●　胃酸和抗酸剂：酸和碱

虽然你没点第一道菜，但午餐你还是吃得有点多了。要是不吃那份草莓掼奶油也许会好一点。现在回到了办公室，你感觉肚子里胃酸很多，有点反胃。

在我们胃的内壁上有所谓的胃腺（gastric gland）。它们的数量非常多，约500万个，相当于每平方毫米就有100～150个胃腺，而且还分为各种类型。管状腺体（tubular gland）占据了胃体和胃底（矛盾的是，胃底却位于整个胃结构的上方）的大部分。它们的壁细胞（parietal cell）能产生氢离子（H+）和氯离子（Cl-），两者结合形成胃液（gastric juice）的重要成分——盐酸（HCl）。一般来说，氢和氯的分泌是通过特殊的机制同时进行的，这种机制以配对的方式起作用。但如果是氯的基础分泌，就不会同时伴有氢的分泌了。主细胞（principal cell）会产生胃蛋白酶原（pepsinogen）。这种酶（跟所有酶[1]一样是一种蛋白质）是无活性的，但在盐酸的自动催化下，它会在胃腔中被转化为胃蛋白酶（pepsin），这是一种在蛋白质消化中起重要作用的酶。贲门腺（cardiac gland）仅位于贲门区域，会产生糖蛋白。位于幽门部的幽门腺（pyloric gland）也是如此，但幽门腺还会产生一种特殊的糖蛋白，称为抗贫血因子（antianemia factor），又叫卡斯尔氏内因子（Castle’s intrinsic factor）。如果没有这种因子，我们摄入的维生素B12[又叫钴胺素（cobalamine）或外因子（extrinsic factor） ]就不会被吸收。幽门腺还会产生黏蛋白（mucoprotein），其作用是保护胃黏膜本身不受胃液的化学侵蚀。在胃液中存在的酶中，还有脂肪酶（lipase），它可以参与脂肪的代谢，但是它在胃的强酸环境中是没有活性的（只有在中性环境下才有活性）。最后，在胃中还有内分泌细胞（内分泌细胞也普遍存在于心房，但没有明确的定位），产生各种激素，如胃泌素（gastrin）。

空腹和消化过程中都会分泌胃液。我们每个人平均每天分泌2.5～3升胃液。它包含99.4%的水，剩下的正如我们前面所提到的，都是蛋白质、具有蛋白质结构的酶、盐酸和盐类。

胃液的产生是由于迷走神经的刺激（味觉、咀嚼和嗅觉以及心理的反射）和局部机制的作用（如胃胀气和胃内存在食物）。胃液分泌也受各种胃肠激素的调节。胃液有多种功能：它可以继续消化食物（特别是蛋白质部分）；可与食物形成食糜（由胃产生的**物质，随后通过幽门进入十二指肠）；可以对营养物质进行消毒（胃液pH值低不利于微生物的存活）；还有重要的抗贫血作用（通过分泌卡斯尔氏内因子）。

我们通常所说的胃酸[50]（你认为是中午吃的草莓掼奶油引起的），其实与普遍的看法相反，它并不是直接由胃引起的（胃基本上不会产生过量的盐酸）。典型的胃灼热（烧心）不是因为胃液里的酸性物质与食物混合，而是酸性物质倒流到食道。我们已经说过，胃的黏膜可以很好地抵御胃液的腐蚀（因此它不会产生胃灼热的感觉）。相反，食道的黏膜没有这种保护作用，就会产生烧心的感觉。餐后少量反流是非常正常的，不会造成任何问题。但如果反流物多，且有一定的频率（每周2～3次），那么就是一种真正的病理性疾病了，称为胃食管反流病（Gastroesophageal Reflux Disease， GERD），这种情况下必须得找专业的医生进行治疗。

在正常情况下，为了避免偶尔的胃食管反流，最好遵循一些生理小常识，排在第一的就是不要暴饮暴食。无论怎样，如果实在控制不住自己，吃点抗酸药或许会有用。不过，要想知道抗酸药的工作原理，我们还是多了解一些酸和碱的知识吧。

在日常用语中，任何具有刺激性和（或）腐蚀性的物质都被称为酸，但这并不是绝对的。在化学术语中，“酸”这个词有它确切的含义，然而对它进行严格的定义其实并不容易。除了酸还有碱，它们的化学性质相反，两者会通过中和反应（neutralization reaction）产生盐类。

