第三章現(xiàn)代化學進展

第三章現(xiàn)代化學進展1第一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

去只有天文學、地理(地質)、生物、數(shù)學、物理、化學六個一級學科；而經過20世紀科學的發(fā)展和交叉研究，又逐漸形成了新的交叉學科，如生命科學、材料科學、環(huán)境科學等。下而將分別展望一些交叉學科和可能成為熱點的研究領域的動向。一、生命科學2第二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一1．生命的基礎物質研究

構成生物的生命活性物質有蛋白質、核酸、糖等生物大分子和激素、神經遞質、細胞因子等生物小分子。目前已經研究和確定了許多生物大分子的結構。

2．遺傳物質的作用人體基因組中有數(shù)以億計的DNA核苷酸單元，其中真正用于規(guī)定蛋白質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一類為DNA構象編碼的信息。如人體內組成蛋白質的氨基酸均為L—構型，為什么?與州A有關的空間立體構象的變化雖是由于圍繞著單鍵的3第三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

相對自由旋轉運動引起的，但空間立體構象的不同，有其微小的能量差別?；蛟S不同的DNA有不同的空間立體構象的選擇性，這是否與手性識別有關?當然這是一個構象信息，也是目前化學研究中的一個重要問題。有90％左右的DNA的功能和作用還沒有完全了解。這是一個很廣泛和復雜的研究領域。有待2l世紀人們的努力。數(shù)以億計的DNA核苷酸單元不是一個小數(shù)目，要投人大量的研究力量，才有可能逐漸搞清楚。

3．人類基因組計劃人類基因組計劃是生命科學中迄今為止最浩大的工程，也是目前人體科學研究的一個主流，是從認識外在世界的科學規(guī)律轉向認識人類自身的一項生命科學重大基礎4第四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

研究。完成人類基因組計劃要測定約10萬條基因的結構和位置，以及這些基因的全部3×109個核苷酸的序列。21世紀初，這項研究無疑地成為生命科學的首要任務。這一部分工作主要由生物學家去做，那么化學研究者可以做什么?這是值得認真考慮的。

4．酶結構和催化功能的關系研究生物體內進行的各種生物—化學反應，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。在酶的發(fā)現(xiàn)、結構、作用機理及模擬酶方面已經取得很多進展，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，深人研究酶結構還是有許多工作要做的。20世紀后期有一個關5第五頁，共六十六頁，編輯于2023年，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．腦科學在現(xiàn)在生命科學中，腦科學處于正在上升的地位。腦的高級功能來自于腦的特殊結構。腦組織中約有100億個神經細胞。通過神經細胞的信息傳通，是由一個神經細胞釋放神經遞質通過神經問的突觸而結合在另一個神經細胞膜的受體上完成的。神經遞質都是一些小分于。有興奮性神經遞質(如谷氨酸、乙酸膽堿等)和抑制性神經遞質(Y—氨基丁酸、甘氨酸等)。在學習和記憶過程中，神經細胞NMDA受體可能起著關鍵作用(如圖7所示)。6第六頁，共六十六頁，編輯于2023年，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物質——蛋白質、核酸、糖和一些激素分子等，通過20世紀的研究已相繼確定了它們的結構，并通過化學和生物方法可以進行合成。但這些基礎物質如何配合起來產生生命現(xiàn)象和生命活動，則需要進一步研究?，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構等等。人們注意到其中文要問題是生物分子問的相互作用，以及反應與反應間相互影響問題。二、材料科學

7第七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一8第八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一1．新型導電材料（1）半導體材料自從固體物理學家發(fā)現(xiàn)了純半導體材料硅和鍺后，新型半導體材料的研究吸引著越來越多的科學家，可用于半導體的材料也愈來愈多。已經發(fā)現(xiàn)的混合型半導體為周期表第III主族與第V主族(磷、砷、銻)所產生的化合物，如銻化鋼、砷化鎵、磷化鋼等。無定形半導體是由無定形硅制成。（2）超導材料如前所述，人們努力創(chuàng)造各種超導體以提高臨界轉變溫度。到1991年有兩項重要發(fā)現(xiàn)：一是有機超導體的臨界轉變溫度達到12.5K；另外,發(fā)現(xiàn)堿金屬摻雜的C也具有超9第九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

