展現(xiàn)基礎理論在高新技術中的閃光點,提高在教

1、展現(xiàn)基礎理論展現(xiàn)基礎理論在高新技術中的閃光點在高新技術中的閃光點 提高在教學中提高在教學中培養(yǎng)創(chuàng)新思維的自覺性培養(yǎng)創(chuàng)新思維的自覺性北京大學化學學院北京大學化學學院 高盤良高盤良常常聽到學生說：常常聽到學生說：“基礎理論遠水不解近渴基礎理論遠水不解近渴”課堂上聽不到基礎理論課堂上聽不到基礎理論在高科技中激動人心的在高科技中激動人心的輝煌輝煌反映反映：化學教材的編寫化學教材的編寫及課堂教學不能適應及課堂教學不能適應現(xiàn)代教學的需要現(xiàn)代教學的需要后果后果：必將大大挫傷學生學習必將大大挫傷學生學習化學的化學的 興趣和積極性，興趣和積極性，直接影響到具有創(chuàng)新能力直接影響到具有創(chuàng)新能力的化學人才的培養(yǎng)，的化

2、學人才的培養(yǎng)，必須引起高度必須引起高度重視和認真研究。重視和認真研究。有一個學生學習了有一個學生學習了物理化學課程后物理化學課程后體會體會：物理化學是物理化學是一門令人愛恨交加的一門令人愛恨交加的課程，課程，當你走得越遠，當你走得越遠，才發(fā)現(xiàn)她離你越近才發(fā)現(xiàn)她離你越近?；A理論與現(xiàn)代科技的關系基礎理論與現(xiàn)代科技的關系 基礎理論基礎理論與現(xiàn)代科技關系密切，與現(xiàn)代科技關系密切， 在世界經濟由工業(yè)經濟在世界經濟由工業(yè)經濟 向知識經濟轉變階段，向知識經濟轉變階段，基礎理論基礎理論為國民經濟提供的新技術為國民經濟提供的新技術 將發(fā)揮越來越直接的作用將發(fā)揮越來越直接的作用?；A理論與現(xiàn)代科技的關系基礎理論

3、與現(xiàn)代科技的關系基礎理論是高新技術的基礎理論是高新技術的先導和源泉。先導和源泉?；A理論每當取得突破性進展基礎理論每當取得突破性進展往往會促進應用研究和往往會促進應用研究和技術開發(fā)，最終形成大產業(yè)技術開發(fā)，最終形成大產業(yè)基礎理論與現(xiàn)代科技的關系基礎理論與現(xiàn)代科技的關系以物理化學為例以物理化學為例在分離科學中具有劃時代意義的在分離科學中具有劃時代意義的超臨界流體萃取超臨界流體萃取、用相圖指導釹鐵硼用相圖指導釹鐵硼強永磁材料的制備強永磁材料的制備、應用反膠束作為納米反應器應用反膠束作為納米反應器制備納米粒子制備納米粒子基礎理論與現(xiàn)代科技的關系基礎理論與現(xiàn)代科技的關系說明化學中的說明化學中的基礎理論

4、基礎理論通過化學家的通過化學家的創(chuàng)新研究創(chuàng)新研究對高新技術所起的巨大的對高新技術所起的巨大的 推動作用推動作用?；A理論基礎理論與現(xiàn)代科技的關系與現(xiàn)代科技的關系 我們應在基礎層次上尋找我們應在基礎層次上尋找前沿的根前沿的根，作為教師應充分發(fā)掘這些作為教師應充分發(fā)掘這些“閃光點閃光點”， 讓原理在科學研究和實際應用讓原理在科學研究和實際應用的實例中的實例中展現(xiàn)其活力，提高創(chuàng)新能力展現(xiàn)其活力，提高創(chuàng)新能力?；A理論與現(xiàn)代科技的關系基礎理論與現(xiàn)代科技的關系 舉一些舉一些“閃光點閃光點”為例為例 說明化學基本理論說明化學基本理論 在現(xiàn)代科技中發(fā)揮的巨大在現(xiàn)代科技中發(fā)揮的巨大 推動作用推動作用?；A理論