1884年，瑞典化学家、1903年的诺贝尔奖得主斯万特·奥古斯特·阿累尼乌斯（Svante August Arrhenius， 1859—1927）第一次尝试对酸和碱进行准确的定义。在阿累尼乌斯看来，酸是一种能在水中离解出氢离子H+（质子）的物质；相反，碱是一种能在水中离解出负离子OH-（氢氧根离子）的物质，这个负离子由氧原子和氢原子连接组成。阿累尼乌斯的定义在很多情况下都很好用，但它有局限性。这个定义非常“绝对”，阿累尼乌斯没有考虑到特殊情况——同一种物质有可能会既表现出酸的性质又表现出碱的性质。因此，1923年，丹麦人约翰内斯·尼古拉斯·布伦斯特（Johannes Nicolaus Br?nsted， 1879—1947）和英国人托马斯·马丁·劳里（Thomas Martin Lowry， 1874—1936）提出了一个新的定义。根据布伦斯特和劳里的观点，酸是能释放出H+的物质，碱是能接受H+的物质。这就假设了酸和碱是相互依赖的关系，酸碱反应仅仅是由于质子的交换（就像氧化还原反应是由于电子的交换一样）。当然，失去H+的物质有可能重新获得H+，同样，获得H+的物质也有可能会再释放出H+。因此，在布伦斯特和劳里的理论中就将这样的一对酸碱称为共轭酸碱对（conjugate acid-base pairs）。

同年，美国人吉尔伯特·牛顿·路易斯提出了一个更为全面的理论。根据该理论，酸是能够接受电子对（同一轨道上自旋方向相反的一对电子）的物质，而碱是能够释放电子对的物质。因此，路易斯的理论将酸和碱的概念扩展到了不一定含有氢的物质，被称为路易斯酸碱理论。

为了测定溶液的酸碱度，我们定义了一个叫作pH值的量，在第一章第3节中我们已经说过了。

有些溶液即使在加入了酸或碱之后，仍能保持恒定的pH值。这种溶液被称为缓冲溶液（buffer solution）。我们的血液就是一种有效的缓冲溶液。由于碳酸根离子和碳酸氢根离子之间特殊的酸碱平衡，即使我们吃了酸性或碱性物质，血液的pH值也会保持在7.35～7.45。但某些疾病可能会引起身体的酸中毒（pH＜7.35）或碱中毒（pH＞7.45）。

回到胃酸（或者说是食道里的酸）的问题，可以从两个方面进行防治。一种方法是使用可以限制盐酸生成的抗分泌药物。另一种更常见的方法，就是使用抗酸药物。抗酸药是含有碱性物质的产品，能够中和过量的胃酸。比较传统的抗酸药是碳酸氢钠（NaHCO3）。若是从氢氧化物的角度来看，它并不是真正意义上的碱，而是一种盐；但它是由强碱（氢氧化钠）和弱酸（碳酸）反应生成的，可以表现出碱性物质的性质，与酸发生中和反应。比如，它与胃汁中的盐酸会发生以下反应：

HCl+NaHCO3→ NaCl+ H2O+ CO2

反应会生成氯化钠（NaCl，普通食盐）、水和二氧化碳气体。服用碳酸氢钠后不可避免地打嗝就是因为CO2。另外，我们不建议有高血压的人使用碳酸氢钠，因为患此病的人应该限制钠的摄入。目前市面上的很多抗酸剂都是以镁加铝（magaldrate）或氢氧化铝镁[aluminate magnesium hydroxide，AlMg2（OH）7·H2O]、氢氧化镁[Mg（OH）2]或氢氧化铝[Al （OH） 3]为基础。这些产品不会增加人体钠的摄入，除了这个优点，它们还能与可能存在的胆汁盐结合（胆汁盐首先通过十二指肠反流到胃，然后再反流到食道）。因此，抗酸剂对于由某些疾病引起的碱性反流也是有用的。

●　读一份很长的报告：眼镜、玻璃、光致变色

吃了前段时间医生开的抗酸药后（千万不要轻信亲朋好友的建议，要问医生），胃灼热的感觉就消失了，你也可以专心工作了。老板刚刚发给你一份很长的报告，你必须得看一下。如果只是看一些篇幅短的东西的话，你的视力还是没多大问题的，但要长时间阅读时，你就要戴上眼镜了。你最近买了一副新款的光致变色眼镜——这是化学的真正杰作！

眼镜镜片由玻璃制成，而玻璃本身就是一种特殊的化学产品。

化学中的“玻璃”与我们所熟知的那种玻璃的含义略有不同。其实，凡是无定形的固体，也就是非晶体，都叫“玻璃”。从微观角度来看，玻璃的结构是无序的，与**的结构非常相似。尽管玻璃的黏性很高，但它仍然可以被认为是**。化学概念中的玻璃不一定是透明的。例如，呈黑色、不透明并且有光泽的火山矿物黑曜岩（obsidian）实际上就是玻璃。从20世纪60年代开始，化学家们甚至还成功制造出了金属玻璃，也就是具有玻璃特性的金属合金，这些合金表现出非常有趣的性质。

