生活中，人們常會問：“化學(xué)是干什么的？”哈佛大學(xué)George Whitesides教授的這句話比較恰當(dāng)?shù)鼗卮鹆诉@個問題：“化學(xué)決定了你活著和死去的方式。”
化學(xué)和我們的生活密切相關(guān)。如果用學(xué)術(shù)的語言描述化學(xué)，化學(xué)是研究物質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及變化規(guī)律的一門科學(xué)，與我們身邊看得見摸得著的物質(zhì)相關(guān)。物質(zhì)是世界的基礎(chǔ)?；瘜W(xué)跟很多領(lǐng)域關(guān)系非常密切，包括材料、生命、信息、空間等各類學(xué)科，是一門核心、實用、富有創(chuàng)造性的科學(xué)，是人們認(rèn)識自然、改造自然，提高人類的生活質(zhì)量和健康水平的保證，同時又能促進(jìn)其他學(xué)科的發(fā)展，推動社會的進(jìn)步
2001年的諾貝爾化學(xué)獎獲得者野依良治說：“化學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)的中心，而合成化學(xué)又是化學(xué)的中心。”化學(xué)最重要的兩個方面，一個是怎么創(chuàng)造物質(zhì)，一個是研究物質(zhì)的性質(zhì)。在這兩者中，核心是分子或者材料的創(chuàng)制，研究化學(xué)鍵活化、斷裂重組的規(guī)律，這是化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)；目標(biāo)是精準(zhǔn)，變革和新功能。分子合成徹底改變了人類的生產(chǎn)生活方式。在自然科學(xué)各個學(xué)科中，只有化學(xué)是有工業(yè)體系的，因為化學(xué)不僅能夠制造、分離和純化出自然界已經(jīng)存在的物質(zhì)，還能夠創(chuàng)造出具有理想功能性質(zhì)的、自然界中不存在的物質(zhì)。化學(xué)還可以通過跟其他學(xué)科的交叉融合，產(chǎn)生跨學(xué)科的前沿交叉領(lǐng)域，這些新的交叉學(xué)科領(lǐng)域又對合成化學(xué)本身提出了更高的要求，提供了新的機遇。
1828年，德國化學(xué)家威廉第一次用人工方法從無機物合成出有機物——尿素，這標(biāo)志著現(xiàn)代合成化學(xué)的誕生。截至2021年5月的數(shù)據(jù)，人類合成的分子現(xiàn)在已經(jīng)超過1.5億種，第1.5億種化學(xué)分子誕生在2021年的5月8號，是一個能夠治療癌癥和免疫疾病的分子。由此可見，合成化學(xué)為人類社會的發(fā)展做出了很大的貢獻(xiàn)。基礎(chǔ)化學(xué)工業(yè)的一塊錢投入，平均能帶來四塊錢的GDP，創(chuàng)造的價值是很可觀的。舉例來說，一個小小的藥物分子，一年能創(chuàng)造的價值是100多億美金。除此之外，分子合成還能創(chuàng)造社會價值，例如青蒿素的發(fā)現(xiàn)，在青蒿素的基礎(chǔ)上衍生出來雙氫青蒿素、蒿甲醚、蒿乙醚琥珀酸酯，這些抗瘧藥物的源頭——青蒿素是拯救上億人的神藥。化學(xué)對人類的影響是很大的，就在我們身邊，不需要復(fù)雜的儀器，所創(chuàng)造的分子就有可能改變世界。大家都知道諾貝爾獎的設(shè)立過程：最初的炸藥是不安全的，諾貝爾用復(fù)合材料做出安全炸藥，賺了很多錢，使得人類征服自然的能力提高了，于是設(shè)立了諾貝爾獎。合成化學(xué)也是一個認(rèn)知不斷的提升的過程，沿著從平面到立體，從小分子到大分子，從簡單到復(fù)雜的方向發(fā)展。100多年來的諾貝爾化學(xué)獎的歷史，半數(shù)以上都與物質(zhì)的合成或創(chuàng)制有關(guān)；2000年以后，諾貝爾化學(xué)獎獲獎都是跟化學(xué)合成或者分子創(chuàng)制有關(guān)的。