39、化学机器人 "物理告诉 ...
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"物理告诉物质是什么，化学告诉物质怎么变。"
化学机器人散布，形态各异：
有的站在元素周期表前，手指轻点，一个个元素就从格子里跳出来，像字母一样排列组合，拼出千变万化的分子；
有的悬浮在反应釜上方，双手操控着温度和压力，反应物在釜中翻滚，颜色不断变化，从透明到深蓝，从深蓝到血红，像在调制一杯宇宙的鸡尾酒；
有的蹲在晶体生长炉前，眼睛里闪烁着晶格的光芒，看着一颗颗晶体从溶液中缓缓长出，棱角分明，晶莹剔透；
有的在拆解分子，化学键在手中断裂又重组，原子像积木一样被拆开又拼回去，拼出从未存在过的新物质。
他们的身体不是金属的，也不是塑料的，他们的身体本身就是化学反应的具象化。
一个无机化学机器人的身体由各种元素的离子构成，皮肤表面流动着氧化还原的电流，每一次呼吸都有新的化合物生成；
一个有机化学机器人的胸腔里跳动着碳链的脉搏，长长的碳链在身体里蜿蜒盘旋，像一条由碳原子织成的龙；
一个高分子化学机器人的身体是无数条聚合物长链交织而成的网络，柔软而坚韧，能拉伸能回弹，像一块有生命的橡胶。
"物理研究物质的运动规律‘怎么动’，化学研究物质的变化规律，什么和什么能反应，生成什么。一百多种元素，像一百多个字母，排列组合，能拼出无穷多的分子。每一种分子，就是一种新物质。有了化学，世界有了亿万种物质，有了色彩、味道、药物、材料、生命。"
一、化学史：从炼丹到元素
"化学不是凭空出现的，起源于人类对物质转化的好奇，金属怎么从矿石中提炼？食物怎么发酵？药材怎么炮制？这些朴素的实践，就是化学的起点。"
炼丹术展区，丹炉里火焰熊熊，丹药在炉中炼制，烟雾缭绕中带着神秘的气息。
"炼丹术是化学的前身之一。"归古说，
"中国古代的炼丹家们，为了长生不老，尝试把各种矿物放在一起烧炼，朱砂、雄黄、云母、玉石……他们虽然没找到长生不老药，却意外发现了很多化学反应，发明了很多实验技术。
火药就是炼丹家发明的，硫磺、硝石、木炭，三样东西混在一起，本来想炼长生药，结果炼出了炸药。"
"魏伯阳的《周易参同契》，是世界上最早的炼丹著作之一，里面记录了汞和硫的反应、铅的变化；
葛洪的《抱朴子内篇》，更是集炼丹术之大成，里面有大量的化学观察，丹砂烧之成水银，积变又还成丹砂，这就是汞和硫化合、分解的可逆反应。
陶弘景在炼丹的同时，也研究药物，他的《本草经集注》里有很多化学鉴别方法，用火焰颜色来鉴别硝石，这是最早的焰色反应。
宋应星的《天工开物》里，更是记录了大量的化工技术，冶金、染色、造纸、制瓷、火药……这些都是化学的应用，只是古人不知道'化学'这个名字。"
“徐寿是清末化学的先驱，翻译了大量西方化学著作。
后来的中国化学家们，在各个领域都做出了重要贡献，庄长恭的有机合成、杨石先的农药化学、黄鸣龙的还原反应、曾昭抡的有机化学、黄子卿的物理化学、戴安邦的配位化学、傅鹰的胶体化学、卢嘉锡的结构化学、唐敖庆的量子化学、徐光宪的稀土化学……每一个名字背后，都是一段奋斗的故事。"
"从炼丹到元素，从经验到理论……归古说，"每一门科学都走过这样的路，从迷信走向理性、从混沌到清晰，从零散到系统，从描述到解释，从偶然发现到主动创造。化学最了不起的地方，就是不只是'发现'，还能'创造'，创造出自然界中不存在的新物质。"
古归在《归纳书》里记下：
化学史启示：
1.化学起源于实用技术和神秘主义的混合，炼丹、炼金、工艺，都是前身。
2.从定性到定量，从经验到理论，拉瓦锡的定量实验、道尔顿的原子论、门捷列夫的周期律，是近代化学的三大里程碑。
3.化学的核心是"创造"，不只是发现自然界已有的物质，更是合成自然界没有的新物质。
对智能体设计的启发：智能体的"创造能力"也应该遵循这个规律，从模仿开始，逐步理解规律；从经验积累，上升到理论指导；最终目标是"创造"，从有限的元素中，组合出无限的可能。创造不是凭空想象，是在理解规律基础上的主动组合。
二、无机化学
1.原子与分子
"化学的基本单位是原子和分子。原子是元素的最小单位，分子是化合物的最小单位。原子由原子核和电子组成，分子由原子通过化学键连接而成。"归古调出一个氢原子模型，原子核在中心，电子在周围运动，"原子由原子核和电子组成，原子核里有质子和中子。质子数决定了元素的种类，一个质子是氢，两个是氦，三个是锂……"
"原子量是原子的质量，分子量是分子的质量。
摩尔是化学中最基本的计量单位，一摩尔任何物质，含有的粒子数都是阿伏伽德罗数。
阿伏伽德罗定律说，同温同压下，相同体积的气体含有相同数目的分子。这个定律把宏观的气体体积和微观的分子数联系了起来。"
"化学元素是具有相同质子数的一类原子的总称。
元素丰度是元素在自然界中的含量，克拉克值是地壳中元素的平均含量。有的元素很丰富，比如氧、硅、铝；有的元素很稀少，比如金、铂、镭。
同位素是质子数相同、中子数不同的原子，都是碳，但中子数不同，一个稳定，一个有放射性。
稳定同位素和放射性同位素各有用途，放射性同位素可以用来示踪、测年、治疗。
原子结构决定了元素的性质。"归古调出电子构型的示意图，"电子在原子中按能级排布，形成电子构型，最外层的电子叫价电子，决定了元素的化学性质。玻尔理论是早期的原子模型，泡利不相容原理说每个轨道最多容纳两个电子。
化学反应的基本定律，质量守恒定律、定比定律、倍比定律。
质量守恒，反应前后总质量不变。
定比定律，化合物中各元素的质量比是固定的。
倍比定律，两种元素可以形成多种化合物，质量成简单整数比。”
2.周期表
元素周期表矗立在空间中央，每一个格子里都悬浮着对应的元素，有的是闪闪发光的金属，有的是五颜六色的气体，有的是神秘的放射性元素。
“元素周期表是化学的‘地图’，是一张物质世界的"家谱"。门捷列夫在1869年发现了元素性质的周期性规律，按照原子量排列元素，预言了当时尚未发现的元素，镓、钪、锗，后来都被发现了。
周期表按原子序数排列，分为七个周期和十八个族。同一族的元素性质相似，碱金属、碱土金属、卤素、稀有气体，各有各的规律。
