●　柠檬鱼

吃完煮鸡蛋后，你的同事就要品尝鱼片了。他如条件反射一般，直接就将柠檬汁挤在鱼片上。我们很多人都会这么做，但是却可能不知道这是为什么。鱼肉非常美味（对于爱吃鱼的人来说），但它散发出来的味道不一定总是被人喜欢。鱼的腥味来自一种特殊的化合物，叫作三甲胺（trimethylamine），其化学式为N（CH3）3。这种分子可以看作氨气（NH3）的3个氢原子被3个甲基自由基（— CH3）取代而得到。它是一种不溶于水的化合物，非常容易挥发，因此即使鱼儿释放出少量的三甲胺，也很容易被我们的鼻子嗅到。像所有的胺类一样，三甲胺也是一种碱性物质，因此它可以与酸反应。柠檬汁含有柠檬酸，当我们把柠檬汁洒在鱼身上时，三甲胺被柠檬酸盐化，转化为水溶性化合物，这样它就没有了挥发性，也就消除了难闻的腥味。在各种食谱中，鱼肉往往与酸性物质搭配（从简单的番茄酱开始）。尽管不知道为什么，但人们将这个烹饪习惯一直保留，显然是早就猜到了化学所解释的这个道理（柠檬去腥增香）。但如果柠檬汁长时间接触鱼肉，就有可能会使鱼肉的蛋白质变性，让鱼肉像煮熟了那样变白，比如腌制的凤尾鱼就是这样。腌制凤尾鱼是一道极好的菜肴，但也有一定的健康风险，因为缺少加热处理，鱼肉中可能有存活的微生物和寄生虫。

●　蛋黄酱与乳剂

和比目鱼片一起，你的同事还叫服务员带来了一些蛋黄酱。这种酱料也给了我们一个了解有趣的化学物理性质的机会。蛋黄酱其实是一种典型的乳剂，即两种不相溶的**的混合物，其中一种**以微小液滴的形式分散在另一种**中，形成液滴的相称为分散相（dispersed phase）。蛋黄酱中的分散相就是油，它以极小的液滴形式分布在蛋黄酱中的含水部分，而这个有水的部分就称为连续相（continuous phase）。因此说，蛋黄酱是一种O/W型乳剂，即水包油；反之，黄油等产品是W/O型乳剂，即油包水。这两种乳剂的示意图见图21。

图21　乳剂中形成的O/W胶束和W/O胶束

为了使乳剂具有稳定的性质，必须在其中加入表面活性剂或乳化剂（我们已经在第一章第2节的清洁剂中谈到过）。当然，作为清洁剂的表面活性剂不能用于食品用的乳剂中。但是，确实存在可食用的表面活性剂，例如卵磷脂（lecithin）。这是法国化学家和药剂师尼古拉斯·西奥多·戈布利（Nicolas-Theodore Gobley， 1811—1876）于1846年首次在蛋黄中发现的一种化学性质可变的物质。“卵磷脂”一词来源于希腊语λ?κιθο?（lkithos），意为“蛋黄”。所以，从上述的内容中我们就可以明白为什么做蛋黄酱需要鸡蛋。蛋黄中存在的卵磷脂可作为油的乳化剂，而油必须分散在由鸡蛋本身和添加的柠檬汁或醋所提供的水溶液中。除了卵磷脂，鸡蛋中存在的某些蛋白质也可以充当乳化剂。大家应该还记得，表面活性剂是具有亲水部分和亲油部分的分子，这使它们能够在两相之间的分界面上排列，以稳定乳剂。在制作蛋黄酱的过程中（每个厨师痛并快乐着），它可能会“发疯”，也就是分层了。你可以尝试恢复它，用打蛋器搅拌一些蛋黄，将其加入“发疯”的蛋黄酱中，然后只需要一点技巧和……运气！工业蛋黄酱通过添加额外的乳化剂来稳定它的性质，使其保存时间更长。乳剂的稳定性取决于多种因素，如pH值、温度、盐的用量、搅拌程度等。温度的升高会促进油水分离，因为它增加了脂肪的流动性。反之，适度的冷藏可以稳定乳液。所以厨师才会建议在制作蛋黄酱之前先将食材冷藏。