合成化學(xué)為人類進(jìn)步做出了很大的貢獻(xiàn)。號稱20世紀(jì)的六大發(fā)明的信息技術(shù)、生物技術(shù)、核科學(xué)與核武器、航空航天導(dǎo)彈、激光技術(shù)和納米技術(shù)，如果沒有化學(xué)合成創(chuàng)造的物質(zhì)基礎(chǔ)，這些技術(shù)根本沒有辦法實現(xiàn)。抗生素、抗菌素在人類歷史中起的作用是非常大的。人類的平均壽命在上世紀(jì)50年代有比較大的提高。在這之前，一次感冒、一次感染就是致命的，我們對這些疾病和炎癥束手無策。而磺胺類藥物的發(fā)現(xiàn)完全改變了這一現(xiàn)象。磺胺藥物的問世標(biāo)志著合成藥物時代的到來，也開創(chuàng)了今天廣泛使用的抗生素領(lǐng)域。現(xiàn)在在市場上還有幾十種磺胺類的藥物。從磺胺的發(fā)展歷程可以看出合成化學(xué)在新藥開發(fā)過程中所起的作用：科學(xué)家可以按照現(xiàn)有分子去不斷地設(shè)計新結(jié)構(gòu)的分子，讓它的性能更好。合成化學(xué)和生命科學(xué)。生命的過程歸根到底是一系列化學(xué)變化過程。生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的研究，都需要理解這些化學(xué)變化的過程，需要合成化學(xué)來提供物質(zhì)基礎(chǔ)。美國遺傳學(xué)家宣布第一個人工合成的細(xì)胞的問世。它的誕生也是合成化學(xué)、分子生物學(xué)交叉合作的結(jié)果，體現(xiàn)了人類改造自然的無限的能動性。對于農(nóng)業(yè)來說，合成氨作為肥料很重要。古時候農(nóng)作物的產(chǎn)量，例如小麥，風(fēng)調(diào)雨順的條件下，畝產(chǎn)最多200斤，而現(xiàn)在畝產(chǎn)800斤，這與合成氨的發(fā)展關(guān)系很大。合成氨工業(yè)結(jié)束了人類完全依靠天然氮肥的歷史。如果沒有合成氨，就無法解決今天80億人的糧食的問題。此外，三大合成材料的創(chuàng)造徹底改變了人類生活，舉例如下：第1個例子，1986年時，美國的航天飛機發(fā)生了爆炸，是因為冬天溫度降低，其中的一個O形圈發(fā)生了收縮，導(dǎo)致其中的可燃液體爆炸。后來換了含氟的材料就解決了這個問題。第2個例子，無論是波音還是空客，這些飛機里大量地使用了合成材料，占了體積的80%左右。目前，我國的的大飛機使用的合成材料占比不到20%，這是會影響到最終的運營成本的。雖然我們現(xiàn)在解決了大飛機從無到有的問題，但是合成材料的效果要好很多，我們在這一方面還有不足。合成化學(xué)未來的機遇是什么，還有沒有活力呢？只要能設(shè)計出的結(jié)構(gòu)，就能做出來。未來，合成化學(xué)的方向?qū)⑴c生物能源材料有關(guān)，與綠色健康智能有關(guān)，未來的合成化學(xué)一定是更加經(jīng)濟的、安全的、環(huán)境友好的、節(jié)省能源與資源的化學(xué)。合成化學(xué)與資源環(huán)境的未來也密切相關(guān)。例如。光伏發(fā)電需要合成化學(xué)提供光伏材料；液體陽光——甲醇的利用與轉(zhuǎn)化也需要化學(xué)來支撐；白色污染變成清潔的燃油，也是一個有前景的研究方向。另外，化學(xué)轉(zhuǎn)化的綠色低能耗也很值得研究。例如，合成氨耗掉了全球2%的能源，而科學(xué)家一直夢想著在更溫和的條件下把氮氣變成氨。在材料方面，通過改變催化劑來改變材料性能的研究前景也很可觀。在生物技術(shù)方面，通過合成化學(xué)，我們可以用DNA來存儲電子數(shù)據(jù)，實現(xiàn)生物技術(shù)與信息技術(shù)的融合。有人做過測算，全世界目前的數(shù)據(jù)只需214公斤的DNA就能完整記錄，這背后的物質(zhì)基礎(chǔ)，合成化學(xué)可以提供。未來的合成化學(xué)從原料到過程到產(chǎn)品一定是綠色的，這是可持續(xù)發(fā)展的重要理念。與有待創(chuàng)造的東西相比，已經(jīng)創(chuàng)造出來的東西是微不足道的。合成可以創(chuàng)造未來，合成可以創(chuàng)造價值，影響和改變世界。
