，化學依舊可以幫助你了解這背後的成因。

我們的肌肉通過生物體內一係列複雜的生化反應去降解糖類，以持續供能。降解從所謂的糖酵解開始[“糖酵解”一詞來源於希臘語γλυκ??（glykys，意為“甜的”）和λ?σι?（lysis，意為“分裂”）]。糖酵解包括一個過程，該過程會將具有6個碳原子的葡萄糖分解成兩個具有3個碳原子的丙酮酸（pyruvic acid）[2-氧代丙酸（2-oxopropanoic acid）]分子[這個過程的發生得益於一種叫作煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）的氧化還原性輔酶的介入]。丙酮酸隨後經過其他生化反應，在氧氣的作用下，將葡萄糖分解成水和二氧化碳。所有的這些反應都會產生大量的能量以支持肌肉的運動。如果肌肉活動非常激烈（就像協調你跑步時的那樣），身體組織中存在的氧氣含量就不足以降解所有產生的丙酮酸。因此，丙酮酸就積聚在細胞中，然後在輔酶還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的參與下，被還原成乳酸（lactic acid）[2-羥基丙酸（2-hydroxypropanoic acid）]。圖29為乳酸的分子結構。這個反應被用來再生被氧化的NAD，這樣糖酵解的過程就會循環往複，永不終結。

圖29　乳酸的分子結構

乳酸是一種不能被細胞用來產生能量的產物。因此，它被運送到肝髒中，在那裏通過糖異生（gluconeogenesis）的過程（可以被認為是糖酵解的反過程），被轉化為葡萄糖，然後形成的葡萄糖被運回肌肉，在肌肉中再次被分解[科裏循環（Cori cycle）]。因此，肌肉中乳酸的形成需要一定時間。這個循環將肌肉的一部分工作量轉移到肝髒中，它還能使在糖酵解中消耗的NAD再生，使糖酵解的過程得以延續。肌肉中乳酸的積累是我們在過度運動後感到疲勞和疼痛的原因[2]。疼痛是我們的身體向我們發出的警告。我們最好聽它的話，停下來並深呼吸，讓肌肉組織重新補充氧氣。

●　輕微的扭傷：冰敷

稍微休息一會兒後，你又開始跑步了，但也許是因為你累了，一個踉蹌，就輕微扭傷了腳踝。你覺得這並不嚴重，隻是略微有點疼痛，你知道在這種情況下，最好的辦法是立即冰敷。是的，但要在公園裏弄到冰塊並不容易。幸運的是，你看到不遠處有一家藥店，雖然你一瘸一拐的，但還是走到了藥店並向藥師求助，藥師十分好心地建議你買一袋速冷冰袋。這是一個簡單的塑料袋，如果你按壓袋子的中心，它就會馬上開始冷卻，直到溫度達到-10℃左右。這聽起來就像魔法一樣，但這一次仍然是化學反應讓我們明白發生了什麽。冰袋裏其實有兩個隔層：一層是單純的水，另一層是無水硝酸銨（NH4NO3）。當我們按壓袋子時，破壞了兩層中間的隔膜，硝酸銨與水就可以接觸了。硝酸銨極易溶於水，而且溶解過程具有明顯的吸熱現象。這說明硝酸銨的溶解會吸收環境中的熱量，從而使溶液冷卻。之所以會出現這種情況，是因為NH4+和NO3-溶解（還記得我們在第三章第1節中講過的關於水的極性嗎）在水中形成硝酸銨溶液的這個過程，與固體硝酸銨和水分開時的初始情況相比，需要更多的能量。形成溶液所需的能量來自環境，因此環境的溫度會降低[這個過程雖然需要能量，卻是自發的。對於這一點我們會在第四章第1節的最後（反應的自發性、熱力學和動力學）做出更好的解釋]。