5、與合成化學、基礎理論與合成化學、新材料的制備新材料的制備 (1)(1)合成氨技術合成氨技術 20072007年度諾貝爾化學獎頒發(fā)給年度諾貝爾化學獎頒發(fā)給 德國化學家德國化學家格哈德埃特爾格哈德埃特爾 以獎勵其揭示以獎勵其揭示 固體表面的化學過程研究中固體表面的化學過程研究中 作出的杰出貢獻作出的杰出貢獻基礎理論與合成化學、基礎理論與合成化學、新材料的制備新材料的制備如鐵催化劑表面的如鐵催化劑表面的 合成氨反應歷程，合成氨反應歷程， 經多方面精確實驗證明屬于經多方面精確實驗證明屬于 朗格謬朗格謬欣謝爾伍德歷程欣謝爾伍德歷程裂解的氮原子和氫原子同時裂解的氮原子和氫原子同時被吸附在兩個相鄰的活性中心

6、上，被吸附在兩個相鄰的活性中心上，然后再轉變?yōu)樯晌锇薄Ｈ缓笤俎D變?yōu)樯晌锇?。研究揭示，研究揭示，氮分子的裂分比反應的其他步驟要慢得多，氮分子的裂分比反應的其他步驟要慢得多，一旦氮裂分，其后的反應就一旦氮裂分，其后的反應就以極快的速率發(fā)生，以極快的速率發(fā)生，以至氨形成并離開表面以至氨形成并離開表面。而鐵催化劑中作為助催化劑鉀的加入而鐵催化劑中作為助催化劑鉀的加入 使得氮的吸附解離（速控步）使得氮的吸附解離（速控步） 變得更容易，變得更容易， 從而加快了催化反應速率。從而加快了催化反應速率?；A理論的重大發(fā)現(xiàn)基礎理論的重大發(fā)現(xiàn) 為合成氨催化劑的研究指明了方向為合成氨催化劑的研究指明了方向, ,

7、必將促進合成氨工業(yè)的飛速發(fā)展必將促進合成氨工業(yè)的飛速發(fā)展. . 目前公認的得到廣泛應用的是目前公認的得到廣泛應用的是釹鐵硼強永磁材料釹鐵硼強永磁材料釹、鐵的熔點高釹、鐵的熔點高 釹金屬活潑釹金屬活潑 釹釹 鐵鐵 硼硼 熔點熔點/ / 10241024 15351535 21772177采用先制備采用先制備純純的釹、鐵、硼的釹、鐵、硼是不現(xiàn)實的是不現(xiàn)實的. . 凝固點降低原理、凝固點降低原理、二組分體系相圖，二組分體系相圖，巧妙地設計了一個巧妙地設計了一個 電解裝置電解裝置才攻克了備制的難關。才攻克了備制的難關。凝固點降低原理：凝固點降低原理：鐵鐵釹合金釹合金 在遠遠低于在遠遠低于 熔點的熔點的

8、 640640形成含釹形成含釹 68.568.5時的時的 低共溶物，低共溶物，先用先用熔鹽電解法熔鹽電解法制備制備鐵鐵- -釹合金釹合金 ( (所得低共熔物所得低共熔物含釹可高達含釹可高達88.588.5) )，為在鐵為在鐵- -釹合金中釹合金中 摻入鐵及硼摻入鐵及硼 創(chuàng)造了條件創(chuàng)造了條件。 設計了如下的工藝條件設計了如下的工藝條件: :(1)(1)配制配制富含釹的電解液富含釹的電解液，如三氯化釹，如三氯化釹(2)(2)選擇選擇電解溫度電解溫度，使其比，使其比640640略高；略高；(3)(3)電解產生的釹在鐵電極金屬上電解產生的釹在鐵電極金屬上 生成熔融狀態(tài)的釹鐵合金溶液，生成熔融狀態(tài)的釹鐵

9、合金溶液， 由于密度大于三氯化釹，不斷滴入由于密度大于三氯化釹，不斷滴入接受器接受器， 以保持電極金屬鐵表面是新鮮的，以保持電極金屬鐵表面是新鮮的，因此因此設置釹設置釹- -鐵合金接受器鐵合金接受器是一個巧妙的構思。是一個巧妙的構思。 釹鐵硼高性能的釹鐵硼高性能的 強永磁材料的制備強永磁材料的制備 是相圖理論指導的成果之一是相圖理論指導的成果之一古老的相圖理論古老的相圖理論 在高新技術中喚發(fā)出青春在高新技術中喚發(fā)出青春。(3)反相微乳法及膠團法制備反相微乳法及膠團法制備納米粒子納米粒子 納米微粒是指納米微粒是指顆粒尺寸為納米量級顆粒尺寸為納米量級的超細微粒，的超細微粒，以以1nm1nm的粒子的