但在我们平常的语言中，“玻璃”与上述微观描述一样，指的是一类材料，但不同的一点就是我们所指的玻璃一般都是透明的。所有这些透明的“正常”玻璃（包括你的眼镜镜片）都有一个共同点：主要由二氧化硅制成。古代的人们早就对这种材料有了认知。根据老普林尼（Plinio il Vecchio， 23—79）撰写的《自然史》（Naturalis Historia），玻璃的发明可以追溯到公元前3000年的腓尼基（Phoenicia）[今黎巴嫩（Lebanon）一带]。从公元前2000年开始，埃及人就开始使用玻璃了，这一点从各种考古发现中可以得到证实。从古至今，玻璃的生产和加工技术日臻完善。如今玻璃的种类繁多，为满足实际的不同使用需求，每种玻璃还都有各自的特点。

生产玻璃的原料是存在于许多矿物中（首先就是沙子）的二氧化硅。之前说过玻璃类似于高黏度的**，这里我们可以确认一下。首先是它的热行为。如果我们对晶体进行加热，温度到达熔点后，我们就会观察到晶体开始从固态变成液态，而且在从固态变为液态的整个转变过程中（固液共存状态），温度会一直保持不变。但是，如果我们加热玻璃，我们只会观察到玻璃在逐渐软化，因为它并没有真正的熔点。除了热行为，玻璃的机械性能也很独特。玻璃在机械应力的作用下会随着时间的推移而变形，尽管我们在短期内观察不到这一变化。从微观层面上来看，这一点则表现为玻璃分子彼此的相对流动，就像在**中一样。我们通过测量古代玻璃窗（如哥特式大教堂的玻璃窗）的厚度，发现底部玻璃的厚度大于顶部玻璃的厚度，从而就证明了玻璃分子因自身重量而发生了渐进式的滑动。

但玻璃最明显的特点是对可见光透明。如果光能透过某种材料而不被吸收，那么这种材料就是透明的。光（见第一章第5节拓展：光、颜色和物质）是电磁辐射，也就是在空间传播的振**电场和磁场。这是一种电场和磁场粒子垂直于传播方向[横波（transverse wave）]发生振**的波动现象。然而，量子力学（或者说是20世纪前30年发展起来的描述微观世界的物理学）将光解释为一份一份能量子的组合，这个能量子就称为量子或光子。单个光子的能量取决于辐射的频率（也可以说取决于其颜色：例如，蓝色光子比红色光子的能量更多）。相反，一束光的强度则与单位时间内穿过单位表面的光子数有关。电磁辐射之所以能与物质相互作用，是因为原子和分子在每个状态中的能量值都是确定的（也就是说它们拥有量子化的能级）。如果一个光子的能量（也就是特定的频率）等于原子或分子的两个能级之间的能量差，那么光子就可以被吸收。因此，当物质面对特定频率的辐射时，它会表现出不透明的性质。如果不是特定频率，则该物质将会是透明的。正如我们在第一章第1节中已经看到的那样，在固体中，能级组成价带和导带，价带和导带由一个禁带（forbidden band）隔开。在玻璃中，能隙（禁带宽度）的值比可见光的频率值更高，而且禁带中没有能级。因此，可见光的辐射不被吸收，可以透过玻璃。如果我们使用紫外线辐射，情况就会不一样。紫外线辐射的频率较高，因此能量也较高，可以与玻璃的能隙值相对应。所以紫外线辐射被吸收，玻璃对这种辐射不透明。如果换种物质，将紫外线辐射照射到纯二氧化硅（如石英）上时，紫外线就可以穿过二氧化硅而不被吸收。在制备玻璃的过程中，在二氧化硅中加入其他物质（主要是纯碱，即碳酸钠）可以改变玻璃的能隙值，使它能够吸收紫外线辐射。除了与可能的吸收辐射有关外，当玻璃表现出与光波长相当或更大面积的光学均匀性时，玻璃也会变透明。如果玻璃表现出不均匀性，光就会在各个方向上发生散射（scattering）。这通常发生在多晶材料中，由于晶界（grain boundary）[相邻晶粒（或微晶）之间的界面]的不均匀性（见第二章第2节）而产生光的散射。它也会发生在毛玻璃中，人们故意在玻璃的表面上制造这些不均匀性以使其变得半透明。

玻璃对红外线辐射一般也表现为不透明。红外线辐射的光子能量比可见光的能量低，但却等于玻璃分子振动能级的值。这些能级的产生是因为原子必须围绕它在分子内的平衡位置进行振动。

此外，玻璃中的某些物质还可以使禁带中出现能级。在这种情况下，一定频率的光辐射就可以被吸收，因为不是所有组成白光的色光都能通过玻璃，玻璃就会被染上颜色。如果在熔融的玻璃中加入氧化钴，我们就会得到蓝色的玻璃；加入氧化铜，就会得到绿色或淡蓝色的玻璃；加入锰化合物，就会得到紫色的玻璃；等等。最后，我们注意到，即使是无色玻璃，实际上也不完全是无色的。如果我们从切割边缘（玻璃有一定的厚度是为了增加光线所穿过的厚度）观察玻璃片，就会感觉玻璃略呈绿色，这是因为玻璃中存在一些不可避免的杂质，但是当光线穿过的玻璃厚度较小时，我们就不会注意到这些颜色。