元素周期表有两个重要规律：
镧系收缩，镧系元素的原子半径随原子序数增加而减小；
对角线关系，周期表左上和右下的元素有相似的化学性质，比如锂和镁、硼和硅。
周期表告诉我们，宇宙中的物质不是杂乱无章的，有内在的秩序。从氢到铀，一百多种元素构成了世界上所有物质。而每种元素都有自己的‘性格’，有的活泼，有的稳定；有的导电，有的绝缘；有的坚硬，有的柔软。制造机器人用的材料，就是根据这些‘性格’来选择的。”
元素展区，从第一主族到第七主族，从过渡元素到稀土元素，从碱金属到过渡金属，从非金属到稀有气体，各种元素的单质和化合物在展示。
"第一主族是碱金属，锂、钠、钾、铷、铯、钫。"归古指着第一列，"它们最外层只有一个电子，很容易失去，所以化学性质非常活泼。最活泼的金属，和水剧烈反应。
钠是最常见的碱金属，食盐就是氯化钠，氢氧化钠是重要的化工原料，碳酸钠就是纯碱，碳酸氢钠就是小苏打。"
"第二主族是碱土金属，铍、镁、钙、锶、钡、镭。它们最外层有两个电子，比碱金属温和一些，也比较活泼。
钙是人体必需的元素，碳酸钙是石灰石的主要成分，硫酸钙是石膏。"
"第三主族，硼、铝、镓……硼是很有趣的元素，□□的结构非常独特；铝是地壳中含量最多的金属，氧化铝、三氯化铝、硫酸铝，都是重要的化合物。"
"第四主族，碳、硅、锗、锡、铅。碳是有机化学的主角；硅是无机世界的主角，二氧化硅是沙子和石英的主要成分，硅酸盐是陶瓷、水泥、玻璃的原料。硅还是半导体工业的基础，单晶硅、多晶硅，是芯片的材料。"
"第五主族，氮、磷、砷、锑、铋。氮是空气的主要成分，氨是最重要的化工产品之一，硝酸是强酸。磷有白磷和红磷两种同素异形体，磷酸是重要的酸，磷酸盐是肥料。"
"第六主族是氧族，氧、硫、硒、碲、钋。氧是生命之气，臭氧是大气层的保护伞。硫有很多种价态，硫化氢、二氧化硫、三氧化硫、硫酸，硫酸是'化学工业之母'。"
"第七主族是卤族，氟、氯、溴、碘、砹。它们最外层有七个电子，很容易得到一个电子，所以都是强氧化剂。氯是最常见的卤素，盐酸是三大强酸之一，漂白粉是次氯酸钙，□□可以消毒。"
"零族是稀有气体，氦、氖、氩、氪、氙、氡。化学性质最不活泼的元素，几乎不和其他元素反应。它们最外层电子是满的，最稳定的，所以又叫惰性气体。但后来发现，它们也能形成化合物，二氟化氙、四氟化氙、六氟化氙……惰性气体其实并不完全惰性。
非金属，氢、碳、氮、氧、氟、磷、硫、氯、硒、溴、碘，在元素周期表的右侧，大多是非导体或半导体。
非金属元素是生命的基础，碳、氢、氧、氮，构成了所有有机化合物。”
过渡元素展区，各种金属在闪耀，铁、铜、银、金、锌、汞、铬、锰……
"过渡元素是周期表中间的一大片金属，它们的d轨道电子参与成键，所以有很多独特的性质。多种氧化态、有色化合物、形成配合物、催化能力……这些都是过渡元素的特点。从钪到锌，具有多种氧化态，能形成复杂的配合物，是催化剂、合金、颜料的重要成分。铁、铜、银、金、铂，人类最早使用的金属大多是过渡金属。
铜是人类最早使用的金属之一，硫酸铜是蓝色的，碱式碳酸铜是铜绿。银和金是贵金属，氯化银、溴化银是照相底片的材料。
锌、镉、汞是第二副族，氧化锌是白色颜料，硫化锌是荧光材料，汞就是水银，常温下唯一的液态金属。
铬、钼、钨是第六副族，铬的化合物五颜六色，铬黄、铬绿、铬橙；钨是熔点最高的金属，碳化钨是硬质合金的材料。
锰是第七副族，二氧化锰是催化剂，高锰酸钾是强氧化剂，紫黑色的晶体。
第八族是铁、钴、镍、钌、铑、钯、锇、铱、铂，铁是最重要的金属，氧化铁、氯化铁、硫酸铁，都是常见的化合物；铂和钯是贵金属，也是重要的催化剂。"
稀土元素展区，镧系元素排成一行，各种稀土化合物在发光。
"稀土元素是镧系加上钪和钇，一共17种。它们的化学性质很相似，分离起来很困难，但每一种都有独特的用途，发光材料、永磁材料、催化剂、超导材料……稀土被称为'工业维生素'。
中国是稀土资源最丰富的国家，徐光宪先生的串级萃取理论，让中国的稀土分离技术走在了世界前列。"
锕系元素展区，铀、钍、镎、钚……放射性元素在闪烁着危险的光芒。
"锕系元素都是放射性的，铀是核能的原料，钚是原子弹的材料。超铀元素都是人工合成的，越来越重，也越来越不稳定。"
每一种元素都有独特的性质和应用，锂用于电池，硅用于半导体，镓用于发光二极管，铱用于火花塞，铂用于催化转化器。制造机器人需要的材料，从结构金属到半导体到催化剂，都来自元素周期表。
3.溶液与电离
溶液展区，各种溶液在烧杯中闪耀着不同的颜色，蓝色的硫酸铜、黄色的氯化铁、紫色的高锰酸钾……
"溶液是一种或几种物质分散在另一种物质中形成的均匀混合物。
被溶解的叫溶质，溶解其他物质的叫溶剂。水是最常见的溶剂。
溶解度是一定温度下，溶质在溶剂中能溶解的最大量。有的物质易溶，比如食盐；有的物质难溶，比如碳酸钙。
饱和溶液是达到溶解度极限的溶液，过饱和溶液是超过了极限的不稳定溶液。
硬水和软水的区别在于钙镁离子的含量，硬水烧开会有水垢，软水不会。
脱盐水、蒸馏水、去离子水，是不同纯度的水。"
"酸和碱是化学中最重要的一对概念。"归古调出酸碱指示剂的变色实验，"酸有酸味，能使石蕊变红；碱有涩味，能使石蕊变蓝。但这只是表面现象，更深层的定义有好几个版本。"
阿伦尼乌斯电离理论、酸碱质子理论、路易斯酸碱理论，这是酸碱性认识的逐步深化。
酸碱中和反应、水解反应、复分解反应，这些是化学中最常见的反应类型。
阿伦尼乌斯电离理论说，电解质在水溶液中会电离成离子，酸电离出氢离子，碱电离出氢氧根离子。
酸碱质子理论说，酸是质子的给予体，碱是质子的接受体，酸给出质子后变成共轭碱，碱接受质子后变成共轭酸。这个定义比阿伦尼乌斯的更广泛。
路易斯酸碱理论更抽象，酸是电子对的接受体，碱是电子对的给予体。这个定义几乎涵盖了所有化学反应。
软硬酸碱理论则把酸碱分成软和硬，硬酸硬碱结合稳定，软酸软碱结合稳定。这个理论在解释配合物稳定性方面很有用。
中和反应是酸和碱反应生成盐和水。
水解是盐和水反应生成酸和碱，中和的逆反应。
复分解反应是两种化合物交换成分生成另外两种化合物。"
