化学：研究物质性质、组成及变化规律的物理子学科？

概述

化学作为物理学的一个分支，致力于探究物质的特性、构成、构造以及演变法则。化学考察的内容涵盖了物质彼此间的互动情形，或是物质与能量之间的联系。常规的化学探讨多集中于两种以上物质接触后的反应现象，或是单一物质转变成其他物质的现象。此类转变过程有时会借助电磁波，电磁波在此扮演着激发化学效应的角色。有时候化学并非只关注物质间的相互作用。光谱学探究物质与光线如何关联，这种关联与化学变化无关。严格来说，化学领域涵盖分子、电子、离子、原子以及原子基团等构成的核-电子系统。“化学”这个名称，若从字面意义理解，就是研究事物转变规律的学科。

化学作为一门学科，专注于探查物质的各种特性，解析其构成成分，剖析其内部构造，并且揭示物质发生转变的具体法则，它属于物理学的一个分支，并且与历史学有着密切的联系。

人类最初接触到的化学现象是对于火的研究。火能够使一种物质转变为另一种形态，因此成为古人最关注探索的自然现象。如果没有火，人类就不可能掌握铁和玻璃的制造工艺。

人类发现黄金这种珍贵金属后，许多人开始钻研如何将其他物质转变为黄金，公元前300年到1500年间，炼金术士们致力于把廉价金属变成黄金，因此积累了关于金属提取和加工的诸多见解与技艺，部分炼金术士专注于药物制作，中国当时也有所谓的炼丹术。两千年前，人们普遍运用黄金、白银、水银、铜、铁以及青铜。那个时期的文明，在陶瓷制作、色彩处理、酒类发酵、纸张制造、火药配制等方面，已经取得相当进展，对材料转变的认识，通过观察和实践，积累了丰富的文献资料。

化学的先驱们积累了许多关于各种物质的信息。直到17世纪，化学的发展相当有限，主要表现为燃素理论和炼金术，像罗伯特·波义耳这样的少数人取得了一些进展。到了1750年，这门学科依然笼罩在神秘之中，并且受到错误观念的左右。到了1773年，安托万-洛朗·德·拉瓦锡确立了质量恒定法则，运用氧化与还原的原理来阐释燃烧过程，打破了中世纪时期流行的燃素理论，从而奠定了现代化学的基础；他因此被誉为“化学领域的奠基人”。随后，道尔顿归纳了那个时代的化学研究成果，根据自己进行的实验提出了具有里程碑意义的原子理论。此后，有众多化学家逐步发现了诸多化学成分，其后门捷列夫组建了元素周期表使化学领域更加周全。公元1901年，化学家诺贝尔用其财产设立了诺贝尔化学奖，旨在表彰在化学方面造福人类的学者。当代化学的发展始于二十世纪初量子力学的大规模进步。

学门

化学学科目前主要由四个大分支构成，每个大分支下还包含诸多细分的学科方向以及实际应用范畴。

四大学门主要为：

物理学视角下的化学原理研究属于化学的一个分支，是现代化学的基础理论依据。分析化学致力于探索物质成分、结构及数量测定手段，能够对化学物质进行成分的定性或定量分析，也能确定化学物质的结构特征。研究碳、氢、氧、氮、硫等元素构成化合物的化学领域属于有机化学范畴。非碳基有机物的化学分支，探讨各类物质的制备方式与途径，剖析其构造与物理特性，金属化合物最为普遍，其研究范畴包括

原子

一个原子由原子核和带负电的电子构成，电子位于原子核外围，称为核外电子，通常被视为化学研究的最小单位。原子核一般由质子和中子构成。与一般物理认知不同，化学上单个质子被视为1H（氕）原子核，意味着原子核中必须含有质子，但中子可能不存在。通常认为离子也是原子的一种形式。

元素

具有相同质子数的同类原子称作“元素”。比如，氢这种元素里，所有原子都含有一个质子。反过来理解也是这样：凡是原子核里有六个质子的，都属于碳；凡是原子核里有九十二个质子的，都属于铀。元素还有另一种解释，即所有无法通过化学手段再分解的物质，就是元素。

