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化學

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唔同化學品(包括氨水硝酸)有唔同色水。
錫(Sn)硫(S)
鑽石(碳其中一隻同素異形體)蔗糖(一隻碳水化合物,即係食糖
氯化鈉(食鹽)碳酸氫鈉(梳打粉)
唔同化學物質有唔同形態,由左到右、由上到下數:(Sn)同(S);鑽石其中一隻同素異形體)同蔗糖(一隻碳水化合物,即係食糖);氯化鈉(食鹽;NaCl)同碳酸氫鈉(梳打粉;NaHCO3)。

化學粵拼faa3 hok6英文chemistry),廣東話日常用語度興嗌做「kem1」(取自英文字 chemistry 嘅第一個音節),係一門研究物質同埋佢哋嘅各種特性嘅自然科學。一種物質嘅特性好取決於佢喺原子層面上嘅結構,所以化學好重視研究原子(atom)同埋佢哋嘅組合-後者包括咗好似分子(molecule)、結晶體(crystal)同埋金屬等呢啲日常生活成日見到嘅嘢。化學仲會研究原子同原子組合點樣喺化學反應嗰陣有相互作用、原子點樣黐埋一齊組成更加複雜嘅粒子、仲有係物質之間嘅關係以及當兩種物質相互影響而發生改變嘅時候能量嘅變化等嘅問題。研究化學嘅人叫做「化學家」,佢哋係循住科學方法(scientific method)[1]去解構各種物質嘅結構、特性同埋變化[2][3]

個名點嚟

喺各個唐話(包括廣東話、普通話閩南話等)入面嘅「化學」呢個詞,如果淨係由字面解即係「變化嘅科學」噉解[4]。而英國話入面「Chemistry」呢個詞係由「Alchemy」嗰度嚟[5][6]。「Alchemy」係指煉金術-一門喺中世紀(5 至 15 世紀)歐洲研究點樣將啲嘢變做黃金嘅學問。經過好耐嘅發展,煉金術已經俾人發現咗佢係冇料到嘅-家吓幾乎冇人會當佢係真,但係煉金術師所學到嘅知識(例如係點樣將一種物質變做第種物質)就演化咗做現今嘅人所講嘅「化學」-用科學方法由原子層面嚟去研究物質嘅一門學問。

概論

德國科隆大學(University of Cologne)生物化學學院實驗室入面嘅工作枱
喺化學反應裏面,連接住原子嘅鍵斷裂之後重新形成,變成有唔同特性嘅物質。譬如係響一個好熱嘅煉鋼爐入面,氧化鐵Fe2O3)同一氧化碳CO)產生化學反應,產生Fe)同二氧化碳CO2)。

研究對象

化學嘅基本定義就係「研究物質嘅科學」。喺現代化學嘅概念裏面,一切嘅物質都係由原子或者比原子更加細粒嘅嘢組成。一堆原子黐埋之後可以成為其他嘅粒子,例如係分子、結晶體噉。化學對物質嘅研究主要有三方面[2][7][8]

  • 一方面,化學好睇重研究物質之間會點樣互相有化學反應-亦即係物質嘅化學性質(Chemical properties;物質喺化學反應入面表現出嚟嘅特質),例如係噉,佢燒得著,係因為佢同空氣入面嘅(Oxygen;O2)一超過特定嘅溫度嗰陣就會自動發生反應,而呢個反應會產生
  • 另一方面,化學會研究呢啲粒子嘅排列方式等嘅因數會點樣影響物質嘅物理性質(Physical properties;物質喺化學反應以外表現出嚟嘅特質),例如一舊入面啲原子組成咗一個好大嘅結晶,而且每粒原子都同隔離嗰粒黐到勁實,所以令到鋼呢種物質好硬淨;H2O)喺室温下係液體,因為喺嗰個環境下佢入面啲粒子嘅活動程度大過固體而少過氣體
  • 除咗噉,化學對呢兩種性質嘅研究仲包括咗物質同能量之間嘅互動,例如係喺人工產生嘅化學反應嗰度有時會用到電磁波(Electromagnetic waves)嚟去激發或者加快化學作用。而且化學研究物質唔一定要講化學反應-光譜學(Spectroscopy)就研究物質同光之間嘅啦掕,而呢啲啦掕唔一定涉及化學反應。