4.氧化与还原
氧化还原展区，各种反应在进行，铁在生锈，铜在被置换，电池在放电。
“氧化还原反应是化学中最重要的反应之一，电子的转移。
氧化是失去电子，还原是得到电子。有氧化就有还原，电子从一个物质转移到另一个物质。电池、腐蚀、燃烧、呼吸，都是氧化还原反应。
氧化数是元素在化合物中的'形式电荷'，用来追踪电子的转移。
氧化剂是得到电子的物质，被还原；还原剂是失去电子的物质，被氧化。
歧化反应是一种特殊的氧化还原，同一个元素既被氧化又被还原，一部分升价，一部分降价。
氧化还原电势是衡量物质得失电子能力的指标。电势越高，氧化能力越强。原电池就是利用氧化还原反应来产生电流的装置。”归古说，
“电负性是原子吸引电子的能力，电负性越大的元素，越容易得电子。
氟是电负性最大的元素，所以氟是最强的氧化剂。
铯是电负性最小的元素，所以铯是最强的还原剂。
电负性差决定了化学键的类型，差大的是离子键，差小的是共价键。”
5.配位化学
配位化学展区，各种配合物在闪耀着宝石般的色彩，血红的铁□□、深蓝的硫酸铜氨、翠绿的镍配合物……
“配位化学研究金属离子和配体之间的相互作用，研究配合物，中心原子和配位体通过配位键结合形成的化合物。
配位化合物，中心金属离子周围配位着多个配体，在催化、生物化学、材料科学中都有重要应用。”归古调出一个配合物的结构，"中心原子通常是金属离子，配位体是提供电子对的分子或离子。配位数是配位体的数目。
韦尔纳学说是配位化学的基础，他提出了主价和副价的概念，解释了配合物的结构。
配位场理论是更深入的理论，用晶体场和分子轨道理论解释配位化合物的电子结构和光谱性质。
螯合物是特殊的配合物，一个配位体有多个配位原子，像螃蟹的钳子一样夹住中心原子。螯合物通常比普通配合物更稳定。"
螯合作用，多齿配体和金属离子形成环状结构，在分析化学和生物化学中有重要应用。
配合物在自然界中很常见，叶绿素是镁的配合物，血红蛋白是铁的配合物，维生素是钴的配合物。金属酶、金属蛋白，都是生物体内的配合物。
多酸和多碱是无机聚合物，多个金属离子通过氧桥连接起来，形成巨大的分子。"
他在《归纳书》里写下：
无机化学模块：
1.原子分子层：原子、分子、摩尔→化学基本单位
原子结构、电子构型、周期律
同位素、元素丰度
2.元素体系层：周期表→元素分类与性质
主族元素：碱金属、碱土、硼族、碳族、氮族、氧族、卤族、稀有气体
过渡元素：多种氧化态、配合物、催化
稀土元素、锕系元素
3.溶液电离层：溶液、酸碱、电离→反应介质
溶解度、饱和溶液
酸碱理论：阿伦尼乌斯、质子理论、路易斯理论、软硬酸碱
4.氧化还原层：电子转移→能量转换
氧化数、氧化剂、还原剂
氧化还原电势、原电池
5.配位化学层：配合物→复杂结构
配位键、配位数、配位场理论
螯合物、金属酶、生物无机化学
三、有机化学
有机化学是“碳的化学”，研究含碳化合物的结构、性质和反应。有机化合物构成了生命的基础，也是合成材料、药物、染料、塑料、橡胶，几乎所有现代材料的基础。
"碳是最神奇的元素，能和自己成键，连成链、连成环、连成网、连成三维骨架，然后在上面挂上各种官能团，变出无穷多的分子。
有人说，有机化学就是碳的化学，碳是有机世界的主角，其他元素都是配角。"
1.结构与立体
"有机化合物含有碳元素。有机化合物的结构是有机化学的核心。"归古调出一个甲烷分子，
"碳原子有四个价电子，可以形成四个共价键，单键、双键、三键都可以。这四个键在空间中呈四面体分布，所以有机分子是立体的，不是平面的。
官能团是决定有机化合物性质的原子或基团，羟基、羧基、氨基、羰基……每一种官能团都有自己的性格，就像单词里的词根一样。官能团是有机化学的‘功能单元’。
同分异构体是分子式相同但结构不同的化合物，同样的原子，不同的排列，性质完全不同。正丁烷和异丁烷，乙醇和二甲醚，分子式相同，结构不同，性质完全不同。这就是有机化学多样性的来源之一。
构造异构是原子连接顺序不同，比如正丁烷和异丁烷；
立体异构是连接顺序相同但空间排列不同，比如顺反异构、对映异构。"
立体化学展区，各种分子的三维结构在旋转，手性分子像左右手一样互为镜像。
"立体化学研究分子的空间结构。"归古调出一对对映异构体，
"手征性是立体化学中最重要的概念，手性分子是镜像对称的，像左手和右手，不能重合。它们的物理性质可能很相似，但生物活性可能完全不同。
手征性合成是有机合成的圣杯，能选择性地合成某一种对映异构体，而不是外消旋体。手性药物的不同构型可能有完全不同的药效，一种构型治病，另一种构型可能有害。
立体化学的发现，为药物设计和合成提供了重要的理论基础。
对映异构、旋光异构、外消旋体、内消旋体、非对映异构体……这些都是立体化学的基本概念。差向异构是只有一个手性中心构型不同的异构体。
构象是分子中单键旋转产生的不同空间形态，船式构象和椅式构象、直立键和平伏键……构象分析研究不同构象的稳定性。
2.反应机理
有机反应机理展区，各种反应在进行，亲电取代、亲核加成、消除、重排……电子在箭头中流动，化学键在断裂和形成。
"有机化学反应的本质，是化学键的断裂和形成。
均裂是键断裂后两个电子各分一个，产生自由基；
异裂是两个电子都归一边，产生正离子和负离子。
活性中间体是反应过程中短暂存在的物种，自由基、正碳离子、负碳离子、卡宾、苯炔……理解了中间体，就理解了反应机理。
亲核反应和亲电反应是两种基本的反应类型，亲核试剂是富电子的，进攻缺电子的位置；亲电试剂是缺电子的，进攻富电子的位置。
单分子反应和双分子反应是按动力学分类的，是亲核取代的两种机理，是消除反应的两种机理。
过渡态理论说，反应要经过一个能量最高的过渡态，活化能就是反应物到过渡态的能量差。活化能越低，反应越快。
有机化学里有很多经验规则，马尔科夫尼科夫规则说，氢加在含氢多的碳上；扎伊采夫规则说，消除反应生成取代多的烯烃；霍夫曼规则说，季铵碱消除生成取代少的烯烃。这些规则都是从大量实验中总结出来的。
伍德沃德-霍夫曼规则，也叫分子轨道对称守恒原理，是理论有机化学的重大成就，它用分子轨道的对称性来解释周环反应的选择性，把很多看似无关的反应统一了起来。"