導性，臨界轉變溫度達33K。到1993年俄羅斯L．N．Grigorov發(fā)現(xiàn)了經過氧化的聚丙烯體系能在300K呈現(xiàn)超導性。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，經過3年空氣中氧化后(或采用紫外線照射后放置幾個星期)，發(fā)現(xiàn)有一些局部超導點，其轉變溫度大于300K，局部超導點的直徑＜0.1μm這是有機超導體研究中所報導的唯一的轉變溫度，還要進一步證實。但有機超導體在短短的26年歷史中，出現(xiàn)如此舉世矚目的結果，提示了未來追求的目標。（3）有機導體能導電的有機固體是近年來發(fā)展較快的一個新興領域。一般認為有機化合物是電絕緣體，在已經有的幾百萬種有10第十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

機化合物中，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AsF5或I2摻雜后，呈現(xiàn)了明顯的金屬特性，電導率可達105。這比未摻雜前提高了十幾個數(shù)量級。隨后的研究相繼發(fā)現(xiàn)了多種不同結構的導電高分子，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，經摻雜后可產生高電導率；并在光、電、磁及熱電動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科。11第十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一12第十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

（4）有機磁性材料近十余年來，科學家預言了幾種具有特殊結構的有機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、分子內含氮氧穩(wěn)定自由基團結構的有機化合物、平面大π鍵結構的有機物以及電子轉移復合物?；瘜W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。這些動向說明有機磁性材料在高頻電磁波通訊領域有潛在用途。13第十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一2．新型光學材料（1）非線性光學材料這是一種廣泛應用子倍頻器件、激光唱盤、激光訂印、彩色打印、自聚焦透鏡、紅外成像、纖維光學等高科技領域的新型光學材料，在無機材料方面如BBO(偏硼酸鋇)是一種優(yōu)質的紫外倍頻晶體材料，能輸出最短的相干光波長，倍頻效應大，抗光損傷能力高，調諧溫度半寬度寬，廣泛用于激光技術中。

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（2）液晶和有機電致發(fā)光材料隨著信息技術的興起，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世紀末繼微電子和計算機之后的又一次大發(fā)展機會。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、各類通訊設備和日用電子產品的普及以及環(huán)保的要求，工作和家用電腦也逐步采用平板顯示器，預期平極顯示器生產將成為21世紀信息社會的支柱產業(yè)之一。15第十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

（3）光開關材料在處理光信號的過程中需要一種光學裝置來開關、放大及儲存光信號。設計合成這種光學裝置的材料是至關重要的。正如以硅為基片的裝置可以處理電信號一樣，目前的這種光裝置所用的光開關材料是鋁酸鋰、砷化鎵鋁等。近年來的研究表明，一些新材料如聚乙炔、手性有機分子、液晶等顯示了更優(yōu)越的光學性能。在光開關材料這一領域中，新的發(fā)現(xiàn)及其實際應用的潛力都很大。

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、相對密度小等特點。若能用于燃氣輪機，可使工作溫度從目前16第十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

1100℃提高到1370℃，而熱效率從60％提高到80％，是理想的發(fā)動機材料。但其致命缺點是脆性。近期研究表明：用不同配比的各種原料和陶瓷復合材料制成的納米級原材料經燒結可提高韌性。這一發(fā)現(xiàn)吸引了許多研究者，成為國際上研究的熱點。預期合成陶瓷研究將使全陶瓷內燃機盡快成為現(xiàn)實。這是21世紀的新挑戰(zhàn)，將使汽車發(fā)動機、噴氣發(fā)動機、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1500-1900℃燒結面成。具有壓電陶瓷性能，就可實現(xiàn)機械能與電能的相互轉變，用于壓電振子、電波濾波器、壓電變換器、通話器、聲納探傷器、點火器、毛發(fā)干燥器等。（3）超硬陶瓷材料17第十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

