第三章現(xiàn)代化學(xué)進(jìn)展

第三章現(xiàn)代化學(xué)進(jìn)展1第1頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

去只有天文學(xué)、地理(地質(zhì))、生物、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)六個(gè)一級(jí)學(xué)科；而經(jīng)過20世紀(jì)科學(xué)的發(fā)展和交叉研究，又逐漸形成了新的交叉學(xué)科，如生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等。下而將分別展望一些交叉學(xué)科和可能成為熱點(diǎn)的研究領(lǐng)域的動(dòng)向。一、生命科學(xué)2第2頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一1．生命的基礎(chǔ)物質(zhì)研究

構(gòu)成生物的生命活性物質(zhì)有蛋白質(zhì)、核酸、糖等生物大分子和激素、神經(jīng)遞質(zhì)、細(xì)胞因子等生物小分子。目前已經(jīng)研究和確定了許多生物大分子的結(jié)構(gòu)。

2．遺傳物質(zhì)的作用人體基因組中有數(shù)以億計(jì)的DNA核苷酸單元，其中真正用于規(guī)定蛋白質(zhì)中氨基酸序列的密碼約占10％左右，那么其余90％左右的DNA核昔酸單元起什么作用?最近研究表明，DNA核苷酸序列中還表達(dá)一類為DNA構(gòu)象編碼的信息。如人體內(nèi)組成蛋白質(zhì)的氨基酸均為L—構(gòu)型，為什么?與州A有關(guān)的空間立體構(gòu)象的變化雖是由于圍繞著單鍵的3第3頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

相對(duì)自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起的，但空間立體構(gòu)象的不同，有其微小的能量差別。或許不同的DNA有不同的空間立體構(gòu)象的選擇性，這是否與手性識(shí)別有關(guān)?當(dāng)然這是一個(gè)構(gòu)象信息，也是目前化學(xué)研究中的一個(gè)重要問題。有90％左右的DNA的功能和作用還沒有完全了解。這是一個(gè)很廣泛和復(fù)雜的研究領(lǐng)域。有待2l世紀(jì)人們的努力。數(shù)以億計(jì)的DNA核苷酸單元不是一個(gè)小數(shù)目，要投人大量的研究力量，才有可能逐漸搞清楚。

3．人類基因組計(jì)劃人類基因組計(jì)劃是生命科學(xué)中迄今為止最浩大的工程，也是目前人體科學(xué)研究的一個(gè)主流，是從認(rèn)識(shí)外在世界的科學(xué)規(guī)律轉(zhuǎn)向認(rèn)識(shí)人類自身的一項(xiàng)生命科學(xué)重大基礎(chǔ)4第4頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

研究。完成人類基因組計(jì)劃要測定約10萬條基因的結(jié)構(gòu)和位置，以及這些基因的全部3×109個(gè)核苷酸的序列。21世紀(jì)初，這項(xiàng)研究無疑地成為生命科學(xué)的首要任務(wù)。這一部分工作主要由生物學(xué)家去做，那么化學(xué)研究者可以做什么?這是值得認(rèn)真考慮的。

4．酶結(jié)構(gòu)和催化功能的關(guān)系研究生物體內(nèi)進(jìn)行的各種生物—化學(xué)反應(yīng)，均藉助于酶的催化功能。迄今為止，所研究的酶絕大多數(shù)都是蛋白質(zhì)。在酶的發(fā)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)、作用機(jī)理及模擬酶方面已經(jīng)取得很多進(jìn)展，但是所研究的酶只能說是酶中的一小部分。即使這些研究過的酶也只能了解其一部分。今后發(fā)現(xiàn)斷酶，深人研究酶結(jié)構(gòu)還是有許多工作要做的。20世紀(jì)后期有一個(gè)關(guān)5第5頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

于酶的重要發(fā)現(xiàn)，即T．R．Cech和S．Attman發(fā)現(xiàn)RNA的酶活性。

5．腦科學(xué)在現(xiàn)在生命科學(xué)中，腦科學(xué)處于正在上升的地位。腦的高級(jí)功能來自于腦的特殊結(jié)構(gòu)。腦組織中約有100億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞。通過神經(jīng)細(xì)胞的信息傳通，是由一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞釋放神經(jīng)遞質(zhì)通過神經(jīng)問的突觸而結(jié)合在另一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞膜的受體上完成的。神經(jīng)遞質(zhì)都是一些小分于。有興奮性神經(jīng)遞質(zhì)(如谷氨酸、乙酸膽堿等)和抑制性神經(jīng)遞質(zhì)(Y—氨基丁酸、甘氨酸等)。在學(xué)習(xí)和記憶過程中，神經(jīng)細(xì)胞NMDA受體可能起著關(guān)鍵作用(如圖7所示)。6第6頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一6．模擬生命過程和生命體系的合成生命過程小的基礎(chǔ)物質(zhì)——蛋白質(zhì)、核酸、糖和一些激素分子等，通過20世紀(jì)的研究已相繼確定了它們的結(jié)構(gòu)，并通過化學(xué)和生物方法可以進(jìn)行合成。但這些基礎(chǔ)物質(zhì)如何配合起來產(chǎn)生生命現(xiàn)象和生命活動(dòng)，則需要進(jìn)一步研究?，F(xiàn)今這方面的研究途徑大體上有：模擬生命過程，合成生物功能分子及其類似物，組裝成模型生物功能結(jié)構(gòu)等等。人們注意到其中文要問題是生物分子問的相互作用，以及反應(yīng)與反應(yīng)間相互影響問題。二、材料科學(xué)

7第7頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一8第8頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一1．新型導(dǎo)電材料（1）半導(dǎo)體材料自從固體物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了純半導(dǎo)體材料硅和鍺后，新型半導(dǎo)體材料的研究吸引著越來越多的科學(xué)家，可用于半導(dǎo)體的材料也愈來愈多。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的混合型半導(dǎo)體為周期表第III主族與第V主族(磷、砷、銻)所產(chǎn)生的化合物，如銻化鋼、砷化鎵、磷化鋼等。無定形半導(dǎo)體是由無定形硅制成。（2）超導(dǎo)材料如前所述，人們努力創(chuàng)造各種超導(dǎo)體以提高臨界轉(zhuǎn)變溫度。到1991年有兩項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)：一是有機(jī)超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到12.5K；另外,發(fā)現(xiàn)堿金屬摻雜的C也具有超9第9頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

