元素咖啡化学

如果原子内部大部分是空的，为什么我们不能穿墙而过呢？ 考古学家如何通过测量放射性来判断文物年龄？ 星际旅行的燃料将如何获得？ 《元素咖啡化学》由美国圣麦克尔学院教授约翰·苏卡奇打造，全球畅销20余年，同名多媒体课程网络热销超1000万次，入选北京大学通识教育核心课程。 全书以贴近读者日常生活的有趣问题引入，辅以细致、前沿的解答，可以帮助读者在探究中构建通识思维。

约翰·苏卡奇 ● 化学教育家，擅长用通俗易懂的语言向非专业学生介绍学科知识。除了本书，苏卡奇还与物理学家保罗·休伊特等人共同撰写了《物理科学原理》（Conceptual Physical Science）和《综合科学原理》（Conceptual Integrated Science）等书，涵盖化学、物理学和天文学领域。 ● 在线教育平台Conceptual Academy创始人兼CEO。该平台上的教学视频由美国数百位名校教师制作，是对其撰写的化学、物理学、天文学、生物学、地球科学等学科书籍内容的补充和拓展。 ● 美国圣麦克尔学院教授。他在美国弗吉尼亚联邦大学获得了有机化学博士学位，并在弗吉尼亚医学院完成药理学博士后研究。

Q3 染发剂靠什么持久着色？ 在日常生活中，我们会通过调控酸性和碱性来达成各种目的，染发便是一个典型的例子。人类头发的外表面由微小的鳞片状结构组成，这种结构也被称为角质层。它们就像百叶窗一样，可以打开和关闭。碱性溶液会让角质层张开，使头发呈多孔的状态。酸性溶液会让角质层关闭，赋予头发一定的抵抗力。美发师正是利用这一原理，通过调整染发液的pH值来控制染发效果的持续时间。在酸性环境中，毛鳞片关闭，这样染料就只能黏附在每根头发的表面，导致染色效果持续时间较为短暂，颜色可能会在下一次洗发时被洗掉。使用碱性溶液可以使染料通过角质层渗透头发的内部，实现更持久的染色效果。 但除了酸性和碱性，我们在前文中已经了解，水有着特殊的性质，有时呈现酸性，有时却又呈现碱性。当一种物质表现为酸的能力与表现为碱的能力大致相同时，我们就称其为两性物质。水就是两性物质的典型代表。因为水是两性的，所以它具有自我反应能力。水分子呈酸性时，会向邻近的水分子提供氢离子，水分子在接受氢离子时，呈碱性。这个反应产生1个氢氧根离子和1个水合氢离子，它们结合在一起，重新生成水分子： 当有1个水分子获得1个氢离子时，必然有1个水分子失去1个氢离子。因此，每形成1个水合氢离子，就会形成1个氢氧根离子。因此，在纯水中，水合氢离子的总数必然与氢氧根离子的总数相同。实验表明，纯水中水合氢离子和氢氧根离子的浓度极低，约为1.0×10-7M（摩尔/升）。因此，水本身既是一种弱酸，也是一种弱碱，图1-9a中未被点亮的灯泡就很好地说明了这一点。 那么，水分子之间能否相互反应呢？答案是能，但反应并不强烈。当它们发生反应时，形成水合氢离子和氢氧根离子。我们一定要注意这一点，因为这将是本章其余大部分内容的基础。 随着进一步的实验，科学家揭示了在任何水溶液中都存在的有关水合氢离子和氢氧根离子浓度的一个有趣规律。在任何水溶液中，水合氢离子的浓度乘以氢氧根离子的浓度，总是等于常数 KW，这是一个非常非常小的数字： 溶液的浓度通常以用摩尔浓度表示，可以用括号来缩写方程式如下： 水合氢离子数量 × 氢氧根离子数量=0.000000000000010 括号的意思是这个方程式为“水合离子的摩尔浓度乘以氢氧根离子的摩尔浓度等于 KW。