校本教材《快樂(lè)的化學(xué)讀本-化學(xué)學(xué)科發(fā)展》

校本教材《快樂(lè)的化學(xué)讀本-化學(xué)學(xué)科發(fā)展》發(fā)布者張興前化學(xué)學(xué)科從近代化學(xué)算起已有兩個(gè)世紀(jì)的歷史。它與物理學(xué)和生物學(xué)都是自然科學(xué)中的主要基礎(chǔ)學(xué)科。它們都有各自的使命和傳統(tǒng),隨著發(fā)展,由于在其內(nèi)容深處的盤根錯(cuò)節(jié),表現(xiàn)出相互之間越來(lái)越密切的關(guān)系。化學(xué)發(fā)展到今天,已經(jīng)成為與信息、生命、材料、環(huán)境、能源、地球、空間和核科學(xué)等八大朝陽(yáng)科學(xué)都有密切的聯(lián)系、交叉和滲透的中心科學(xué)。第一章近代化學(xué)——基本理論的建立背景特點(diǎn)：近代化學(xué)發(fā)軔于18世紀(jì)和19世紀(jì)之交提出的元素學(xué)說(shuō)(拉瓦錫,1774)和原子學(xué)說(shuō)(道爾頓,1803)。此前多個(gè)世紀(jì)都曾進(jìn)行過(guò)與化學(xué)有關(guān)的實(shí)踐,其中包括煉丹術(shù)和煉金術(shù)。從這些盲目實(shí)踐中得出了教訓(xùn),要求在從事物質(zhì)轉(zhuǎn)化探索的同時(shí)注視物質(zhì)的組成問(wèn)題,元素和原子學(xué)說(shuō)應(yīng)運(yùn)而生。化學(xué)由此進(jìn)入了持續(xù)至今以原子論為主線的新時(shí)期。從1960年起,康尼查羅采納了阿佛加德羅假說(shuō),理順了當(dāng)量和原子量的關(guān)系,并改正了當(dāng)時(shí)的化學(xué)式和分子式,從而使原子-分子論得以確立。

原子-分子論指明:不同元素代表不同原子;原子在空間按一定方式或結(jié)構(gòu)結(jié)合成分子;分子通過(guò)結(jié)構(gòu)決定其性能;分子進(jìn)一步集聚成物體。這個(gè)理論基礎(chǔ)在化學(xué)的發(fā)展進(jìn)程中不斷豐富、深化和擴(kuò)展,但并無(wú)顛覆性變化。第一節(jié)化學(xué)理論發(fā)展的重要軌跡1661年波義耳在其著名論文“懷疑派的化學(xué)家”中提出“元素”的概念，從而化學(xué)被確定為一門學(xué)科。1803年道爾頓提出原子論。1811年阿伏加德羅提出了“分子”的概念。1860年康尼查羅提出了原子--分子論。1870年門捷列夫發(fā)現(xiàn)了元素周期律，奠定了化學(xué)學(xué)科的 理論基礎(chǔ)。19世紀(jì)末化學(xué)的重要分支（二級(jí)學(xué)科）分析化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)和物理化學(xué)相繼建立，這種分工大大推動(dòng)了化學(xué)研究的深化。20世紀(jì)量子力學(xué)的誕生，近鄰學(xué)科特別是物理學(xué)、生物學(xué)和數(shù)學(xué)的發(fā)展，以及各種新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)及精密儀器的發(fā)明和計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使化學(xué)學(xué)科得到迅猛的發(fā)展。第二節(jié)物理學(xué)在兩個(gè)發(fā)展時(shí)期中與化學(xué)的關(guān)系物理學(xué)學(xué)科的發(fā)展經(jīng)歷兩個(gè)時(shí)期:從質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)和波動(dòng)這兩極來(lái)反復(fù)研究熱、光、聲、電、磁等效應(yīng)的經(jīng)典物理和揭示了原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)及波-粒二象性后的近代物理。

在經(jīng)典物理時(shí)期,化學(xué)與物理之間曾有過(guò)一種約定俗成的分工,其要點(diǎn)是化學(xué)要追究物質(zhì)的組成,而物理在研究中則需回避物質(zhì)組成的變化。雙方居然取得了種瓜得瓜、種豆得豆的效果：迷戀于追究物質(zhì)組成的化學(xué)在19世紀(jì)中建成了原子-分子論,發(fā)現(xiàn)和合成了眾多化合物,揭示了元素周期系和碳的價(jià)鍵四面體向以及關(guān)于結(jié)構(gòu)與性能關(guān)聯(lián)等規(guī)律,對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)大為開擴(kuò)和深入,并為資源的開發(fā)和利用提供了科學(xué)依據(jù)。

但化學(xué)學(xué)科當(dāng)時(shí)若要再深入一步就需要迎接外來(lái)的契機(jī)了。幸好擺弄熱、光、聲、電、磁等效應(yīng)的經(jīng)典物理也取得了累累成果，為機(jī)、電和儀表工業(yè)等的奠立提供了理論基礎(chǔ)，并從19世紀(jì)末起終于在揭示原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和波-粒二象性后將牛頓力學(xué)上升到量子力學(xué),并為科技的研究和開發(fā)提供了一系列新手段。

