化學分子世界導覽 by yatingchen chen

化學分子世界導覽序

帶你看見分子世界

在導覽之前 ●

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元素和原子 12 化合物 14 原子間的鍵結 16 有機化合物 18 分子間的力 21 混合物 24

簡單物質 ●

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空氣 30 水和氨 41 煙霧、汙染與酸雨 46

燃料、脂肪和肥皂 ●

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碳氫燃料 59 醇及酸 70 脂肪和油 84 奶油和人造奶油 93 肥皂和清潔劑 99

人工合成的跟自然生成的聚合物 ●

聚合物跟塑膠 107 橡膠 124 聚脂及丙烯酸聚合物 129 耐綸 136 蛋白質 141 糖、澱粉及纖維素 153 ●

●

105

味覺、嗅覺和痛覺 ●

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甜味 172 辛辣與清涼肉香跟燒烤水果跟食物花朵和精油

酸跟苦 177 183 189 196 206 動物體臭 218

●

景觀和色彩 ●

●

257

止痛劑和治病靈丹 259 興奮劑 269 討人厭的化合物 282

生命 ●

229

視覺 232 葉子、胡蘿蔔和紅鶴 237 花朵、水果和葡萄酒 245 褐色、碰傷和曬黑 250

光明與黑暗 ●

169

289

性 291 生殖 294

名詞注釋分子索引圖片來源

303 307 310

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序

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第一版序言常有人說喜悅是難以言喻的，這也許是真的，但想到不了解的事物時，心中也必然會有種悵然若失的遺憾。不錯，雖然僅僅看到世界種種表象，就足以讓你目不暇接私心竊喜，不過如果你的「心眼」能夠穿透事物表層，進一步看到其中因果關聯，你的欣喜必然會大幅躍進為心花怒放。我寫本書的初衷就是試圖增加讀者觀察世界的樂趣，書中介紹化學這門學問的一個重要層面：物質的結構。希望能說明日常生活中，一些事物的組成成分及結構。換言之，這本書是在分門別類，逐一介紹各種分子，重點在於：指出每種分子的獨特外形及各種分子相互間的關聯、說明某些分子為何具有獨特的性格與行為、披露分子在自然界的供需狀況。簡單的說，本書要幫助讀者認識分子。書中對分子的遴選（共介紹兩百多個分子）是以我的主觀興趣為主，不過我所熟識且可以談論的分子，少說也超過一千個。然而篇幅有

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限，不得不有所取捨，並且在敘述上也僅能點到為止。為此我必須鄭重聲明，如果你發現你認為極重要的分子，竟然在本書榜上無名而感到不解時，務必多多包涵。要知道，目前已知的化合物，總數已經高達數百萬種，而坊間的藥片、藥水、清潔劑的製造廠商，還有大自然本身，似乎都擁有超大的化學物管風琴，可以隨意演奏出各式各樣的混合物交響樂章。因此這本書絕對不可能達到讓每位讀者滿意的完美境界。這麼說吧：它只是要為讀者打開通向世界的窗，而不是一下子要讀者看到整個世界。這本書的內容並無特定次序，所以你愛怎麼讀都無妨，時不時拿來消遣一下最好。話雖然這麼說，但我撰寫時，心中的確還是有特定的構思流程，因此它也並非完全沒有脈絡可尋。你如果按照書裡的次序從頭讀到尾的話，是有利無弊的。在寫作過程裡，我試著盡量避開專有名詞，但有一些還是無可避免地（至少不是蓄意地）鑽進了字裡行間。為此我在書末列出「名詞注釋」，把這些不速之客列入，並逐一加上解釋。雖然我盡可能地解釋，但讀者不必期望太多，原因之一是有些解釋至今尚無定論，另一些則是需要具有一定程度的專業背景，才能搞得明白。此外還有一個重點是：我不想因為加入過多解釋，減損內容的一貫性和趣味性：這本書只希望帶領讀者達到初步入門的了解而已。我特別想要證明自己的一個想法，那就是讀者無須是化學系畢業（甚至無需修過大一普化），就可以透過本書對分子的各種性質，達到相當程度的認識。此書記載的大部分素材跟資訊都是從我素來推崇的相關書籍（大約十來本）中精挑出來的。我希望那些書籍的作者，若是發現本書引用他們的一些想法，能把這些引述當作推崇與讚譽。我提出的許多論點，在這些書籍中都有較為詳盡的探討，讀者在引用本書提供的資訊前，不妨先查閱一下這些書籍，因為我為了讓問題簡化，讓知識菜餚更容易下嚥，下筆有時總不免走些捷徑。

