21世紀的化學前沿

　　人們經(jīng)常說：化學無所不在，所以化學的對象也幾乎無所不包,。傳統(tǒng)上,，根據(jù)研究對象和方法的不同一般把化學分為5個分支領(lǐng)域，即無機化學,、有機化學,、分析化學、物理化學和高分子化學,。下面逐一介紹,。

　　1無機化學

　　無機化學是研究無機化合物的性質(zhì)及反應的化學分支,。無機化合物包括除碳鏈和碳環(huán)化合物之外的所有化合物，因此,，無機化合物種類眾多,，內(nèi)容豐富,。人類自古以來就開始了制陶,、煉銅、冶鐵等與無機化學相關(guān)的活動,，到18世紀末,，由于冶金工業(yè)的發(fā)展,，人們逐步掌握了無機礦物的冶煉、提取和合成技術(shù),，同時也發(fā)現(xiàn)了很多新元素,。到19世紀中葉,，已經(jīng)有了統(tǒng)一的原子量數(shù)據(jù),，從而結(jié)束了原子量的混亂局面。雖然當時人們已經(jīng)積累了63種元素及其化合物的化學及物理性質(zhì)的豐富資料,，但是這些資料仍然零散而缺乏系統(tǒng),。為此,，德國學者D6bereiner,Meyer、法國學者deChancourrois以及英國學者Newlands,Odling等先后做了許多元素分類的研究工作,。至1871年，俄國學者Mendeleev發(fā)表了“化學元素的周期性依賴關(guān)系”一文并公布了與現(xiàn)行周期表形式相似的Mendeleev周期表,。元素周期律的發(fā)現(xiàn)奠定了現(xiàn)代無機化學的基礎,。元素的周期性質(zhì)是人們在長期科學實踐活動中通過大量的感性材料積累總結(jié)出來的自然規(guī)律，它把自然界的化學元素看做一個有內(nèi)在聯(lián)系的整體,。正確的理論用于實踐會顯示出其科學預見性,。按周期律預言過的15種未知元素,，后來均陸續(xù)被發(fā)現(xiàn),；按周期律修改的某些當時公認的原子量,，后來也都得到證實，如In,La,Y,Er,Ce,Th等,。至1961年,，原子序數(shù)由1-103的元素全部被發(fā)現(xiàn)，它們填滿了周期表的第一至第六周期的全部以及第七周期的前面16個位置,。爾后,，又依次發(fā)現(xiàn)了元素104(1969年),105(1970年),106(1974年),107(1981年),108(1986年),109(1982年),110(1994年),111(1995年),112(1996年)和114(1998年)等。人類究竟還能發(fā)現(xiàn)多少新元素,？據(jù)核物理理論的預測，175號元素可以穩(wěn)定存在,，當然這種預測是否正確還需要實驗的驗證,。至今耕耘周期系來發(fā)現(xiàn)和合成新化合物仍是化學科學的傳統(tǒng)工作。

　　20世紀以來,，由于化學工業(yè)及其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)的興起,，無機化學又有了更廣闊的舞臺,。如航空航天,、能源石化,、信息科學以及生命科學等領(lǐng)域的出現(xiàn)和發(fā)展,，推動了無機化學的革新步伐,。在過去30年里，新興的無機化學領(lǐng)域有無機材料化學,、生物無機化學,、有機金屬化學、理論無機化學等等,。這些新興領(lǐng)域的出現(xiàn),，使傳統(tǒng)的無機化學再次煥發(fā)出勃勃生機,。

　　2有機化學

　　有機化學是一門研究碳氫化合物及其衍生物的化學分支,，也可以說有機化學就是有關(guān)碳的化學,。在19世紀初期,，碳元素的化學遠比金屬以及其他常見元素（如硫、磷和氮）的化學落后,。1828年，德國化學家FeiderichWohler發(fā)現(xiàn)用無機化合物NH4Cl和AgOCN氰酸銀）作用生成NH4OCN(氰酸錢）,，蒸發(fā)該溶液所得白色結(jié)晶是它的異構(gòu)體CO(NH)2（尿素），后者是動物體內(nèi)的有機物,。人工合成尿素是有史以來的第一個人工合成的有機物,，也是人類第一次認識到有機物可以從無機物制得。這個發(fā)現(xiàn)打通了無機化學與有機化學之間的壁壘,。1835年，Wohler在給Berzelius（瑞典化學家）的信中寫到：“對我說來,，有機化學好像是充滿著最神奇的東西的熱帶原始森林”,。

　　在19世紀后半葉，有機合成化學已經(jīng)成為化學中最引人矚目的領(lǐng)域之一,。一批杰出的有機化學家相繼涌現(xiàn)出來,，如AdolfvonBaeyer,EmilFisher和VictorMeyer等,，他們的工作奠定了有機合成的基礎,。今天的有機化學,，從實驗方法到基礎理論都有了巨大的發(fā)展,。每年世界上有近百萬個新化合物被合成出來，其中90％以上是有機化合物,。隨著有機化學研究的深化，還衍生出若干分支學科,，如天然有機化學,、物理有機化學、金屬有機化學和合成有機化學等等,。隨著人們對于生命現(xiàn)象以及環(huán)境問題的日益關(guān)注,，有機化學愈來愈顯示出強大的生命力，成為改善人類生活質(zhì)量的有力助推力量。

