第四章 傍晚 4.1 晚餐
● 鍋與金屬
身體疲乏，略微跛腳，你就這樣回到家中。洗了個澡讓你精神清爽，同時還回想起今天早上學到的關於肥皂和清潔劑的知識。當你從浴室出來時，你有非常好的食欲，毫無疑問，這肯定是因為一天的工作和在公園裏跑步消耗了你大量的精力。妻子和兒子還沒有回家，你決定給他們一個驚喜，準備一頓美味的晚餐。你喜歡做飯，樂在其中。走進廚房，你開始從櫥櫃裏拿出必要的鍋和其他廚具。現在的廚房用具可以由許多材料製成，這要歸功於化學。我們接下來就從製作鍋的金屬（鋼、鋁，有時還有銅，比如祖母給你的那口老鍋）講起。
雖然你並未在意，但冶金學的曆史確實在很大程度上與人類的曆史相吻合。曆史學家將人類史前史劃分為4個時期：石器時代、銅器時代、青銅時代和鐵器時代。每個時期與人們所使用的工具材料都密切相關，其中有3個時期是關於金屬的，這並不是巧合。金屬對人類的重要性不言而喻：最早的鐵匠略施小計，便能夠利用火來提取和加工金屬，他們還成立了僧侶學院來傳承他們的技藝和技法。這種情況在今天的一些非洲部落中仍然存在。此外，希臘神話中的一些神靈也被想象成鐵匠——冶金藝術領域的專家。
在所謂的銅器時代（前4000—前3000），人類認識了第一批金屬，這些金屬當然就是金、銀和銅，我們在自然界中可以找到天然狀態下的它們。人類將發現的金屬通過簡單的錘打和冷加工，製造成珠寶、裝飾品和權力的象征。發現的隨機性、製造物的尺寸有限性以及機械強度的缺乏，使金屬無法實質性地改變這一時期我們祖先的生活條件。對他們來說，石頭仍然是最主要的材料。當人類學會了從礦石中提取銅和錫，並發現將這兩種金屬熔合在一起，可以得到一種機械性能比銅好得多的合金時，情況發生了本質變化：青銅時代（前3000—約前900）由此啟程。從礦石中提取金屬是一種氧化還原反應（見第三章第1節）。金屬化合物中的金屬實際上已經失去了電子，要想獲得自由狀態下的金屬，我們必須得使它們重新獲得失去的電子。第一種被人們使用的還原劑（可能完全是偶然的情況下）是來自木材燃燒後生成的碳。就像在發現新材料和新技術時經常發生的那樣，青銅最初被應用於戰爭。劍和盾牌主要由青銅製成，而銅和石頭在一段時間內仍被用於製造其他工具。由於銅和錫的礦藏很少靠近彼此，因此青銅冶煉催生了物流基礎設施的搭建，促進了商業和文化交流，這深深地改變了當時的社會組織。
人類第一次認識鐵，可能是因為偶然發現了含有這種金屬的隕石或隕石碎片。但隨著時間的推移，人類學會了從含鐵礦石中提取鐵，這類礦石通常比含銅和含錫的礦石更易得。此外，鐵這種初來乍到的新金屬，特性比青銅要好得多，因此鐵器時代（約公元前900年起的曆史時期）拉開序幕。從中東到近東，從古埃及到希臘，從羅馬到中國，幾個世紀以來，過去的各種文明都對新冶金技術的發展做出了貢獻。1556年，德國學者喬治·鮑爾（Georg Bauer， 1494—1555）[其名字拉丁化為格奧爾格烏斯·阿格裏科拉（Georgius Agricola）]的遺作《論礦冶》（De re metallica）印刷出版。這本書對當時采礦和金屬加工的知識與技術進行了充分的總結。因此，我們尊稱阿格裏科拉為“礦物學和冶金學之父”。
“金屬”一詞來源於希臘語μ?ταλλον（métallon），意為“礦山”“采石場”。我們目前了解的有大約90種金屬元素（約占所有現有元素的3/4），以及大量合金和金屬間化合物。在常溫常壓下，金屬幾乎都呈固態。唯一例外的是汞（Hg），它是**。有些金屬在很低的溫度下會熔化，比如镓（Ga）的熔點就隻有29.7℃。用镓製成的勺子看起來就像普通的鋼製勺子一樣，但如果你把它放在一杯熱咖啡中，它就會熔化消失，這會讓那些不了解這一特性的人感到驚訝[61]。另外，也有一些金屬要在非常高的溫度下才能熔化，比如鎢（W）的熔點為3410℃（這就是為什麽它被用於製造白熾燈的燈絲）。除了這些差異，金屬還具有許多共同的特點。從化學性質上來看，它們往往容易失去電子（被氧化），從而產生正離子。而在物理性質上，它們還有其他重要的特性：通常來說它們有很高的密度，是電和熱的優良導體，具有延展性和可鍛性，它們的表麵還可以反射光線。這種性質的相似性源於它們在微觀結構層麵的相似性。
