世界由物质组成，化学是研究物质的科学，是人类认识、改造和保护物质世界的主要方法和手段之一。化学是一门历史悠久而又富有活力的学科，它的成就是人类文明的重要标志。从开始用火的原始社会，到使用各种人造物质的现代社会，人类无时无处不在享用化学的成果。人类的生活能够不断提高和改善，化学的贡献在其中起了重要的作用。 化学是在原子和分子层次上研究物质的组成、结构、性质、变化规律和应用的一门科学。著名化学家Ronald Breslow曾这样来描述化学：“化学是一门试图了解物质的性质和物质发生反应的科学，它涉及存在于自然界的物质 (地球上的矿物、空气中的气体、海洋中的水和盐、在动物体中发现的化学物质)，以及由化学家创造的新物质；它涉及自然界的变化(因闪电而着火的树木、与生命有关的化学变化)，还有那些由化学家发明创造的新变化。” (Breslow R．1998)1.2化学变化及化学所研究的物质 化学家研究的是化学变化，而化学变化具有三大特征：(1)化学变化是质变，因为它是旧化学键断裂和新化学键形成的过程，其实质是键的重组。 (2)化学变化是计量的变化——在化学变化发生前后，参与反应的元素种类不变，故而物质的总质量不变，即服从质量守恒定律，参与
反应的各种物质之间有确定的计量关系。(3)．it学变化伴随着能量变化——由于各种化学键的键能不同，所以当化学键发生改组时，必然伴随着能量的变化，伴随着体系与环境的能量交换。
当今的化学家肩负着认识世界、改造世界和保护世界三方面的重任：(1)从原子、分子到自组装的超分子体系(如活体细胞和整个生物体等)层次上发现自然界(包括地球和宇宙空间)的构成，同时了解这些构成之间如何相互作用并随时间改变
(2)创造新分子、新结构和新物质，其中包括超分子体系，并开发它们的应用；
(3)在发现和创造的同时，还要不断地认识人类活动对环境(包括陆地、海洋和大气环境)和资源变化的影响，并通过绿化学等途径实现对环境和资源的保护。1.3 20世纪化学的发展 20世纪合成化学发展迅速，许多新技术被用于无机和有机化合物的合成 (如超低温合成、高温合成、高压合成、电解合成、光合成、声合成、微波合成、等离子体合成等)，创造出无数的新反应、新合成方法。有了这些技术和方法，几乎所有已知的小分子天然化合物以及化学家感兴趣的非天然化合物都能够通过化学合成的方法来获得。 合成橡胶、合成塑料和合成 纤维三大合成高分子材料是20世纪中期合成化学的骄傲，也是20世纪人类文明的重要标志。合成化学的另一个重要发展是药物的发明，后者也是人类文明的重要标志之一。1909年，德国化学家艾里希合成出梅毒的特效药物胂凡纳明。 20世纪30年代以来，化学家先后创造出抗菌素、抗病毒药物、抗肿瘤药物等各种类型的临床有效的化学药物数千种(目前常用的就有300余种，而且这个数目还在快速增加)，使许多长期危害人类健康和生命的疾病得到控制，拯救了无数的生命。20世纪初，由于对分子结构和药理作用的深人研究。药物化学迅速发展，并成为化学学科的一个重要领域，为人类的健康作出了巨大贡献。
20世纪生命化学的崛起给古老的生物学注入了新的活力．人们在分子水平上为探索生命的奥秘打开了一个又一个通道。从20世纪初开始的生物小分子(如糖、血红素、叶绿素、维生素等)到后来的生物大分子(碳水化合物、蛋白质、核酸)的化学研究，科学家先后获得了28项诺贝尔化学奖。化学与生命科学的结合，产生了生物化学、分子生物学、药物化学、化学生物学等一系列新的交叉学科。 材料化学、环境化学、能源化学、食品化学、地球化学、宇宙化学、海洋化学、大气化学等都是与化学密切相关的新兴交叉学科。这些交叉学科的产生使得生命、材料、电子、信息、环境、能源、航天、地质、海洋、太空等科学技术迅猛发展。1.4 化学与人类的生活
人类的衣、食、住、行、用无不与化学所掌管的成百化学元素及其所组成的万千化合物和无数的制剂、材料有关。房子是用水泥、玻璃、油漆等化学产品建造的，肥皂、牙膏、化妆品都是日用化学品，衣服是合成纤维制成并由合成染料上的。饮用水必须经过化学检验以保证质量，食品则是由用化肥和农药生产的粮食制成的。维生素和药物也是由化学家合成的。交通工具汽车的金属部件和油漆显然是化学品，车厢内的装潢通常是特种塑料或经化学制剂处理过的皮革制品，汽车的轮胎是由合成橡胶制成的，燃油和润滑油是含化学添加剂的石油化学产品，蓄电池是化学电源，尾气排放系统中用来降低污染的催化转化器装有用铂、铑和其他一些化学物质组成的催化剂，可将汽车尾气中的氧化氮、一氧化碳和未燃尽的碳氢化合物转化成低毒害的物质。飞机则需要用质强量轻的铝合金来制造，还需要特种塑料和特种燃油。书刊、报纸是用化学家所发明的油墨和经化学过程生产出的纸张印制而成的。摄影胶片是涂有感光化学品的塑料片，它们能被光所敏化，所以在曝光时和在用显影药剂冲洗时，会发生特定的化学反应。手机、彩电和电脑的显示器是由玻璃和无机或有机荧光材料制成的。CD和VCD光盘是由特殊的信息存储材料制成的。甚至，参加体育活动时穿的跑步鞋、溜冰鞋、运动服、乒乓球、羽毛球拍等，也都离不开现代合成材料和涂料。化学的首要任务是创造新物质，因此化学在改善人类生活方面是最有成效、最实用的学科之一。利用化学反应和
