魅力化学
发布日期：2020-05-18 作者： 来源： 点击：7
化学是关于物质的组成、结构、性质与变化规律的科学，是人类认识和改造物质世界的主要方法和手段之一，也是最具创造性的科学之一。化学规律的发现及其应用展示了它的社会美。它的出现产生了强大的社会力量,给人类创造了巨大的物质财富,为人类自身带来了美好的生活。化学关系人类生存衣食住行和健康需求的方方面面、关乎国家经济发展、社会进步和国防建设的命脉，也是生命科学、材料科学、能源科学、航空航天、资源环境、食品、医药等学科的基础。
化学的物质魅力
世界是物质的,化学是关于物质及其变化的科学。各种物质姿态万千,美丽的雪花,璀璨的钻石,晶莹剔透的水晶,溶洞中千奇百怪的钟乳石,那倒挂的石钟乳,那挺拔的石竹石笋,鬼斧神工的石狮、石猴,那形态各异的飞禽走兽,显示出大自然造物的神奇!节日夜空五彩缤纷的焰火,鲜艳夺目的霓虹灯,人们身上漂亮的服饰,华丽、昂贵的金银珠宝,琳琅满目的日用商品……都是化学创造的魅力。
化学的变化和造化魅力
宇宙间的一切事物均在不断变化之中,其中最本质的变化,就是一种物质变成另一种物质的变化,即化学变化。生机勃勃的自然界,充满了变化,树叶绿了、草丛长高了、空气清新了……这些都包含着产生了新物质的化学变化。植物从空气中吸收二氧化碳,从土壤中吸收水分,利用太阳的能量,经过一系列化学反应生成碳水化合物,使自身得以不断生长。化学的核心是合成化学,是以人工合成或从自然界分离新物质供人类需要为中心任务的。20世纪的100年中,化学合成和分离了2285万种新物质、新材料、新药物、新分子来满足人类生活和高新技术发展的需要。美国化学家伍德沃德说:化学家在老的自然界旁边又创造了一个新的自然界。伍德沃德于1965年因合成维生素B12而获得诺贝尔化学奖。维生素B12的分子结构中含有9个不对称的碳原子和512个可能的立体异构体,是最复杂的分子结构之一。1965年,我国科学工作者在世界上首先合成了牛结晶胰岛素,为生命科学研究做出了重要贡献。今天,全世界每年在化学家手里诞生的新化合物达100多万种,平均每分钟就有一种新化合物问世。
从某种意义上讲,化学的任务就是设计各种化学变化,将周围各种物质转变为我们所需要的产品。如制造计算机需要的单质硅在自然界里并不存在,只以二氧化硅形态大量存在于石英砂中。人们通过化学反应将二氧化硅转化为单质硅,成为计算机制造的功能材料。自然界中不存在金属铝,19 世纪后,人类在实验室用金属钠还原制备的铝很少,而且价格非常昂贵,那时,铝只是皇宫里的装饰品和奢侈品。随着霍尔电解铝方法的发明,铝制品才能像今天这样被广泛应用。还有从皇室走向民间的宝物--玻璃,现代化学工作者通过各种研究已经制造出了种类繁多的玻璃制品,如光学玻璃、钢化玻璃、导电玻璃、光敏玻璃、变色玻璃、微晶玻璃等。塑料在自然界不曾有过,是在实验室里诞生的人造材料。塑料可以轻若羽毛,也可以重似铅球;可以柔软如海绵,也可以坚硬如钢铁;可绝缘,也可导电、传热、导磁,还可耐酸碱、耐高温……也正是因为上述特点,可以制造成超强塑料、导电塑料、耐高温塑料、防弹塑料……在工业、交通运输、化工、建筑、国防等行业代替着木材、钢铁发挥着出色的作用,塑料已成为人们生活中不可或缺的一部分。这些浸透化学工作者汗水的新型材料在现代文明生活中发挥着巨大的作用,在当今尖端科学中也时时闪烁着它们的身影。
化学的构造魅力
