序言

电子、质子和中子构成了原子—这是物理学研究的范畴。一旦原子们键合在一起形成了分子，那就跨入化学的“地界”了。化学入门教材中常常出现这样的话：“化学是自然科学中的基础性科学”“在所有学科中，化学处于‘中心科学’（Central Science）的地位”—这样描述化学的重要性是为了强调化学在科学进步中发挥的巨大作用，而最终的目的无非是提高学生们对化学的重视程度并激发他们的学习热情。每每读到这样的字眼，也许你会心生疑惑—这样定位化学是不是有点夸大其词？事实上，请你相信，这种表述恰如其分、毋庸置疑！化学占据了物理学与生物学的中间地带，不仅自家“领地”宽广，还在物理学、生物学的领域内占有一席之地。只需简单浏览本书，广阔的化学边界就能一目了然：书中有些章节的内容已经跨越了物理化学和化学物理学的界限，有些章节则落在了生物化学和化学生物学的交叉领域。（是的，这些读起来拗口的学科都是真实存在的，尽管各学科研究者们对各自学科的内涵莫衷一是。）

在历史长河中，人类研究化学的历史源远流长，要远远早于人类的文字记载史，那些最早的化学实验是什么时候、在哪儿发生的，恐怕只有等待考古学家告诉我们答案了。目前能够肯定的是，我们遥远的祖先们第一次有意识地进行“搅拌”的诸多细节已经无从考证了。当祖先们对火焰及其效应产生兴趣，或开始思索岩石和颜料的色彩，或尝试将植物当作药材使用时，有意无意间，他们已经踏上了化学的探索之旅，如今这一旅程仍在继续。穿越历史长河，当代的化学家似乎与青铜时代的金属匠人、古埃及的祭司、中国古代的学者及古波斯的炼金术士存在着某种联系。如今我们回顾这一段段历史，总结前人的经验，重温前人的历程，一部由化学进步构成的科学史就展现在我们眼前。

当然，我们应该牢记科学技术取得实质性的飞跃是最近几个世纪的事情。本书是按历史年代前后顺序编排的，如果细读它们，你就会知道：人类经过了漫长的学习与积累，在金属、建筑材料和武器制造等领域先后取得了突破；当然也有一些模棱两可的研究虽然持续了几个世纪—比如炼金术，终日以琢磨嬗变金属或是探寻生命的精华为己任，但最后仍然是竹篮打水一场空。当然，也不能说一无所获，凭借炼金术士的不懈努力，人们从其中学会了如何蒸馏、纯化等，还学会了如何利用各种物质以及如何对它们进行分类，有意无意间，这一切都成了现代化学发展的基石。到了17世纪的某一天，炼金术已日渐式微，但代表着现代科学雏形的朝阳却喷薄而出了。研究天然产物的新一代化学家茁壮成长，开始系统地尝试各种可重复的实验，这一切都为化学的飞速发展插上了双翼。在这之后，虽然经历了18世纪的踌躇与徘徊，19世纪—化学实现逆袭的时代终于到来了。

本书中的章节不一定非得按顺序阅读，当然如果你选择这样做，那就简要介绍一下你将会读到的内容。首先，18世纪及19世纪初开展的各类气体实验代表着当时人类科学发展的最高水平，通过这些研究，人们逐渐认识到了各种元素是如何组合成化合物的。其后，电化学的出现又为各种新的化学反应提供了前所未有的新途径，在很短的时间内，各种新元素和新反应如雨后春笋般层出不穷，整个化学界都在潜心探寻这些现象所蕴含的奥秘。这个时期的有机化学家则醉心于从植物和其他天然来源中分离新物质，试图解析它们具体的化学结构—正是这样坚持不懈的努力，逐渐奠定了人们对立体化学的认识。