近代物理對(duì)化學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展,不論在實(shí)驗(yàn)和理論上都提供了新的起點(diǎn)。X射線等電磁波以及同位素和放射性等的廣泛應(yīng)用是這個(gè)新時(shí)期的重要標(biāo)志。X射線衍射“喧賓奪主”,成為測(cè)定結(jié)構(gòu)的主要方法。在原子結(jié)合成分子的層次上,牛頓力學(xué)無(wú)能為力,正好需要量子力學(xué)，量子化學(xué)應(yīng)運(yùn)而起。第三節(jié)生物化學(xué)之崛起

生命科學(xué)是從現(xiàn)象到本質(zhì)研究生命的學(xué)科,它的核心是生物學(xué),包括農(nóng)學(xué)和醫(yī)學(xué)等學(xué)科。

生物學(xué)在19世紀(jì)后半期中接連出現(xiàn)了三大突破性發(fā)現(xiàn),它們是:進(jìn)化論(達(dá)爾文,1859);細(xì)胞學(xué)說(shuō)(魏爾嘯,1860)和遺傳定律(孟德爾,1865和德符里斯,1990)。它們抓住了生命和有關(guān)現(xiàn)象中最普遍和最特征的事物,為生物學(xué)奠立了學(xué)科框架。但生物學(xué)要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展,特別是要揭示更多的共性和本質(zhì),極大限度地消除其神密色彩以及解決農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥方面的問(wèn)題,就必須從化學(xué)來(lái)研究生命和生物,并將認(rèn)識(shí)的層次從細(xì)胞深入到分子。這時(shí),化學(xué)在奠立了原子-分子論后,又經(jīng)過(guò)了幾十年,已能在分析和合成以及研究分子的結(jié)構(gòu)等方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。比起1828年韋勒從氰酸銨制取尿素的工作,水平和意義已不可同日而語(yǔ)。這樣就從有機(jī)化學(xué)中開辟了生物化學(xué)研究方向,并逐漸形成了生物化學(xué)學(xué)科。它是將生物學(xué)引向分子水平的先驅(qū)學(xué)科。

現(xiàn)選列與本文內(nèi)容密切相關(guān)的生物化學(xué)重大成果如下:E·費(fèi)希爾(1907)奠立蛋白質(zhì)化學(xué);A.Todd(1944)奠立核酸化學(xué);O.T.艾弗里(1944)確定基因的載體是DNA,而不是蛋白質(zhì);A.J.P.馬丁和R.L.M.辛格(1944)發(fā)展出紙色層分析技術(shù);E·夏爾加夫(1950)得出DNA中胸腺嘧啶(A)與腺嘌呤(T)和胞嘧啶(C)與鳥嘌呤(G)的等分子數(shù)關(guān)系以及F·桑格(1953)測(cè)定胰島素中各種氨基酸殘基的定量組成,并進(jìn)一步測(cè)定其順序。

生物化學(xué)研究了動(dòng)物、植物以及微生物等各種生命形態(tài)的化學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)了形形色色的生物具有令人驚異的共性。生物體的基本單位是細(xì)胞,而構(gòu)成不同形態(tài)生命的細(xì)胞具有極為相似的分子設(shè)計(jì)。第二章現(xiàn)代化學(xué)——物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論和合成化學(xué)背景特點(diǎn)：至19世紀(jì)，由于實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的化合物逐漸增多，化合物被分為無(wú)機(jī)化合物和有機(jī)化合物。有機(jī)化合物是指碳、氫化合物和它們的衍生物。衍生物是指一種化合物分子中的原子或原子團(tuán)被其他原子或原子團(tuán)取代而衍生的產(chǎn)物，例如乙烷分子中有一個(gè)氫原子被原子團(tuán)一OH取代而衍生成乙醇是有機(jī)化合物，C。也是有機(jī)化合物。非有機(jī)化合物即是無(wú)機(jī)化合物。研究有機(jī)化合物的化學(xué)就是有機(jī)化學(xué)，研究無(wú)機(jī)化合物的化學(xué)就是無(wú)機(jī)化學(xué)。同一時(shí)期里，隨著化學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的需求，分析化學(xué)獨(dú)立作為化學(xué)的又一個(gè)分支學(xué)科出現(xiàn)。分析化學(xué)又可分為定性分析化學(xué)和定量分析化學(xué)。19世紀(jì)末、20世紀(jì)初，物理學(xué)中出現(xiàn)了一系列的新發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典物理學(xué)受到?jīng)_擊，化學(xué)得到發(fā)展而步人現(xiàn)代化學(xué)。1895年德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線。1896年法國(guó)物理學(xué)家貝克雷爾發(fā)現(xiàn)鈾能自發(fā)地放射射線。1897年英國(guó)物理學(xué)家湯姆生發(fā)現(xiàn)電子。1898年波蘭出生的法國(guó)物理學(xué)家居里夫人物質(zhì)的放射性。在諸多科學(xué)家的努力下，逐漸揭開了原子內(nèi)部的奧秘，創(chuàng)立了嶄新的測(cè)定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的多種物理方法，促進(jìn)化學(xué)向微觀、理論、定量的方向發(fā)展。