在20世紀初，德國物理學家保羅·卡爾·路德維希·德魯德（Paul Karl Ludwig Drude， 1863—1906）提出了第一個解釋金屬特性的理論模型。德魯德將金屬晶體想象成由正離子按照一定的幾何形狀有規律地排列組成的晶格。離子是由原子失去一個或多個外部電子後形成的（這與金屬的氧化趨勢一致）。原子失去的電子仍然被限製在晶格內，但可以在晶格內自由移動，形成一種電子氣（德魯德模型，也被稱為自由電子模型）。同時，這種緊密的結構還可以解釋金屬的高密度。在沒有外部電場的情況下，電子會由於熱力學影響而隨機移動，就像氣體分子一樣。但如果被施加了一個電勢差，它們就會被吸引到正極（要記住電子是帶負電荷的），並開始有序地移動。而電流就是電子的有序流動，這就解釋了金屬的導電性。電子氣也能促進熱傳導。如果金屬被加熱，最接近熱源的電子會獲得動能，並開始加速移動，通過撞擊附近的電子，它們自身的部分能量被傳遞，為熱傳導做出第一個貢獻。第二個貢獻則是由晶格裏的離子提供的。那些最接近熱源的離子會開始圍繞其平衡位置快速振動，這種振動會在晶格內傳播，從而有助於能量以熱的形式傳遞。金屬變形的難易程度也可以用德魯德模型來解釋。施加在金屬晶體上的力實際上可以引起離子層（晶格麵）的滑移，但電子氣的存在可使整個結構保持穩定（這種情況反而不會發生在離子晶體中，因為如果我們試圖使其變形，離子晶體中晶格麵的滑移會使帶有相同電荷的離子相互排斥的同時又相互靠近，這會導致晶體的破裂）。自由電子模型也可以解釋為什麽金屬表麵會反射光線（就連普通的鏡子也利用了這一點，雖然鏡子是由玻璃製成的，但實際上，它們表麵覆蓋了一層薄薄的金屬膜）。我們記得光是一種電磁波（見第三章第1節）。當一束光照射在金屬上時，它的振**電場激發了金屬的表麵電子，驅動這些電子自由移動，並開始以與入射光相同的頻率振**。物理學告訴我們，一個振**的電荷會發出電磁波。因此，金屬會發出與入射光完全相等的光輻射，這就解釋了為什麽金屬看起來很有光澤。
德魯德的理論在定性的層麵上非常有效。但如果我們試圖定量計算某些值（電導率和熱導率、熱容量等），就會發現它的局限性。1927年，德國物理學家阿諾德·索末菲（Arnold Sommerfeld， 1868—1951）對德魯德模型進行了改進。我們在第一章第1節中提到的電子能帶理論，成功地揭示了金屬以及絕緣體和半導體的特性。
● 特氟隆
由金屬鋁製成的鍋，是你準備用來炒洋蔥的鍋，你要用炒洋蔥來製作意大利麵的番茄醬。這是一口不粘鍋，其中的原理也非常有意思。不粘鍋通常塗有高分子材料——特氟隆。特氟隆由杜邦公司於1938年首次合成，並於1946年上市。從化學的角度來看，它是一種氟化聚合物，其專業名稱是聚四氟乙烯（PTFE）。
1938年，美國化學家羅伊·普朗克特（Roy Plunkett， 1910—1994）偶然發現了聚四氟乙烯。一個氣瓶中儲存著氣態的四氟乙烯（TFE），但過了一段時間後，氣瓶裏的氣體竟然消失無蹤，取而代之的是一種具有優異的耐熱性和化學穩定性的白色粉末。人們發現，在氣瓶內的高壓條件下，四氟乙烯在鐵的催化下發生了聚合反應。
實際上特氟隆的反應性是非常弱的，因此它經常被用來生產用於化學試劑或工業管道的惰性容器。它的熔點在260～327℃。另外，這種材料的摩擦係數非常小，附著力很差，沒有任何黏合劑能夠黏合它。這就是為什麽它會被當作塗層用於不粘鍋。
