第0章化學，為了未來可持續發展 1

0.1我們今天的選擇 3

0.2為了我們的未來所需要的可持續實踐 4

0.3三重底線 6

0.4從搖籃到哪裡？ 8

0.5你的生態足跡 9

0.6我們作為公民和化學家的責任 11

0.7回到藍色彈珠 13

習題 13



第1章我們呼吸的空氣 17

1.1呼吸中有什麼？ 19

1.2呼吸中還有什麼？ 22

1.3空氣污染與風險評估 25

1.4空氣質量與你 27

1.5我們生活的地方：對流層 30

1.6物質分類：純素和化合物 32

1.7原子和分子 34

1.8命名與化學式：化學的詞彙 36

1.9化學變化：氧在燃燒中的作用 38

1.10火與燃料：空氣質量與烴類燃料 41

1.11空氣污染：直接來源 44

1.12臭氧：次級污染物 48

1.13室內空氣質量的情況 51

1.14回到呼吸——在分子水平上 55

結束語 59

本章概要 59

習題 60



第2章保護臭氧層 67

2.1臭氧：是什麼和在哪裡？ 68

2.2原子結構和周期律 71

2.3分子與模型 75

2.4光波 79

2.5輻射與物質 81

2.6氧/臭氧屏障 83

2.7紫外輻射的生物影響 85

2.8平流層臭氧破壞——全球觀測和起因 89

2.9氯氟烴：性質、用途以及與臭氧的相互作用 92

2.10南極臭氧洞：靠近觀察 97

2.11對全球關注的響應 98

2.12CFCs和哈龍的替代 101

2.13替代物的替代物 103

結束語 106

本章概要 106

習題 107



第3章全球氣候變化中的化學 113

3.1在溫室中: 地球能量平衡 115

3.2收集證據：時間的證詞 118

3.3分子的形狀是如何構建的 123

3.4分子的振動和溫室效應 128

3.5碳循環 131

3.6定量化概念: 質量 133

3.7定量概念：分子和摩爾 135

3.8甲烷和其他溫室氣體 138

3.9地球會變得多暖？ 141

3.10氣候變化的後果 146

3.11對於氣候變化，我們能夠或應該做些

什麼？ 150

結束語 155

本章概要 156

習題 156



第4章燃燒產生的能量 161

4.1化石燃料和電 162

4.2能量轉換效率 165

4.3煤化學 169

4.4石油和天然氣 174

4.5測量能量變化 179

4.6分子層級上的能量變化 183

4.7汽油化學 186

4.8老燃料新用途 190

4.9生物燃料Ⅰ——乙醇 191

4.10生物燃料Ⅱ——生物柴油 196

4.11生物燃料和前進之路 200

結束語 204

本章概要 205

習題 206



第5章生命之水 213

5.1水的獨特性質 215

5.2氫鍵的角色 217

5.3供我們飲和用的水 220

5.4水的問題 223

5.5水溶液 228

5.6對溶劑的近距離觀察 231

5.7離子化合物的命名及其規則 234

5.8海洋——彙入許多離子的水溶液 237

5.9共價化合物及其溶液 239

5.10保護飲用水：聯邦立法 243

5.11水處理 246

5.12有關水的全球挑戰方案 249

結束語 254

本章概要 254

習題 255



第6章消除酸雨及海洋酸化的威脅 261

6.1什麼是酸？ 263

6.2什麼是堿？ 265

6.3中和：堿具有抗酸性 266

6.4pH簡介 268

6.5海洋酸化 270

6.6雨水pH測量的挑戰 272

6.7二氧化硫與煤燃燒 277

6.8氮氧化物與汽油燃燒 279

6.9氮循環 281

6.10SO2和NOx——它們是怎樣疊加在一起的？ 285

6.11酸沉降及其影響 287

6.12酸沉降、陰霾和人類健康 291

6.13給湖泊和溪流帶來的損害 294

結束語 296

本章概要 297

習題 297



第7章核裂變之火 303

7.1世界的核電 305

7.2裂變怎樣產生能量？ 308

