有哪些对化学大彻大悟的理解？

奋斗的小鸟

有哪些对化学大彻大悟的理解？
原文地址：https://www.zhihu.com/question/319051654

长长的路

我问裴坚老师能否尝试解释一下某机理问题（此问题尚未有定论），他语重心长的说：“记住，分子比人聪明。”

队长是我

在我本科即将毕业，准备读博时，我问了自己2个问题：
1、回顾过去50年，对化学发展推动作用最大的成就有哪些？
2、展望未来20年，哪些方向的成就将对化学发展起到巨大的推动作用？
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对于问题1，我的答案是：
NMR，数字化文献数据库，量子力学建模与计算。
对于问题2，我的答案是：
高通量与自动化实验，数据驱动的化学AI，复杂体系的新分析化学方法。
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当然，不同人会有不同答案。比如锂电池、半导体工艺、不对称催化，等等进展与成就，都有重要意义，和光明的未来。别问，问就是我太菜（确实菜）。
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我从这两个问题和我的答案中得到最重要的感悟：化学发展之要旨，在于化学之外。
继而，想要在化学世界弄潮，与其和海量化学天才们卷，不如后退一步，帮他们提供工具。
毕竟当年西部大淘金，最挣钱的是卖铲子的。
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注：问题1的第2个答案，之前写的是高分辨质谱。今天和朋友聊起，才察觉是我记错了…已更正为数字化文献数据库。 2022.7.25

检验医师

药化博士生路过…第四年，浅谈一下对化学的理解吧（或者说基础科研）
第一次对化学产生兴趣大概是在实验课里做出blingbling的晶体的时候，感觉自己好像会魔法，还要什么钻石，硫酸铜结晶不比蓝宝石更美吗
后来选择了药化，因为和我很亲的外公得了癌症去世，很想亲手做出能治病救人的药
然后上了大学才发现，化学的分类太多，当初吸引我的，只是无机化学里很小很小的一部分，而我稀里糊涂地进了我当时最讨厌的有机合成实验室
读博之前，觉得自己学了这么多年化学，懂的很多，信心满满，我也是要变成科学家的人了。然而随着时间的流逝，上百次实验的挫败，我才承认自己是这个庞大的系统里微不足道的尘埃。因为做的项目太新，没有前人的经验，没有太多文献可参考，我的导师和副导，两位资深有机教授，在博二的时候已经无法给我提供指导。我只能默默摸索，自己决定要不要放弃这个合成步骤，要不要换一个初始物，还有什么参数可以改变。每一天都是在重复前一天的失败。十个步骤的合成路线，每一个步骤，都至少花几个月的时间去实验，甚至在完成几步之后，全部推翻重来




每一次，在核磁里看到新的峰，觉得自己成功了，质谱告诉我，不可能的。终于百分百确定自己做出了产物，过柱提纯的时候，它分解了。失败已经不会动摇我，让我感到挫败的，是每一次的希望落空，是每一次感觉离成功如此之近，被迫推翻重新回到原点的无奈




都说读博是摸着石头过河，而我觉得我是在天黑的时候摸石头过河。很长的一段时间里，我感觉自己身处黑暗，我看不见光，我不知道自己身处何处，我觉得自己一无所知
我时常在半夜惊醒，然后翻来覆去地睡不着，害怕明天的到来。终于有一天，感觉到心脏不正常地快速跳动，隔着皮肤都感觉到它在敲打我的手。去看医生，确诊了中度抑郁和重度焦虑。我过上了每天和药物作伴，和自己斗争的生活
刚来澳洲的时候，英文很差，听不懂老师讲课，只能课后自己看课本，可是课本的英文也看不懂，我拿着翻译器一个词一个词地查，读一小段花了半个小时。在遥远的异乡夜晚，我一边哭，一边查单词；而现在十多年过去了，我一边哭，一边往反应瓶里加试剂；好像什么都没变的样子，在知识面前，我还是那个嗷嗷待哺的婴儿
我知道很多人都在嘲笑化学是一门基础学科，劝退学科，它跟不上时代的脚步，它不能给你高薪，车房，甚至占用了你为数不多的时间
但是对我来说，它像是一尊古老的神像，我只能满怀敬畏之心，做它虔诚的信徒，希望能在茫茫未知里，赐予我偶然的灵光

