第三节-现代化学的特点及发展趋势

第三节现代化学的特点及发展趋势•现代化学的发展，到现在已有100多年的历史了。虽然这个历史发展时期尚未完结，但是它在理论、方法、实验技术和应用等方面，均已发生了深刻的变化。随着当代科学技术既高度分化又高度综合的发展趋势，正在经历着更深刻的变化。因此，研究现代化学历史的辩证发展过程和一般特点，加深我们对现代化学发展的认识，具有重要的意义。本节内容•(一)现代化学的特点•(二)现代化学发展的十个代表性学科•(三)现代化学的三大关键问题•(四)未来化学是一门中心科学(一)现代化学的特点•现代化学的特点十分鲜明，主要有以下五个特点。1.发展速度更快•20世纪的化学日新月异，新的成果无论在数量方面，还是在水平方面，都不断给人以新鲜的感觉。现代化学的发展速度比19世纪更快。化学发展快的原因•①20世纪以来，化学从研究宏观领域进入微观领域的研究，新领域的开拓有着广阔前途，需要研究的问题很多。•②各种学科与化学相互渗透，新的学科大量增加，需要研究的课题数量猛增。•③现代社会和生产的要求，有力地推动着化学的发展。•④新兴科学技术的需要，也是促使化学迅速发展的重要原因。2.宏观微观共同研究•化学不仅是研究宏观方面的化学问题，同时深入到微观领域开展了广泛的研究，成为区别于19世纪化学的显著特点。3.数学化程度加强•20世纪以来，数学在化学中的应用逐渐增多，其应用范围日趋扩大。4.实验水平空前提高•现代化学的各种实验手段成为探索化学奥秘的犀利武器，而特别突出的是大量多功能、高精度实验仪器进入实验室，这些新的实验仪器标志着20世纪科学、生产、理论在新的水平上形成了新的综合特点。5.新的分支学科大量增加•在传统学科进行深入研究的基础上，形成了许多学科相互交叉和渗透，从而形成的许多新的分支学科。(二)现代化学发展的十个代表性学科•现代化学已经发展成一门系统庞大的学科网，其最基础的仍然是无机化学、分析化学、有机化学和物理化学，但也从基础理论和应用两方面发展出来许多不同层次的新兴分支学科，在这些新兴学科中，能代表现代化学发展趋势的有下列十个学科。1.生物无机化学•无机化学与生物化学的交叉学科，是将无机化学，特别是配位化学的方法和理论用于研究生物问题，研究无机元素及其化合物与生物体系的相互作用。•它属于无机化学第三层次上的交叉学科。2.金属有机化学•是以研究金属和有机烃基结合的一类化合物为对象的化学。•研究含有金属的有机化合物的化学称为有机金属化学。(1)金属有机化合物•一般将含有金属-碳键(M-C)的化合物称为有机金属化合物或金属有机化合物。两者名称之间并无严格界限。•也有观点认为研究含有金属的有机化合物的化学是有机金属化学，这样的化合物也称为有机金属化合物，显然后者的范围更广一些，例如Fe(CO)5等。(2)金属有机化合物的发展•1827年问世的Zeise盐K[PtCl3(CH2=CH2)]是第一个被发现的具有不饱和有机分子与金属键合的有机金属化合物。•此后，有机硅、有机钠、有机锌等相继问世并得到应用。著名的格氏试剂及其催化反应极大地推动了有机化学的发展，Ziegler-Natta催化剂也给工业带来了巨大经济效益。•1951年具有特殊结构和类似芳烃的二茂铁的制备和结构确证，为有机过渡金属开辟了一大类新型的有机金属配合物。•现已发现，周期表中几乎所有金属元素都能和碳结合，形成不同形式的金属有机化合物。迄今已先后有10位科学家因在有机金属化学领域做出的巨大贡献而荣获诺贝尔化学奖。(3)金属有机化合物的影响•金属有机化合物成功地为价键理论的研究工作提供大量新颖物种，特别是有些试剂或催化剂在有机合成化学上取得了巨大的成就。此外，在塑料添加剂、抗震剂、杀菌剂等方面也有着广泛应用。如果没有金属有机化合物作为催化剂，精细有机化工，如制药工业、香料工业的发展简直不可想象。3.金属原子簇络合物化学•金属原子簇化合物具有特殊的化学性质，如特殊的氧化还原性能和电子传递性能，中心金属簇骼的多变价态及其相应的电子结构。