物质有一定的构造。不同的构造,物质将有不同的化学性质和物理性质。金刚石和石墨是由同一元素形成的单质,然而它们二者的性质却截然不同。金刚石很坚硬,是因为金刚石中每个碳原子与周围呈正四面体排列的碳原子成键,缔造了金刚石的坚硬；而石墨软,是因为它的结构是由六边形构成的网状碳原子平面一层一层地叠在一起而和谐稳定。金刚石打磨后的钻石璀璨,让人赞叹,而石墨的耐高温特性也令人十分吃惊。
化学成分完全相同,内部结构不同的现象极为普遍。科学上将左右手不可能完全叠合、且互为镜像的现象称为“手性”。构成手性关系的分子分别叫做对方的“对映体”。这种对称美在人体和人类的生活中到处可见。然而,手性物质和它的对映体,在性质、反应方面往往存在很大的差别,有的甚至作用相反。如我们熟悉的氯霉素,其中的D-对映体具有杀菌作用,而L-对映体却完全没有药效。又如药物酞胺哌啶酮(反应停)的R-对映体具有减缓孕妇反应的作用,帮助孕妇克服妊娠反应；但S-对映体却会导致胎儿畸变。有着如此对称的构造,却具备完全不同的性能,这本身就充满了好奇、充满了魅力。
化学的价值魅力
化学实验检验着理论的合理性。18世纪建立的“燃素说”就当时的科学水平来看,它能解释燃烧、金属生锈等现象。但拉瓦锡的精确实验,通过独到的想象和思维创建了新的燃烧学说,揭示了燃烧的实质,并提出了“反应前后物质的总质量保持不变”的质量守恒定律,推翻了统治化学界百年之久的燃素说,使化学科学得以健康发展。有机物有“生机”且结构复杂,早期化学家对它满怀敬畏,连最早引入“有机化学”概念的化学巨匠瑞典化学家J.J .Berzelius 也说:“有机物只能是生命过程的产物,而有机化学只是研究在生命力影响下形成的物质的化学”。但是,1828 年德国青年化学家维勒利用氰酸和氨水制得了有机物——尿素,证明了可以不依赖神奇的“生命力”用人工方法由无机物制备有机物。随后,化学家们又用人工方法合成了醋酸、酒石酸、柠檬酸、琥珀酸等一系列有机酸。这样,披在有机物身上的神秘外衣逐渐消失了。最后,英国化学家贝特罗合成了酒精,接着又制成了甲烷、甲醇、丙酮等,还由氢气和碳单质采用电弧法制取了乙炔,再将乙炔聚合为苯。这样,生命力论彻底破产了,有机物可以认识、可以合成的观念牢固地树立起来了。化学促进了人类社会的发展,促进了科学的发展。正如美国西博格博士所总结的:化学——人类进步的关键。
化学的实用魅力
我国著名化学前辈杨石先说过:“农、轻、重、吃、穿、用,样样都离不开化学。”的确,没有化学科学创造的物质文明,就没有人类的现代生活。化学,在我们的日常生活中无处不在。化学在很大程度上改变了我们衣、食、住、行的方式和内容。吃,是人类的生理需要,也是生态系统正常运转的必要环节。人体通过呼吸、饮水和进食与外界进行物质交换和能量交换,从而参与循环。除氧以外,人体需要6大营养素:糖类、蛋白质、脂类、无机盐、维生素和水,这些都是化学物质。德国物理学家弗里茨•哈伯靠自己的勤奋发现了大规模合成氨的过程,获得了1918年诺贝尔化学奖。氨是合成肥料的主要原料之一。化肥的应用,使有限的耕地为剧烈膨胀的人口供给了足够的粮食,使数百万人摆脱了饥饿。如果没有哈伯发明的合成氨技术,世界粮食产量至少要减半,60 亿人口有30亿要饿死。化肥是当前我国用量最大的农用化学品,是不可缺少的农业生产资料,它对提高作物产量、改善农产品质量起着举足轻重的作用。著名德国化学家李比希指出:每种植物的生长,都必需一定数量的可溶解的氮、磷、钾和钙等元素来保证。