●　锅与金属

身体疲乏，略微跛脚，你就这样回到家中。洗了个澡让你精神清爽，同时还回想起今天早上学到的关于肥皂和清洁剂的知识。当你从浴室出来时，你有非常好的食欲，毫无疑问，这肯定是因为一天的工作和在公园里跑步消耗了你大量的精力。妻子和儿子还没有回家，你决定给他们一个惊喜，准备一顿美味的晚餐。你喜欢做饭，乐在其中。走进厨房，你开始从橱柜里拿出必要的锅和其他厨具。现在的厨房用具可以由许多材料制成，这要归功于化学。我们接下来就从制作锅的金属（钢、铝，有时还有铜，比如祖母给你的那口老锅）讲起。

虽然你并未在意，但冶金学的历史确实在很大程度上与人类的历史相吻合。历史学家将人类史前史划分为4个时期：石器时代、铜器时代、青铜时代和铁器时代。每个时期与人们所使用的工具材料都密切相关，其中有3个时期是关于金属的，这并不是巧合。金属对人类的重要性不言而喻：最早的铁匠略施小计，便能够利用火来提取和加工金属，他们还成立了僧侣学院来传承他们的技艺和技法。这种情况在今天的一些非洲部落中仍然存在。此外，希腊神话中的一些神灵也被想象成铁匠——冶金艺术领域的专家。

在所谓的铜器时代（前4000—前3000），人类认识了第一批金属，这些金属当然就是金、银和铜，我们在自然界中可以找到天然状态下的它们。人类将发现的金属通过简单的锤打和冷加工，制造成珠宝、装饰品和权力的象征。发现的随机性、制造物的尺寸有限性以及机械强度的缺乏，使金属无法实质性地改变这一时期我们祖先的生活条件。对他们来说，石头仍然是最主要的材料。当人类学会了从矿石中提取铜和锡，并发现将这两种金属熔合在一起，可以得到一种机械性能比铜好得多的合金时，情况发生了本质变化：青铜时代（前3000—约前900）由此启程。从矿石中提取金属是一种氧化还原反应（见第三章第1节）。金属化合物中的金属实际上已经失去了电子，要想获得自由状态下的金属，我们必须得使它们重新获得失去的电子。第一种被人们使用的还原剂（可能完全是偶然的情况下）是来自木材燃烧后生成的碳。就像在发现新材料和新技术时经常发生的那样，青铜最初被应用于战争。剑和盾牌主要由青铜制成，而铜和石头在一段时间内仍被用于制造其他工具。由于铜和锡的矿藏很少靠近彼此，因此青铜冶炼催生了物流基础设施的搭建，促进了商业和文化交流，这深深地改变了当时的社会组织。

人类第一次认识铁，可能是因为偶然发现了含有这种金属的陨石或陨石碎片。但随着时间的推移，人类学会了从含铁矿石中提取铁，这类矿石通常比含铜和含锡的矿石更易得。此外，铁这种初来乍到的新金属，特性比青铜要好得多，因此铁器时代（约公元前900年起的历史时期）拉开序幕。从中东到近东，从古埃及到希腊，从罗马到中国，几个世纪以来，过去的各种文明都对新冶金技术的发展做出了贡献。1556年，德国学者乔治·鲍尔（Georg Bauer， 1494—1555）[其名字拉丁化为格奥尔格乌斯·阿格里科拉（Georgius Agricola）]的遗作《论矿冶》（De re metallica）印刷出版。这本书对当时采矿和金属加工的知识与技术进行了充分的总结。因此，我们尊称阿格里科拉为“矿物学和冶金学之父”。

“金属”一词来源于希腊语μ?ταλλον（métallon），意为“矿山”“采石场”。我们目前了解的有大约90种金属元素（约占所有现有元素的3/4），以及大量合金和金属间化合物。在常温常压下，金属几乎都呈固态。唯一例外的是汞（Hg），它是**。有些金属在很低的温度下会熔化，比如镓（Ga）的熔点就只有29.7℃。用镓制成的勺子看起来就像普通的钢制勺子一样，但如果你把它放在一杯热咖啡中，它就会熔化消失，这会让那些不了解这一特性的人感到惊讶[61]。另外，也有一些金属要在非常高的温度下才能熔化，比如钨（W）的熔点为3410℃（这就是为什么它被用于制造白炽灯的灯丝）。除了这些差异，金属还具有许多共同的特点。从化学性质上来看，它们往往容易失去电子（被氧化），从而产生正离子。而在物理性质上，它们还有其他重要的特性：通常来说它们有很高的密度，是电和热的优良导体，具有延展性和可锻性，它们的表面还可以反射光线。这种性质的相似性源于它们在微观结构层面的相似性。