10、粒子與乒乓球相比，與乒乓球相比，猶如把一個猶如把一個乒乓球乒乓球放在居住著全人類放在居住著全人類的的地球地球上。上。反相微乳法及膠團法制備納米粒子反相微乳法及膠團法制備納米粒子納米材料具有許納米材料具有許多神奇的功能多神奇的功能高機械強度高機械強度：大于鋼大于鋼100100倍倍，1/61/6重量重量反相微乳法及膠團法制備納米粒子反相微乳法及膠團法制備納米粒子納米材料具有許多神奇的功能納米材料具有許多神奇的功能 如此微小尺度的材料是怎么制得的？如此微小尺度的材料是怎么制得的？化學家利用了膠體化學中化學家利用了膠體化學中 具有納米尺度的具有納米尺度的反膠束（油包水）反膠束（油包水）作為納米反應器用

11、于制備納米粒子作為納米反應器用于制備納米粒子反相微乳法及膠團法制備納米粒子反相微乳法及膠團法制備納米粒子以碳酸鈣納米粒子制備為例以碳酸鈣納米粒子制備為例油包水膠束油包水膠束（3 36nm6nm）Ca(OH)2CO2Ca(OH)2反相微乳法及膠團法制備納米粒子反相微乳法及膠團法制備納米粒子反相微乳液法反相微乳液法：雙微乳法雙微乳法，即混合含有即混合含有 2 2種反應物的種反應物的 反相微乳液反相微乳液反應在微水核中反應在微水核中 進行，進行，并成核、長大，并成核、長大，最后得到納米粒子最后得到納米粒子反相微乳法及膠團法制備納米粒子反相微乳法及膠團法制備納米粒子反相微乳法及膠團法制備納米粒子反相微

12、乳法及膠團法制備納米粒子 單微乳法單微乳法往含有反應物往含有反應物A A的反相微乳液中的反相微乳液中 加入反應物加入反應物B(B(或氣體）或氣體）反應物反應物B B在反相微乳液系統(tǒng)中擴散，在反相微乳液系統(tǒng)中擴散，透過表面活性劑和助表面活性劑組成的透過表面活性劑和助表面活性劑組成的 復合膜向微乳內核中滲透，復合膜向微乳內核中滲透，A A、B B在微水核中混合并反應。在微水核中混合并反應。 反應物的滲透擴散為控制過程。反應物的滲透擴散為控制過程。TiOTiO2 2納米粒子就是采用單微乳法制備的。納米粒子就是采用單微乳法制備的。 反相微乳法及膠團法制備納米粒子反相微乳法及膠團法制備納米粒子納米納米B

13、aCOBaCO3 3的制備的制備配制配制BaClBaCl2 2和和 NaNa2 2COCO3 3兩個水溶液兩個水溶液 反相微乳液反相微乳液 表面活性劑表面活性劑C C1212E E4 4 環(huán)己烷環(huán)己烷等體積的等體積的A A與與B B微乳微乳 混合混合制成納米制成納米BaCOBaCO3 3。反相微乳法及膠團法制備納米粒子反相微乳法及膠團法制備納米粒子在“十一酸/癸胺/癸烷/水”正負混合反膠束正負混合反膠束體系中，利用聚合物的誘導作用合成羽毛狀BaWOBaWO4 4納米線超結構納米線超結構反相微乳法及膠團法制備納米粒子反相微乳法及膠團法制備納米粒子“十一酸十一酸/ /癸胺癸胺/ /癸烷癸烷/ /水