3.有机化合物
烃类展区，各种碳氢化合物在展示，甲烷、乙烯、乙炔、苯、萘、蒽……从最简单的烷烃到复杂的芳烃。
“烃，只含碳和氢的化合物，是有机化学的基础。
烷烃是饱和烃，只有单键的烃，甲烷、乙烷、丙烷、丁烷……碳碳单键，它们是饱和的，比较稳定。辛烷值是衡量汽油抗爆性的指标。
烯烃含碳碳双键，乙烯、丙烯、丁二烯……双键让它们更活泼，能发生加成反应。乙烯是石油化工的基础产品，衡量一个国家的石油化工水平，就看乙烯产量。
炔烃含碳碳三键，乙炔是最简单的炔烃，燃烧温度很高，可以用来焊接金属。
芳烃是含有苯环的烃，苯、甲苯、二甲苯、萘、蒽……苯环有特殊的稳定性，叫芳香性。苯的六个碳原子形成一个平面，π电子在整个环上离域。
脂环烃是环状的烷烃，环丙烷、环戊烷、环己烷……环己烷的椅式构象是最稳定的。
苯的亲电取代反应是芳烃最典型的反应，硝化、磺化、卤代、傅-克反应……这些反应可以在苯环上引入各种基团。定位效应说，苯环上已有的基团会影响新基团进入的位置，邻对位定位基和间位定位基。”
4.官能团化合物
从醇到酸，从胺到酯，各种含官能团的化合物在展示。
醇、酚、醚、醛、酮、羧酸、酯、胺、酰胺，每一类官能团化合物都有自己的性质和应用。
甲醇、乙醇、甘油、苯酚、□□、甲醛、丙酮、乙酸、乙酸乙酯、苯胺、乙酰胺，这些名字听起来像化学课本里的词，但它们是制造塑料、纤维、药物、染料、香料的基础原料。
"醇是含有羟基的烃衍生物，甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇、甘油……乙醇就是酒精，是最常见的有机物。醇可以发生氧化、酯化、消除等反应。
酚是羟基直接连在苯环上的化合物，苯酚、对苯二酚、邻苯二酚……酚的酸性比醇强，因为苯环能稳定负电荷。
醚是两个烃基通过氧连接的化合物，□□、苯甲醚、二苯醚……□□曾经用作麻醉剂。冠醚是特殊的大环多醚，能选择性地络合金属离子。
卤代烃是烃分子中的氢被卤素取代的产物，氯甲烷、□□（□□）、□□、氯乙烯……卤代烃是重要的有机合成中间体，可以发生亲核取代和消除反应。
胺是含有氨基的化合物，甲胺、苯胺、乙二胺……胺有碱性，能和酸成盐。季铵盐是四级铵盐，是相转移催化剂。
硝基化合物含有硝基，硝基苯、□□……硝基是强吸电子基团，能使苯环钝化。
偶氮化合物含有偶氮基，偶氮苯……偶氮染料是最大的一类染料，颜色鲜艳。"
醛酮展区，甲醛、乙醛、丙酮、苯甲醛……羰基在闪烁。
"醛和酮都含有羰基，醛的羰基在链端，酮的羰基在中间。甲醛是最简单的醛，用来做防腐剂和合成树脂；丙酮是最简单的酮，是常用的有机溶剂。
醛酮可以发生亲核加成反应，和氢氰酸、亚硫酸氢钠、醇、胺……缩醛和缩酮是保护羰基的常用方法。
羟醛缩合是重要的碳碳键形成反应，两个醛或酮分子在碱催化下缩合，生成羟基醛酮。克莱森缩合是酯的缩合反应。"
羧酸展区，甲酸、乙酸、苯甲酸、柠檬酸……酸味扑鼻。
"羧酸含有羧基，甲酸、乙酸、丙酸、丁酸……乙酸就是醋酸，是食醋的主要成分。羧酸有酸性，能和碱成盐，能和醇成酯。
二元羧酸，草酸、丙二酸、丁二酸、己二酸……它们可以发生分子内脱水或脱羧反应。
羟基酸，乳酸、苹果酸、酒石酸、柠檬酸……它们同时有羟基和羧基，能发生分子内酯化生成内酯。
酯是羧酸和醇脱水的产物，乙酸乙酯、乙酸戊酯……酯有香味，很多水果的香味就是酯类产生的。
酰卤、酸酐、酰胺……都是羧酸衍生物，它们的活性不同，酰卤最活泼，酰胺最稳定。"
杂环化合物展区，各种含杂原子的环在展示，呋喃、噻吩、吡咯、吡啶、嘧啶、嘌呤……这些杂环结构广泛存在于天然产物和药物中。
"杂环化合物是环里含有非碳原子环状化合物，氧、硫、氮等杂原子都可以。呋喃、噻吩、吡咯是五元杂环，吡啶是六元杂环。
嘌呤和嘧啶是核酸的碱基，里的遗传密码，就是用这几种杂环碱基编写的。"
5.天然有机化合物
天然有机化合物展区，各种天然产物在展示，糖、氨基酸、蛋白质、核酸、生物碱、萜类、甾族……
"天然有机化学研究自然界中存在的有机物。
碳水化合物是糖类，单糖、双糖、多糖。葡萄糖、果糖、半乳糖是常见的单糖；蔗糖、麦芽糖、乳糖是双糖；淀粉、纤维素、糖原是多糖。是生命活动的主要能量来源，也是重要的工业原料。
纤维素是植物细胞壁的主要成分，是自然界中最丰富的有机物。淀粉是植物储存能量的方式。糖磷酸酯是糖代谢的中间产物。
氨基酸和蛋白质，生命的功能分子。氨基酸是蛋白质的基本单位，20种氨基酸按不同顺序连接，排列组合形成数以万计的无穷多种蛋白质。肽是氨基酸短链，蛋白质是长链。酶是催化化学反应的蛋白质，它的催化效率远超任何人工催化剂。
核酸是遗传物质，由核苷酸组成。核苷酸由碱基、核糖、磷酸组成。核苷酸序列编码了生命的信息。
生物碱是一类含氮的天然有机化合物，植物产生的含氮碱性化合物，大多有生物活性，吗啡、□□、咖啡因、尼古丁、奎宁、利血平、长春碱、喜树碱、青蒿素……很多药物都是生物碱或其衍生物。青蒿素，中国科学家发现的抗疟药物，挽救了数百万人的生命，是从植物中提取的天然有机化合物，屠呦呦因此获得诺贝尔奖。
萜类是由异戊二烯单元组成的化合物，单萜、倍半萜、二萜、三萜、四萜……柠檬烯、薄荷醇、樟脑、胡萝卜素、人参三醇、甘草酸……很多天然香料和药物都是萜类。
甾族化合物有四个环的骨架，胆固醇、胆酸、性激素、肾上腺皮质激素……它们在生物体内有重要的生理功能。
维生素是人体必需的微量有机物，维生素……它们各有各的功能，缺乏会导致各种疾病。
抗生素是微生物产生的能抑制其他微生物生长的物质，青霉素、头孢素、链霉素、四环素、氯霉素……抗生素的发现，是医学史上的里程碑。
类胡萝卜素、黄酮类、香豆素类、蒽醌类……都是天然产物的重要类别，很多有药用价值。"
"一个元素，一个世界。有限的元素，无限的组合。碳是最擅长'交朋友'的元素，能和自己交朋友，也能和其他元素交朋友，变出无穷多的分子。这就是为什么生命选择了碳，只有碳，才能支撑起生命这样复杂的化学系统。"
有机化学模块：碳
1.结构基础层：碳骨架、官能团、同分异构→有机分子结构
碳的四价、四面体构型