導(dǎo)性，臨界轉(zhuǎn)變溫度達(dá)33K。到1993年俄羅斯L．N．Grigorov發(fā)現(xiàn)了經(jīng)過氧化的聚丙烯體系能在300K呈現(xiàn)超導(dǎo)性。他采用Ziegler聚合法合成的聚丙烯溶于溶液后，沉積于銅或鋼的基體上，形成厚度為0.3—100μm的PP薄膜，經(jīng)過3年空氣中氧化后(或采用紫外線照射后放置幾個(gè)星期)，發(fā)現(xiàn)有一些局部超導(dǎo)點(diǎn)，其轉(zhuǎn)變溫度大于300K，局部超導(dǎo)點(diǎn)的直徑＜0.1μm這是有機(jī)超導(dǎo)體研究中所報(bào)導(dǎo)的唯一的轉(zhuǎn)變溫度，還要進(jìn)一步證實(shí)。但有機(jī)超導(dǎo)體在短短的26年歷史中，出現(xiàn)如此舉世矚目的結(jié)果，提示了未來追求的目標(biāo)。（3）有機(jī)導(dǎo)體能導(dǎo)電的有機(jī)固體是近年來發(fā)展較快的一個(gè)新興領(lǐng)域。一般認(rèn)為有機(jī)化合物是電絕緣體，在已經(jīng)有的幾百萬種有10第10頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

機(jī)化合物中，大多數(shù)確是絕緣體。1974年日本的白川英樹等在高濃度催化劑作用下合成了具有金屬光澤的高順式聚乙炔薄膜，后經(jīng)AsF5或I2摻雜后，呈現(xiàn)了明顯的金屬特性，電導(dǎo)率可達(dá)105。這比未摻雜前提高了十幾個(gè)數(shù)量級(jí)。隨后的研究相繼發(fā)現(xiàn)了多種不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電高分子，如聚—1，4—亞苯、聚吡咯、聚苯硫醚、聚嚏吩、聚—1，4—亞苯基乙烯、聚苯胺等，經(jīng)摻雜后可產(chǎn)生高電導(dǎo)率；并在光、電、磁及熱電動(dòng)勢性能方面開展了深入研究，提出了孤子理論，極化子和雙極化子理論等，成為一門新興的交叉學(xué)科。11第11頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一12第12頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

（4）有機(jī)磁性材料近十余年來，科學(xué)家預(yù)言了幾種具有特殊結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物和高分子化合物可能具有磁性，如高分子—金屬配合物、分子內(nèi)含氮氧穩(wěn)定自由基團(tuán)結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物、平面大π鍵結(jié)構(gòu)的有機(jī)物以及電子轉(zhuǎn)移復(fù)合物?；瘜W(xué)家在這四方面的探索頗有成績。如以二茂鐵為原料合成出室溫下具有磁性、居里溫度達(dá)攝氏200多度的高分子金屬配合物，并發(fā)現(xiàn)用它們做成的磁性元件對(duì)電磁波的傳輸具有明顯的低頻率損耗系數(shù)和低濕度損耗系數(shù)的特點(diǎn)。這些動(dòng)向說明有機(jī)磁性材料在高頻電磁波通訊領(lǐng)域有潛在用途。13第13頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2．新型光學(xué)材料（1）非線性光學(xué)材料這是一種廣泛應(yīng)用子倍頻器件、激光唱盤、激光訂印、彩色打印、自聚焦透鏡、紅外成像、纖維光學(xué)等高科技領(lǐng)域的新型光學(xué)材料，在無機(jī)材料方面如BBO(偏硼酸鋇)是一種優(yōu)質(zhì)的紫外倍頻晶體材料，能輸出最短的相干光波長，倍頻效應(yīng)大，抗光損傷能力高，調(diào)諧溫度半寬度寬，廣泛用于激光技術(shù)中。

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（2）液晶和有機(jī)電致發(fā)光材料隨著信息技術(shù)的興起，巨大的顯示器需求促使液晶材料飛速發(fā)展。電子顯示是電子工業(yè)在20世紀(jì)末繼微電子和計(jì)算機(jī)之后的又一次大發(fā)展機(jī)會(huì)。1994年-2000年，全球顯示器銷售額從194億美元增加到337億美元。特別是筆記本電腦、各類通訊設(shè)備和日用電子產(chǎn)品的普及以及環(huán)保的要求，工作和家用電腦也逐步采用平板顯示器，預(yù)期平極顯示器生產(chǎn)將成為21世紀(jì)信息社會(huì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。15第15頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

（3）光開關(guān)材料在處理光信號(hào)的過程中需要一種光學(xué)裝置來開關(guān)、放大及儲(chǔ)存光信號(hào)。設(shè)計(jì)合成這種光學(xué)裝置的材料是至關(guān)重要的。正如以硅為基片的裝置可以處理電信號(hào)一樣，目前的這種光裝置所用的光開關(guān)材料是鋁酸鋰、砷化鎵鋁等。近年來的研究表明，一些新材料如聚乙炔、手性有機(jī)分子、液晶等顯示了更優(yōu)越的光學(xué)性能。在光開關(guān)材料這一領(lǐng)域中，新的發(fā)現(xiàn)及其實(shí)際應(yīng)用的潛力都很大。

3．新型陶瓷材料（1）工程陶瓷目前有氮化硅、碳化硅，硅化鎢、二氧化鋁、三氧化鋁等。這些材料具有耐熱、高硬度、耐磨、耐腐蝕、相對(duì)密度小等特點(diǎn)。若能用于燃?xì)廨啓C(jī)，可使工作溫度從目前16第16頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

1100℃提高到1370℃，而熱效率從60％提高到80％，是理想的發(fā)動(dòng)機(jī)材料。但其致命缺點(diǎn)是脆性。近期研究表明：用不同配比的各種原料和陶瓷復(fù)合材料制成的納米級(jí)原材料經(jīng)燒結(jié)可提高韌性。這一發(fā)現(xiàn)吸引了許多研究者，成為國際上研究的熱點(diǎn)。預(yù)期合成陶瓷研究將使全陶瓷內(nèi)燃機(jī)盡快成為現(xiàn)實(shí)。這是21世紀(jì)的新挑戰(zhàn)，將使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、刀具、模具等方面面貌一新。（2）電氣陶瓷它以氧化鋁為主體，經(jīng)1500-1900℃燒結(jié)面成。具有壓電陶瓷性能，就可實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)變，用于壓電振子、電波濾波器、壓電變換器、通話器、聲納探傷器、點(diǎn)火器、毛發(fā)干燥器等。（3）超硬陶瓷材料17第17頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

金剛石是一種天然“陶瓷”。人造全剛石已進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)。因?yàn)槿珓偸蕴冀Y(jié)構(gòu)為主，其高溫抗氧化性能較差?，F(xiàn)已研制出氮化硼材料，硬度僅次于全剛石，但高溫抗氧化性能好。金剛石在800℃開始氧化，而立方氮化硼在1200℃才開始氧化，這使它在耐高溫超硬陶瓷材料方面有良好應(yīng)用前景。（4）熱敏元件陶瓷半導(dǎo)體熱敏陶瓷(PTC)具有正的溫度系數(shù)，當(dāng)溫度上升到相變溫度時(shí)，電阻急劇增大，可用于各種溫控元件，如電熱器、電飯堡、烤箱、干燥器等。濕敏元件其相對(duì)溫度為90％，電阻4.24，可用于空調(diào)機(jī)。新型陶瓷材料發(fā)展較快，超導(dǎo)材料實(shí)際上也是一種新18第18頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

型陶瓷，當(dāng)然由于陶瓷材料的特殊性能，在研究和開發(fā)其應(yīng)用前景時(shí)，需要不同學(xué)科交叉，共同來研究和探索出新的功能材料。