（文章選自《中國化學(xué)會》，系中國科學(xué)院院士丁奎嶺在“千名院士 千場科普”報告會上的報告，題為《合成創(chuàng)造未來》)
化學(xué)的神奇魅力可是不是隨便說說的，神奇起來讓人嘆為觀止。下面就選用幾幅傳說中的動圖，了解一下化學(xué)之美。
1、鐵棒與硫酸銅
原理：將除銹處理后的鐵棒放入硫酸銅溶液中，鐵單質(zhì)比銅更加活潑，置換出來的銅形成漂亮的松散沉淀。溶液原本是藍(lán)色的（水合銅離子顏色），隨著反應(yīng)進(jìn)行，藍(lán)色逐漸變淡。
花絮：銅離子本身并沒有藍(lán)色，無水硫酸銅是白色粉末。水溶液中藍(lán)色的是六水合銅離子。
2、紅與黑
原理：這是“碘鐘反應(yīng)”的一個變種。實驗中所用到的三種無色透明溶液（從前到后）分別加入了：
（1）焦亞硫酸鈉與水反應(yīng)生成亞硫酸氫鈉 （3）隨著碘離子濃度的升高，可溶性的汞鹽開始與碘離子形成碘化汞沉淀（橙紅色）（4）剩余的碘離子與碘酸根離子生成碘單質(zhì)（5）碘單質(zhì)與可溶性淀粉結(jié)合形成藍(lán)黑色的包合物 花絮：這個改良版的反應(yīng)由兩名普林斯頓大學(xué)的學(xué)生發(fā)明，他們在其中加入了汞鹽，使這個反應(yīng)可以先后形成橙紅色和黑色，而橙黑配正是普林斯頓大學(xué)的代表色。這個反應(yīng)通常被稱為“Old Nassau Reaction”，其中“Old Nassau”指的就是普林斯頓大學(xué)。因為顏色的緣故，它也被叫做“萬圣節(jié)反應(yīng)”。危險：高。氯化汞毒性很強，吸入、皮膚接觸或誤食時均有較高風(fēng)險，請勿在家嘗試。
3、鋰樹銀花
原理：這是金屬鋰燃燒的景象，燃燒過程中固態(tài)的金屬鋰不斷熔化，并生成氧化鋰。鋰的焰色反應(yīng)為紅色，但當(dāng)劇烈燃燒時火焰呈現(xiàn)一種“亮銀色”的狀態(tài)。
花絮：和其他堿金屬一樣，鋰火不能用水來撲滅，需要專門的干粉滅火劑。
4、人造煙霧
原理：在紙片的不同位置上事先分別滴上了濃鹽酸和濃氨水，這兩種東西都有極強的揮發(fā)性，而它們在空氣中相遇也會形成氯化銨，營造出煙霧效果。
花絮：另外一個常見的演示實驗“氨氣噴泉”展示了這種氣體在水中極強的溶解性。當(dāng)瓶中的氨氣接觸含有酚酞的水時，它們迅速溶解造成瓶內(nèi)壓強減小，形成粉色的倒吸噴泉：
危險：較低，不過濃鹽酸和濃氨水具有刺激性，需要注意通風(fēng)，避免吸入。
5、聚合泡沫
原理：這是生成聚氨酯泡沫材料的反應(yīng)，原料包括異氰酸酯、多元醇以及發(fā)泡劑等助劑。聚氨酯（PU）是指主鏈中含有氨基甲酸酯特征單元的一類高分子，它們化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，而且力學(xué)性能也有很大的可調(diào)性，因此在工業(yè)和生活中都有廣泛的應(yīng)用。聚氨酯泡沫可以作為保溫材料使用。
花絮：舉個例子，就能讓你體會到聚氨酯的“戲路”有多廣：市面上的人造皮革制品大多是聚氨酯材質(zhì)的，而最常見的非乳膠型避孕套所用的也是聚氨酯，它還可以做成沙發(fā)軟墊和鞋底。
危險：較低，應(yīng)注意避免吸入，避免接觸皮膚和眼睛。聚氨酯泡沫本身是相當(dāng)易燃的，因此很多商業(yè)產(chǎn)品都會預(yù)先加入阻燃劑。
（文章選自《生活中的化學(xué)》，在震驚于化學(xué)的美麗的同時，無比注意安全，也感謝這些實驗者和錄制者。)