到了19世纪，一些看似简单的问题终于陆续有了答案：为什么一些化学物品的色彩如此鲜亮，而另一些看上去又如此通透？为什么某些化学物品常态下为银色金属、熔化需要的温度却极高，而另一些化学物品却是比空气还轻的气体？是什么让某些化学物品发光？又是什么让某些暴露在空气中的化学物品爆炸起火？在19世纪之前，这些问题林林总总、纷繁复杂，似乎不可能归纳出什么普适的理论来解释，可是当时的科学家仍然投入了大量精力进行探索，并取得了一些关键性进展—所有这一切努力都为相关理论的创立夯实了基础，也正是基于这些积淀，19世纪的种种理论突破才成为可能。

到了20世纪初，聚合物作为一种新生事物崭露头角，人们对它的认识也日渐清晰—它是由简单的小分子首尾相连构成的长链大分子，活细胞中就含有不少种聚合物。在探寻聚合物结构与性能关系的历程中，高分子化学家发现自己研究的物质种类繁多、包罗万象，涵盖从橡胶、玉米淀粉到聚乙烯等众多物质。与此同时，有机化学家和无机化学家发现自己无意中联手开创了一个新的研究领域—制备出一系列全新的有机金属化合物。此时分析化学的研究也取得了重大突破—质谱分析技术突飞猛进，为化学家们表征各类物质分子质量提供了功能强大的工具，这些都远远超出了前人的想象。

对几乎所有的技术领域而言，第二次世界大战的爆发客观上为各项技术的进步起到了非同寻常的推动作用。战争伊始，投入战场的还是双翼飞机，战争结束时就已经发展出了喷气式发动机和导弹。在化学领域也发生了相似的演变，尤其是以石油化工技术、放射性同位素技术和抗生素研发为代表的三大领域发展的速度之快，远远超出了人们想象，所有科学门类的进步几乎都在步调一致的高歌猛进当中。20世纪50年代末，DNA和蛋白质序列被确认为认识生命系统的“钥匙”，到了20世纪60年代这一生物“密码”就首度被揭开了。分析化学家纷纷配备了新型色谱技术和核磁共振谱仪等研究“利器”，而药物化学家则解析出了如抗生素、类固醇等自然产物的结构，并尝试用人工方法对它进行合成和改性。

20世纪70年代和80年代见证了分子生物学的发轫，这一领域促使生物学家以更加接近化学家的视角去观察事物。色谱技术和质谱技术开始联用，最终发展出当时最强大的分析表征技术。同时，计算机处理能力的飞速发展，将庞杂的X-射线晶体学计算压缩到只需半天的时间。

最近20年来，纳米技术方兴未艾，化学家开始热衷于设计、制备和利用各种“分子工具”，这些进步在以前根本无法想象。如今的化学生物学已经朝这一方向大步迈进，开始使用化学技术来改变、探索和理解蛋白质及其他构成生命的分子。新型有机化学反应、新一代分析测试设备和不断升级的计算能力联手发力，共同造就了我们今天的化学世界。为了缓解日益严重的环境问题，又不对环境产生新的危害，人们着手从空气中分离出二氧化碳并尝试将它们转变成有用的化合物和燃料，同时，人们还在致力于尝试研发新药或者性能更好的新型材料，这些都要依赖于化学取得的最新进展。

如今，人们容易想当然地认为人类已获得的化学知识“得来全不费工夫”，但请记住，现在那些对我们来说稀松平常的化学知识，放在我们的祖先那里，都将会被视为奇迹和珍宝，甚至还有可能被认定为某种巫术或魔法。化学的发展为人类补上了物理学缺失的一课。为了这一课，人类竭尽了毅力、勇气和所有的智慧，甚至进行了千万次几近疯狂的尝试，才换来了我们今天化学上的成就。撰写本书，用这种独特的方式向所有为化学进展作出贡献的人们致敬，我本人感到无比荣幸。

化学的故事还在继续。我本人也是一名职业的化学家，最近这段时间的晚上与周末时光都花在这本书的撰写上。白天，和世界上成千上万的化学家一样，我在实验室里做着研究工作，为化学发展取得新突破贡献着自己的力量。