什么是化学

　　宇宙由物质构成。
　　撇开暗物质不谈，98%的物质都是纯氢和氦。但值得庆幸的是，数十亿年前，超级巨星们将氢和氦融合成所有其他元素，然后以大爆炸的方式，将它们扩散到整个宇宙。这就是化学的起源。这些元素组合在一起形成巨大的不同的分子组合，这些分子以惊人数量的复杂方式结合在一起。
　　化学是研究物质的所有形态及其相互作用的学科。从简单的原子到复杂的生物分子，比如蛋白质和DNA。
　　人类对化学的兴趣由来已久。如果没有火的化学反应，我们就不会成为今天的我们。我们用它来开发其他化学技术，从烹饪食物，用桨制造金属或制造玻璃，等等。从那时起，人类文明的许多进步都是建立在化学进步的基础上的，比如金属加工、制造化肥、制造新材料和药物。
　　让我们看看在化学学科里，都有什么。
　　首先，物质和所有不同的物质都是由最小的尺度构成的。我们从原子和元素周期表开始，元素周期表组织了所有不同类型的原子，即化学元素。每个色谱柱中的元素具有相似的化学性质。原子是由原子核中的质子和中子构成的，周围环绕着电子。大部分的化学反应都是由电子的行为决定的。通过将原子结合在一起，你可以得到不同种类的分子，它们被称为化合物。
　　元素周期表
　　化合物的化学性质通常与组成它们的元素非常不同，比如，氢很容易爆炸，氧气很容易燃烧。但把它们结合起来只会得到水，是最不容易爆炸燃烧的东西。化合物不一定是由单分子构成的。许多固体，如金属或盐，有一个由重复的原子群构成的晶体结构，称为单位晶格 。如果你有几种物质在一起，你就有一种混合物，就像你周围的空气或蛋糕。
　　接着就是，原子是如何结合在一起的，这是一个非常重要的概念，键合。原子以几种不同的方式结合在一起，它们通过窃取或共享电子或将电子移动到不同的构型来降低它们的结合能。科学中的一个普遍规律是，所有东西都试图最小化它们的能量，而键合是原子实现这一目标的一种方式。
　　理解化学物质中能量如何运动对于理解反应何时会发生或不会发生至关重要。例如，木头不会与氧气反应而自燃，但如果你一开始就给它足够的能量，它就会自燃。另一个能量非常重要的例子是你可以通过引入催化剂来加速其他两种化合物之间的反应。催化剂使反应的能量更有利，所以加速了反应。
　　能量还决定化合物何时以不同的形式存在——固体、液体或气体。它们的形态取决于它们所处的温度和压强。每种材料的数值都不同，但一般来说，低温和(或)高压下物体是固体，高温和低压下是气体。另一种非常有趣的物质形式是等离子体，它是从气体原子中剥离电子，使它们变成离子。这是用来制造霓虹灯的。
　　化学反应是化学的核心，化合物之间发生反应，为什么发生反应，反应后还剩下什么。有许多不同种类的反应，可以用不同的方式来分类。所有这些反应都受一套被称为化学定律的基本规则的支配，其基础是质量和能量守恒，这意味着无论物质或能量在化学反应中产生或破坏，它们只是变成了不同的形式。
　　动力学研究的是反应发生的快慢，以及控制反应速率的因素。电子从一个反应物转移到另一个反应物的反应称为氧化还原反应或氧化还原反应。简而言之，氧化意味着物质失去电子，还原意味着获得电子。它们必须同时发生。钠和氯就是一个例子。氯是还原剂，钠是氧化剂。物质的另一个重要性质是它们的ph值无论它们是酸还是碱。有几种理论来模拟酸碱反应，但一种思考方法是酸或物质在化学反应中含有氢离子，而碱是一种吸收氢离子的物质。如果有许多不同的化合物可以相互反应，就会在一种物质和另一种物质之间出现波动。平衡是指每种物质的量都是恒定的，即使反应仍可能发生。这也可以发生在相变中，比如从固体到液体或从液体到气体。