7.3核反應堆怎樣產生電能？ 313

7.4什麼是放射性？ 316

7.5以史為鋻走向未來 319

7.6核輻射與你 323

7.7與武器的關繫 330

7.8核的壽命：半衰期 334

7.9核廢料：今天和明天 337

7.10核電的風險與收益 341

7.11核電的未來 344

結束語 346

本章概要 346

習題 347



第8章電子轉移釋能 353

8.1電池、伽伐尼電池和電子 355

8.2其他常用的伽伐尼電池 359

8.3電池組分：搖籃到搖籃 362

8.4混合動力車 365

8.5燃料電池基礎 367

8.6氫燃料電池電動車 371

8.7光伏電池基礎 376

8.8來自可再生(可持續發展的)能源的電力 382

結束語 385

本章概要 386

習題 386



第9章聚合物與塑料的世界 391

9.1聚合物無處不在 392

9.2聚合物：長長的鏈 394

9.3單體的累加 395

9.4聚乙烯：更深入的了解 397

9.5“六大塑料”：主題與演變 401

9.6將單體縮合 406

9.7聚酰胺：天然聚合物和尼龍 410

9.8 固體廢棄物的處理：4R 413

9.9塑料的回收利用：更廣範圍的探討 417

9.10從植物到塑料 422

9.11轉移底線 424

結束語 427

本章概要 428

習題 429



第10章分子操控和藥物設計 435

10.1一種經典的神奇藥物 436

10.2對含碳分子的研究 438

10.3官能團 442

10.4阿司匹林是如何起作用的：功能取決於結構 447

10.5現代藥物設計 449

10.6讓分子具有手性！ 454

10.7類固醇 458

10.8處方藥、仿制藥和非處方藥 460

10.9草藥 463

10.10藥品的濫用 466

結束語 471

本章概要 471

習題 472



第11章營養：發人深省的糧食 479

11.1食物和星球 481

11.2 人如其食 484

11.3脂肪和油 486

11.4脂肪、油和你的飲食 490

11.5甜的、含澱粉的碳水化合物 495

11.6它到底有多甜：糖和糖的替代品 498

11.7蛋白質：同儕之首 501

11.8維生素：其他的必需品 504

11.9 食物中的能量 509

11.10膳食建議：質量與數量 513

11.11從農場到餐桌 514

11.12消除饑餓 517

結束語 521

本章概要 522

習題 522



第12章基因工程與遺傳化學 529

12.1更強更好的玉米？ 530

12.2編碼生命信息的化學物質 533

12.3DNA雙螺旋結構 536

12.4破解化學密碼 541

12.5蛋白質：從組成到功能 543

12.6基因工程的進程 547

12.7通過基因工程來實現綠色化學合成 550

12.8新的弗蘭肯斯坦 553

結束語 555

本章概要 556

習題 556



附錄1量度轉換表 561

附錄2指數的冪 562

附錄3打破僵局 563

附錄4“練一練”問題選答 564

附錄5習題答案 575

名詞解釋 588

親愛的讀者們，

本書的標題是《化學與社會》(CHEMISTRY in CONTEXT)，“社會情景”(CONTEXT)一詞具有多重含義。

CONTEXT！你們知道這個源自拉丁文的詞，其意是“編織”嗎？書本封面上的蜘蛛網圖像就傳達了化學與社會之間的聯繫。在沒有社會問題的情況下，所謂化學也就不存在了。同樣，如果沒有教師和學生願意並有足夠的勇氣涉足這些問題，那麼社會中也不可能有化學。化學已成為當今人類社會面臨的幾乎所有問題的組成部分。

  CONTEXT！ 你們喜歡關於我們生活的這個世界的那些好故事嗎？ 如果喜歡，請閱讀本書裡邊的內容，所描述的故事包括謀略、挑戰，甚至可能激勵你們以新的或不同的方式行事。在幾乎所有情況下——地方、區域和全球，部分故事仍在展現。今天，你們和別人所做出選擇的方式將決定未來所講述的故事的性質。