幾年前，一些消費者權益保護協會和新聞機構提出了特氟隆的危險問題。根據他們的說法，高溫會引發特氟隆的分解反應，產生有毒物質。實際上，特氟隆在加熱至高溫時確實可以分解並釋放出有毒氣體和煙霧[62]，但隻有當溫度達到260℃時才會發生這種情況，並且隻有在350℃左右才會發生明顯的分解。而通常用於烹飪的油和黃油在200℃左右（通常油炸時會達到的溫度）就會開始分解，並釋放出有毒物質。因此，與油炸等一些烹飪技術（隻要不濫用，風險也相當低）的固有風險相比，使用不粘鍋的風險似乎可以忽略不計。
即使意外攝入鍋壁上脫落的特氟隆碎片，也是安全無恙的。正如美國食品藥品監督管理局（Food and Drug Administration，FDA）指出的那樣，特氟隆的化學惰性使它在被攝入時可以從機體內代謝出去。
人們恐慌特氟隆的背後，隻是因為一些混淆的概念和錯誤的資訊。這種誤解就在於人們對聚四氟乙烯和用於其生產的一種物質——全氟辛酸（PFOA）的認知。
美國環境保護局（Environmental Protection Agency， EPA）汙染防治與毒物辦公室（Office of Pollution Prevention and Toxics，OPPT）等機構懷疑全氟辛酸具有致癌性，盡管有關該假設的結論不完全一致[63]。不管怎樣，不粘鍋上塗有的特氟隆中通常都不存在全氟辛酸，即使存在，每平方米的鍋中也不超過千萬分之一克。在後一種情況下，我們以一個10千克重的兒童為例，要達到生物實驗中測試出來的全氟辛酸的最小毒性劑量，他必須攝入200 000個麵積為0.5平方米的平底鍋中的全氟辛酸[64]。
● 切洋蔥
此時你拿起了洋蔥，並將它剝皮、切片。痛苦就從這裏開始了。幾秒鍾後，你就哭得稀裏嘩啦。切洋蔥催淚這是眾所周知的，但很少有人知道這是為什麽。
洋蔥（Allium cepa）是一種球莖植物，屬於植物學上的蔥屬（allium）。廚房裏大家熟知的其他品種，如大蒜、韭蔥和火蔥也屬於蔥屬。這些植物的球莖都有一種特殊的香氣，主要是因為一種叫作烯丙基（allyl，這個名稱顯然來源於這些植物）的有機基團，其結構如圖31所示。
圖31 烯丙基的結構
兩個烯丙基可以通過單硫鍵結合在一起（圖32）。這樣得到的化合物被稱為二烯丙基硫醚（Allyl sulfide）。如果我們簡單地用R來表示烯丙基，我們就有了R—S—R。硫原子也可以是2個（R—S—S—R）、3個（R—S—S—S—R）或更多，之後我們會講到二硫化物、三硫化物等。蔥屬鱗莖植物特有的氣味正是來自這些分子。
圖32 二烯丙基硫醚的結構
而洋蔥催淚的性質則來源於切開鱗莖時產生的揮發性化合物。在洋蔥的鱗莖細胞中存在一種特殊的化合物（S-1-丙烯基-L-半胱氨酸亞碸，S-1-propenyl-L-cysteine sulfoxide），其分子中有一個丙烯基，一個亞硫酰基（S = O）和一個氨基酸（半胱氨酸）。當洋蔥被切開時，洋蔥細胞的細胞壁被破壞，一種特殊的酶——蒜氨酸酶（allinase）會水解這種化合物，形成丙烯基次磺酸（propenylsulfenic acid，CH3-CH2-CH2-S-OH）。第二種酶——催淚因子合成酶（Lacrimathory Factor synthase）會將丙烯基次磺酸轉化為丙烷硫醛亞碸（propanethial sulfoxide， CH3-CH2-CH=S=O）。圖33所示為切洋蔥時發生的反應。
圖33 切洋蔥時發生的反應
正是極易揮發的丙烷硫醛亞碸對眼睛產生了刺激，當它與角膜上的水液接觸時，會與水反應，釋放出硫酸。而眼睛這時就會增加淚水的分泌來防禦。但淚水分泌的增加隻會將更多的丙烷硫醛亞碸轉化為硫酸，在這種連鎖反應中進而使眼睛產生更多的灼燒感。不過，這樣產生的是極低濃度的硫酸，除了有灼燒感，它不會對眼睛造成實質性傷害。