4．復(fù)合材料（1）聚合物基復(fù)合材料主要是指纖維增強(qiáng)聚合物材料。如將碳纖維包覆在環(huán)氧樹脂中使復(fù)合材料強(qiáng)度增加，用于制造網(wǎng)球拍、高爾夫球相和滑雪橇等。玻璃纖維復(fù)合材料為玻璃纖維與聚酯的復(fù)合體，可以用于結(jié)構(gòu)材料，如汽車和飛機(jī)中的某些部件、橋體的結(jié)構(gòu)材料和船體等，其強(qiáng)度可與鋼材相比。增強(qiáng)的聚酰亞胺樹脂可用于汽車的“塑料發(fā)動(dòng)機(jī)”，使發(fā)動(dòng)機(jī)重量減輕，節(jié)約燃料。19第19頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

（2）陶瓷基復(fù)合材料為改變陶瓷的脆性，將石墨或聚合物纖維包覆在陶瓷中，制成的復(fù)合材料有一定的韌性，不易碎裂，且還可在極高的溫度下使用。這類陶瓷基復(fù)合材料可望成為汽車、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的新型結(jié)構(gòu)材料。金屬網(wǎng)陶瓷基材料具有超強(qiáng)剛性，可作為防彈衣的材料。（3）金屬基復(fù)合材料在金屬表面涂層，可以保護(hù)金屬表面或賦予金屬表面某種特殊功能，如金屬表面涂油漆以抗腐蝕；金屬表面作搪瓷內(nèi)襯可制造化學(xué)反應(yīng)釜；金屬表面鍍鉻使表面光亮；金屬表面涂以高分子彈性體賦予表面韌性，可作為抗氣蝕材料用于水輪機(jī)、汽輪機(jī)的不銹鋼葉片上，延長其使用年20第20頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

限；在純的硅晶片上復(fù)合多層有專門功能的物質(zhì)可用子計(jì)算機(jī)的集成電路片。近年來出現(xiàn)的鋼—硼纖維，

5．生物醫(yī)學(xué)材料由生物分子構(gòu)成生物材料，再由生物材料構(gòu)成生物部件。生物體內(nèi)各種材料和部件有各自的生物功能。它們是“活”的，也是被整體生物控制的。生物材料中有的是結(jié)構(gòu)材料，包括骨、牙等硬組織材料和肌肉、腔、皮膚等軟組織；還有許多功能材料所構(gòu)成的功能部件，如眼球晶狀體是由晶狀體蛋白包在上皮細(xì)胞組成的薄膜內(nèi)而形成的無散射、無吸收、可連續(xù)變焦的廣角透鏡。在生物體內(nèi)生長有不同功能的材料和部件，材料科學(xué)的發(fā)展方向之一是模擬這些生物材料制造人工材料。它們可以做生物部件的人工21第21頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

代替物，也可以在非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中使用。前者如人工瓣膜、人工關(guān)節(jié)等；后者則有模擬生物教合劑、模擬酶、模擬生物膜等。

6．新型合金材料（1）輕質(zhì)合金鋁-鋰合金具有高比強(qiáng)度、高比剛度且相對(duì)密度小(2.5)的特點(diǎn)，如用作現(xiàn)代飛機(jī)蒙皮材料，一架大型客機(jī)可減輕重量50kg。以波音747為例，每減重1Kg，一年獲利2000美元。鈦合金相對(duì)密度為4.55，比鋼輕，耐腐蝕，無磁性，強(qiáng)度高，用于艦艇材料。（2）貯氫合金未來能源的開發(fā)中，氨是一種發(fā)熱高、無污染、無公22第22頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

害、取之不盡、用之不竭的能源，是能源研究的一個(gè)發(fā)展方向，關(guān)鍵問題是如何貯存氨?氫氣是一種易燃易爆的氣體，要在-253℃才液化。1968年美國首先發(fā)現(xiàn)Mg—Ni合金具有貯氫功能，但要在250℃時(shí)才放出氫。后相繼發(fā)理Ti—Fe，Ti—Mn，La—Ni等合金也有貯氫功能。La—Ni貯氫合金在常溫、0.152MPa下就可放出氫，可用于汽車、燃料電池等，新型貯氫合金材料的發(fā)現(xiàn)和實(shí)際應(yīng)用有待于2l世紀(jì)繼續(xù)努力。（3）超耐熱合金鎳鈷合金能耐1200℃，用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的構(gòu)件。鎳鉻鐵非磁性耐熱合金在1200℃時(shí)仍具有高強(qiáng)度、韌性好的特點(diǎn)，可用于航天飛機(jī)的部件和原于反應(yīng)堆的控23第23頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

制捧等。尋找耐高溫(1000℃以上)、可長時(shí)間運(yùn)行(10000h以上)、耐腐蝕、高強(qiáng)度等要求的合金材料，仍是今后研究的方向。（4）形狀記憶合金它們具有高彈性、金屬橡膠性能、高強(qiáng)度等特點(diǎn)，如N—Ti，Ag—Cd，Cu—Cd，Cu—A1—Ni，Cu—Al—Zn等合金，可用作調(diào)節(jié)裝置的彈性元件(如高合器，節(jié)流閥，溫控元素等)、熱引擎材料、醫(yī)療材料(牙齒矯正材料)等。在研制合金材料方面，如同復(fù)合材料一樣，以功能和用途為原動(dòng)力，設(shè)計(jì)和合成各種類型的新合金材料，如高性能結(jié)晶控制合金、非晶合金、超微粒于合金等等。這些是金屬材料中最活躍的發(fā)展領(lǐng)域。24第24頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一7．高分子材料塑料、橡膠、纖維、涂料這四種廣泛應(yīng)用的高分子材料是20世紀(jì)人類文明的標(biāo)志之一，也是提高人類生活質(zhì)量的主要物質(zhì)基礎(chǔ)之一。這四大類高分子材料雖是傳統(tǒng)材料，但卻是發(fā)展最快、更新最快的材料。在未來高分子材料的研究中化學(xué)家要不斷設(shè)計(jì)和合成性能更好、功能更完善的高分子化合物；還要掌握材料結(jié)構(gòu)與其性質(zhì)與功能的關(guān)系，有目的的去設(shè)計(jì)和研究。如目前正在研究中的高性能聚烯烴工程材料，抗滑、耐磨損、低生熱輪胎橡膠，納米纖維，無溶劑涂料，智能塑料等。25第25頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

三、環(huán)境化學(xué)化學(xué)物質(zhì)(包括天然的和人工的)在過去一個(gè)世紀(jì)中為人類進(jìn)步和生活質(zhì)量的提高起了不可替代的作用，今后還要起更大的作用。但化學(xué)物質(zhì)都有兩面性，大量人工物質(zhì)的開發(fā)和使用已造成對(duì)生態(tài)環(huán)境的沖擊。人為造成的物理的和生物因子也同樣有兩面性。這幾方面相互協(xié)同構(gòu)成對(duì)人類未來的威脅。為了既要人類進(jìn)步與生活質(zhì)量提高，又要保護(hù)人類安全，所以保護(hù)環(huán)境的問題十分嚴(yán)峻。目前，人們已經(jīng)注意到許多化學(xué)物質(zhì)(實(shí)際上生物和能量也如此)在一定濃度、一定條件下會(huì)產(chǎn)生有利的效應(yīng)；面在較高濃度或另外的條件下則會(huì)產(chǎn)生有害的作用。化學(xué)家的任務(wù)是找出最適合條件，以利用其有利的一面，防止其有害的一面。26第26頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