此外，一些與物理、化學(xué)領(lǐng)域相近的邊緣學(xué)科，如物理化學(xué)、生物比學(xué)、高分子化學(xué)、環(huán)境化學(xué)、地球化學(xué)、海洋化學(xué)等先后出現(xiàn)，使化學(xué)科學(xué)進(jìn)人了更專門的研究領(lǐng)域。第一節(jié)20世紀(jì)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重大突破放射性和鈾裂變的重大發(fā)現(xiàn)1903年居里夫婦因發(fā)現(xiàn)了放射性比鈾強(qiáng)400倍的釙，以及放射性比鈾強(qiáng)200多萬(wàn)倍的鐳為此而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1911年為表彰居里夫人在發(fā)現(xiàn)釙和鐳、開拓放射化學(xué)新領(lǐng)域以及發(fā)展放射性元素的應(yīng)用方面的貢獻(xiàn)，居里夫人被授予了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)1908年盧瑟福因從事關(guān)于元素衰變和放射性物質(zhì)的研究,提出了原子的有核結(jié)構(gòu)模型和放射性元素的衰變理論而獲得了的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1935年約里奧-居里夫婦因第一次用人工方法創(chuàng)造出放射性元素而榮獲了的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1938年費(fèi)米因人工合成了60種新的放射性元素而獲得了的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1944年哈恩因發(fā)現(xiàn)了核裂變現(xiàn)象而獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1942年費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)下成功的建造了第一座原子反應(yīng)堆。1945年美國(guó)在日本投下了原子彈。化學(xué)鍵和現(xiàn)代量子化學(xué)理論的建立鮑林在化學(xué)鍵本質(zhì)研究和應(yīng)用化學(xué)鍵理論來(lái)闡明物質(zhì)結(jié)構(gòu)而獲1945年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。經(jīng)許多化學(xué)家近半個(gè)世紀(jì)的努力，現(xiàn)代量子化學(xué)理論不斷發(fā)展和完善，化學(xué)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算并重的時(shí)代?；瘜W(xué)家們由淺入深，認(rèn)識(shí)分子的本質(zhì)及其相互作用的基本原理，從而讓人們進(jìn)入分子的理性設(shè)計(jì)的高層次領(lǐng)域。創(chuàng)造新物質(zhì)——合成化學(xué)近百年來(lái)化學(xué)家(特別是有機(jī)化學(xué)家)已經(jīng)設(shè)計(jì)和合成了數(shù)千萬(wàn)個(gè)化合物，幾乎又創(chuàng)造了一個(gè)新的自然界；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了大量的新反應(yīng)、新試劑、新方法和新理論。1912年格林尼亞因發(fā)明格林尼亞試劑，開創(chuàng)了有機(jī)金屬化合物在各種官能團(tuán)反應(yīng)中的新領(lǐng)域而獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?，F(xiàn)代有機(jī)合成化學(xué)是經(jīng)過(guò)20世紀(jì)近100年的研究、探索發(fā)展到今天已可以合成像?？舅?Polytoxin)這樣復(fù)雜的有機(jī)分子(具有64個(gè)手性中心的7個(gè)骨架內(nèi)雙鍵的分子，存在271≈2×1021個(gè)異構(gòu)體)。20世紀(jì)合成化學(xué)的輝煌成就高分子科學(xué)的建立和發(fā)展20世紀(jì)的人類社會(huì)文明的標(biāo)志之一是合成材料的出現(xiàn)。1953年H.Staudinger因提出了高分子這個(gè)概念，創(chuàng)立了高分子鏈型學(xué)說(shuō)建立了高分子粘度與分子量之間的定量關(guān)系，從而獲得了的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1963年Ziegler和Natta因發(fā)現(xiàn)了配位聚合反應(yīng)和實(shí)現(xiàn)了丙烯的定向聚合而共獲了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1974年Flory因在高分子性質(zhì)方面的成就也獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。化學(xué)動(dòng)力學(xué)與分子反應(yīng)動(dòng)態(tài)學(xué)的發(fā)展揭示化學(xué)反應(yīng)的歷程和研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與其反應(yīng)能力之間的關(guān)系，是控制化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的需要。