丙烷硫醛亞碸極易溶於水。因此，如果在流動的水中切洋蔥，它就會被洗掉，催淚作用就會消失（但是，在流水中切洋蔥還是比較困難的）。
最後，我們觀察到，烯丙基和硫也存在於另一種具有特征香氣的化合物中，也就是芥末的氣味，這是由異硫氰酸烯丙酯（Allylisothiocyanate，R-N=C=S）造成的。
● 番茄醬
結束了痛苦的切洋蔥之後，你就開始在鍋裏倒油炒洋蔥。你還記得中午吃飯時學到的知識，所以就在鍋中加入了一撮小蘇打，這可以促進美拉德反應的發生（你還記得嗎）。幾分鍾後，洋蔥就呈現出奶油般的稠度和金黃色的外表，而且聞起來的味道也非常好。
此時，由於你沒有太多的時間來準備番茄醬汁，所以就直接將現成的番茄醬倒入了鍋中。
番茄肉裏含有多種化合物。它的酸味來自羧酸，特別是檸檬酸和蘋果酸（malic acid）。番茄中還有大量的維生素C，但這種化合物不耐熱，所以你不會在製成的番茄醬中發現它的身影。還有B族維生素（B1、B2和B6）和以β-胡蘿卜素形式存在的維生素A原，β-胡蘿卜素賦予番茄紅色的外觀。番茄裏還含有許多多酚類物質。多酚是一類含有多個酚環的物質，包括羥化的二苯基乙烯（hydroxylate stilbene）、類黃酮（flavonoid）、單寧（tannin）、酚酸（phenolic acid）和許多其他化合物，它們對機體起著各種作用。
除β-胡蘿卜素外，番茄肉中還含有其他具有類似分子結構的化合物，它們被稱為類胡蘿卜素（carotenoids）。其中含量最高的一種是番茄紅素（lycopene），它是使番茄呈現紅色的主要成分。番茄紅素是一種不飽和的脂肪族碳氫化合物。它的分子鏈結構中含有13個碳碳雙鍵，其中有11個是碳碳共軛雙鍵，並呈線性排列（圖34）。
圖34 番茄紅素的分子結構
番茄紅素有許多有益的作用。它的抗氧化性決定了它對預防腫瘤（如前列腺瘤）和心髒保護方麵有積極作用，還能抵禦紫外線對機體造成損害。它還可以對抗神經組織退化和預防骨質疏鬆症[1]。人們常常認為烹飪會使食物失去許多營養，這對某些物質來說並不假（如前麵提到的維生素C），但對其他物質來說就不一定了。以番茄紅素為例，烹飪反而可以提高其生物利用度。有證據表明，90～150℃的高溫會使番茄紅素的含量減少。但如果溫度保持在100℃以下，番茄紅素的降解程度就會大大降低。此外，加熱也會促進番茄紅素的順式異構體的生成，它較反式異構體而言，更容易被人體吸收。一項研究還表明，在烹調番茄時加入橄欖油可大大增加人體對番茄紅素的吸收[65]。11名受試者食用了用橄欖油烹調的番茄後，他們血液中的反式番茄紅素的濃度增加了82%，順式番茄紅素的濃度增加了40%；而在食用無橄欖油番茄的12名受試者的血液中，我們發現反式番茄紅素的濃度沒有變化，順式番茄紅素的濃度增加了15%多一點。烹飪傳統——建議用橄欖油並小火慢煮來製備番茄醬，再一次得到了科學的支持。
● 加鹽的順序
醬汁慢慢熬煮的同時，你在另一邊燒著煮意大利麵的水。每次你要煮意大利麵時，都會有一個疑問困擾著你：鹽應該在水沸騰之前還是之後加入呢？我們說思想可以分為不同的流派，就連在烹飪手冊中我們也可以經常看到相互矛盾的觀點。那麽這個問題從化學的角度可以怎麽來看呢？眾所周知，水在標準大氣壓下的沸點是100℃。如果你在水中溶解了鹽（或其他物質也沒關係），水的沸點就會升高。這種現象被稱為沸點升高，它類似於我們在第一章第4節中談到的道路撒鹽產生的冰點降低現象。沸點升高後的值是可以計算出來的。要使水的沸點升高1℃，每升水中就需要溶解58克的鹽。當你在煮意大利麵的時候，鹽的使用量是非常少的（每升水5～10克鹽），所以水沸點的增長實際非常小，隻有零點幾度，完全不影響煮意大利麵。