在20世纪初，德国物理学家保罗·卡尔·路德维希·德鲁德（Paul Karl Ludwig Drude， 1863—1906）提出了第一个解释金属特性的理论模型。德鲁德将金属晶体想象成由正离子按照一定的几何形状有规律地排列组成的晶格。离子是由原子失去一个或多个外部电子后形成的（这与金属的氧化趋势一致）。原子失去的电子仍然被限制在晶格内，但可以在晶格内自由移动，形成一种电子气（德鲁德模型，也被称为自由电子模型）。同时，这种紧密的结构还可以解释金属的高密度。在没有外部电场的情况下，电子会由于热力学影响而随机移动，就像气体分子一样。但如果被施加了一个电势差，它们就会被吸引到正极（要记住电子是带负电荷的），并开始有序地移动。而电流就是电子的有序流动，这就解释了金属的导电性。电子气也能促进热传导。如果金属被加热，最接近热源的电子会获得动能，并开始加速移动，通过撞击附近的电子，它们自身的部分能量被传递，为热传导做出第一个贡献。第二个贡献则是由晶格里的离子提供的。那些最接近热源的离子会开始围绕其平衡位置快速振动，这种振动会在晶格内传播，从而有助于能量以热的形式传递。金属变形的难易程度也可以用德鲁德模型来解释。施加在金属晶体上的力实际上可以引起离子层（晶格面）的滑移，但电子气的存在可使整个结构保持稳定（这种情况反而不会发生在离子晶体中，因为如果我们试图使其变形，离子晶体中晶格面的滑移会使带有相同电荷的离子相互排斥的同时又相互靠近，这会导致晶体的破裂）。自由电子模型也可以解释为什么金属表面会反射光线（就连普通的镜子也利用了这一点，虽然镜子是由玻璃制成的，但实际上，它们表面覆盖了一层薄薄的金属膜）。我们记得光是一种电磁波（见第三章第1节）。当一束光照射在金属上时，它的振**电场激发了金属的表面电子，驱动这些电子自由移动，并开始以与入射光相同的频率振**。物理学告诉我们，一个振**的电荷会发出电磁波。因此，金属会发出与入射光完全相等的光辐射，这就解释了为什么金属看起来很有光泽。

德鲁德的理论在定性的层面上非常有效。但如果我们试图定量计算某些值（电导率和热导率、热容量等），就会发现它的局限性。1927年，德国物理学家阿诺德·索末菲（Arnold Sommerfeld， 1868—1951）对德鲁德模型进行了改进。我们在第一章第1节中提到的电子能带理论，成功地揭示了金属以及绝缘体和半导体的特性。

●　特氟隆

由金属铝制成的锅，是你准备用来炒洋葱的锅，你要用炒洋葱来制作意大利面的番茄酱。这是一口不粘锅，其中的原理也非常有意思。不粘锅通常涂有高分子材料——特氟隆。特氟隆由杜邦公司于1938年首次合成，并于1946年上市。从化学的角度来看，它是一种氟化聚合物，其专业名称是聚四氟乙烯（PTFE）。

1938年，美国化学家罗伊·普朗克特（Roy Plunkett， 1910—1994）偶然发现了聚四氟乙烯。一个气瓶中储存着气态的四氟乙烯（TFE），但过了一段时间后，气瓶里的气体竟然消失无踪，取而代之的是一种具有优异的耐热性和化学稳定性的白色粉末。人们发现，在气瓶内的高压条件下，四氟乙烯在铁的催化下发生了聚合反应。

实际上特氟隆的反应性是非常弱的，因此它经常被用来生产用于化学试剂或工业管道的惰性容器。它的熔点在260～327℃。另外，这种材料的摩擦系数非常小，附着力很差，没有任何黏合剂能够黏合它。这就是为什么它会被当作涂层用于不粘锅。