CONTEXT！你們是否意識到，在研究人們如何學習的支持下，使用真實世界的環境來吸引人們參與是一個有高度影響力的實踐？《化學與社會》提供了真實世界的背景情況，通過它可以在多個層面上吸引學習者——個人、社會和全球。 鋻於這些情景性質的迅速變化，《化學與社會》也為教師們提供了與他們的學生們一起學習的機會。

可持續性——終極情景

全球可持續性發展不僅僅是一個挑戰，而且是本世紀的決定性挑戰。為此，《化學與社會》第八版旨在幫助學生迎接這個挑戰。開篇之章“化學，為了未來可持續發展”為其後的12章奠定了基礎。優先介紹可持續性，將其確立為本化學課程的核心和規範性部分。 

可持續發展為《化學與社會》增加了新的復雜程度。產生這種復雜性的部分原因是，可持續性可以通過兩種方式來概念化，即作為一個值得研究的課題和一個值得解決的問題。作為一個課題，可持續發展提供了新的內容供學生掌握。 例如，公地悲劇、三重底線、從搖籃到搖籃的概念等都是其中的一部分。作為一個值得解決的問題，可持續性帶來新的問題讓學生去思考和發問，幫助他們想像並實現可持續的未來。例如，學生將會提出有關減少溫室氣體排放（或不采取行動）的風險和好處的問題。  

納入可持續性，要求對課程進行更審慎的反思。作者采用何種方法？與大多數一般化學課本不同，這個課本所涵蓋的情景是豐富的。作者已經具備必要的手段來傳達可持續性概念——關於能源、食物和水的豐富的現實情景。然而，與可持續性的聯繫並不總是顯而易見的。實際上，需要為讀者把這些問題聯繫起來。以下是一些如何完成的例子：

第1章，“我們呼吸的空氣”，課文更強烈地提醒讀者：空氣是一種共同的資源，我們都必須呼吸，沒有人占有它。因此，空氣污染成為介紹公地悲劇這一概念的完美手段。

公地悲劇是一種資源被大家所共有，被許多人所使用，但沒有人專門負責的情況。其結果，該資源可能被過度使用，從而破壞了所有使用它的資源。

第2章，“保護臭氧層”，現在更清楚地指出，氯氟烴（CFCs）的老式替代品雖然對臭氧層無害，卻是強效溫室氣體。本章以一個決定性的行動呼吁而結束：“我們所有人今天在這個星球上呼吸，有潛力必須保證其未來，要迅速而果斷地行動。我們無權推遲，我們沒有浪費時間的奢侈。”

第3章，“全球氣候變化中的化學”，提供了更多關於全球氣候變化中的化學數據，要求學生評估（溫室氣體導致的）地球上發生的變化以及這些變化所產生的後果。

第5章，“生命之水”，現在更好地將淡水稀缺、水資源可持續管理和水污染關聯起來。這些主題與第11章討論的食品生產是呼應的。

第7章，“核裂變之火”，向學生介紹日本發生的核危機，同時要求他們將核電作為可持續的資源進行評估。

第8章，“電子轉移釋能”，重新撰寫，以更好地顯示我們的能源需求和現有技術之間的匹配。在第0章介紹的“從搖籃到搖籃”的可持續性概念與電池設計關聯起來。

 第11章，“營養：發人深省的糧食”，仍然描述你喫什麼東西會影響你的健康。然而，現在它將你所喫的食品與地球的健康更緊密地聯繫起來，讓學生追蹤食物的生產和消費。

綠色化學——可持續發展的一種手段，仍然是《化學與社會》的一個重要主題。和以前的版本一樣，每章都重點介紹綠色化學的例子。在這個新版本中，收入了更多的例子。這就擴大了覆蓋範圍，使讀者對我們的化學過程實現綠色化的必要性和重要性有了更好的認識。為了更容易獲悉，綠色化學的核心思想被列在書本的封二上。

