Chapter4 化合物

无处不在的碳元素

“工人只用砖石水泥等材料，就可以随意建造出住宅、桥梁、工厂、寺庙等一切建筑。这些建筑的组成材料相同，但形式和用途各异。同样，自然界中的元素组成了动物、植物、矿物界中的所有物质。因此，任何原本不是单质的物质，其实都可以分解为金属单质，或非金属单质，或金属与非金属单质的化合物。”

“所以一切物质都是由这些单质组合而成的？”

“是的，除了那些本身就是单质的物质外。想想最常见的元素，比如碳。我曾经说过，碳是组成面包的重要成分，而烧焦了的木柴中也可以看到碳，即木头中也含有碳。面包中的碳与木头中的碳原本是同样的物质，在自然界中经过反复化合作用后，面包中的碳可以再出现在木柴中，木柴中的碳也可以再出现在面包中。”

爱弥儿开玩笑地说：“那照这么说，我们吃一片面包，其实是在吃一片可能变成硬木头的东西了？”

保罗叔叔说：“很有可能啊。有时玩笑的话中也包含着真理，让我们想想这其中的原因吧。”

“保罗叔叔，我不想再说什么了，光是单质就已经让我晕头转向了。”

“别怕，你能克服的。就像强烈的阳光会使人炫目一样，接触真理之光也许会使你暂时感到困惑，但只要我们继续研究下去，一切都会渐渐清晰。你们再想一想，栗子、苹果、梨等果实中有没有碳的存在呢？”

约尔说：“有的，如果把栗子在锅中翻炒太久就会炒焦。同样，把梨或苹果放在火炉上也会被烤焦。”

“不错！这些焦了的栗子、苹果或梨，和木柴、面包中的碳成分相同，所以我们的确会吃可能变成木头的物质。对于这个问题，你们还有疑问吗？”

爱弥儿回答道：“我懂了，没有疑问了。”

“你们还可以知道得更多一些：如果点着一盏煤油灯，然后把一块玻璃置于火焰上方，玻璃上会立刻聚集一层黑色的物质。”

“我知道，那是烟炱，我就是这样将玻璃熏黑了，隔着它来观察日食的。”

“那你知道烟炱是什么物质吗？”

“它有点儿像木炭的灰。”

“它其实就是木炭，或者说碳。那你们知道它是从哪儿来的吗？”

“我想它是从油灯中的煤油里来的。”

“没错，它就是从煤油里来的。煤油受热分解，于是分离出了碳。事实上，像椰子油、棕榈油、牛脂油、羊脂油中都含有碳，蜡烛燃烧时也和煤油灯一样会产生烟炱，还有树脂中也含有碳，燃烧时也会产生黑色的浓烟。还有很多这样的物质，我在这里无法一一列举。不过，最后我还要提一提大家经常吃的肉类，如果厨师不小心把肉煮得太久，会发生什么事呢？”

爱弥儿大声说：“肉会变成木炭。”

保罗叔叔又问：“你们能由此推论出什么呢？”

“我想，肉类中也含有碳，任何地方都含有碳。”

“任何地方都含有碳的说法是不准确的。我们只能说含碳的物质很多，尤其是动植物，它们被火分解后，会把碳留在灰中。”

“一张白纸烧着后会变黑，所以纸中也有碳？”

“是的。纸是用破布做成的，而破布则是用棉、麻或毛织成的。”

约尔问：“比纸更白的牛奶是不是也含有碳？煮牛奶的时候，我看见有时在锅边的牛奶泡沫会变成黑色。”

“不错，牛奶中也含有碳。好了，现在，我们来让爱弥儿说说他最近读的那则寓言吧。”

“哪则寓言？”

“有关雕刻师和丘比特石像的那一则。”

“哦，我知道了。”

有一个雕刻师见到一块很好看的云石，心中欢喜，便买了下来。他盘算着，是把云石做成神像、几案还是石盘好呢？最后，他决定把云石雕成神像，因为神像庄严肃穆……

爱弥儿说到这里，保罗叔叔发话了：“够了。这则寓言告诉我们，要把一块云石做成什么，本来有很多种选择，而这位雕刻师最后选择把它做成一个神像。自然界中的万物生成也是一样，比如，土壤中含有植物所需要的碳，如果我们要在泥土里面种植物，我们可以种萝卜、麦子，也可以种玫瑰。如果我们决定种一株玫瑰，那土壤中的碳就供给了玫瑰，变成了玫瑰花的一部分；如果我们不种玫瑰，而种了萝卜或麦子，那么这些碳也就变成了萝卜或麦子的一部分。”

爱弥儿问：“那玫瑰花中除了碳，是不是还有别的物质呢？”