除了吸熱過程，還有放熱過程，也就是指能量的釋放過程。這樣的反應過程也能運用於實踐中。例如暖手寶，它的工作原理與速冷冰袋一模一樣，不同的是一個放熱一個吸熱。前段時間市場上有售一類即飲咖啡，它被一個雙層底的小杯子裝著。我們按一下杯底，幾分鍾後咖啡就沸騰了。在這種情況下，雙底部之間裝有分開的水和氯化鈣（CaCl2），按壓擠破了水和氯化鈣之間的隔膜，使氯化鈣溶解，產生加熱咖啡所需的熱量。

拓展：高分子化學

納塔教授，您用一種新的方法成功地製備了具有規則空間結構的大分子。您的發現所帶來的科學技術影響是巨大的，大到現在還不能完全估計[59]。

有些分子可以相互結合，形成長鏈。這樣得到的大分子被稱為聚合物（來源於希臘語，意為“很多單元”），而組成大分子的小分子則被稱為單體（monomer，“一個單元”）。分子鏈中有重複單元，這些單元在聚合物中是相同的，但在共聚物（copolymer）中也可以是不同的。

自然界中存在著無數的高分子化合物。許多生物分子就具有這種結構[生物聚合物（biopolymer）]。比如，蛋白質是由多個氨基酸分子通過肽鍵連接而成的高分子化合物。而多糖（澱粉、纖維素、糖原）是由單糖通過糖苷鍵連接而成的高分子化合物。核酸（DNA和RNA）也是生物大分子化合物，它的單體是核苷酸（nucleotide），而核苷酸又由核糖或脫氧核糖、含氮堿基和磷酸基團構成。

化學家們對高分子的合成早已駕輕就熟，高分子化學對社會產生了巨大的影響，比如應用廣泛的塑料和合成纖維都是由高分子化合物製成的[60]。

我們最早可以在法國人亨利·布拉科諾（Henri Braconnot，1780—1855）和德國人克裏斯蒂安·尚班（Christian Sch?nbein）的工作中看到對合成高分子的研究。1832年，布拉科諾用濃硝酸處理木材和棉花，得到了一種可燃性化合物——賽勞丁硝化澱粉（xyloidin）。1845年，尚班在他家的廚房裏蒸餾硝酸和硫酸的混合物時，用妻子的棉質圍裙清理了一些飛濺的**。隨後，他將圍裙放在烤箱附近晾曬，但不料圍裙卻猛然起火。布拉科諾和尚班都曾製得硝酸纖維素（Nitrocellulose），這種纖維素被認為是第一種人造高分子化合物。

1860年，美國發明家約翰·韋斯利·海厄特（John Wesley Hyatt， 1837—1920）通過混合硝酸纖維素和樟腦發明了塑料（賽璐珞，Celluloid），後來由同樣是美國人的漢尼拔·威利斯頓·古德溫（Hannibal Williston Goodwin， 1822—1900）申請了專利，使電影業得以誕生。1865年，還實現了醋酸纖維素的合成。

1884年，法國工程師、發明家希萊爾·德·夏爾多內（Hilaire de Chardonnet， 1839—1924）將硝酸纖維素溶解在酒精和乙醚中，並將得到的混合物放入紡紗機中，得到了第一種人造紡織纖維，即“夏爾多內纖維”。盡管這種纖維高度易燃，但它仍然是天然纖維的有效替代品。早在1855年，喬治·安德曼斯（Georges Audemars）就已經發明了類似的產品，也就是後來的人造絲（rayon）。兩位英國的工業化學家查爾斯·弗雷德裏克·克羅斯（Charles Frederick Cross， 1855—1935）和愛德華·約翰·貝文（Edward John Bevan，1856—1921）在19世紀80年代初開發了一種工藝，是用燒堿和二硫化碳來處理纖維素。這樣得到的木漿[黏膠纖維（viscose）]可以在紡紗機裏通過含硫酸和硫酸鈉的凝固浴處理後得到優質的纖維。該專利被英國企業家塞繆爾·考塔爾德（Samuel Courtaulds， 1876—1947）買下，並於1906年開始工業化生產。在第一次世界大戰前夕，該方法承包了80%的人造絲的生產。