你的眼镜镜片是由玻璃制成的，但你也知道，光学性能与玻璃相当的塑料镜片出现也已经有一段时间。塑料镜片的优点是不易碎、重量轻。相反，玻璃镜片更耐磨损，除了可能会破损的缺点，它们能保持光学性能不变，有更长的使用寿命。

你的镜片还有另一个典型的化学（或者更确切点，光化学）特点，就是具有光致变色功能。这种镜片在亮光下颜色会变暗，起到太阳镜的作用。反之，当镜片处于光线较弱的环境中时，它们就像普通眼镜一样是完全透明的。这些镜片的功能原理与我们在第一章第5节中讨论的摄影原理非常相似。实际上，镜片的这种奇特现象也是因为卤化银。20世纪60年代上半叶，美国康宁公司（Corning Incorporated，制造玻璃、陶瓷和其他类似材料）生产了第一块变色镜片。正如我们在摄影那一节看到的那样，当溴化银受到光的照射时，它会分解并释放出一定量的金属银。如果这种情况发生在镜片里，镜片就会变暗。但问题的关键是如何使这种现象可逆，也就是说当光照停止时，如何让银和溴重新结合，从而使镜片颜色变浅。在照相工艺中这是不可能的，因为银一旦释放出来就会远离溴，因此无法与溴重新结合。但是如果将大小合适的溴化银颗粒嵌入玻璃中，银和溴都会保持在原位置，并且彼此之间有适当的距离，以便在光照停止时可能重新结合。当然，要想从实际应用的角度获得满意的效果，一切都要在合理的时间内进行，并且要有明显的视觉效果。因此，必须慎重选择溴化银颗粒的大小。如果颗粒大小超过15纳米，即使在没有光的情况下，镜片也会显得不透明。相反，如果颗粒小于8纳米，即使有银的释放，也不会观察到镜片变暗。但是我们通过精良的技术，可以生产出尺寸在8～15纳米的溴化银颗粒，一旦它们分散在镜片的玻璃中，就会精确地、并且不知疲倦地进行光致变色工作。

多年来，使用光致变色现象一直是玻璃镜片的专属特权，因为溴化银颗粒技术无法应用于塑料镜片中。不过，一段时间以来，市面上出现了防碎变色镜片（塑料镜片）。这种镜片使用的原理与变色玻璃镜片不同，它是在镜片中加入复杂的有机物[如嗪（oxazine）或萘并吡喃（naphthopyran）]，当被光照射时，这些有机物能以可逆的方式改变自身结构，从而使自身和镜片的颜色改变。这些物质通常以均匀的厚度添加到镜片表面。这样做的好处是，即使在镜片厚度变化的情况下，也能使镜片颜色均匀变暗。而变色玻璃镜片则不然，在镜片较厚的地方，变暗的情况可能会更明显。