對現有內容的更新

人們有時會問我們：“你們為什麼如此頻繁地發布新版本？”的確，我們的再版周期很快，每三年發布一個新版本。這樣做，是因為社會環境中化學的內容隨著時間的演變而發展、變化很快。

實際上，每一個新版本，作者團隊都會對每章的內容進行重寫和更新，以反映新的科學發展、政策變化、能源趨勢和當前的全球性事件。這些更新的實施是不平凡的。有些要撰寫新內容，其他則要繪制新的圖形和數據表。例如，自第七版問世以來，日本福島的悲劇已經影響了核電產業和政策。大氣中二氧化碳的濃度增加到400 ppm以上。後一個例子來自美國農業部發布的新的飲食指南。

 另外，我們所選擇的在章節開頭“勾住”讀者的那些問題都是逐版重新撰寫的。第9章“聚合物和塑料的世界”就是一個例子。新版本開始時引用了一位化學家參與合著的書，該化學家對本章的評論極大地影響了我們的思想：“大自然沒有設計問題，人們就是這樣做的。”（William McDonough和Michael Braungart，Cradle to Cradle，2002）。

聚合物的故事以蜘蛛網為例展開，並指出蜘蛛可能每天都會建立新的蜘蛛網。那麼，一隻蜘蛛是如何做到旋轉這麼多的絲卻還能生存的呢？簡單的回答是，它回收。圓蛛有能力攝食舊蜘蛛絲，並從中恢復原材料。於是，在整章中將回收（循環使用）作為主題。

教與學

新版《化學與社會》沿用以前的版本中用過的編寫方案，該方案經受了時間的考驗。前六章均以世界面臨的現實問題（如空氣、水和能源）為主題，為後續章節中的化學概念鋪墊了基礎。例如，在前面的章節中素、化素周期表。在後面的章節中，基於這些化學概念來討論其他背景和化學內容。第7章和第8章考慮更多的能源—核電、電池、燃料電池和氫氣。第9~12章以碳為基礎，集中介紹聚合物、藥物、食品生產和基因工程。這為學生提供了探討感興趣的問題的機會。若時間允許，還可探討核心話題之外的問題。

新版本是整個團隊努力的結果

再次說明，我們有幸為讀者提供了《化學與社會》 新版本。但是這項工作不是由一個人完成的，而是許多有纔華的人的共同貢獻。第八版是建立在由A. Truman Schwartz、Conrad L. Stanitski和Lucy Pryde Eubanks領導的先前作者團隊的工作基礎上的。如今他們都從長期而成功的化學教學職業中退休了。

這個新版本是由下列人員組成的作者團隊完成的：Cathy Middlecamp、Michael Mury、Karen Anderson、Anne Bentley、Michael Cann、Jamie Ellis和Katie Purvis-Roberts。與其配套的實驗室手冊由Jennifer Tripp和Lallie McKenzie修訂，並由Teresa Larson審查。雖然每個人帶到編寫項目中的專業知識不同，然而，每個人都懷著善意、希望和夢想，以無限的熱情，將真實世界的化學融入課堂和讀者的生活中。   

美國化學會教育委員會主任Mary Kirchhoff（瑪麗·基爾霍夫）領導了編著工作。她支持寫作團隊，為將化學和可持續性相關聯而努力，甚至撰寫了第0章的部分內容。此外，她和美國化學會K-12科學項目助理主任Terri Taylor任命Michael Mury擔任生產經理，使其他能夠在項目中發揮更大的作用。他將所有相關方面（作者團隊、出版商和美國化學學會）集結在一起的能力是無與倫比的。

McGraw-Hill（麥格勞-希爾）團隊在這個項目的各個方面都非常出色，特別感謝Jodi Rhomberg自始至終指導這個項目。副總裁兼總經理Marty Lange、常務董事Thomas Timp、品牌經理David Spurgeon博士、發展總監Rose Koos、數字內容開發總監Shirley Hino博士，以及發展編輯Jodi Rhomberg帶領導著這個傑出的團隊。Heather Wagner擔任執行市場經理。項目經理Sandra Schnee協調內容授權專家Carrie Burger、設計師Tara McDermott和采購Nichole Birkenholz的制作團隊。該團隊還受益於Carol Kromminga的精心編輯以及Kim Koetz和Patty Evers的校對。