我們也沒有理由認為在水沸騰之前或之後加鹽有任何區別。實際上水不存在“記憶效應”，每次水溶液沸騰時的溫度都是完全相同的。有時我們可以觀察到以下現象：當水燒熱了但還沒有完全沸騰時，加入鹽會誘發活潑而快速的氣泡震動。發生這種情況是因為鹽的加入產生了成核位點（nucleation site），這些成核位點有助於在**中形成蒸氣氣泡（即使是加入沙子或其他顆粒物質，也會發生同樣的情況）。總之，在水沸騰之前或之後加鹽是完全沒有區別的，鹽的存在對煮麵沒有任何影響。必須加鹽的原因也很簡單，那就是不加鹽的意大利麵實在食之無味！
● 煮麵
總之，你已經在水中添加了適量的鹽，現在水正歡樂地沸騰著，這時候意大利麵該下鍋了。從科學的角度來看，烹煮意大利麵並不像看起來那樣簡單。
首先，我們一放進麵條就會觀察到水的沸騰瞬間停止了。這是因為剛開始的麵條處於室溫狀態，它必須吸收水的熱量來加熱，所以水的溫度就瞬間降低了。
用於製作意大利麵的硬質小麥粉含有澱粉和蛋白質。蛋白質的含量，特別是球蛋白（globulin）和醇溶穀蛋白（prolamin）的含量對於最終成品的味道來說很重要。當麵粉被製成麵團時，醇溶穀蛋白（麥醇溶蛋白和麥穀蛋白）會產生麵筋（參見第二章第1節）。麵團攪拌過程中的機械加工會使麵筋蛋白鬆弛，形成細絲樣的結構，這些結構通過硫氫鍵緊密相連。通過這種方式，麵筋呈現出一種有序的結構，能夠吸入澱粉顆粒和氣泡。澱粉顆粒內有非結晶區和結晶區。非結晶區主要由直鏈澱粉（amylose，葡萄糖的線性聚合物）和部分支鏈澱粉（amylopectin，葡萄糖的支鏈聚合物）組成。而結晶區則由支鏈澱粉組成，支鏈澱粉由中心向外圍方向有序排列。顆粒的整體結構包括非結晶區域和同心結晶區域的交替排列。在加熱過程中，熱水會使澱粉糊化，也就是顆粒的結晶狀態逐漸溶解，呈熔融的糊狀。澱粉的糊化從麵條外部開始，再逐漸膨脹。水通過滲透作用在顆粒內部進行滲透，在高溫沸騰的促進下，加速麵條的運動。在理想的烹飪中，麵條一定得有嚼勁，不能煮得太軟爛，也就是說麵條必須熟得很均勻，並保持韌性和彈性。人們容易混淆有嚼勁的麵條與中心未熟的麵條。有嚼勁的麵條比煮過頭的麵條更容易消化，因為麵筋的外層會把澱粉留在內部。這樣澱粉就會逐漸被吸收，從而避免在消化階段出現血糖高峰。
● 微波爐
在煮意大利麵的時候，妻子和兒子開始布置餐桌。同時，你從冰箱裏拿出前一天晚上煮好的土豆煮章魚。當然，冷的食物不能即食，所以你就把它放在微波爐裏加熱幾分鍾。
微波加熱也有非常有趣的知識。1945年，美國工程師、發明家珀西·斯本塞（Percy Spencer， 1894—1970）意外發明了微波爐。在雷聲公司（Raytheon Company，一家美國防務公司）工作的他，有一天，在開著雷達設備工作時，發現口袋裏的一塊巧克力融化了，由此他想到了利用雷達使用的微波來烹飪食物。微波爐內部有一個被稱為磁控管（magnetron）的微波發生器，它由一個特殊的熱電子管（或真空管）組成（雷達中也使用這種發生器）。微波是電磁波，其頻率低於紅外輻射。家用烤箱的磁控管一般以2450MHz（兆赫）的頻率發射電磁波。我們在第三章第1節中了解到，單個光子的能量取決於電磁輻射的頻率。通過計算我們可以得出，微波的能量與水分子的轉動能級之間的差值相對應。我們來試著理解一下這是什麽意思。一個分子有不同的運動狀態，即分子在空間內的平移運動、分子自身的轉動和分子內原子圍繞其平衡位置的振動。量子力學表明，分子在做平移運動時的能量不是量子化的，也就是說各狀態對應的能量值可以是任何連續的數值。而與分子轉動和原子振動相關的能量則是量子化的，這說明它們的能量值不是隨意的，隻能是彼此不同的一些確定的（非連續的）值。我們現在已經知道，這樣的能量值被稱為能級。振動能級之間的能量差在數量級上對應於紅外輻射的能量。