1956年由前蘇聯(lián)的謝苗諾夫和英國(guó)的欣歇爾伍德在化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)速度和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)方面的開創(chuàng)性研究而獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。同時(shí)研究快速反應(yīng)的技術(shù)得到發(fā)展，現(xiàn)在可以研究十億分之一秒內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。美籍華人化學(xué)家李遠(yuǎn)哲及美國(guó)化學(xué)家赫希巴赫首先研制成功能獲得各種態(tài)信息的交叉分子束實(shí)驗(yàn)裝置，從微觀角度來(lái)認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)，發(fā)展了分子反應(yīng)動(dòng)態(tài)學(xué)，亦稱態(tài)--態(tài)化學(xué)，對(duì)化學(xué)反應(yīng)的基本原理做出了重要突破。(榮獲1986年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng))。1956年Semenov和Hinchelwood在化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)速度和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)方面的開創(chuàng)性研究獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1967年EigenPorter和Norrish因發(fā)展了閃光光解法技術(shù)用于研究發(fā)生在十億分之一秒內(nèi)的快速化學(xué)反應(yīng)，對(duì)快速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究作出了重大貢獻(xiàn)，三人共獲了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1986年李遠(yuǎn)哲、Herschbach和Polany因發(fā)明了獲得各種態(tài)信息的交叉分子束技術(shù)，并利用該技術(shù)F+H2的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（態(tài)－態(tài)化學(xué)），對(duì)化學(xué)反應(yīng)的基本原理作出了重要貢獻(xiàn)，為此共獲了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1999年Zewail因利用飛秒光譜技術(shù)研究過(guò)渡態(tài)的成就獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。關(guān)于化學(xué)反應(yīng)的歷程的重要研究成果——飛秒化學(xué)飛秒化學(xué)是研究在極小的時(shí)間內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程和機(jī)理。這一領(lǐng)域涉及的時(shí)間間隔短至約千萬(wàn)億分之一秒，即1飛秒。1s(s,秒)=103ms(毫秒)=109ns(納秒)＝1015fs(femtosecond飛秒)從分子的角度來(lái)說(shuō)，化學(xué)反應(yīng)的本身就是分子體系的波函數(shù)隨時(shí)間的變化，在勢(shì)能面上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)上，通過(guò)觀察在不同時(shí)刻體系的性質(zhì)，就可以得到這種演化的圖像，從而理解反應(yīng)的具體動(dòng)力學(xué)過(guò)程。由于分子內(nèi)部、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中及凝聚相中分子間相互作用過(guò)程是在非常短的時(shí)間里發(fā)生的，比如說(shuō)，化學(xué)反應(yīng)過(guò)渡態(tài)的壽命一般只有幾十飛秒，所以必須在飛秒的時(shí)間尺度上對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)。也就是說(shuō)，要象照相一樣，要用足夠短的“快門”，來(lái)捕捉分子運(yùn)動(dòng)和變化的瞬間行為的信息。飛秒化學(xué)的技術(shù)基礎(chǔ)——飛秒激光。不同波長(zhǎng)的激光可以選擇性地激發(fā)和檢測(cè)不同的分子，或者同一分子的不同內(nèi)部能量狀態(tài)，或量子態(tài)分布。分析科學(xué)的發(fā)展20世紀(jì)70年代，生命科學(xué)、信息科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使分析化學(xué)進(jìn)入了嶄新階段，它不只限于測(cè)定物質(zhì)的組成和含量，而要對(duì)物質(zhì)的狀態(tài)(氧化．還原態(tài)、各種結(jié)合態(tài)、結(jié)晶態(tài))、結(jié)構(gòu)(一維、二維、三維空間分布)、微區(qū)、薄層和表面的組成與結(jié)構(gòu)以及化學(xué)行為和生物活性等做出瞬時(shí)追蹤，無(wú)損和在線監(jiān)測(cè)等分析及過(guò)程控制，甚至要求直接觀察原子和分子的形態(tài)與排列。