从实验室到日常生活，化学可以为我们带来什么？
清华大学化学博士、科普作家
2024 年 6 月 21 日，科普中国·星空讲坛以“科学报国正当时”为主题，邀请五位不同专业领域的专家学者，从不同领域、角度阐释如何从自身兴趣和职业规划出发，结合国家和社会的需求做出未来选择。
以下是孙亚飞的演讲节选：
我学了很多年化学。
高中起，我就参加化学竞赛，运气还不错，保送到北京大学，在北大化学系待了 4 年。
毕业后，我在一家工厂担任研发工程师，也是在那里，看到和学到了很多和实验室里不一样的东西，之后就走上了科普的道路。
从事科普工作的过程中，我又发现：好像仅有一些化学知识还是不够，于是回炉深造，到清华大学化学系读了博士。
算算看，从高中到现在，我已经在化学实验室里面泡了挺长的时间。那么，在实验室里，我们一般会做什么？
这些实验室的“黑话”是什么意思？
在实验室里，我们常提到几个“黑话”：过柱子、打核磁、测电镜还有洗瓶子。
它们分别是什么意思？
过柱子
过柱子是化学实验里面非常重要的一个过程。
所有的化学反应过程中，都不会只得到某种单一产物，而是很多产物混合在一起，所以需要对这些产物进行分离。
在化学实验室里，每次反应进行完，首先要做的，就是把其中我们想要的产物分离出来，而分离的方式就是“过柱子”。
过柱子的时间有长有短。有时过得快，二三十分钟就能把我们想要的东西给分离出来，不过通常我们都需要干上一天的时间，有时过上一天也不一定能分出来我们想要的，过上几天也是有可能的。
打核磁
好不容易过完柱子，拿到了分离的产物，那怎么确认它到底是不是我们想要的那种呢？
这就需要打核磁。它的原理其实和医院里的核磁共振一样，不过，实验室里这个核磁更小巧一些，一般是针对毫克级的样品进行检测。通过核磁共振的检测，我们就可以验证这个分离出的产物是不是就是我们想要的那个东西，确定下这个结果。
测电镜
但是，有了这个结果，可能还不够。因为这个物质的纯度可能还不够高，那怎么办呢？
对于纯度不高的物质，我们需要提纯，提纯后让它长出晶体，最好是长成一个叫单晶的东西。长完之后，我们就要在电子显微镜下面进行测定，也就是“测电镜”。
洗瓶子
洗瓶子其实也是化学实验室里非常重要的动作。
如果瓶子没洗干净，留下一些杂质，就很可能导致后面的化学反应失败。但有的时候，瓶子洗得太干净也不行，比如前面说，测电镜找单晶，可有时候瓶子洗得太干净，单晶却会长不出来。
所以，你看，化学实验室里的每个行为，其实背后都是有学问的。
化学实验室里的无限可能性
做实验的过程，听起来有点枯燥，而且有时还得不到想要的结果——那我们为什么还需要做这些实验？
简单说，做实验真的有好处。
比如富勒烯（C60），按分子的说法其实是碳 60，因为它是 60 个碳原子去构成的球形分子。这个分子是怎么被发现的呢？
富勒烯分子，看起来像个足球| 图虫创意
两百多年前，人类就已经在想办法去探测太阳或者更远的地方有什么化学物质。比如，宇宙中那些“黑”的地方，里面是什么？化学家也想知道，于是去做一些光谱测试，因为即使是“黑”的地方，它可能也会有一些光谱打过来。
上世纪 50 年代，就有一些太空里面的分子被查出来了，但是，它们的光谱打出来之后，科学家发现，在地球上找不到一模一样的光谱，这就说明，太空里的这些分子是人类到目前为止还不认识的。
