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蓬勃发展的化学学科

发布日期:2010-10-08 10:10:50 来源:市科协 字体:【    

  当代化学已形成一个包括许多分支学科的庞大体系。化学传统学科之间、化学与其他学科之间的交叉、融合,导致了一些交叉学科的产生。理论的发展和技术需求也促进了新学科的兴起。当代化学正是在这些交叉学科和新兴学科领域取得了重大进展。此外,由于新理论和新分析实验技术的应用,化学传统学科也焕发了青春,不断取得新成果。

  (1)无机化学

  作为传统学科的无机化学,近40年来蓬勃发展。有人称之为" 无机化学的复兴".在无机化学中取得显著成就的领域有无机固体化学、金属有机化学、生物无机化学等。

  现代科学技术如空间技术、计算机、激光、电子设备等都需要特殊性能的固体材料。无机固体化学就是研究这些材料的制备过程。这些材料的制备一般要求高温、高压、强电场等苛刻条件。50年代以来,一些新工艺创造出一系列崭新性能的新材料。1955年,美国在20005.5 万大气压下从碳与铁、钴、镍等金属溶质中凝出金刚石小晶体,开拓了工业规模生产人造金刚石磨料的道路。70年代以来,原苏联采用高温低压气相沉积法生产出金刚石薄膜。以后各国又发展了低温低压法。60年代,美国采用快速冷凝技术合成了非晶态金——硅合金,即" 金属玻璃" ,从而开创了非晶材料的时代。此后,快速冷凝微晶材料也迅速发展起来。高温粉末合金、超细金属纤维、单晶合金、记忆合金、金属间化合物、高性能陶瓷和超细纤维复合材料等如雨后春笋。它们都是无机固体化学结出的硕果。在电子技术中,无机固体化学也是功勋卓著。70年代半导体材料硅的纯度已达到99.9999999999 %。稀土元素的研究和开发也是无机固体化学的重要领域。稀土元素的化合物具有特殊的催化性能和光学、磁学性能。近年来超导材料的重大突破,就是在研究镧、钇以及钡、铜氧化物体系的基础上取得的。

  金属有机化学是无机化学与有机化学结合的产物。早在20世纪初期,人们就合成了四乙基铅并发现了它的抗爆性质。1951年,二茂铁的合成及其结构的测定,标志着金属有机化学的诞生。60年代,金属元素簇络合物化学、原子簇化合物化学的研究迅速兴起。1967年美国的佩德森(1904-)公布了60种新型大环聚醚化合物的合成及特性。他在研究矾催化剂活性时偶然发现,二苯并18- -6的环状多齿配位体能与金属钠形成稳定的络合物。这种新型化合物氢化后的分子具有特殊结构,在其环上有18个原子,其中有6 个氧原子,象钻石一样分布在一个平面上,其余12个是碳原子,排列如同帽沿,整个结构好象皇冠。所以佩德森将其命名为" 冠醚".克拉姆(1911-)

  在佩德森研究的基础上,又发现了一系列具有化学活性的冠醚化合物。他将20多冠醚化合物作为主体化合物,用多种不同取代基的伯胺盐作为客体,共同混合,主客体相互识别,选择伙伴,结成新的络合物。法国的莱恩(1939 -)于1969年合成了另一类大环聚醚化合物——" 穴醚".佩德森、克拉姆、莱恩三人分享了1987年诺贝尔化学奖。现在新型的金属簇化合物,已有夹心式、笼状、簇状、穴状等多种类型。原子簇化学的快速发展,产生了许多有待解决的新问题。如电子结构、反应机理及其开发应用等。金属簇化合物在结构成键方式和性质方面具有多种特性。它的催化活性、生物活性和导电性能引起了合成化学、材料科学及理论化学界的极大兴趣。它将是今后一段时期内无机化学最富有希望的领域之一。

  当代无机化学合成及无机化学理论方面也取得一些重大成就。1962年;柏莱特将PtF6的蒸汽与过量的氙在室温下混合,结果生成了XePtF6的红色晶体,从而突破了惰性元素不能形成化合物的传统观点,同时推动了氙化学及其他惰性元素化合物的研究。1963年,皮尔逊提出了软硬酸碱理论。他认为酸碱反应的规律为:硬酸优先与硬碱结合,软酸优先与软碱结合。这个理论是一个很有用的经验规则。它进一步指明了酸碱的特征,初步揭示了酸碱的特殊规律,从而使人们对酸碱的认识由一般进入到特殊阶段。目前软硬酸碱理论还有待于进一步深化。

  生物无机化学研究生命体系和生命现象中一些化学元素和金属在生命体的基本结构单元中的成分、分布、化学反应和能量转换等规律。它是用无机化学的原理来解决生物化学的问题。生物无机化学的研究目前已取得许多成果,是当今无机化学最活跃的一个研究领域。