分析化學(xué)成為一門儀器裝置和測(cè)量的科學(xué)。1990年開始的人類基因組計(jì)劃(HGP)中，由于DNA測(cè)序技術(shù)不斷推陳出新，從板凝膠電泳到凝膠毛細(xì)管電泳、線性高分子溶液毛細(xì)管電泳、到陣列毛細(xì)管電泳，直至全基因組鳥槍測(cè)序技術(shù)。終于使人類基因組計(jì)劃提前到2001年完成。分析化學(xué)在推進(jìn)人們弄清環(huán)境和生命有關(guān)的化學(xué)問(wèn)題中起著關(guān)鍵作用?；瘜W(xué)在生命科學(xué)領(lǐng)域的重要研究成果20世紀(jì)初開始生物小分子（如糖、血紅素、葉綠素、維生素等）的化學(xué)結(jié)構(gòu)與合成研究就多次獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)1955年首次合成多肽激素催產(chǎn)素和加壓素，獲1955年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；1960年成功地測(cè)定了鯨肌紅旦白和馬血紅蛋白的空間結(jié)構(gòu)，獲1962年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；1980年P(guān).Berg、F.Sanger和W.Gilbert因在DNA分裂和重組、DNA測(cè)序以及現(xiàn)代基因工程學(xué)方面的杰出貢獻(xiàn)而共獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。DNADNA1982年A.Klug因發(fā)明“象重組“技術(shù)和揭示病毒和細(xì)胞內(nèi)遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1993年M.Smith因發(fā)明寡核苷酸定點(diǎn)誘變法以及K.B.Mullis因發(fā)明多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)對(duì)基因工程的貢獻(xiàn)而共獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。蛋白酶的一種蛋白酶的一種?a?a胰蛋白酶的結(jié)構(gòu)和排列順序示意圖第二節(jié)20世紀(jì)化學(xué)工業(yè)的大發(fā)展石油化工成為支柱產(chǎn)業(yè)20世紀(jì)30年代催化劑進(jìn)入石油化工，催化動(dòng)力學(xué)的發(fā)展及催化劑的作用使石油的各種餾分成為各種不同用途的化工產(chǎn)品，石油化工迅速發(fā)展，已成為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占重要地位的工業(yè)領(lǐng)域。世界化工總產(chǎn)值中80％以上的產(chǎn)品與石油化工有關(guān)。三大合成材料時(shí)代20世紀(jì)前半葉，由于基礎(chǔ)化學(xué)中的高分子化學(xué)的興起和發(fā)展，逐步形成了塑料、纖維、橡膠三大合成材料工業(yè)。到20世紀(jì)末，世界年產(chǎn)合成橡膠能力已1200萬(wàn)噸，合成纖維達(dá)1500萬(wàn)噸，合成塑料已超過(guò)6000萬(wàn)噸。以塑料為主體的三大合成材料，以體積計(jì)算其世界總產(chǎn)量已超過(guò)全部金屬的產(chǎn)量，所以有人稱20世紀(jì)為聚合物時(shí)代。化肥（農(nóng)藥）工業(yè)的巨大作用20世紀(jì)面臨人口大幅度增長(zhǎng)和糧食需求迅速增加的局面。在解決這一困難中，化肥起了重要作用。其中氮肥的生產(chǎn)關(guān)鍵問(wèn)題是如何利用大氣中的氮大規(guī)模合成肥料。1909年德國(guó)化學(xué)家哈伯用鋨作催化劑成功地建立了每小時(shí)產(chǎn)生80克氨的實(shí)驗(yàn)裝置。哈伯因此而榮獲1918年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1931年德國(guó)博施建成第一個(gè)用鐵催化劑的合成氨工廠日產(chǎn)量為30噸。(榮獲1931年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng))。60多年來(lái)，不斷對(duì)合成氨工藝進(jìn)行改進(jìn)并引入現(xiàn)代化工技術(shù)。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，肥料是增產(chǎn)的關(guān)鍵措施。目前已達(dá)年產(chǎn)2000萬(wàn)噸的規(guī)模，占世界第二位。醫(yī)藥工業(yè)的大發(fā)展20世紀(jì)人類壽命顯著延長(zhǎng)，70歲以上的老人比例顯著提高，估計(jì)20世紀(jì)人類平均壽命增加30歲左右。人類壽命延長(zhǎng)的原因之一是醫(yī)療條件的改善，其中針對(duì)人類常見病、多發(fā)病的新藥的研制成功是關(guān)鍵因素。醫(yī)藥工業(yè)的發(fā)展與化學(xué)緊密相關(guān)?；瘜W(xué)合成藥在醫(yī)學(xué)工業(yè)中占主導(dǎo)地位。磺胺藥是第二次世界大戰(zhàn)前惟一有效的抗細(xì)菌感染的藥物。Domagk因此而在1939年榮獲諾貝爾生理及醫(yī)藥獎(jiǎng)?；前奉愃幬锏膯?wèn)世標(biāo)志著化學(xué)療法方面的一大突破。第二次世界大戰(zhàn)后，磺胺藥逐漸讓位于治療效果更好的抗生素類藥，如青霉素、四環(huán)素、紅霉素、氯霉素、頭孢菌素等。目前世界藥物市場(chǎng)的年銷售量約為3000億美元，在世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有舉足輕重的作用。第三章未來(lái)的化學(xué)——綜合學(xué)科發(fā)展的科學(xué)背景特點(diǎn)：化學(xué)學(xué)科的核心任務(wù)或今后的長(zhǎng)遠(yuǎn)努力方向,大體上可歸納為三個(gè)方面:

