美丽的化学结构(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：梁琰

出版社：清华大学出版社

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美丽的化学结构试读：

前言

本书作者梁琰是“美丽化学”项目中科大先研院一方的负责人，也是项目的作者、摄影兼科学可视化指导。项目的其他主要成员包括：化学反应指导陶先刚（中国科学技术大学化学系副教授），化学反应指导黄微（中国科学技术大学化学实验教学中心副主任、高级实验师）。关于“美丽化学”书籍

在编写“美丽化学”时，我们希望在之前网站的基础上更进一步，在内容和形式上更好地向公众展示化学独特的美丽。为了适应不同读者的需求，我们规划了两本书-《美丽的化学反应》和《美丽的化学结构》（以下简称《反应》和《结构》）。《反应》适合所有读者，即使没有化学基础的读者，也可以从书中感受到化学反应呈现出的绚丽色彩和多姿形态。《结构》展示了大量美妙的微观化学结构，适合有一定化学基础和对化学感兴趣的读者阅读。

为了提升书中化学知识的广度和深度，每本书中都增加了超过50页的“历史”部分。我们希望通过介绍一些相关的历史知识，让读者更好地体会化学的美丽。在《反应》的历史部分，我们选择了1660-1860年间波义耳、普利斯特里、拉瓦锡等12位著名的化学家，在认真调研他们原始著作的基础上，用精致的手绘图片和简洁的文字对他们使用过的重要化学装置进行了展示和介绍。我们希望从化学实验装置的演变这一全新的视角，展示化学革命前后这一段最有代表性的化学史。在《结构》的历史部分，我们从原子结构、晶体结构、生物大分子结构等10个方面，比较全面地展示了化学家在认识物质微观结构过程中的重要研究成果。虽然两本书的历史部分篇幅都不是很长，但却花费了我们大量的时间和心血。希望我们的努力可以让看似枯燥的化学史变得更为生动、有趣。

除了历史部分，两本书中还包括了精美的“欣赏”部分。在《反应》的欣赏部分，我们用国际一流水准的CG图像复原了历史上15套重要的化学反应装置；另外也包括了我们拍摄的化学反应4K视频的截图，每张截图都为印刷进行了优化，其中一些截图也是在之前网站中没有出现的。在《结构》的欣赏部分，我们用更为细腻的图像风格，展示了58种化学结构，另外还包括了化学结构CG动画的截图。此外，《结构》还包括“注释”部分，其中对上述58种化学结构进行了简要介绍。

在书籍编写的过程中我们追求的一个目标是确保每一张图片的原创性，而且将每一张图片的质量都做到极致。在文字方面，我们力求用简明扼要的文字与图片一起高效地传递科学知识。我们希望读者通过阅读我们的书籍不但可以学到化学知识，也可以得到美的享受。最后，书中难免会有错误和不足之处，恳请读者给予指正(scivis @ ustc. edu. cn)，我们会在新的版本中及时修正。

这两本书目前得以完稿，是很多人共同努力的结果。《反应》和《结构》的创意、文字创作、文献调研、封面设计、版式设计均由梁琰完成。《反应》历史部分的图片，科学家肖像、装置手绘图：陈磊。《反应》欣赏部分的图片，装置CG复原：上海映速（建模：刘晨钟、陈易嘉、邝江俊、宗梁；灯光、材质、渲染、后期：宗梁）；化学反应摄像：梁琰（化学反应在陶先刚和黄微指导下完成）。《结构》历史部分的图片，矢量图：梁琰；手绘图：陈磊。《结构》欣赏部分的图片，结构图像：梁琰；CG动画：梁琰（创意、3D模型），上海映速（动画：宗梁、刘帅、邝江俊；材质、灯光、后期：宗梁）。书籍的排版由陈磊完成。作者梁琰的致谢对于“美丽化学”网站的致谢