金剛石是一種天然“陶瓷”。人造全剛石已進入工業(yè)生產。因為全剛石以碳結構為主，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用前景。（4）熱敏元件陶瓷半導體熱敏陶瓷(PTC)具有正的溫度系數(shù)，當溫度上升到相變溫度時，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。濕敏元件其相對溫度為90％，電阻4.24，可用于空調機。新型陶瓷材料發(fā)展較快，超導材料實際上也是一種新18第十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

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

4．復合材料（1）聚合物基復合材料主要是指纖維增強聚合物材料。如將碳纖維包覆在環(huán)氧樹脂中使復合材料強度增加，用于制造網球拍、高爾夫球相和滑雪橇等。玻璃纖維復合材料為玻璃纖維與聚酯的復合體，可以用于結構材料，如汽車和飛機中的某些部件、橋體的結構材料和船體等，其強度可與鋼材相比。增強的聚酰亞胺樹脂可用于汽車的“塑料發(fā)動機”，使發(fā)動機重量減輕，節(jié)約燃料。19第十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

（2）陶瓷基復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。這類陶瓷基復合材料可望成為汽車、火箭發(fā)動機的新型結構材料。金屬網陶瓷基材料具有超強剛性，可作為防彈衣的材料。（3）金屬基復合材料在金屬表面涂層，可以保護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；金屬表面作搪瓷內襯可制造化學反應釜；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、汽輪機的不銹鋼葉片上，延長其使用年20第二十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

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

5．生物醫(yī)學材料由生物分子構成生物材料，再由生物材料構成生物部件。生物體內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構材料，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成的功能部件，如眼球晶狀體是由晶狀體蛋白包在上皮細胞組成的薄膜內而形成的無散射、無吸收、可連續(xù)變焦的廣角透鏡。在生物體內生長有不同功能的材料和部件，材料科學的發(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第二十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

代替物，也可以在非醫(yī)學領域中使用。前者如人工瓣膜、人工關節(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）輕質合金鋁-鋰合金具有高比強度、高比剛度且相對密度小(2.5)的特點，如用作現(xiàn)代飛機蒙皮材料，一架大型客機可減輕重量50kg。以波音747為例，每減重1Kg，一年獲利2000美元。鈦合金相對密度為4.55，比鋼輕，耐腐蝕，無磁性，強度高，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第二十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

害、取之不盡、用之不竭的能源，是能源研究的一個發(fā)展方向，關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)和實際應用有待于2l世紀繼續(xù)努力。（3）超耐熱合金鎳鈷合金能耐1200℃，用于噴氣發(fā)動機和燃氣輪機的構件。鎳鉻鐵非磁性耐熱合金在1200℃時仍具有高強度、韌性好的特點，可用于航天飛機的部件和原于反應堆的控23第二十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

制捧等。尋找耐高溫(1000℃以上)、可長時間運行(10000h以上)、耐腐蝕、高強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、高強度等特點，如N—Ti，Ag—Cd，Cu—Cd，Cu—A1—Ni，Cu—Al—Zn等合金，可用作調節(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，如同復合材料一樣，以功能和用途為原動力，設計和合成各種類型的新合金材料，如高性能結晶控制合金、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)展領域。24第二十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一7．高分子材料塑料、橡膠、纖維、涂料這四種廣泛應用的高分子材料是20世紀人類文明的標志之一，也是提高人類生活質量的主要物質基礎之一。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家要不斷設計和合成性能更好、功能更完善的高分子化合物；還要掌握材料結構與其性質與功能的關系，有目的的去設計和研究。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第二十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

三、環(huán)境化學化學物質(包括天然的和人工的)在過去一個世紀中為人類進步和生活質量的提高起了不可替代的作用，今后還要起更大的作用。但化學物質都有兩面性，大量人工物質的開發(fā)和使用已造成對生態(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)同構成對人類未來的威脅。為了既要人類進步與生活質量提高，又要保護人類安全，所以保護環(huán)境的問題十分嚴峻。目前，人們已經注意到許多化學物質(實際上生物和能量也如此)在一定濃度、一定條件下會產生有利的效應；面在較高濃度或另外的條件下則會產生有害的作用?；瘜W家的任務是找出最適合條件，以利用其有利的一面，防止其有害的一面。26第二十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

