魅力化學

發布日期：2020-05-18 作者： 來源： 點擊：7

化學是關于物質的組成、結構、性質與變化規律的科學，是人類認識和改造物質世界的主要方法和手段之一，也是最具創造性的科學之一。化學規律的發現及其應用展示了它的社會美。它的出現產生了強大的社會力量,給人類創造了巨大的物質財富,為人類自身帶來了美好的生活。化學關系人類生存衣食住行和健康需求的方方面面、關乎國家經濟發展、社會進步和國防建設的命脈，也是生命科學、材料科學、能源科學、航空航天、資源環境、食品、醫藥等學科的基礎。
化學的物質魅力
世界是物質的,化學是關于物質及其變化的科學。各種物質姿態萬千,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,那形態各異的飛禽走獸,顯示出大自然造物的神奇!節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,其中最本質的變化,就是一種物質變成另一種物質的變化,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……這些都包含著產生了新物質的化學變化。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,經過一系列化學反應生成碳水化合物,使自身得以不斷生長。化學的核心是合成化學,是以人工合成或從自然界分離新物質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、新材料、新藥物、新分子來滿足人類生活和高新技術發展的需要。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的分子結構中含有9個不對稱的碳原子和512個可能的立體異構體,是最復雜的分子結構之一。1965年,我國科學工作者在世界上首先合成了牛結晶胰島素,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,化學的任務就是設計各種化學變化,將周圍各種物質轉變為我們所需要的產品。如制造計算機需要的單質硅在自然界里并不存在,只以二氧化硅形態大量存在于石英砂中。人們通過化學反應將二氧化硅轉化為單質硅,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,現代化學工作者通過各種研究已經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、交通運輸、化工、建筑、國防等行業代替著木材、鋼鐵發揮著出色的作用,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代文明生活中發揮著巨大的作用,在當今尖端科學中也時時閃爍著它們的身影。
化學的構造魅力
物質有一定的構造。不同的構造,物質將有不同的化學性質和物理性質。金剛石和石墨是由同一元素形成的單質,然而它們二者的性質卻截然不同。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,是因為它的結構是由六邊形構成的網狀碳原子平面一層一層地疊在一起而和諧穩定。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,內部結構不同的現象極為普遍。科學上將左右手不可能完全疊合、且互為鏡像的現象稱為“手性”。構成手性關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,手性物質和它的對映體,在性質、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、金屬生銹等現象。但拉瓦錫的精確實驗,通過獨到的想象和思維創建了新的燃燒學說,揭示了燃燒的實質,并提出了“反應前后物質的總質量保持不變”的質量守恒定律,推翻了統治化學界百年之久的燃素說,使化學科學得以健康發展。有機物有“生機”且結構復雜,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物,而有機化學只是研究在生命力影響下形成的物質的化學”。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,生命力論徹底破產了,有機物可以認識、可以合成的觀念牢固地樹立起來了。化學促進了人類社會的發展,促進了科學的發展。正如美國西博格博士所總結的:化學——人類進步的關鍵。
化學的實用魅力
我國著名化學前輩楊石先說過:“農、輕、重、吃、穿、用,樣樣都離不開化學。”的確,沒有化學科學創造的物質文明,就沒有人類的現代生活。化學,在我們的日常生活中無處不在。化學在很大程度上改變了我們衣、食、住、行的方式和內容。吃,是人類的生理需要,也是生態系統正常運轉的必要環節。人體通過呼吸、飲水和進食與外界進行物質交換和能量交換,從而參與循環。除氧以外,人體需要6大營養素:糖類、蛋白質、脂類、無機鹽、維生素和水,這些都是化學物質。德國物理學家弗里茨?哈伯靠自己的勤奮發現了大規模合成氨的過程,獲得了1918年諾貝爾化學獎。氨是合成肥料的主要原料之一。化肥的應用,使有限的耕地為劇烈膨脹的人口供給了足夠的糧食,使數百萬人擺脫了饑餓。如果沒有哈伯發明的合成氨技術,世界糧食產量至少要減半,60 億人口有30億要餓死。化肥是當前我國用量最大的農用化學品,是不可缺少的農業生產資料,它對提高作物產量、改善農產品質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年起就開始生產化肥,化肥工業的發展大致經歷了4個發展階段: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年代在有機肥基礎上的多種營養元素配合使用階段；80年代以后由補充單一的營養元素即矯正施肥轉入氮磷鉀平衡施肥,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。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實的成果。現在,化學家還在不斷開發新的特種化學纖維,涌現出一批高強、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遠遠優于天然染料。
如果沒有合成各種抗生素和大量新藥物的技術,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、珠寶裝飾……,都離不開化學的發展和創造。
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量和化學性質之間的相關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出美妙的循環和節奏,留下的空位預言了未知元素的化學性質,原子序數定律的建立使元素周期表更加和諧統一。另外從燃素說到燃燒的氧化學說；從量子力學到現代物質結構理論;從八音律到周期律,化學規律的發現無一不是充滿了和諧。化學具備的和諧魅力,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系,而且與各個門類的自然科學也均有密切的關系,它的進步直接或間接地促進了相關學科的發展。這些學科包括生物學、物理學、地學、天文學、醫藥學、考古學以及社會行為科學等等。核電站的關鍵材料是核燃料,核燃料的鈾、钚等的生產和后處理、廢水處理等都是化學工業解決的問題。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構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展為其提供了前提和基礎。現代生活中,穿戴美容、飲食起居、醫療保健、裝修環保……無不涉及化學。因此,化學知識也是一個公民科學素養的重要組成部分。
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。……化學將成為人類繼續生存的關鍵科學,因為它對人類的供水、食物、能源、環境以及健康問題至關重要。”
“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、在發展、在壯大。

總結

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