(1)開展化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)研究,以利開發(fā)新化學(xué)過(guò)程和揭示規(guī)律;(2)揭示組成-結(jié)構(gòu)-性能之間的關(guān)系和有關(guān)規(guī)律,以利設(shè)計(jì)分子或結(jié)構(gòu)從而創(chuàng)造新物質(zhì);(3)利用新技術(shù)和新原理強(qiáng)化分析和測(cè)試方法的威力,使化學(xué)工作的耳目趨于靈敏和可靠。

展望今后，化學(xué)將一如既往,積極參與材料科學(xué)和分子生物學(xué)的發(fā)展。這兩個(gè)學(xué)科與化學(xué)都處在原子、分子層次上,可以分享相當(dāng)部分的原理和方法學(xué),而且涉及的是信息、通信以及健康、福利等新興產(chǎn)業(yè)。在最近20年中,新物質(zhì)的創(chuàng)制確實(shí)也是十分可觀的,其中最為突出的是一系列高Tc超導(dǎo)氧化物以及以C60為代表的富勒烯類物。分子篩和金屬有機(jī)物的合成化學(xué)也有值得注目的進(jìn)展。最近對(duì)納米科技的呼聲很高。這可能也是創(chuàng)造具有神奇性能新物質(zhì)的一個(gè)途徑。當(dāng)前，基因總譜的工作接近完成，后續(xù)的蛋白總譜當(dāng)可為化學(xué)提供更多的機(jī)會(huì)。這是揭示生物學(xué)中很多奧秘的好機(jī)會(huì)。

化學(xué)在能源和環(huán)境產(chǎn)業(yè)中也大有可為。環(huán)境問(wèn)題在較大程度上也與能源結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。當(dāng)前的能源結(jié)構(gòu)是不可能持續(xù)很久的。利用太陽(yáng)能發(fā)電和制氫以及開發(fā)新化學(xué)能源已是當(dāng)務(wù)之急。

生命過(guò)程在本質(zhì)上是化學(xué)過(guò)程,但我們所熟悉的體外化學(xué)過(guò)程一般還遠(yuǎn)非生命過(guò)程那樣平易而有效。我們還需要為化學(xué)合成開發(fā)出像生命過(guò)程中的酶那么高效的催化劑。酶分子簡(jiǎn)直是一臺(tái)分子機(jī)器。估計(jì)化學(xué)遲早也會(huì)掌握如何為某些化學(xué)過(guò)程開發(fā)出分子機(jī)器般的催化劑。我們也不可無(wú)視化學(xué)在生命以外的化學(xué)過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)。在非生命化學(xué)過(guò)程中,溫度和壓力等實(shí)驗(yàn)條件以及化學(xué)元素組成不像在生命過(guò)程中那么局限,而且?guī)缀跏峭耆珱](méi)有限制的。化學(xué)學(xué)科有時(shí)還要懂得“臨淵羨魚,不如退而結(jié)網(wǎng)”的道理。第一節(jié)未來(lái)化學(xué)所面臨的重大挑戰(zhàn)學(xué)習(xí)如何合成并制造任何有科學(xué)意義或?qū)嵱脙r(jià)值的新物質(zhì)。應(yīng)用高選擇行的緊湊的合成路線與過(guò)程得到期望的產(chǎn)物，并在生產(chǎn)過(guò)程中堅(jiān)持低能耗且對(duì)環(huán)境友好。發(fā)展新的材料和測(cè)量裝置以保護(hù)公民免遭恐怖主義、事故、罪犯和疾病的危害，其中包含通過(guò)使用高靈敏度和高選擇性的手段發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)危險(xiǎn)品和有害生物有機(jī)體。在各種時(shí)間尺度和全部分子尺寸范圍上認(rèn)識(shí)并控制分子如何進(jìn)行反應(yīng)。學(xué)會(huì)如何設(shè)計(jì)和制備其性能在生產(chǎn)之前可以預(yù)言、裁剪和調(diào)制的新物質(zhì)、新材料和新的分子器件。詳細(xì)深入地認(rèn)識(shí)生命體系中的化學(xué)。開發(fā)出能夠治愈目前尚屬不治之癥的醫(yī)藥產(chǎn)品和治療方法。將自組裝發(fā)展成合成和制造復(fù)雜體系及材料的有用手段。認(rèn)識(shí)錯(cuò)綜復(fù)雜的地球化學(xué)，包括陸地、海洋、大氣以及生物圈，從而維持地球的可居住性。開發(fā)出永不枯竭的、低廉的能源（包括能源生成、儲(chǔ)存以及運(yùn)輸?shù)男路椒ǎ?，以鋪就一條通向真正可持續(xù)發(fā)展未來(lái)的道路。設(shè)計(jì)并發(fā)展能夠自我優(yōu)化的化學(xué)體系。變革化學(xué)過(guò)程中的設(shè)計(jì)，使之安全、緊湊、靈活、節(jié)能、環(huán)境友好，并且有益于新產(chǎn)品的快速商品化。卓有成效地向公眾傳達(dá)化學(xué)和化學(xué)工程對(duì)社會(huì)的貢獻(xiàn)。吸引最好的、最有才華的年輕學(xué)生進(jìn)入化學(xué)科學(xué)的領(lǐng)域來(lái)應(yīng)對(duì)所有這些挑戰(zhàn)。