检验医师

化学和物理有一个很有趣的区别。化学家把元素周期表总结完后，就有了大干一场的兴奋感。物理学家把基本粒子总结完后，就有了完蛋了要失业了只能修修补补了的惆怅感，Party is over.
我是什么时候对化学产生兴趣的呢？应该是“锅气”吧。
可能是学物理的关系，总觉得只有那些本原的、终极的、稳定的，才有研究的价值。所以我一度以为，厨师这个职业在机械手、AI的普及后，一定会消失。后来我明白了锅气是什么，知道了美拉德反应，原来我们享受食物其实享受的是食物正在发生化学反应的过程。做成预制菜，反应早已结束，食物便再无灵魂。所以，厨师可能不会消失了。
老师傅烧瓷器一定要用柴火烧，这也是一种锅气。大多数氧化物半导体的生成需要一氧化碳作为还原剂。一氧化碳是自然界少有的相对稳定的自由基。
人类其实并不追求稳定的美，人类追求转瞬即逝的快感。生命基于复杂的化学过程，相对于永恒的宇宙法则，本身就转瞬即逝。这也是为什么稳定性更差的钻石，比更加稳定的石墨，要值钱得多的原因。
物理学家喜欢本原、终极、稳定，这些其实很无趣。化学家享受中间过程，哪怕他们所合成的化合物的寿命越来越短。
安德森跑去问鲍林，什么是物质的终极秘密。结果最后端出来的大菜，是一个叫共振价键的动力学图像。这太不物理了。
同样研究物质科学，物理学家只关心长寿命的低能元激发，把更大的动力学宝藏拱手送给化学家。最后硬生生的把高大上的所谓凝聚态物理，活成了无机化学的模样。
为什么说物理就是烧炉子，化学就是过柱子？炉子一关啥都不管了，烧出来是啥就是啥。过柱子，那得眼睛盯着，这是一种特别的感官刺激，跟摸彩票的时候一点一点刮出来那种感觉一样。
这就是化学，追求有参与感的游戏过程，是它的诉求。

检验医师

写在前面的话，在过去的人生中我经历了很多事情，也有很多的感触，我想着用一个比较新奇的角度，来聊聊我的一些人生感悟。出于对化学特别的喜爱，我想用化学这门学科的一些观点来分析我所认知的世界。也许有很多化学老师提出过相似的观点，这些观点仅仅代表我个人并且是当前的认识程度，我也想借以此文与更多志同道合的朋友进行沟通，一起聊聊化学，谈谈人生。