　　3分析化學

　　除了合成新的化合物之外,，化學家的另一個主要工作是分析物質(zhì)的組成,、結(jié)構(gòu)、性質(zhì),，以及分離和提純物質(zhì),。這就是分析化學的任務。從化學誕生以來,，分析化學一直扮演著非常重要的角色,。經(jīng)典的分析技術(shù)被廣泛用于分析化學實驗的產(chǎn)物組成、礦物的組分以及鑒定未知元素中,。20世紀以來,，分析化學的發(fā)展經(jīng)歷了三次重大的變革。第一次是在20世紀初,，物理化學基本概念和理論的發(fā)展為分析化學方法提供了理論基礎,，使分析化學從一種技術(shù)上升為一門科學。第二次是二次世界大戰(zhàn)之后,，由于物理學和電子學的發(fā)展,，產(chǎn)生了大量的分析儀器，改變了經(jīng)典的化學分析手段,，使分析化學有了一個大的飛躍,。目前，分析化學正處于第三次變革之中,，生命科學,、信息科學的發(fā)展，使分析化學進人了一個嶄新的階段,，使分析化學向更微量,、更快速、更靈敏,、更自動化和實時在線的方向發(fā)展,。

　　分析化學不僅在實驗室中發(fā)揮著舉足輕重的作用，在日常生活中也有大量的應用實例,，如食品質(zhì)量的檢驗,、環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測以及危險物品的檢測都與分析化學密切相關(guān)?！诨瘜W史上,，每一次分析技術(shù)的革新，不僅會帶來科學的進步,，也會直接使社會受益,。例如,，分子光譜技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展帶動了結(jié)構(gòu)化學領(lǐng)域的飛速發(fā)展，同時,，這些新技術(shù)也被應用到醫(yī)學,、生產(chǎn)領(lǐng)域。分析化學也衍生出多個重要分支,，如光譜分析,、電化學分析、色譜分析和質(zhì)譜分析等,。

　　4物理化學

　　物理化學是化學中的一個理論分支,，它應用物理方法來研究化學問題。在化學探索中,，化學家不僅要合成新的化合物,，還要理解和掌握化學反應的內(nèi)在規(guī)律。物理化學就是這樣一個領(lǐng)域,，它從物理學的發(fā)展中獲得靈感,，并將其應用到更為復雜的化學領(lǐng)域中去，研究化學體系的原理,、規(guī)律和方法,。從19世紀后半葉以來，物理化學逐漸形成了若干分支：化學熱力學,、化學動力學,、量子化學、表面化學,、催化和電化學等,。20世紀，物理化學發(fā)展迅速,，取得了眾多里程碑式的成就,，如價鍵理論、分子軌道理論,、耗散結(jié)構(gòu)理論以及微觀反應動力學等,。

　　在物理化學史上，化學熱力學是其中發(fā)展較早的分支,，例如美國物理化學家J.W.Gibbs發(fā)展出Gibbs自由能（G),，用以預言反應的方向。在19世紀末,、20世紀初,，化學動力學在Arrhenius,Ostwald和van'tHoff等人的推動下建立起來。20世紀以來,，量子力學的出現(xiàn)大大改變了物理化學的面貌,，使原本建立在宏觀經(jīng)驗上的化學原理深入到原子和分子的水平，反過來促進了物理化學的革新,。目前,，物理化學有3個主要方向：(i)介觀領(lǐng)域，即納米技術(shù)的研究,；(ii）微觀領(lǐng)域的研究從靜態(tài),、穩(wěn)態(tài)向動態(tài)、瞬態(tài)方向發(fā)展,；(iii)復雜體系研究,，化學的研究對象越來越復雜，越來越接近生命,、材料等復雜體系,，因此發(fā)展面向復雜體系的理論和方法是目前物理化學的主要課題之一。在新的世紀里,，仍然有許多問題等待物理化學家去解決,。
　　5高分子化學

　　高分子化學是研究高聚物的合成、反應,、化學和物理性質(zhì)以及應用的化學分支,。與化學的其他分支學科相比，高分子化學是一個年輕的學科,。合成高分子的歷史不超過80年,，但是它的發(fā)展非常迅速。在20世紀20年代,，德國化學家Staudinger首先提出高分子的重復鏈節(jié)結(jié)構(gòu),，并在隨后的實踐中得到驗證。到20世紀40年代,，高分子合成已經(jīng)發(fā)展成為一支新興化學學科,，獲得迅猛發(fā)展。

　　一般化合物的分子量是幾十到幾百,，而高分子化合物的分子量通常是幾萬甚至幾十萬,。由成千上萬小分子單體聚合成鏈并交織在一起，就組成了橡膠,、纖維或塑料等高分子材料,。高分子材料具有易于加工和成本低廉的優(yōu)點，與天然材料相比,，高分子材料不受氣候,、季節(jié)和種植面積的影響，因此非常適合作為天然材料（如棉,、麻,、天然橡膠）等的替代品,。高分子材料還具有彈性好、強度高,、耐腐蝕等特點,，因此在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛應用。據(jù)報道,，2003年全世界塑料制品的年產(chǎn)量約為2X10$t,，其中，我國塑料制品的年產(chǎn)量已達0.16X10't,，成為世界上第三大塑料生產(chǎn)國,。我國臺灣省的塑料工業(yè)在國際上也占有重要地位。

　　隨著塑料工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展,，塑料已經(jīng)與鋼鐵,、木材、水泥并列成為國民經(jīng)濟四大支柱材料,。但隨著塑料產(chǎn)量的不斷增長和用途的不斷擴大,，廢棄物中塑料的質(zhì)量比已達10％以上，體積比則達30％左右,。它們對環(huán)境的污染,、對生態(tài)平衡的破壞已引起了社會極大的關(guān)注，為此,，高效的塑料回收利用技術(shù)和降解塑料的研究開發(fā)已受到高分子科學領(lǐng)域以及工業(yè)界的高度關(guān)注,，成為全球矚目的研究熱點。