首先要感谢中科大先研院和清华大学出版社使制作“美丽化学”项目成为现实。另外，要感谢中国科学技术大学科技传播系的周荣庭系主任和王国燕老师，因为二位的支持和帮助，我才能来到中国科学技术大学这个优秀的平台上施展才能。感谢中国科学技术大学化学实验教学中心为拍摄化学反应提供场地和药品。感谢秦健博士（芝加哥大学）、Felice Frankel（MIT）、江海龙博士（中国科学技术大学）、马明明博士（中国科学技术大学）、王顺博士（上海交通大学）、张一帆（中国科学院化学研究所）、Charles Xie博士（Concord Consortium）、吴扬博士（清华大学）、孙晓明博士（北京化工大学）、李峰博士（中国科学院金属研究所）在网站制作过程中提出的宝贵意见和建议。另外特别感谢中国化学会，在第29届学术年会上邀请我们介绍“美丽化学”项目（当时网站还没有上线）。感谢国内外媒体对项目的关注和报道，帮助我们把“美丽化学”传递给更多人。最后要衷心感谢所有关注过“美丽化学”的朋友，我们收到了很多热情的支持、鼓励和指正，这些都是我们继续努力工作的动力。

对于“美丽化学”书籍的致谢

首先要感谢我的家人对我的支持和理解，尤其是我的妻子在家庭方面的巨大付出。感谢我的朋友陈磊在手绘图像和排版方面的巨大贡献。感谢上海网晟网络科技有限公司的刘辉先生为“美丽化学”项目捐款10万元人民币，协助我们可以用最高水平完成化学史部分的内容。感谢上海映速为我们精心制作国际一流水准的历史化学仪器CG复原图像。感谢清华大学吴扬博士和王寅分别为书稿文字和封面设计提出的宝贵意见。感谢北京市科学技术委员会对书籍出版的经费支持。最后要衷心感谢责任编辑袁琦在书籍编写过程中给予的巨大帮助，也衷心感谢清华大学出版社各位领导对“美丽化学”书籍的大力支持。附：“美丽化学”项目成果一览

获得奖项

· 2015年2月获得由美国国家科学基金会（NSF）和美国《大众科学》（Popular Science）杂志举办的Vizzies国际科学可视化竞赛视频类专家奖(Experts'Choice)。

· 2015年4月获得由浙江省科技馆和果壳网举办的菠萝科学奖菠萝U奖。

· 2015年5月获得由上海科技馆举办的上海科普微电影大赛最佳摄影奖。

· 2015年7月获得第六届中国数字出版博览会2014—2015年度创新作品奖。

媒体报道

· 国内媒体：《中国青年报》、《中国科学报》、《环球人物》杂志、《扬子晚报》、新华网、果壳网、《环球企业家》杂志、《新安晚报》等。

· 国外媒体：《时代周刊》官网、探索频道、《赫芬顿邮报》等10多个国家的主流媒体。

参加展览

· 2014年12月，中国电脑美术20年（北京中华世纪坛）。

· 2015年7月，自然与艺术之谜特展（中国台湾“国立自然科学博物馆”）。

· 2015年8月，上海国际科学与艺术展（上海中华艺术宫）。

· 2015年9月，英国皇家摄影学会国际科学图像展（英国巡展）。

授权情况

· 2014年10月7日，加拿大探索频道《每日星球》（Daily Planet）栏目对“美丽化学”项目进行报道。

· 2015年3月，“美丽化学”中的一段视频被电影《对称》（Symmetry）采用。《对称》是在欧洲核子物理研究所（CERN）中，以宏伟的粒子对撞机为舞台背景拍摄的一部歌舞剧。

· 2015年3月，授权Red Beard品牌在梅赛德斯—奔驰时装周（伊斯坦布尔站）上使用“美丽化学”视频，用于T形台背景视频。

· 2015年3月11日，“美丽化学”视频出现在英国广播公司（BBC）《新闻之夜》（Newsnight）节目中，用来比喻英国当前的联合政府。

· 2015年4月22日，“美丽化学”视频出现在由2013年诺贝尔和平奖得主“禁止化学武器组织（OPCW）”为化学武器第一次大规模使用100周年制作的纪录片《牢记伊普尔》（Remembering Ieper）中。

· 2015年11月8日，“美丽化学”视频出现在2015腾讯WE大会的开场视频中，表现大会“向未来，共生长”的主题。包括LinkedIn联合创始人Reid Hoffman和MIT媒体实验室总监Joi Ito等重量级人物都在这次盛会上发表了精彩演讲。