環(huán)境化學逐步成為一門新興的交叉學科，它涉及到化學、物理學、生物學、地學、天文學、醫(yī)學、工程技術和社會科學等多門學科，其綜合性較強。一個城市，一個國家，甚至世界上的環(huán)境問題，光靠化學家們的分析、檢測、治理方案等還不能徹底解決問題，需各級政府的宏觀調控手段和財力保證。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、二個企業(yè)造威的，也不是環(huán)境化學所能解決的。這是因為四川、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，投資解決基礎設施，進行綜合治理，如建立現(xiàn)代化天然氣脫硫裝置，嚴格控制天然氣中硫含量。這樣降低天然氣燃燒時放出的二氧化硫絕對量，以減少酸雨形成。此外，封山造27第二十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

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

1．什么是環(huán)境化學環(huán)境化學是研究環(huán)境中物質問相互作用的學科。包括研究天然物質、生物物質和合成化學物質在環(huán)境介質(大氣、水體、土壤、生物)中的存在、化學特注、行為和效應，并在此基礎上研究其控制的化學原理和方法。圖11表示化學物質進入各種介質(如大氣、水、土壤、生物)后通過遷移轉化，動態(tài)地把各種介質聯(lián)系起未，并在各種介質中表現(xiàn)出各自特有的環(huán)境化學行為和化學效應、從面形成了環(huán)境化學的有關分支學科：大氣環(huán)境化學、水環(huán)境化學相土壤環(huán)境化學等。

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2．環(huán)境化學的研究方向（1）環(huán)境分析化學分析和檢測環(huán)境介質(大氣、水、土壤、生物)中存在的有害物質，是環(huán)境分析化學的首要任務。鑒于近年來分析儀器的迅速發(fā)展，特別是分析儀器聯(lián)用技術的出現(xiàn)，如GC／Ms，LC/MS，MS/MS，HPLC/ESIMS，GC—AED，HPLC/APIMS(大氣壓電離質譜)等，使分析的靈敏度大大提高，從痕量分析10-12級發(fā)展到超痕量分析10-15級。這對環(huán)境分析化學的發(fā)展起了很重要的作用。環(huán)境分析化學需要解決的關鍵問題有：樣品采集和保存等前處理問題，物種分析，現(xiàn)場實時分析監(jiān)測，瞬態(tài)物種的測定以及對難揮發(fā)性化合物、強極性化合物的分析等。雖然有機化合物和金屬有機化合物的環(huán)境分析發(fā)展很快，但在污染物濃度極30第三十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

低、樣品組成復雜、毒物轉化迅速等情況下分析監(jiān)視仍有一定難度。要達到高靈敏度、瞬時快速和在線分析，還需要進行大量基礎性研究工作。另外，建立環(huán)境分析的數(shù)據(jù)庫并聯(lián)網，這將是今后的發(fā)展方向。（2）大氣環(huán)境化學主要研究大氣污染物的物理化學表征，環(huán)境中的化學反應動力學，大氣光化學機制及自由基反應過程等。由于大氣中顆粒物的增多，微粒組成及其對生態(tài)或健康的影響越來越顯得重要，因此研究重點由均相化學體系轉向非均相化學體系。其中對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大氣環(huán)境的影響，將成為全球性環(huán)境問題熱點。

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（3）水環(huán)境化學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。因此保護水資源不受污染是水環(huán)境化學的主要研究方向。近年來，對水環(huán)境化學有熱力學和動力學研究兩個方而：一個以化學平衡原理為主，一個研究環(huán)境化學過程的速率及反應機制。由此建立的模型和模式逼近真實，已在天然水體化學的最重要的方面逐漸進入定量化研究階段。在面體-7k的界面化學研究方面。特別是對因體表面和溶質相互作用的吸附過程的研究，已相當深入。無論是對顆粒物之間膠體化學系統(tǒng)和行為的研究，還是對地球化學過程速率和規(guī)模的定量處理等方面，界面化學都是很重要的。32第三十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