●　一杯水：水中的化学，矿泉水和自来水

读完报告之后（如果没有眼镜，读起来肯定会更累），你感到口渴。你起身活动活动腿脚，然后去办公室走廊的饮水机那里接了一杯冰水。

从某种角度来看，喝水被认为是世界上最简单的事情。水实际上是一种极为简单的物质，但要研究它的特性却并不简单[51]。水是我们赖以生存的基本物质，长期以来一直被视为一种元素。在希腊传统文化中，水与土、火、气一起代表着四种元素[四元素理论（stoicheia）]或根[四根（rhizomata）]，一切存在的物质都来源于这些元素。但是这里的元素并不是化学意义上的元素，要想从化学角度来了解水，我们必须等到18世纪末。法国伟大的化学家安托万·洛朗·拉瓦锡发现，水是由氢和氧这两种元素结合而成。一个水分子（H2O）由两个氢原子与一个氧原子构成。两个H-O键之间形成104.45°的夹角。由于氧比氢吸引电子的能力更强（氧具有更强的电负性），所以形成H-O键的电子对不是对称分布在两个原子之间的，而是更靠近氧原子。因此，这两个H-O键是极性共价键，表现为氧原子带部分负电荷（δ-），氢原子带部分正电荷（δ+）。这使得水分子的行为就像微小的电偶极子一样（电偶极子就是指两个分隔有一段距离，电量相等，正负相反的电荷），水的许多特性都是因为它是极性分子。我们可以用很简单的实验方法来验证水分子的极性。稍稍打开水龙头，让水呈细流状流出来，然后用一根事先用布擦过的棍子（塑料或玻璃的）靠近水流（用布擦是为了使棍子带电），我们会看到细细的水流被棍子吸引，水流路径偏离垂直方向。无论棍子带正电还是负电都会发生这种情况。极性水分子受外界电场的影响就会相应地改变其运动方向。如果我们用非极性**（如汽油）代替水，就会发现**流向不会有任何偏离。水分子的极性还可以解释其他事情，比如为什么冰的密度比液态水的密度低。极性分子之间，一个分子的正极部分和另一个分子的负极部分之间会产生吸引力。这种吸引力称为偶极-偶极相互作用。如果是极性水分子，带正电荷的部分就是氢原子。由于氢原子电负性极小，它可以在两个水分子之间进行交换，以至我们再也分不清它是属于哪一个水分子。在这种情况下，水分子间的相互作用是一种特殊类型的偶极-偶极相互作用，我们称为氢键，氢键使水分子之间紧密连接。这就解释了为什么与类似物质[如硫化氢（H2S）]相比，水的沸点更高。在常压下，当温度降低至0℃时，水开始凝固，水分子在氢键作用力下按照六边形的几何形状逐渐排列起来（氢键具有极强的方向性）。这种排列方式使水分子之间的平均距离比水液态时更远，因此，冰的密度比液态水的密度低8%左右。冰的密度比水的密度低，这又可以解释为什么人们会在冰上滑倒（还记得我们在第一章第4节中说过什么吗）。你站在冰面上的时候脚底总是很滑，但实际上你不是在冰上滑倒的，而是在水上滑倒！让我们看看这是为什么吧。随着水的凝固，水的体积会逐渐增大，变成冰（这就是为什么在冬天无人居住的山区房屋中，人们要把水管排空，目的就是防止水凝固后体积增大使水管爆裂）。但是如果将冰块进行压缩，则有利于融化。当我们踩在冰层上时，我们的体重会使鞋底产生压力。这种压力会使冰块局部融化，从而在脚下形成一层薄薄的液态水膜，我们就是在这上面滑倒的（在水坑里不会发生这种情况，因为下面是粗糙的路面，会产生摩擦力，但是在湿润光亮的路面上则会发生）。南极探险家莱因霍尔德·梅斯纳尔（Reinhold Messner）的说法证实了这一点，在极低温度（-30～-40℃）的冰面上人根本不会滑倒。因为即使受到我们的重量挤压，极低的温度也会阻止冰的表面融化。同样的原理我们还可以解释为什么冰川会不断向下游移动。冰川的巨大重量施加巨大的压力在冰岩分离表面，这些压力使冰块部分融化，然后冰川在形成的液态水层上向下滑动。最后，还有一种魔术也是利用了相同原理，这是一种有趣的现象，称为复冰现象（regelation）。如果我们在一块冰上放一根钢丝，钢丝两端系有砝码，用来增加钢丝线在冰块上的压力，慢慢地钢丝就会陷到冰块里面去，直到完全穿过冰块。但是钢丝穿过之后的冰块仍是完整的。钢丝所施加的压力融化了部分冰块，造成了一个切口。但是液态水仍然留在裂缝中，并在一段时间后由于低温而再次凝固（复冰），所以最后冰块仍是完整的（图24）。

图24　复冰现象

水分子的极性也解释了为什么相对于离子物质或极性物质而言，它是极好的溶剂。比如，当我们将普通食用盐（氯化钠）溶于水时，钠离子（Na+）和氯离子（Cl-）之间的吸引力减弱，每个离子都被一定数量的水分子包围[溶解（solvation）]。水分子中带负电的氧离子会靠近Na+，而水中带正电的氢离子会更靠近Cl-。但水不能溶解非极性物质，如油类（见第一章第2节中关于表面活性剂的讨论）。

水的氧原子上有两对电子没有成键（非键合电子或孤对电子）。除了解释水分子的折叠几何形状，这些电子在确定水分子的化学性质方面也具有相当重要的意义。例如，如果水与酸接触，孤对电子的存在可以使水分子与H+相互作用形成H3O+[水合氢离子（oxonium ion）]。根据布伦斯特和劳里的说法，也就是说水表现得像碱一样（因为能与酸反应）。例如水与盐酸就会有以下反应：

HCl+H2O→H3O++Cl-

另一方面，根据布伦斯特和劳里的说法，如果水与碱[例如氨气（NH3）]接触，它可以作为酸提供一个H+：

NH3+H2O→NH4++OH-

简而言之，就是根据反应物质的不同，水可以表现为酸性，也可以表现为碱性。我们把具有这种特性的物质称为两性物质。水的两性特征可以使两个水分子相互作用，一个作为酸，另一个作为碱。由此有了下面被称为水的自耦电离（autodissociation）平衡或质子自迁移（autoprotolysis）平衡的反应：