環(huán)境化學(xué)逐步成為一門新興的交叉學(xué)科，它涉及到化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、地學(xué)、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)、工程技術(shù)和社會(huì)科學(xué)等多門學(xué)科，其綜合性較強(qiáng)。一個(gè)城市，一個(gè)國家，甚至世界上的環(huán)境問題，光靠化學(xué)家們的分析、檢測、治理方案等還不能徹底解決問題，需各級(jí)政府的宏觀調(diào)控手段和財(cái)力保證。如我國西南重鎮(zhèn)重慶的酸雨問題。其空氣的pH＜4.5，最低為2.8，主要成分為H2SO4和HNO3。這不是一、二個(gè)企業(yè)造威的，也不是環(huán)境化學(xué)所能解決的。這是因?yàn)樗拇?、重慶所用的天然氣中硫含量較高，西南地區(qū)的森林資源逐年減少等，所以必須由政府出面，投資解決基礎(chǔ)設(shè)施，進(jìn)行綜合治理，如建立現(xiàn)代化天然氣脫硫裝置，嚴(yán)格控制天然氣中硫含量。這樣降低天然氣燃燒時(shí)放出的二氧化硫絕對(duì)量，以減少酸雨形成。此外，封山造27第27頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

林，增加綠色覆蓋率等等。當(dāng)然從化學(xué)角度未講，環(huán)境化學(xué)的建立有助于從科學(xué)的角度來治理環(huán)境污染。

1．什么是環(huán)境化學(xué)環(huán)境化學(xué)是研究環(huán)境中物質(zhì)問相互作用的學(xué)科。包括研究天然物質(zhì)、生物物質(zhì)和合成化學(xué)物質(zhì)在環(huán)境介質(zhì)(大氣、水體、土壤、生物)中的存在、化學(xué)特注、行為和效應(yīng)，并在此基礎(chǔ)上研究其控制的化學(xué)原理和方法。圖11表示化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入各種介質(zhì)(如大氣、水、土壤、生物)后通過遷移轉(zhuǎn)化，動(dòng)態(tài)地把各種介質(zhì)聯(lián)系起未，并在各種介質(zhì)中表現(xiàn)出各自特有的環(huán)境化學(xué)行為和化學(xué)效應(yīng)、從面形成了環(huán)境化學(xué)的有關(guān)分支學(xué)科：大氣環(huán)境化學(xué)、水環(huán)境化學(xué)相土壤環(huán)境化學(xué)等。

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2．環(huán)境化學(xué)的研究方向（1）環(huán)境分析化學(xué)分析和檢測環(huán)境介質(zhì)(大氣、水、土壤、生物)中存在的有害物質(zhì)，是環(huán)境分析化學(xué)的首要任務(wù)。鑒于近年來分析儀器的迅速發(fā)展，特別是分析儀器聯(lián)用技術(shù)的出現(xiàn)，如GC／Ms，LC/MS，MS/MS，HPLC/ESIMS，GC—AED，HPLC/APIMS(大氣壓電離質(zhì)譜)等，使分析的靈敏度大大提高，從痕量分析10-12級(jí)發(fā)展到超痕量分析10-15級(jí)。這對(duì)環(huán)境分析化學(xué)的發(fā)展起了很重要的作用。環(huán)境分析化學(xué)需要解決的關(guān)鍵問題有：樣品采集和保存等前處理問題，物種分析，現(xiàn)場實(shí)時(shí)分析監(jiān)測，瞬態(tài)物種的測定以及對(duì)難揮發(fā)性化合物、強(qiáng)極性化合物的分析等。雖然有機(jī)化合物和金屬有機(jī)化合物的環(huán)境分析發(fā)展很快，但在污染物濃度極30第30頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

低、樣品組成復(fù)雜、毒物轉(zhuǎn)化迅速等情況下分析監(jiān)視仍有一定難度。要達(dá)到高靈敏度、瞬時(shí)快速和在線分析，還需要進(jìn)行大量基礎(chǔ)性研究工作。另外，建立環(huán)境分析的數(shù)據(jù)庫并聯(lián)網(wǎng)，這將是今后的發(fā)展方向。（2）大氣環(huán)境化學(xué)主要研究大氣污染物的物理化學(xué)表征，環(huán)境中的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，大氣光化學(xué)機(jī)制及自由基反應(yīng)過程等。由于大氣中顆粒物的增多，微粒組成及其對(duì)生態(tài)或健康的影響越來越顯得重要，因此研究重點(diǎn)由均相化學(xué)體系轉(zhuǎn)向非均相化學(xué)體系。其中對(duì)多種分子組成的微粒，其分子形態(tài)的研究，即多分于聚集體系如何組成微粒以及它們對(duì)大氣環(huán)境的影響，將成為全球性環(huán)境問題熱點(diǎn)。

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（3）水環(huán)境化學(xué)水是人類賴以生存的珍貴資源。由于海水占全球水資源的97.2％，實(shí)際上淡水資源滿足不了人類的需求，缺淡水是全球而臨的主要威脅之一。因此保護(hù)水資源不受污染是水環(huán)境化學(xué)的主要研究方向。近年來，對(duì)水環(huán)境化學(xué)有熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究兩個(gè)方而：一個(gè)以化學(xué)平衡原理為主，一個(gè)研究環(huán)境化學(xué)過程的速率及反應(yīng)機(jī)制。由此建立的模型和模式逼近真實(shí)，已在天然水體化學(xué)的最重要的方面逐漸進(jìn)入定量化研究階段。在面體-7k的界面化學(xué)研究方面。特別是對(duì)因體表面和溶質(zhì)相互作用的吸附過程的研究，已相當(dāng)深入。無論是對(duì)顆粒物之間膠體化學(xué)系統(tǒng)和行為的研究，還是對(duì)地球化學(xué)過程速率和規(guī)模的定量處理等方面，界面化學(xué)都是很重要的。32第32頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

研究顆粒物之間相互作用的界面化學(xué)涉及眾多環(huán)境問題，如土壤沉積物間有機(jī)物和無機(jī)物的環(huán)境行為，水與底泥界面營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化及其向水體中的再釋放的過程和機(jī)制，表層水中污染物的行為以及與大氣之間的界面反應(yīng)和水污染控制等過程的研究中，界面過程均屬有廣泛實(shí)際意義的基礎(chǔ)性研究內(nèi)容。大氣和水的相互作用、土壤和水的相互作用均為水環(huán)境化學(xué)中的重要研究內(nèi)容。大氣中的微粒、土壤中的有機(jī)物和無機(jī)物均是水污染的來源，它們之間相互作用的過程和機(jī)理及其環(huán)境行為均為重要的研究內(nèi)容。