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

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（4）土壤環(huán)境化學全球土壤生態(tài)環(huán)境受到農藥、化肥、生物質燃燒、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。因此必需加強化學污染物(包括有機物、無機物等)在土壤中的分配、吸附、擴散、流動、降解過程和機理的基礎研究，并且要制定土壤環(huán)境中化學污染物的允許程度，如何控制和修復受污染的土壤，為保護土壤生態(tài)環(huán)境和土地有效利用提供必要的科學根據(jù)。對可耕地，要一個地區(qū)一個地區(qū)地分析檢測，建立基準，進行研究。34第三十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

（5）元素化學循環(huán)全球性元素循環(huán)研究在不斷發(fā)展，待別是汞、鉛、氮、磷等的轉化和遷移過程的環(huán)境化學過程。汞污染是個全球性的問題，不同形態(tài)的汞會引起不同生態(tài)反應：金屬汞會引起人的脫發(fā)，以至嚴重的會造成死亡；有機汞如甲基汞對胎兒健康有影響。鉛的污染也很嚴重。據(jù)調查我國有一半城市兒童的血鉛含量已超過國際公認的鉛中毒標準，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)氮轉化為動態(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。這對一些地區(qū)的土壤、森林、飲用水質、農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的酸度帶來不利影響。由于磷是35第三十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

生物的一個關鍵營養(yǎng)元素，但使用大量磷肥和含磷洗滌劑會使大量的磷進人水和土壤中，對生態(tài)環(huán)境產生不良影響。應大力加強基礎研究，搞清楚這些元素的生態(tài)循環(huán)過程和機理，并作出相應的環(huán)境保護措施。（6）控制污染的化學以污染預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。要研究和強調化學反應的原子經濟性、高選擇性、高反應活性和環(huán)境友好性。在化學反應的設計上去解決和控制污染問題，這是根治的辦法(詳見下節(jié)綠色化學中的敘述)，并要研究如何用這些方法去改造老的化學過程和企業(yè)。另一方面對現(xiàn)有工業(yè)的三廢處理亦不能放松，如石油化工、煤化36第三十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

工、天然氣化工及皮革、造紙、塑膠等工業(yè)，要努力做到化學生產過程和環(huán)境治理相結合，這也是控制污染化學的一個重要研究內容。（7）環(huán)境計算化學環(huán)境計算化學和數(shù)學、物理有關學科相結合，使以經驗、實驗為基礎的環(huán)境化學研究趨于更加科學化和理論化，并解決了一些過去難以進行數(shù)值求解的問題，擴展了環(huán)境化學的應用范圍，這是一個應該重視的新興領域。環(huán)境計算化學研究主要包括多組分體系定量分析，數(shù)據(jù)處理中將隨機變量引人多元統(tǒng)計分析方法，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，高密度有毒氣體擴散過37第三十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

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

1．什么是綠色化學化學工業(yè)能否潔凈地生產化學品?綠色化學也就是面對這樣的問題下產生的。其核心是要利用化學原理從源頭消除污染。綠色化學是指化學反應和過程以“原子經濟性”為基本原則，即在獲取新物質的化學反應中充分利用參與反應的每個原料原子，實現(xiàn)“零排放”。不僅充分利用資源，而且不產生污染；并采用無毒、無害的溶劑、助劑和催化劑，生產有利于環(huán)境保護、社區(qū)安全和人身健康的環(huán)境友好產品。38第三十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

綠色化學化工的目標是尋找充分利用原材料和能源，在各個環(huán)節(jié)都潔凈和無污染的反應途徑和工藝。對生產過程來說，綠色化學包括：節(jié)約源材料和能源，淘汰有毒原材料，在生產過程排放廢物之前減降廢物的數(shù)量和毒性；對產品來說，綠色化學旨在減少從原料的加工到產品的最終處置的全周期的不利影響。綠色化學不僅將為傳統(tǒng)化學工業(yè)帶來革命性的變化，面且必將推進綠色能源工業(yè)及綠色農業(yè)的建立與發(fā)展。因此綠色化學是更高層次的化學，化學家不僅要研究化學品生產的可行性和現(xiàn)實用選，還要考慮和設計符合綠色化學要求、不產生或減少污染的化學過程。這是一個難題，也是化學家面臨的一項新挑戰(zhàn)。39第三十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一2．綠色化學的發(fā)展方向從綠色化學的目標來看有兩方面必須重視：一是開發(fā)以“原子經濟性”為基本原則的新化學反應過程；另一個是改進現(xiàn)有化學工業(yè)，減少和消除污染。（1）新的化學反應過程研究