14、水” ” 體系中，通過改變正體系中，通過改變正負混合表面活性劑配比合成樹枝狀負混合表面活性劑配比合成樹枝狀BaCrO4BaCrO4納米帶納米帶超結構超結構Ba2+ + CrO42-24h(4)電化學合成及電催化電化學合成及電催化 電化學合成是指用電化學方法電化學合成是指用電化學方法 去合成無機及有機化學物質去合成無機及有機化學物質利用電極反應動力學原理利用電極反應動力學原理 即即多相電催化多相電催化 選擇或修飾電極材料選擇或修飾電極材料 與與 降低超電勢降低超電勢 加速特定的電極反應加速特定的電極反應電化學合成及電催化電化學合成及電催化葡萄糖陰極電還原合成甘露醇葡萄糖陰極電還原合成甘露醇 和山

15、梨醇為例，和山梨醇為例，電化學合成及電催化電化學合成及電催化電化學合成及電催化電化學合成及電催化“一箭雙雕一箭雙雕”的反應，的反應，即一個反應物在同一電極上生成即一個反應物在同一電極上生成兩個有用的產物：兩個有用的產物：甘露醇和甘露醇和山梨醇山梨醇，而且甘露醇附加值更高。而且甘露醇附加值更高。電化學合成及電催化電化學合成及電催化 石墨、金屬鉛、雷尼鎳石墨、金屬鉛、雷尼鎳 三種材料作陰極三種材料作陰極以雷尼鎳的電流效率最高以雷尼鎳的電流效率最高 催化活性最高催化活性最高, , 雷尼鎳的選擇性好雷尼鎳的選擇性好 甘露醇的相對含量最高甘露醇的相對含量最高電化學合成及電催化電化學合成及電催化 新興工業(yè)

16、正處于篷勃發(fā)展階段新興工業(yè)正處于篷勃發(fā)展階段基礎理論與基礎理論與現(xiàn)代分離技術現(xiàn)代分離技術 超臨界流體萃取超臨界流體萃取超臨界流體萃取是分離科學中超臨界流體萃取是分離科學中有劃時代意義的科學進步有劃時代意義的科學進步。 蛋白質微乳分離技術蛋白質微乳分離技術(1)超臨界流體萃取超臨界流體萃取 基本原理基本原理 溶解度定律溶解度定律 三組分體系二相平衡三組分體系二相平衡 的分配定律的分配定律 焦爾焦爾- -湯姆遜效應湯姆遜效應超臨界流體萃取超臨界流體萃取超臨界流體萃取超臨界流體萃取超臨界流體萃取超臨界流體萃取 態(tài)態(tài)4545： 溶解度隨溫度溶解度隨溫度升高而降低，升高而降低，為使分離完全為使分離完全而

17、升溫而升溫 態(tài)態(tài)5555：態(tài)態(tài)5 5為萃取物的為萃取物的過飽和混合物，過飽和混合物，萃取物自動析出，萃取物自動析出，與與COCO2 2分離分離 (2)蛋白質微乳蛋白質微乳分離技術分離技術 基本原理基本原理 表面活性劑表面活性劑 油包水微乳油包水微乳 蛋白質等電點蛋白質等電點蛋白質微乳分離技術蛋白質微乳分離技術 有兩種蛋白質：有兩種蛋白質：蛋白質蛋白質 分子量分子量 等電點等電點pIpI溶菌酶溶菌酶 14500 11.114500 11.1核糖核酸酶核糖核酸酶 13700 7.813700 7.8 蛋白質微乳分離技術蛋白質微乳分離技術表面活性劑的兩性（親油和親水）表面活性劑的兩性（親油和親水）蛋

18、白質微乳分離技術蛋白質微乳分離技術水 水水 包包 油油 5 5100nm100nm 油油 包包 水水 3-6nm蛋白質微乳分離技術蛋白質微乳分離技術蛋白質微乳分離技術蛋白質微乳分離技術蛋白質等電點（兩性的性質）蛋白質等電點（兩性的性質） 蛋白質微乳分離技術蛋白質微乳分離技術基礎理論與新能源基礎理論與新能源 世界能源儲量：世界能源儲量： 煤炭煤炭儲量可開采儲量可開采100 100 150150年年，天然氣天然氣儲量可開采儲量可開采50 50 6060年年，石油石油儲量可開采儲量可開采30304040年年?；A理論與新能源基礎理論與新能源基礎理論與新能源基礎理論與新能源基礎理論與新能源基礎理論與新