因此，將紅外輻射照射到物質上時可以激發分子內部原子的振動[通過分析樣品吸收紅外輻射的情況，我們可以獲得分子的結構信息，這種技術被稱為紅外光譜（infrared spectroscopy）]。同樣，如果是將微波照射到物質上，物質分子的轉動就能被激發，從而使分子或多或少轉動得快一點（因此也存在微波光譜或轉動光譜）。但並不是所有的分子都能以這種方式被激發。隻有極性分子，即那些內部具有電極性（分子兩端帶相反符號的電荷）的分子才有可能做到這一點。我們在第三章第1節中講過，水分子是典型的極性分子，因此它可以受到微波的激發。但分子的轉動隻有在它們相互獨立的情況下才有可能，而這隻在氣態下發生。食品中的水處於液態，存在於固體或半固體結構中。因此，當食物中的水分子被烤箱裏的微波激發時，它們的轉動就會被阻止。此時，它們不再轉動，而是開始圍繞它們的重心進行旋轉方向的振**，這種特殊的運動稱為天平動（libration）。水分子的這些運動會產生內部摩擦，從而產生熱量，加熱食物。但不含水的物質在微波爐中就完全不會被加熱。這一點可以得到證實，因為我們發現放在微波爐中的盤子（陶瓷或塑料製成）拿出來時仍然是冷的。有時候盤子是熱的，那隻是因為盤子中的食物被加熱後把熱量傳遞到盤子上來了。
在廚房使用微波爐有利有弊。微波爐是先加熱整個食物的內部，而傳統的烤箱則是由外向內加熱食物，所以烤出來的食物表麵總是比內部要熟一點。但微波爐由於輻射不均，也可能導致食物受熱不均（這就是為什麽微波爐裏會有一個轉盤）。另外，由於微波爐的加熱取決於水的存在，若食物內部的水分布不均勻，則食物不同區域的加熱效果可能會不同。微波爐加熱食物的速度非常快，但食物的溫度卻難以達到100℃以上。這可能會使某些病原微生物不能被完全滅活，但最重要的是，微波爐裏不能進行一些重要的食物化學反應，如美拉德反應（見第二章第1節），這些反應能賦予食物類似於傳統烹飪所能達到的香氣和口感。另外，關於微波爐加熱食物會致癌和微波危害健康的說法是完全沒有依據的，因為目前市麵上的微波爐都裝有絕對可靠的屏蔽裝置。
一切都準備好了後，你終於坐在了餐桌邊，可以開始享受你的烹飪成果了。妻子和兒子也都覺得飯菜味道不錯。但考慮到中午經曆的燒心的感覺，你吃得比較清淡，量也不多。吃完飯後就該洗碗了。你還記得以前你和妻子輪流用含有表麵活性劑的傳統洗滌劑（見第一章第2節）手洗餐具，但你一點也不追憶那段日子。畢竟你們購買洗碗機已經好幾年了，所以洗碗不再是一個問題。可能出乎你的意料，但洗碗機裏確實也有很多化學知識。
● 洗碗機
洗碗機的發明通常歸功於約瑟芬·科克倫（Josephine Cochrane，1839—1913），她是一位富有的美國女士。1886年，經常舉辦宴會的她在伊利諾伊州（Illinois）的謝爾比維爾市（Shelbyville）製造了一個洗碗機的原型[在她之前，一個叫作喬爾·霍頓（Joel Houghton）的人在1850年為一個原始的木製洗碗機申請了專利，但是作用寥寥]。
拋開機械和熱學方麵不談，洗碗機之所以有趣，首先是因為它使用的洗滌劑與手洗餐具的洗滌劑（其作用原理與我們在第一章第2節中討論的個人衛生清潔劑非常相似）有很大的不同。洗碗機用的洗滌劑清潔力度更強，因為盡管洗碗機內部產生的熱水的噴射壓力很大，但內部並沒有刷球或海綿進行機械清潔。此外，由於它們不與手直接接觸，這種洗滌劑很可能有更強的刺激性。為了使清除汙垢更容易，洗碗機用的洗滌劑堿性都非常強（見第三章第1節）。這要歸於純堿（碳酸鈉，Na2CO3）、偏矽酸鈉（Na2SiO3）、苛性鈉（氫氧化鈉，NaOH）、磷酸鈉（Na3PO4）或多磷酸鈉（Na5P3O10）的存在。此外，機洗洗滌劑中還含有非離子表麵活性劑（見第一章第2節），但它不能產生泡沫，因為泡沫會阻礙洗碗機內部加壓水柱的衝洗。