感谢科普作家鲁超的夫人的题字折扇。

我想着也许可以从四个方面聊聊人生，从大到小，从抽象到具体，从宏观到微观，从人际关系到自我探索。

• 其一，人生的本质。
  
• 其二，人与环境。
  
• 其三，人与人。
  
• 其四，自我。
  

一、变与不变：现象与本质

化学，变化之学，是研究物质的组成、结构、性质、变化与应用的学科。对于整个客观的物质世界而言，变化是绝对的，不变是相对的。比如原子与原子之间的关系是动态的，是可以发展的，是存在相互变化的，正是因为变化的绝对性，才造就了这般绚烂的物质世界。
人生，同样也是变化之学。人的一生是处在不断变化之中的，对于个人而言，人的生长发育，生理过程本身就是一种动态变化，对于人生而言，人的一生所处的环境也是不断变化之中。
万事万物是普遍联系与永恒发展的，这是马哲的对客观物质世界描述的的底层逻辑。同样，要以动态的、发展的眼光而不是静止的眼光去看待自己人生乃至整个世界。
在很多的时候，我们焦虑和不安，往往是因为缺乏安全感，害怕不确定的事物，喜欢追求稳定和可靠的事情。但是这种理想往往与现实世界是脱节的，各种变数可能把我们打得措手不及，变化才是绝对的。
要认识到，这是世界上并没有什么无坚不摧的事物，现实世界中你积累的经验往往都很脆弱。因为所有的事物都是处在动态的变化之中的，你对它当前的认识，也许是它在量变的积累阶段，还看不出质变的信号和标志。
要意识到，对不变和安稳的选择，很可能在某个阶段让你付出一定的“代价”，当然这种“代价”往往取决于你的心理阈值。因为事物的发展往往只有它一套逻辑，不按套路，黑天鹅事件也是它的逻辑之中。因为这套逻辑就是“变化”，只有变化才是绝对的。
在变化中找到不变也是同等重要的，即发现本质的能力！
对于化学反应而言，变化的是原子电子云的偏移或者改变，而在化学反应之中原子本身作为一个独立的物种是不会改变的。
对于人生而言，这不变的是什么呢？
我认为，
是事物发展的客观规律。
是你的理想和信念。
是对生活积极向上的态度。
是身处泥潭，遭遇变数，蒙受损失之时，相信自己能站起来。
是对生活能永远热爱永远热泪盈眶。

世界上只有一种真正的英雄主义，那就是认清生活的本质，依旧热爱！——罗曼罗兰

二、能与不能：人生中的热力学与动力学

在对化学反应的研究中，化学家往往会有两种工具，其一是热力学方法，其二是动力学方法。用热力学来判断一个化学反应能否发生，发生的方向，或者是在什么条件下发生，反应的限度是如何。而用动力学方法，则是考虑这个可能发生的化学反应的速率如何？其他因素对其反应速率是抑制还是促进？
可以说热力学方法和动力学方法就是研究化学反应“能与不能”的学问。
在人生之中也有很多“能与不能”的问题。这些问题或许会困扰着我们许久。
“我能不能考上清华北大？”
“我能不能追到我喜欢的女生？”
“我能不能被哪家公司录取？”
......
要知道，我们所追问的这些事情，能与不能，也是可以从热力学和动力学方法判断的。
人生的热力学：可能性；我做这件事有没有可能性？需要具备什么条件？
人生的动力学：可行性；我做它要花费的时间多长？其他因素对实现它的促进和抑制情况？
很多化学反应，用热力学观点看是完全可以发生的，但是从动力学观点上看，却又不能发生。诸如氢气和氧气，在常温和常压下，是可以自发进行的，而且进行程度相当彻底。但是现实是，常温常压下，把一团氢气和一团氧气，放在一起，就算放一万年也难有可观的水产生，因为它还不具备动力学条件。
类似的，在人生之中，我们对于能与不能的认识，也要多角度，客观地进行评估其可能性与可行性。知道一件事情，知道它的规律和运行逻辑，不一定代表这件事你能做成功。
因为知道和能做到之间是存在巨大的鸿沟，我称之为热力学和动力学的鸿沟，这条鸿沟是客观存在的，我们唯一能做的事就是，实事求是！用具体实践来印证你所知道的规律和逻辑，在实践之中去检验真理和发展真理。
三、得与失：平衡与守恒

对于化学反应，我们往往会考虑到电子的得与失。这是化学反应的核心，因为化学反应的本质就是原子电子云的偏移或改变，通过研究化学反应之中电子的得失关系，我们能确定反应的过程，机理等等。
得到和失去，是一对矛盾，矛盾具有对立性和统一性，是可以相互转化的。
诸如氧化还原反应，氧化剂得到电子被还原成还原产物，而还原剂失去电子被氧化成氧化产物，在一定的条件下，还原产物还能被其他氧化剂氧化，同时氧化产物还能被其他还原剂还原。