作者團隊確實從廣泛的社區專業知識中受益。我們要感謝下列人們，他們為智能學習（LearnSmart）編寫和/或審核了面向學習目標的內容：

加利福尼亞州立大學富勒頓分校的Peter de Lijser   

北卡羅來納大學教堂山分校的David G. Jones

哥倫布州立社區學院的Adam I. Keller

我們還要感謝北卡羅來納大學的David McNelis，他為準備手稿提供了技術專長。

教授此課程的教師們的意見對於每個新版本的發展都是非常寶貴的。我們感謝以下參加《化學與社會》講座的老師：

Sana Ahmed Boca Raton Community High School（博卡拉頓社區高中）

Nikki Burnett Baldwin High School（鮑德溫高中）

Donghai Chen Malone University（馬龍大學）

Tammy Crosby Hillsborough High School（希爾斯伯勒高中）

Mohammed Daoudi University of Central Florida（中央佛羅裡達大學）

Sidnee-Marie Dunn Saint Martins University（聖馬丁大學）

Kimberly Fields Florida Southern College（佛羅裡達南部學院）

Tam’ra Kay Francis University of Tennessee（田納西大學）

Andrew Frazer University of Central Florida（中央佛羅裡達大學）

Song Gao Nova Southeastern University（諾瓦東南大學）

Carmen Gauthier Florida Southern College（佛羅裡達南部學院）

Myung Han Columbus State Community College（哥倫布州立社區學院）

Al Hazari University of Tennessee（田納西大學）

Sandra Helquist Loyola University Chicago（洛約拉大學芝加哥分校）

Martha Kellner Westminster College（威斯敏斯特學院）

Todd Knippenberg High Point University（高點大學）

Candace Kristensson University of Denver（丹佛大學）

Shamsher-Patrick Lambda Young Men’s Preparatory Academy (M-DCPS) （青年預備學院）

Laura Lanni Newberry College（紐伯裡學院）

Devin Latimer University of Winnipeg（溫尼伯大學）

Toby Long Rollins College（羅林斯學院）

Sara Marchlewicz University of Illinois at Chicago（芝加哥伊利諾伊大學）

Jessica Menke University of Wisconsin—Whitewater（威斯康星大學- 懷特沃特分校）

Mark Mitton-Fry Ohio Wesleyan University（俄亥俄衛斯理大學）

Mark Morris University of Tampa（坦帕大學）

Jung Oh Kansas State University at Salina（薩利納堪薩斯州立大學）

Tatyana Pinayayev Miami University（邁阿密大學）

Kresimir Rupnik Lousiana State University（路易斯安那州立大學）

Indrani Sindhuvalli Florida State College at Jacksonville（傑克遜維爾佛羅裡達州立學院）

Jose Vites Eastern Michigan University（東密歇根大學）

祝我們的讀者好

1993年首次出版的時候，《化學與社會》是“打破傳統模式的書”。與當時的書籍不同，它並沒有把化學與人隔離開來，也沒有把化學與人們面臨的現實世界問題隔離開來。同樣，它也沒有為了“涵蓋它”作為課程的一部分而引入一個事實或概念。相反，《化學與社會》將每個化學原理與諸如空氣質量、能源或水的應用等現實世界問題密切聯繫起來。

我們非常高興為讀者提供這個具有繼續打破化學模式特點的新版本。我們選擇了一些有吸引力且適時的話題，我們希望不僅能在今天為你們服務，而且還能在未來幾年內為你們服務。

我們希望你們在閱讀、探索問題時，彼此友好地（以及和作者）爭論，重要的是，用你學到的知識來實現你的夢想。

來自作者團隊美好、誠摯的祝福！

高級作者和主編

2013年6月