在原子經濟性和可持續(xù)發(fā)展的基礎上研究合成化學和催化的基礎問題，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氨基二乙酸鈉的技術，從面獲得了1996美國總統(tǒng)綠色化學挑戰(zhàn)獎中的變更合成路線獎。美國D帆化學公司用C02代替對生態(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)綠色化學挑戰(zhàn)獎中的改變溶劑反應條件獎。40第四十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

在有機化學品的生產中，有許多新的化學流程正在研究開發(fā)。如以新型硅分子篩為催化劑，開發(fā)烴類氧化反應；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，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)是綠色化學領域中的新進展。（2）傳統(tǒng)化學過程的綠色化學改造這是一個很大的開發(fā)領域。如在烯烴的烷基化反應生產乙苯和異丙苯生產過程中需要用酸催化反應，過去用液體酸HF催化劑，面現(xiàn)在可以用團體酸——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)境友好的化學工藝。41第四十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

（3）能源中的綠色化學問題和潔凈煤化學技術我國現(xiàn)今能源結構中，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1300萬t。由SO2而產生的酸雨對生態(tài)環(huán)境的破壞十分嚴重。因此研究和開發(fā)潔凈煤化學技術是當務之急，這方面要重視研究催化燃燒技術，等離子除硫除塵，生物化學除硫等新技術。嚴格控制排放標準和監(jiān)察大氣的質量，這是大氣凈化中的首要任務。42第四十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

（4）資源再生和循環(huán)使用技術研究自然界的資源有限，因此人類生產的各種化學品能否回收、再生和循環(huán)使用也是綠色化學研究的一個重要領域。世界塑料的年產量已達1億t，大部分是由石油裂解成乙烯、丙烯，經催化聚合而成的。而達1億t中約有5％經使用后當年就作為廢棄物排放，如包裝袋、地膜、飯盒、汽車垃圾等G我國推廣地膜覆蓋面積達7000萬畝，塑料用量高達30萬t，“白色污染”和石油資源浪費十分嚴重。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。回收廢棄塑料，再生或再生產其他化學品、燃料油或焚燒發(fā)電供氣等。同時在礦物資源方面亦有三R原則的問題。43第四十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，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力的工業(yè)，如鋁材現(xiàn)已廣泛用于建材、飛機和日用品等方面，面純鋁要電解法制備，是一個大量耗電的工業(yè)，應該做好鋁廢棄物的回收和再生技術研究。（5）綜合利用的綠色生化工程如用現(xiàn)代生物技術進行煤的脫硫、微生物造紙以及生物質能源等的研究。綜上所述，綠色化學是近年來才被人們認識和開展研究的一門新興學科，是實用背景強、國計民生急需解決的熱點研究領域。在21世紀中它必將大展宏圖，為人類可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。44第四十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

五、能源化學

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物是水，無環(huán)境污染問題。氫作為能源放出的能量還遠大于煤、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，經濟上不合算，只占4％份額。對化學家來講，研究新的經濟上合理的制氫方法是一項具有戰(zhàn)略性的研究課題。理想的氫能源如圖12所示。45第四十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一2．燃料電池與干電池和蓄電池不同．這種電池的化學燃料不是裝在電池內部，而是儲存在電池外部。可以按電池的需要，源源不斷地提供化學燃料，就像在燃氣鍋爐中添加煤和油一樣。燃料所具有的化學能連續(xù)而直接地轉變成電能。其發(fā)電效率比現(xiàn)在應用的火力發(fā)電還高．并在發(fā)電的同時還可得到優(yōu)質水蒸氣，達到發(fā)電又供熱的需要，其總熱效率可達到80％。燃料電池在結構上與蓄電池相似，也是由正極、負極和電解質組成。正極和負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反應，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去，而從負極將氫氣或碳氫化合物、甲醇、甲烷、一氧化碳等46第四十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