对于纯水来说，KW是水合氢离子的浓度1.0×10-7M 乘以氢氧根离子的浓度1.0×10-7M”。常数值 KW是相当重要的，因为它意味着无论水中的溶解物是什么，氢离子和氢氧根离子浓度的乘积总是等于1.0×10-14。所以如果水合氢离子的浓度上升，氢氧根离子的浓度必然下降，两者的乘积始终为1.0×10-14： 任何含有相同数量的水合氢离子和氢氧根离子的溶液都被称为中性溶液。纯水就一种是中性溶液——不是因为它含有的水合氢离子或氢氧根离子数量很少，而是因为它含有的这两种离子的数量相等。当等量的酸和碱结合时，也会得到中性溶液，这就解释了为什么酸和碱可以中和。 在中性溶液中，水合氢离子和氢氧根离子的平衡因为加入酸或碱而被打破。加入一种酸，水就会与这种酸反应，产生更多水合氢离子。这些新增的水合氢离子中和了氢氧根离子，导致氢氧根离子数量减少。最终结果是，水合氢离子浓度大于氢氧根离子浓度，使溶液呈酸性。 在水中加入碱后，水会与碱发生反应，产生更多氢氧根离子。这些多出来的氢氧根离子会中和水合氢离子，使水合氢离子的数量变得更少。结果表明，水合氢离子的浓度小于氢氧根离子的浓度，使溶液呈碱性，如图1-10所示。 趣味课堂 水有腐蚀性吗？ 在温度超过 374℃，大气压达到标准大气压的218倍时，水会转变为一种被称为超临界水的物质，超临界水既类似于液体也类似于气体。中性的超临界水溶液，pH值约等于2，这意味着它含有高浓度的水合氢离子和氢氧根离子，具有很强的腐蚀性。目前，化学家正在进行研究，以了解如何利用超临界水来销毁有毒的化学物质，如化学战剂。 pH值用来描述酸碱度 既然pH试剂能够帮我们分辨酸与碱及其强度，那么应该如何理解pH值呢？pH值是用来表示溶液酸碱度的数字刻度。从数学上讲，pH值等于水合氢离子浓度的负对数： 再次提醒，方括号代表摩尔浓度，[H3O+]表示“水合氢离子的摩尔浓度”。以水合氢离子浓度为1.0×10-7M的中性溶液为例，要换算此溶液的pH值，我们首先取这个值的对数，即-7。根据定义，pH值是这个值的负值，即-（-7）=7。因此，在中性溶液中，水合氢离子浓度等于1.0×10-7M，pH值为7。 酸性溶液的pH值小于7。例如，对于水合氢离子浓度为1.0×10-4的酸性溶液，pH=-log（1.0×10-4）=4。溶液的酸性越强，水合氢离子的浓度越高，pH值越小。碱性溶液的pH值大于7。例如，对于氢离子浓度为1.0×10-8的碱性溶液，pH=-log（1.0×10-8）=8。溶液碱性越强，其水合氢离子浓度越低，pH值越大。 图1-11显示了一些常见溶液的pH值，图1-12展示了测定pH值的两种常用方法。 Q4 人体是酸性的还是碱性的？ 不知道你有没有听过这样一种说法，称人体也分为酸性体质和碱性体质。但实际上，人体是一个非常复杂的系统，其酸碱平衡是由肾脏、肺部等多个器官共同调节的，不会因为饮食或生活习惯的改变而轻易改变，比如人体内血液的 pH 值能够维持在一个相对稳定的范围内。那么，这究竟是如何实现的呢？其他溶液也能实现稳定 pH 值的效果吗？答案是通过缓冲溶液就可以达到稳定 pH 值的效果。 缓冲溶液是指能抵抗pH值发生较大变化的溶液，这主要是因为它包含两种成分，一种成分可以中和加入其中的酸，另一种成分可以中和加入其中的碱。