对于整个化学反应而言，电子的得与失，不影响整个反应的平衡和守恒。
电子的得失，重要吗？当然重要，因为这涉及到化学反应的本质。
电子的得失，重要吗？也不重要，因为物质之间还是会相互转化的，失去电子的还原剂还能得到电子，得到电子的氧化物也能失去电子。
人生的得失，重要吗？或许重要，或许也不重要。
人生的得与失，本质上就是平衡和守恒关系。
一个人不可能永远得得到，当然也不可能永远得失去。
得与失，相互依存，也相互转化。这里的得到，意味着另外的失去，这里的失去，也意味着另外的得到。
人这一生会错过很多人，很多事。不属于你的都会离你远去，你唯一能做的就是它还在时好好珍惜。生活中也许会走错路，但是善良的人始终会朝着对的方向走。失去什么丢失什么都不要紧，属于你的东西，都在路上，什么都不用羡慕，只需要看着手边的物品，其他不属于你的，也会到它该到的地方去。

所以错过了什么都不要紧，因为只要还在努力，就可以创造奇迹，你还会获得，又有什么好担心的呢？在当要失去的时候，要记住：错过了落日的余晖，还可期待满天星辰。

四、人与社会环境：三个系统

在上《物理化学》的时候，我所学的第一节课就是关于热力学第一定律的系统和环境，我是记忆得相当清楚的。多年来，我再回顾这三个系统的时候，有了更深的认识，更多的是从人生的角度上去认识它。
物理化学里面所说的三个系统是敞开系统、封闭系统和孤立系统。

敝开系统：与环境既有能量交换又有物质交换的系统。
封闭系统：与环境只有能量交换而无物质交换的系统。（经典热力学主要研究的系统）
孤立系统：不能以任何方式与环境发生相互作用的系统。

其实对于每个人而言，我认为其和外界环境也有三个状态，敞开状态、封闭状态、孤立状态。

• 处在孤立状态的人：我们会看到有一些人，常年的不出门，把自己与社会生活、甚至的工作所孤立开来。他们与整个社会隔离开来，不参与或者极少参与社会活动，这类人往往是社会边缘人。
  
• 处在封闭状态的人：这类人是占大多数的，会和社会进行交流，而且往往是进行能量交流，通过售卖自己时间和劳动来给社会输入能量，同时也接受社会的一部分能量输入，来维持自己正常的生活。
  
• 处在敞开状态的人：这类人是改变社会的先进力量，与社会有直接的能量交流还有物质交流，他们不仅进行能量的输入，还将整个社会的财富做大，能让自己有益的一部分输送到社会之中。他们敞开自己，包容，影响社会，推动人类发展。
  

根据热力学第二定律，对于一个孤立系统，没有外界能量的输入，系统会朝着最大混乱度的方向进行发展。这就是熵增定律。
类似的，我认为对于一个处在孤立系统的人而言，他把自身与外界完全孤立开来，可以预见的是，他的生活只会越来越混乱。因为人是社会人，人需要最基本的交流活动。
处在孤立状态的人的认知久而久之就会发生一定变化，这种变化往往是变坏，变的混乱。因为长时间没有与外界进行充分的交流，没有得到新的信息，没有获取别人的认同，认可，心理状态也可能变得很差。
请尽可能得让自己与这个世界有更多的联系吧，接受有益的能量，如果做不到完全敞开和包容，也要做到能够接纳其中的一部分，无论是好的还是坏的。
先接受它，再试着改变它。

愿中国青年都摆脱冷气，只是向上走，不必听自暴自弃者流的话。能做事的做事，能发声的发声。有一分热，发一分光。就令萤火一般，也可以在黑暗里发一点光，不必等候炬火。——鲁迅

五、个人命运与历史进程：微观探析与宏观辨识

对化学家而言，每年的10月23日是“摩尔日”，是日子是干嘛的呢？为啥还要纪念呢？

“摩尔日”通常在10月23日的上午6:02到下午6:02之间庆祝。在美式写法中，这两个时刻被记为6:02 10/23，恰似阿伏伽德罗常数。又因为Mole另一个含义是鼹鼠，所以大家常常会心照不宣的发一张鼹鼠的漫画。

