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21世纪的化学前沿

时间:2012-09-08 13:47来源:

  人们经常说:化学无所不在,所以化学的对象也几乎无所不包。传统上,根据研究对象和方法的不同一般把化学分为5个分支领域,即无机化学、有机化学、分析化学、物理化学和高分子化学。下面逐一介绍。 

1 无机化学 

  无机化学是研究无机化合物的性质及反应的化学分支。无机化合物包括除碳链和碳环化合物之外的所有化合物,因此,无机化合物种类众多,内容丰富。人类自古以来就开始了制陶、炼铜、冶铁等与无机化学相关的活动,到18世纪末,由于冶金工业的发展,人们逐步掌握了无机矿物的冶炼、提取和合成技术,同时也发现了很多新元素。到19世纪中叶,已经有了统一的原子量数据,从而结束了原子量的混乱局面。虽然当时人们已经积累了63种元素及其化合物的化学及物理性质的丰富资料,但是这些资料仍然零散而缺乏系统。为此,德国学者D6bereiner, Meyer、法国学者de Chancourrois以及英国学者Newlands,Odling等先后做了许多元素分类的研究工作。至1871年,俄国学者Mendeleev发表了“化学元素的周期性依赖关系”一文并公布了与现行周期表形式相似的Mendeleev周期表。元素周期律的发现奠定了现代无机化学的基础。元素的周期性质是人们在长期科学实践活动中通过大量的感性材料积累总结出来的自然规律,它把自然界的化学元素看做一个有内在联系的整体。正确的理论用于实践会显示出其科学预见性。按周期律预言过的15种未知元素,后来均陆续被发现;按周期律修改的某些当时公认的原子量,后来也都得到证实,如In, La, Y, Er, Ce, Th等。至1961年,原子序数由1-103的元素全部被发现,它们填满了周期表的第一至第六周期的全部以及第七周期的前面16个位置。尔后,又依次发现了元素104(1969年),105(1970年),106(1974年),107(1981年),108(1986年),109(1982年),110(1994年),111(1995年),112(1996年)和114(1998年)等。人类究竟还能发现多少新元素?据核物理理论的预测,175号元素可以稳定存在,当然这种预测是否正确还需要实验的验证。至今耕耘周期系来发现和合成新化合物仍是化学科学的传统工作。 

  20世纪以来,由于化学工业及其他相关产业的兴起,无机化学又有了更广阔的舞台。如航空航天、能源石化、信息科学以及生命科学等领域的出现和发展,推动了无机化学的革新步伐。在过去30年里,新兴的无机化学领域有无机材料化学、生物无机化学、有机金属化学、理论无机化学等等。这些新兴领域的出现,使传统的无机化学再次焕发出勃勃生机。 

2 有机化学 

  有机化学是一门研究碳氢化合物及其衍生物的化学分支,也可以说有机化学就是有关碳的化学。在19世纪初期,碳元素的化学远比金属以及其他常见元素(如硫、磷和氮)的化学落后。1828年,德国化学家Feiderich Wohler发现用无机化合物NH4 Cl和AgOCN氰酸银)作用生成NH4 OCN(氰酸钱),蒸发该溶液所得白色结晶是它的异构体CO(NH)2(尿素),后者是动物体内的有机物。人工合成尿素是有史以来的第一个人工合成的有机物,也是人类第一次认识到有机物可以从无机物制得。这个发现打通了无机化学与有机化学之间的壁垒。1835年,Wohler在给Berzelius(瑞典化学家)的信中写到:“对我说来,有机化学好像是充满着最神奇的东西的热带原始森林”。 

  在19世纪后半叶,有机合成化学已经成为化学中最引人瞩目的领域之一。一批杰出的有机化学家相继涌现出来,如Adolf von Baeyer,Emil Fisher和Victor Meyer等,他们的工作奠定了有机合成的基础。今天的有机化学,从实验方法到基础理论都有了巨大的发展。每年世界上有近百万个新化合物被合成出来,其中90%以上是有机化合物。随着有机化学研究的深化,还衍生出若干分支学科,如天然有机化学、物理有机化学、金属有机化学和合成有机化学等等。随着人们对于生命现象以及环境问题的日益关注,有机化学愈来愈显示出强大的生命力,成为改善人类生活质量的有力助推力量。 

