第一章发现化学之美
我们很多人提到化学，首先就会想到实验室中形态各异的瓶瓶罐罐、五颜六色的试剂溶液，或者是复杂奇特的分子结构与化学方程式，但这些远不是化学的全部。化学这门学科从远古开始萌芽，当人类开始利用火烹调食物、烧制陶器、冶炼金属时，实际上就巳经开始了对化学工艺的摸索。化学学科前进的每一步都与实践紧密相关，化学的*大特点是以实验为基础。
第一节*美的化学实验
据传，一百多年前，德国数学家高斯（Johann Carl Friedrich GauB，1777一1855）和意大利化学家阿梅代奥 阿伏伽德罗（Amedeo Avogadro，1776-1856）进行过一场激烈的辩论，核心就是化学究竟是不是一门真正的科学。阿伏伽德罗在高斯面前把2L(L是升的符号）的氢气放在1L的氧气中燃烧，得到了2L水蒸气。他喊道：“请看吧！只要化学愿意，它就能使2+1=2。化学实验具备独*的美感，这将是我们开启化学寻美之旅的第一站。
—、氧气的发现——近代化学的起点
无论是希腊神话中盗取火种的普罗米修斯，还是中国神话中钴木取火的燧人氏，人类自古以来就在探索着燃烧的奥秘。随着对燃烧现象的不断深人研究，欧洲人在17世纪提出了“燃素学说”。这一理论认为：一切可燃物体里存在一种基本元素----燃素，易燃的油脂、木材、炭等燃料里含得特别多。当这些物质燃烧时，燃素会被释放进入空气中，或者与其他物质化合生成燃烧的产物，如灰渣。由于燃素学说禁锢了当时化学家们的思想，阻碍了他们对空气组成和燃烧机制的深人研究，所以在这个阶段，虽然瑞典化学家卡尔 威尔海姆 舍勒（Carl Wilhelm Scheele，1742—1786）和英国化学家约瑟夫 普里斯特利（Joseph Priestley，1733—1804）分别制取了纯净的氧气，但是他们并没有成功地将其鉴定出来。一直到法国化学家安托万 拉瓦锡(Antoine Lavoisier，1743—1794）才掀开了氧气的神秘面纱。
拉瓦锡对燃素学说一直心存怀疑，并持续研究多种物质在空气中燃烧的现象。终于，他在实验中通过加热粉红色的氧化汞，得到了银白色的金属汞和一种未知的气体。这种气体与空气相似，可以支持呼吸与燃烧，并且效果比空气好得多。根据这个实验结果，拉瓦锡在1777年提出了氧化学说，认为燃烧是物质与氧气发生化学反应的结果，氧气（oxygen）的命名也由他在1779年完成。
现在我们可以更准确地定义燃烧：燃烧是可燃物质与氧化剂（如氧气）发生氧化还原反应，将化学能快速释放成热能和辐射能的过程。拉瓦锡不但在氧化学说的建立上做出了突出贡献，还把定量作为一个衡量尺度，坚持用实验证明化学现象。他提出了规范的化学命名法，帮助建立和推广公制，并撰写了第一部真正现代化的化学教科书《化学基本教程》（Traiti Elementaire de Chimie），因此，拉瓦锡被认为是“近代化学之父”（图1.1）。
二、巴斯德与葡萄酒钴石
2003年，美国《化学与工程新闻》期刊邀请化学家与历史学家共同选出了史上*美的十大化学实验，近代化学之父拉瓦锡完成的金属氧化实验位列第二。第一名是1848年路易 巴斯德（Louis Pasteur，1822—1895）将酒石酸盐类进行光学异构物分离的实验。美国化学会评价巴斯德的实验“简洁优雅而又意义重大”。
那时候，人们发现储存葡萄酒的酒桶底部可以产生一种被称为酒石酸盐的晶体（也被称为葡萄酒钻石），它的溶液会在偏光镜中呈现旋光现象，而化学合成的另一种酒石酸盐（当时被称为葡萄酸）并没有旋光性。化学家通过分析对比，发现这两种物质的化学性质完全一样，唯一的区别是人工合成的酒石酸盐没有旋光性。巴斯德对此充满了好奇。1848年，他通过显微镜观察没有旋光性的酒石酸盐时，发现这些物质能够被分为互为镜像的两种。于是他大胆推测，化学合成的酒石酸盐包含了两种物质：一种是右旋的酒石酸盐，另一种是具有相反旋光性的左旋的酒石酸盐。
巴斯德在显微镜下小心地用镊子对两种不同的晶体进行了分选，并分别配成溶液。果然，溶液分别呈现出左旋光性和右旋光性。但是当他把这两种溶液等量混合时，旋光性消失了。因此，巴斯德提出，这两种酒石酸盐的分子互为镜像，如同它们的晶体一样（图1.2）。这个实验不但证实了旋光异构的存在，也为立体化学的建立和发展奠定了坚实的基础。
第二节*美的化学结构
化学是创造新物质，并在分子、原子层面上研究物质的组成、结构、性质与变化规律的科学。简而言之，物质内部原子、分子的连接方式、空间排布和顺序就是物质的化学结构，洞悉化学结构也是研究物质化学性质和化学反应规律的基础之一。化学结构往往具有一种独*的形式美，它高度抽象和简练的形态极具装饰性。很多时候，化学结构所产生的独*几何美感也成为人类艺术创作的缪斯。而提到美丽的化学结构，首先就让人联想到形态各异的晶体。
—、晶体的秘密
美丽的晶体随处可见，“一颗永流传”的钴石是晶体（图1.3），“疑是林花昨夜开”的雪花是晶体，家中烹任必备的食盐、味精和白砂糖也是晶体。如果我们拿一些食盐和味精的颗粒来观察，就会发现它们有截然不同的形状。食盐的颗粒方方正正，味精的颗粒是细长的柱状。随意在网络上搜索“晶体”这个关键词，就能看到各种美不胜收的图片。它们如此绚烂多姿的奥秘究竟在哪里？
在很久以前，科学家们就在思考晶体的特征和基本结构。例如，法国晶体学家勒内 阿维（Rend Hatty，1743—1822）在对碳酸钙的晶体（方解石）进行大量观察之后提出了晶体的微观几何模型一一晶胞学说，将晶体的规则外形归因于晶体内部的分子、原子呈现的一种规则排列。
无独有偶，19世纪末，德国科学家威廉 伦琴（Wilhelm Rontgen，1845—1923）发现了X射线，之后德国科学家马克斯 冯 劳厄（Max von Laue，1879—1960）发现了晶体中的X射线衍射现象，都有力地证明了阿维预言的晶体微观结构。
我们现在把晶体内部原子排列的形式称为晶格（又称点阵），各种晶格结构可以被归纳为七大晶系，这些晶系与十四种空间晶格相对应。十四种空间晶格也称为布拉维晶格，是为了纪念法国科学家奥古斯特 布拉维(Auguste Bravais，1811—1863）在1845年推导得出的三维晶体中原子排布的所有14种点阵结构（图1.4）。科学家们的观察
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