将弱酸与该弱酸的盐混合起来，就能配制出缓冲溶液。有趣的是，该弱酸的盐通常是弱碱。 将乙酸（C2H4O2，一种弱酸）和乙酸钠（NaC2H3，一种弱碱）的溶液混合起来，就能得到缓冲溶液。任何加入其中的强酸都会被乙酸钠中和，如图1-13所示。同样，任何加入其中的强碱都会被乙酸中和，如图1-14所示。因此，缓冲溶液发挥缓冲作用的原理是同时含有弱酸和弱碱，每一种弱酸都将中和会导致溶液pH值大幅改变的外来物质。 所以，强酸和强碱都能被缓冲溶液中和，但这种中和并不意味着溶液的pH值保持不变。当氢氧化钠被加含有乙酸和乙酸钠的缓冲溶液时，会生成乙酸钠和水。因为乙酸钠是弱碱（接受少量氢离子），所以溶液的pH值略有增加。当加入盐酸时，会生成乙酸。由于乙酸为弱酸，所以溶液的pH值略有下降。缓冲溶液的特别之处在于，它能抵抗pH值的大幅变化。 许多不同的缓冲系统能够将pH值维持在一定的范围内。例如，乙酸-乙酸钠体系可以将pH值维持在4.8左右。含有等量弱碱和弱酸盐的缓冲溶液的pH值始终呈碱性。例如，由氨这种弱碱和它的对应弱酸盐氯化铵等量混合而成的溶液的pH值保持在9.3左右。 人体里血液的pH值之所以能够保持在稳定的范围内，原理也与之相似。血液中有几个缓冲系统，它们协同工作将pH值维持在7.35～7.45这一较小的范围内。pH值略高于或略低于该数值，都会给人体造成致命影响，主要是因为这会导致细胞蛋白变性。这与向牛奶中加入醋时牛奶会凝固的原理类似。

《元素咖啡化学1》 引言 化学为什么与我们的生活密不可分？ 化学，自然规律的极致描述者 巴基球的发现：跟随化学家的脚步 技术应用：反哺还是反噬？ 与每个人息息相关的化学 01 物质粒子如何参与人类生活？ Q1 为什么不接触玫瑰花也能闻到花香？ Q2 为什么金条在月球上更轻？ Q3 为什么电线在夏天比在冬天更长？ Q4 如何在微观世界中区分固体、液体和气体？ Q5 为什么潜水员不能在深海直接呼吸空气？ 02 化学变化如何发生 Q1为什么“长个子”属于化学变化？ Q2 元素周期表如何帮助我们理解元素 ? Q3 500 毫升的糖水中含有 500 毫升的水吗 ? Q4 化学家如何定义“纯”物质？ Q5 纳米技术如何改变未来？ 03 原子的内部什么样？ Q1 为什么用显微镜也看不到单个原子？ Q2 如果原子内部大部分是空的，为什么我们不能穿墙而过呢？ Q3 原子是如何发光的？ Q4为什么电子显微镜分辨细节的能力比普通光学显微镜更强？ Q5 原子如何结合形成新材料？ 04 核如何同时扮演“天使”与“魔鬼”？ Q1 人们为什么无法避免暴露在放射性物质中？ Q2 放射性是如何产生的？ Q3 为什么物质的放射性有强有弱？ Q4 考古学家如何通过测量放射性来判断文物年龄？ Q5 为什么核电站不会像核弹一样爆炸？ Q6 巨大的核能来自哪里？ Q7星际旅行的燃料将如何获得？ 05 原子是如何结合的？ Q1 为什么电子喜欢成对出现？ Q2 为什么宝石会有不同的颜色？ Q3为什么海水中的黄金难以提炼？ Q4 “钻石星球”如何存在？ Q5 为什么可以用二氧化碳来清洁衣物？ Q6 为什么油和水不能融合？ 06 混合物是如何形成的？ Q1为什么墨汁不能迅速溶于水？ Q2如何计量微观粒子？ Q3糖水中的糖去哪儿了？ Q4 在极寒地区开车时，为什么需要油管防冻剂？ Q5 为什么肥皂能去污？ Q6 是什么决定了水垢的多少？ Q7 如果没有对饮用水进行氯化处理，会发生什么？ 07 水有哪些奇妙的现象？ Q1 为什么水结冰后会膨胀？ Q2 为什么要在下完雪的路上撒盐？ Q3 为什么回形针能停留在水面上？ Q4 洗完澡后，为什么在浴室擦干自己会更舒服？ Q5 为什么热汤必须等几分钟才能入口？ Q6 你能给冰块加热，同时保证它不融化吗？ 08 化学反应如何发生？ Q1 木材烧成木炭后，为什么重量会发生变化？ Q2 物质的数量和质量有什么关系？ Q3 烹饪和化学研究有什么相似之处？ Q4 化学反应中如何吸热和放热？ Q5 为什么燃烧汽油能给汽车供暖？ Q6 为什么闪电能帮助植物生长？ Q7 我们如何阻隔95%的紫外线？ 《元素咖啡化学2》 01 酸和碱如何影响人类的生活？ Q1 酸和碱的差别是什么？ Q2 为什么阿司匹林可能导致胃出血？ Q3 染发剂靠什么持久着色？ Q4人体是酸性的还是碱性的？ Q5 酸雨为什么是正常的？ Q6二氧化碳进入海洋有什么危害？ 02 氧化还原反应如何发生？ Q1 为什么醋能去除铜锈？ Q2 为什么化学反应会产生电流？ Q3 为什么有些电池可以充电？ Q4 电池如何为新能源汽车提供动力？ Q5 光伏电池的工作原理是什么？ Q6 为什么铝曾是稀有贵金属？ Q7 金属化合物如何提纯成金属？ Q8 氧气如何腐蚀金属？ 03 有机化合物如何影响人类生活? Q1 阿司匹林如何与石油相关联？ Q2 含有苯环的药物为什么不会致癌？ Q3 有机化合物为什么形形色色？ Q4 喝太多酒为什么会经历宿醉？ Q5 为什么咖啡和茶在热水中冲泡更有效？ Q6 水杨酸是如何进化成阿司匹林的？ Q7 化学家是如何合成有机分子的？ Q8 为什么塑料都很便宜？ Q9 是什么让塑料得以发展？ 04 组成生命的养分是什么？ Q1为什么饼干越嚼越甜？ Q2为什么动物在冬季来临前会变胖？ Q3 为什么动物在冬季来临前会变胖？ Q4 皱纹是如何爬上脸颊的？ Q5人类为什么来自同一个祖先？ Q6 为什么吃油炸食品会对健康不利？ Q7 运动员为什么不能使用兴奋剂？ Q8 膳食金字塔为什么是健康的？ 05 药物进入身体后发生了什么？ Q1所有的药物都是药吗？ Q2为什么化疗能治疗癌症？ Q3 特效药是如何研发而成的？ Q4 药物是如何影响神经系统的？ Q5 兴奋剂为何会让人上瘾？ Q6 全身麻醉如何消除疼痛？ Q7 心脏病有特效药吗？ 06 我们如何改造食物？ Q1为什么人口增长会让吃肉变得更奢侈？ Q2 有机耕种如何保护环境？ Q3 转基因食品真的危害健康吗？ Q4 植物所需的营养来自何方？ Q5 土壤如何保持肥力？ Q6如何合理地施肥？ Q7 农药有什么潜在危害？ Q8 高产需要付出什么代价？ 07 如何保护大气和水资源？ Q1 比萨斜塔为什么越来越斜？ Q2 探寻水源为什么是“无用功”？ Q3 为什么小溪比池塘更容易“自净”？ Q4 如何有效处理废水？ Q5 如果太阳不再提供热量会怎样？ Q6 人类活动如何加剧空气污染？ Q7 二氧化碳如何影响全球温度？ 08 如何利用清洁能源？ Q1 电为什么不是一种能源？ Q2 直射的阳光如何更好地用于烘干衣物？ Q3 未来理想的燃料是什么？ Q4 煤炭和石油枯竭之后，人类会怎样？ Q5 与核能相关的最大风险是什么？ Q6 可持续能源到底潜力如何？ Q7 月球能提供什么能量？ Q8 用酒精替代汽油会怎样？