[2943] Unsolved Chemistry Problems

Title Text:I’m an H鈦?denier, in that I refuse to consider loose protons to be real hydrogen, so I personally believe it stands for ‘pretend’.

Origin:https://xkcd.com/2943/

https://www.explainxkcd.com/wiki/index.php/2943:_Unsolved_Chemistry_Problems

未解决的化学难题

我是一个否认氢离子的人,我拒绝将松散的质子视为真正的氢元素,所以我个人认为它代表“假装(pretend)”。

注:pH,亦称pH值、氢离子浓度指数、酸碱度是溶液中氢离子活度的一种标度,也是衡量溶液酸碱程度的最普遍标准。概念在1909年由丹麦生物化学家瑟伦·索伦森提出,“pH”的“H”代表氢离子(H⁺);“p”的来源则有几种说法:第一种称p代表德语“potenz”,意思是力度、强度;第二种称pH代表拉丁文“pondus hydrogenii”,即“氢的量”;第三种认为p只是索伦森随意选定的符号,因为他也用了q。

https://xkcd.in/comic?lg=cn&id=2943

每个研究领域都有未解决的问题,被认为是“重要的”或“显著的”,这激励着持续的研究。科学家们在他们的新化学实验室的“隆重开幕”上列举了几个真实的化学问题,接着是一个同样未解决但不那么科学的问题(pH中的p)。
任意酶设计:
酶是催化蛋白质。酶催化通常与其他催化方法相比是独特的,因为它具有高度特异性,即针对特定反应量身定制。因此,酶催化除了是所有生化过程的基础外,还在工业合成过程中变得越来越重要。由于酶可以通过重组基因技术轻松合成,能够设计出任意反应的酶将意味着几乎所有反应都可以相对轻松地催化,从而彻底改变化学合成工业。
蛋白质折叠:
蛋白质是由氨基酸链组成的大分子。这些氨基酸链以极其复杂的方式折叠形成精细的三维结构,而蛋白质的折叠方式对其功能至关重要。由于蛋白质对生物生命的重要性,生物学家在过去几十年里对蛋白质结构预测的问题给予了大量关注。这指的是基于氨基酸序列预测蛋白质三维结构的能力,并仍然是计算生物学中最重要的问题之一。仅仅从氨基酸序列预测蛋白质结构——所谓的“de novo”预测——在计算生物学中被称为一个异常困难的问题,因为氨基酸链的复杂性。被称为“莱文索尔悖论”(Levinthal’s paradox),仅从骨架构象所产生的可能构象数量被估计在10^300的范围内。尽管如此,蛋白质的折叠在现实中却发生得非常迅速。由于在采样构象时的这种困难,即便进行优化,例如二级结构预测和蒙特卡洛模拟,“真实”准确的模拟也是极为计算密集型的。因此,最准确的解决方案,如AlphaFold,利用同源建模(采样实验确定的具有相似序列的蛋白质以推断结构特征和相似性)和深度学习准确猜测蛋白质结构。另见1430:蛋白质。
解聚:
聚合物是由称为单体的重复子单位形成的非常大分子。单体是通常具有有机性质的分子,可以与至少一个其他分子结合,两个或多个结合起来形成称为聚合物的长链或网络。这个过程称为聚合。解聚是将聚合物分解为其最初组成的较小分子的过程。这是通过各种过程完成的,例如辐射、电解、添加化学品以及其他方法。塑料是最著名的聚合物,但纤维素、蛋白质和DNA在技术上也是聚合物。塑料的种类和混合物的巨大数量使回收它们成为巨大的挑战,并且对塑料废物损害环境的担忧日益增加。
聚合通常是放热反应,释放热量作为能量。要逆转这个过程,需要以目标方式添加能量。简单地通过高反应性的化学物质、热量或辐射摧毁聚合物通常不会显著释放单体分子;大多数反应产物都高度降解。大多数聚合物是通过催化过程制成的,小单体分子通过催化剂结构相互作用,通常以液体形式,最终产品通常是固体。要逆转这一过程,需要使催化剂以非常精确的方式与固体聚合物相互作用,而催化剂结构与固体缠结的聚合物分子进入适当配置的相对困难。
另一个高度期望的解聚过程是将纤维素转化为其成分葡萄糖分子。然后,这种葡萄糖可以用于多种不同目的,包括发酵成酒精用作燃料。目前,当植物被种植时,它们吸收的大部分太阳能和二氧化碳最终以纤维素的形式存在,而不是淀粉、糖、蛋白质或其他我们认为有用的物质。能够利用纤维素将使农业更加节能。一些生物可以通过酶解聚纤维素,但我们在工业规模上使用类似过程的能力仍然有限。(这些生物使用一种复杂的多步骤生化过程,实际上是“投资”能量来分裂一个葡萄糖分子,然后通过代谢葡萄糖来收回投资。)以高温和高压仅用水和酸解聚纤维素也是可能的,但该过程能量密集。也许可以通过太阳能加热的反应器来实现。
pH中的“p”代表什么:
“p”出现在pH、pOH、pKa、pKb以及其他与H+离子和OH-离子的浓度相关的事物中。“pH”中的“p”的含义一直存在许多争论。它有时被称为“氢的力量”,也许与pH是一个对数尺度有关,而对数是指数函数的反函数,并且在最初发布pH的三种语言中,“potency”的词用于指指数。pH这一术语是由Søren Peter Lauritz Sørensen引入的,他没有用英语发布他的结果,更准确地翻译为“水的指数”。字母p可能在Sørensen发布的语言中代表法语的’puissance’、德语的Potenz或丹麦语的potens,均指指数函数中的“指数”概念。
标题文本:氢的否认者
在标题文本中,Randall声称自己是一个H+否认者,拒绝将游离质子视为氢原子,因此,p代表假装。玩笑的部分在于Randall暗示这是一个他个人相信的众所周知的阴谋论(其实不是)。“否认者”这个词通常用作其他阴谋论的代名词,例如“气候变化否认者”或“登月否认者”。
以下是这个笑话的分析:

H+是氢的正电荷原子的化学符号,是元素周期表中最小的原子。由于氢通常仅由一个质子和一个电子组成,因此当您去掉电子时,您使其带正电(上标中的+号),并最终只剩下一个游离的质子。因此,“游离质子”的简称是将其称为H+离子。
pH在高中科学课中被教授为基本测量额外游离质子在例如水族馆中的浓度。(不同的鱼类偏好略有不同的pH水平/碱性。)如前所述,您可以将“pH”一词解释为指H的“p”——H+离子的力量/强度。
(请注意,在现实中,孤立的H+离子在水中并不存在,相反,它们会附着到H2O分子上形成H3O+和H5O2+/(H2O–H–OH2)+,这是由于分子间氢键的作用。如果您不知道这些化学符号的含义,也不用担心。)
但是作为一个H+否认者,Randall并不认为游离质子是氢原子。他对氢的看法是,氢在失去电子后只是“假装”自己是氢。作为一个否认者,他将“pH”一词解释为指“假想氢”的浓度。

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