几年前，一些消费者权益保护协会和新闻机构提出了特氟隆的危险问题。根据他们的说法，高温会引发特氟隆的分解反应，产生有毒物质。实际上，特氟隆在加热至高温时确实可以分解并释放出有毒气体和烟雾[62]，但只有当温度达到260℃时才会发生这种情况，并且只有在350℃左右才会发生明显的分解。而通常用于烹饪的油和黄油在200℃左右（通常油炸时会达到的温度）就会开始分解，并释放出有毒物质。因此，与油炸等一些烹饪技术（只要不滥用，风险也相当低）的固有风险相比，使用不粘锅的风险似乎可以忽略不计。

即使意外摄入锅壁上脱落的特氟隆碎片，也是安全无恙的。正如美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）指出的那样，特氟隆的化学惰性使它在被摄入时可以从机体内代谢出去。

人们恐慌特氟隆的背后，只是因为一些混淆的概念和错误的资讯。这种误解就在于人们对聚四氟乙烯和用于其生产的一种物质——全氟辛酸（PFOA）的认知。

美国环境保护局（Environmental Protection Agency， EPA）污染防治与毒物办公室（Office of Pollution Prevention and Toxics，OPPT）等机构怀疑全氟辛酸具有致癌性，尽管有关该假设的结论不完全一致[63]。不管怎样，不粘锅上涂有的特氟隆中通常都不存在全氟辛酸，即使存在，每平方米的锅中也不超过千万分之一克。在后一种情况下，我们以一个10千克重的儿童为例，要达到生物实验中测试出来的全氟辛酸的最小毒性剂量，他必须摄入200 000个面积为0.5平方米的平底锅中的全氟辛酸[64]。

●　切洋葱

此时你拿起了洋葱，并将它剥皮、切片。痛苦就从这里开始了。几秒钟后，你就哭得稀里哗啦。切洋葱催泪这是众所周知的，但很少有人知道这是为什么。

洋葱（Allium cepa）是一种球茎植物，属于植物学上的葱属（allium）。厨房里大家熟知的其他品种，如大蒜、韭葱和火葱也属于葱属。这些植物的球茎都有一种特殊的香气，主要是因为一种叫作烯丙基（allyl，这个名称显然来源于这些植物）的有机基团，其结构如图31所示。

图31　烯丙基的结构

两个烯丙基可以通过单硫键结合在一起（图32）。这样得到的化合物被称为二烯丙基硫醚（Allyl sulfide）。如果我们简单地用R来表示烯丙基，我们就有了R—S—R。硫原子也可以是2个（R—S—S—R）、3个（R—S—S—S—R）或更多，之后我们会讲到二硫化物、三硫化物等。葱属鳞茎植物特有的气味正是来自这些分子。

图32　二烯丙基硫醚的结构

而洋葱催泪的性质则来源于切开鳞茎时产生的挥发性化合物。在洋葱的鳞茎细胞中存在一种特殊的化合物（S-1-丙烯基-L-半胱氨酸亚砜，S-1-propenyl-L-cysteine sulfoxide），其分子中有一个丙烯基，一个亚硫酰基（S = O）和一个氨基酸（半胱氨酸）。当洋葱被切开时，洋葱细胞的细胞壁被破坏，一种特殊的酶——蒜氨酸酶（allinase）会水解这种化合物，形成丙烯基次磺酸（propenylsulfenic acid，CH3-CH2-CH2-S-OH）。第二种酶——催泪因子合成酶（Lacrimathory Factor synthase）会将丙烯基次磺酸转化为丙烷硫醛亚砜（propanethial sulfoxide， CH3-CH2-CH=S=O）。图33所示为切洋葱时发生的反应。

图33　切洋葱时发生的反应

正是极易挥发的丙烷硫醛亚砜对眼睛产生了刺激，当它与角膜上的水液接触时，会与水反应，释放出硫酸。而眼睛这时就会增加泪水的分泌来防御。但泪水分泌的增加只会将更多的丙烷硫醛亚砜转化为硫酸，在这种连锁反应中进而使眼睛产生更多的灼烧感。不过，这样产生的是极低浓度的硫酸，除了有灼烧感，它不会对眼睛造成实质性伤害。