19、能源可燃冰可燃冰( (甲烷甲烷水合物水合物) ) 為什么為什么“冰冰”能燃燒能燃燒? ?亨利定亨利定律律基礎理論與新能源基礎理論與新能源基礎理論與新能源基礎理論與新能源20072007年能源領域年度十大新聞年能源領域年度十大新聞， 南海北部成功鉆獲可燃冰實物樣品南海北部成功鉆獲可燃冰實物樣品天然氣水合物的發(fā)現(xiàn)展示了天然氣水合物的發(fā)現(xiàn)展示了 后石油時代后石油時代的美好前景的美好前景 天然氣水合物開發(fā)利用研究天然氣水合物開發(fā)利用研究 已列為已列為2222項前沿技術之一項前沿技術之一。 天然氣水含物研究的應用前景：天然氣水含物研究的應用前景： 與液化天然氣和管道儲運技術相比與液化天然氣和管道儲運技術

20、相比 存儲空間小，存儲量大，存儲空間小，存儲量大， 儲氣條件相對溫和，安全，儲氣條件相對溫和，安全， 高效，經濟。高效，經濟。 應用前景的拓展：應用前景的拓展： 海水淡化，空調蓄冷，氣體分離海水淡化，空調蓄冷，氣體分離基礎理論與新能源基礎理論與新能源基礎理論與新能源基礎理論與新能源 化學電源化學電源基礎理論與新能源基礎理論與新能源 銀鋅電池銀鋅電池 輕而小，又適于大功率放電輕而小，又適于大功率放電 全釩電池全釩電池是一種是一種 理想清潔的綠色能源。理想清潔的綠色能源。 我國釩資源豐富，我國釩資源豐富， 是值得研究發(fā)展的一個方向是值得研究發(fā)展的一個方向，基礎理論與新能源基礎理論與新能源鋰電池鋰電

21、池鋰是諸金屬中具有質量輕、鋰是諸金屬中具有質量輕、 Li LiLi+Li+電極標準電極電勢最負，電極標準電極電勢最負， 導電性和機械性能良好等優(yōu)點，導電性和機械性能良好等優(yōu)點， 自自2020世紀世紀8080年代以來是研究的年代以來是研究的 熱點之一熱點之一 成為最有競爭力的成為最有競爭力的 高能電池之一。高能電池之一?；A理論與新能源基礎理論與新能源燃料電池燃料電池是十分清潔的發(fā)電裝置，是十分清潔的發(fā)電裝置， 重要的發(fā)電手段服務于人類。重要的發(fā)電手段服務于人類。儲儲 氫氫 合合 金金LaNiLaNi5 5是是CaCuCaCu5 5型結構，六方晶系的晶體結構型結構，六方晶系的晶體結構晶胞中有晶胞

22、中有6 6個變形四面體儲氫空隙個變形四面體儲氫空隙“小問題小問題”有大道理有大道理化學原理無處不在化學原理無處不在 一個化工廠、制藥廠一個化工廠、制藥廠工藝中的工藝中的 每一個步驟都包含有物理化學原理每一個步驟都包含有物理化學原理我們周圍生活中化學原理無處不在。我們周圍生活中化學原理無處不在。結合這些結合這些“小問題小問題” 可以使書本上的理論變得可以使書本上的理論變得 生動而容易理解，生動而容易理解，培養(yǎng)學生的化學視角培養(yǎng)學生的化學視角?！靶栴}小問題”有大道理有大道理愛斯基摩人根據季節(jié)的變換愛斯基摩人根據季節(jié)的變換 從汪洋大海含鹽海水中從汪洋大海含鹽海水中 取出不含鹽的淡冰取出不含鹽的淡冰

23、小鍋炒菜為什么色香味俱佳？小鍋炒菜為什么色香味俱佳？ 酶催化和化學反應速率的酶催化和化學反應速率的 負溫度系數(shù)在起作用負溫度系數(shù)在起作用“小問題小問題”有大道理有大道理20082008年我國南方地區(qū)遭受的年我國南方地區(qū)遭受的 大面積凍雨災害的大面積凍雨災害的 凍雨即是過冷水滴凍雨即是過冷水滴 過冷水滴即過冷水滴即 單組分體系相平衡單組分體系相平衡 中的亞穩(wěn)態(tài)水，中的亞穩(wěn)態(tài)水， 與穩(wěn)定態(tài)的固態(tài)的與穩(wěn)定態(tài)的固態(tài)的 冰或雪不同冰或雪不同“神七神七”航天員出艙前的準備工作航天員出艙前的準備工作： 吸（吸（純純）氧排）氧排( (血液中血液中）氮）氮 為避免進入低壓環(huán)境后為避免進入低壓環(huán)境后 血液中溶解的