其中一个，就是富勒烯的光谱。当时，我们还不知道它是长成这样。化学家在实验室想了很多办法去合成跟它相似的东西，但是，始终都没有想到是这样一个球形分子。做了大概十几年，有一个化学家突发奇想，用一些电弧的方法，就做出了这样一个东西，然后拿去检测，就发现：这不是由碳原子构成的一个纯单质嘛，而且是 60 个碳，像足球一样的完整分子。后来，这位化学家也因为这项工作获得了 1996 年的诺贝尔化学奖。
化学实验虽然确实枯燥，可能需要一代人甚至几代人去做实验和验证，但是，当我们发现它的时候，你就会觉得：原来这个自然世界如此有意思。
当然，后来科学家又发现，这个碳 60 其实也没有那么难获取，你在家里面哪怕点一根蜡烛，烧出的碳灰里就能找到这个分子，听起来也有点像“蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”。
确实，化学发现经常是在不经意间发生的。
比方说，碳如果不是像富勒烯那样形成球，而是完全铺平，就是石墨烯分子，石墨烯叠起来之后是石墨，每一层就是石墨烯，但是想把这个石墨一个个切片切成石墨烯，那是不可能的，因为它只有一个原子那么厚。
但是在二十年前，有一位叫安德烈·海姆的科学家，他想，我不是不能够用刀把它切开嘛，那我换一个方式吧，用胶带。
我们知道，用胶带撕东西的时候，会把一些物质从中间给它撕开，那么，多撕几次，是不是就能把这个石墨给撕开呢？这个实验方式看起来有点搞笑，但他最后还真的做成了，将石墨做成了单层的石墨烯。
化学给我们的生活带来了什么？
化学实验室里有很多和我们生活密切相关的事情。
比如电动汽车里都会用到的锂离子电池。现在，我们的家用汽车都在从原来的燃油汽车往电动汽车过渡，电动汽车就需要用电池。以前的电池容量不太够，效率也不太高。后来，锂离子电池出现了。锂离子电池的厉害在哪里呢？以前电池在充电的时候会有个记忆效应，如果没有把电用完立即就去充电，那么电池就会记住这个电量，以后再用到这个电量的时候，电池就显示没电了。但锂离子电池不会，而是在每次反应完了之后都把电量用完，然后再充进去。
还有像医院里用的注射器，也需要很多化学知识才能生产出来。药品跟化学就更相关了，比如我们熟悉的阿司匹林，化学专业的学生上有机化学的第一个实验一般就是制作阿司匹林，它是非常经典的用化学方法合成的一种药物。
再比如，加工芯片需要用光刻机或是高纯度的硅片，这些物质和加工的工艺，同样需要化学支撑，化学工艺足够发达，才有可能生产出纯度为 99.9999999999%的高纯硅（9 的数字要达到 12 个），如果达不到这个水平，计算机在运算的时候就容易出 bug。还有光刻机里要用到的光刻胶，也要通过化学方法，才能合成我们做芯片所需要程度的光刻胶。
未来，化学还可以做什么？
未来，化学能做的事情更多。
比如，AI 相关的技术，需要用到芯片，还需要很多算法，还要用到一些传感器，这些传感器也需要通过化学方法合成。比如触觉，怎么才能传递到人体呢？当然需要我们先把人体自己的化学机制弄清楚，再去找到相应的材料，再把触觉模拟出来。
还有我们会担心水污染和空气污染，但实际上，通过新的化学知识，可以让水和空气变得更加洁净。如果说切身体会的话，最近十多年来，北京的空气质量越来越好，其中就离不开很多化学家的贡献。
未来，还有很多深空探测、入地还有下海的过程，也需要很多新材料的支撑。
还有，现在能源越来越缺乏，我们不能总依赖那些化石能源比如石油或煤炭，因为这些资源总会挖光的，而且它们燃烧产生的二氧化碳，也会带来温室气体效应。那怎么办呢？这就需要利用一些新能源，比如太阳能、水电或者风能。要发展这些能源，就需要用到很多化学知识，因为需要加工很多材料，比如风电，它表面有一层散热层，就会用到石墨烯作为原材料去做这个散热层。