物质

化学物质是某种物质，它的化学成分和化学特性都得到了明确界定。从严谨角度出发，混合物、化合物以及元素等并不属于化学物质，只能称作化学试剂或化学合成品。日常生活中常见的化学制品多数是混合体，例如大气成分、金属熔合物以及生物生成物。

命名法

化学术语的确定方式在化学领域是最为严谨的环节，很久以前，化合物名称由其研究者自行设定，这种方式造成了命名上的复杂性和无序性，如今我们普遍采用的方法是国际纯粹与应用化学联合会制定的命名体系，这个组织也被称为IUPAC。它设立了一套命名规则，确保每种化合物拥有专属的名称和编号。有机分子采用有机命名方法进行标识，无机分子则借助无机命名方式确定名称。借助化学索引机构，能够便捷地借助CAS编号，查获每项化学物质的性质、特点、名称以及构造。

分子

一个化学式展现了原子间的结合关系，以及这些原子在整体分子里的排列顺序，图中呈现的是紫杉醇的化学构造

酸碱性

物质可以归为酸类或碱类。我们有多种理论来界定酸碱分类。其中最基础的是阿累尼乌斯理论，该理论指出：酸是能令水中产生水合氢离子的物质；而碱则是能令水中产生氢氧根离子的物质。酸碱质子理论认为酸是能提供氢离子的物质，碱是能接受氢离子的物质。第三种理论称为路易斯酸碱理论，它关注化学键的形成。路易斯理论提出：酸在形成化学键时获得一对电子；碱在形成化学键时向其他物质提供一对电子。根据这一理论，同一种物质在不同酸碱理论框架下，可能表现为酸性物质，也可能表现为碱性物质。

测定酸性强弱的方式存在两种，第一种是依据阿累尼乌斯理论提出的，也就是人们普遍应用的pH值，它通过检测溶液中氢离子的含量来判断酸性的强弱程度。其计算公式为pH等于氢离子浓度的负对数，底数为10。由此可见，氢离子浓度越大的溶液，其pH数值越小，酸性也就越强。第二种是Brønsted–Lowry定义，即酸解离常数，也就是Ka，这个值可以评估物质在表现为酸时释放氢离子的程度。所以，酸性越显著的物质，其Ka值就越大，表现出越强的释放氢离子的趋势。类似地，我们可以用pOH来表示碱性强弱，用Kb来替代Ka进行说明。

氧化还原

物质的原子得失电子的特性关联着氧化还原的内涵。物质若能氧化其他物质，则具备氧化性，这种物质被称为氧化剂，有时也称作氧化物。氧化剂的作用在于促成其他物质失去电子。具有使其他物质复原特性的物质，被称为具有还原性，可称作还原剂或者还原物。还原试剂能够向其他物质提供电子，自身则被氧化。由于它向其他物质提供了电子，因此也称作电子给予体。氧化还原特性同氧化值关联，所谓电子的真正得失并非实际发生。因此，氧化定义为氧化值上升，还原则是氧化值下降。

简而言之，还原剂在氧化过程中会失去电子，其化合价随之增高；相反，氧化剂在还原过程中会获得电子，其化合价则相应降低。这两种反应过程总是相伴发生，无法单独存在。

平衡

平衡理念在各学科中普遍运用，化学里的平衡则指化学物质存在多种形态的情况，比如在几种能相互作用的化合物组合中，或者在物质有多种物相状态时。

尽管化学成分固定不变，平衡体系中的化学物质并非静止不动；这些物质的分子会持续相互反应，由此形成动态平衡状态。所以，化学平衡阐释了化学构成等指标随时间稳定不变的情形。

定律

化学反应的守恒必须符合物理守恒定律，反应前后应符合：

工业

化学工业在当今经济活动中扮演着关键角色，是不可或缺的组成部分。全球前五十家化学品生产企业在2004年实现了5870亿美元的总销售额，其盈利水平为8.1%，而用于科学技术研发的开支达到了2.1%。

学科分类

无机化学是研究无机化合物的化学。

有机化学这门学科，专门探讨碳基化合物的构造特征，分析其理化特性，并涉及合成方法，有时也称作碳化学。

分析化学旨在研究如何测定物质构成成分及其数量，能够判断化学物质的成分种类，也能测定其含量，还能明确化学物质的结构形态。