氣體輸送進去。這時，在電池內部氣體燃料和氧發(fā)生電化學反應，于是燃料的化學能就直接轉變成了電能。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800—1000℃，足以將所有的輕質烴燃料分解成氫氣和一氧化碳。預期21世紀初燃料電池將會在汽車、軍艦、通訊電源等方而得到實際應用。

3．生物質能源光合作用創(chuàng)造的綠色植物是取之不竭的生物資源。它們主要由碳氫化合物組成，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。其中占絕大多數(shù)的纖維構成細胞壁的主體，它們主要成分是纖維素(50％-55％)、半纖47第四十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

維素(15％-25％)和木質素（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，不同植物的復合聚糖的組分也不同，木質素是自然界最復雜的天然聚合物之一，它的結構中重復單元之間缺乏規(guī)則性和有序性。木質素是可再生的植物纖維資源和組分中蘊藏太陽能最高的部分，也是地球上最豐富的可再生資源(估計全世界每年可產生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狀結構的木質素巨大分子粘結成的天然增強結構體，是一種不熔、不溶的天然復合材料。48第四十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一4．太陽能電池太陽能電池是一種能把光能轉變?yōu)殡娔艿哪芰哭D換器。這種電池是利用“光生伏打效應”原理制成，即當物體受到光照射時，物體內就會產生電動勢或電流的現(xiàn)象。太陽能電池主要靠半導體的作用。當陽光照射在半導體的p—n結時，就會在p—n結的兩端出現(xiàn)電壓，如果將p—n結兩端用導線連接起來．就會產生電流。當陽光照射時，太陽能電池產生的電流不僅能滿足當時的供電需求，而且還能將部分電能儲存于蓄電池中，可用作汽車、飛機、宇航、電視、航標燈等的電源。太陽能電池的關鍵是半導體材料，如何研制和選擇適用于太陽能電池的半導體，是化學家們研究的領域。目前各種半導體材料中以單晶硅太陽能電池的性能較好，光電轉換效率高，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長。這是利用太陽能的一個重要方向。49第四十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，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擴散，這種滲透壓力差所產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生電動勢。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。這項技術50第五十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

的關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)電技術和裝置將是21世紀發(fā)展能源的一個研究方面。六、計算化學

1．什么是計算化學計算化學是用量子化學理論和計算數(shù)學來認識、理解、預言和發(fā)現(xiàn)新的化學現(xiàn)象的科學?；瘜W的兩大支柱-實驗和形式理論-都是化學發(fā)展的重要研究領域。過去對化學實驗的重視遠超過理論計算。這是因為量子化學理論還不完善，許多化學現(xiàn)象還不能用理論來現(xiàn)解和歸納。由于電子計算機的發(fā)展突飛猛進，給計算化學創(chuàng)造了很好的研究條件，在開展實驗研究工作之前，化學家就可在計算機上51第五十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

根據(jù)現(xiàn)有化學數(shù)據(jù)庫的信息和量子化學理論來計算和預測一下實驗工作的結果；在實驗工作中，可用計算機記錄所有的實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)；在實驗后再用計算機來處理數(shù)據(jù)和得出結論。這一工作方式將會越來越被化學家們所接受和利用。成為化學研究工作中很重要的一個工作程序。

2．計算化學的發(fā)展方向（1）研究分子結構和性能的關系目前已經發(fā)現(xiàn)的化合物有1200萬種以上。雖然化學家們結化合物進行了分類，并了解它們的性質和用途，但目前尚沒有一個完整的化學數(shù)據(jù)庫把它們的結構和性能聯(lián)系起來。這是一個工作量很大功工作，不僅是要做一個數(shù)據(jù)庫，而且要研究總結各種化合物結構和性能的關系，并深入到為什么某種結構會產生某種性能的內在聯(lián)系。這是物52第五十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

