繼《物理學(xué)地圖》和《數(shù)學(xué)地圖》后， Dominic Walliman又制作了一張《化學(xué)地圖》。盡管該地圖系列并沒有全面地包含所有的話題，也僅限于最簡單地描述，但其目的是讓讀者大略的了解各學(xué)科的主要分支。本文的描述也將鎖定在這張圖所包含的內(nèi)容之上。

　　在宇宙誕生之初，由于溫度太高，無法產(chǎn)生中性的原子(甚至是原子核)，因?yàn)樗鼈儠⒓丛趯ψ仓斜粨羲椤５S著時間流逝，宇宙膨脹的越來越大，并且溫度慢慢冷卻到可以產(chǎn)生穩(wěn)定的原子核，就會得到~75%的氫、~25%的氦以及0.0000001%的鋰，除此外沒有其它的元素。后來，當(dāng)恒星開始誕生時，一切就都改變了。

　　在宇宙誕生后的~138億年后，在一個藍(lán)色的星球上，一群具備高等智慧的文明得知了恒星之所以會發(fā)光的秘密。在恒星的核心中，氫和氦不斷地聚變提供了源源不斷的能量。這些能源總有耗盡的一天，恒星最終會在一場絢麗的爆炸中結(jié)束自己的生命。恒星誕生-死亡-誕生…在這個循環(huán)往復(fù)的過程中，產(chǎn)生了今天我們知道的所有元素。這便是化學(xué)的來源。

　　這些元素會聚集形成各種各樣不同形式的分子，這些分子更是意想不到的以各種復(fù)雜的方式結(jié)合在一起。而化學(xué)則是一門研究這些物質(zhì)的性質(zhì)、組成、結(jié)構(gòu)、變化規(guī)律、以及相互作用的基礎(chǔ)自然科學(xué)。從簡單的原子，到復(fù)雜的生物分子，都是化學(xué)的研究對象。

　　當(dāng)我們提起化學(xué)家的時候，腦海中閃過的畫面總是一群穿著白衣大褂的人在實(shí)驗(yàn)室中搗鼓著五顏六色的奇異液體。但事實(shí)上，我們每個人都是化學(xué)家。人類在很早的時候就對化學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。從火的化學(xué)反應(yīng)開始，人類就一直運(yùn)用它來發(fā)展其它的化學(xué)技術(shù)，比如煮東西、制造金屬和玻璃等等。之后，文明的發(fā)展其實(shí)都是基于化學(xué)的進(jìn)步，比如金屬加工、化肥生產(chǎn)、制造新的材料和藥物等。

　　化學(xué)是生活中的一部分，可惜的是大多數(shù)人都沒有意識到這一點(diǎn)。這張地圖的目的正是帶領(lǐng)大家認(rèn)識化學(xué)，并了解化學(xué)是如何與生活中的一切緊密聯(lián)系在一起的。在進(jìn)入化學(xué)領(lǐng)域之前，我們需要掌握一些基本的化學(xué)規(guī)則。

　　既然化學(xué)是一門研究物質(zhì)的學(xué)科，那么我們首先就得知道物質(zhì)是由什么構(gòu)成的。我們生活中接觸到的一切物體都是由原子構(gòu)成的。而在過去的100年中，科學(xué)家才逐漸搞清楚原子的真實(shí)面目。原子的核心是原子核，由質(zhì)子和中子組成(它們又是由更小的夸克構(gòu)成)，繞著原子核運(yùn)行的是電子。電子的數(shù)目和行為對化學(xué)反應(yīng)很重要。元素周期表上的每個化學(xué)元素都代表了不同的原子，同一列的元素具有相似的化學(xué)性質(zhì)。

　　不同的原子之間會以固定的質(zhì)量比結(jié)合形成不同的分子，比如一個碳原子結(jié)合兩個氧原子會形成二氧化碳等。不同類型的分子被稱為化合物。

　　化合物的性質(zhì)通常和構(gòu)成它們的元素非常不同，像由可助燃的氧和可燃燒的氫組成的水，即不會燃燒也不會助燃?；衔锊⒉恢皇怯蓡我坏姆肿訕?gòu)成，有許多固體(比如金屬或鹽)都具有晶體結(jié)構(gòu)，是由重復(fù)的多個原子構(gòu)成，稱為單位晶格。如果有許多不同的物質(zhì)聚在一起就會形成混合物，比如你周圍的空氣或一個蛋糕。