官能团：羟基、羧基、氨基、羰基……
构造异构、立体异构
2.立体化学层：手性、构象→空间结构
手征性、对映异构、旋光
构象分析、直立键和平伏键
手征性合成
3.反应机理层：键断裂与形成→反应规律
亲核反应、亲电反应、自由基反应
过渡态理论、活化能
分子轨道对称守恒原理
4.化合物体系层：烃、醇、醛、酸、酯……→化合物分类
烃类：烷、烯、炔、芳烃
含氧：醇、酚、醚、醛、酮、羧酸、酯
含氮：胺、硝基、偶氮、酰胺
杂环、元素有机
5.天然产物层：糖、蛋白、核酸、生物碱→生物分子
碳水化合物、氨基酸、蛋白质、核酸
生物碱、萜类、甾族、维生素、抗生素
四、物理化学
"物理化学是化学和物理的交叉，研究化学变化中的物理规律，热量、能量、平衡、速率。
物理化学用物理学的原理和方法来研究化学问题。用量子力学、热力学、统计力学的方法来研究化学问题，化学反应为什么发生？反应速度有多快？分子是怎么相互作用的？”
热力学告诉我们反应能不能发生、能进行到什么程度；
动力学告诉我们反应有多快、经过什么路径；
量子化学告诉我们化学键的本质是什么；
结构化学告诉我们分子长什么样。
如果说无机化学和有机化学是化学的'内容'，那物理化学就是化学的'法则'，所有化学反应，都遵循这些法则。"
1.化学热力学
内能、焓、熵、自由能……各种热力学函数在空间中形成曲面。
"化学热力学研究化学反应中的能量变化和方向问题。
热力学第一定律就是能量守恒，能量不能创造也不能消灭，只能从一种形式变成另一种形式。在化学反应中，就是内能的变化等于吸收的热减去对外做的功。
焓是另一个热力学函数，等压过程的热量变化等于焓变。一个反应能否自发进行，取决于焓变和熵变的综合效应。
热力学第二定律说，孤立系统的熵只会增加不会减少，熵是混乱度的量度。这决定了化学反应的方向。
吉布斯函数，也叫自由能，是判断化学反应方向最常用的函数，等温等压下，自由能减少的方向就是自发方向。
化学平衡是热力学的重要应用，当正反应速率等于逆反应速率时，系统达到平衡，各物质的浓度不再变化。平衡常数是衡量反应进行程度的物理量。平衡常数反映了反应进行的程度。勒夏特列原理说，当系统受到外界扰动时，平衡会向减小扰动的方向移动。这是化学工程师设计反应器时最重要的指导原则。
相平衡研究物质在不同相之间的平衡，气液平衡、固液平衡、液液平衡……相图是描述相平衡的图形，从相图上可以读出不同温度压力下系统的状态。水的三相点是固液气三相共存，温度0.01摄氏度，压力611帕斯卡。
热力学第三定律说，绝对零度时完美晶体的熵为零，这给了熵一个绝对的零点。"
2.溶液
"溶液的物理化学性质，和纯物质不同。稀溶液有几个依数性，蒸气压下降、沸点升高、凝固点降低、渗透压，这些性质只和溶质的粒子数有关，和溶质的种类无关。
拉乌尔定律说，溶液中溶剂的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以溶剂的摩尔分数。亨利定律说，气体在液体中的溶解度和气体的分压成正比。
电解质溶液和非电解质溶液不同，电解质在溶液中电离成离子，所以依数性更大。离子之间有相互作用，所以溶液的行为更复杂。
活度是修正后的浓度，因为离子之间有相互作用，实际有效浓度和名义浓度不同。活度系数就是这个修正因子。
电导是电解质溶液的重要性质，电导率、摩尔电导率、离子淌度、离子迁移数……这些量反映了离子在溶液中的运动能力。"
3.结构化学与量子化学
"结构化学研究分子和晶体的结构，原子在空间中怎么排列，化学键是怎么形成的。"归古调出一个水分子的结构，
"量子化学用量子力学的方法来研究化学问题，告诉我们化学键的本质是什么，分子为什么有这样的结构和性质。
分子轨道理论是量子化学的核心方法之一，把分子看成一个整体，电子在整个分子的势场中运动，形成分子轨道。成键轨道能量低，反键轨道能量高。
价键理论是另一种方法，认为化学键是两个原子的原子轨道重叠形成的。
杂化轨道理论解释了分子的空间构型，杂化是直线型，?是平面三角形，?是正四面体。
前线轨道理论说，化学反应主要由最高占据轨道（HOMO）和最低空轨道决定，这两个轨道是'前线'，反应就在这里发生。
分子轨道对称守恒原理，是量子化学和有机化学的完美结合。
化学键有很多种，共价键、离子键、金属键、配位键、氢键、范德瓦耳斯力……键能不同，性质也不同。
分子光谱是研究分子结构的重要手段，转动光谱、振动光谱、电子光谱……不同的光谱反映了分子不同层次的结构信息。红外光谱、拉曼光谱、紫外可见光谱、核磁共振谱、质谱……这些都是有机化学家的'眼睛'。"
晶体化学展区，各种晶体结构在展示，金属晶体、离子晶体、共价晶体、分子晶体……
"晶体化学研究晶体的结构，原子在晶体中怎么排列，有什么对称性。"归古调出一个氯化钠的晶体结构，
"点阵、晶胞、晶系、空间群……这些是描述晶体结构的基本概念。
金属晶体是金属原子密堆积形成的，面心立方、体心立方、六方最密堆积。
离子晶体是正负离子交替排列的，氯化钠型、氯化铯型、闪锌矿型。
鲍林规则是离子晶体结构的基本规则，总结了离子晶体结构的一些经验规律。
晶体缺陷是实际晶体中不完美的地方，点缺陷、位错、晶界……缺陷对晶体的性质有很大影响。"
4.化学动力学
各种反应的浓度-时间曲线在屏幕上跳动，反应机理在动画中演示。
"化学动力学研究化学反应的速率和机理，是理解一切‘变化’的核心，从燃烧到发酵，从腐蚀到老化，从催化到生命，都是化学反应在时间中的展开。
热力学告诉你反应能不能发生，动力学告诉你反应有多快。
一个反应在热力学上很有利，但可能因为速率太慢，实际上几乎不发生，比如氢气和氧气混合，热力学上应该生成水，但常温下可以放很久都不反应。
反应速率、速率常数、活化能，这些是化学动力学的基本概念。
反应速率是单位时间内浓度的变化。反应速率常数是速率方程中的比例常数。
活化能是反应需要克服的能垒，活化能越高，反应越慢。
质量作用定律说，基元反应的速率和反应物浓度的幂乘积成正比。反应分子数是基元反应中参与反应的分子数，单分子、双分子、三分子。