化學呢門學科同物理(Physics)有好密切嘅關係。佢哋都會研究物質,而物質包含咗宇宙入面大部份嘅嘢,所以呢兩個學科成日俾人一齊列做現代自然科學之中最緊要嘅學科。喺現代物理學嘅概念入面,原子仲有得拆做再細啲嘅粒子(Particle),好似係電子(Electron)、中子(Neutron)、同質子(Proton)呀噉[9],而物理學上對呢啲嘢嘅研究好多時都會幫到化學家了解原子。兩個學科嘅分別在於佢哋嘅研究層面:化學反應都係以原子或者原子團做單位進行嘅-所以一般認為細粒過原子嘅嘢係物理學嘅範圍[10],而原子或者大粒過原子嘅嘢先至屬於化學嘅研究對象。

當代嘅化學已經發展出好多唔同嘅子領域。子領域之間嘅差異幾大-通常一個化學家淨係會專攻其中一兩門子領域,而唔係佢做嗰飯嘅專業化學佢好大可能連睇都睇唔明。喺中學課程教嘅化學一般俾化學家嗌做「普通化學」(德文Allgemeine Chemie英文General Chemistry法文Chimie Générale)。普通化學係化學嘅導論,提供初學者一啲入門嘅簡單概念,同專業嘅化學領域比起嚟並唔深入,但係普通化學提供咗化學家嘅思維方式-就算係專業嘅化學家都仲用呢啲簡單概念嚟解釋同思考一啲複雜嘅化學知識[11][12]

中心科學

好多人叫化學做「中心科學」(Central science)[2][13],因為佢將科學嘅好多個分支,例如物理、材料科學(Material science)、醫學(Medicine)、生物學(Biology)、納米科技(Nanotechonology)、同埋地質學(Geology)等連埋一齊。化學嘅好多個專科都同呢啲科學學科有仲好多疊嘅地方,不過呢啲化學分支又好獨特,例如:特強物科嘅製作要用到化學(例如係研究粒子嘅排列點樣影響物質嘅硬度),但係又係材料科學嘅課題;研發新藥物嗰陣需要了解啲藥物會點樣同胃酸等嘅人體入面嘅物質有化學反應(所以酸鹼度嘅研究喺呢度有用),但係又同醫學好有關係;喺生物學度,對於生命過程嘅研究又要用到化學-新陳代謝(Metabolism)牽涉到好大柞身體入面嘅化學物之間嘅化學反應,又或者例如係曉睇嘢係因為對人入面有啲遇到光就會變化嘅蛋白質(Protein),而呢啲蛋白質會跟手向個傳電子訊息。化學將物理上對粒子嘅研究同其他學科連埋一齊,所以就係「中心」。

基本概念

(Helium)原子嘅結構;圖入面見到粒原子核(紅藍色嗰粒)同埋包住佢嘅電子雲(指電子可能存在嘅空間)。

物質

內文:物質

喺現代科學入面,物質一般都係俾人定義做有以下特徵嘅嘢[2][14]

  • 有固有質量(rest mass;佢喺唔郁嗰陣嘅質量);
  • 容量-每件物質都會霸些少空間;
  • 粒子組成;粒子唔一定有固有質量,例如係光子(Photon)噉,光子喺唔郁嗰陣係冇質量嘅。

原子

內文:原子

原子(atom)係組成物質嘅基本單位。佢係一舊由一個帶正電荷原子核(atomic nucleus)同埋帶負電荷嘅電子殼(electron shell)組成嘅粒子。原子核仲有得分做質子(proton)同埋中子(neutron)兩種再細啲嘅粒子,前者帶正電荷,後者冇電荷-所以原子核總體係帶正電荷。而電子殼就有若干數量帶負電荷嘅電子(electron)[15]。質子同中子大粒過電子好多-質子嘅質量大約係電子嘅 1,836 倍,但係每粒質子帶嘅正電荷同每粒電子帶嘅負電荷一樣:喺呈中性嘅原子嗰度,電子殼入面嘅負電荷會啱啱好平衡到原子核入面嘅正電荷[16]