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再版新序天哪！自從 1987 年前第一版發行以來，出版技術的變化也太大了點！最明顯的是分子圖的呈現。記得當年在準備第一版分子圖時，我必須親手製作分子模型、替它們拍照、沖洗底片，然後在相片上用筆仔細勾勒出線條並塗上色彩。現在上述步驟都可以交給電腦軟體代勞，跟往日相比，製圖過程更快速，成品更具真實感。我使用的軟體叫做 WebLab Pro，本書中的所有分子圖都是藉由它建構的。這本書在網際網路上設有一個專用的網站（http://www.cambridge.org/uk/chemistry/atkins/ default. htm），上面也可以看到這些圖片，而且網站上的分子還會聽從你的使喚，做些旋轉之類的動作。我把舊版中一些比較無趣的分子剔除，並增加了一些新的分子：這一版囊括了大約 50 種新的分子。甚至絕大部分有關分子的描述，都整個翻修過。原因不一而足：有的是因為出現了新知，有的是我這回想說些別的，或是過去這十多年裡出現了新的枝節。我希望維持不變的是：看到各種關聯與解釋的喜悅、看到自然謎底後的歡欣、了解為何微小的變化會造成嚴重的後果。其實這就是化學這門科學骨子裡的樂趣所在：為我們開啟觀察事物內在性質的第三隻眼！

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當你閱讀本書時，你手裡捧著的是分子；端起杯子喝咖啡時，你可是把分子吞下肚；你自以為悠閒「靜」坐屋裡，其實你全身上下，不時遭到在四處快速流竄的分子所轟擊；當你欣賞蘭花的炫麗色彩、山川景致的如詩如畫時，使你心曠神怡的也是分子；在你吃香喝辣、滿足口腹之慾的當兒，你享用的是分子；當你聞到腐敗的氣味，觸動嗅覺的也還是分子。你以分子為衣、以分子為食，甚至排泄物也是分子。事實上，你本身就是由分子組合而成的個體。什麼是分子？分子就像是貫穿本書的許多圖片顯示的那樣，是由一群具有獨特性質的原子所構成的。在進入二十世紀之前，大家認為分子僅是化學家用來描述化學反應的抽象符號而已。不過，經過物理學家和化學家之間一段極不尋常的合作，證明了分子的真實面目。首先，他們採用一些間接的方法，推估出這些微小的物質粒子的確存在。後來他們使用更靈巧且更複雜的技術，獲得了長久來夢寐以求，並讓人嘆為觀止的個別分子和原子的影像。在以下篇幅中，我想簡略談談科學家究竟發現了些什麼。內容包括一些存在於我們周遭，跟我們的呼吸、穿著、燃燒、觀察等種種生活細節有關的分子。書中畫出分子圖的主要目的，是要讓你在最低的專業背景下，認識這些分子的多樣性質。其中蒐羅、描述的分子，範圍極廣、從最簡單的到複雜的都有。從表面上看，有些分子只能做無聊的事，譬如甲烷（15，這數字是分子在書中的序號）只能當燃料而已。其他的分子會入選，原因不一而足，有的是重要的分子構築元件、有的剛好構成某種典型味道或氣味、或是某種顏色的顯現因素。有些分子則是影響力非常大，因重要性而收錄，包括某些世界上最普遍的化合物，譬如纖維素（93），它可以生長成為巨林，也可以讓地表柔軟，又如 DNA（203），它在生物世代交替過程中，負責傳遞遺傳密碼。此外，我們還將看到只要替換分子中的一、兩個原子，就會使燃料

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頓時轉變成毒品、使物質改變顏色、不能吃的變成美食、刺鼻的惡臭替換為芬芳的氣息。這種更換一、兩個原子，就造成分子性質重大改變，正是化學世界所要追求的奇蹟。本書的分子圖能告訴你許多分子的結構和形狀，單單分子圖就能讓人獲益匪淺。不過若是能進一步知曉隱藏其後的細節，以及了解分子如何運作及其功能，分子圖的內涵就會變得更為豐盛。本文之後的文字是用來解釋分子圖的背景資料，建議你如何思考看待分子並約略介紹一些試圖把原子、分子和物質性質連貫起來的理念。