●　盐与晶体

任何一张餐桌上都不能少了一个盐罐。盐在人类历史上扮演了非常重要的角色。为了得到它，人们修建了道路，还打起了仗。在古罗马，它甚至是一种支付手段，比如在外国的前哨士兵，他们在盐稀缺的地区就会得到一定数量的盐，称为薪水（salarium）。这就是“salary”（薪水）一词的由来，我们今天仍然用这个词来表示工作所得的报酬。因此，我们就可以理解为什么围绕着盐发展出了这么多的信仰和迷信。盐在一些宗教仪式中被广泛使用。例如，它是驱魔的重要道具，用于圣水洗礼。在一些洗礼仪式中，盐甚至被直接擦在新生儿的嘴唇上。盐还常被用来见证约定或友谊。例如，在阿拉伯国家，用盐宣誓的现象很普遍，也就是人与人之间通过吃同一种盐和同一种面包来达成约定。

从化学上讲，食盐就是氯化钠（NaCl）。它是一种离子化合物（见第一章第2节拓展：化学键），是一种立方体结构的晶体，其结构如图22所示。盐晶体的结构来自Na+和Cl-在立方体顶点的几何有序交替排列。这种立方体的几何形状也可以在宏观结构上看到，如果你用放大镜观察盐的颗粒，可以看到它们除了有由于各种不可避免的原因产生的不规则形状，还有立方体的形状。

图22　氯化钠分子的晶体结构

“晶体”一词源于希腊语κρ?σταλλο?（krystallos），意思是“冰”。在化学中，所有具有几何有序的微观结构（由原子、离子或分子组成）的固体，都叫作晶体。但并非所有的固体都有这种特点。比如，玻璃就具有无序结构，因此它被称为非晶体（amorphous solid），而且玻璃还可以变成黏度非常高的流体。大多数固体都是多晶体（polycrystalline），由聚集的小晶体（结晶或颗粒）组成。在某些情况下还有可能会有尺寸很大的单晶体（monocrystalline），例如一些在珠宝店中很受欢迎的宝石。

根据所含的化学键，晶体可以分为离子晶体（ionic crystal）、分子晶体（molecular crystal）或原子晶体（covalent crystal）。原子晶体是指原子之间通过共价键连接而成的晶体，因此我们可以将连接起来的原子看成空间内的一个巨大分子。钻石的高硬度就要归功于这种结构。

晶体结构排列的规律性可以看作一个基本单位在空间中的重复排列，以此得到整个晶体，这样的基本单位被称为晶胞（unit cell）。根据晶胞的对称元素（直线、平面和中心）可划分出7种晶系（crystal system）：立方晶系、菱方（或三角）晶系、四方晶系、六方晶系、单斜晶系、正交晶系和三斜晶系。1848年，法国晶体学家奥古斯特·布拉伐（Auguste Bravais）证明只有14种可以填充三维空间的晶胞，它们被称为布拉伐格子（Bravais lattice）。

晶体的结构可以用X射线技术来确定。发出的X射线与晶体的化学键上的电子发生相互作用，产生衍射（diffraction）现象。通过对衍射射线的研究，可以确定晶胞中单个原子的空间位置[1953年，罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin， 1920—1958）、莫里斯·威尔金斯（Maurice Wilkins， 1916—2004）、詹姆斯·沃森（James Watson，生于1928年）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick， 1916—2004）利用这种技术确定了DNA的结构]。其他晶体学技术使用电子束或中子束代替X射线。

当晶体熔化时，它的几何规律性被破坏，在**中会表现出完全无序的状态。然而，有些物质可以具有介于晶体的有序和无序之间的中间结构（中间相），这种物质就是我们在第一章第1节中讨论过的液晶。

