魅力化學

發(fā)布日期：2020-05-18 作者： 來源： 點擊：7

化學是關(guān)于物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與變化規(guī)律的科學，是人類認識和改造物質(zhì)世界的主要方法和手段之一，也是最具創(chuàng)造性的科學之一?；瘜W規(guī)律的發(fā)現(xiàn)及其應用展示了它的社會美。它的出現(xiàn)產(chǎn)生了強大的社會力量,給人類創(chuàng)造了巨大的物質(zhì)財富,為人類自身帶來了美好的生活。化學關(guān)系人類生存衣食住行和健康需求的方方面面、關(guān)乎國家經(jīng)濟發(fā)展、社會進步和國防建設(shè)的命脈，也是生命科學、材料科學、能源科學、航空航天、資源環(huán)境、食品、醫(yī)藥等學科的基礎(chǔ)。
化學的物質(zhì)魅力
世界是物質(zhì)的,化學是關(guān)于物質(zhì)及其變化的科學。各種物質(zhì)姿態(tài)萬千,美麗的雪花,璀璨的鉆石,晶瑩剔透的水晶,溶洞中千奇百怪的鐘乳石,那倒掛的石鐘乳,那挺拔的石竹石筍,鬼斧神工的石獅、石猴,那形態(tài)各異的飛禽走獸,顯示出大自然造物的神奇!節(jié)日夜空五彩繽紛的焰火,鮮艷奪目的霓虹燈,人們身上漂亮的服飾,華麗、昂貴的金銀珠寶,琳瑯滿目的日用商品……都是化學創(chuàng)造的魅力。
化學的變化和造化魅力
宇宙間的一切事物均在不斷變化之中,其中最本質(zhì)的變化,就是一種物質(zhì)變成另一種物質(zhì)的變化,即化學變化。生機勃勃的自然界,充滿了變化,樹葉綠了、草叢長高了、空氣清新了……這些都包含著產(chǎn)生了新物質(zhì)的化學變化。植物從空氣中吸收二氧化碳,從土壤中吸收水分,利用太陽的能量,經(jīng)過一系列化學反應生成碳水化合物,使自身得以不斷生長?；瘜W的核心是合成化學,是以人工合成或從自然界分離新物質(zhì)供人類需要為中心任務的。20世紀的100年中,化學合成和分離了2285萬種新物質(zhì)、新材料、新藥物、新分子來滿足人類生活和高新技術(shù)發(fā)展的需要。美國化學家伍德沃德說:化學家在老的自然界旁邊又創(chuàng)造了一個新的自然界。伍德沃德于1965年因合成維生素B12而獲得諾貝爾化學獎。維生素B12的分子結(jié)構(gòu)中含有9個不對稱的碳原子和512個可能的立體異構(gòu)體,是最復雜的分子結(jié)構(gòu)之一。1965年,我國科學工作者在世界上首先合成了牛結(jié)晶胰島素,為生命科學研究做出了重要貢獻。今天,全世界每年在化學家手里誕生的新化合物達100多萬種,平均每分鐘就有一種新化合物問世。
從某種意義上講,化學的任務就是設(shè)計各種化學變化,將周圍各種物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀兯枰漠a(chǎn)品。如制造計算機需要的單質(zhì)硅在自然界里并不存在,只以二氧化硅形態(tài)大量存在于石英砂中。人們通過化學反應將二氧化硅轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硅,成為計算機制造的功能材料。自然界中不存在金屬鋁,19 世紀后,人類在實驗室用金屬鈉還原制備的鋁很少,而且價格非常昂貴,那時,鋁只是皇宮里的裝飾品和奢侈品。隨著霍爾電解鋁方法的發(fā)明,鋁制品才能像今天這樣被廣泛應用。還有從皇室走向民間的寶物--玻璃,現(xiàn)代化學工作者通過各種研究已經(jīng)制造出了種類繁多的玻璃制品,如光學玻璃、鋼化玻璃、導電玻璃、光敏玻璃、變色玻璃、微晶玻璃等。塑料在自然界不曾有過,是在實驗室里誕生的人造材料。塑料可以輕若羽毛,也可以重似鉛球;可以柔軟如海綿,也可以堅硬如鋼鐵;可絕緣,也可導電、傳熱、導磁,還可耐酸堿、耐高溫……也正是因為上述特點,可以制造成超強塑料、導電塑料、耐高溫塑料、防彈塑料……在工業(yè)、交通運輸、化工、建筑、國防等行業(yè)代替著木材、鋼鐵發(fā)揮著出色的作用,塑料已成為人們生活中不可或缺的一部分。這些浸透化學工作者汗水的新型材料在現(xiàn)代文明生活中發(fā)揮著巨大的作用,在當今尖端科學中也時時閃爍著它們的身影。
化學的構(gòu)造魅力