質結構化學的基本要求，要靠計算化學通過計算機的邏輯思維和運算把二者結合起來。（2）研究化學反應是如何發(fā)生的至今人們尚不能直接觀察化學反應是如何發(fā)生的。只能是通過問接的辦法，如反應中間體、產物及反應的能態(tài)等信息來推測化學反應的途徑和機制。計算化學可以通過化學反應速率以及溫度等對反應速率的影響等問題的計算來預測反應結果。（3）預測化學反應的產物及新化合物具有什么樣的化學性質一個化學反應發(fā)生后，可根據(jù)反應物質的結構預測其反應產物，也可經過各種參數(shù)的綜合運算預測最可能生成的反應產物。若反應后得到的是新化合物，通過計算化學還可以預測其化學性質及可能功用途。53第五十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

（4）生物大分子的空間結構、取向和形態(tài)研究以共價鍵結合的生物大分子(如蛋白質、糖、核酸等)除了一級結構外，還有空間結構和取向，如A的空間結構是雙螺旋型。這種分子的形態(tài)是靠什么力量決定的?每個分子都有其穩(wěn)定態(tài)，這種穩(wěn)定態(tài)的形狀又是什么樣的?計算化學如能對分子的形狀進行可靠的計算，對了解分子結構會提供更多的信息。（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)是否可用計算化學來確定或預測?這種分子以上層次的化學研究有否可能在計算機屏幕作出各種可能的排列組合的演示，是一個十分有意義和新興的化學研究領域。54第五十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

（6）計算機對化學過程的模擬計算化學希望分子物質分子內部和分子與分子之間變化的研究，從而預見化合物的性質、發(fā)生化學反應的方向和可能生成的產物等。這樣可以減輕實驗工作量，告訴人們那些可做，那些不可做，讓理性認識來指導化學實驗工作的進行。這在2l世紀將會被更多的化學家所接受。七、納米化學物質顆粒尺寸大小與其性質有一定關聯(lián)，這是人們早已認識了的。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(Micro-)，1nm-lμm范圍的為納米(Nano-)級。近年來，發(fā)現(xiàn)物質顆粒尺寸小到納來級時，其性質發(fā)生突變，特別是許多納米級材料在電、光、磁、力學以至生物學等方面的性質發(fā)生了突變，55第五十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

這種變異開拓了一門新興的交叉學科—納米化學。納米材料已成為高新技術的重要研究領域，納米科學技術將成為2l世紀關鍵的高新技術之—。

1．納米化學合成（1）納米插層聚合即聚合物單體滲入蒙脫土內，再聚合成蒙脫土納米片晶分散在聚合物內的納米材料。（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)相內存在相分離的納米尺度鏈段，而形成納米材料。56第五十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

（3）雜化材料采用有機物、低聚物、高分子和金屬鹽、原硅酸酯等無機物一起通過溶膠嘴膠法共聚合，以合成有機高分子“接枝”無機物片斷的“雜化”分子。在這些“雜化”分子中，無機物片斷于有機聚合物中產生納米尺度相分離，面成納米材料；或在溶膠—凝膠法中，無機物經還原析出，以納米尺度的金屬粒子分散在有機聚合物中，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，在結構設計基礎上，采取適當組裝方法，把不同性質的分子一個個的有規(guī)則地組裝成二維、三維結構面成為特殊的納米材料。57第五十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一58第五十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一2．納米檢測技術納米化學合成了相應的納米顆粒和納米結構材料，必然要發(fā)展納米檢測技術，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)學手段，不能滿足進一步觀測結構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，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)出來的物理性質和化學性質。它們都為納米化學的研究提供了極為有用的工具。59第五十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一3．納米材料的異常行為及其用途

20世紀如年代發(fā)現(xiàn)納米氧化鋯陶瓷在適當溫度下(即在其熔點的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，具有共價型的納米級氮化硅陶瓷在適當溫度下也是如此，且具有比微米級氮化硅陶瓷高出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——脆性是否能在這種具異常性能的納米材料中找到改進的途徑?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用領域，同時還發(fā)觀了許多其他納米材料的特殊性能：如材料晶粒尺寸達到納米