“当然，碳还需要与别的单质化合才能变成玫瑰花，否则碳还是碳。其他含碳的物质也是这样形成的。”

约尔概括说：“这样说来，在面包、牛奶、牛脂、羊脂、煤油、果实、花、棉、麻、纸以及许多别的东西中，都含有碳和其他各种单质。这些单质无论在花里、蜡烛里、纸里还是木头里，它们的性质都不会改变，永远是金属或非金属。不过，我们的身体也是由这些物质组成的吗？”

身体中的铁元素

“要说到组成人体的成分，其实和组成其他物质一样，同样是金属与非金属单质。”

爱弥儿诧异地说：“什么！我们的身体也是金属组成的？像矿藏一样吗？我不信，我们又不像卖艺人那样会吞铁球！”

“但我们的身体中确实含有铁元素——就和卖艺人吞的铁球一样。我们的身体中不能没有铁，离开它我们就无法生存了。铁使我们的血液变成红色。”

“就算是铁让我们的血液变成红色，我们也并不能把铁当作食物。卖艺人也只是玩把戏，实际上他并没有吃铁。那铁是怎样进到我们身体里的呢？”

“铁是从食物中来的，和我们身体所需要的碳、硫以及其他元素一样。别的物质，比如碳，会与其他元素化合而改变存在形式，铁也同样可以。医生会让面色苍白、营养不良的人吃含有铁元素的药，这虽然不是在吞铁球，但其实也是在吃铁呢。”

爱弥儿说：“我现在相信了，请你再给我们讲讲别的知识吧。”

“我还没有说完。人的身体不是矿藏，人体所需的金属除了铁，还有其他几种，但也只限于几种。像金、银、锡、铅、汞这几种金属都不是人体与动植物所需的，而且铅和汞是有毒的，人体中含有过量的铅或汞会致死。而人体中只需含有极微量的铁，血液的颜色就足以变红，并具有其他特性——事实上，就算是一头牛，它的血液中所含的铁也不够做成一只钉子。再说，要把血液里的铁提炼成一只钉子，费时费力，如果真的实现了，那这只铁钉的价值将无比昂贵。”

无限的化合物

“现在，你们已经明白了单质能以种种方式化合，从而产生许多性质各异的其他物质，这种物质称为‘化合物’，因为它是由两种或两种以上的元素组成的。水是一种化合物，麦粉、木材、纸、煤油、松脂等也是化合物。水由氢和氧组成，关于氢和氧的性质我们稍后就会说到，而其余的几种化合物除了含有氢和氧，还含有大量的碳。”

“可以说，化合物的数目是无限的。但这许许多多的化合物都是由若干种元素组合而成。有些用处很小的元素，即使没有它们，对自然界物质的总数也不会产生很大影响，黄金便是这种次要元素之一。严格来说，自然界中的大部分物质都是由十几种元素组成的。”

约尔追问道：“不过我仍有一个疑问：既然自然界中物质的总数是无限的，那么组成这些物质的元素为什么只有那么多呢？我更困惑的是，为什么自然界中的物质大多用十几种元素就能组成呢？”

“我料到你们会有这样的疑问，这正是我接下来想要说的。举一个类似的例子吧，字母表中的字母只有26个，但这26个字母能够组成多少单词呢？”

“啊，这我可没数过。不过，就算是最薄的词典也有不少单词呢。我们先估计有1万个吧！”

“好的，我们也不需要太精确的数字，就算是1万个单词吧。但你们要知道，这些单词还只是我们自己的文字。事实上，无论过去、现在还是将来，这些字母都能组成全世界许多国家的文字，像拉丁文、英文、西班牙文、意大利文、德文、丹麦文、瑞典文等，它们原本就是由这26个字母组成，而即使是希腊文、印度文、阿拉伯文、中文以及一些方言土语，其实也可以用这些字母来拼成。如果我们把这所有的文字都算上，你们想一想总共是多少呢？”

约尔说：“那肯定不止几万个，而是上百万个了。”

“好，如果我们用这26个字母来代表元素，用它们组成的许许多多的单词来代表化合物，就能很明白地说明这个问题了。几个字母按一定的顺序排列组合起来，形成了不同的单词，每个单词都有着不同的意思。与之相似，几种元素按一定的比例化合起来就变成了不同的化合物，每种化合物都带有特别的性质。”

约尔插嘴说：“那么，元素就是组成化合物的成分，就像字母是组成单词的成分一样了。”

“没错，孩子。”

“那这么说来，化合物的数量和世界各国语言中的单词数量一样多？可我总觉得字母组成的单词要更多一些呢。字母有26个，而据你所说，组成绝大多数化合物的元素只有十几种，26个字母的组合显然要比十几种元素的组合多。”