复杂反应有很多类型，对峙反应、连续反应、平行反应、链反应……每一种都有自己的动力学规律。
反应机理是反应经历的具体步骤，从反应物到产物，经过哪些基元步骤，生成了哪些中间体。研究反应机理，是化学动力学的核心任务。
分子反应动力学是更微观的研究，从分子层面来研究反应是怎么发生的，分子怎么碰撞，能量怎么传递，化学键怎么断裂和形成。"
5.催化
各种催化剂在加速反应，金属催化剂、酶催化剂、分子筛催化剂……
"催化是化学中最重要的概念之一。
催化剂能改变反应速率，而本身在反应前后不发生变化。催化剂不改变平衡，只改变达到平衡的速率，通过降低活化能来加速反应。工业化学中百分之九十以上的反应都使用催化剂。
催化有很多种，酸碱催化、金属催化、金属氧化物催化、配位催化、酶催化……每一种都有自己的特点和应用。
多相催化是催化剂和反应物不在同一相，比如固体催化剂催化气体反应。多相催化的机理比较复杂，涉及吸附、表面反应、脱附等步骤。
酶催化是生物体内的催化，酶是蛋白质，催化效率极高，选择性极好。酶催化的机制是锁钥模型或诱导契合模型。
齐格勒-纳塔催化剂是配位聚合的催化剂，它的发明让聚丙烯的工业化成为可能。威尔金森催化剂是均相催化的经典例子。"
6.电化学
电池在放电，电解槽在工作，腐蚀在缓慢进行。
"电化学研究电能和化学能的相互转换。"归古调出一个原电池，
"原电池是把化学能变成电能，氧化反应在负极发生，还原反应在正极发生，电子通过外电路从负极流向正极，形成电流。
能斯特公式描述了电极电势和浓度的关系，浓度变化，电极电势也会变。标准电池是用来校准电势的标准。
电解是反过来，把电能变成化学能，用电来驱动非自发的化学反应。电解水制氢、电解炼铝、电镀……都是电解的应用。
法拉第电解定律说，电解时析出的物质量和通过的电量成正比。
极化是电极电势偏离平衡值的现象，超电势是实际电势和平衡电势的差。极化有很多种，迁越超电势、扩散超电势……
金属腐蚀是电化学的重要课题，金属在环境中发生电化学腐蚀，从单质变成化合物。缓蚀剂、钝化、阴极保护……都是防腐蚀的方法。
化学电源是把化学能变成电能的装置，原电池、蓄电池、燃料电池。燃料电池是很有前途的清洁能源技术，氢和氧反应生成水，同时发电。"
7.胶体与表面化学
胶粒在布朗运动，表面活性剂在界面上排列，乳液在稳定和破乳之间转换。
"胶体和表面化学研究界面现象和分散系统。
表面张力是液体表面收缩的力，让水滴成球形，让昆虫能站在水面上。
表面活性剂是能降低表面张力的物质，有一个亲水的头和一个疏水的尾，能在界面上排列。洗涤剂、乳化剂、起泡剂……都是表面活性剂。
吸附是物质在界面上富集的现象，物理吸附是范德瓦耳斯力，化学吸附是化学键。
吸附剂比如活性炭、分子筛，能吸附气体或溶液中的物质。
胶体是分散相粒子大小在1到1000纳米之间的分散系统，胶粒很小，但比分子大。布朗运动、扩散、沉降、光散射……都是胶体的性质。
胶体的稳定性是个重要问题，胶体是热力学不稳定的，但因为有双电层或溶剂化层，能暂时稳定。
电解质能使胶体聚沉，因为它压缩了双电层。
乳状液、泡沫、凝胶、气溶胶……都是胶体的不同形式。
物理化学就像是化学的‘宪法’，所有化学反应都要遵守它的法则。有了这些法则，化学就不再是碰运气的学问了。"
物理化学模块：变化的法则
1.化学热力学层：能量与方向→反应能不能发生
热力学三定律、内能、焓、熵、自由能
化学平衡、平衡常数
相平衡、相图
2.溶液理论层：溶液的性质→反应介质
稀溶液依数性、拉乌尔定律、亨利定律
电解质溶液、活度、电导
3.结构与量子层：分子结构与键→微观本质
分子轨道理论、价键理论、杂化轨道
化学键类型、键能
分子光谱、晶体化学
4.化学动力学层：速率与机理→反应有多快
1.反应速率、速率常数、活化能
复杂反应、反应机理
分子反应动力学
5.催化层：加速反应→反应调控
催化原理、催化剂
多相催化、均相催化、酶催化
6.电化学层：电与化学→能量转换
原电池、电解、法拉第定律
极化、超电势、腐蚀
化学电源、燃料电池
7.胶体与表面层：界面与分散→界面现象
表面张力、表面活性剂、吸附
胶体性质、胶体稳定性
物理化学是化学的法则。热力学决定方向，动力学决定速率，量子化学决定本质，结构化学决定形态。有了这些法则，化学就从经验变成了科学，可以预测反应能不能发生、有多快、生成什么，可以设计反应、优化条件、提高效率。
对智能体来说，物理化学是"决策能力"的基础，理解了变化的法则，就能预测变化、控制变化、利用变化。
五、分析化学
各种仪器在运转，色谱柱在分离，光谱仪在扫描，天平在称量，滴定管在滴液，每一个数据都在揭示物质的秘密。
"分析化学是化学的眼睛和耳朵，回答两个问题：物质是什么，有多少。物质由什么组成、含量多少、纯度如何。从食品安全到环境监测，从药物质量控制到刑侦鉴定，分析化学无处不在。
定性分析回答'是什么'，定量分析回答'有多少'。
从古代的试金石到现代的质谱仪，分析化学的手段越来越先进，灵敏度越来越高，选择性越来越好。"
1.分析方法
天平和滴定管在工作，沉淀在过滤和灼烧。
“分析方法分两大类，化学分析法和仪器分析法。
经典化学分析方法包括重量分析和容量分析，用化学反应来测定物质的含量。仪器分析法是现代的，光谱法、色谱法、质谱法，用物理信号来测定物质的含量和结构。"归古指着一台精密天平，
"重量分析是通过称量来测定物质含量，把待测成分变成沉淀，过滤、洗涤、灼烧、称重，然后换算。重量法准确度高，但操作繁琐。
容量分析也叫滴定分析，用已知浓度的标准溶液滴定待测溶液，根据终点时消耗的体积来计算含量。滴定有很多种，酸碱滴定、沉淀滴定、氧化还原滴定、络合滴定。
酸碱滴定、氧化还原滴定、沉淀滴定、络合滴定，不同的滴定方法适用于不同的分析对象。这是分析化学中最基础的工具，也是每一个化学从业者的基本功。
酸碱滴定是最常见的，用酸滴定碱，或者反过来。滴定曲线描述了滴定过程中pH的变化，指示剂在终点时变色。
氧化还原滴定，碘量法、高锰酸钾法、重铬酸钾法、铈量法……每一种都有自己的特点和适用范围。
络合滴定用等络合剂来滴定金属离子，能和大多数金属离子形成稳定的1:1配合物，所以应用很广。