21世紀(jì)化學(xué)的四大難題化學(xué)的第一根本規(guī)律——化學(xué)反應(yīng)理論和定律化學(xué)是研究化學(xué)變化的科學(xué)，所以化學(xué)反應(yīng)理論和定律是化學(xué)的第一根本規(guī)律。應(yīng)該說(shuō)，目前的一些理論方法對(duì)描述復(fù)雜化學(xué)體系還有困難。因此，建立嚴(yán)格徹底的微觀化學(xué)反應(yīng)理論，既要從初始原理出發(fā)，又要巧妙地采取近似方法，使之能解決實(shí)際問(wèn)題，包括決定某兩個(gè)或幾個(gè)分子之間能否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)？能否生成預(yù)期的分子？需要什么催化劑才能在溫和條件下進(jìn)行反應(yīng)？如何在理論指導(dǎo)下控制化學(xué)反應(yīng)？如何計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的速率？如何確定化學(xué)反應(yīng)的途徑等，是21世紀(jì)化學(xué)應(yīng)該解決的第一個(gè)難題。對(duì)于這一世紀(jì)難題，應(yīng)予首先研究的課題有：(1)充分了解若干個(gè)重要的典型的化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理，以便設(shè)計(jì)最好的催化劑，實(shí)現(xiàn)在最溫和的條件進(jìn)行反應(yīng)，控制反應(yīng)的方向和手性，發(fā)現(xiàn)新的反應(yīng)類型，新的反應(yīng)試劑。(2)在搞清楚光合作用和生物固氮機(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)催化劑和反應(yīng)途徑，以便打斷CO2,N2等穩(wěn)定分子中的惰性化學(xué)鍵。(3)研究其它各種酶催化反應(yīng)的機(jī)理。酶對(duì)化學(xué)反應(yīng)的加速可達(dá)100億倍，專一性達(dá)100%。如何模擬天然酶，制造人工催化劑，是化學(xué)家面臨的重大難題。(4)充分了解分子的電子、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，用特定頻率的光脈沖來(lái)打斷選定的化學(xué)鍵——選鍵化學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。如何確立結(jié)構(gòu)和性能的定量關(guān)系？這里“結(jié)構(gòu)”和“性能”是廣義的，前者包含構(gòu)型、構(gòu)象、手性、粒度、形狀和形貌等，后者包含物理、化學(xué)和功能性質(zhì)以及生物和生理活性等。這是21世紀(jì)化學(xué)的第二個(gè)重大理論難題。要優(yōu)先研究的課題有：(1)分子和分子間的非共價(jià)鍵的相互作用的本質(zhì)和規(guī)律。(2)超分子結(jié)構(gòu)的類型，生成和調(diào)控的規(guī)律。(3)給體-受體作用原理。(4)進(jìn)一步完善原子價(jià)和化學(xué)鍵理論，特別是無(wú)機(jī)化學(xué)中的共價(jià)問(wèn)題。(5)生物大分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)如何決定高級(jí)結(jié)構(gòu)？高級(jí)結(jié)構(gòu)又如何決定生物和生理活性？(6)分子自由基的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的關(guān)系。(7)摻雜晶體的結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系。(8)各種維數(shù)的空腔結(jié)構(gòu)和復(fù)雜分子體系的構(gòu)筑原理和規(guī)律。(9)如何設(shè)計(jì)合成具有人們期望的某種性能的材料？(10)如何使宏觀材料達(dá)到微觀化學(xué)鍵的強(qiáng)度？例如“金屬胡須”的抗拉強(qiáng)度比通常的金屬絲大一個(gè)量級(jí)，但還遠(yuǎn)未達(dá)到金屬-金屬鍵的強(qiáng)度，所以增加金屬材料強(qiáng)度的潛力是很大的。以上各方面是化學(xué)的第二根本問(wèn)題，其迫切性可能比第一問(wèn)題更大，因?yàn)樗墙鉀Q分子設(shè)計(jì)和實(shí)用問(wèn)題的關(guān)鍵。如何揭示生命現(xiàn)象的化學(xué)機(jī)理？充分認(rèn)識(shí)和徹底了解人類和生物的生命運(yùn)動(dòng)的化學(xué)機(jī)理，無(wú)疑是21世紀(jì)化學(xué)亟待解決的重大難題之一。例如：(1)研究配體小分子和受體生物大分子相互作用的機(jī)理，這是藥物設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。(2)化學(xué)遺傳學(xué)為哈佛大學(xué)化學(xué)教授Schreiber所創(chuàng)建。他的小組合成某些小分子，使之與蛋白質(zhì)結(jié)合，并改變蛋白質(zhì)的功能，例如使某些蛋白酶的功能關(guān)閉。這些方法使得研究者們不通過(guò)改變產(chǎn)生某一蛋白質(zhì)的基因密碼就可以研究它們的功能，為開創(chuàng)化學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)，化學(xué)基因組學(xué)(與生物學(xué)家以改變基因密碼來(lái)研究的方法不同)奠定基礎(chǔ)。