策划制作
作者丨孙亚飞 科普作家
审核丨穆云松 中国人民大学化学与生命资源学院环境科学与工程系主任、副教授
责编丨杨杨
化学在生活中应用
1. 食品制作：
- 发酵过程：在制作面包时，酵母菌在适宜的温度和湿度条件下，分解面团中的糖类，产生二氧化碳气体，使面团膨胀发酵。在酸奶制作中，乳酸菌将牛奶中的乳糖转化为乳酸，使牛奶凝固并产生酸味。
- 卤水点豆腐：卤水中的氯化镁和硫酸钙等电解质会破坏豆浆中蛋白质分子的胶体结构，使它们相互聚集并沉淀下来，形成豆腐。
2. 医药：
- 药物合成：阿司匹林是通过水杨酸与乙酸酐反应合成的；青霉素是通过微生物发酵和化学修饰得到的。
- 胶囊制作：胶囊壳通常由药用明胶制成，明胶是一种从动物结缔组织中提取的胶原蛋白经过水解得到的产物。
3. 化妆品：
- 护肤品：甘油具有良好的保湿性能，能吸收空气中的水分，使皮肤保持湿润；防晒霜中的化学物质如氧化锌和二氧化钛可以反射和散射紫外线，减少紫外线对皮肤的伤害。
- 彩妆：口红中的色素有各种来源，如植物提取、化学合成等；眼影中的颜料也是通过化学方法合成或提取的。
4. 建筑材料：
- 水泥：生产水泥的主要原料是石灰石和黏土，在高温下发生复杂的化学反应，生成硅酸三钙、硅酸二钙等主要成分。
- 砖块：黏土在高温下烧制时，会发生一系列物理和化学变化，使砖块变得坚硬和耐用。
5. 交通工具：
- 汽车燃油的燃烧：汽油主要成分是辛烷等烃类化合物，在发动机中与空气混合并被点燃，发生氧化还原反应，释放出能量推动汽车前进。柴油的燃烧过程类似。
- 金属材料的使用：汽车车身使用的钢铁是通过铁矿石在高炉中冶炼得到的，涉及到还原反应等化学过程；铝合金等轻质金属也在汽车制造中得到广泛应用。
6. 农业：
- 化肥：氮肥如尿素是通过化学方法合成的；磷肥如过磷酸钙是通过磷矿石与硫酸反应得到的。
- 农药：有机磷农药通过干扰害虫的神经系统起作用；拟除虫菊酯类农药则模拟天然除虫菊素的结构和作用机制。
7. 塑料产品：
- 塑料袋：聚乙烯是最常见的塑料袋材料之一，通过乙烯单体的聚合反应制成。
- 塑料瓶：PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）是制作塑料瓶的常见材料，通过对苯二甲酸和乙二醇的酯化反应和缩聚反应得到。
8. 清洁用品：
- 洗洁精：表面活性剂如十二烷基苯磺酸钠等可以降低水的表面张力，使油污更容易被去除。
- 洗衣粉：酶如蛋白酶、淀粉酶等可以分解衣物上的污渍；表面活性剂和助剂也起到重要作用。
9. 燃料：
- 天然气：甲烷是天然气的主要成分，是在地下经过漫长的地质过程形成的。
- 煤气：液化石油气中的丙烷、丁烷等是通过石油炼制或天然气加工得到的。
- 石油：石油经过分馏、裂化等工艺处理，可以得到各种燃料和化工原料。
10. 摄影：
- 胶卷的感光材料：卤化银在光照下会发生分解反应，形成潜影，经过显影、定影等处理后形成可见影像。
11. 电子设备：
- 电池：锂电池中的锂离子在正负极之间来回移动，实现电能的储存和释放；镍氢电池等也有其特定的化学原理。
- 电路板中的化学物质：金属导体如铜、银等用于电路连接；半导体材料如硅等用于制造芯片等电子元件。
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