24、氮析出血液中溶解的氮析出 在血管中形成氣栓在血管中形成氣栓 原理原理: : 亨利定律亨利定律 減壓使氣體溶解度降低減壓使氣體溶解度降低“小問題小問題”有大道有大道理理創(chuàng)新是關鍵創(chuàng)新是關鍵基礎理論是根本基礎理論是根本常教常新是保證常教常新是保證課堂教學要改進課堂教學要改進 創(chuàng)新是關鍵創(chuàng)新是關鍵 基礎理論是普遍性的原理，基礎理論是普遍性的原理， 將其應用于實際將其應用于實際 關鍵是關鍵是具有具有創(chuàng)新能力創(chuàng)新能力的研究工作者。的研究工作者。 創(chuàng)新是關鍵創(chuàng)新是關鍵 蛋白質微乳分離技術知識點蛋白質微乳分離技術知識點 相平衡中萃取的相平衡中萃取的 分配定律分配定律有機化學中有機化學中 蛋白質的等電點蛋白質

25、的等電點膠體化學中膠體化學中 表面活性劑和乳化作用表面活性劑和乳化作用 創(chuàng)新是關鍵創(chuàng)新是關鍵超臨界流體萃取技術超臨界流體萃取技術 理論基礎是：理論基礎是：臨界現(xiàn)象、臨界現(xiàn)象、兩相平衡分配定律及兩相平衡分配定律及焦爾焦爾湯姆遜效應湯姆遜效應創(chuàng)新是關鍵創(chuàng)新是關鍵 說明說明：高新技術的基礎在基本理論高新技術的基礎在基本理論必須有掌握這些基本理論的科學工作者必須有掌握這些基本理論的科學工作者 具有具有創(chuàng)新思維創(chuàng)新思維的能力的能力否則怎能將許多否則怎能將許多分散在不同學科不同領域分散在不同學科不同領域 看來看來風馬牛不相及的知識點風馬牛不相及的知識點 結合起來形成高新技術呢結合起來形成高新技術呢? ?基

26、礎理論和創(chuàng)新思維基礎理論和創(chuàng)新思維 是高新技術的二個支柱是高新技術的二個支柱創(chuàng)新是關鍵創(chuàng)新是關鍵前沿領域日新月異前沿領域日新月異, ,根部深植于根部深植于 并不深奧的基礎理論并不深奧的基礎理論 和并不復雜的方法之中和并不復雜的方法之中應在基礎層次上尋找應在基礎層次上尋找前沿的根前沿的根作為教師應充分發(fā)掘這些作為教師應充分發(fā)掘這些“閃光點閃光點” 讓原理在科學研究和實際應用讓原理在科學研究和實際應用 的實例中展現(xiàn)其活力的實例中展現(xiàn)其活力基礎理論是根本基礎理論是根本 要實現(xiàn)創(chuàng)新要實現(xiàn)創(chuàng)新 必須對基礎理論有必須對基礎理論有 正確的理解和熟練的掌握正確的理解和熟練的掌握化學教學任何時候都不能放松化學教學任何時候都不能放松 基礎理論這個基礎理論這個“根本根本”丟掉了丟掉了“基本基本” 創(chuàng)新就成了無源之水創(chuàng)新就成了無源之水 只是空喊的口號只是空喊的口號20062006年諾貝爾化學獎年諾貝爾化學獎科恩伯格科恩伯格報告（報告（2008.11.122008.11.12） 對于初學化學的人，對于初學化學的人，基礎最重基礎最重要要, ,才能在以后深入下去才能在以后深入下去, ,發(fā)散發(fā)散到各個方面到各個方面 一名科學工作者一名科學工作者, ,最重要的品最重要的品質是質是“堅持堅持”(persist)(persist)基礎理論是根本基礎理論是根本基礎理論是根本基礎