丙烷硫醛亚砜极易溶于水。因此，如果在流动的水中切洋葱，它就会被洗掉，催泪作用就会消失（但是，在流水中切洋葱还是比较困难的）。

最后，我们观察到，烯丙基和硫也存在于另一种具有特征香气的化合物中，也就是芥末的气味，这是由异硫氰酸烯丙酯（Allylisothiocyanate，R-N=C=S）造成的。

●　番茄酱

结束了痛苦的切洋葱之后，你就开始在锅里倒油炒洋葱。你还记得中午吃饭时学到的知识，所以就在锅中加入了一撮小苏打，这可以促进美拉德反应的发生（你还记得吗）。几分钟后，洋葱就呈现出奶油般的稠度和金黄色的外表，而且闻起来的味道也非常好。

此时，由于你没有太多的时间来准备番茄酱汁，所以就直接将现成的番茄酱倒入了锅中。

番茄肉里含有多种化合物。它的酸味来自羧酸，特别是柠檬酸和苹果酸（malic acid）。番茄中还有大量的维生素C，但这种化合物不耐热，所以你不会在制成的番茄酱中发现它的身影。还有B族维生素（B1、B2和B6）和以β-胡萝卜素形式存在的维生素A原，β-胡萝卜素赋予番茄红色的外观。番茄里还含有许多多酚类物质。多酚是一类含有多个酚环的物质，包括羟化的二苯基乙烯（hydroxylate stilbene）、类黄酮（flavonoid）、单宁（tannin）、酚酸（phenolic acid）和许多其他化合物，它们对机体起着各种作用。

除β-胡萝卜素外，番茄肉中还含有其他具有类似分子结构的化合物，它们被称为类胡萝卜素（carotenoids）。其中含量最高的一种是番茄红素（lycopene），它是使番茄呈现红色的主要成分。番茄红素是一种不饱和的脂肪族碳氢化合物。它的分子链结构中含有13个碳碳双键，其中有11个是碳碳共轭双键，并呈线性排列（图34）。

图34　番茄红素的分子结构

番茄红素有许多有益的作用。它的抗氧化性决定了它对预防肿瘤（如前列腺瘤）和心脏保护方面有积极作用，还能抵御紫外线对机体造成损害。它还可以对抗神经组织退化和预防骨质疏松症[1]。人们常常认为烹饪会使食物失去许多营养，这对某些物质来说并不假（如前面提到的维生素C），但对其他物质来说就不一定了。以番茄红素为例，烹饪反而可以提高其生物利用度。有证据表明，90～150℃的高温会使番茄红素的含量减少。但如果温度保持在100℃以下，番茄红素的降解程度就会大大降低。此外，加热也会促进番茄红素的顺式异构体的生成，它较反式异构体而言，更容易被人体吸收。一项研究还表明，在烹调番茄时加入橄榄油可大大增加人体对番茄红素的吸收[65]。11名受试者食用了用橄榄油烹调的番茄后，他们血液中的反式番茄红素的浓度增加了82%，顺式番茄红素的浓度增加了40%；而在食用无橄榄油番茄的12名受试者的血液中，我们发现反式番茄红素的浓度没有变化，顺式番茄红素的浓度增加了15%多一点。烹饪传统——建议用橄榄油并小火慢煮来制备番茄酱，再一次得到了科学的支持。

●　加盐的顺序

酱汁慢慢熬煮的同时，你在另一边烧着煮意大利面的水。每次你要煮意大利面时，都会有一个疑问困扰着你：盐应该在水沸腾之前还是之后加入呢？我们说思想可以分为不同的流派，就连在烹饪手册中我们也可以经常看到相互矛盾的观点。那么这个问题从化学的角度可以怎么来看呢？众所周知，水在标准大气压下的沸点是100℃。如果你在水中溶解了盐（或其他物质也没关系），水的沸点就会升高。这种现象被称为沸点升高，它类似于我们在第一章第4节中谈到的道路撒盐产生的冰点降低现象。沸点升高后的值是可以计算出来的。要使水的沸点升高1℃，每升水中就需要溶解58克的盐。当你在煮意大利面的时候，盐的使用量是非常少的（每升水5～10克盐），所以水沸点的增长实际非常小，只有零点几度，完全不影响煮意大利面。我们也没有理由认为在水沸腾之前或之后加盐有任何区别。实际上水不存在“记忆效应”，每次水溶液沸腾时的温度都是完全相同的。有时我们可以观察到以下现象：当水烧热了但还没有完全沸腾时，加入盐会诱发活泼而快速的气泡震动。发生这种情况是因为盐的加入产生了成核位点（nucleation site），这些成核位点有助于在**中形成蒸气气泡（即使是加入沙子或其他颗粒物质，也会发生同样的情况）。总之，在水沸腾之前或之后加盐是完全没有区别的，盐的存在对煮面没有任何影响。必须加盐的原因也很简单，那就是不加盐的意大利面实在食之无味！