3 分析化学 

  除了合成新的化合物之外,化学家的另一个主要工作是分析物质的组成、结构、性质,以及分离和提纯物质。这就是分析化学的任务。从化学诞生以来,分析化学一直扮演着非常重要的角色。经典的分析技术被广泛用于分析化学实验的产物组成、矿物的组分以及鉴定未知元素中。20世纪以来,分析化学的发展经历了三次重大的变革。第一次是在20世纪初,物理化学基本概念和理论的发展为分析化学方法提供了理论基础,使分析化学从一种技术上升为一门科学。第二次是二次世界大战之后,由于物理学和电子学的发展,产生了大量的分析仪器,改变了经典的化学分析手段,使分析化学有了一个大的飞跃。目前,分析化学正处于第三次变革之中,生命科学、信息科学的发展,使分析化学进人了一个崭新的阶段,使分析化学向更微量、更快速、更灵敏、更自动化和实时在线的方向发展。 

  分析化学不仅在实验室中发挥着举足轻重的作用,在日常生活中也有大量的应用实例,如食品质量的检验、环境质量的监测以及危险物品的检测都与分析化学密切相关。’在化学史上,每一次分析技术的革新,不仅会带来科学的进步,也会直接使社会受益。例如,分子光谱技术的产生和发展带动了结构化学领域的飞速发展,同时,这些新技术也被应用到医学、生产领域。分析化学也衍生出多个重要分支,如光谱分析、电化学分析、色谱分析和质谱分析等。 

4 物理化学 

  物理化学是化学中的一个理论分支,它应用物理方法来研究化学问题。在化学探索中,化学家不仅要合成新的化合物,还要理解和掌握化学反应的内在规律。物理化学就是这样一个领域,它从物理学的发展中获得灵感,并将其应用到更为复杂的化学领域中去,研究化学体系的原理、规律和方法。从19世纪后半叶以来,物理化学逐渐形成了若干分支:化学热力学、化学动力学、量子化学、表面化学、催化和电化学等。20世纪,物理化学发展迅速,取得了众多里程碑式的成就,如价键理论、分子轨道理论、耗散结构理论以及微观反应动力学等。 

  在物理化学史上,化学热力学是其中发展较早的分支,例如美国物理化学家J. W. Gibbs发展出Gibbs自由能(G),用以预言反应的方向。在19世纪末、20世纪初,化学动力学在Arrhenius,Ostwald和van't Hoff等人的推动下建立起来。20世纪以来,量子力学的出现大大改变了物理化学的面貌,使原本建立在宏观经验上的化学原理深入到原子和分子的水平,反过来促进了物理化学的革新。目前,物理化学有3个主要方向:(i)介观领域,即纳米技术的研究;(ii)微观领域的研究从静态、稳态向动态、瞬态方向发展;(iii)复杂体系研究,化学的研究对象越来越复杂,越来越接近生命、材料等复杂体系,因此发展面向复杂体系的理论和方法是目前物理化学的主要课题之一。在新的世纪里,仍然有许多问题等待物理化学家去解决。 


5 高分子化学 

  高分子化学是研究高聚物的合成、反应、化学和物理性质以及应用的化学分支。与化学的其他分支学科相比,高分子化学是一个年轻的学科。合成高分子的历史不超过80年,但是它的发展非常迅速。在20世纪20年代,德国化学家Staudinger首先提出高分子的重复链节结构,并在随后的实践中得到验证。到20世纪40年代,高分子合成已经发展成为一支新兴化学学科,获得迅猛发展。 

  一般化合物的分子量是几十到几百,而高分子化合物的分子量通常是几万甚至几十万。由成千上万小分子单体聚合成链并交织在一起,就组成了橡胶、纤维或塑料等高分子材料。高分子材料具有易于加工和成本低廉的优点,与天然材料相比,高分子材料不受气候、季节和种植面积的影响,因此非常适合作为天然材料(如棉、麻、天然橡胶)等的替代品。高分子材料还具有弹性好、强度高、耐腐蚀等特点,因此在日常生活和工业生产中已经得到广泛应用。据报道,2003年全世界塑料制品的年产量约为2X10$ t,其中,我国塑料制品的年产量已达0. 16 X 10' t,成为世界上第三大塑料生产国。我国台湾省的塑料工业在国际上也占有重要地位。 

  随着塑料工业技术的迅速发展,塑料已经与钢铁、木材、水泥并列成为国民经济四大支柱材料。但随着塑料产量的不断增长和用途的不断扩大,废弃物中塑料的质量比已达10%以上,体积比则达30%左右。它们对环境的污染、对生态平衡的破坏已引起了社会极大的关注,为此,高效的塑料回收利用技术和降解塑料的研究开发已受到高分子科学领域以及工业界的高度关注,成为全球瞩目的研究热点。
 

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