  (2)分析化学

  20世纪40年代,由于仪器分析方法逐步取代经典分析方法以及物理学、电子学向分析化学渗透,化学分析的灵敏度、准确度和分析速度大大提高。

  当代分析化学广泛采用计算机和分析仪器联用,出现了分析仪器的智能化,开辟了新的分析化学领域。一门新的化学计量学正在兴起。

  1945年,瑞士化学家施瓦岑巴赫(1904-1978)发明了ED37TA络合滴定法。此后,他又发现了可以利用调节PH值的方法控制络合物的生成,提高选择性,对混合液进行连续测定,而不需分离。这一方法准确度高,选择性好,操作简便,所以发展很快。到60年代,结合掩蔽干扰离子方法,它已能测定66种元素。

  1953年,澳大利亚的沃尔什正式提出利用原子吸收光谱建立新的吸收光度法。第二年,他展示了第一台简单的原子吸收分光光度计。原子吸收光谱法灵敏、快速、准确、简便、经济、因此应用普遍,发展很快,在十几年间,已可以测定几乎所有金属元素及一些非金属。

  色谱分析法崛起于50年代,是目前应用最广泛、最具特色的分析方法之一。1952年,英国的詹姆斯等创造了气一液色谱法。1959年,荷兰的范.底姆特在前人研究成果的基础上,提出了气相色谱法的速率理论,建立了色谱分析法的动力学理论基础。50年代后,又出现了高效液相色谱分析。1963年,可用于高效液相色谱的紫外检色器问世,实现高效液相色谱分析的条件已经成熟。高效液相色谱法更适用于分离和测定高沸点、热稳定性差、分子量较大和具有生理活性的物质,广泛应用于核酸、肽类、药物、人体代谢产物、表面活性剂、杀虫剂等的检测。

  50年代以后,质谱分析法、放射化学分析法等也有重大发展。各种分析方法的应用,使当代分析化学达到了前所未有的水平,呈现出高灵敏度、高分辨率、高速度的特点。目前,可以测出1012的物质,可以把复杂混合物中上千种组分一一分离并检出;过去几小时、几天甚至几年才能完成的分析工作,现在几分钟、几秒钟即可完成。

  (3)有机化学

  当代有机化学在理论和实践方面都有很大发展。人们对有机化合物的结构、化学反应机理、化学键的本质与空间构型等方面的理论认识有新的飞跃。

  第二次世界大战以来,石油化学工业发展迅猛,促进了有机合成工业的进步,橡胶、塑料和纤维三大合成材料几乎全都来自石油和天然气。

  1945年,德国化学家维蒂希(1897-1987)对氮、磷、砷等VA族元素和5 个有机取代基的共价结合进行了深入探讨。到1953年,他的研究取得重大突破,发现二苯甲铜加成物的特性变得不再稳定,而又分裂成二苯乙烯和氧化三苯磷。维蒂希发现的重排反应,揭示出磷和碳之间的具有形式上双键的有机磷化合物是可以和羟基化合物发生反应的。这为制烯的方法开辟了新的途径。羟茎化合物的烯化作为一种制备方法很快获得实际应用。" 维蒂希反应" 被列为有机合成的基本反应之一。维蒂希获得了1979年诺贝尔化学奖。

  1953年,德国化学家齐格勒(1898-1973)发现了低压聚乙烯催化剂AL(C2H53 .TiCl4 ,从而导致了乙烯常温常压聚合的实现,引起了聚乙烯生产的一次重大革命。1955年,意大利的纳塔(1903-1979)将齐格勒的催化体系改进为乙基铝- αTiCl3 体系,实现了丙烯的定向聚合,并提出了负离子α一定向聚合理论,进一步推动了聚合高分子材料的发展。纳塔与齐格勒共获1963年的诺贝尔化学奖。

  一系列立体选择反应和立体专一反应的发现,分子轨道对称守恒原理的提出,为复杂化合物的合成提供了理论基础。50年代出现了色泽鲜艳、牢固耐洗、可印可染,适用于各种纤维的新型活性染料。1975年,还研究成功了昆虫激素杀虫剂,如烯虫脂、丙炔虫脂,以后都发展成为一大类新型高效低毒杀虫剂。在药物化学方面,继40年代青霉素广泛应用后,人们又合成了链霉素、土霉素、氯霉素等。维生素B12 和红霉素的全合成,标志着有机合成的一个高峰。天然有机化学的研究近40年来也取得重大进展。1955年,英国的桑格(1918-  )测定了最简单的蛋白质牛胰岛素的结构。中国科技工作者经过几年奋斗,于1965年首先合成结晶牛胰岛素,实现了世界上第一次工人合成蛋白质。1970年,美国合成了酵母丙氨酸转运核糖核酸基因——77个核苷酸片断。