· 其他授权包括：MIT慕课课程、哥伦比亚大学化学系主页、剑桥大学出版社、HTC等。美丽化学公众号原点阅读公众号历史炼金术时期代表黄金的太阳符号化学符号—化学语言的一部分

化学物质的名称和符号是化学语言的两个重要组成部分。早期的化学物质命名完全是经验性的，这就导致某些物质的名称与其化学性质之间存在分歧。到了18世纪中叶，化学的快速发展导致大量新物质被发现，之前陈旧的命名法已经无法满足化学家的要求。终于在18世纪末，拉瓦锡发起了现代化学革命，而革命的一项重要内容就是用建立在物质化学性质上的现代化学命名法取代之前的经验命名法。

化学符号的使用最早可以追溯到古希腊时期的手稿或者更早的埃及象形文字。专家认为，一小部分化学符号可能是由埃及象形文字演变而成，而另外一些化学符号是从古希腊手稿中的符号和文字缩写演变而来的。而在17—18世纪欧洲炼金术时期所使用的符号，大部分是由炼金术士创造的：一些符号是反应装置的图形化表示，而一些符号是完全随机的几何图形。使用化学符号的主要目的是减少文字，提高阅读效率，但很多炼金术士认为在化学符号中书稿作者隐藏了将廉价金属转变成黄金的奥秘。正是因为炼金术符号的神秘属性，以及这些符号特别容易引起混淆（很多符号非常类似，而且同一种符号可能代表不同的物质），一些学者在18世纪末建立了新的符号体系。拉瓦锡提出化学符号应该包含物质的化学信息。1808年道尔顿发表的符号体系是一个巨大的进步（见第8页）。道尔顿为每个元素都设计了一个独特的圆形符号，而化合物的符号则由元素符号组合而成，并包含元素比例信息。但道尔顿的符号和炼金术符号一样不易书写和记忆。我们目前使用的现代化学符号系统（如钠：Na，食盐：NaCl，水：2HO）要归功于贝采里乌斯。虽然贝采里乌斯并不是第一个使用化学元素首字母作为元素符号的科学家，但1813年前后他首次把这一符号系统应用到当时所知的几乎所有化学物质。火气以太水土

开普勒的五元素。我们熟知的现代元素概念是由拉瓦锡在18世纪末提出的。在此之前，包括“火”、“水”、“气”、“土”的四元素说，或者另外包括“以太”在内的五元素说一直是西方学者认识物质世界的主导理论。在1619年出版的《世界的和谐》（Harmonice Mundi）一书中，开普勒又将五元素与柏拉图多面体联系在一起。按照开普勒的说法，火是最具有“穿透力”的元素，因此和柏拉图多面体中最为尖锐的正四面体相对应；以太不同于其他元素，没有冷、热、干、湿的性质，所以和最接近球体的正十二面体相对应。上图中“火”、“水”、“气”、“土”汉字旁边的图标是各元素对应的符号。【绘图依据：Kepler,J.Harmonice Mundi(1619)】

炼金术时期的化学符号。上图是若弗鲁瓦在1718年发表的“化学亲和力表格”中所使用的一部分炼金术符号。文艺复兴后的炼金术时期，类似的符号被广泛使用，而若弗鲁瓦的亲和力表格也促进了炼金术符号流行。若弗鲁瓦认为表格中的炼金术符号可以使各种物质之间的化学反应关系一目了然。但是因为炼金术符号的神秘主义色彩以及难于记忆、易于混淆的缺点，炼金术符号的使用在18世纪末受到越来越多学者的抵制。1813年贝采里乌斯提出现代化学符号系统（贝采里乌斯符号与现代符号唯一不同之处是：对于表示元素比例的数字，他使用上角标，而现在我们使用下角标）。和炼金术化学符号相比，现代化学符号（上图汉字下方）不但容易记忆和书写，而且包含更多信息，比如物质的化学元素组成和比例，以及有机物的基本分子结构。【绘图依据：Geoffroy,É.F.Mémoirés de l' Academie Royale des Sciences(1718)】德布罗意波原子结构—从原子论到量子理论

原子论由来已久。但是从公元前5世纪古希腊哲学家提出原子论到文艺复兴时期波义耳、牛顿等科学家让原子论再次流行，原子论似乎始终停留在哲学和物理层面，对解释物质的化学性质没有实际意义。