值得一提的是，阿伏伽德罗常数是联系微观和宏观的一座桥梁。对于化学研究过程而言，我们所涉及的底层是原子、分子等微观小粒子层面的。而在我们的宏观物质世界，我们研究的往往不是单个原子或者分子的行为，而是它们集体所体现的行为和性质。
对于人类而言，是由一个又一个鲜活的个体组成，我们不能忽视微观的作用。
同样对于个人而言，我们要认识我们只不过是庞大分子集团中的一粒小小的分子，我们能改变的力量是相当有限的。一小个微观粒子的作用是有限的，无法撼动整个宏观体系，恰如蚍蜉撼树。
人的个人命运，要靠自身努力，同时历史的进程也不容忽略。
六、人与人的关系：五种键

化学家用键，来描述原子与原子、原子与分子等间的关系。诸如共价键、离子键、金属键、多重建、氢键等等。

• 共价键：两原子通过共用电子对形成的化学键，十分紧密。
  
• 离子键：一原子完全将其中的电子给另外的原子，形成离子。
  
• 金属键：电子的自由运动，没有固定的方向，是非极性键。
  
• 多重键：原子间共同不止一对电子而形成的共价键，是不饱和键。
  
• 氢键：无处不在，键能弱，影响物质的物理性质。
  

其实人与人之间的关系也可以类比原子与原子之间的关系，即各种键[1]。


与父母的关系（离子键）：父母养育自己不容易，付出很多，类似原子把电子完全贡献出来形成离子键，父母贡献了很多精力。而当我们成家立业后，自己的时间和精力往往会投入到自己的小家和工作之中，会变得非常忙，这时候和父母的关系可能真的就是“离子键”了，离的非常开，不是很紧密了。
与爱人的关系（共价键）：共价键的最大特点就是共用电子对，并且非常紧密，不容易断裂，与爱人间的亲密关系就是得非常紧密才行。而共价键的成键的三原则是能量接近、对称性匹配、轨道最大重叠。满足这三个条件才能因此比较稳定的共价键。同时这也指导我们在寻找另外一半的时候，两人观念要一致，接近，互相匹配才行，才能形成稳固的共价键，最大程度上避免断键（离婚）的发生。
与子女的关系（金属键）：金属键的特点就是电子的自由运动，没有固定的方向。适合和子女之间的关系，让子女自由的成长，不能进行过多的干涉，保持长程作用。同时我们知道由于金属键的存在，金属本身有柔韧性，与孩子之间的关系也需要有柔韧性，不能过于专制，给孩子充分的自由和足够的耐心。
与朋友的关系（多重建）：多重建共同不止一对电子，即和朋友关系是多个方面的，同样也是稳固的关系，朋友是自己在社会之上有力的支撑，需要多多维护，没有饱和性。
与陌生人（其他人）的关系（氢键）：相较于化学键，氢键的作用能力就小一些，但是氢键往往又无处不在，同样我们生活中的其他人也无处不在，他们在很大的程度上影响了我们的生活。
七、为人的多态性：固态、液态、气态

对于同样的一种物质，往往形态不是固定的，最常见的比如是物质的三相态，固态、液态、气态。


其实为人也可以有这三种相态，我称之为为人的三相态[2]。

• 固：士不可以不弘毅，任重而道远。
  
• 液：天下莫柔弱于水，而攻坚强者，莫之能胜。
  
• 气：圣人不凝滞于物，而能与世推移。
  

当然我还有另外一种说法是。

• 固：身体要稳固，身体是革命的本钱，要强大。
  
• 液：做人要像水一样，柔毅，能像水可以流动，柔。同时高速下，水还有攻击性，能切割物体，毅。上善若水。
  
• 气：人的灵魂，人的思想要像气体一样，发散而不被拘束，气是向上走的，要不被物役，敢于天马行空。