(1)金属原子簇化合物的结构•原子簇金属化合物(metalclustercompound)是由金属原子直接键合组成多面体或缺顶多面体骨架的分子或离子。每个金属原子簇含有3个或更多金属原子相互成键，骨架内几乎是空穴，骨架上则被朝外的络合于金属原子的配位体所包围，原子簇金属化合物的骨架呈巢形或笼状。•例如：碳硼烷具有笼状骨架；多核羰基金属组成了许多多面体笼状物；四聚的甲基锂、七叔丁基异腈合四镍都是四面体笼状物；还有5个金属原子的直至15个金属原子的原子簇化合物。(2)金属原子簇化合物发展•20世纪70年代以来由于化学模拟生物固氮、簇合物催化、超导材料、新型光学晶体材料等方面研究工作的深入开展促使过渡金属原子簇化学成为基础化学研究领域的一个十分重要的分支。(3)我国的研究•在20世纪60年代初期卢嘉锡在创办福建物质结构研究所的时候就开始组织科研人员开展过渡金属配合物，主要进行硫氮系原子簇化合物的基础研究工作，并取得了可喜的研究成果。•从1972年起，卢嘉锡和蔡启瑞等人共同开展了化学模拟生物固氮这一重大基础研究项目的协作研究，并开始致力于化学模拟生物固氮的原子簇化学的研究。•1978年，卢嘉锡基于对国际化学前沿领域的敏锐洞察力，在国内首先倡导积极开展过渡金属原子簇化合物的研究。•同年卢嘉锡在全国化学年会上发表了题为“原子簇化合物的结构化学”论文，对这一基础研究项目的研究工作起了积极推动作用。•此后以卢嘉锡为首的研究集体在这一方向进行了深入系统的研究工作，合成和表征了200多种新型原子簇化合物，在此基础上总结和归纳出了两个重要规律，即“活性元件组装”理论和“类芳香性”概念，在原子簇化合物的基础研究领域做出重要贡献，受到美、英、日、德、法、苏等十几个国家化学家的重视。4.天然有机合成•甾组化合物：激素、维生素等；•抗生素：红霉素等；立体结构构象问题5.生物化学•生物化学的发展渗透到生命科学的各个领域，其中发展较突出的有以下八个方面：生物化学的突出研究领域•(1)大分子生命物质研究•(2)生物膜的研究•(3)基因工程的研究•(4)物质代谢调控研究•(5)免疫化学的研究•(6)脑及神经化学的研究•(7)衰老生化•(8)食物营养和安全(1)大分子生命物质•大分子生命物质的合成、结构和功能的研究是21世纪研究的热点。包括：•①胰岛素RNA的人工合成•②活性肽(脑啡肽、激素肽)的人工合成•③蛋白质(酶蛋白)的结构和功能的关系•④核酸的人工合成(2)生物膜的研究•生物膜的组成、结构和功能的研究仍然是生命化学研究的热门。这是由于生物膜与许多生命现象密切相关，生物机体的发育、代谢、衰老和疾病(肿瘤)无一不与生物膜有关。(3)基因工程的研究•是分子生物学的重要课题，基因表达与基因重组在探讨许多生命现象，改良生物品种和生产新药品等方面都是及其重要的技术。(4)物质代谢调控研究•生命物质的代谢途径已基本清楚，但有关代谢调控还有不少问题尚待解决。如遗传、酶、激素、神经洗脱、饮食营养以及环境因素都直接或间接影响代谢，这都需要深入研究。(5)免疫化学的研究•免疫学是老学科，但与化学结合为免疫化学则是新学科。这个学科有助于维持人体正常代谢，预防疾病，抗衰防老。(6)脑及神经化学的研究•脑和神经化学是主宰人和高等动物的重要环节，虽然在这方面的研究进展缓慢，但仍受到人们的重视。(7)衰老生化•从分子水平上研究生物衰老机制和抗衰老措施是一门新兴的学科，这与人类幸福、社会进步和文化发展都有密切关系。(8)食物营养和安全•食物和营养化学是研究增进人民健康，促进社会进步的科学，目前世界各国均十分重视。。6.结构化学•X射线衍射仪和电子计算技术的发展促进了晶体结构测量技术的发展，揭开了分子(晶体)结构类型和层次的内幕。7.量子化学•自从1927年量子化学诞生以来，已经渗透到多种学科中，并形成了许多重要的化学分支学科，如量子生物化学、量子药物化学、表明量子化学等。量子化学的应用研究•主要包括四个方面：•①研究分子结构，计算分子的几何形状和电子构型,从而得到电子能级、结合能、电子云分布以及与之有关的一些分子性能。