2H2O → H3O++OH-

但是由于能解离成离子的水分子极少（在25℃时，5.5亿个水分子中只有一个水分子解离），这一平衡式更容易向左移动。但这个平衡依然非常重要，因为它调节着自然界中所有的酸碱平衡（包括你胃里的酸碱平衡）。

喝了饮水机里接出来的那杯凉水，你感到非常愉悦。饮水机里有冷却器，可以使水变凉。桶装水的包装上一般会标注名字和水源地。办公室里的是正常的矿泉水。记得你曾经和一个朋友就矿泉水好还是自来水好的问题进行了很长时间的讨论。虽然讨论了很久，但你们仍无法达成共识。这不是一个简单的问题，也没有一个确定的、普适的答案。不过，自来水和矿泉水肯定是有区别的[52]。

根据法律规定，所有饮用水中的微生物或其他物质的浓度不得超过对健康造成危害的浓度。

水必须立即装瓶才能被称作矿泉水，因为它是从水源流出来的，没有经过任何处理。而自来水在通过输水管道分配给用户之前，可能会经过化学处理，以确保其可饮用性。

矿泉水必须来自受保护且无污染的泉水或地下水。水源必须无菌纯净，且化学成分和温度相对稳定。水的包装瓶上必须贴上标签，标明它的产地和主要化学物理特性。而自来水一般取自水体，甚至是浅层水体（湖泊、河流、地下或浅层含水层），通常会进行杀菌消毒处理（通过使用氯气、次氯酸钠和二氧化氯等试剂）和其他必要的处理（沉淀、过滤、澄清、絮凝、软化等），以消除各种化学污染和一些不需要的杂质。

矿泉水中还含有矿物盐，再加上少量的微量元素就可以使水具有特殊的性质。

矿泉水必须得到卫生部门的专门认可，而自来水则是获得国家、地区或省特许权的公共用水，可以引入输水管道。

这两种水都受专门的管制。矿泉水要接受卫生部门和生产企业自控系统的定期检查和核实，并需要在整个生产周期中进行频繁的抽样检查。每隔5年还需要更新包装标签，并进行所有必要的产品分析。

而自来水要受到其他定期检查的管制，以确保其可饮用性。自来水与矿泉水不同，自来水的一些参数标准（如亚氯酸盐、溴酸盐等）的控制取决于自来水所进行的处理，而矿泉水则不需要这些处理。

●　家用净水设备、反渗透作用

我们不能笼统地说矿泉水好还是自来水好，每一种水应分开来单独评估。可以肯定的是至少在发达国家，他们的监管措施完全保证了这两种水的健康安全。但如果我们考虑到水的感官特性，情况就有所不同。市面上的矿泉水保证了较好口感，而自来水虽然可以饮用，却不一定很好喝。为此，现在市面上有很多可以改善自来水特性的家用设备。有些设备是真的有效，而有些则是彻底的骗局，我们下面马上就会谈到这个。

有效果的设备包括过滤壶和反渗透装置。过滤壶的滤芯通常包含活性炭或离子交换树脂（Ion-exchange Resin）。活性炭具有很强的吸附性。吸附是一种在物质表面发生的物理化学现象，由于物质表面的分子与物质外部的分子相互吸引，产生分子间的相互作用，从而使物质表面可以吸附其他物质。离子交换树脂是一种聚合物，具有的特殊官能团会吸附水中存在的其他正离子和负离子，并将其替换为H3O+和OH-（H3O+和OH-共同形成水）。因此，通过离子交换树脂过滤出来的是去离子水。滤水壶可以用来减少饮用水中氯的含量和钙、镁离子的含量（决定水的硬度）。

反渗透装置利用了我们在第一章第3节中讲到的渗透现象。这些装置中使用了半透膜，水受到的压力高于其渗透压，因此水（溶剂）就会被迫穿过半透膜。所以穿过膜的水是纯净的，而所有溶解的离子都聚集在半透膜的另一侧。这样得到的去离子水不能直接饮用，因为我们需要水中有矿物盐。所以必须将去离子水与原水混合，适当地掺入一定量的盐分。

过滤壶的价格适中，但反渗透装置的价格却十分昂贵，因此我们应该仔细考虑购买这种装置是否合适。除非你有特殊需求或者你们家的饮用水质量特别差，否则不建议购买，因为这种装置通常很复杂，不适合家用。

过滤壶和反渗透装置确实有效，但商家在销售策略上往往会采用欺诈手段。为了给潜在客户留下深刻印象，商家有时会做一些让人好奇的演示，让客户相信自己家的自来水质量不好。这些演示中商家会在水样中引入两个连接在电流发生器上的电极，然后他们说水中形成的大量铁锈色沉淀物表明水中杂质较多。实际上，沉积物是由电极（电解现象）产生的，与水质无关。商家所用的这种方法最多只能粗略地说明水的电导率，进而说明水中溶解的盐类含量。但是，还没有绝对的证据表明含盐量低的水一定比含盐量高的水更健康。此外，所有那些在市面上流行了一段时间，并且商家承诺可以生产活力水、能量水、电解水、碱化水、磁化水等的设备，都没有科学依据。