金属指示剂用来指示终点。
沉淀滴定，银量法是最常见的，用硝酸银滴定卤素离子。"
2.分离方法
各种分离技术在展示，蒸馏、萃取、结晶、色谱……
“分离是分析的第一步。把复杂混合物中的各个组分分开，才能逐一分析。
蒸馏是利用沸点不同来分离液体混合物，简单蒸馏、精馏、减压蒸馏、水蒸气蒸馏。
结晶，利用溶解度差异分离固体。
溶剂萃取是利用物质在两种不互溶溶剂中溶解度不同来分离，溶质从水相转移到有机相。萃取在分析化学中用来富集和分离。
离子交换是利用离子交换树脂来分离离子，阳离子交换树脂交换阳离子，阴离子交换树脂交换阴离子。
色谱法是最重要的分离技术之一，利用不同物质在固定相和流动相之间分配不同来分离。气相色谱用气体做流动相，液相色谱用液体做流动相。
气相色谱适合分离挥发性物质，灵敏度高，分离效率好。
液相色谱适合分离难挥发、热不稳定的物质。
凝胶色谱按分子大小分离，离子色谱分离离子。
薄层层析是在薄层板上进行的色谱，简单、快速、直观，常用于定性分析和反应监测。
电泳是利用带电粒子在电场中迁移速度不同来分离，在生物化学中用得很多，比如蛋白质和核酸的分离。"
3.仪器分析
各种大型仪器在运转，光谱仪、质谱仪、电化学分析仪、核磁共振仪……
"仪器分析是现代分析化学的主力，用精密仪器来测定物质的性质和含量。"归古走到一台光谱仪前，
"光化学分析法是利用物质和光的相互作用来分析。
光谱分析，利用物质对光的吸收或发射来测定含量和结构。紫外可见分光光度法、红外光谱法、原子吸收光谱法、原子发射光谱法，每一种光谱方法都有其适用范围。
原子发射光谱法，物质在高温下激发，发射特征光谱，根据光谱来定性和定量。火焰分光光度法是其中一种，用来测碱金属。
原子吸收光谱法，基态原子吸收特征波长的光，根据吸收程度来定量。原子吸收法灵敏度高，选择性好，是金属元素分析的常用方法。
紫外-可见分光光度法，物质吸收紫外或可见光，根据吸收程度来定量。比色法是其中最简单的一种。
荧光分析和磷光分析，物质吸收光后发射荧光或磷光，根据发光强度来定量。荧光法灵敏度很高。
化学发光分析，化学反应产生的光，不需要外部光源。
X射线荧光光谱，用X射线激发，产生特征X射线荧光，用来做元素分析。
电子探针和离子探针，用电子束或离子束轰击样品，产生特征信号，做微区分析。"
电化学分析展区，各种电化学仪器在工作。
"电化学分析利用物质的电化学性质来分析。
电位分析法是测量电极电势来确定浓度，pH计就是最常见的电位分析仪器。离子选择性电极能选择性地测某一种离子，氟离子电极、钙离子电极……
极谱法和伏安法是测量电流-电压曲线来分析，直流极谱、交流极谱、方波极谱、脉冲极谱……阳极溶出伏安法先把金属离子富集在电极上，再溶出测定，灵敏度很高。
库仑分析法是测量电解消耗的电量来计算，法拉第定律是基础。库仑滴定是用电生滴定剂来滴定。
电导分析法是测量溶液的电导来确定浓度，简单快速，但选择性差。"
质谱和核磁共振展区，更大型的仪器在运行。
"质谱法是把分子变成离子，然后按质荷比来分离和检测。质谱能给出分子量和结构信息，是有机分析的利器。
核磁共振谱是利用原子核在磁场中的共振现象来分析，氢谱和碳谱是最常用的，能给出分子中氢和碳的环境信息，是确定有机分子结构最重要的手段之一。"
分析化学的精度，检测限可达万亿分之一，选择性可分辨结构相似的化合物。能告诉我们物质中有什么、有多少，甚至能告诉我们这些原子是怎样连接在一起的。”
从简单的滴定管到复杂的质谱仪，从肉眼观察到计算机处理，分析化学的进步真是日新月异。
分析化学模块：
1.经典分析层：重量法、容量法→基础定量
重量分析：沉淀、过滤、灼烧、称重
容量分析：酸碱滴定、氧化还原滴定、络合滴定、沉淀滴定
2.分离方法层：蒸馏、萃取、色谱→分离富集
蒸馏、溶剂萃取、离子交换
色谱法：气相、液相、凝胶、离子、薄层层析
电泳
3.仪器分析层：光谱、电化学、质谱→现代分析
光化学分析：原子发射、原子吸收、紫外可见、荧光、X射线荧光
电化学分析：电位、极谱、库仑、电导
质谱、核磁共振
一个智能体的感知系统，本质上也包含同样的问题，要知道世界是什么样的，就得有办法去"看"、去"测"、去"分析"，知道环境中有什么物质，浓度多少，结构如何。定性，是什么，定量，有多少。分析能力越强，对世界的理解就越精确。
六、高分子化学
高分子是“大分子”，由成千上万个原子组成的长链分子，是由很多重复单元通过共价键连接起来的大分子，分子量可以从几万到几百万，甚至更高。
小分子是一个点，高分子是一条线，这条线可以很长，可以有支链，可以交联，可以盘绕，可以结晶。有的链笔直，有的链卷曲，有的链交联成网，正是因为长链的结构，高分子才有了独特的性质，塑料的可塑性、橡胶的弹性、纤维的强度、胶粘剂、涂料……现代材料工业的基础。
“高分子化学是材料科学的化学基础，研究高分子化合物，也叫聚合物。机器人由塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料组成，这些材料大多来自高分子化学。
1.高分子合成
各种聚合反应在进行，单体在引发剂的作用下，一个个连接起来，形成长长的链。
"高分子是由单体通过聚合反应连接而成的长链分子。"归古调出一个聚合反应的动画，
"聚合反应有很多种，按机理分，有链式聚合和逐步聚合；按单体种类分，有均聚和共聚。
链式聚合，也叫加成聚合，单体一个个加到链上，链快速增长。
自由基聚合是最常见的链式聚合，由自由基引发，单体一个接一个地加上去。引发剂产生自由基，然后链增长，最后链终止。
离子型聚合是由离子引发的，正离子聚合和负离子聚合。
负离子聚合可以做到'活性聚合'，没有终止，分子量可以精确控制。
配位聚合，也叫齐格勒-纳塔聚合，用特殊的催化剂，可以得到立构规整的聚合物。聚丙烯就是用这种方法生产的。
逐步聚合，也叫缩合聚合，单体之间两两反应，先反应成二聚体、三聚体，再逐步长成大分子，像搭积木。反应过程中会脱去小分子，比如水。聚酰胺、聚酯、酚醛树脂，都是缩聚的产物。
