有趣的化學

很多人不喜歡化學，覺得太多不相關的內容羅列在一起。這些內容真的不相關嗎？我們來看一下生命系統是如何利用化學知識的。

 所有的生物，都以碳作為骨架。為什麼是碳？我們來看一下元素周期表的前三行。第二行中最中間的元素正好是碳，碳有四個化學鍵，可以聯成長長的分子，難怪所有的生物都以碳作為骨架。

有了骨架，周邊需要填料。用什麼來作填料呢？總是越輕越好，所以用輕原子，或氫原子。生物體中，氫原子的含量最高，甚至比碳原子還高。

生物需要氫原子，到哪裡去找？到水裡去找，水（氧化氫）裡面都是氫。但生物早期並不是從氧化氫中得到氫原子，而是從硫化氫中。為什麼？從周期表的第六列，硫排在氧下面，硫原子比氧原子大，因而對氫原子的吸引力小，生物容易從硫化氫那裡得到氫原子。所有的生物做事，都是從易到難。我們現在開採的硫礦，很多都是當年細菌利用硫化氫後留下的廢物。

但是使用硫化氫有一個問題，硫是固體廢料。想象一下一個人整天需要坐在大便上，你就理解那些細菌的感覺。後來，那些光合作用的細菌終於能夠利用太陽光中更高能量的光子，以斷開氫和氧之間的化學鍵，得到那些氫原子。剩下的廢料是氧氣，飄走了，不象硫一樣堆在邊上。我們現在，化工廠通常造在河邊，或是貧窮的外國，就是同樣的道理。

氧氣雖然是光合作用的廢物，但仍然有大量的剩餘能量，不久生物就發明了方法利用在空氣中的氧氣能量：有氧呼吸。現在，如果我們幾分鐘沒有氧氣，就會死掉。氧氣是真正的養氣。

我們在家裡，使用很多電器，電器的一大好處是容易控制。生物早就知道這一點。生物體內總是利用很多電流。那麼，用什麼傳導電流呢？我們生活中通常用的，是金屬電線。但是，製造金屬，需要至少幾百度的高溫，這是生物體所不能做到的。生物一般都用離子導電，而最穩定的正離子和負離子分別是第一列和第七列的元素，這樣，我們食用的氯化鈉（鹽）由第一列和第七列的元素組成，就很自然了。

為什麼我們需要特意食用鈉離子，而非鉀離子？一個等價的問題是，為什麼細胞內部鉀離子濃度高，外部鈉離子濃度高？由於鈉離子比鉀離子小，鈉離子對周圍負電性的離子吸引力較大，在水中，一個鈉離子能夠吸引好多水分子，形成一大塊原子團，而鉀離子形成的原子團較小，所以，鉀離子原子團能過的通道，鈉離子團不一定能過。當細胞在外膜製造通道時，大小恰當，就能讓鉀離子進入細胞，把鈉離子擋在外面，形成能級差，幫助細胞進行各種活動。如果硬要鈉離子在內，鉀離子在外，需要的能量得大得多，很不經濟。由於鉀離子大都在細胞內，鈉離子大都在細胞外，我們身上每天流失的，大都是鈉離子，這就是為什麼我們經常需要補充更多的鈉離子。

碳是生命的骨架，人工智能是生命的延續。人工智能的骨架是硅，硅和碳屬於同一列的元素，但是在碳的下面。因為硅原子比碳原子大，對外層電子的吸引力較弱，電子自由度較大，以硅為骨架的人工智能，其運算速度快於以碳為骨架的生命。

最後我們來看一下物質的酸鹼性。讀書的時候，我常不懂為什麼某些物質是酸或是鹼，為什麼有些物質的酸性高過其他的。水（氧化氫）是中性的，其他含氫物質的酸鹼性和酸鹼度取決於相對於各元素相對於氧的位置。比如說，硫在氧的下面，硫原子大過氧原子 ，硫對氫離子的吸引力弱過氧，因此硫化氫是酸性。同樣的道理，氟化氫是酸性，而氨（氮化氫）是鹼性。我們還可以知道氟化氫的酸性弱於氯化氫，這是由於氟離子小於氯離子，所以，氟對氫離子的吸引力較大，游離的氫離子較少。

上面的分析可知，從一些很簡單的物理性質，象原子的大小，我們可以推斷出很多化學性質。