以前的人造高分子材料，不管怎麽說都是以天然高分子——纖維素為起始原料的，因此它們可歸為半合成高分子化合物。要想得到真正的合成高分子，我們還得等到1907年。那年，移居美國的比利時化學家利奧·貝克蘭（Leo Baekeland， 1863—1944）通過甲醛和苯酚的反應，得到了第一個完全人工合成的聚合物。這是一種被稱為電木（bakelite）的樹脂。

同一時期，德國化學家弗裏德裏希·赫爾曼·勞克斯（Friedrich Hermann Leuchs， 1879—1945）進行了氨基酸N-羧基-環內酸酐（Animo acid N-Carboxyanhydride）的合成，獲得了第一個合成多肽。隨後，德國人赫爾曼·施陶丁格登場，在高分子化學的曆史演變中貢獻了濃墨重彩的一筆。1922—1932年，為了讓大家接受高分子這一概念，施陶丁格在德國科學界辛勤耕耘。因為赫爾曼·埃米爾·費歇爾和海因裏希·奧托·威蘭（Heinrich Otto Wieland， 1877—1957）等傑出的有機化學家其實並不接受這一概念。不過施陶丁格最終得償所願，也正是因為在高分子化學方麵的貢獻，他獲得了1953年的諾貝爾化學獎。

同樣是在那幾年，美國人華萊士·卡羅澤斯（Wallace Carothers，1896—1937）對聚合反應進行了重要研究。1931年，他發明了第一種稱為氯丁橡膠[Neoprene，聚氯丁二烯（polychloroprene）]的合成橡膠，1937年，他合成了尼龍66[nylon 66，聚六亞甲基己二酰二胺（polyhexamethylene adipamide）]，這是第一種在各種技術領域得到廣泛應用的合成聚合物。

20世紀50年代初，德國人卡爾·齊格勒（Karl Ziegler， 1898—1973）發明了能夠用於聚合乙烯（比如廚房用的保鮮膜的成分就是聚乙烯）的特殊催化劑。意大利人居裏奧·納塔使用了類似的催化劑來聚合丙烯，由此獲得的聚丙烯（全同立構聚合物）由蒙特卡蒂尼（Montecatini）公司[後來的蒙特尼迪森（Montedon）公司]以莫普綸（Moplen）為商標名進行工業生產[吉諾·布拉米耶裏（Gino Bramieri）在廣告節目《旋轉木馬》（Carosello）中廣泛宣傳此產品，該產品的一些廣告語也變得很有名]。那是一場真正的技術革命，許多家用品和工業用品都是用這種新材料製成的。齊格勒和納塔在1963年獲得了諾貝爾化學獎（納塔是唯一獲得這一令人羨慕的化學獎的意大利人）。圖30為聚丙烯鏈的不同結構。

1966年，為了製造新型輪胎所需的堅實且有彈性的橡膠，斯蒂芬妮·露易絲·克沃勒克（Stephanie Louise Kwolek，生於1923年）合成了一種新型芳香尼龍。1973年杜邦（Du Pont）公司以凱夫拉（Kevlar）為商品名申請了這種材料的專利。通過對這種材料的進一步改進，我們得到了強度是鋼的15倍的產品。

隨後，獲得1974年諾貝爾化學獎的美國人保羅·弗洛裏（Paul Flory， 1910—1985）對聚合反應的動力學進行了重要的研究。

圖30　聚丙烯鏈的不同結構

a　全同立構，其中所有碳原子具有相同的相對構型；

b　間同立構，其中相鄰的碳原子具有交替的相反構型；

c　無規立構，其中碳原子的構型是無規律分布的

如今，可利用技術合成且具有特殊性能的高分子聚合物材料產量巨大，用途廣泛。

直到20世紀70年代，所有的合成聚合物都是電絕緣體。在最近的幾十年裏，人們合成了具有特殊導電性能的高分子化合物，這種特殊性能使它們在電子領域有了極為有趣的應用。我們將在第四章第2節中討論這個問題。

[1]此處酶的含義，不包括核酶。

[2]近現代運動生理醫學的研究成果並不支持“運動後乳酸堆積導致肌肉酸痛”這一觀點。——譯者注