“在发音相同的情况下，字母的数量其实是可以减少一些的，想想我们的语言中k、q和c有什么不同呢？所以，其中只有一个是必要的，其余两个则不必要。同样，c和s的发音是相同的，还有x和ks, y和i。我们把许多发音重复的字母去掉后，依旧可以组合出很多不同的单词。不过需要承认的是，即使排除一些字母，字母的组合还是要比元素组成的大部分化合物的数量多。而元素的组合方式却并不比字母的组合方式少。

“我们要拼写一个单词，通常会用到好几个字母，比如，有一个又长又难读的单词‘ floccinaucinihilipilification'，单词中共有29个字母，由12种字母组成，要一口气读完也挺不容易。而组成化合物却并不需要这样多的元素，通常化合物只含有两三种元素，含有4种元素的化合物很少。这些元素组成的化合物类似于那些使用1～4种字母拼成的单词，比如，硫化亚铁由两种元素组成；水也由两种元素组成；油脂含有3种元素；动物肌肉则含有4种元素。我们把含有两种元素的化合物称为‘二元化合物’，含有3种或4种元素的化合物则称为‘三元化合物’或‘四元化合物’。

谑，（对荣华富贵等的）轻蔑。英文中最长的单词，出现在莎士比亚的剧本《空爱一场》中。

“你们可能会问，既然化合物一般由2～4种元素组成，为什么它们会有那么多变化呢？我们可以用单词‘rain’举例来解释。如果我们把它的第一个字母换成别的字母，可以得到gain、lain、vain、wain、pain等单词。同样，单词‘fin’也可以变为tin、din、sin，仅仅改变单词中的一个字母就可以完全变成另一个单词。化合物的变化也是这样：

其中的一个元素被另一个元素代替，就会形成新的化合物。

“还有一种变化可以让化合物产生更多的组合形式。例如，一个单词中，同样的字母可以重复几次（像刚才提到的单词‘floccinaucinihilipilification'，字母i就出现了9次）。同样，在化合物中，相同的元素也可以重复两次、三次、四次、五次甚至更多，它的每一次重复都会产生出一种新的化合物。然而，在词典中却很难找到这样的例子，因为我们的文字极少在一个短词中有很多重复的字母。假设有这样一连串单词ba, bba, bbba, bbbba……再假设这些单词每个都有不同的意思，那么，这个比喻就和化合物的变化情况非常接近了。”

ba与bba

约尔说：“如果化合物以这种方式组合，形成的种类当然很多——十几种元素已经足够多了，因为每一个元素的变化和重复，都会产生新的化合物。”

保罗叔叔问：“爱弥儿，你觉得呢？”

“我同意约尔说的，十几种元素的确能组合成无数种化合物，不过我还不太理解‘ba’和‘bba’为什么会不同？”

“那我来给你们举个例子说明好吗？”

“太好了，我和约尔正想见识一下呢！”

“好的，马上满足你们。”

保罗叔叔说着，从抽屉里拿出了一样东西——一种金黄色、极重的物质，在阳光下会发出灿烂的光。因为这种光泽，它常常被误认为是某种金属。

爱弥儿一见到这华丽的东西，便大声叫着：“这好像是一块巨大的黄金！”

保罗叔叔回答：“这叫‘ 愚人金'，虽然有些像黄金，但它并不值钱，你在山上的岩石中可以找到很多这种石头。书上称这些石头为黄铁矿，用钢质小刀的刀背敲击它，就会产生明亮的火花。”

愚人金又叫自然铜，在中国可以入药，现代可在无线电检波中使用。

说到这里，保罗叔叔拿起小刀来演示给他们看。然后，他又说：“愚人金的色彩光泽虽然接近黄金，但它不含一点儿黄金，也不是某种单质，而是由你们熟悉的两种单质化合成的化合物，这两种单质分别是铁和硫。”

爱弥儿惊讶地说：“想不到它竟然是由铁和硫黄化合成的！那和人造火山中的那些黑色粉末成分一样吗？”

“是的，它的确是由铁和硫黄化合而成的。”

“那为什么它和黑色粉末看起来很不一样呢？”

“因为愚人金里的硫元素是重复了的。”

“就是把‘ba’变成了‘bba’吗？”

“没错，就是这样。化学上为了区分，把那些黑色粉末称为一硫化亚铁，而把愚人金称为二硫化亚铁（FeS2）。”

“原来如此。谢谢叔叔让我们看了这些华丽的石头，并让我们知道了化学上的‘ba’和‘bba’是完全不同的两种化合物。”