共聚合是两种或多种单体一起聚合，得到的共聚物兼有两种均聚物的性质。竞聚率决定了两种单体进入链的倾向。交替共聚、接枝共聚、嵌段共聚……是不同的共聚方式。
聚合方法有很多种，本体聚合、溶液聚合、乳液聚合、悬浮聚合……各有各的特点和适用范围。"
2.高分子结构
各种高分子链的结构在展示，线型、支化、交联、立构规整……
"高分子的结构比小分子复杂得多。首先是链结构，一条链是什么样的。
线型高分子是一条直链，支化高分子有侧枝，体型高分子是交联的三维网络。
高分子链的化学组成和序列结构，均聚物只有一种重复单元，共聚物有多种，序列分布可以是交替、无规、嵌段、接枝。
高分子链的立体化学结构，如果重复单元有手性中心，就有不同的立构，全同、间同、无规。立构规整的聚合物更容易结晶，熔点更高，强度更好。
高分子链有柔性，单键可以旋转，所以链可以卷曲。
柔性链高分子容易蜷曲，有弹性；刚性链高分子比较伸直，强度高。
高分子的聚集态结构，很多链在一起是什么样的。
晶态高分子有结晶区和非晶区，结晶度影响性能。
非晶态高分子是完全无序的。
液晶态高分子介于晶态和非晶态之间，有流动性，但也有一定的有序性。
取向是高分子链沿某个方向排列，拉伸可以使高分子取向，取向的材料在取向方向上强度更高。纤维就是利用了取向。"
3.高分子性能
各种性能测试在进行，拉伸、冲击、热分析、流变……
"高分子的性能和结构密切相关。力学性能，强度、模量、韧性、疲劳、磨损……这些决定了材料能不能用、耐不耐用。
粘弹性是高分子独特的力学性质，既有弹性又有粘性。外力作用下，高分子链会慢慢调整构象，所以形变和时间有关。
高弹性是橡胶的特性，很小的力就能产生很大的形变，去掉力又能恢复。这是因为卷曲的链被拉直，熵减少，去掉力后熵又把链拉回去。
热性能，玻璃化转变温度、熔点、热稳定性……玻璃化转变是非晶态高分子从玻璃态到高弹态的转变，是高分子最重要的转变之一。
电学性能，介电性能、导电、压电、热电……大多数高分子是绝缘体，但也有导电高分子、半导体高分子。
光学性能，透明、折射、双折射……很多高分子是透明的，用来做光学材料。
"
4.高分子材料
"高分子材料是现代生活中不可缺少的。塑料是最常见的高分子材料，聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、ABS……每一种都有自己的特点和用途。
聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯，四大通用塑料，产量最大、用途最广。
聚乙烯是产量最大的塑料，低密度聚乙烯软，做薄膜；高密度聚乙烯硬，做管材、容器。聚丙烯更硬更耐热，做各种制品。
聚氯乙烯，可以做硬的也可以做软的，硬的做管材、门窗，软的做薄膜、电线绝缘层。
聚苯乙烯，透明、脆，做包装、一次性餐具。ABS是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯的共聚物，强度高韧性好，做工程塑料。
尼龙、涤纶、腈纶、氨纶，四大合成纤维，柔软、耐磨、弹性好。
聚酰胺，就是尼龙，耐磨、强度高，做纤维和工程塑料。
聚酯，涤纶，做纤维和瓶子。
聚碳酸酯，透明、抗冲击，做眼镜片、光盘。
合成橡胶，丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、□□橡胶……用于轮胎、密封件、减震器。天然橡胶是聚异戊二烯，合成橡胶可以有各种性能。
合成纤维，涤纶、锦纶、腈纶、维纶……每一种都有自己的特点，涤纶挺括，锦纶耐磨，腈纶像羊毛。
功能高分子，有特殊功能的高分子。离子交换树脂可以交换离子，用来做水处理；高分子催化剂可以催化反应；医用高分子用来做人工器官、药物载体；光敏高分子在光照下发生变化，用来做光刻胶。
天然高分子，淀粉、纤维素、蛋白质、天然橡胶……这些是自然界产生的高分子。纤维素是最丰富的天然高分子，可以改性成各种衍生物，硝酸纤维素、醋酸纤维素、羧甲基纤维素……
高分子材料的性能可以通过分子设计来调控，改变单体的种类、链的长度、支化程度、交联密度，就能得到不同性能的材料。
高分子的分子量，几万到几百万，决定了它的机械性能。分子量越大，强度越高，但加工也越困难。
高分子化学让人类摆脱了对天然材料的依赖。从塑料瓶到轮胎，从衣服到手机壳，从水管到飞机零件……不再是木材、棉麻、皮革、橡胶，而是可以按照需要设计性能的材料，高分子的种类几乎是无限的，可以设计单体、设计聚合方法、设计结构，得到想要的性能，坚硬的工程塑料、柔韧的弹性体、透明的光学材料、导电的高分子，高分子材料已经渗透到了生活的每一个角落，从分子设计到材料制备，全链条的创造，为机器人提供了比传统材料更轻、更强、更耐用的选择。”
高分子化学模块：
1.高分子合成层：聚合反应→从单体到高分子
链式聚合：自由基、离子型、配位
逐步聚合：缩聚、逐步加成
共聚合、聚合方法
2.高分子结构层：链结构与聚集态→结构决定性能
链结构：线型、支化、交联、立构、序列
链柔性、构象统计
聚集态：晶态、非晶态、液晶态、取向
3.高分子性能层：力学、热学、电学→材料性能
力学性能：强度、粘弹性、高弹性
热性能：玻璃化转变、熔点、热稳定性
电学、光学性能
4.高分子材料层：塑料、橡胶、纤维→应用
塑料：聚乙烯、聚丙烯、PVC、PS、PC、尼龙
橡胶：天然橡胶、合成橡胶
纤维：涤纶、锦纶、腈纶
功能高分子、天然高分子
高分子化学是长链的奇迹。小分子连成了长链，就有了全新的性质，弹性、韧性、可塑性、成纤性。量变引起质变，长度带来了新维度的可能性。对智能体来说，高分子化学是"材料设计"的基础，理解了结构和性能的关系，就能从分子层面设计材料，造出满足各种需求的物质。
“最早的化学是'发现'，发现自然界中已有的物质；后来是'合成'，合成自然界中没有的新物质；现在是'设计'，从分子层面设计，想要什么性能就设计什么结构。
这才是化学最了不起的地方，从有限的元素中，创造无限的物质，从简单的原料出发，合成复杂的产物，不只是认识世界，还能创造世界。"
作者有话说
第39章 化学机器人