2011年的诺贝尔化学奖授予了以色列理工学院的丹·谢赫特曼（Dan Shechtman，出生于1941年），以表彰他发现了准晶体（quasicrystal）。准晶体中只有部分表现出几何规律性的结构，但这种结构不像真正晶体中的那样在整个空间中周期性地重复，实际上就是每一个晶胞与它周围的晶胞都不一样。这使得从来没有在晶体形态中出现过的五边形对称成为可能。

●　掼奶油与泡沫

在对每道菜进行各种化学探究之时，你们的甜点已经端上来了。你和你的同事都点了一份掼奶油草莓。掼奶油（经过搅打的奶油）属于第一章第2节中提到的泡沫类别。不过，它也有一些有趣的地方值得深入了解。未打发的奶油是通过脱脂过程从牛奶中获得的O/W型乳剂（你还记得吗）。奶油中的牛奶脂肪以直径为千分之几毫米的小球形式存在。每一个小球都被一层由蛋白质、磷脂、甘油三酯和胆固醇组成的膜包住。由于磷脂的乳化特性，这层膜可使脂肪小球保持悬浮状态。市场上的奶油都经过了巴氏消毒（Pasteurisation，以其发明人路易斯·巴斯德的名字命名），也就是在高温下快速处理，杀死细菌，从而延长保质期。它还会经过一个均质化处理过程，减小脂肪小球的大小。当奶油被打发时（例如用搅拌器），空气会进入**中。脂肪小球会圈住空气气泡，作为空气和水之间的分界面，包围着脂肪小球的那层膜也会展开，让球体面向空气气泡内部的那一面露出来。随着打发过程的不断进行，气泡越来越小，最后通过脂肪小球结合在一起，就有了打发后的奶油特有的稠度。成功制作掼奶油的一个重要因素就是温度必须低，2～6℃。在这个温度下，奶油中的脂肪必须有一部分是固体才能发挥对气泡的聚集功能。如果温度较高，脂肪就会变成**状，就会打发失败。奶油中含有的脂肪比例也很重要，比例越高，打发过程越快。

喝完一杯咖啡后（还记得我们在第一章第3节中如何讨论的吗），你和你的同事从椅子上站起来，是时候该回办公室了。

拓展：碳和有机化学

碳是一种特别的元素。它是唯一一种知道如何在不消耗巨大能量的情况下，与自己结合形成稳定长链的元素。而地球上（我们目前所知的唯一有生命的星球）的生命就需要这些长链。因此，碳是生命物质的基本元素，但它进入生命世界并不容易，得走一条强制性的、错综复杂的道路，直到近几年人们才探知了一二[46]。

普里莫·莱维，化学家、杰出的作家和大屠杀的见证人，在他的著作《元素周期表》（Sistema Periodico）中专门论述碳的一章中这样写道。

碳在自然界中主要以3种同素异形体的形式自由存在：金刚石、石墨和无定形碳[还可以再加上一种特殊形式的富勒烯（fullerene）[47]]。碳原子结构很简单，只含有6个质子和6个电子。而它含有的中子数是不固定的，因为存在几种碳的同位素。其中最稳定、最广泛的是质量数为12的同位素，叫作12C（质量数 = 中子数 + 质子数，因此这种同位素含有6个中子）。另外，同位素14C还具有放射性（这就是为什么它会被用于文物年代鉴定，14C与12C的比例实际上就与文物的年代有关）。

碳的特殊电子构型赋予了它特殊的性质。它的外部电子轨道之间可以以3种不同的方式混杂，这个过程称为杂化（hybridization，这是一种数学类型的“混杂”，因为轨道是数学函数，见第一章第1节拓展：原子、分子和原子结构）。

第一种是sp3杂化，空间构型为正四面体。以碳为中心，延伸出来的4个键（连接其他原子）分别指向正四面体的4个顶点。以这种几何形状为特征的最简单的分子就是甲烷（CH4），也就是我们家中使用的天然气的主要成分。这种类型的杂化，碳原子之间的键是由一对电子键构成的单键。

第二种是sp2杂化，几何构型为平面正三角形。还是以碳为中心，生成的3个键之间的夹角都为120°。碳原子与另一个碳原子形成双键，也就是由两个电子对组成的键。sp2杂化最简单的分子是乙烯（C2H4）。

