第3章 我們身邊的化學(1)
化學涉及到地球上所有物質的變化，因此，化學在人們的生活中也是無處不在。在下麵的部分裏，就讓我們來看看，化學在生活這個大舞台上演出的諸多角色中的幾個吧。
一、 誰來養活世界？
1994年，一位美國農業學家萊斯特·布朗提出了一個驚人的命題：由於人口過度膨脹，到了2030年，全世界的糧食出口量也不能滿足中國的糧食需求。但十幾年過去了，這個命題看來實現的可能不大。
時光如果回溯到1898年，我們可以看到一位大科學家發出了類似的警訊。1898年，發明真空管的著名英國科學家克魯克斯在大英科協大會上的演說中指出，由於人口的增長，糧食將會越來越供應不足。克魯克斯同時指出，要解決糧食匱乏的問題，就必須找到氮肥的新來源。
氮元素是蛋白質和很多其它有機物的組成元素，在生物生長過程中需要大量吸收氮元素。即使有人乘坐時光機器回到過去，把今天的高產作物帶回古代，沒有足夠的氮肥，它們也無法提供足夠的糧食。而在這時，農業上所使用的氮肥主要仍依靠有機肥、工業煉焦副產品等，加上自然中雷雨時產生的氮肥、豆類植物的固氮仍然遠遠滿足不了農業發展的需求。人類社會發展的道路上出現了一堵高牆：誰將能養活這個世界？
為這個問題找到答案的是化學家。德國化學家哈柏等人開發的合成氨技術以空氣中的氮和氫氣為原料製取氨，提供了一個用之不竭的氮肥來源。
這之後，人們又發明了各種各樣的合成肥料，用來增加土壤肥力，提高糧食產量。到今天，世界上各個主要農業國都大規模使用化肥，才能滿足數十數百倍於古代世界的龐大人口的食物需求。
到了20世紀下半葉，隨著生物技術、農業技術的發展，化肥對於農業增產的貢獻有所下降。但是化肥對農業生產的作用在兩個正相關上麵仍然表現得淋漓盡致。
第一， 糧食單產越高，使用化肥的數量也越大；
第二， 世界化肥的產量和使用量隨著世界人口的上升而加速上升。
據聯合國糧農組織估計，全世界的糧食增產，有一半左右都依賴於化肥的使用。北朝鮮近年的糧食危機，就很有一部分是因為沒有足夠的化肥引起的。
當然，化肥使用不當也會引起很多環境問題。但是這些問題都是可以通過化學手段調節減輕乃至消除的。如果沒有化肥，全球人民今天的生活水平和人口數量大概還是隻能停留在20世紀初的水平呢。
下次吃飯的時候，可要記得，你食用的蔬菜糧食，都離不開化學家的功勞哦。
二、“麵”的學問
下雨了。雨水打在荷葉上，變成一個個滾動的小水珠；打在街麵上，彙成一條條歡快的小溪流。為什麼打在荷葉上的水會變成水珠，而落在街麵上的則是變成水流？
仔細觀察細玻璃管裏麵的水，會發現液麵是凹下去的。酒精溫度計裏麵的酒精液麵也是這樣。但是水銀溫度計裏麵的水銀液麵卻是凸起的。為什麼一個是凹一個是凸？
手上拿著氫氣球的小朋友一個不小心，氣球脫手飛向天空，慢慢變成一個小點看不見了。氣球會有怎麼樣的命運？
……所有這些都是表麵化學研究的內容。表麵化學是研究物質兩相接口上發生的各種物理化學現象——表麵現象——的科學。它誕生於1905年。這一年，德國化學家奧斯特瓦爾德在對膠體（膠體是指直徑在1nm—100nm之間的分散相質點分布於分散介質中的體係。牛奶、煙霧、墨水、有色玻璃等等都是膠體。）的研究中發現，膠體是物質多分散聚集狀態，膠體的性質是由膠體顆粒和溶液之間的表麵相互作用決定的。誕生於1861年的研究膠體性質的膠體化學由此開始拓展研究領域，由美國化學家郎格繆爾定名為表麵化學，並從此得到了迅猛發展，大量研究成果被廣泛應用於各生產部門，如塗料、建材、冶金、能源等行業；但在理論上，表麵化學並無大的突破，仍然基本上是在美國物理化學家Gibbs建立的理論框架之內進行研究。到了60年代末70年代初，人們從微觀水平上對表麵現象進行研究，使表麵化學得到飛速發展，作為一門基礎學科的地位被真正確立。
我們知道，物質的內部，原子分子之間互相聯係，相互作用可以互相抵消一部分。但是表麵上的原子分子不同，它們的一側是與其它的物質鄰接，因此兩側受到的相互作用是完全不對稱的。這種不對稱會引起能量上的差異，稱為表麵能。化學反應首先是在物質的表麵上進行，因此表麵性質對物質在化學變化中的行為有著重大影響。例如，工業上儲存濃硫酸的容器可以使用鐵製容器，就是因為在濃硫酸中鐵的表麵會形成致密的氧化膜，阻止硫酸對鐵的腐蝕。這種現象被稱為鈍化。鋁的性質非常活潑，會和空氣中的氧氣迅速反應甚至燃燒。但是我們平時可以使用鋁材，也是因為鋁的表麵被鈍化了。和鈍化相反地，有一種現象叫做敏化。工業上進行電鍍或者化學鍍之前，都要進行敏化工序，使用一些化學藥劑讓要加工的器件表麵變得更加活潑，才能使得鍍層更加牢固。其實，日常粘接的時候，常常要事先打磨一下待粘結的表麵，這也是一種敏化過程。
本文開頭的三種現象，也都可以用表麵化學的知識來解釋。
由於水和荷葉之間的表麵能很高，於是荷葉表麵的水會自動聚集成跟荷葉接觸麵積小的球狀；而水和路麵之間的表麵能低，於是水會順著路麵流走。
水和酒精跟玻璃之間的表麵能低，於是有順著玻璃管往上爬的趨勢，便形成了凹形液麵；水銀跟玻璃之間的相互作用則正好反過來。
隨著氣球的高度升高，大氣壓逐漸減小。表麵化學告訴我們，這種情況下氣球將會膨脹，密度減小，進一步上升。升高到一定程度，氣球膨脹太過，便會在空中“砰”地炸裂成碎片——除非在此之前氣球上出現孔隙，氫氣泄漏，癟了的氣球才會落到地麵。這也就是我們很少再找到脫手飛上去的氫氣球的原因。
當然，表麵化學的應用還遠遠不止這些。今天，表麵化學研究物質的表麵微觀結構、組成，追蹤表麵化學反應；人們還利用表麵化學知識開發催化劑、合成洗滌用品、製造化妝品、船舶防腐……表麵化學已經成為一門人們的生產生活中無日或缺的學問了。
三、長大的嬰兒
研究科學往往是一件很耗錢的事情。報紙、電視上經常有這樣的新聞：議員反對某某科研計劃，原因是這些研究太耗錢了，又沒什麼“實際作用”——滑稽的是，對於耗錢百倍於此的軍費，從來沒看見他們有什麼反對意見。每當看見這種新聞，我都不由得回想起將近200年前的一句話：“一個嬰兒能作什麼呢？”說出這句名言的，就是著名的電學家法拉第。