●　煮面

总之，你已经在水中添加了适量的盐，现在水正欢乐地沸腾着，这时候意大利面该下锅了。从科学的角度来看，烹煮意大利面并不像看起来那样简单。

首先，我们一放进面条就会观察到水的沸腾瞬间停止了。这是因为刚开始的面条处于室温状态，它必须吸收水的热量来加热，所以水的温度就瞬间降低了。

用于制作意大利面的硬质小麦粉含有淀粉和蛋白质。蛋白质的含量，特别是球蛋白（globulin）和醇溶谷蛋白（prolamin）的含量对于最终成品的味道来说很重要。当面粉被制成面团时，醇溶谷蛋白（麦醇溶蛋白和麦谷蛋白）会产生面筋（参见第二章第1节）。面团搅拌过程中的机械加工会使面筋蛋白松弛，形成细丝样的结构，这些结构通过硫氢键紧密相连。通过这种方式，面筋呈现出一种有序的结构，能够吸入淀粉颗粒和气泡。淀粉颗粒内有非结晶区和结晶区。非结晶区主要由直链淀粉（amylose，葡萄糖的线性聚合物）和部分支链淀粉（amylopectin，葡萄糖的支链聚合物）组成。而结晶区则由支链淀粉组成，支链淀粉由中心向外围方向有序排列。颗粒的整体结构包括非结晶区域和同心结晶区域的交替排列。在加热过程中，热水会使淀粉糊化，也就是颗粒的结晶状态逐渐溶解，呈熔融的糊状。淀粉的糊化从面条外部开始，再逐渐膨胀。水通过渗透作用在颗粒内部进行渗透，在高温沸腾的促进下，加速面条的运动。在理想的烹饪中，面条一定得有嚼劲，不能煮得太软烂，也就是说面条必须熟得很均匀，并保持韧性和弹性。人们容易混淆有嚼劲的面条与中心未熟的面条。有嚼劲的面条比煮过头的面条更容易消化，因为面筋的外层会把淀粉留在内部。这样淀粉就会逐渐被吸收，从而避免在消化阶段出现血糖高峰。