最后一种是sp杂化，几何构型为直线形。碳原子与其他碳原子形成三键（3个电子对）。这种几何构型的最简单的分子是乙炔（C2H2）。

由于碳原子可以相互结合，甚至还可以形成很长的原子链，所以这种元素的化合物数量非常多，目前已知的含碳化合物就有一千万种之多。这些化合物被称为有机物，碳化学则被称为有机化学[48]，这种说法最初是由瑞典化学家永斯·雅各布·贝采利乌斯于1807年提出，但与现在所指的含义不同。

“有机化学”这一术语的起源就是因为人们曾经认为这些含碳化合物只能由生物体合成，并且遵循与非生物化合物不同的化学原理。这些理论是在活力论（vitalism）的概念中发展起来的。根据这种概念，“生命现象”无法用普通的化学和物理定律来描述，而是需要一个神秘因素的干预。这个因素具有形而上学的性质，被称为生命活力（也称为马达补力或生命流）。活力论观念早在古代就出现了，但在18世纪中叶至19世纪中叶才被系统化。活力论的主要代表人物是德国化学家和医生乔治·恩斯特·斯塔尔（Georg Ernst Stahl， 1659—1734），苏格兰医生约翰·布朗（John Brown， 1735—1788）以及法国医生保罗·约瑟夫·巴尔特兹（Paul-Joseph Barthez， 1734—1806）和弗朗索瓦·约瑟夫·维克多·布鲁赛（Franc?ois-Joseph-Victor Broussais， 1772—1838）。活力论的支持者反对机械论主义者，因为机械论与之相反，认为生命可以用化学和物理术语来解释。

1828年，一位名叫弗里德里希·沃勒（Friedrich W?hler，1800—1882）的年轻德国化学家的发现严重打击了活力论观点。沃勒在与贝采利乌斯合作后，在柏林理工学院教授化学，并同时致力于化学研究。有一天，他通过加热氰酸银（silver cyanate）和氯化铵（ammonium chloride），成功地合成了一种意想不到的化合物，这种化合物呈长长的白色晶体状。这种不寻常的物质与1773年法国化学家希莱尔·鲁埃勒（Hilaire Rouelle， 1718—1779）从人的尿液中分离出来的物质相同，所以也就被称为尿素（urea），其化学式为CO（NH2）2，分子结构见图23。它能消除新陈代谢中的含氮产物，因此是一种典型的生物学产物。沃勒通过使用其他试剂完善了合成过程，顺利获得了高纯度的尿素。所以我们说他成功地从无机化合物中合成了一种有机化合物。

图23　尿素的分子结构

化学史学家们一直在争论沃勒的实验是否真的代表了活力论观点的终结。但是，这种观点当然还是在尿素的合成中幸存了下来，即使在今天也有各种意识形态的复苏，可以将我们重新带回活力论的思想体系中。由于这些原因，也许有时候沃勒的作用被夸大了，但是他的实验确实为许多其他有机合成铺平了道路，并且这些有机合成在随后的时间里接踵而来。

沃勒的合成也迫使化学家重新定义了有机化学。1861年，德国化学家弗里德里希·奥古斯特·凯库莱·冯·斯特拉多尼茨（Friedrich August Kekul von Stradonitz， 1829—1896）将有机化学描述为“对含碳化合物的研究”[49]，今天的人们仍然接受这一定义。

生物化合物确实是有机化合物，也就是含碳化合物。但绝不是说所有的有机化合物都一定具有生物学上的重要性。比如，我们身边所有的塑料物品，它们都是由有机化合物制成的，但不具有生物学上的意义。

有机化学和无机化学遵循完全相同的原理，活力论的观点才是毫无根据。一些富有想象力的学者根据碳以外的元素假设了生命的形式，其中用到的第一个元素就是硅，它的性质与碳相似，与碳属于元素周期表的同一族。我们不知道宇宙中是否存在类似的生命形式，如果有一天它们被发现，那将是化学和生物学的一次非凡革命。