  高分子化学是有机化学的一个分支。40年代以来,各种高分子产品相继问世,逐渐进入高分子生产的全盛时代。到70年代,全世界生产的塑料为5000万吨,已接近木材等结构材料的产量;合成纤维1500万吨,等于天然纤维的产量;合成橡胶600 万吨,为天然橡胶的2 倍。目前世界高分子材料产量已超过1.4 亿吨,其体积超过钢铁产量的总和。

  (4)理论化学

  理论化学包括物理化学、量子化学,主要研究物质结构与性能的关系、化学反应等,有许多分支学科。

  本世纪20年代中期建立的量子理论很快被用于化学键的研究上,到30年代初已建立起两种化学键理论:价键理论和分子轨道理论。50年代以后,分子轨道理论在有机化学结构分析和合成方面得到广泛应用,理论本身也有重大突破。1952年,日本的福田谦一提出了" 前线轨道" 理论,指出在分子的化学反应中填有电子的能量最高轨道和不填充电子的能量最低的空轨道最重要。1962年,加拿大化学家贝尔德用量子力学的微扰理论处理分子变形对分子轨道的影响,得到了分子轨道对称性决定分子反应方式的结论。伍德活德(1917-1979)和霍夫曼(1937-)在长期有机分子结构分析和有机合成研究中发现,化学反应中的分子变化总是倾向于保持其轨道对称性不变的方式发生,并得到对称性不变的产物。1965年,他们共同提出了分子轨道对称守恒原理。这一原理对于解释和预示一系列化学反应的难易程度,了解反应物的立体构型等都有指导作用。它的诞生,是结构理论从静态结构到动态结构,反应理论从宏观到微观发展的重要里程碑。霍夫曼和福井谦一共同获得1981年诺贝尔化学奖。1952年,欧格尔把晶体场理论与分子轨道理论结合起来,把轨道能级分裂看成是静电作用和生成共价键分子轨道的综合结果,建立了配位场理论。这个理论比较合理地说明了络合物结构与性能的关系,是比较好的络合物化学键理论。

  化学动力学在当代也进入一个崭新的阶段,已能在原子和分子水平上研究其态- 态之间的变化,使化学动力学的研究成为化学动态学的研究。1970年,美籍华人李远哲等人在微观反应动力学的研究中,发展了交叉分子束技术。他设计建成世界上第一台大型分子束碰撞和离子束交叉仪器。该实验装置能分析各种化学反应每一阶段过程。1986年,李远哲荣获诺贝尔化学奖。

  催化剂和催化作用的研究一直是化学中最活跃的一个分支学科。70年代,人们已经利用量子力学研究催化。多相催化、匀相催化及酶催化方面的理论研究也迅速展开,大大推动了催化科学的发展。1978年,奥尔特曼(1939 - )发现大肠杆菌核糖核酸酶中的RNA 是这种酶的活性本质之所在。1982年,切赫(1947-)证明了RNA 具有酶的催化活性。RNA 催化作用的发现在科学界产生了极大影响。奥尔特曼和切赫分享了1989年诺贝尔化学奖。

  化学热力学、电化学和溶液理论在当代都取得了重大进展。随着激光的出现,光化学又开辟了激光化学的新领域。真空紫外激光对于化学反应具有催化、诱发及定向控制作用。这样,人们就能以自己的意愿来设计化学反应,以分解或合成所需要的化学物质。这引起了化学合成和化学工业的全面革命,被称为" 化学的激光革命".量子化学虽然只有近50年代的历史,但已建立了比较完善的理论体系。

  量子化学基础研究与电子计算机结合,在研究分子结构、化学反应、表面化学、催化机理、计算生物大分子和药物分子的结构和功能等方面起到了重要作用。

  (5)分子工程学

  近年来,结构化学与合成化学、理论化学、固体物理等学科相互交融,形成了一门新兴的化学分支——分子工程学。它的目标是达到" 分子设计".它利用结构化学、量子化学的新成果,应用计算化学和电子计算机,揭示微观结构与宏观性能的内在联系,从而使人们能通过理论计算,象设计房屋那样,根据" 用户"的要求" 设计" 新材料、新产品。这样就可以摆脱寻找新材料、新药物等方面的盲目性。目前已有能够设计新型塑料、新型化纤和新型橡胶的" 高分子设计" ,寻找新药物的" 药物设计" ,制作新型催化剂的" 催化剂设计" ,以及" 农药设计" " 合金设计" 等。高温超导的研究也是" 分子设计" 的一个重要课题。近10年来,许多科学家试图借助于化学计算预测高温超导体的可能性,或者为它的研制提供线索。

  分子设计目前还处于萌芽时期。要进行有效的分子设计,需要化学的各个学科与其他学科(如凝聚态物理、仿生学)的相互配合和共同努力。分子工程学已展现出美好的前景,它将使人们随心所欲地创造出前所未有的新物质。

摘自世界全史百卷本第097卷世界当代科学技术史

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