在分子中，改變了一個原子，性質就可能出現極大的差異。使矢車菊呈現藍色的分子，與讓罌粟花顯出紅色的分子，兩者間只有一個原子的差異。詳細的解釋請見 247 頁。

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化學把司空見慣的現象跟基本理念橋接了起來，這兒我將非常簡單地向你介紹這座橋。若是運氣不錯的話，你將會約略了解化學家的想法。

元素和原子化學史上一項很偉大成就，就是證明世界上的物質，無論是啥，也許是一小塊岩石、一杯水、一根鴕鳥毛、一棵樹，毫無例外都是由總數僅約一百來種，叫做「化學元素」的單純物質建構而成。元素包括經常聽人說起的氫、碳、氧、銅等。它們所以稱為元素，是因為我們無法用燙、烤、煮、酸處理，或其他化學家用來改變物質的技巧，把它們分解成更簡單的物質。當然啦！物理學家已經發展出一些更強有力的辦法，他們可以用粒子加速器把元素砸碎，分解成電子、質子和自然界的其他基本粒子。然而就我們探討周遭事物的目的而論，大自然僅僅以一百來種元素為素材，竟然編織出如此千變萬化的花花世界，其偉大與奇妙，足以讓人嘆為觀止！元素能自個兒存在的最小單位為「原子」，原子的英文是 atom，源自希臘文 atomos，意為「不可分割的」。一小塊元素，例如一小塊純金，就是一堆完全相同的原子聚集在一起。純碳也是如此，純碳中的原子均為碳原子。原子的實際尺寸極其微小：一個碳原子的直徑大約只有 0.15 公尺（15 公分）的十億分之一（即 0.00000000015 公尺或 1.5×10 －10 公尺），所以一根 1.5 公分長（大約這麼長： —）的碳粉線，從頭到尾的長度是由一億個原子連接而成的，而這個寬度也需要有至少一百萬個原子並肩排列。只要是肉眼看得見的小塊物質，無論有多小，包含的原子數目

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都超過我們銀河系裡的恆星總數。我們拿起一個蘋果，感覺到的那一丁點兒重量，是為數眾多的原子重量總合，而單一個原子非常的輕，幾乎沒有重量。雖然兩個水分子間的碰撞聲，細小到完全不可能聽到，但潺潺水聲就是億萬個分子相互碰撞，產生的衝擊波所造成的。同樣地，當我們穿衣服時，覆蓋到身體上的衣物像是巨大的網，它由數目幾乎無窮盡的小質點所紡成，點與點之間有力量把它們彼此拽住。當我們面對火焰時，看到的是幾乎微不足道的小滴能量，由於數目龐大，累積起來竟足以造成燃燒跟毀滅的後果。每一個原子的中心都有一個「原子核」，它攜帶正電荷且體積非常小。圍繞在原子核周遭的是帶負電荷的電子，數目足夠抵消原子核上的正電荷，使原子整體來說為電中性。這些電子在原子核周圍形成一系列以原子核為中心，類似殼的雲狀物。因此，描述原子的方便法門是把它們視為小球。在本書的分子圖中，我們把原子小球放大五千萬倍，使代表碳原子的圓球直徑幾近 1 公分。氮、氧原子的電子數只比碳的多出一、兩個（氧有 8 個、氮 7 個、碳是 6 個），尺寸都跟碳原子差不多相等。與碳原子比較起來，氫原子的尺寸就小得多，因為它只含 1 個電子。相形之下，我們在書中將遇到的其他原子，大多比碳原子大得多，譬如磷、硫、氯原子的電子數（分別為 15、16、17）比碳原子的電子數至少多出一倍，因此我們按比例用直徑更大的球來代表它們。我們在書中考慮到的元素並不多，總數不滿一打。每一種元素都有一個特殊的化學符號作為代表，通常就是用元素英文名稱的頭一個字母（有需要時，偶爾可加上名稱中的另一字母）： H 氫

