第三章现代化学进展课件.ppt

第三章现代化学进展1第1页，此课件共66页哦 去只有天文学、地理(地质)、生物、数学、物理、化学六个一级学科；而经过20世纪科学的发展和交叉研究，又逐渐形成了新的交叉学科，如生命科学、材料科学、环境科学等。下而将分别展望一些交叉学科和可能成为热点的研究领域的动向。一、生命科学2第2页，此课件共66页哦 1生命的基础物质研究 构成生物的生命活性物质有蛋白质、核酸、糖等生物大分子和激素、神经递质、细胞因子等生物小分子。目前已经研究和确定了许多生物大分子的结构。2遗传物质的作用 人体基因组中有数以亿计的DNA核苷酸单元，其中真正用于规定蛋白质中氨基酸序列的密码约占10左右，那么其余90左右的DNA核昔酸单元起什么作用?最近研究表明，DNA核苷酸序列中还表达一类为DNA构象编码的信息。如人体内组成蛋白质的氨基酸均为L构型，为什么?与州A有关的空间立体构象的变化虽是由于围绕着单键的3第3页，此课件共66页哦 相对自由旋转运动引起的，但空间立体构象的不同，有其微小的能量差别。或许不同的DNA有不同的空间立体构象的选择性，这是否与手性识别有关?当然这是一个构象信息，也是目前化学研究中的一个重要问题。有90左右的DNA的功能和作用还没有完全了解。这是一个很广泛和复杂的研究领域。有待2l世纪人们的努力。数以亿计的DNA核苷酸单元不是一个小数目，要投人大量的研究力量，才有可能逐渐搞清楚。3人类基因组计划 人类基因组计划是生命科学中迄今为止最浩大的工程，也是目前人体科学研究的一个主流，是从认识外在世界的科学规律转向认识人类自身的一项生命科学重大基础4第4页，此课件共66页哦 研究。完成人类基因组计划要测定约10万条基因的结构和位置，以及这些基因的全部3109个核苷酸的序列。21世纪初，这项研究无疑地成为生命科学的首要任务。这一部分工作主要由生物学家去做，那么化学研究者可以做什么?这是值得认真考虑的。4酶结构和催化功能的关系研究 生物体内进行的各种生物化学反应，均藉助于酶的催化功能。迄今为止，所研究的酶绝大多数都是蛋白质。在酶的发现、结构、作用机理及模拟酶方面已经取得很多进展，但是所研究的酶只能说是酶中的一小部分。即使这些研究过的酶也只能了解其一部分。今后发现断酶，深人研究酶结构还是有许多工作要做的。20世纪后期有一个关5第5页，此课件共66页哦 于酶的重要发现，即TRCech和SAttman发现RNA的酶活性。5脑科学 在现在生命科学中，脑科学处 于正在上升的地位。脑的高级功能 来自于脑的特殊结构。脑组织中约有100亿个神经细胞。通过神经细胞的信息传通，是由一个神经细胞释放神经递质通过神经问的突触而结合在另一个神经细胞膜的受体上完成的。神经递质都是一些小分于。有兴奋性神经递质(如谷氨酸、乙酸胆碱等)和抑制性神经递质(Y氨基丁酸、甘氨酸等)。在学习和记忆过程中，神经细胞NMDA受体可能起着关键作用(如图7所示)。6第6页，此课件共66页哦 6模拟生命过程和生命体系的合成 生命过程小的基础物质蛋白质、核酸、糖和一些激素分子等，通过20世纪的研究已相继确定了它们的结构，并通过化学和生物方法可以进行合成。但这些基础物质如何配合起来产生生命现象和生命活动，则需要进一步研究。现今这方面的研究途径大体上有：模拟生命过程，合成生物功能分子及其类似物，组装成模型生物功能结构等等。人们注意到其中文要问题是生物分子问的相互作用，以及反应与反应间相互影响问题。二、材料科学 7第7页，此课件共66页哦8第8页，此课件共66页哦 1新型导电材料 （1）半导体材料 自从固体物理学家发现了纯半导体材料硅和锗后，新型半导体材料的研究吸引着越来越多的科学家，可用于半导体的材料也愈来愈多。已经发现的混合型半导体为周期表第III主族与第V主族(磷、砷、锑)所产生的化合物，如锑化钢、砷化镓、磷化钢等。无定形半导体是由无定形硅制成。（2）超导材料 如前所述，人们努力创造各种超导体以提高临界转变温度。到1991年有两项重要发现：一是有机超导体的临界转变温度达到12.5K；另外,发现碱金属掺杂的C也具有超9第9页，此课件共66页哦 导性，临界转变温度达33K。到1993年俄罗斯LNGrigorov发现了经过氧化的聚丙烯体系能在300K呈现超导性。