化学反应的原因及机制

所有的生命体中都包含了成千上万个化学反应，而且生命体的基本组成单位——细胞——就是一个能将这些高度复杂的化学反应整合起来的系统。这个事实增加了我们理解生命体并阐明其特征的难度。我们如何才能认识这些反应发生的载体分子，并阐明化学反应之间复杂的相互作用？是不是有些反应处于核心的地位，而其他反应的地位则相对边缘呢？当然，如果我们试图进一步理解生命中的化学反应，就首先需要理解化学反应的常识。这些常识包括什么是化学反应，以及这些反应为什么会发生。那么，就让我们从讲解基本的化学反应开始吧。这是一个非常复杂的课题，要把这个问题讲清楚，我们至少需要教科书级别的篇幅。所以，我只能简略地谈谈那些和我们接下来的讨论相关的部分。我们的分析将揭示一个问题，即构成生命的化学反应具有一些特别的性质，而理解这些特性就是我们之后各章的重点。

所有化学反应都是将某些化学物质转化为另一些化学物质。比如，通过碱性物质来中和酸性物质的反应，将蛋白质分解为其基本组成单位氨基酸的反应，用氢气和氧气合成水的爆炸反应，这些都是常见的化学反应。刚才最后提到的氢气和氧气的反应非常容易发生，只需要一点儿火花或者催化剂（比如金属铂或钯），该反应就可以发生。但这个反应的逆反应，即水分解为氢气和氧气的反应却不能自发地发生。这是为什么呢？掌控着化学反应发生方向的规则是什么？广义而言，一个核心的化学法则可以回答这个问题，这个法则我们前面已经提到过了，它就是热力学第二定律。

热力学第二定律实际上是一个基本的物理定律，其广泛的适用性也就意味着它可以通过许多不同的方式表达出来。在当前的语境下，我们只要说化学反应朝着从不稳定的物质向更稳定的物质转换的方向进行就够了。打个比方来说，化学反应的发生就像从山坡上滚下来的球一样。化学反应沿着这样的“下坡方向”进行，此处“下坡”指的是更稳定的产物，即具有更低“自由能”的产物。由于水的自由能低于氢气与氧气自由能的总和，所以两个气体反应后产生了水，并且氧气与氢气中储藏的多余能量将以热量的形式释放出来。而由水分解为氢气和氧气的逆反应不能自发地发生，因为这样的情况和一个球不会自发地向上坡方向滚动是一个道理。

氢气和氧气混合物的自由能和水的自由能变化示意图见图2。图左的氢气和氧气（H2+O2）的自由能要高于右侧产物水（H2O）的自由能。

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图2　氢气和氧气（H2+O2）反应生成水（H2O）的自由能变化示意图

这个示意图也揭示了另一个要点，即从反应物氢气和氧气到产物水之间存在一个能量障碍（能垒）。尽管氢气和氧气混合物的自由能比水要高，但是从反应物到产物的自由能曲线并不是一直下降的。该曲线要先爬上一个能量高峰然后才会下降，这意味着在反应发生之前，反应物必须要先克服能垒的阻碍。这也是为何我们需要火花或者催化剂来推动这个反应发生。火花能给反应物提供起始的能量，从而跨越能垒的阻碍，然后反应就会按照下降的曲线自行展开。而催化剂的作用与火花不同，它能够降低能垒的高度，这样即便反应的起始能量没有增加，反应系统也能够跨越能垒。

我们可以从上面这个例子当中学到两个要点。其一，只有当产物的自由能低于反应物的自由能时，化学反应才能够发生。这个规律可以称为热力学因素（thermodynamics consideration），它决定了化学反应发生的方向。相应地，热力学第二定律也能预测哪些反应能够发生。一旦反应物达到了该物质组合最低的自由能状态，那么这个系统就已经达到了平衡态，所以便不会再有后续的反应发生。这种情况就像是跌落谷底的球，不会再滚动了。不过，反应物不处于平衡态、自由能也不是最低的情况并不意味着该系统一定会发生反应。因为，如果反应系统的总能量低于能垒，即系统处于局部的能量最低点，那么该系统很有可能因为无法越过能垒而不能达到产物的能量最低状态。这种情况就像是球在下坡时被困在了凹陷的地方，无法再继续滚动。因此，如果没有火花或者催化剂，氧气和氢气的混合物也可能不会发生任何反应。现在我们可以将这些简单的概念用化学语言表达出来：一个符合热力学发生规律的反应，在现实中发生与否，最终由动力学因素（能垒的高度）决定。但是，一个不符合热力学规律的反应，则一定不会发生。