　　但問題是，原子是如何結(jié)合在一起的?這就需要知道鍵的概念。原子之間會以不同的方式連接在一起，它們通過偷竊或共享電子來減少結(jié)合能，或者將它們重新排列成不同的結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)中的一個通用規(guī)則是所有東西總是試圖最小化它們的能量，而鍵正是原子達(dá)到這個目的的一種方式。

　　理解能量在化學(xué)物質(zhì)中是如何傳播的是了解一個反應(yīng)究竟會不會發(fā)生的關(guān)鍵。例如紅磷燃燒，紅磷有的時候在空氣中會燃燒，是紅磷和氧氣反應(yīng)釋放出了能量，我們看到的火焰(鬼火)就是能量的表現(xiàn)形式。還有一個例子能夠彰顯能量的重要性，即通過引進(jìn)催化劑，兩個化合物能夠加速反應(yīng)。例如過氧化氫在一般情況中會緩慢分解成水和氧氣，但分解速度極其慢，如果加入碘化鉀(催化劑)就會加快其反應(yīng)速度。

　　能量也決定了化合物的形態(tài)，比如固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)。它們會以何種形態(tài)出現(xiàn)取決于它們所處的溫度和所受的壓力。為了說明這三種狀態(tài)，以及溫度和壓力的重要性，我們以水為例。在生活中，我們會發(fā)現(xiàn)水在0度時會凝結(jié)成冰，在100度燒開時變成水蒸氣。冰、水、水蒸氣分別是水的固、液、氣相。在高原上，氣壓比正常情況要低，可能水在70多度就能燒開，這就是壓力改變了水到水蒸氣的相轉(zhuǎn)變溫度。

　　另一種非常有趣的物質(zhì)形態(tài)被稱為等離子體。在這種狀態(tài)下，氣體中的原子會擁有比正常更多或更少的電子，從而形成陰離子或陽離子。生活中常見的霓虹燈的光線就來源于內(nèi)部的等離子體。

　　化學(xué)反應(yīng)是化學(xué)的核心：哪種化合物之間會相互反應(yīng)，為什么它們會反應(yīng)，以及反應(yīng)后會剩下什么。有許多不同方式的反應(yīng)，可以用不同的方法來分類。所有這些反應(yīng)都是由一系列基本規(guī)則(即化學(xué)定律)所支配。最基本的規(guī)則是質(zhì)量和能量守恒，意味著沒有任何物質(zhì)或能量能夠在化學(xué)反應(yīng)中被制造或毀滅，它們只是會轉(zhuǎn)變成不同的形態(tài)。

　　動力學(xué)研究的是反應(yīng)發(fā)生的快慢，并決定了反應(yīng)率是多少。在一個反應(yīng)中，電子從一個反應(yīng)物轉(zhuǎn)換到另一個的過程叫氧化還原反應(yīng)。氧化意味著失去一個電子，而還原意味著得到一個電子，它們必須一起發(fā)生。

　　物質(zhì)的另一個重要性質(zhì)就是pH值，代表了酸堿程度(如pH=0的鹽酸，pH=7的純水，pH=14的氫氧化鈉)。思考它們的其中一種方式是，在化學(xué)反應(yīng)中，酸性物質(zhì)會放棄一個氫離子，而堿性物質(zhì)會接納一個氫離子。

　　在同一條件下，正反應(yīng)方向和逆反應(yīng)方向均能進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)稱為可逆反應(yīng)。在一個封閉的系統(tǒng)中，這意味著兩種物質(zhì)之間可以變來變?nèi)ァ．?dāng)正向反應(yīng)的速率與逆向反應(yīng)的速率達(dá)到平衡時，可逆反應(yīng)就會達(dá)到化學(xué)平衡。

　　上面所提到的都是化學(xué)的基礎(chǔ)。化學(xué)研究則是將這些規(guī)則應(yīng)用在不同的化學(xué)系統(tǒng)中。接下來我們將要進(jìn)入不同的化學(xué)領(lǐng)域。(這些領(lǐng)域都有各自延伸的子學(xué)科和應(yīng)用化學(xué)領(lǐng)域。)