C 碳

N 氮

O 氧

F 氟

P 磷

S 硫

Cl 氯

另外有些元素的符號是採用拉丁名稱的字頭，比方說以 Na 代表鈉

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（natrium）、以 K 代表鉀（kalium）、Fe 代表鐵（ferrum）。在非常偶爾的場合裡，我們將會遇到「離子」這個觀念。當電中性的原子得到或失去一個或多個（帶負電荷的）電子後，就成了帶電荷的離子。離子有兩種：當原子失去了一個或多個電子而變成帶正電時，稱為正離子。例如鈉原子失去一個電子，變成鈉離子（Na＋）。鈉在週期表上的鄰居鉀原子，同樣也可以失去一個電子，變成帶一個正電荷的鉀離子（K ＋）。不過鎂離子（Mg2 ＋）帶了兩個正電荷，因為鎂原子會失去兩個電子。當原子得到電子，帶了負電荷，就稱為負離子。譬如氯原子會獲得一個電子，變成帶一個負電荷的氯離子（Cl －）。氧原子會得到兩個電子，變成帶兩個負電荷的氧離子（O2 －）。至於原子究竟能得到或失去幾個電子，跟該原子的內部結構有關，而以上提到的幾個離子，已囊括了我們將會考慮到的大部分情況。

化合物「化合物」是不同元素間一種明確且固定的組合。因此水（5）是氫跟氧之間的一種組合，阿斯匹靈（170）是碳、氫、氧之間的一種組合。許多化合物是由分子（就是我們要討論的主題）組成的，分子如前所述，是特殊、獨立的原子群，且擁有明確的幾何安排。往後的內容，將會出現許多分子模型的圖片，幾乎隨手翻開一頁，就可以看到一個分子圖。本書描述的各種分子，其組成的元素，數目幾乎都沒有超過半打，而在許多例子裡，元素數目只有兩、三種而已。這的確是這個世界的諸多奇蹟之一：居然可以用如此少的原料，組合出如此多樣的產品。正如

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同所有英文文學作品都可以用兩打的字母來組成一樣。由於只需要畫出這少數幾種元素，因此可以用不同顏色的球來做區分。下面的表列出通用的元素顏色常規，這些顏色不只是如今普遍採用，當初選定時也對元素本身的典型性質有所暗示。比方說，氫的顏色為白色（實際上是淡灰色），因為它是最簡單的元素。碳讓人想到煤煙，所以是黑色。氧是生命的給予者，讓人聯想到血液，所以用紅色呈現。氯單獨存在時，是黃綠色氣體（它的英文名稱 chlorine，源出希臘文 khloros，意即「綠色」），而天然硫是黃色固體，所以當然用黃色代表。只有在相當偶然的情況下，才需要再介紹其他元素。最後，我們選用紫色球代表金屬離子（特別是鈉跟鉀離子）。本書中這種以色球為基礎的分子結構模型稱為「空間填充模型」，因為它們在比例上相當正確反映出分子占用的空間。

氫, H 碳, C 氮, N 氧, O 氟, F 磷, P

硫, S

氯 , Cl

本書分子圖中所有的元素原子，全依循本圖所示的顏色準則。

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分子成分以分子所含元素的化學符號來表示，並在每一符號的右下方注明該元素在分子中有幾個原子（若為 1 則省略）。所以，H2O 告訴我們，一個水分子是由兩個氫原子跟一個氧原子構成的。男性荷爾蒙睪固酮是 C19H28O2（195），女性的荷爾蒙雌二醇 C18H24O2（196），這兩個分子對世界有重大影響，不論是轟動的文學巨著與恐怖的戰爭浩劫，或泛泛如斗升小民的愛恨情仇，它們造成的種種衝突與喜悅，不勝枚舉。

原子間的鍵結「鍵結」是指，把分子中個別原子相互連接，並維持它們之間特定幾何位置的安排。我們只要知道一個重點，那就是：化學鍵就是「共用電子對」。這觀念早在 1910 年代，就由美國化學家路易士（Gilbert Newton Lewis, 1875-1946）首先提出，後來經過量子力學的嚴峻檢驗，除了少許細節修正外，仍維持屹立不搖。根據這個想法，我們可以把鍵結想像成一對電子，它們翱翔在要連接的兩個原子的原子核之間，作為靜電黏劑。