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（4）土壤環(huán)境化學(xué)全球土壤生態(tài)環(huán)境受到農(nóng)藥、化肥、生物質(zhì)燃燒、大氣污染物的沉降、酸雨、污水灌溉、工業(yè)和生活廢物的堆埋等污染。在污染的土壤中生長的食物直接和間接地威脅著人類安全。因此必需加強(qiáng)化學(xué)污染物(包括有機(jī)物、無機(jī)物等)在土壤中的分配、吸附、擴(kuò)散、流動(dòng)、降解過程和機(jī)理的基礎(chǔ)研究，并且要制定土壤環(huán)境中化學(xué)污染物的允許程度，如何控制和修復(fù)受污染的土壤，為保護(hù)土壤生態(tài)環(huán)境和土地有效利用提供必要的科學(xué)根據(jù)。對(duì)可耕地，要一個(gè)地區(qū)一個(gè)地區(qū)地分析檢測，建立基準(zhǔn)，進(jìn)行研究。34第34頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

（5）元素化學(xué)循環(huán)全球性元素循環(huán)研究在不斷發(fā)展，待別是汞、鉛、氮、磷等的轉(zhuǎn)化和遷移過程的環(huán)境化學(xué)過程。汞污染是個(gè)全球性的問題，不同形態(tài)的汞會(huì)引起不同生態(tài)反應(yīng)：金屬汞會(huì)引起人的脫發(fā)，以至嚴(yán)重的會(huì)造成死亡；有機(jī)汞如甲基汞對(duì)胎兒健康有影響。鉛的污染也很嚴(yán)重。據(jù)調(diào)查我國有一半城市兒童的血鉛含量已超過國際公認(rèn)的鉛中毒標(biāo)準(zhǔn)，且影響他們的智力發(fā)育。大量使用氮肥和生物固氮，使大量氮化合物排人大氣，并使貯存態(tài)氮轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)氮如N2O，NH3，N2等。目前世界上已發(fā)現(xiàn)不少生態(tài)系統(tǒng)顯示出N03-和NH4+的濃度大大的增長。這對(duì)一些地區(qū)的土壤、森林、飲用水質(zhì)、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的酸度帶來不利影響。由于磷是35第35頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

生物的一個(gè)關(guān)鍵營養(yǎng)元素，但使用大量磷肥和含磷洗滌劑會(huì)使大量的磷進(jìn)人水和土壤中，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良影響。應(yīng)大力加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，搞清楚這些元素的生態(tài)循環(huán)過程和機(jī)理，并作出相應(yīng)的環(huán)境保護(hù)措施。（6）控制污染的化學(xué)以污染預(yù)防為主的一體化污染控制方式正在取代過去傳統(tǒng)的頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳的“管端”污染治理方式。要研究和強(qiáng)調(diào)化學(xué)反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性、高選擇性、高反應(yīng)活性和環(huán)境友好性。在化學(xué)反應(yīng)的設(shè)計(jì)上去解決和控制污染問題，這是根治的辦法(詳見下節(jié)綠色化學(xué)中的敘述)，并要研究如何用這些方法去改造老的化學(xué)過程和企業(yè)。另一方面對(duì)現(xiàn)有工業(yè)的三廢處理亦不能放松，如石油化工、煤化36第36頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

工、天然氣化工及皮革、造紙、塑膠等工業(yè)，要努力做到化學(xué)生產(chǎn)過程和環(huán)境治理相結(jié)合，這也是控制污染化學(xué)的一個(gè)重要研究內(nèi)容。（7）環(huán)境計(jì)算化學(xué)環(huán)境計(jì)算化學(xué)和數(shù)學(xué)、物理有關(guān)學(xué)科相結(jié)合，使以經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的環(huán)境化學(xué)研究趨于更加科學(xué)化和理論化，并解決了一些過去難以進(jìn)行數(shù)值求解的問題，擴(kuò)展了環(huán)境化學(xué)的應(yīng)用范圍，這是一個(gè)應(yīng)該重視的新興領(lǐng)域。環(huán)境計(jì)算化學(xué)研究主要包括多組分體系定量分析，數(shù)據(jù)處理中將隨機(jī)變量引人多元統(tǒng)計(jì)分析方法，遺傳算法等。大氣、水體、土壤環(huán)境過程模擬和模式得到進(jìn)一步發(fā)展，如模擬水稻田釋放甲烷，小麥釋放NO2，高密度有毒氣體擴(kuò)散過37第37頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

程模擬等。人工智能在環(huán)境化學(xué)中的應(yīng)用包括神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)和模糊數(shù)學(xué)等方面。環(huán)境化學(xué)過程(工藝)的模糊控制在不久將來可望獲得成功。四、綠色化學(xué)

1．什么是綠色化學(xué)化學(xué)工業(yè)能否潔凈地生產(chǎn)化學(xué)品?綠色化學(xué)也就是面對(duì)這樣的問題下產(chǎn)生的。其核心是要利用化學(xué)原理從源頭消除污染。綠色化學(xué)是指化學(xué)反應(yīng)和過程以“原子經(jīng)濟(jì)性”為基本原則，即在獲取新物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)中充分利用參與反應(yīng)的每個(gè)原料原子，實(shí)現(xiàn)“零排放”。不僅充分利用資源，而且不產(chǎn)生污染；并采用無毒、無害的溶劑、助劑和催化劑，生產(chǎn)有利于環(huán)境保護(hù)、社區(qū)安全和人身健康的環(huán)境友好產(chǎn)品。38第38頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

綠色化學(xué)化工的目標(biāo)是尋找充分利用原材料和能源，在各個(gè)環(huán)節(jié)都潔凈和無污染的反應(yīng)途徑和工藝。對(duì)生產(chǎn)過程來說，綠色化學(xué)包括：節(jié)約源材料和能源，淘汰有毒原材料，在生產(chǎn)過程排放廢物之前減降廢物的數(shù)量和毒性；對(duì)產(chǎn)品來說，綠色化學(xué)旨在減少從原料的加工到產(chǎn)品的最終處置的全周期的不利影響。綠色化學(xué)不僅將為傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)帶來革命性的變化，面且必將推進(jìn)綠色能源工業(yè)及綠色農(nóng)業(yè)的建立與發(fā)展。因此綠色化學(xué)是更高層次的化學(xué)，化學(xué)家不僅要研究化學(xué)品生產(chǎn)的可行性和現(xiàn)實(shí)用選，還要考慮和設(shè)計(jì)符合綠色化學(xué)要求、不產(chǎn)生或減少污染的化學(xué)過程。這是一個(gè)難題，也是化學(xué)家面臨的一項(xiàng)新挑戰(zhàn)。39第39頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2．綠色化學(xué)的發(fā)展方向從綠色化學(xué)的目標(biāo)來看有兩方面必須重視：一是開發(fā)以“原子經(jīng)濟(jì)性”為基本原則的新化學(xué)反應(yīng)過程；另一個(gè)是改進(jìn)現(xiàn)有化學(xué)工業(yè)，減少和消除污染。（1）新的化學(xué)反應(yīng)過程研究