到了19世纪初，拉瓦锡现代化学元素概念的确立和普鲁斯特化合物定比定律（同一种化合物中不同元素的质量比为定值）的发现为道尔顿原子论的提出奠定了基础。1803年道尔顿在他的笔记中清晰地描述了他的原子理论：（1）化学元素是由不可分割的微小原子组成；（2）同一种元素的所有原子都相同，不同元素具有不同的原子，而不同原子的区别在于其不同的质量；（3）化合物中的不同元素的原子数量比为简单的整数比。道尔顿的原子论为解释普鲁斯特化合物定比定律提供了清晰的微观依据，并在化学家中得到了迅速的普及。随着分析化学的发展，各种原子的相对原子质量和化合物的元素原子比例（也就是分子式）都被确定下来。

18世纪末电子的发现使不可分割的道尔顿原子不再成立。19世纪初各种关于原子内部结构的模型被提出。1913年玻尔在卢瑟福原子核模型和普朗克量子理论的基础上，提出了革命性的量子原子模型。这个模型用简单的数学公式完美地解释了氢原子光谱。玻尔原子模型是量子理论在20世纪初的一次伟大胜利，而这之后不久出现的量子力学彻底改变了我们对微观原子世界的认识。目前人类对于原子结构的探索仍在继续。核物理学家正在研究原子核内部质子和中子的排布方式以及原子核的终极尺寸等问题。另外，我们现在知道质子和中子是由更小的基本粒子（夸克）组成的。通过宏伟的粒子加速器和高能粒子碰撞实验，粒子物理学家正在寻找和研究组成物质和辐射（如光）的基本粒子和它们之间的作用力，试图解释物质起源这一终极的科学和哲学问题。

道尔顿原子论。早在公元前5世纪，希腊哲学家就提出了原子论思想。文艺复兴之后，波义耳和胡克等科学家也应用原子理论或微粒学说解释某些自然现象。但道尔顿在1803年提出的原子论与前人学说本质不同的两点是：（1）不同的元素具有不同的原子；（2）不同的原子具有不同的质量。19世纪初，道尔顿的原子论在化学家中得到了广泛的认可，从而在理论层面推动了现代化学的发展。另外在1808年出版的著作《化学哲学新体系》（A New System of Chemical Philosophy）中，道尔顿为当时知道的每一种元素都设计了一个圆形的符号，并且用这些符号的组合来表示简单的化合物（上图）。但是由于当时很难精确测定原子的质量，道尔顿当时给出的很多化合物的原子比例都是错误的（上图有意回避了比例错误的化合物）。【绘图依据：Dalton,J.A New System of Chemical Philosophy(1808)】动子模型布丁模型土星模型原子核模型

早期原子模型。道尔顿的原子是不可分割的最小单元。但从1897年汤姆孙发现电子开始，新的实验结果让科学家认识到原子也存在着复杂的内部结构。20世纪初期出现了一系列原子模型。上图包括了4个模型，其中红色表示带正电，蓝色表示带负电。动子模型：由莱纳德于1903年提出。莱纳德认为原子中存在微小的“动子”（dynamid），每个动子包含一个正电荷和一个负电荷，所有动子被一个大部分为空的球形外壳所包围。土星模型：由长冈半太郎于1904年提出。长冈半太郎认为原子与土星类似，由中心带正电的球体和围绕球体旋转的电子组成。布丁模型：由汤姆孙于1904年提出。汤姆孙认为原子由带正电的球形外壳和在其上运动的电子组成。原子核模型：由卢瑟福于1911年提出。卢瑟福认为原子由位于中心带正电的原子核和围绕原子核运动的电子组成，原子核体积极小但集中了原子的大部分质量。【绘图依据：Ihde,A.J.The Development of Modern Chemistry(1964)】