●　微波炉

在煮意大利面的时候，妻子和儿子开始布置餐桌。同时，你从冰箱里拿出前一天晚上煮好的土豆煮章鱼。当然，冷的食物不能即食，所以你就把它放在微波炉里加热几分钟。

微波加热也有非常有趣的知识。1945年，美国工程师、发明家珀西·斯本塞（Percy Spencer， 1894—1970）意外发明了微波炉。在雷声公司（Raytheon Company，一家美国防务公司）工作的他，有一天，在开着雷达设备工作时，发现口袋里的一块巧克力融化了，由此他想到了利用雷达使用的微波来烹饪食物。微波炉内部有一个被称为磁控管（magnetron）的微波发生器，它由一个特殊的热电子管（或真空管）组成（雷达中也使用这种发生器）。微波是电磁波，其频率低于红外辐射。家用烤箱的磁控管一般以2450MHz（兆赫）的频率发射电磁波。我们在第三章第1节中了解到，单个光子的能量取决于电磁辐射的频率。通过计算我们可以得出，微波的能量与水分子的转动能级之间的差值相对应。我们来试着理解一下这是什么意思。一个分子有不同的运动状态，即分子在空间内的平移运动、分子自身的转动和分子内原子围绕其平衡位置的振动。量子力学表明，分子在做平移运动时的能量不是量子化的，也就是说各状态对应的能量值可以是任何连续的数值。而与分子转动和原子振动相关的能量则是量子化的，这说明它们的能量值不是随意的，只能是彼此不同的一些确定的（非连续的）值。我们现在已经知道，这样的能量值被称为能级。振动能级之间的能量差在数量级上对应于红外辐射的能量。因此，将红外辐射照射到物质上时可以激发分子内部原子的振动[通过分析样品吸收红外辐射的情况，我们可以获得分子的结构信息，这种技术被称为红外光谱（infrared spectroscopy）]。同样，如果是将微波照射到物质上，物质分子的转动就能被激发，从而使分子或多或少转动得快一点（因此也存在微波光谱或转动光谱）。但并不是所有的分子都能以这种方式被激发。只有极性分子，即那些内部具有电极性（分子两端带相反符号的电荷）的分子才有可能做到这一点。我们在第三章第1节中讲过，水分子是典型的极性分子，因此它可以受到微波的激发。但分子的转动只有在它们相互独立的情况下才有可能，而这只在气态下发生。食品中的水处于液态，存在于固体或半固体结构中。因此，当食物中的水分子被烤箱里的微波激发时，它们的转动就会被阻止。此时，它们不再转动，而是开始围绕它们的重心进行旋转方向的振**，这种特殊的运动称为天平动（libration）。水分子的这些运动会产生内部摩擦，从而产生热量，加热食物。但不含水的物质在微波炉中就完全不会被加热。这一点可以得到证实，因为我们发现放在微波炉中的盘子（陶瓷或塑料制成）拿出来时仍然是冷的。有时候盘子是热的，那只是因为盘子中的食物被加热后把热量传递到盘子上来了。

在厨房使用微波炉有利有弊。微波炉是先加热整个食物的内部，而传统的烤箱则是由外向内加热食物，所以烤出来的食物表面总是比内部要熟一点。但微波炉由于辐射不均，也可能导致食物受热不均（这就是为什么微波炉里会有一个转盘）。另外，由于微波炉的加热取决于水的存在，若食物内部的水分布不均匀，则食物不同区域的加热效果可能会不同。微波炉加热食物的速度非常快，但食物的温度却难以达到100℃以上。这可能会使某些病原微生物不能被完全灭活，但最重要的是，微波炉里不能进行一些重要的食物化学反应，如美拉德反应（见第二章第1节），这些反应能赋予食物类似于传统烹饪所能达到的香气和口感。另外，关于微波炉加热食物会致癌和微波危害健康的说法是完全没有依据的，因为目前市面上的微波炉都装有绝对可靠的屏蔽装置。

一切都准备好了后，你终于坐在了餐桌边，可以开始享受你的烹饪成果了。妻子和儿子也都觉得饭菜味道不错。但考虑到中午经历的烧心的感觉，你吃得比较清淡，量也不多。吃完饭后就该洗碗了。你还记得以前你和妻子轮流用含有表面活性剂的传统洗涤剂（见第一章第2节）手洗餐具，但你一点也不追忆那段日子。毕竟你们购买洗碗机已经好几年了，所以洗碗不再是一个问题。可能出乎你的意料，但洗碗机里确实也有很多化学知识。

●　洗碗机

洗碗机的发明通常归功于约瑟芬·科克伦（Josephine Cochrane，1839—1913），她是一位富有的美国女士。1886年，经常举办宴会的她在伊利诺伊州（Illinois）的谢尔比维尔市（Shelbyville）制造了一个洗碗机的原型[在她之前，一个叫作乔尔·霍顿（Joel Houghton）的人在1850年为一个原始的木制洗碗机申请了专利，但是作用寥寥]。