在原子經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)上研究合成化學(xué)和催化的基礎(chǔ)問題，即綠色合成和綠色催化問題。如美國Monsanto公司不用劇毒的氫氰酸和氰、甲醛為原料，從無毒無害的二乙醇酸出發(fā)，開發(fā)了催化肥氫安全生產(chǎn)氨基二乙酸鈉的技術(shù)，從面獲得了1996美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)中的變更合成路線獎(jiǎng)。美國D帆化學(xué)公司用C02代替對(duì)生態(tài)環(huán)境有害的氟氫烴作苯乙烯泡沫塑料的發(fā)泡劑，因面得到美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)中的改變?nèi)軇┓磻?yīng)條件獎(jiǎng)。40第40頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

在有機(jī)化學(xué)品的生產(chǎn)中，有許多新的化學(xué)流程正在研究開發(fā)。如以新型硅分子篩為催化劑，開發(fā)烴類氧化反應(yīng)；用過氧化氫氧化丙烯制環(huán)氧丙烷；用過氧化氫氫氧化環(huán)己酮合成環(huán)己酮肪；用催化劑的品格氧作烴類選擇性氧化反應(yīng)，如用品格氧氧化丁烷制順酐，用晶格氧氧化鄰二甲苯制苯酐等，這些新流程的開發(fā)是綠色化學(xué)領(lǐng)域中的新進(jìn)展。（2）傳統(tǒng)化學(xué)過程的綠色化學(xué)改造這是一個(gè)很大的開發(fā)領(lǐng)域。如在烯烴的烷基化反應(yīng)生產(chǎn)乙苯和異丙苯生產(chǎn)過程中需要用酸催化反應(yīng)，過去用液體酸HF催化劑，面現(xiàn)在可以用團(tuán)體酸——分子篩催化合成，并配合固定床烷基化工藝，解決了環(huán)境污染問題。在異氰酸酯的生產(chǎn)過程，過去一直是用劇毒的光氣作為合成原料，面現(xiàn)可用CO2和胺催化合成異氰酸酯，成為環(huán)境友好的化學(xué)工藝。41第41頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

（3）能源中的綠色化學(xué)問題和潔凈煤化學(xué)技術(shù)我國現(xiàn)今能源結(jié)構(gòu)中，煤是主要能源。由于煤含硫量高和燃燒不完全，造成SO2和大量煙塵排出，使大氣污染。我國每年由燃煤排放的SO2這1600萬t，煙塵達(dá)1300萬t。由SO2而產(chǎn)生的酸雨對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞十分嚴(yán)重。因此研究和開發(fā)潔凈煤化學(xué)技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急，這方面要重視研究催化燃燒技術(shù)，等離子除硫除塵，生物化學(xué)除硫等新技術(shù)。嚴(yán)格控制排放標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)察大氣的質(zhì)量，這是大氣凈化中的首要任務(wù)。42第42頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

（4）資源再生和循環(huán)使用技術(shù)研究自然界的資源有限，因此人類生產(chǎn)的各種化學(xué)品能否回收、再生和循環(huán)使用也是綠色化學(xué)研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。世界塑料的年產(chǎn)量已達(dá)1億t，大部分是由石油裂解成乙烯、丙烯，經(jīng)催化聚合而成的。而達(dá)1億t中約有5％經(jīng)使用后當(dāng)年就作為廢棄物排放，如包裝袋、地膜、飯盒、汽車?yán)菺我國推廣地膜覆蓋面積達(dá)7000萬畝，塑料用量高達(dá)30萬t，“白色污染”和石油資源浪費(fèi)十分嚴(yán)重。而歐各國提出三R原則：首先是降低塑料制品的用量，第二是提高塑料的穩(wěn)定性，倡導(dǎo)推行塑料制品特別是塑料包裝袋的再利用，第三是重視塑料的再資源化?；厥諒U棄塑料，再生或再生產(chǎn)其他化學(xué)品、燃料油或焚燒發(fā)電供氣等。同時(shí)在礦物資源方面亦有三R原則的問題。43第43頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

開礦提煉和制造金屬材料亦是大量消耗能源和勞動(dòng)力的工業(yè)，如鋁材現(xiàn)已廣泛用于建材、飛機(jī)和日用品等方面，面純鋁要電解法制備，是一個(gè)大量耗電的工業(yè)，應(yīng)該做好鋁廢棄物的回收和再生技術(shù)研究。（5）綜合利用的綠色生化工程如用現(xiàn)代生物技術(shù)進(jìn)行煤的脫硫、微生物造紙以及生物質(zhì)能源等的研究。綜上所述，綠色化學(xué)是近年來才被人們認(rèn)識(shí)和開展研究的一門新興學(xué)科，是實(shí)用背景強(qiáng)、國計(jì)民生急需解決的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。在21世紀(jì)中它必將大展宏圖，為人類可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。44第44頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

五、能源化學(xué)

1．氫能這是未來最理想的能源。氫作為水的組成，用之不竭；而且氫燃燒后唯一的產(chǎn)物是水，無環(huán)境污染問題。氫作為能源放出的能量還遠(yuǎn)大于煤、石油、天然氣等能源，1g氫燃燒能釋放出142kJ的熱量，是汽油發(fā)熱量的3倍。目前世界上氫的年產(chǎn)量為3600萬t，但絕大部分是從石油、煤炭和天然氣中制??；水電解制氫因消耗電能太多，經(jīng)濟(jì)上不合算，只占4％份額。對(duì)化學(xué)家來講，研究新的經(jīng)濟(jì)上合理的制氫方法是一項(xiàng)具有戰(zhàn)略性的研究課題。理想的氫能源如圖12所示。45第45頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2．燃料電池與干電池和蓄電池不同．這種電池的化學(xué)燃料不是裝在電池內(nèi)部，而是儲(chǔ)存在電池外部?？梢园措姵氐男枰?，源源不斷地提供化學(xué)燃料，就像在燃?xì)忮仩t中添加煤和油一樣。燃料所具有的化學(xué)能連續(xù)而直接地轉(zhuǎn)變成電能。其發(fā)電效率比現(xiàn)在應(yīng)用的火力發(fā)電還高．并在發(fā)電的同時(shí)還可得到優(yōu)質(zhì)水蒸氣，達(dá)到發(fā)電又供熱的需要，其總熱效率可達(dá)到80％。燃料電池在結(jié)構(gòu)上與蓄電池相似，也是由正極、負(fù)極和電解質(zhì)組成。正極和負(fù)極大都是用鐵和鎳等惰性微孔材料制成。這些電極既不參與化學(xué)反應(yīng)，又有利于氣體燃料及空氣或氧氣的通過。從電池正極把空氣或氧輸送進(jìn)去，而從負(fù)極將氫氣或碳?xì)浠衔?、甲醇、甲烷、一氧化碳?6第46頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