•②研究化学反应，通过对位能面的计算探索反应途径。•③研究表面化学与催化机理。•④为研究生物大分子与药物分子的结构和功能提供理论基础。目前对于小分子的计算，用组态相互作用方法达到了相当好的精度，但对于生物大分子则存在很大困难，甚至对整个分子的从头计算都存在困难。8.化学动力学•化学动力学(chemicalkinetics)•研究化学过程进行的速率和反应机理的物理化学分支学科。它的研究对象是性质随时间而变化的非平衡的动态体系，时间是化学动力学的一个重要变量。体系的热力学平衡性质不能给出化学动力学的信息，全面认识一个化学反应过程并付诸实现，不能缺少化学动力学研究。9.材料化学•材料化学是一门研究材料的制备、组成、结合、性质及其应用的科学。它既是材料科学的一个重要分支，也是材料科学的核心内容，同时又是化学学科的一个组成部分。因此，材料化学具有明显的交叉学科、边缘学科的性质。•材料化学的主要内容包括材料的化学组成及结构方面的基础知识、材料相变的化学热力学理论，以及金属材料、非金属材料、高分子材料、复合材料的制备过程、结构特性与使用性能之间的关系。•材料化学对于从事材料研究与制备的学生和工程技术人员来说是一门重要的课程，对于培养该类人员从化学角度提出问题、分析问题、解决问题的能力具有重要的意义。10.分析科学•分析化学的发展趋势是与其它化学学科共同发展。因为分析化学的发展直接受生产的发展和科学实验的要求所推动。(三)现代化学的三大关键问题•随着化学的不断发展，一些先进国家正在考虑抓住化学的关键问题进行研究，以推动经济、生产和化学的全面发展，并保持其领先地位。1.化学反应性能•(1)选择最佳反应途径是未来发展新产品、新工艺的基础。•减少反应步骤•提高生成物的产率•把无机化合物用于有机化合物合成等。•(2)研制获取特殊性能固体的各种条件。•(3)选择光做试剂进行反应的途径等。2.化学催化剂•化学的最终目的是制取各种需要的化合物和化学物质。在现代化学中，催化剂成为关键性的问题之一，它在研制新能源、能量转换、国防技术、环境保护以及食品等方面的需要中起着重要作用。(1)催化剂•催化剂又叫触媒。根据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)于1981年提出的定义，催化剂是一种物质，它能够改变反应的速率而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化。这种作用称为催化作用。涉及催化剂的反应为催化反应。(2)催化剂的分类•正催化剂：使化学反应加快的催化剂，叫做。•例如，酯和多糖的水解，常用无机酸作正催化剂；SO2氧化为SO3，常用V2O5作正催化剂。•负催化剂：使化学反应减慢的催化剂，叫做。•例如：食用油脂里加入0.01%～0.02%没食子酸正丙酯，就可以有效地防止酸败，在这里，没食子酸正丙酯是一种负催化剂(也叫做缓化剂或抑制剂)。①均相催化剂•催化剂和反应物同处于一相，没有相界存在而进行的反应，称为均相催化作用，能起均相催化作用的催化剂为均相催化剂。均相催化剂以分子或离子独立起作用，活性中心均一，具有高活性和高选择性。②异相催化剂•异相催化剂又称非均相催化剂，即催化剂和它们所催化的反应物处于不同的状态。•例如：在生产人造黄油时，通过固态镍(催化剂)，能够把不饱和的植物油和氢气转变成饱和的脂肪。固态镍是一种异相催化剂，被它催化的反应物则是液态(植物油)和气态(氢气)。③光催化•主要研究光作用于半导体所产生的化学反应及对界面上的催化作用。④电催化•利用化学方法使电极表面具有催化活性，以促进特殊的化学反应。•例如：氯----碱电池中采用电催化生产氯气。⑤生物催化剂•酶是生物催化剂，是植物、动物和微生物产生的具有催化能力的有机物。生物体的化学反应几乎都在酶的催化作用下进行。酶的催化作用同样具有选择性。•例如：淀粉酶催化淀粉水解为糊精和麦芽糖，•蛋白酶催化蛋白质水解成肽等。(4)催化剂的作用机理•催化剂的作用机理可分三类。•①离子型反应机理。可