●　没电的计算器：电池、电化学

喝完水之后，你回到办公桌前，拿出一张资产负债表，需要检查一些数字。你从抽屉里拿出电子计算器，但发现它没电了。不过还好你有一个备用的新电池。你可能从来没有想过，从你手表中的纽扣电池到汽车中的铅酸电池，所有化学电池都是依靠化学反应来工作的[53]。所有的电池都运用了一种特殊的化学反应，称为氧化还原反应（oxidation-reduction reaction）。化学中的“氧化”一词不仅是指与氧的结合反应，更普遍一点来说是指化学物质失去电子的任何过程（与氧的结合也包括在这个定义中）。而还原则是指任何获得电子的过程。由于电子几乎不存在自由态，所以每当一种物质发生氧化作用时，一定会有另一种物质发生还原作用，这两个过程总是联系在一起，所以我们称其为氧化还原反应。因此，氧化还原反应涉及了两个反应物之间的电子交换，电子有序的流动组成电流（至少在金属导体中是这样）。这就可以理解为什么可以利用氧化还原反应产生电流。众所周知，第一块电池是由亚历山德罗·伏打（Alessandro Volta， 1745—1827）发明的。在了解到1791年前后路易吉·加尔瓦尼（Luigi Galvani，1737—1798）对青蛙进行的实验后，伏打并没有接受加尔瓦尼提出的关于存在“动物电”的理论。伏打认为，在解剖青蛙的肌肉中观察到的收缩并不是因为动物身上存在电，而是因为实验中使用的不同金属的电弧所产生的电流。而恰恰是由于实验中所涉及的金属的不同特性使一个金属失去电子，另一个获得电子（电子要到1800年年底才会被发现，所以伏打不可能知道这一点）。伏打在1799年年底制作了他的第一块电池，并于1800年3月20日与英国皇家学会主席进行了电池的交流。他的“电动装置”（或“柱状装置”）由交替的锌盘和铜盘构成，金属之间用浸泡在硫酸中的毛毡隔开。伏打制作的电池从历史和概念的角度来看是很重要的，但它在工作中却存在不少的问题。1836年，英国化学家约翰·弗雷德里克·丹尼尔（John Frederic Daniell， 1790—1845）完善了伏打在电池方面的工作，他制造了一种锌铜电池（图25），其中锌为负电极，浸泡在硫酸锌（ZnSO4）电解溶液中；铜为正电极，浸泡在硫酸铜（CuSO4）电解溶液中。但要使电池正常工作，这两种盐溶液必须通过盐桥连接起来。这里的盐桥就是一根装满硝酸钾（KNO3）的饱和溶液的管子，管子两端的盖子（如多孔玻璃）可以渗透离子和水。

图25　丹尼尔锌铜电池示意图

在丹尼尔电池中，锌被氧化失去两个电子，变成锌离子（Zn2+）进入溶液。

Zn→Zn2++2e-

另一侧，硫酸铜溶液中的铜离子（Cu2+）被还原，获得了锌失去的两个电子，变成了金属铜：

Cu2++2e-→Cu

但是只有当铜（阴极）和锌（阳极）两个电极连接外部电路时，才会发生这两个“半反应”，其中锌失去的电子流向铜，从而产生电流。

随后的几年里，人们使用不同的材料作为电极和电解质，制造出了许多其他类型的电池。但所有的这些电池都运用了能发生电子交换的氧化还原反应。

1886年，卡尔·加斯纳（Carl Gassner， 1855—1942）申请了锌碳电池的专利。这种电池进一步发展了乔治·勒克兰奇（Georges Leclanch， 1839—1882）的一种电池型号（于1866年发明并申请专利），多年来一直占据市场龙头地位。锌碳电池的锌外壳（阳极）构成了一个圆柱形的容器，里面装有作为电解质的二氧化锰和氯化铵与碳粉的混合糊状**。阴极是一根浸在电解液中的石墨棒。但是随着电池行业的发展，锌碳电池不得不面对20世纪50年代发明的碱性电池的竞争，之所以叫碱性电池，是因为电解液中含有碱性的氢氧化钾（KOH）。纽扣电池（常用于手表、计算器等）的电解质通常是氧化银。在此之前，同样也非常流行使用以氧化汞作为电解质的水银电池[由鲁本（Samuel Ruben）和马洛里（Philip Rogers Mallory）的公司共同开发出来]。但由于水银有毒，后来逐渐被禁止使用。自20世纪70年代以来，锂电池的使用开始普及。很多电池在放完电后就不能再用了，而锂电池就弥补了这一缺点，如果有与负载电流方向相反的外部电流通过时，它就可以进行充电。在充电过程中锂电池内部的反应向反方向进行，产生电流，一旦反应物得到恢复，电池就可以重新使用。