物質(zhì)有一定的構(gòu)造。不同的構(gòu)造,物質(zhì)將有不同的化學性質(zhì)和物理性質(zhì)。金剛石和石墨是由同一元素形成的單質(zhì),然而它們二者的性質(zhì)卻截然不同。金剛石很堅硬,是因為金剛石中每個碳原子與周圍呈正四面體排列的碳原子成鍵,締造了金剛石的堅硬；而石墨軟,是因為它的結(jié)構(gòu)是由六邊形構(gòu)成的網(wǎng)狀碳原子平面一層一層地疊在一起而和諧穩(wěn)定。金剛石打磨后的鉆石璀璨,讓人贊嘆,而石墨的耐高溫特性也令人十分吃驚。
化學成分完全相同,內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同的現(xiàn)象極為普遍?？茖W上將左右手不可能完全疊合、且互為鏡像的現(xiàn)象稱為“手性”。構(gòu)成手性關(guān)系的分子分別叫做對方的“對映體”。這種對稱美在人體和人類的生活中到處可見。然而,手性物質(zhì)和它的對映體,在性質(zhì)、反應方面往往存在很大的差別,有的甚至作用相反。如我們熟悉的氯霉素,其中的D-對映體具有殺菌作用,而L-對映體卻完全沒有藥效。又如藥物酞胺哌啶酮(反應停)的R-對映體具有減緩孕婦反應的作用,幫助孕婦克服妊娠反應；但S-對映體卻會導致胎兒畸變。有著如此對稱的構(gòu)造,卻具備完全不同的性能,這本身就充滿了好奇、充滿了魅力。
化學的價值魅力
化學實驗檢驗著理論的合理性。18世紀建立的“燃素說”就當時的科學水平來看,它能解釋燃燒、金屬生銹等現(xiàn)象。但拉瓦錫的精確實驗,通過獨到的想象和思維創(chuàng)建了新的燃燒學說,揭示了燃燒的實質(zhì),并提出了“反應前后物質(zhì)的總質(zhì)量保持不變”的質(zhì)量守恒定律,推翻了統(tǒng)治化學界百年之久的燃素說,使化學科學得以健康發(fā)展。有機物有“生機”且結(jié)構(gòu)復雜,早期化學家對它滿懷敬畏,連最早引入“有機化學”概念的化學巨匠瑞典化學家J.J .Berzelius 也說:“有機物只能是生命過程的產(chǎn)物,而有機化學只是研究在生命力影響下形成的物質(zhì)的化學”。但是,1828 年德國青年化學家維勒利用氰酸和氨水制得了有機物——尿素,證明了可以不依賴神奇的“生命力”用人工方法由無機物制備有機物。隨后,化學家們又用人工方法合成了醋酸、酒石酸、檸檬酸、琥珀酸等一系列有機酸。這樣,披在有機物身上的神秘外衣逐漸消失了。最后,英國化學家貝特羅合成了酒精,接著又制成了甲烷、甲醇、丙酮等,還由氫氣和碳單質(zhì)采用電弧法制取了乙炔,再將乙炔聚合為苯。這樣,生命力論徹底破產(chǎn)了,有機物可以認識、可以合成的觀念牢固地樹立起來了?；瘜W促進了人類社會的發(fā)展,促進了科學的發(fā)展。正如美國西博格博士所總結(jié)的:化學——人類進步的關(guān)鍵。
化學的實用魅力
我國著名化學前輩楊石先說過:“農(nóng)、輕、重、吃、穿、用,樣樣都離不開化學。”的確,沒有化學科學創(chuàng)造的物質(zhì)文明,就沒有人類的現(xiàn)代生活。化學,在我們的日常生活中無處不在?；瘜W在很大程度上改變了我們衣、食、住、行的方式和內(nèi)容。吃,是人類的生理需要,也是生態(tài)系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的必要環(huán)節(jié)。人體通過呼吸、飲水和進食與外界進行物質(zhì)交換和能量交換,從而參與循環(huán)。除氧以外,人體需要6大營養(yǎng)素:糖類、蛋白質(zhì)、脂類、無機鹽、維生素和水,這些都是化學物質(zhì)。德國物理學家弗里茨?哈伯靠自己的勤奮發(fā)現(xiàn)了大規(guī)模合成氨的過程,獲得了1918年諾貝爾化學獎。氨是合成肥料的主要原料之一?；实膽?使有限的耕地為劇烈膨脹的人口供給了足夠的糧食,使數(shù)百萬人擺脫了饑餓。如果沒有哈伯發(fā)明的合成氨技術(shù),世界糧食產(chǎn)量至少要減半,60 億人口有30億要餓死?；适钱斍拔覈昧孔畲蟮霓r(nóng)用化學品,是不可缺少的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料,它對提高作物產(chǎn)量、改善農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量起著舉足輕重的作用。