原子係化學反應嘅最細單位:化學反應係因為原子交換電子先至進行到嘅-細粒過原子嘅粒子唔會進行化學反應,會有化學反應嘅嘢一定係原子或者大粒過原子嘅嘢。

化學元素

內文:化學元素
  • 一種化學元素(chemical element)係一個種類嘅原子,而佢哋嘅原子核入面都有某個特定數量嘅質子。好似係(hydrogen)原子就係指個原子核入面得一粒質子嘅原子;(carbon)原子係原子核入面有六粒質子嘅原子;而(uranium)原子係原子核入面有 92 粒質子嘅原子。每一種元素都有一個特定、佢專有嘅原子序數(atomic number;定義係「原子核入面嘅質子數量」)-有六粒質子嘅原子一定係碳原子,所以原子序數係鑑別一粒原子係乜嘢元素嘅指標。元素係純嘅物質,如果一舊物質入面所有原子都屬同一種元素,就冇得用化學方法再去分解[17]。而由元素組成嘅物質(包括水同人體)就叫做化學物質(chemical substance)。
  • 同一種元素可能有好多個唔同嘅同位素(isotopes)。「一個元素嘅同位素」係指原子序數一樣,但係質量數(mass number;定義係「一粒原子入面質子數量同中子數量加埋得出嘅數字」)唔同嘅原子。好似係碳 13(carbon-13)同碳 14(carbon-14)噉,呢兩種原子嘅原子核入面都有六粒質子,所以都係屬於碳元素,但係碳 14 粒原子核嗰度多咗一粒中子-所以碳 14 嘅原子核會重過碳 13 嘅,而且前者仲曉放輻射。同一種化學元素嘅同位素因為質子同電子數量一樣,所以化學特性會一樣,但係佢哋物理特性(例如係原子核嘅穩定性)可以好唔同[18]
元素週期表列嗮所有已知嘅元素、佢哋嘅符號、同埋佢哋嘅原子序數出嚟。
  • 要列舉化學元素,最常用同埋最方便嘅方法莫過於元素週期表(periodic table)。週期表會按照原子序數嚟排啲元素,由原子核入面得一粒質子嘅(原子序數:1;符號:H)開始數起。呢個表嘅奇怪擺法令到擺埋一齊嘅元素,無論係同一個直行、同一個橫行、定係純粹喺附近,都有一啲大致上固定嘅關係。
  • 為咗方便起見,每種元素化學家都俾咗個符號佢-用一至三個羅馬字母嚟代表一種元素,等寫化學嘢嗰陣唔使吓吓都出佢哋嘅全名,例如係氫嘅化學符號係 H(原子序數:6)嘅化學符號係 C,而(原子序數:92)嘅化學符號就係 U
  • 仲有樣嘢叫同素異形體,講緊係兩樣嘢個樣唔同,性質唔同,但係其實係由同一元素組成。好似石墨鑽石咁。

化合物

一個環(Benzene ring)係由碳同氫兩種元素組成嘅分子。碳原子同氫原子之間由共價鍵(化學鍵嘅一種)連住。
內文:化合物

化合物(Chemical compound)係一啲由多個一種元素以固定比例同透過化學反應結合而成嘅物質[19]。好似係水噉,水係一氧化二氫()-由氧(Oxygen;原子序數:8;O)同氫兩種元素組成,而兩者喺水入面嘅比例係 2 比 1 -喺水入面每兩粒氫原子就有一粒氧原子(順帶一提,喺一粒水分子入面,有兩粒氫原子同一粒氧原子,三粒原子之間成 104.5° 度角)。元素之間喺一種化合物入面嘅比例決定咗後者嘅化學特性。