玻尔量子原子模型。1913年，玻尔提出了量子原子模型，这是现代科学史上最具革命性的理论模型之一。玻尔的量子原子类似一个微型的太阳系：一系列电子轨道环绕着中心带正电的原子核。每一个轨道都有特定的能量，低能轨道接近原子核，高能轨道远离原子核。电子必须处于某一个轨道中，具有该轨道的能量。电子可以从一个轨道跃迁到另一个轨道，前提是电子必须吸收（从低能到高能轨道）或放出（从高能到低能轨道）具有特定能量的光子，而光子的能量就是两个轨道之间的能量差。玻尔的量子轨道完美地解释了氢原子光谱（上图箭头显示了氢原子光谱中的莱曼系、巴耳末系和帕申系），也为随后出现的路易斯化学键理论奠定了基础。1922年玻尔因量子原子模型而获得诺贝尔物理学奖。【绘图依据：Bohr,N.Phil.Mag.26,1(1913)】2p轨道3d轨道3d轨道4f轨道4f轨道4f轨道

量子力学中的原子轨道。虽然玻尔的量子原子模型成功地解释了氢原子和其他单电子原子（如带一个正电荷的氦离子）的某些性质，但对多电子原子玻尔模型仍存在很大的局限性。1920年至1930年短短10年间，德布罗意、海森堡、薛定谔等著名物理学家建立了量子力学，成为现代科学研究微观原子世界的基础理论。量子力学用完美的数学公式描述电子在原子核周围出现的概率，而原子轨道在量子力学中可以理解成具有特定属性的电子在空间中的概率分布。化学家为了让这些抽象的数学概念更容易被理解和应用，经常用图像的形式表现原子轨道。对于上图显示的原子轨道，其三维表面是电子出现概率相同的等值面，即电子在该表面不同位置出现的概率相同。而等值面的选择依据是电子在等值面所包围的空间内出现的概率为90%。【绘图依据：根据达姆施塔特应用科技大学伊梅尔博士构建的3D原子轨道模型绘制】氢分子电子密度分布London, F. Zeitschrift für Physik 46, 455（1928）化学键—一切化学结构的基础

化学键是化学中的重要概念。原子通过共价化学键结合成分子，正负离子通过离子键结合成离子晶体，金属原子通过金属键形成金属晶体。这些化学键都与电子相关。但值得一提的是，在电子发现之前就出现过一些早期的化学键理论。例如，牛顿曾经在《光学》（Opticks）中指出：“（组成物质的）粒子之间存在一定的吸引力，当粒子非常靠近时作用力十分强大，当粒子间的距离很小时可以发生化学反应，当距离稍远时作用力将变得微乎其微。”

在玻尔提出量子原子模型之后，最有影响力的化学键理论是路易斯在1916年提出的以八电子规则为核心的化学键理论。根据该规则，他成功地解释了离子化合物之间的相互作用（离子键），并首次提出共享电子对和共价键的概念。共享电子对和路易斯结构式作为实用化学工具沿用至今。另外，在路易斯理论上发展起来的价层电子对互斥理论（VSEPR）可以非常直观地预测简单化合物的立体结构。

量子力学的建立促进了化学键理论的快速发展。价键理论（VB）、原子轨道线性组合理论（LCAO）、杂化轨道理论、密度函数理论（DFT）等从不同角度揭示了化学键的性质。随着计算机性能的快速提升，依据这些理论编写的计算机软件已成为化学家研究物质结构和性质的重要工具。例如，化学家可以在计算机上模拟化学键的形成和断裂，为化学实验提供理论解释和参考。

路易斯化学键理论。1916年，路易斯提出了符合玻尔原子模型的化学键理论。为了便于理解，他将原子的外层电子放在立方体的顶点上；当立方体的8个顶点都没有电子或全部被电子占据时，得到稳定的原子结构。这样外层只有1个电子的锂原子可以将电子转移给外层有7个电子的氟原子，从而得到外层没有电子的锂正离子和外层有8个电子的氟负离子，两者形成稳定的离子化合物氟化锂（LiF）。类似地，外层有6个电子的氧原子需要和两个锂原子结合，每个锂原子2向氧原子转移一个电子，形成离子化合物氧化锂（LiO）。共价化合物可以通过共享立方体的一条边（如两个氟原子）或立方体的一个面（如两个氧原子）的方式，分别形成单键或双键，使每个原子都达到稳定结构。在1916年的论文中，路易斯也同时给出了一种在元素符号周围用小点表现外层电子排布的结构式（上图蓝色），并用共享的电子对表示共价键。这种结构式后来被称作路易斯结构式，作为讲解化学键的有效工具仍在化学教科书中被广泛使用。【绘图依据：Lewis, G. N. J. Am.Chem.Soc.38,762(1916)】