著名德國化學家李比希指出:每種植物的生長,都必需一定數(shù)量的可溶解的氮、磷、鉀和鈣等元素來保證。這些重要元素沒有任何東西可以替代,它們之間也不能互相代替。為了土壤不致逐步貧瘠而導致作物產(chǎn)量下降,就必須及時補充這些元素,而光靠施用綠肥、糞肥等天然有機肥料顯然是不夠的,最有效的方法就是直接施用含有上述元素的“人造肥料”。 我國從1935年起就開始生產(chǎn)化肥,化肥工業(yè)的發(fā)展大致經(jīng)歷了4個發(fā)展階段:50年代的有機肥與氮肥配合使用階段；60年代的有機肥與氮、磷肥配合使用階段；70年代在有機肥基礎(chǔ)上的多種營養(yǎng)元素配合使用階段；80年代以后由補充單一的營養(yǎng)元素即矯正施肥轉(zhuǎn)入氮磷鉀平衡施肥,或稱配方施肥階段。
衣著,不僅僅是遮體避寒,還可以把人類裝扮得更美麗。衣著美的三個基本條件是:衣料、染色和裁剪技術(shù)。棉、麻、絲、毛都可以做衣服,是因為其主要成分是纖維,纖維是高分子化合物。自然界還有許多纖維,如木材、蘆薈、棉稈、麥稈等,它們能否紡紗織布呢?能否發(fā)明一部機器,吃進化學原料而吐絲織布呢?人造纖維、合成纖維便是化學家想辦法使其變成現(xiàn)實的成果?，F(xiàn)在,化學家還在不斷開發(fā)新的特種化學纖維,涌現(xiàn)出一批高強、耐熱、高彈性和具有各種特殊性能的紡織新品種。愛美是人類的天性,人類剛學會制作衣服,就千方百計使它顯得更美一些,用花石、彩貝和染色來點綴自己。然而,天然染料遠遠滿足不了人們的需要。經(jīng)過化學家的努力,各種合成染料竟相應運而生,已達8000多種,其著色力、遮蓋力和各種色牢度等各項性能指標已經(jīng)遠遠優(yōu)于天然染料。
如果沒有合成各種抗生素和大量新藥物的技術(shù),人類不能控制傳染病,無法緩解心腦血管病,平均壽命就要縮短25年。還有建筑材料、美容美發(fā)、珠寶裝飾……,都離不開化學的發(fā)展和創(chuàng)造。
化學的和諧魅力
門捷列夫把當時已知的化學元素按相對原子質(zhì)量和化學性質(zhì)之間的相關(guān)秩序排列成盡可能和諧、對稱的層次和系列,這就是眾所周知的元素周期表。周期表在整體上呈現(xiàn)出美妙的循環(huán)和節(jié)奏,留下的空位預言了未知元素的化學性質(zhì),原子序數(shù)定律的建立使元素周期表更加和諧統(tǒng)一。另外從燃素說到燃燒的氧化學說；從量子力學到現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論;從八音律到周期律,化學規(guī)律的發(fā)現(xiàn)無一不是充滿了和諧?；瘜W具備的和諧魅力,還在于化學是21世紀的中心科學。20世紀末,國際純粹和應用化學聯(lián)合會(IUPAC)提出:化學是21世紀的中心科學。它不僅與社會各方面的需求都有密切的關(guān)系,而且與各個門類的自然科學也均有密切的關(guān)系,它的進步直接或間接地促進了相關(guān)學科的發(fā)展。這些學科包括生物學、物理學、地學、天文學、醫(yī)藥學、考古學以及社會行為科學等等。核電站的關(guān)鍵材料是核燃料,核燃料的鈾、钚等的生產(chǎn)和后處理、廢水處理等都是化學工業(yè)解決的問題。另外,21 世紀還是“大化學”時代,隨著化學向其他學科的不斷滲透,化學知識已成為高科技人才知識結(jié)構(gòu)中不可缺少的重要組成部分。人類基因計劃之所以能大大加快速度,是由于分析化學的發(fā)展為其提供了前提和基礎(chǔ)?，F(xiàn)代生活中,穿戴美容、飲食起居、醫(yī)療保健、裝修環(huán)?！瓱o不涉及化學。因此,化學知識也是一個公民科學素養(yǎng)的重要組成部分。
正如美國學者皮門特爾(G.C.Pimentel)所說:“化學是一門中心科學,它處于自然科學的中心位置?！瘜W將成為人類繼續(xù)生存的關(guān)鍵科學,因為它對人類的供水、食物、能源、環(huán)境以及健康問題至關(guān)重要?！?br /> “魅力化學”帶給我們的魅力遠遠不止這些,它使我們的生活一天天好起來,它使我們的社會不斷在進步、在發(fā)展、在壯大。

總結(jié)

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