抛开机械和热学方面不谈，洗碗机之所以有趣，首先是因为它使用的洗涤剂与手洗餐具的洗涤剂（其作用原理与我们在第一章第2节中讨论的个人卫生清洁剂非常相似）有很大的不同。洗碗机用的洗涤剂清洁力度更强，因为尽管洗碗机内部产生的热水的喷射压力很大，但内部并没有刷球或海绵进行机械清洁。此外，由于它们不与手直接接触，这种洗涤剂很可能有更强的刺激性。为了使清除污垢更容易，洗碗机用的洗涤剂碱性都非常强（见第三章第1节）。这要归于纯碱（碳酸钠，Na2CO3）、偏硅酸钠（Na2SiO3）、苛性钠（氢氧化钠，NaOH）、磷酸钠（Na3PO4）或多磷酸钠（Na5P3O10）的存在。此外，机洗洗涤剂中还含有非离子表面活性剂（见第一章第2节），但它不能产生泡沫，因为泡沫会阻碍洗碗机内部加压水柱的冲洗。机洗洗涤剂通常也有含氯物质，例如二氯异氰尿酸钠[sodium dichloroisocyanurate， NaCl2（CNO） 3]。当温度达到50～60℃时，氯就会被释放出来，它既有消毒作用，又有对番茄酱等有色污垢的漂白作用。另外，一些清洁剂还含有用于漂白作用的氧化剂、有助于消除污垢的酶、染料和香料、用作抗稠化剂和惰性剂的硫酸钠（Na2SO4）、漂白活化剂四乙酰乙二胺（Tetraacetylethylenediamine， TAED）以及属于络合剂或螯合剂（chelating agent）类的膦酸盐。

在洗碗机中，除了洗涤剂，还需定期将所谓的光亮剂（brightener）加入专门的小槽中。光亮剂是一种含有表面活性剂的**，正如我们所知道的那样，表面活性剂可以降低水的表面张力。光亮剂会在洗碗过程结束后使用，用来提高餐具的冲洗效果。在冲洗用的水中加入少量的表面活性剂可以使水更容易被去除，从而去除餐具上的水渍，以免在餐具表面留下痕迹。光亮剂还具有酸性成分，可以中和餐具上可能残留的碱性洗涤剂或可能的水垢沉积。但是过量的光亮剂往往会使餐具表面产生条纹和雾面现象，这与水质较硬造成的情况类似。拥有洗碗机的人都知道，除了洗涤剂和光亮剂，洗碗机中还必须定期加入一定量的盐。尽管专门用于洗碗机的盐比食盐的纯度更高，但普通的食盐（氯化钠，NaCl）也可以。水垢可能会使洗碗机的性能下降甚至是被损坏，而盐能有效遏制水垢的形成。水垢的形成与水的硬度，即水中钙离子（Ca2+）和镁离子（Mg2+）的含量有关。为了降低水的硬度，洗碗机里装有离子交换树脂（见第三章第1节），这些树脂会用无害的Na+来取代自来水中的Ca2+和Mg2+。但长期使用之后，离子交换树脂交换Ca2+和Mg2+的能力会达到饱和状态，因此，盐的添加能恢复离子交换树脂中Na+的功能，使树脂继续执行其功能。一段时间以来，市场上还出现了“三合一”洗碗机洗涤剂，也就是集洗涤剂、光亮剂和盐的作用于一体。由于洗碗机洗涤剂的碱性很强并含有其他化合物，我们建议最好避免直接接触洗碗机洗涤剂，因为它们可能会对皮肤和黏膜产生刺激。

拓展：反应的自发性、热力学和动力学

根据经验确定的热力学定律预测了由大量粒子组成的系统的可能行为，或者更准确地说，它概述了这种系统的力学定律。因为对有些人来说，热力学定律似乎是约定俗成的金科玉律，这些人没有敏锐的感知能力来使他们鉴别与单个粒子有关的数量级的数量，也不能频繁地重复他们的实验以获得最可能的结果[66]。

有些物质相互接触后会自发地进行化学反应，产生新的物质。而另一些物质，即使在理论上认为它们之间是可以反应的，但就是不会发生反应。还有一些物质，它们发生了反应，但反应会在平衡状态下停止，这种状态下同时存在着反应物和生成物（见第三章第1节拓展：化学平衡）。

造成这种差异的原因是什么？化学家们长期以来一直在问这个问题。实际上，化学反应总是涉及能量的变化[67]，而只有将热力学（研究能量交换和转化的学科）工具应用于化学，才能针对这个问题给出令人满意的答案。要评估一个反应的自发性，我们必须考虑两个因素。

第一个因素与能量紧密相连。任何物理系统都倾向于发展到其总势能低于初始势能的最终状态。实际上，较低的能量含量对应着较高的稳定性。为了评估一个系统的能量含量，化学家定义了一个特殊的热力学状态函数，称为焓（enthalpy），用字母H表示。在恒压（就像大气压一样是恒定的）条件下，化学反应中焓的变化（ΔH）等于反应吸收或释放的热量。