过程来制造产品的化学过程 (包括化学工业、精细化工、石油化工、制药工业、日用化工、橡胶工业、造纸业、玻璃和建材工业、钢铁工业、纺织工业、皮革工业、饮食工业等)在发达国家中占有最大的份额。这个数字在美国超过30％，而且还不包括诸如电子、汽车、农业等要用到化工产品的相关工业的产值。发达国家从事研究与开发的科技人员中，化学、化工专家占一半左右。世界专利发明中有20％与化学有关
1.5 21世纪化学发展所面临的任务
化学是一门古老而充满活力的学科。20世纪70年代以后，化学发生显著的变化，化学研究的领域已拓展到生命科学和生物技术、纳米技术、材料科学、环境、能源、国家安全等诸多方面。过去的100多年间，化学科学在保证人类衣食住行需求、提高人民生活水平和健康状态方面作出了重大贡献。展望未来，人口、环境、资源、能源等面临的问题日益严重，人类的生存会不会成问题?虽然这些问题的解决要依靠各个学科，但无论如何都离不开化学这一核心学科，而这些问题的解决也将为化学注入新的活力。从当代化学家所面临的一些重大挑战([美]21世纪化学学科的挑战委员会．2004)来看，也不难得出这一结论。21世纪化学学科发展面临的任务包括：
(1)创造具有科学意义或实用价值的新物质(如药物、农用化学品、特殊材料等)，并采用低能耗和对环境友好的制备方法和工艺进行生产。 (2)发展高灵敏度、高选择性和快速的分析技术，可靠地检测易燃易爆危险物品、、病毒等有害物质，以保护人类免遭恐怖主义、犯罪和疾病等的危害。 （3）研究和开发新的早期预警和诊断方法、新的药物和方法，以对付目前尚属不治之症的一些疾病，如肿瘤、心脑血管病、病毒性疾病等。为此，必须在分子水平上认识疾病。
(4)研究和开发出永不枯竭、廉价的新能源及其储存和运输的方法。例如，发展能够将各种来源的生物质转化为生物燃料的新型催化剂和催化技术；发展新的储氢材料；发展新一代燃料电池和太阳能电池所需兽的各釉材料和催化剂 需要的各种材料和催化剂。我国的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》(2006--2020年)指出；未来能源技术发展的主要方向是经济、高效、清洁利用和新型能源开发。 (5)深入研究生命体系中的化学问题，透彻认识生命的化学本质。例如，阐明生命的起源；了解活细胞中基因表达调控的机制，并用小分子来影响这一过程；揭示酶具有高效性和专一性的原因，并设计出可与最好的酶相媲美的人工仿生催化剂；了解各种蛋白质、核酸以及生物小分子如何装配成显示化学特征和生物学功能的组装体，并真正认识活细胞中不同组分之间复杂的化学反应；探索大脑和记忆的化学本质，揭
示存在于思维和记忆背后的化学因素。21世纪的很多重大课题都将是围绕生命而展开的。然而，生命科学的本质是化学，如何了解在分子层次发生的反应成为我们深入认知生命现象的关键。因为化学研究的对象就是分子及其化学反应，所以化学在其中是中坚力量。具有良好化学背景的人可以在生命科学领域游刃有余。 (6)认识错综复杂的地球化学，包括陆地、海洋、大气以及生物圈，从而维持地球的可居住性。例如，发展精确、快速、微量、超微量的分析测试技术，以获得超微区范围内和超微量样品中元素、同位素分布和组成资料。低温地球化学、地球化学动力学、超高压地球化学、稀有气体地球化学、比较行星学等都是很有发展前景的研究领域。 (7)纳米化学研究。纳米科技已列为我国重大研究计划之一。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》(2006—2020年)指出：物质在纳米尺度下表现出的奇异现象和规律将改变相关理论的现有框架，使人们对物质世界的认识进入到崭新的阶段，孕育着新的技术革命，给材料、信息、绿制造、生物、医学等领域带来极大的发展空间。纳米科技已成为许多国家提升核心竞争力的战略选择，也是我国有望实现跨越式发展的领域之一。这个纲要所建议的许多重点研究方向值得化学家重视，例如：纳米材料的可控制备、自组装和功能化，纳米材料的结构、优异特性及其调控机制，概念性和原理性纳米器件，纳米电子学．纳米生物学和纳米医学，分子聚集体和生物分子的光、电、磁学性质及信息传递，单分
子行为与操纵，分子机器的设计组装与调控，纳米尺度的表征，纳米材料在能源、环境、信息、医药等领域的应用。
1.6 小结
化学是一门古老而又生机勃勃的科学。化学家辛勤地耕耘着元素周期表中的100多个元素以及由这些元素构成的千万个化合物和由这些化合物组成的无数的制剂与材料。化学元素和化学物种是人类赖以生存的物质宝库。人类对物质的需求，不论在质量上还是数量上，总是在不断发展的，化学无论在现在还是将来，都将是满足其需求的核心基础学科。作为自然科学中的一门基础学科，化学是当代科学技术和人类物质文明迅猛发展的基础和动力，是一门中心的、实用的和创造性的科学(R．Breslow， 1998)。化学的中心地位在于它的核心知识已经应用于自然科学的方方面面，与其他学科相结合，构成了人类认识和改造自然的强大力量。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议