如圖所示，各元素的原子可形成特定數目的鍵結。

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一個原子可以形成多少根化學鍵，反映出該原子能提供多少電子與鄰居分享。這能力受限於一些規律，與原子的細部結構息息相關。現將相關規律表列如下：・一個氫原子通常只形成一根鍵・一個碳原子通常形成四根鍵・一個氮原子通常形成三根鍵・一個氧原子通常形成兩根鍵・一個氯原子通常形成一根鍵在說明分子內部鍵結模式的結構式時，原子的化學符號之間以一根短橫線（－）連接，表示單鍵。氯化氫（HCl）中，氫原子與氯原子的鍵結可以用 H－Cl 表示。不過在比較複雜的分子裡面，誰跟誰連結通常不易一目了然，所以我們還要介紹一種「管狀結構」或稱「棍子」結構，它僅顯示出鍵結模式。這些管子代表的是化學鍵，兩端塗有顏色，表明鍵結連結的兩個原子為何種元素，顏色代碼跟「空間填充模型」的相同。因此，乙醇分子可以如下圖這麼表示：

上圖左邊是乙醇的空間填充模型，右邊則是管狀結構。有些原子跟另一個原子間可以形成不只一根鍵。當一個碳原子跟鄰近的一個氧原子共用兩對電子的時候，它們之間形成雙鍵，以 C ＝ O 表示，我們在許多分子結構裡都可以看到它，包括醋酸（31）和睪固酮（195）。同樣地，兩個原子也可以分享三對電子，在那樣的情形下，該對原子是由參鍵連接。例子有氰化氫分子 H － C ≡ N（115）。

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單鍵有如轉軸，分子兩端連接的部分可以相對地自由旋轉，因此同一個分子可以盤繞成許多不同的形狀。雖然我們可以把碳鏈描繪成如下的直線：

但是我們心裡應該了解，實際情形是其中每一根單鍵都能自由轉動，使碳鏈任意轉彎，因此該分子可以有數不清的各種非直線形狀，如

和

不過如果分子中有雙鍵的話，雙鍵兩端原子的相對位置便被鎖死、不再能自由轉動，當然也就失去了該部分隨意捲曲的能力。

有機化合物這本書中的化合物絕大部分都是有機化合物。有機化合物就是由碳加上氫（通常會有）組成的化合物。有機化合物之外的化合物，稱為無機化合物。一些非常簡單的碳化合物，尤其是那些不含氫的化合物（如二氧化碳、白堊及其他碳酸鹽）都是無機化合物。有機化合物中的「有機」兩個字，並不意味著有機化合物是由生物（有機體）製造出來的，雖然人們曾經這樣認為，當初命名也是因為這個原因。人們曾一度相信，有機化合物含有某種引起生命的「生命力」，

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然而十九世紀時，由於有人用無機物質當原料，合成出尿中的一種成分：典型的有機化合物「尿素」（147），就推翻了這個想法。本書以介紹有機化合物為主，因為它們很重要且很有趣。有機化合物使花卉植物各有不同的色彩跟芳香，也讓食物有好味道。事實上，自然界除了岩石跟海水之外，都是由有機化合物組成的。許多新的材料，特別是塑膠以及幾乎全部的藥品，都屬於有機化合物。碳藉著它所形成的有機化合物，在世界上扮演很特殊的角色，關鍵在於它具有跟自己形成鍵結的獨特能力。隨便翻開本書瀏覽，就能看到許多黑色碳球連接起來的鏈跟環，這就是有機化合物。當然，除了碳之外，還有少數幾種元素也能跟自己形成鍵結（硫就是其中一種），但是都不及碳徹底，因此沒有其他元素能像碳那樣，形成多種穩定結構。碳能夠有這個獨特能力，在於碳是性情相當中庸、不強勢的元素，它吸引其他原子裡電子的能力中等，而它本身的電子也滿容易被移走。換言之，它對分享電子這碼子事一點也不挑剔，因此能形成極多種連結方式。在看本書的有機分子圖時，最好先把它們當成以碳鏈或碳環構成的骨架，有了這個骨架想法之後，便可以藉由附著其上的原子團，辨識出分子的結構。比方說，正六角形的苯環是常見的架構：

上圖右邊的正六角形管狀結構，中間畫有虛線表示碳環上的三個雙鍵位置並不固定，是平均分布在苯環的所有六根鍵上的。苯有一個衍生物叫苯甲酸，就是苯環連接一個「羧基」（－COOH）：

