I13 化学反应
在上面的描述中，原子和离子都没有改变过另一半，但会有这种情况――原子的组合确实会改变，形成新的分子。图1 展示了这一情况，即原子的重新配对，这就是我们所说的化学反应。而我们之前所描述的那些被称为物理过程，但这物理过程与化学过程之间没有明显的差别。（大自然并不在乎我们如何称呼这些过程，她只是继续进行着它们）这个图所展示的是碳在氧气中燃烧。在氧气中，两个氧原子非常牢固地连在一起。（为什么不是三个或四个原子？这是原子过程非常特殊的特征之一。原子非常特殊：它们喜欢某些特定的伙伴，某些特定的方向……，物理学的工作就是分析为什么每个原子都想要它想要的特定的东西。话说回来――两个氧原子形成了一个，饱和快乐的，分子。）
碳原子应该处于晶体固体中（可能是石墨或者金刚石）。现在，一个氧分子可以跑到碳分子旁边，氧分子中的每个原子都可以抓住一个碳原子，然后以一种新的组合形式——“碳-氧”——离开碳的晶体固体，这种新的组合形式是一种叫做一氧化碳的气体的分子。它的化学名称是CO。这很简单：字母“CO”实际上就是那个分子的图片。但是碳吸引氧的能力比氧吸引氧或碳吸引碳的能力强得多。因此，在这个过程中，氧气分子到达时可能只有一点儿能量，但氧原子和碳原子在强烈的推动力和鼎沸的状态中结合在一起的时候，它们附近的一切都会吸收到这个能量，因此，产生了大量的运动能量，即动能，这就是燃烧；我们从氧和碳的组合中获得热量，这个热量通常以高温的气体的分子运动的形式存在，但在某些情况下，热量可能如此巨大，以至于会产生光。这就是火焰的来源。
此外，一氧化碳并不是很满足，它可能再附着另一个氧原子，这样这个，反应就变得比较复杂了，其中氧原子与碳原子结合，同时也可能与一氧化碳分子碰到，一个氧原子可以附着在一氧化碳分子上，最终形成一个由一个碳原子和两个氧原子组成的分子，即CO2， 这称为二氧化碳。如果我们以很少的氧气及非常快的速度燃烧碳（例如，在汽车发动机中）就会形成相当多的一氧化碳。在许多这样的原子的重新排列中，释放出大量的能量，形成爆炸、火焰等，这取决于反应。化学家们研究了这些原子的排列，发现每种物质都是原子排列的某种形式。
为了说明这个想法，我们考虑另一个例子。如果我们走进一片紫罗兰丛，我们会闻到紫罗兰的特殊芳香，这个芳香是某种分子或原子的排列，进入了我们的鼻子。首先，它是如何进入我们的鼻子的？这很容易，如果这种气味是空气中的某种分子，四处游动，它可能不小心进入了鼻子，当然，它没有特别想钻进我们的鼻子里。它只是拥挤的分子群中无助的一部分，在漫无目的的游荡中，这块特殊的物质碰巧出现在我们的鼻子中。
现在化学家可以提取紫罗兰气味的分子，并对其进行分析，告诉我们原子在空间中的确切排列。我们知道二氧化碳分子是直的并且对称的：O—C—O。即使对于化学中更复杂的原子排列，人们也可以通过漫长的、非凡的侦察工作找到原子的排列。图2是紫罗兰附近空气的照片：我们再次在空气中发现了氮气和氧气，以及水蒸气。（为什么会有水蒸气？因为紫罗兰是湿的，所有植物都会蒸发）然而，我们也看到了由碳原子、氢原子和氧原子组成的“怪物”，这些原子以一种特定的模式排列（图3），它的排列比二氧化碳复杂得多，事实上，这是一个极其复杂的排列。我们无法在这里把所有的化学结构展现出来，因为所有原子的精确排列实际上是在三维的，而我们在这里只能画二维的图。形成环的六个碳原子不是形成扁平的环，而是一种“褶皱”的环，所有的角度和距离都是已知的。因此，化学式仅仅是这种分子的图片。当化学家在黑板上写下化学式时，他是在试图粗略的在二维中画出这个分子的结构来。例如，我们看到六个碳的“环”，末端悬挂着碳的“链”，末端有氧，三个氢与碳相连，还有两个碳和三个氢连在一起，等等。
化学家是如何发现怎样排列的？他把装满东西的瓶子混合在一起，如果变红了，那就说明里面有一个氢原子和两个碳原子连在一起的结构；如果它变蓝了，那就完全不是那么回事。这是有史以来最有趣的侦察工作之一——有机化学。为了发现这些极其复杂的阵列中原子的排列，化学家观察了将两种不同物质混合在一起时会发生什么。物理学家一般都不能完全相信化学家在描述原子的排列时，他们确实知道自己在说什么。大约有二十年，在某些情况下，可以通过物理方法观察分子的结构（不是像这个分子这么复杂的），并且可以通过测量它们的位置而不是通过观察颜色来定位每个原子。但是，瞧，现在化学家几乎总是正确的。
事实上，紫罗兰的气味中有三种略微不同的分子，它们的不同之处仅在于氢原子的排列。
化学的一个问题是给一种物质命名，这样我们好知道说的是什么。为这个排列形状找到一个名称。这个名不仅要告诉我们是什么形状，还要告诉我们这里有一个氧原子，那里有一个氢原子——每个原子是什么，在哪里。因此，我们可以理解，化学名称的复杂是必须的，只有这样才能完整。你可以看到图 所示的物质的完整的名称，这个名称会告诉你它的结构是4-(2,2,3,6-四甲基-5-环己烯基)-3-丁烯-2-酮，而且名称也表明了这个排列顺序。我们可以理解化学家们的困难，也可以理解这些名字为何如此之长。这并不是说他们要事情变得难解，而是他们在用文字描述分子时遇到了极其困难的问题。