价层电子对互斥模型。在路易斯化学键理论的基础上，西奇威克等几位科学家在1940年前后共同发展了价层电子对互斥模型（VSEPR）。该理论认为电子对相互排斥，从而可以预测简单分子的4立体结构。例如由于甲烷分子（CH）的四对成键电子相互排斥，最稳定的立体结构是正四面体：碳原子位于正四面体的中心，4个氢原子位于正四面体的4个顶点。上图是由VSEPRE理论给出的一些简单的三维分子结构。【绘图依据：Sidgwick,N.V.and Powell,H.M.Proc.R.Soc.Lond. A176,153(1940)】硅晶体结构晶体结构—从宏观形状到微观原子排列

早期的晶体学研究主要集中于晶体的外部形状和对称性。通过用精密的测角仪测量晶体表面之间的夹角，可以确定晶体的对称性；而晶体的宏观对称性是当时晶体分类的重要依据之一。

18世纪末，阿羽依首次在数学层面将晶体的宏观形状和微观周期性联系在一起。1781年阿羽依不小心摔碎了一块碳酸钙晶体。在碎片中，他意外地发现了微小的菱面体（六个面都是菱形的平行六面体）。经过这次偶然的事故，以及后来对于晶体切割的系统研究，阿羽依得出晶体是由微小的构成分子周期排列而成的结论，并给出了晶体宏观形状和微观构成分子周期排列之间的数学联系。阿羽依的构成分子和我们现在的分子概念不同，他的构成分子是微小的几何形体（如平行六面体），不同晶体具有形状不同的构成分子。

1802年的劳厄X射线晶体衍射实验是晶体学方面的重大突破。在此之前，科学家只能猜测晶体的内部结构。劳厄实验之后不久，由布拉格父子提出的X射线晶体衍射理论使科学家可以精确解析晶体中原子排列的方式。确定固体材料中原子的排列方式是了解材料各种物理和化学性质的基础。例如，对半导体材料晶体结构的认识是研究其电学性质的基础，而对半导体电学性质的深入研究和精确控制导致了计算机的产生和今天的信息革命。另外通过用X射线衍射实验研究由有机小分子和生物大分子形成的晶体，极大地推动了我们对分子三维结构的认识，尤其是用X射线衍射技术解析的生物大分子（如蛋白质）的三维结构，为科学家在分子尺度下探索生命的奥秘提供了可能。

晶体微粒理论。在显微镜下，胡克观测到微小的晶体具有形状规则的表面（上图左）。他因此推测晶体是由大小相同的球形微观粒子组成的，球形粒子通过规则排列便可形成与所观测晶体表面类似的形状。比如3个粒子可以形成等边的三角形，4个粒子可以形成菱形，5个粒子可以形成一个等腰梯形等。胡克也提到4个小球可以组成一个正四面体，但并没有详细叙述其他可能的三维结构。沃拉斯顿进一步发展了胡克的理论（上图右）。在1897年的一篇论文中，他简要分析了球形粒子的堆积、椭球形粒子的堆积，以及不同球形粒子的堆积。【绘图依据：Hooke, R. Micrographia(1665); Wollaston,W.H.Philos.Trans.R.Soc.Lond.8,527(1897)】

阿羽依晶体理论。阿羽依通常被认为是现代晶体学之父。他认为晶体是由规则排列的“构成分子”组成的，不同的晶体具有形状不同的构成分子。阿羽依的构成分子与现代晶体学中的晶胞类似。阿羽依提出递减定律，用以解释同一晶体不同宏观几何形状之间的微观联系。例如，一个构成分子为正方体晶体，假定其初始形状也是一个正方体（上图绿色），当向晶体的六个表面添加新的分子层（上图灰色），并保证每个新的分子层的四边都向层中心递减一个分子时，最后可以得到每个面均为菱形的十二面体。如果在添加分子层的过程中，每个分子层的两个对边向层中心递减一个分子，另外两个对边缩减两个分子，最后得到每个面均为五边形的十二面体（不是正十二面体）。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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