第二个要考虑的因素与另一个热力学状态函数有关，叫作熵（entropy），用字母S表示。它与宏观物理态出现的概率有关。宏观态包括的微观状态数量越多，这个概率就越大。显然，无序状态（如气体）要比有序状态（如晶体）有更高的概率出现宏观态。由于这个原因，熵被认为是对系统中物质混乱程度的一种量度。热力学第二定律指出，一个孤立系统的熵变（ΔS）永远不可能是负数。

为了考虑到上面的两个因素，一个新的状态函数被定义为吉布斯自由能，该状态函数以美国物理学家、化学家乔赛亚·威拉德·吉布斯的名字命名。它由字母G表示，其变化量由ΔG表示。

如果一个反应的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（但该反应的逆反应会是自发的）。最后，如果自由能的变化等于零，反应就会处于平衡状态。

将自由能、焓和熵的变化联系起来的关系式中还包括温度（ΔG =ΔH - TΔS）。适当地改变温度还有可能使一些非自发反应自发地发生。这些考虑因素的实际重要性很容易理解，我们想想化工行业就知道了。

确定一个反应在热力学上是否被允许发生是非常重要的，但这不足以预测它是否会在实际中百分之百发生，以及它是否能够最终被成功实践。实际上，有极其缓慢的化学反应（如钟乳石的形成）和极其快速的化学反应（如爆炸）。

反应速率被定义为在单位时间内生成物（或反应物）的浓度变化[68]。反应速率与反应物的浓度成正比，各反应物浓度的指数被称为反应级数（order of reaction），而这个比例的常数被称为反应速率常数（rate constant）。由此产生的关系式被称为动力学方程（kinetic equation），它是一个微分方程，可用来预测反应随时间的变化。

速率常数除了与反应物的化学性质有关外，还与温度有关，由此产生的关系式被称为阿伦尼乌斯公式（Arrhenius equation），于1889年由瑞典化学家斯凡特·奥古斯特·阿伦尼乌斯（Svante August Arrhenius）首次提出，该公式就是以他的名字来命名的。

反应的速率常数都会随着温度的升高而增大。因此，任何反应的速率也都随着温度的升高而加快。这就可以解释为什么夏天食物变质得更快，但如果食物放在冰箱里，就可以保存得久一点。这是因为低温可以减缓食物变质的速度[2]。

阿伦尼乌斯公式中出现了一个特殊的量，叫作活化能（activation energy），我们可以将其定义为使一个反应发生所需的最小能量。为了能进行反应，反应物分子必须以高于某个临界值的能量相互碰撞。这就好比我们要从一个国家到另一个国家去，而它们之间被一座山丘隔开，为了到达目的地，我们必须有足够的能量来克服山丘的高度，而且不管目的地比起点的海拔高还是低，我们都要这样做。反应的速率会随着活化能的增加而降低。图35显示了能量在反应过程中的变化情况。

图35　反应曲线

该图显示了能量在反应过程中的变化情况。在有催化剂的情况下活化能降低，导致反应速率增加

如果反应中生成物的能量比反应物的能量少，则该反应会释放出多余的能量（放能反应）；反之，反应会吸收能量（吸能反应）。无论如何，反应最开始都必须为反应物提供足够的能量，以克服活化能所代表的“能量差”。这就可以解释为什么需要火花（或火焰）来点燃煤气灶，以及为什么即使是炸药（其反应会产生大量的能量）也必须由雷管来触发。

活化能和反应顺序取决于反应物分子转化为生成物分子的“方式”。这种“方式”被称为反应机理（reaction mechanism）。它是指反应得以发生所经由的全部基元反应。一个反应的反应机理可以因催化剂（catalyst）的加入而被改变。催化剂在反应过程中没有发生变化，但它们的存在却改变了活化能，从而改变了反应发生的速率。催化剂可以适当地提高反应速率，但抑制剂（inhibitor）却会降低反应的速率。催化剂在化工业中有着重要的作用。

催化剂在生物反应过程中也发挥着关键作用，这样的催化剂被称为酶。酶对生命的存在至关重要，同时它们也有很多的技术和工业应用。