这些重要元素没有任何东西可以替代,它们之间也不能互相代替。为了土壤不致逐步贫瘠而导致作物产量下降,就必须及时补充这些元素,而光靠施用绿肥、粪肥等天然有机肥料显然是不够的,最有效的方法就是直接施用含有上述元素的“人造肥料”。 我国从1935年起就开始生产化肥,化肥工业的发展大致经历了4个发展阶段:50年代的有机肥与氮肥配合使用阶段；60年代的有机肥与氮、磷肥配合使用阶段；70年代在有机肥基础上的多种营养元素配合使用阶段；80年代以后由补充单一的营养元素即矫正施肥转入氮磷钾平衡施肥,或称配方施肥阶段。
衣着,不仅仅是遮体避寒,还可以把人类装扮得更美丽。衣着美的三个基本条件是:衣料、染色和裁剪技术。棉、麻、丝、毛都可以做衣服,是因为其主要成分是纤维,纤维是高分子化合物。自然界还有许多纤维,如木材、芦荟、棉秆、麦秆等,它们能否纺纱织布呢?能否发明一部机器,吃进化学原料而吐丝织布呢?人造纤维、合成纤维便是化学家想办法使其变成现实的成果。现在,化学家还在不断开发新的特种化学纤维,涌现出一批高强、耐热、高弹性和具有各种特殊性能的纺织新品种。爱美是人类的天性,人类刚学会制作衣服,就千方百计使它显得更美一些,用花石、彩贝和染色来点缀自己。然而,天然染料远远满足不了人们的需要。经过化学家的努力,各种合成染料竟相应运而生,已达8000多种,其着色力、遮盖力和各种色牢度等各项性能指标已经远远优于天然染料。
如果没有合成各种抗生素和大量新药物的技术,人类不能控制传染病,无法缓解心脑血管病,平均寿命就要缩短25年。还有建筑材料、美容美发、珠宝装饰……,都离不开化学的发展和创造。
化学的和谐魅力
门捷列夫把当时已知的化学元素按相对原子质量和化学性质之间的相关秩序排列成尽可能和谐、对称的层次和系列,这就是众所周知的元素周期表。周期表在整体上呈现出美妙的循环和节奏,留下的空位预言了未知元素的化学性质,原子序数定律的建立使元素周期表更加和谐统一。另外从燃素说到燃烧的氧化学说；从量子力学到现代物质结构理论;从八音律到周期律,化学规律的发现无一不是充满了和谐。化学具备的和谐魅力,还在于化学是21世纪的中心科学。20世纪末,国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)提出:化学是21世纪的中心科学。它不仅与社会各方面的需求都有密切的关系,而且与各个门类的自然科学也均有密切的关系,它的进步直接或间接地促进了相关学科的发展。这些学科包括生物学、物理学、地学、天文学、医药学、考古学以及社会行为科学等等。核电站的关键材料是核燃料,核燃料的铀、钚等的生产和后处理、废水处理等都是化学工业解决的问题。另外,21 世纪还是“大化学”时代,随着化学向其他学科的不断渗透,化学知识已成为高科技人才知识结构中不可缺少的重要组成部分。人类基因计划之所以能大大加快速度,是由于分析化学的发展为其提供了前提和基础。现代生活中,穿戴美容、饮食起居、医疗保健、装修环保……无不涉及化学。因此,化学知识也是一个公民科学素养的重要组成部分。
正如美国学者皮门特尔(G.C.Pimentel)所说:“化学是一门中心科学,它处于自然科学的中心位置。……化学将成为人类继续生存的关键科学,因为它对人类的供水、食物、能源、环境以及健康问题至关重要。”
“魅力化学”带给我们的魅力远远不止这些,它使我们的生活一天天好起来,它使我们的社会不断在进步、在发展、在壮大。