機洗洗滌劑通常也有含氯物質，例如二氯異氰尿酸鈉[sodium dichloroisocyanurate， NaCl2（CNO） 3]。當溫度達到50～60℃時，氯就會被釋放出來，它既有消毒作用，又有對番茄醬等有色汙垢的漂白作用。另外，一些清潔劑還含有用於漂白作用的氧化劑、有助於消除汙垢的酶、染料和香料、用作抗稠化劑和惰性劑的硫酸鈉（Na2SO4）、漂白活化劑四乙酰乙二胺（Tetraacetylethylenediamine， TAED）以及屬於絡合劑或螯合劑（chelating agent）類的膦酸鹽。
在洗碗機中，除了洗滌劑，還需定期將所謂的光亮劑（brightener）加入專門的小槽中。光亮劑是一種含有表麵活性劑的**，正如我們所知道的那樣，表麵活性劑可以降低水的表麵張力。光亮劑會在洗碗過程結束後使用，用來提高餐具的衝洗效果。在衝洗用的水中加入少量的表麵活性劑可以使水更容易被去除，從而去除餐具上的水漬，以免在餐具表麵留下痕跡。光亮劑還具有酸性成分，可以中和餐具上可能殘留的堿性洗滌劑或可能的水垢沉積。但是過量的光亮劑往往會使餐具表麵產生條紋和霧麵現象，這與水質較硬造成的情況類似。擁有洗碗機的人都知道，除了洗滌劑和光亮劑，洗碗機中還必須定期加入一定量的鹽。盡管專門用於洗碗機的鹽比食鹽的純度更高，但普通的食鹽（氯化鈉，NaCl）也可以。水垢可能會使洗碗機的性能下降甚至是被損壞，而鹽能有效遏製水垢的形成。水垢的形成與水的硬度，即水中鈣離子（Ca2+）和鎂離子（Mg2+）的含量有關。為了降低水的硬度，洗碗機裏裝有離子交換樹脂（見第三章第1節），這些樹脂會用無害的Na+來取代自來水中的Ca2+和Mg2+。但長期使用之後，離子交換樹脂交換Ca2+和Mg2+的能力會達到飽和狀態，因此，鹽的添加能恢複離子交換樹脂中Na+的功能，使樹脂繼續執行其功能。一段時間以來，市場上還出現了“三合一”洗碗機洗滌劑，也就是集洗滌劑、光亮劑和鹽的作用於一體。由於洗碗機洗滌劑的堿性很強並含有其他化合物，我們建議最好避免直接接觸洗碗機洗滌劑，因為它們可能會對皮膚和黏膜產生刺激。
拓展：反應的自發性、熱力學和動力學
根據經驗確定的熱力學定律預測了由大量粒子組成的係統的可能行為，或者更準確地說，它概述了這種係統的力學定律。因為對有些人來說，熱力學定律似乎是約定俗成的金科玉律，這些人沒有敏銳的感知能力來使他們鑒別與單個粒子有關的數量級的數量，也不能頻繁地重複他們的實驗以獲得最可能的結果[66]。
有些物質相互接觸後會自發地進行化學反應，產生新的物質。而另一些物質，即使在理論上認為它們之間是可以反應的，但就是不會發生反應。還有一些物質，它們發生了反應，但反應會在平衡狀態下停止，這種狀態下同時存在著反應物和生成物（見第三章第1節拓展：化學平衡）。
造成這種差異的原因是什麽？化學家們長期以來一直在問這個問題。實際上，化學反應總是涉及能量的變化[67]，而隻有將熱力學（研究能量交換和轉化的學科）工具應用於化學，才能針對這個問題給出令人滿意的答案。要評估一個反應的自發性，我們必須考慮兩個因素。
第一個因素與能量緊密相連。任何物理係統都傾向於發展到其總勢能低於初始勢能的最終狀態。實際上，較低的能量含量對應著較高的穩定性。為了評估一個係統的能量含量，化學家定義了一個特殊的熱力學狀態函數，稱為焓（enthalpy），用字母H表示。在恒壓（就像大氣壓一樣是恒定的）條件下，化學反應中焓的變化（ΔH）等於反應吸收或釋放的熱量。
第二個要考慮的因素與另一個熱力學狀態函數有關，叫作熵（entropy），用字母S表示。它與宏觀物理態出現的概率有關。宏觀態包括的微觀狀態數量越多，這個概率就越大。顯然，無序狀態（如氣體）要比有序狀態（如晶體）有更高的概率出現宏觀態。由於這個原因，熵被認為是對係統中物質混亂程度的一種量度。熱力學第二定律指出，一個孤立係統的熵變（ΔS）永遠不可能是負數。