拓展：化学平衡

对化学家来说，解释化学平衡中的各组成，并了解它们如何受到如温度和压力等外部条件的影响，这是非常有趣的[54]。

在化学反应中，初始物质（反应物）会转化为其他物质（生成物）。在一些特殊反应中，生成物形成之后还会继续发生反方向的反应，生成反应物。换句话说，这些反应既能正向进行又能逆向进行，因此被称为可逆反应（reversible reaction）。

可逆反应的发现有一段相当奇特的历史。1798年，拿破仑在埃及进行军事和科学考察时，让当时杰出的法国化学家克劳德·路易·贝托莱随行。到了埃及，贝托莱注意到环绕盐湖的湖岸有碳酸钠（Na2CO3）的沉积。贝托莱知道碳酸钠能与氯化钙（CaCl2）反应生成碳酸钙（CaCO3）和氯化钠（NaCl），也就是下面的这个反应：

Na2CO3+CaCl2→CaCO3+2NaCl

在他看来，湖岸边碳酸钠的沉积应该是水体中高浓度的氯化钠造成的结果，所以他认为逆向的化学反应也是有可能发生的。贝托莱将他的思考写进了一本书，于1803年出版，题为《论化学静力学》（Essai de statique chimique），但由于他的推理中存在一些错误，该书并没有立即引起广泛的关注。

经过一定时间后，可逆反应达到表面上的静止状态，反应物和生成物共存，各组分浓度随时间保持恒定，这种情况就称为化学平衡（chemical equilibrium）。可逆反应无论从正反应开始，还是从逆反应开始，都可以达到同样的平衡状态（所以此时我们对反应物和生成物的区分变得很随意）。

我们刚刚所说的反应达到了平衡的静止状态只是从宏观层面来讲。而从微观层面上来看，内部反应仍在继续向两个方向进行。在一定的时间间隔内，反应物转化为生成物，而生成物又马上会转化为反应物。这就使得反应物的浓度和生成物的浓度保持不变。所以，化学平衡是一种动态平衡，而不是静态平衡（指反应进行到此就完全停止）。

另外，各物质的浓度是相互联系的。如果其中一个有变化，其他的物质也都会发生变化。这就意味着必须有一种数学关系来把它们的变化联系起来。这种关系被称为质量作用定律（law of mass action），由化学家彼得·瓦格（Peter Waage， 1833—1900）和数学家卡托·马克西米利安·古德贝格（Cato Maximilian Guldberg， 1836—1902）于1864年提出。他们都是挪威人，而且还是郎舅关系（瓦格娶了古德贝格的一个姐妹）。这个定律定义了一个叫作平衡常数（equilibrium constant）的量，其值取决于反应的类型和温度。另外，不可逆反应可以认为是一种极限情况，它的平衡常数趋于无限大。

平衡状态下，反应物和生成物的浓度保持恒定，但我们可以通过作用于一些外部因素来改变化学平衡。首先就是浓度，如前面提到过的，从反应外部哪怕只改变一种物质的浓度，其他所有物质的浓度都会改变。其次就是温度，而对于气态物质来说，还可以改变压强，温度和压强都能影响化学平衡。法国化学家亨利·路易·勒夏特列（Henri-Louis Le Chatelier， 1850—1936）在1884年提出的一个理论使我们可以预见这种外部扰动的影响。他指出，任何处于平衡状态的化学系统，在受到外界作用时，都会倾向于将作用本身的影响降到最低。这一原理在实际操作中也非常重要，它可以确定发生反应的最佳条件，从而获得想要的产物。

运用热力学的方法可以研究化学平衡[55]。化学反应实际上涉及能量的变化，而研究能量交换和转化的热力学正好为我们研究化学反应提供了有用的工具。化学热力学定义了一些特殊的量，称为状态函数（state function），它们对描述化学反应行为极为有用。其中有一个被称为吉布斯自由能（Gibbs free energy）[以美国物理学家和化学家乔赛亚·威拉德·吉布斯（Josiah Willard Gibbs，1839—1903）的名字命名]的状态函数可以预测一个反应是否会自发进行。如果自由能的改变量是负数（放能反应），反应将自发进行。如果改变量为正数（吸能反应），则不会自发反应。最后，如果自由能的变化等于零，反应就会处于平衡状态（见第四章第1节拓展：反应的自发性、热力学和动力学）。

热力学状态函数具有宏观性质。但是也可以根据单个分子的行为在微观层面上进行解释。通过将统计学的方法应用于描述由大量分子组成的集合，我们就有了统计热力学（Statistical thermodynamics）。统计热力学的奠基人是奥地利人路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann， 1844—1906），但在他那个时代，很少有人理解他，后来他因重度抑郁于1906年自杀身亡。