　　这些是化学基础知识。化学研究着眼于这些规则如何应用于不同的化学系统。
　　现在我要继续讲化学中的不同领域。
　　理论化学试图用数学方法解释原子和分子的结构以及它们如何相互作用。它与理论物理和量子化学密切相关，经常使用计算化学的技术，在计算机中模拟原子、分子和反应。模拟比单个氢原子更复杂的物体的适当量子行为是非常困难的，对多个物体来说更是不可能。计算机科学中的许多尖端技术被用来尝试和模拟分子以及分子之间的相互作用。事实上，这是量子计算机最令人兴奋的应用之一，因为它们将能够直接模拟化学系统。我在发现新材料、新药物等方面提供帮助。
　　物理化学，从物理的角度研究化学系统，比如能量，力，时间，运动，热力学，量子性质等等；还有许多领域，比如研究电化学中的电子特性，这对开发更好的电池很重要，或者材料科学，这是试图创造具有新特性的材料，如极端强度，耐久性或自愈合。这对于建造依赖新材料的地球核聚变反应堆来说是一个关键问题。
　　分析化学就像侦探工作。你有一个样本，你需要弄清楚它是由什么组成的。在不同成分的数量上，化学家已经开发了大量的技术来探测和测量不同材料的不同性质。传统的技术包括湿化学技术，比如沉淀，它根据化合物蒸发的温度来分离化合物。还有很多现代技术，比如色谱法，不同的化合物在溶液中以不同的速度移动，因此被许多不同种类的光谱学分离开来，这些光谱学可以通过光照来检测材料，或者质谱仪，材料被扔过电磁场根据它们的质量将它们分开。
　　最后，我们会讲到无机化学、有机化学和生物化学。
　　有机和生物化学研究生物的化学，无机化学研究的是其他一切，尽管仍然有大量的交叉。无机化学所研究的大部分无机化合物都是人造的，很多动机是寻找具有新特性的化学物质可以用于化学工业。
　　事实上，在人类努力的领域中，很少有有机化学没有以某种方式应用于医药和农业，特殊的液体如洗涤剂或乳化剂，特殊的涂料材料，颜料或许多工业用途的燃料。在化学生产本身，催化剂是非常重要的，因为它们可以加速其他化学反应。有机化学也渗透到材料科学中，制造具有新型晶体结构的固体，如高温超导体，例如无机化学和有机化学之间的列表是无穷无尽的还有有机金属化学。它研究的是有机化合物，它们与金属结合，通常用于化学工业中的反应，通常作为催化剂。
　　有机化学研究生命分子的结构和行为，生命分子通常是由碳、氢、氧、氮和其他一些不同的原子组成的。有机化学家也在研究制造具有有用性质的新型有机化合物。有机分子都含有碳，而碳氢键是有机化学中最常见的结构。有机化学在工业、化肥、农药、润滑剂、聚合物和塑料方面有大量的应用。在消费领域，有香料，调味剂和防腐剂，当然，还有制药行业的药物。
　　最后，在有机化学之外产生了生物化学，它研究生物体的化学。
　　生物化学研究无机成分，如水或矿物质。但也研究最大、最复杂的分子，比如蛋白质、脂肪和DNA。另一方面，这一领域也与分子生物学相融合，分子生物学是研究生命如何从细胞内的化学过程中产生的最细微的细节。在生物化学中，有四大类被称为生物分子的分子。碳水化合物用于结构和储存能量；脂质构成脂肪；蛋白质是由氨基酸组成的大分子氨基酸在体内有大量不同的功能；还有用来传递遗传信息的核酸。生物化学的研究对医学产生了巨大的影响，帮助我们了解传染病和遗传疾病，改善器官和组织移植，通过临床诊断找出你的问题，当然，了解营养，研究维生素和矿物质在我们体内的功能。生物化学对农业、研究土壤、肥料和虫害控制也非常重要。还有很多其他的应用。
　　这就是化学的全貌，化学跨越了一个巨大的复杂山脉，从单个原子到维持生命的细胞。