為了考慮到上麵的兩個因素，一個新的狀態函數被定義為吉布斯自由能，該狀態函數以美國物理學家、化學家喬賽亞·威拉德·吉布斯的名字命名。它由字母G表示，其變化量由ΔG表示。
如果一個反應的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（但該反應的逆反應會是自發的）。最後，如果自由能的變化等於零，反應就會處於平衡狀態。
將自由能、焓和熵的變化聯係起來的關係式中還包括溫度（ΔG =ΔH - TΔS）。適當地改變溫度還有可能使一些非自發反應自發地發生。這些考慮因素的實際重要性很容易理解，我們想想化工行業就知道了。
確定一個反應在熱力學上是否被允許發生是非常重要的，但這不足以預測它是否會在實際中百分之百發生，以及它是否能夠最終被成功實踐。實際上，有極其緩慢的化學反應（如鍾乳石的形成）和極其快速的化學反應（如爆炸）。
反應速率被定義為在單位時間內生成物（或反應物）的濃度變化[68]。反應速率與反應物的濃度成正比，各反應物濃度的指數被稱為反應級數（order of reaction），而這個比例的常數被稱為反應速率常數（rate constant）。由此產生的關係式被稱為動力學方程（kinetic equation），它是一個微分方程，可用來預測反應隨時間的變化。
速率常數除了與反應物的化學性質有關外，還與溫度有關，由此產生的關係式被稱為阿倫尼烏斯公式（Arrhenius equation），於1889年由瑞典化學家斯凡特·奧古斯特·阿倫尼烏斯（Svante August Arrhenius）首次提出，該公式就是以他的名字來命名的。
反應的速率常數都會隨著溫度的升高而增大。因此，任何反應的速率也都隨著溫度的升高而加快。這就可以解釋為什麽夏天食物變質得更快，但如果食物放在冰箱裏，就可以保存得久一點。這是因為低溫可以減緩食物變質的速度[2]。
阿倫尼烏斯公式中出現了一個特殊的量，叫作活化能（activation energy），我們可以將其定義為使一個反應發生所需的最小能量。為了能進行反應，反應物分子必須以高於某個臨界值的能量相互碰撞。這就好比我們要從一個國家到另一個國家去，而它們之間被一座山丘隔開，為了到達目的地，我們必須有足夠的能量來克服山丘的高度，而且不管目的地比起點的海拔高還是低，我們都要這樣做。反應的速率會隨著活化能的增加而降低。圖35顯示了能量在反應過程中的變化情況。
圖35 反應曲線
該圖顯示了能量在反應過程中的變化情況。在有催化劑的情況下活化能降低，導致反應速率增加
如果反應中生成物的能量比反應物的能量少，則該反應會釋放出多餘的能量（放能反應）；反之，反應會吸收能量（吸能反應）。無論如何，反應最開始都必須為反應物提供足夠的能量，以克服活化能所代表的“能量差”。這就可以解釋為什麽需要火花（或火焰）來點燃煤氣灶，以及為什麽即使是炸藥（其反應會產生大量的能量）也必須由雷管來觸發。
活化能和反應順序取決於反應物分子轉化為生成物分子的“方式”。這種“方式”被稱為反應機理（reaction mechanism）。它是指反應得以發生所經由的全部基元反應。一個反應的反應機理可以因催化劑（catalyst）的加入而被改變。催化劑在反應過程中沒有發生變化，但它們的存在卻改變了活化能，從而改變了反應發生的速率。催化劑可以適當地提高反應速率，但抑製劑（inhibitor）卻會降低反應的速率。催化劑在化工業中有著重要的作用。
催化劑在生物反應過程中也發揮著關鍵作用，這樣的催化劑被稱為酶。酶對生命的存在至關重要，同時它們也有很多的技術和工業應用。