氣體輸送進(jìn)去。這時(shí)，在電池內(nèi)部氣體燃料和氧發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，于是燃料的化學(xué)能就直接轉(zhuǎn)變成了電能。目前已有一些處于研制階段的新型高效燃料電池，它們由片狀陶瓷制成，工作溫度高達(dá)800—1000℃，足以將所有的輕質(zhì)烴燃料分解成氫氣和一氧化碳。預(yù)期21世紀(jì)初燃料電池將會(huì)在汽車、軍艦、通訊電源等方而得到實(shí)際應(yīng)用。

3．生物質(zhì)能源光合作用創(chuàng)造的綠色植物是取之不竭的生物資源。它們主要由碳?xì)浠衔锝M成，也是一種可供人們利用的能源。綠色植物生長的過程是二氧化碳和水通過光合作用合成單糖，并把太陽能儲(chǔ)存在其中；然后又把單糖聚合成淀粉、纖維和其他大分于生物質(zhì)。其中占絕大多數(shù)的纖維構(gòu)成細(xì)胞壁的主體，它們主要成分是纖維素(50％-55％)、半纖47第47頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

維素(15％-25％)和木質(zhì)素（20％-30％）等。纖維素是由葡萄糖基組成的線型大分子；半纖維素是一群氫合聚糖的總稱，不同植物的復(fù)合聚糖的組分也不同，木質(zhì)素是自然界最復(fù)雜的天然聚合物之一，它的結(jié)構(gòu)中重復(fù)單元之間缺乏規(guī)則性和有序性。木質(zhì)素是可再生的植物纖維資源和組分中蘊(yùn)藏太陽能最高的部分，也是地球上最豐富的可再生資源(估計(jì)全世界每年可產(chǎn)生600萬億t)。以纖維素微纖的形式作為“骨鈍”，其周圍是由半纖維素和具有三元網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的木質(zhì)素巨大分子粘結(jié)成的天然增強(qiáng)結(jié)構(gòu)體，是一種不熔、不溶的天然復(fù)合材料。48第48頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一4．太陽能電池太陽能電池是一種能把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪芰哭D(zhuǎn)換器。這種電池是利用“光生伏打效應(yīng)”原理制成，即當(dāng)物體受到光照射時(shí)，物體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢或電流的現(xiàn)象。太陽能電池主要靠半導(dǎo)體的作用。當(dāng)陽光照射在半導(dǎo)體的p—n結(jié)時(shí)，就會(huì)在p—n結(jié)的兩端出現(xiàn)電壓，如果將p—n結(jié)兩端用導(dǎo)線連接起來．就會(huì)產(chǎn)生電流。當(dāng)陽光照射時(shí)，太陽能電池產(chǎn)生的電流不僅能滿足當(dāng)時(shí)的供電需求，而且還能將部分電能儲(chǔ)存于蓄電池中，可用作汽車、飛機(jī)、宇航、電視、航標(biāo)燈等的電源。太陽能電池的關(guān)鍵是半導(dǎo)體材料，如何研制和選擇適用于太陽能電池的半導(dǎo)體，是化學(xué)家們研究的領(lǐng)域。目前各種半導(dǎo)體材料中以單晶硅太陽能電池的性能較好，光電轉(zhuǎn)換效率高，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長。這是利用太陽能的一個(gè)重要方向。49第49頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

5．海水鹽差發(fā)電利用海水鹽差能發(fā)電也是一種獲得能源的途徑。鹽差能是以化學(xué)能形態(tài)出理的一種海洋能。眾所周知，地球上的水有二類：淡水和咸水，其中咸水占97.2％，而2.15％的淡水儲(chǔ)存在南極和北極的冰川或離山冰川中，這其中只有2.65％的淡水可供人類直接利用。海洋中的咸水鹽含量很高，每立方千米的海水里溶有3500萬t食鹽，含鹽濃度高的海水以較大的滲透壓力向淡水?dāng)U散，這種滲透壓力差所產(chǎn)生的能量稱為海水鹽差能。海水鹽差能發(fā)電的原理很簡單，只要用一層多孔質(zhì)隔膜置于海水和淡水之間，二邊插入電極，由于滲透壓力差而產(chǎn)生電動(dòng)勢。較理想的放電場是在江河人?？谔?，大量淡水不停地流向大海，在交界處形成鹽濃度差。這項(xiàng)技術(shù)50第50頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

的關(guān)鍵在于多孔隔膜如何能將淡水和海水隔開而又要形成滲透壓。這種海水鹽差發(fā)電技術(shù)和裝置將是21世紀(jì)發(fā)展能源的一個(gè)研究方面。六、計(jì)算化學(xué)

1．什么是計(jì)算化學(xué)計(jì)算化學(xué)是用量子化學(xué)理論和計(jì)算數(shù)學(xué)來認(rèn)識(shí)、理解、預(yù)言和發(fā)現(xiàn)新的化學(xué)現(xiàn)象的科學(xué)?；瘜W(xué)的兩大支柱-實(shí)驗(yàn)和形式理論-都是化學(xué)發(fā)展的重要研究領(lǐng)域。過去對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重視遠(yuǎn)超過理論計(jì)算。這是因?yàn)榱孔踊瘜W(xué)理論還不完善，許多化學(xué)現(xiàn)象還不能用理論來現(xiàn)解和歸納。由于電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，給計(jì)算化學(xué)創(chuàng)造了很好的研究條件，在開展實(shí)驗(yàn)研究工作之前，化學(xué)家就可在計(jì)算機(jī)上51第51頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

根據(jù)現(xiàn)有化學(xué)數(shù)據(jù)庫的信息和量子化學(xué)理論來計(jì)算和預(yù)測一下實(shí)驗(yàn)工作的結(jié)果；在實(shí)驗(yàn)工作中，可用計(jì)算機(jī)記錄所有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)；在實(shí)驗(yàn)后再用計(jì)算機(jī)來處理數(shù)據(jù)和得出結(jié)論。這一工作方式將會(huì)越來越被化學(xué)家們所接受和利用。成為化學(xué)研究工作中很重要的一個(gè)工作程序。

2．計(jì)算化學(xué)的發(fā)展方向（1）研究分子結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的化合物有1200萬種以上。雖然化學(xué)家們結(jié)化合物進(jìn)行了分類，并了解它們的性質(zhì)和用途，但目前尚沒有一個(gè)完整的化學(xué)數(shù)據(jù)庫把它們的結(jié)構(gòu)和性能聯(lián)系起來。這是一個(gè)工作量很大功工作，不僅是要做一個(gè)數(shù)據(jù)庫，而且要研究總結(jié)各種化合物結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，并深入到為什么某種結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生某種性能的內(nèi)在聯(lián)系。這是物52第52頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