化合物可以同純一種元素嘅物質有化學反應,而化合物同化合物之間亦都可以有反應。

化合物有分有機無機,有機化合物可以講成嘅化合物,除咗碳酸、碳酸鹽、氰化物等小部分之外,其他有碳有氫(有時有埋氧、氮等元素)嘅化合物都算。

分子

內文:分子

一粒分子(Molecule)喺化學上嘅定義嚟講,係指一個由兩個或者更多嘅原子俾一啲化學鍵黐埋一齊嘅產物,而冇帶電荷嘅[20]。分子係化合物嘅最根本組織之一。好似係氧分子噉樣,佢嘅化學式係 -每粒氧分子入面都有兩粒氧原子由化學鍵連住,而且佢嘅質子數量同電子數量一樣,所以整體嚟講唔帶電荷。好多常見嘅有機物質都係由分子所組成嘅,而海同埋大氣入面大部份都是屬於分子。

化學鍵

內文:化學鍵

化學鍵(Chemical bond)係一種透過電子嘅分配將一個分子或者化合物入面嘅唔同原子黐埋一齊嘅力量。要將原子連住有可多種唔同嘅鍵可以用,好似係透過共享電子形成嘅共價鍵(Covalent bond)、仲有係離子鍵(Ionic bond)同埋金屬鍵(Metallic bond)比較常見。

離子

一粒鈉原子將一粒電子交俾一粒氯原子,兩粒離子再因為帶異性電荷而黐埋一齊,形成一粒氯化鈉分子。
內文:離子

離子(Ion)係整體上帶電荷嘅粒子-即係原子或者分子做咗化學反應,少咗或者多咗電子而成嘅產物。喺(Sodium;原子序數:11;符號:)同(Chlorine;原子序數:17;符號:)呢兩種元素嘅化學反應入面,鈉原子會失去一粒電子,變成整體帶正電荷嘅正離子(Positively charged ion;或者 Cation),而氯原子會攞到一粒電子,變成整體帶負電荷嘅負離子(Negatively charged ion;或者 Anion)Cl-。佢哋跟手會因為有異性電荷而黐埋一齊,成為一個電荷中性嘅化合物-食鹽)。食鹽喺化學上嘅學名係「氯化鈉」(英國話:Sodium chloride)-表示佢係呢兩種元素嘅合成物。

順便提吓,喺食鹽入面,正離子同負離子之間以電子交流形成嘅異性電荷而黐埋一齊嘅力量就係所謂嘅「離子鍵」。

有啲離子係由好幾粒原子組成,而佢哋進行化學反應嗰陣又唔會散開,例如係磷酸鹽(Phosphate; )或者(Ammonium;)噉都係常見嘅多原子離子。

混合物

混合物(Mixture)喺化學上嘅定義係指一柞物質喺冇化學反應之下聚埋一齊嘅產物[21]。好似係空氣噉,佢入面有(Nitrogen;原子序數:7;符號:N)分子、氧分子、同埋二氧化碳(Carbon dioxide;)分子等嘅物質,但係喺空氣入面冇化學鍵將氧同埋二氧化碳兩種分子結合埋一齊-所以空氣只係一種混合物,佢嘅成分之間並冇透過化學反應黐埋一齊。

仲有,溶液、合金都係混合物,混合物唔一定係同態(固態/液態/氣態)。

化學反應

鹽酸HCl)同NH3)產生化學反應。
內文:化學反應

化學反應(Chemical reaction)係一個令到一種物質變成另一種物質嘅過程[22]。一個化學反應可以係因為好多因素引致,例如係因為嗰種物質接觸到某種能量,又或者有時兩種物質可能俾人擺埋一齊已經會有化學反應。好似係上面提咗嘅食鹽嘅形成噉樣,氯同鈉兩種物質黐埋一齊變成食鹽呢種新物質,呢個過程就係一種化學反應。化學反應既可以令到一大柞細細粒嘅分子賴埋一舊,變成一粒巨型分子,又可以係將一舊巨型分子拆返散,成為一柞細細粒嘅分子,甚至係同一個分子入面啲原子走位-而成個分子嘅原子總數無變過。呢啲都係屬於化學反應。大部分嘅化學反應都會涉及到化學鍵嘅形成或者消失,而且好多時會有能量俾佢吸收或者釋放。

一個化學反應有得用化學方程式(Chemical equation)嚟表達。一個化學方程式會用化學元素嘅符號嚟表示出嗰個化學反應入面有啲乜嘢元素郁咗,同埋點郁[23],好似係以下呢個簡單嘅反應噉: