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大師說化學:理解世界必修的化學課

大師說化學:理解世界必修的化學課

The Same and Not the Same

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內容簡介

化學到底是什麼?
化學家都在幹嘛?
我們要怎麼才能享用化學的好處,而不受化學所傷?

  認識化學,就從這本書開始!

  當代文明的許多成就少不了化學的貢獻,但許多災禍也跟化學息息相關。化學就像刀的兩刃,能克敵,亦能行惡,現代人雖享用化學的好處,卻打心底厭惡化學。然而生活在現代科技社會,不論願不願意,我們終究要面對化學。

  我們對化學有好多疑問:化學的災難要怎麼避免?要怎麼使用化學而不被化學所傷?化學到底是什麼?化學家到底在幹嘛?《大師說化學》中,化學大師霍夫曼為我們一一解惑。

  諾貝爾獎得主霍夫曼是難得一見的科學人,除了是一流的化學家,他還有豐厚的人文素養,在《大師說化學》一書中,他對化學的闡釋,就如同霍金對宇宙學的闡釋一般清晰與深刻。認識化學,就從這本書開始。

名人推薦

  霍夫曼始終不放棄為化學門外漢講述化學之美……《大師說化學》兼顧藝術與科學,以輕鬆的寫作風格,簡明的解釋與巧妙的例證,是連討厭化學的人,也能愛上的入門好書。──《紐約時報書評》

  全書五十一篇短文,篇篇都是詩……整本書就像一張大網,每一個網點都是由化學和人類經驗交會而成……,把化學描繪成文化和歷史的一部分。──戴森,《宇宙波瀾》作者

  在霍夫曼的筆下,化學是深刻且具說服力的。──史都華,《大自然的數學遊戲》作者

  霍夫曼是最博學、最具人文素養的生活化學家,也是最擅長寫作的煉金術士──在《大師說化學》中,他把許多習見而難明的事例,轉煉成尋常易懂的見解,技巧真是高明。──翟若適(Carl Djerassi,口服避孕藥發明人,也是科幻小說家)
 

作者介紹

作者簡介

霍夫曼Roald Hoffmann


  1937年生於波蘭的猶太家庭。四歲時,父親遭納粹處死,霍夫曼與母親僥倖逃到鄉下,躲到校舍閣樓中渡過風聲鶴唳的童年,1944年夏才重獲自由。1949年隨母親移民美國。

  霍夫曼在紐約念中學期間,曾獲得西屋科學獎。1955年成為美國公民,並進入哥倫比亞大學就讀;1962年獲得哈佛大學化學物理博士學位。1965年起,任教於康乃爾大學化學系。

  霍夫曼因為與有機化學大師伍德沃得(R.B.Woodward)共同發現分子軌域對稱性守恆定律,於1981年和日本的化學教授福井謙一共同獲頒諾貝爾化學獎。霍夫曼在化學界光芒萬丈,受譽為「化學界的畢卡索」,他腳踩有機化學及無機化學兩大領域,遊刃有餘,曾獲得美國化學學會1973年的有機化學獎及1982年的無機化學獎;1990年更獲頒該學會最高榮譽的普利斯特利獎章(Priestley Medal)。

  霍夫曼亦是詩人,曾出版兩本詩集;本書是他寫的第一本散文集。他頗熱中於為社會大眾引介正確的化學觀念,曾經製播兩套電視節目「化學的世界」與「分子世界」。1996年5月,霍夫曼曾受邀訪台,做過八場公開演講,造成極大轟動。

審訂者簡介

儲三陽


  台灣大學化工系畢業,美國伊利諾理工學院化學博士。曾任美國西北大學、萊斯大學等校化學系研究員、康乃爾大學化學系訪問學者。現任清華大學化學系教授,專長物理化學、量子化學。

譯者簡介

呂慧娟


  台灣大學農化系畢業,美國密西根州立大學生化碩士。曾任台大化學系研究助理、密西根州大生化系助教、中央研究院分子生物研究所研究助理、國立台灣科學教育館助理研究員。目前專事兒童科學教育工作。
 

目錄

作者序 同中有異 霍夫曼
導 讀 化學之美 儲三陽
導 讀 諾貝爾獎大師闡述化學世界中的陰與陽 鄭原忠
 
第一部驗明正身
第 1 章 孿生兄弟傳
第 2 章 你是誰?
第 3 章 豉蟲
第 4 章 對抗化約主義
第 5 章 魚、小蟲子和分子
第 6 章 把他們分辨出來
第 7 章 異構現象
第 8 章 有兩個完全相同的分子嗎?
第 9 章 在黑暗中握手
第 10 章 分子偽裝
 
第二部 化學的表達方式
第 11 章 化學論文
第 12 章 文體的起源
第 13 章 表象之下
第 14 章 化學的記號學
第 15 章 那分子看來像什麼?
第 16 章 象徵與實際
第 17 章 鬥爭
第 18 章 本我呈現
 
第三部 製造分子
第 19 章 創造與發現
第 20 章 讚頌合成
第 21 章 立方烷的製造藝術
第 22 章 阿岡尼波噴泉
第 23 章 自然與非自然
第 24 章 外出午餐
第 25 章 為何對自然事物情有獨鍾?
第 26 章 傑納斯和非線性思考
 
第四部當事情出了差錯
第 27 章 沙利竇邁
第 28 章 科學家的社會責任
 
第五部它究竟是怎麼發生的?
第 29 章 反應機構
第 30 章 科學家不是真理的祭司
第 31 章 靜態與動態
第 32 章 擾動平衡
 
第六部化學生涯
第 33 章 哈柏
 
第七部化學魔術
第 34 章 催化劑
第 35 章 三向反應
第 36 章 羧肽酶
 
第八部利益、傷害和民主
第 37 章 神奇靛藍
第 38 章 化學和工業
第 39 章 雅典
第 40 章 化學的民主化本質
第 41 章 阿拉爾事件
第 42 章 古典民主政治中的科學與技術
第 43 章 為什麼科學家不宜治國?
第 44 章 面對環保意識
第 45 章 化學教育
 
第九部雙原子探險記
第 46 章 漫遊C2 的世界
 
第十部使化學生氣蓬勃的二元性
第 47 章 創造是艱難的工作
第 48 章 遺漏
第 49 章 魔鬼的屬性
第 50 章 化學是緊張而充滿生氣的嗎?
第 51 章 客戎馬人
 

作者序

同中有異


  在這本書裡,我想說明化學是饒富趣味的,對從事化學研究的工作者、化學藥品商以及會深思所買化學產品的消費者而言,都是如此。這種趣味來自隱含的張力。實際上,每一件科學的事實或方法,以及人們看待它們的方式,常在兩極觀點間不穩定的擺盪;而且物質的兩極性和它的轉變,會與人類心靈的深沈動力產生共鳴。

  利益與傷害

  當你陪伴年邁孱弱、正在發燒的父親去看醫生時,你需要些什麼?關心是必然的,但還需要實驗室的血液化驗,或對可能引起肺炎的病菌進行培養試驗。如果有必要,還要使用藥物或抗生素,以去除你父親體內的致病細菌。

  當鎮上決定在我家隔壁設置大型垃圾焚化爐,來收納附近都市的垃圾和工業廢棄物時,我大聲反對的理由是什麼?是因為這樣會造成交通壅塞、產生臭味,某些離子與分子還可能汙染我家使用的井水,也會汙染空氣。

  你希望從醫生那兒得到的藥品,以及我憂慮會進入水與空氣的物質,都是化學物質。你我也都是化學物質構成的,只不過有簡單與複雜的差別而已。當然,你需要的不僅是從醫生那裡獲得化學藥物的處方—你還需要關心和同情。而我要的,也不僅是從焚化爐主管單位那兒得到的安全保證,和對化學物質排放的持續監測—我要的是公平、對環境衝擊的充分考量,和焚化以外的其他變通方法。其實在現實的物質世界裡,我們每個人都要與化學物質共處,並且和它們發生作用。

  這些令我們既愛又怕的化學物質(這些東西純化後,化學家會稱它們為化合物或分子),形體並不是最大的(那屬於天文學領域),也不是最小的(那屬於粒子物理學),它們的大小恰好位於中央—處於我們人類的尺度。這就是為什麼我們會在乎化學物質的理由,化學物質不是遙不可及、僅存在想像中的東西,而是真實存在這個世界的。這些汙染物或藥物能以適當的大小,與我們體內的分子產生有弊或有利的交互作用。

  具有普通常識的人,會用有害和有益這兩種矛盾的情感來看待化學物質;這並不表示他們缺乏理性,反倒是符合人性。因為,「危險性質」和「利用價值」恰好是這二元性的兩個極端。在我們所處的世界裡,我們的奇妙心理常常會潛意識的、理性或非理性的以兩極價值來評斷外界。只有當一個人對外界沒有感覺,才不再提出「它能幫助我嗎?」「它會傷害我嗎?」這類二元性問題。提出這類問題賦予了遭質疑的對象(也就是問題中的「它」)生命,而「它」是與你相互關聯的。這個對象的不確定性(或許有害或許無害、或兩者兼具),使它變得十分有趣。「興趣」(interest)這字源自「在……之間」(inter)和「本質」(esse),也就是處於事物的多元本質之間。因此,人們對問題的質疑和求解的努力,會促使物質和心靈世界連接在一起。

  走進化學家的世界

  有害或有利,有害且有利,這只是使化學有趣的多種兩極性質之一。在這本書裡我也會對其他有趣的性質加以探討。首先是「分子的身分」(identity),這是本書的重點,也應是最重要的一項。接著我還會探討其他的二元性,如靜態與動態、創造與發現、自然與非自然,以及顯示與隱藏。

  化學事實,例如一個分子或一個反應,都在由這些二元性定義的多維真實空間或心智空間中,以某種方式維持平衡。我們會問:它是新分子或是先前曾做出的分子?它對誰是安全的或對誰有害?它是像表面上看起來的靜止模樣,還是實際上正以音速移動?它原本就存在於自然界,還是在實驗室中製造的?一個問題接著另一個,問題會構成張力,尤其當解答為「均否」或「均是」的時候。張力能為我們的生活帶來變化,是促成變化的驅策力。如果說有什麼是化學的中心要意,那就是變化。

  這本書的第二項目標是要告訴你,化學家真正在做些什麼。我可不是故意為化學做宣傳,而是要為你打開一扇窗,方便你進入化學家的世界。這樣你也許就能了解,與我們人人都具有的心靈動力相關聯的這些二元性,如何進入化學工作者的世界。想要了解化學,就得給自己無所畏懼的機會,或許還要對它產生興趣。化學世界並不難穿透;經由個案研究的方式,我要向你展示如何利用智慧和方法,回答任何人都可能提出的簡單問題:「我要怎麼做?」、「我得到的是什麼?」、「那實際上如何發生?」、「如果我必須向他人描述,應該如何敘述?」和「它有價值嗎?」等問題。回答這些用普通語言提出的簡單問題,會使人很自然的去深思隱藏在問題下的二元性。因此要回答「我得到的是什麼?」,會變成回答「這種白色粉末,與先前別人做出的其他一百萬種白色粉末(是的,這世界至少有一百萬種白色粉末),相同或不相同?」我會試著用實例來說明,化學家如何處理這些問題。

  連繫物質與感情世界

  因為我強調的兩極性,連繫了物質與人性,因此無可避免的要提到那好奇心無所不在、能大膽創造而又心存畏懼的人類。並討論一段有關沙利竇邁(thalidomide)的插曲,這是關於社會制度與人為疏失的故事。我還要講述偉大的德國化學家哈柏(Fritz Harber)那複雜又充滿創造力並且悲慘的一生。我也要對科學家的社會責任發表個人主張;同樣的,也要對化學家該如何對環境事務負責,提出我個人的意見。我的目標是盡量去尋找兼顧兩個極端的中間地帶。

  化學家並不比其他人更深思熟慮。但是化學家面對的問題,所憑恃的化學專業,促使他們考慮問題的二元性,及相關的張力。或者說,二元性本身已經烙印在化學家的潛意識中。

  我認為,強調分子本身和它形成過程的二元性,對促進化學家與非化學家之間的溝通,十分重要。所以,要回答「我得到的是什麼?」這個問題,並推論我的物質與其他物質的異與同,是可能的。但是,為什麼這樣的問題會有趣?那是因為它牽涉的物質種類辨識問題,與我們辨識身分的問題很類似—孩提時,在形成親密情誼與分離的複雜過程中,身分辨識的問題就已經深深影響我們。自然界的運作,其實與我們內在的感情世界相互連接。

  身分的虛實、人的出身、善與惡、分享和私有、復活、危險和安全,以及障礙的克服,是心靈世界或想像世界在建構中,與分子世界相連的部分。這些感情上的焦點,會有意識或無意識的影響專注於分子世界的化學家,他們那美妙、如同在玩遊戲的心理。了解這一點,有助於了解究竟是什麼在推動化學家。我認為,透過兩極性來表達物質與心靈世界的關聯,能使我們明白,為什麼我們會對化學物質又愛又恨。

導讀

化學之美


  化學是什麼?簡單的說,化學是以「分子」為主角的科學。化學家的興趣不外乎分子的合成、分析,和它們的構造及反應性質的研究。分子無所不在,影響之巨包括生活中的食、衣、住、行,甚至我們的身體組成。也由於它如此普遍,反而讓人不覺得重要,就如同我們看待空氣和水一樣,常忘記它的存在和必要性。美國化學學會常抱怨,報章雜誌鮮少報導化學新發展,只會出現負面的化學災難新聞。科學博物館也少有化學方面的展覽項目。的確,化學新聞的吸引力比不上哈伯天文望遠鏡發現新行星,或高能物理界發現新粒子的新聞。

  分子是由一些我們熟悉的原子群組合排列而成的,然而銅、鋇、氧等幾種原子居然能排列出超導物質,碳原子也可以形成足球形狀、具有特殊性質的C60。所以說,化學往往與文學和藝術相似,個別文字和各色顏料雖不起眼,但組合出的文章和圖畫卻可以多采多姿,甚至震撼人心。化學之美在於它的豐富與複雜,並且充滿了未知的變數,人們有機會駕御它,而不只是大自然傑作的旁觀者。但這也說明化學不易給人清楚的形象,而且人們對它有貶有褒,又愛又恨。

  本書作者霍夫曼是1981年諾貝爾化學獎得主,也是興趣廣博的理論化學家。他以化學代言人的身分,給化學這門科學做一番分析。書中內容分十部,共有五十一篇文章。第一部關心分子的「身分」,這個首要問題包括了化學家如何去分析、鑑定分子構造。在構造上少許的差異,譬如兩個鏡像分子,會有迥然不同的化學性質,例如麻醉劑嗎啡的鏡像化合物,並沒有麻醉作用。

  第二部是「化學的表達方式」,由於撰寫論文是化學家的一項重要活動,因此在這裡介紹化學家如何使用化學共同語言和化學符號來發表論文。

  第三部「製造分子」是關於化學的「合成工作」,這是化學家的核心任務—去合成自然界已存在的分子,如牛仔褲用的靛藍染料,或不存在自然界的分子,如立方烷。在合成過程中,不但創造了具有新穎化學性質的新分子,往往也發掘出合成反應的新規則。作者即是在進行合成工作中,發現了軌域對稱性對反應的影響,因而獲得諾貝爾獎。化約主義者往往忽略了合成化學這項獨特工作是如何運作的。

  第四部「當事情出了差錯」談到沙利竇邁藥物事件和科學家的社會責任。那是在1960年代盛行的一種鎮靜劑,事後才發現會引起胎兒殘障缺陷。這過錯在於對藥物檢驗工作上的疏失;實際上近來研究發現,沙利竇邁對愛滋病擁有療效。分子無罪,問題在於人類是否將它用對地方。

  第五部「它究竟是怎麼發生的?」在介紹化學反應機構,這是化學家感興趣的重要課題。

  第六部「化學生涯」,介紹氨合成法的發明人哈柏悲劇性的一生。

  第七部「化學魔術」中介紹化學領域裡獨具特色的「催化反應」,這是在別的領域少有且最能代表化學特色的現象。

  第八部「利益、傷害和民主」,強調化學的社會層面。人們對化學有兩極印象,一是增進人類福祉,例如糧食增產、化學藥物治療等,另一卻是負面的環境汙染。顯然化學家在過去設計分子時構思尚不夠精確,技術仍待改進。如果當初設計的塑膠袋用畢後會自動分解,而氯烷產品在大氣中的生命期更短,不至於擴散到臭氧層,那麼對環境的破壞就會明顯降低。

  第九部「雙原子探險記」,介紹C2分子在有機、無機、物理化學、表面科學的面面觀。這篇很能代表作者在化學上廣泛的興趣,雄跨化學各領域。

  第十部也是最後一部「使化學生氣蓬勃的二元性」。談到化學除了本身存在多種二元性的觀念,例如「酸」和「鹼」,「共價鍵」和「離子鍵」,「親電性」和「親核性」,「軟性」和「硬性」,一般民眾也會對化學提出一些二元性問題,例如「有益」或「有害」,「自然的」或「非自然的」,「相同」或「不相同」。問題雖簡單,化學家卻要深入了解,才能回答。

  難得的通俗化學好書

  我們向來少有機會接觸到化學方面的通俗科學書籍,而這本好書的出現,格外顯得難能可貴。作者思想深入,文章篇幅不長,但篇篇都值得細細品味。由字裡行間不難看出作者涉獵甚廣,霍夫曼的學問能如此廣博是有原因的,作者在大學時代曾經幾乎想要捨化學而攻讀藝術史。他把本書所散發的濃厚人文藝術氣息,歸功於哥倫比亞大學對通識課程的嚴格要求。

  我個人對這本書有幾處印象特別深刻,例如第五部中提到科學家不宜把對「知識」的追求,混淆為對「真理」的追求,而自封「真理」宣道士。其實科學家更相似於藝術家:其一,兩者皆在從事「創造」工作;甚二,大眾對藝術家有較少的錯覺—大眾期望藝術家產生偉大的藝術品,但不期望他們在是非原則上和道德上優於常人,同理也適用於科學家。

  此外,科學家不宜簡化對世界的看法,以為只要推廣自己「理性」的科學方法,則一切社會上、政治上的爭議問題,均可迎刃而解。其實在實驗室所處理的問題,是將對象一再的簡單化,以到達可解的程度。科學家又有選擇問題的自由,這情況就迥異於社會上和政治上所面臨的種種複雜問題。所以作者在第八部中解釋為何科學家和工程師不宜從政;即使從政成功,也不必歸功於科學上的訓練。

  作者曾在1996年5月訪台,在逢甲大學做過三場通識科學演講—「一體多面的文化觀」、「分子之美」和「化學之美」。也在北部各校做了幾場學術演講,一是有關C2分子,另一是有關表面化學,分別和本書中的第七部和第九部內容相關。

  記得在逢甲演講時,有同學問道:「您得諾貝爾獎的祕訣為何?」當然霍夫曼無法直接回答,但是提到他做研究的二個得力點。一是經常努力用簡單語言,把研究結果滿意的解釋給自己或別人聽,這歷程像是「研究」或「教學」工作的結合,使他獲益良多。二是不刻意去做熱門的問題,而是去做一些可能相關的小問題,但著重在這些小問題背後所呈現的大構圖。他常愛說:「事事原理相關。」(Everything is connected to everything else.)引申意是說:一項基本原理會以多方面、多角度呈現在實驗結果中,即使旁敲側擊,照樣可以發掘出這些基本原理。但是這就有賴敏銳的觀察力,倒不是常人容易辦得到的。

  霍夫曼的求學歷程中有一段曲折過程,事實上,他一直對大學部化學課程提不起興趣,直到暑假實習,在國家實驗室做放射化學的研究之後,才深深為化學所吸引,而與他原先熱愛的藝術史擦身而過。這說明實驗科學「動手做」的重要性,有聲、光、味、色的現場接觸,其吸引力遠勝於課堂講解。若以培育未來科學人才的角度考量,增加實驗課程,或如現在國內一些科學活動像「國科會暑期學生專題研究」及「遠哲興趣科學競賽」等,應是吸引青年投入科學研究之列的有效做法。
 
儲三陽

導讀

聽諾貝爾獎大師闡述
化學世界中的陰與陽


  「食安風暴」、「環境汙染」,這幾年台灣與化學有關的新聞特別熱鬧,可惜的是,一般人聯想到化學的時候,大多都帶著負面的觀點,坊間標榜健康的用品也常常打出「純天然、無化學物質」的旗號,曾幾何時,「化學」幾乎與「有害」劃上等號,這實在是項悲劇,因為我們日常生活跟化學製品怎麼樣也脫離不了關係,近年來革命性的科技發展,如大家現在不能離手的智慧型手機,從觸控面板到內部積體電路的製作,都是透過化學程序才得以完成的。化學背負著這樣子令人愛恨交加的複雜情結,讓人無法定位,而這本《大師說化學》,就是諾貝爾獎得主霍夫曼博士抽絲剝繭,為大家痛快淋漓的解析化學研究在現代社會扮演的豐富角色。

  在《大師說化學》這本書中,霍夫曼利用深入淺出的小故事,闡述了化學這個領域的範疇、化學研究的本質、化學家工作的樣貌,以及化學與人類社會的關係,作者不愧為諾貝爾獎級的大師,除了能夠信手捻來有趣的小故事,深刻回答了關於化學本質的問題,更進一步利用非常有深度的討論以及人文關懷,賦予本書豐富的哲學內涵,本書收錄了五十一篇短文,分成十部,書中反覆出現的主題,扣緊了關於化學中二元性的討論,特別是關於化學「利」與「弊」的辯證。

  認識化學,從結構開始

  要辨明化學的利弊,唯有從認識化學開始。因此作者在第一部裡面用化學上的分子身分鑑定開頭,透過找出豉蟲油分子結構的例子,說明從分離、分析、結構鑑定、到用人工合成來驗證化合物生物活性的整個過程中,化學家如何扮演偵探的角色,利用現代化學知識與科技,找出問題的答案。

  作者藉著這個過程,介紹了很多現代化學的技術與儀器,更進一步討論了異構物的原理,強調些微的分子結構差距可能造成很大的性質不同,這裡面探討的「相同」與「相異」的故事,直指現代化學知識的核心依據:所有的物質都是由分子構成的,而分子內的原子排列,決定了物質的物理與化學性質。

  此外,在這一部中,作者更直接對化約主義的科學觀做出批判,化學家專注於解決實際的問題,善於利用歸納與類推的方式來得出普遍性原理,這與化約主義「分而治之」的邏輯是截然不同的,因為化學世界的複雜性,很多時候必須考慮整體才能得到可以解決問題的答案,例如異構物的性質、酸性和鹼性、官能基和取代基效應,這些概念恐怕都不能嚴格的數學化,但是在化學研究裡面卻又扮演著重要的指導性,是非常有用的概念架構。意識到這一點以後,才不至於去陷入尋求無意義化約的理論框架,導致無法解決真實的問題。

  第二部討論的是化學論文發表的文體問題,這個章節擺在科普書中看起來有點突兀,但卻是作者試圖說明「化學家在做什麼」的重要窗口,對於化學研究學術論證的文體、學術操作的評論甚至於化學期刊的審查機制,霍夫曼都做出了有趣的評論,讀者在看完這一部之後,對於化學知識生產的本質應該有進一步的認識。

  第三部討論化學合成。相對於第一部討論化學在「分析鑑定」的角色,這一部作者用立方烷當例子,說明化學家在「合成」上的工作,這代表的「創造」活動其實是化學研究最獨特的面向,更進一步,霍夫曼還從文學藝術以及哲學裡面,尋求歌頌化學創造的靈感。化學是一個嚴格的自然科學學門,但是化學家除了在發現自然界運作規律的這個角色以外,更擔負起創造建立新事物的工作,要合成一個特定結構的分子,除了需要有嚴謹的邏輯以及化學知識以外,在很多時候還需要用奇特的創造力以及如同藝術家的創新能力才能達成。作者指出,這中間除了科學的成分,還需要有美學的基礎,從這個角度而言,藝術與化學並不是二元對立的,只是藝術要去發現、探索的是內在世界的事物,與化學關心的分子層面不同。

  以人的角度出發

  討論完化學合成的技藝以後,作者反過來在第四部裡,用實際的例子提醒化學家,當事情出錯的時候,可能造成什麼樣子的重大影響,在這個地方指出了科學家的社會責任。如同本文開頭所言,談到化學,大眾常聯想到一些負面的元素,例如危險、有毒、爆炸等等,作者指出這中間的問題本質其實並不是自然與非自然,而是劣質的科學的確會危害人類,對科學的無知也會造成不必要的誤解。因此我們應該學習用更淺顯的語言,把正確的化學知識傳達給普羅大眾,我覺得這是很值得現代或未來有心進入化學領域的年輕人去仔細思考的。

  第五部的主題是關於化學變化如何發生,這是反應機構的問題。這裡作者特別強調了靜態與動態的二元性,特別是分子之間在微觀的尺度藉由碰撞發生化學反應的過程,作者透過精巧的舉例以及實驗,解釋了化學動態平衡這個重要的觀念,並用哈柏法製氨的例子,說明如何利用巧妙控制平衡來得到重要的產物。

  在解釋了哈柏法製氨的化學原理以後,在第六部裡用比較長的篇幅,介紹了哈柏這位傳奇人物的生平,哈柏的輝煌貢獻不在於創立了嶄新的理論,而是改善了一項化學程序,他開發出來的製氨方法,開啟了化學肥料的世紀,養活了無數人,也對人類社會以及生活方式做出了徹底的改變。有了這樣的成就以後,哈伯卻受愛國心驅使,將心力與才智貢獻在為軍國主義服務的化學武器研究,以及從海水中萃取黃金等計畫上,最後卻在德國納粹排除猶太人的運動中,成為遭排擠的對象而流落異鄉,抑鬱以終。

  接續哈柏的故事,在第七部裡作者討論了人工合成,以及自然生物裡的催化劑,在化學的領域裡,催化劑無疑是最能展現化學藝術的舞台,也最能捕捉化學的特性,作者在這一部舉出幾個例子來充分說明這項本質。

  在第八部中,作者回來討論化學到底是有利,還是很可能有害的這個雙重性質,並從染料工業的發展開始,為大家娓娓道來化學工業的歷史起源,並延伸到化學工業的發展對人類社會的巨大影響,甚至將化學聯繫到民主這一個重要的人類政治體制。霍夫曼大膽的宣稱,化學的影響不可避免導致了民主化的進程。這一部有許多精采的跨領域論述,霍夫曼並不一味歌頌化學的美好,反而處處充滿人文反省,充分表現出他身為人道主義者的本質,我對於書中的這一句話特別印象深刻:

  當我聽到反科技者說出,反對化學密集的現代農業、反對藥物治療的時候,就會氣得心跳加速;我為那人所持的立場缺乏對人類同胞的同情,感到憤怒。

  任何科學發現產生的影響,都有一體的兩面,不應該用絕對的好壞或善惡來界定,化學家時時凝視著傑納斯的肖像,在科學之外,跨領域的人文素養是決定一項科學成就對人類為善為惡的重要因素,做為科學家我們應該深深警惕,台灣在過去幾年走過各式各樣的食安以及環境安全問題,有著警覺的態度,意識到化學知識的雙重性質,就顯得非常重要,因此這一部歸結到最後,作者用化學教育的期許來結束,就顯得特別有意義。

  在第九部中,作者用C2這個分子片段在不同化合物中的結構以及功能異同當例子,來說明一個分子片段如何在不同環境中,表現出豐富的性質,最後顯現分子科學的大圖像—從結構的同與不同出發,化學家可以解釋眾多的物質現象。這一部的內容是作者的研究領域,因此有如一個小冒險,讀起來特別有趣。

  在最後一部,作者回到化學的二元性來總結本書,以希臘神話故事結尾,其實也呼應了本書一以貫之的總台詞:化學家利用化學分析與合成創造的藝術,跨越了化學、物理、生物、歷史、文學、政治體制、人文關懷,在各個領域產生的對立與二元性,其實也彰顯了對話的機會,從而產生了無窮的可能。

  化學是平衡之學

  霍夫曼的思考其實饒富東方世界的文化底蘊,他在本書中強調的「二元性」,例如化學物質的「有利」或「可能有害」,正如同我們熟知的「陰陽」概念。熟習東方哲理的人就明白,陰與陽並不是簡單的二元對立,反而常常是事物一體的兩面,也常是互補相成的。老子在《道德經》中說:「萬物負陰而抱陽,沖氣以為和。」因為陰與陽的互補,展現出萬物無窮的可能性,做為總結萬物構成的解釋。

  正如霍夫曼在本書中一再闡述的,這樣子的陰與陽在化學的世界裡所在多有,例如物質的同與異、靜態與動態、創造與發現、自然與非自然……化學遊走於兩極對立之間,產生出無窮的趣味與可能性,書中第九部講述C2分子片段的例子,不正好就有「道」生一,一生二,二生三,三生萬物的意味?一個好的化學家,總是懂得去尋找兼顧兩個極端的中間地帶,取得平衡。

  本書的原文出版於1995年,在1998年曾經由天下文化以《迴盪化學兩極間》的書名出版,這本二十年前完成的書,就現在看來,書中的個案研究仍然有相當的現代性,在大師的生動筆觸下歷久彌新,不愧《大師說化學》的題名。筆者當年在當兵時曾經讀過這本書的譯本,也為書中霍夫曼信手捻來的例證以及饒富哲思的論理而深深折服,在後來求學以及從事研究工作的日子裡,我也多少受到了這本書的啟發。因此這本好書能夠再次發行,讓年輕學子有機會接觸諾貝爾獎大師淋漓盡致闡述化學世界中的陰與陽,在純粹科學知識外做更多哲學及人文思考,實在是非常有意義的事。
 
鄭原忠
(本文作者為台灣大學化學系教授)
 

詳細資料

  • ISBN:9789864790173
  • 叢書系列:科學自然
  • 規格:平裝 / 320頁 / 14.8 x 21 x 1.6 cm / 普通級 / 部份全彩 / 初版
  • 出版地:台灣
 

內容連載

第2 章 你是誰?

化學家在面對任何新樣品,譬如:以天價從月球表面帶回的塵土、從街上買回的不純麻藥、從一千隻蟑螂腺體中抽出的長生不老藥,第一個問題總是:「我得到的是什麼?」這個疑問可能比一般人想像的還複雜;因為在現實世界裡,沒有一種物質是純的。你仔細觀察周遭最純的物質,譬如矽晶片、精糖或藥物,你會發現這所謂的「純物質」中,存有百萬分之若干的物質,是你或許不想知道的雜質。

其實物質都不純,尤其是天然物,一般來說,天然物比合成物更不純。的確如此。葡萄酒中已經鑑定出大約九百種揮發性芳香成分;品酒專家能辨識出著名的德國莫色耳(Moselle)葡萄酒,即是由於它的混合成分(當然是指天然化合物,還有別的嗎?)別具特殊風味與香氣。令人好奇的是,雖然酒的成分是可定量的化學物,但它的風味與香氣,卻始終令化學家捉摸不清,還得倚賴味覺和嗅覺靈敏的品酒師,才能把正確的酒挑出來。

為什麼天然物不純呢?因為生物是很複雜的,它們是演化的產物。你需要上千個化學反應和無數的化學物,才能使葡萄樹或你的身體運作。並且,大自然是不斷嘗試的修補匠,確保動植物存活的運行法則,是祂數百萬年以來隨機實驗的結果。因而,生命織錦上的每一處,都呈現出繽紛撩亂的分子形狀與色彩。我們眼前任何運作中的事物,都是歷經彼此的揀選,再由大自然的生存實驗錘鍊成形的。

因此,我們真正要問的不再是「這是什麼?」而是「這裡面有多少這東西?」我們把物質的組成成分分開來看,每一成分就是一種化合物;它們是穩定黏結在一起的原子群,而這樣一群原子就叫做分子。純化合物是指由完全相同的分子聚集而成的物質。每種化合物的性質都不同,就像糖和鹽,兩者都是能溶於水的白色結晶體,但是我們可以輕易利用其他的物理、化學或生物性質來區別它們。

把物質的成分分離出來後,我們要鑑定這些化合物的結構。對化學家而言,結構的意義是指:純化合物中含有哪些原子,這些原子如何相互連接,以及它們在空間中如何排列。

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