質(zhì)結(jié)構(gòu)化學(xué)的基本要求，要靠計(jì)算化學(xué)通過計(jì)算機(jī)的邏輯思維和運(yùn)算把二者結(jié)合起來。（2）研究化學(xué)反應(yīng)是如何發(fā)生的至今人們尚不能直接觀察化學(xué)反應(yīng)是如何發(fā)生的。只能是通過問接的辦法，如反應(yīng)中間體、產(chǎn)物及反應(yīng)的能態(tài)等信息來推測化學(xué)反應(yīng)的途徑和機(jī)制。計(jì)算化學(xué)可以通過化學(xué)反應(yīng)速率以及溫度等對(duì)反應(yīng)速率的影響等問題的計(jì)算來預(yù)測反應(yīng)結(jié)果。（3）預(yù)測化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物及新化合物具有什么樣的化學(xué)性質(zhì)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生后，可根據(jù)反應(yīng)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)預(yù)測其反應(yīng)產(chǎn)物，也可經(jīng)過各種參數(shù)的綜合運(yùn)算預(yù)測最可能生成的反應(yīng)產(chǎn)物。若反應(yīng)后得到的是新化合物，通過計(jì)算化學(xué)還可以預(yù)測其化學(xué)性質(zhì)及可能功用途。53第53頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

（4）生物大分子的空間結(jié)構(gòu)、取向和形態(tài)研究以共價(jià)鍵結(jié)合的生物大分子(如蛋白質(zhì)、糖、核酸等)除了一級(jí)結(jié)構(gòu)外，還有空間結(jié)構(gòu)和取向，如A的空間結(jié)構(gòu)是雙螺旋型。這種分子的形態(tài)是靠什么力量決定的?每個(gè)分子都有其穩(wěn)定態(tài)，這種穩(wěn)定態(tài)的形狀又是什么樣的?計(jì)算化學(xué)如能對(duì)分子的形狀進(jìn)行可靠的計(jì)算，對(duì)了解分子結(jié)構(gòu)會(huì)提供更多的信息。（5）研究分子—分子體系的排列和相互作用一群分子在一起是以什么形式排列組合起來的?它們是靠什么力場相互作用的?分子與分子之間的排列組合是非共價(jià)鍵體系的，那么各種分子與分子之間的排列順序的穩(wěn)定態(tài)是否可用計(jì)算化學(xué)來確定或預(yù)測?這種分子以上層次的化學(xué)研究有否可能在計(jì)算機(jī)屏幕作出各種可能的排列組合的演示，是一個(gè)十分有意義和新興的化學(xué)研究領(lǐng)域。54第54頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

（6）計(jì)算機(jī)對(duì)化學(xué)過程的模擬計(jì)算化學(xué)希望分子物質(zhì)分子內(nèi)部和分子與分子之間變化的研究，從而預(yù)見化合物的性質(zhì)、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的方向和可能生成的產(chǎn)物等。這樣可以減輕實(shí)驗(yàn)工作量，告訴人們那些可做，那些不可做，讓理性認(rèn)識(shí)來指導(dǎo)化學(xué)實(shí)驗(yàn)工作的進(jìn)行。這在2l世紀(jì)將會(huì)被更多的化學(xué)家所接受。七、納米化學(xué)物質(zhì)顆粒尺寸大小與其性質(zhì)有一定關(guān)聯(lián)，這是人們早已認(rèn)識(shí)了的。一般把尺度在1mm-10mm范圍的稱為微小型(Mini-)；1μm-1mm范圍的為微來級(jí)(Micro-)，1nm-lμm范圍的為納米(Nano-)級(jí)。近年來，發(fā)現(xiàn)物質(zhì)顆粒尺寸小到納來級(jí)時(shí)，其性質(zhì)發(fā)生突變，特別是許多納米級(jí)材料在電、光、磁、力學(xué)以至生物學(xué)等方面的性質(zhì)發(fā)生了突變，55第55頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

這種變異開拓了一門新興的交叉學(xué)科—納米化學(xué)。納米材料已成為高新技術(shù)的重要研究領(lǐng)域，納米科學(xué)技術(shù)將成為2l世紀(jì)關(guān)鍵的高新技術(shù)之—。

1．納米化學(xué)合成（1）納米插層聚合即聚合物單體滲入蒙脫土內(nèi)，再聚合成蒙脫土納米片晶分散在聚合物內(nèi)的納米材料。（2）相分離嵌段聚合物即選用極性不同、彼此不相容的聚合物鏈段，以嵌段形式聚合到一個(gè)高分子鏈上。這種嵌段高分于形成的聚合物將在連續(xù)相內(nèi)存在相分離的納米尺度鏈段，而形成納米材料。56第56頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

（3）雜化材料采用有機(jī)物、低聚物、高分子和金屬鹽、原硅酸酯等無機(jī)物一起通過溶膠嘴膠法共聚合，以合成有機(jī)高分子“接枝”無機(jī)物片斷的“雜化”分子。在這些“雜化”分子中，無機(jī)物片斷于有機(jī)聚合物中產(chǎn)生納米尺度相分離，面成納米材料；或在溶膠—凝膠法中，無機(jī)物經(jīng)還原析出，以納米尺度的金屬粒子分散在有機(jī)聚合物中，這也是一類納米材料。（4）組裝合成納米相即采用分子間弱相互作用，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，采取適當(dāng)組裝方法，把不同性質(zhì)的分子一個(gè)個(gè)的有規(guī)則地組裝成二維、三維結(jié)構(gòu)面成為特殊的納米材料。57第57頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一58第58頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一2．納米檢測技術(shù)納米化學(xué)合成了相應(yīng)的納米顆粒和納米結(jié)構(gòu)材料，必然要發(fā)展納米檢測技術(shù)，如納米粉體的粒度分布測定、孔徑測定、界面研究等。電子顯微鏡雖可觀測到納米尺度，但只是形態(tài)學(xué)手段，不能滿足進(jìn)一步觀測結(jié)構(gòu)和獲得更多信息的要求。為此近年來發(fā)展了掃描探針顯微技術(shù)，如掃描探針顯微鏡(SPM)、原子力顯微鏡(AFM)、磁力顯微鏡(MFM)t光學(xué)掃描隧道顯微鏡(PSTM)、彈道電子發(fā)射顯微鏡(BEEM)等。這些顯微鏡利用探針與樣品的不同的相互作用，來探測表面和界面在納米尺度表現(xiàn)出來的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。它們都為納米化學(xué)的研究提供了極為有用的工具。59第59頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一3．納米材料的異常行為及其用途

20世紀(jì)如年代發(fā)現(xiàn)納米氧化鋯陶瓷在適當(dāng)溫度下(即在其熔點(diǎn)的0.4到0.5之間)具有很大的塑性存在。不僅是納米的離子型化合物是如此，具有共價(jià)型的納米級(jí)氮化硅陶瓷在適當(dāng)溫度下也是如此，且具有比微米級(jí)氮化硅陶瓷高出l倍以上的形變能力。在室溫下納米氧化信陶瓷具有的這種超塑性行為，引超了人們極大的興趣。陶瓷的缺點(diǎn)——脆性是否能在這種具異常性能的納米材料中找到改進(jìn)的途徑?納米陶瓷所呈現(xiàn)的超塑性不但為陶瓷材料帶來了新的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)還發(fā)觀了許多其他納米材料的特殊性能：如材料晶粒尺寸達(dá)到納