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出現在分子基本骨架上的原子團，如上述羧基，通稱為「官能基」，它們往往是有機分子中具有化學活性的部分。常見的官能基有：羥基（－OH）、羰基（> C = O ）及羧基（－COOH）等。跟分子構造有關的事項中，還有一項我們必須注意，那就是同一個分子式有可能代表兩種或兩種以上不同的物質。分子式僅告訴我們，分子中各種原子的數目，而同樣數目原子之間，可以有不同的連接方式，每一個連接方式就代表一種不同的化合物。例如分子式 C2H6O 既可代表乙醇，也可代表乙醚（也稱二甲醚）：

乙醇 C2H6O

乙醚 C2H6O

具有相同分子式的不同化合物稱為異構物，異構物的英文 isomer 源於希臘文，意為「相等成分」，指由相同原子比例組合而成的不同分子。上例中的乙醇和乙醚之間，差異在分子中原子的「連接方式」。另外還有一種異構物，它們的原子連接方式一致，但是各原子的相對空間配置卻有差異，這種幾何異構關係可以用下例中分子式同為 C4H6 的兩個化合物來說明：

順 -2- 丁烯

反 -2- 丁烯

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（注意：上面這兩個化合物，分子的正中央各有一個雙鍵，而名稱中數字 2 的用意是告訴我們，雙鍵起始於 2 號碳。）這兩個分子是完全不同的化合物，化學性質各異，原因是 C = C 雙鍵不能轉動，使得兩端碳原子上的原子團之間，相對位置固定不變。請看下面分子式同為 C4H10 的兩個分子

它們沒有雙鍵，兩端的原子以單鍵連接，以該單鍵為軸來旋轉分子，左邊的分子就會變成了右邊分子，反之亦然。在丁烯（C4H6）的例子中，左邊的異構物稱為「順式」（cis，拉丁文意思為「在這邊」）異構物，表示雙鍵兩端碳原子上的－CH3 基在雙鍵的同一邊，右邊的異構物則稱為「反式」（trans，意思為「在對邊」）異構物，表示它兩端的甲基位於雙鍵的對邊。目前這個階段，也許看不出同分異構現象有啥重要性，不過一旦碰到節骨眼的情況（見 175 號分子），就能造成極糟糕的後果。

分子間的力氣體分子可以無範圍限制的自由飛舞，但液體和固體裡面的個別分子卻不行，這說明了分子間有一些交互作用力。從另一個角度看，室溫下的水為液態這個事實，表明了 H2O 分子相互沾黏，若要氣化必須加熱把水煮開，也就是要加上足夠的能量，把單獨的分子從夥伴身旁扯開。使分子群聚的力稱為「凡得瓦力」，這名稱是為了紀念首先研究此力的十九世紀荷蘭科學家凡得瓦（Johannes Diderik van der Waals,

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1837-1923）。在此我們將只考慮其中對分子間吸引力現象有貢獻的三項細節。雖然分子是電中性的，但由於電子會堆集在某些區域，使其他區域的電子密度相對貧乏，以致於分子表面的電荷並不平均。各處電荷的多寡可以計算出來，並以不同的顏色描繪在分子表面上。比方說，乙醇分子表面的電荷分部情形如下：

（右圖可以看到，電子密度顯示下各原子的位置。）在這個插圖裡，就像本書中其他此類圖片一樣，帶少許負電荷的表面區域塗以紅色（此例中的該區域就在吸引電子的氧原子上），帶少許正電荷的表面區域塗以藍色，而中間色（黃和綠色）表示在該表面上分布極少的正、負電荷。分子表面上正、負電荷分離，使該分子有一個電偶極，由於所謂的偶極偶極交互作用，所以不同分子上的偶極會互相吸引。也就是說，分子上略帶正電荷（紅色）的部分，會吸引鄰近分子上略帶負電荷（藍色）的部分，而使得分子聚集。不過只有電荷分布不均勻的分子（也就是所謂極性分子）之間，才會有這種交互作用發生。碳氫化合物通常是非極性的，所以它們的聚合並非由於偶極 – 偶極交互作用產生的。無論分子是極性或非極性，分子間都會有所謂的「分散交互作用」。我們了解，組成分子的單元是原子，原子的中央有一個體積極小，帶著正電荷的原子核，圍繞著原子核周遭的是帶負電荷的電子雲。我們不應把電子雲想像成分布均勻且固定的，事實上電子雲好像是快速環繞的雲霧，有時候某處濃度很淡，但是下一刻卻變得很濃。在電子雲濃度很淡的那一瞬間，原子核在該處缺乏遮攔，正電荷得以「照射」