(3)搞清楚光合作用、生物固氮作用，以及牛、羊等食草動(dòng)物胃內(nèi)酶分子如何把植物纖維分解為小分子的反應(yīng)機(jī)理，為充分利用自然界豐富的植物纖維資源打下基礎(chǔ)。(4)人類的大腦是用“泛分子”組裝成的最精巧的計(jì)算機(jī)。如何徹底了解大腦的結(jié)構(gòu)和功能將是21世紀(jì)的腦科學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、信息和認(rèn)知科學(xué)等交叉學(xué)科共同來(lái)解決的難題。(5)了解活體內(nèi)信息分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和生理調(diào)控的化學(xué)機(jī)理。(6)了解從化學(xué)進(jìn)化到手性和生命起源的飛躍過(guò)程。(7)如何實(shí)現(xiàn)從生物分子(biomolecules)到分子生命(molecularlife)的飛躍？如何制造活的分子(Makelife)，跨越從化學(xué)進(jìn)化到生物進(jìn)化的鴻溝。(8)研究復(fù)雜、開放、非平衡的生命系統(tǒng)的熱力學(xué)，耗散和混沌狀態(tài)，分形現(xiàn)象等非線形科學(xué)問(wèn)題。如何揭示納米尺度的基本規(guī)律納米分子和材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的基本規(guī)律是21世紀(jì)的化學(xué)和物理需要解決的重大難題之一。現(xiàn)在中美日等國(guó)都把納米科學(xué)技術(shù)定為優(yōu)先發(fā)展的國(guó)家目標(biāo)。錢學(xué)森先生說(shuō)，繼信息科學(xué)之后，納米科學(xué)技術(shù)可能引起新一輪的產(chǎn)業(yè)革命。在復(fù)雜性科學(xué)和物質(zhì)多樣性研究中，尺度效應(yīng)至關(guān)重要。尺度的不同，常常引起主要相互作用力的不同，導(dǎo)致物質(zhì)性能及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律和原理的質(zhì)的區(qū)別。納米尺度體系的熱力學(xué)性質(zhì)，包括相變和“集體現(xiàn)象”如鐵磁性，鐵電性，超導(dǎo)性和熔點(diǎn)等與粒子尺度有重要的關(guān)系。當(dāng)尺度在十分之幾到10納米的量級(jí)，正處于量子尺度和經(jīng)典尺度的模糊邊界中，此時(shí)熱運(yùn)動(dòng)的漲落和布朗運(yùn)動(dòng)將起重要的作用。例如金的熔點(diǎn)為1063℃，納米金(5-10nm)的融化溫度卻降至330℃。銀的熔點(diǎn)為960.3℃，而納米銀(5-10nm)為100℃。四大難題破解后的美好前景經(jīng)過(guò)50-100年的努力，如果解決了化學(xué)四大難題，不難設(shè)想我們美好的遠(yuǎn)景：(1)在解決第一和第三難題，充分了解光合作用、固氮作用機(jī)理和催化理論的基礎(chǔ)上，我們可以期望實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的工業(yè)化，在工廠中生產(chǎn)糧食和蛋白質(zhì)，大大縮減寶貴的耕地面積，使地球能養(yǎng)活人口的數(shù)目成倍增加。(2)在解決第二和第四難題的基礎(chǔ)上，我們可以期望得到比現(xiàn)在性能最好的合金鋼材強(qiáng)度大十倍，但重量輕幾倍的合成材料，使城市建筑和橋梁建設(shè)的面貌完全更新。(3)在充分了解結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的基礎(chǔ)上，我們能合成出高效、穩(wěn)定、廉價(jià)的太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)化材料，組裝成器件。太陽(yáng)投射到地球上的能量，是當(dāng)前全世界能耗的一萬(wàn)倍。如果光電轉(zhuǎn)化效率為10%，我們只要利用0.1%的太陽(yáng)能，就能滿足當(dāng)前全世界能源的需要。(4)未來(lái)的化工企業(yè)將是綠色的，零排放的，原子經(jīng)濟(jì)的，物質(zhì)在內(nèi)部循環(huán)的企業(yè)。(5)在合成了廉價(jià)的可再生的儲(chǔ)氫材料和能轉(zhuǎn)換材料的基礎(chǔ)上，街上行走的汽車將全部是零排放的電動(dòng)汽車。我們穿的將是空調(diào)衣服。(6)海水淡化將成為重要工業(yè)，從而解決人類生存最嚴(yán)重的挑戰(zhàn)----淡水資源緊缺問(wèn)題。第三節(jié)化學(xué)學(xué)科一些可能的發(fā)展方向運(yùn)用現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)方法和理論計(jì)算及模擬手段，探索和闡明化學(xué)鍵的斷裂和形成之基本規(guī)律，揭示物質(zhì)形成于轉(zhuǎn)化的內(nèi)在規(guī)律。以綠色化學(xué)為目標(biāo)，發(fā)展分子物質(zhì)(材料)合成的新概念、新反應(yīng)、新試劑和新方法，使化學(xué)學(xué)科更好地服務(wù)于社會(huì)的可持續(xù)性發(fā)展。發(fā)展新型分子物質(zhì)(材料)合成與制備的催化體系，特別重視不對(duì)稱催化，提高合成與制備反應(yīng)的效率和選擇性，為分子物質(zhì)(材料)合成與制備提供高效、低耗的先進(jìn)方法。發(fā)