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出去。反之，在電子雲很濃的那一剎那，電子雲的負電荷壓倒了原子核上的正電荷。當兩個分子彼此靠近時，其中由於上述快速環繞電子雲的作用，露出原子核些微正電的分子，會吸引其他分子上電子雲密度較高帶負電的部分，使得兩個分子互相吸引。所有的分子都會因此而相互吸引，不過當分子中包含電子數較大的原子，如氯和硫原子時，這種吸引力會較強。我們要考慮的第三種交互作用叫做「氫鍵」，這是非常重要的一種交互作用。氫鍵以虛線表示，如：A…B，而不是用一般鍵結的短線表示，它的成員為兩個原子夾一個氫原子：

氫鍵的強度約為一般單鍵的十分之一。氫鍵的成因是－N…H－O－中的氧原子對電子的吸引力非常強，強到把 H－O－鍵中，雙方分享的電子對拉到自己身旁，使氫原子核上的正電荷幾乎完全對外暴露。暴露出的正電荷對附近其他原子的電子產生了強大的吸引力，尤其是氮或氧原子上的電子。由於各原子核把附近電子拉向自己的能力有所不同，氫鍵只在能強力吸引電子的兩個原子間發生，在我們有限的幾個元素裡，也只有在下面所列的 4 種情形下發生：－O－H…O－

－O－H…N－

－N－H…O－

－N－H…N－

氟（F）是氧、氮之外能形成重要氫鍵的唯一元素。以後我們將會了解，氫鍵對這個世界非常重要，它是海洋之所以存在、木頭質地之所以堅實的原因。如果沒有氫鍵，海洋會是氣體，而樹木會像青苔一樣躺在地上。最後一個重點是，如果兩樣東西具有相似類型的交互作用，兩者很有可能會互溶。比方說，因氫鍵而彼此交互作用的分子，就很可能溶解在能形成氫鍵的液體中。簡言之，「相似的物質容易相溶」。

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混合物混合物是指由不同的物質，例如分子結構各異的不同化合物，簡單地混在一起。各類食物和以山川景致為生命舞台的生物（這些生物往往注定最後也變成食物），都是無數有機化合物形成的複雜混合物。生物都是由許多不同的生物細胞組成的，細胞中塞滿各式各樣的生命裝備。例如柑橘的獨特滋味是由數以百計的不同化合物，在毫無心機組合下得到的結果。因此，若要去詳細闡述自然環境跟人工合成世界裡的每樣物質，究竟其中包含了哪些分子，難度實在太高。但經過簡化就較為可行。有些物質只是單一化合物，我們可以精確地描述它們的性質，諸如阿斯匹靈（170）和糖（89）。對於不是單一化合物的物質，我們可以把它們的典型成分分子列舉出來，例如汽油（20）是混合物，包含了幾樣不同類型跟特性的分子。還有一些物質我們可以提出象徵該物質某些特性的成分分子。因此，雖然我們無法把柑橘內的所有已知成分都列舉出來，但卻可以告訴你，它的味道或質地，主要是由哪些特殊分子貢獻的。如此我們至少可以開始在分子層次上去區分柑橘跟香蕉。以上敘述說明了這個世界既簡單又複雜。複雜的原因是：即使一片小小的樹葉，也含有上萬種不同型的分子，成分還隨季節更替不斷變化；簡單的原因是：科學家能解開樹葉的祕密，把它的各個成分區分開來，搞清楚某種化合物如何在夏季變成了主成分，而秋季的主角轉換成另一種化合物。不過解密的工作目前離完成還遙遙無期，不知道何年何月才能確實知道柑橘跟香蕉相異的每個細節，更遑論弄明白男人和女人之間的差異啦！即便如此，本書將逐步揭示，構成這個世界的無數種不同分子，其實是一群有組織、有個性，且能讓人理解的角色。

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柑橘的特殊氣味，部分來自叫做薴的烯類分子。薴的鏡像異構物造成了檸檬的氣味。柑橘的顏色主要是來自外皮中的花青素分子（162），而酸味則是拜檸檬酸（102）之賜。

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