他采用Ziegler聚合法合成的聚丙烯溶于溶液后，沉积于铜或钢的基体上，形成厚度为0.3100m的PP薄膜，经过3年空气中氧化后(或采用紫外线照射后放置几个星期)，发现有一些局部超导点，其转变温度大于300K，局部超导点的直径0.1m这是有机超导体研究中所报导的唯一的转变温度，还要进一步证实。但有机超导体在短短的26年历史中，出现如此举世瞩目的结果，提示了未来追求的目标。（3）有机导体 能导电的有机固体是近年来发展较快的一个新兴领域。一般认为有机化合物是电绝缘体，在已经有的几百万种有10第10页，此课件共66页哦 机化合物中，大多数确是绝缘体。1974年日本的白川英树等在高浓度催化剂作用下合成了具有金属光泽的高顺式聚乙炔薄膜，后经AsF5或I2掺杂后，呈现了明显的金属特性，电导率可达105。这比未掺杂前提高了十几个数量级。随后的研究相继发现了多种不同结构的导电高分子，如聚1，4亚苯、聚吡咯、聚苯硫醚、聚嚏吩、聚1，4亚苯基乙烯、聚苯胺等，经掺杂后可产生高电导率；并在光、电、磁及热电动势性能方面开展了深入研究，提出了孤子理论，极化子和双极化子理论等，成为一门新兴的交叉学科。11第11页，此课件共66页哦12第12页，此课件共66页哦 （4）有机磁性材料 近十余年来，科学家预言了几种具有特殊结构的有机化合物和高分子化合物可能具有磁性，如高分子金属配合物、分子内含氮氧稳定自由基团结构的有机化合物、平面大键结构的有机物以及电子转移复合物。化学家在这四方面的探索颇有成绩。如以二茂铁为原料合成出室温下具有磁性、居里温度达摄氏200多度的高分子金属配合物，并发现用它们做成的磁性元件对电磁波的传输具有明显的低频率损耗系数和低湿度损耗系数的特点。这些动向说明有机磁性材料在高频电磁波通讯领域有潜在用途。13第13页，此课件共66页哦 2新型光学材料 （1）非线性光学材料 这是一种广泛应用子倍频器件、激光唱盘、激光订印、彩色打印、自聚焦透镜、红外成像、纤维光学等高科技领域的新型光学材料，在无机材料方面如BBO(偏硼酸钡)是一种优质的紫外倍频晶体材料，能输出最短的相干光波长，倍频效应大，抗光损伤能力高，调谐温度半宽度宽，广泛用于激光技术中。14第14页，此课件共66页哦 （2）液晶和有机电致发光材料 随着信息技术的兴起，巨大的 显示器需求促使液晶材料飞速发展。电子显示是电子工业在20世纪末继 微电子和计算机之后的又一次大发 展机会。1994年-2000年，全球显示 器销售额从194亿美元增加到337亿美元。特别是笔记本电脑、各类通讯设备和日用电子产品的普及以及环保的要求，工作和家用电脑也逐步采用平板显示器，预期平极显示器生产将成为21世纪信息社会的支柱产业之一。15第15页，此课件共66页哦 （3）光开关材料 在处理光信号的过程中需要一种光学装置来开关、放大及储存光信号。设计合成这种光学装置的材料是至关重要的。正如以硅为基片的装置可以处理电信号一样，目前的这种光装置所用的光开关材料是铝酸锂、砷化镓铝等。近年来的研究表明，一些新材料如聚乙炔、手性有机分子、液晶等显示了更优越的光学性能。在光开关材料这一领域中，新的发现及其实际应用的潜力都很大。3新型陶瓷材料 （1）工程陶瓷 目前有氮化硅、碳化硅，硅化钨、二氧化铝、三氧化铝等。这些材料具有耐热、高硬度、耐磨、耐腐蚀、相对密度小等特点。若能用于燃气轮机，可使工作温度从目前16第16页，此课件共66页哦 1100提高到1370，而热效率从60提高到80，是理想的发动机材料。但其致命缺点是脆性。近期研究表明：用不同配比的各种原料和陶瓷复合材料制成的纳米级原材料经烧结可提高韧性。这一发现吸引了许多研究者，成为国际上研究的热点。预期合成陶瓷研究将使全陶瓷内燃机尽快成为现实。这是21世纪的新挑战，将使汽车发动机、喷气发动机、刀具、模具等方面面貌一新。（2）电气陶瓷 它以氧化铝为主体，经1500-1900烧结面成。具有压电陶瓷性能，就可实现机械能与电能的相互转变，用于压电振子、电波滤波器、压电变换器、通话器、声纳探伤器、点火器、毛发干燥器等。（3）超硬陶瓷材料17第17页，此课件共66页哦 金刚石是一种天然“陶瓷”。人造全刚石已进入工业生产。因为全刚石以碳结构为主，其高温抗氧化性能较差。现已研制出氮化硼材料，硬度仅次于全刚石，但高温抗氧化性能好。金刚石在800开始氧化，而立方氮化硼在1200才开始氧化，这使它在耐高温超硬陶瓷材料方面有良好应用前景。（4）热敏元件陶瓷 半导体热敏陶瓷(PTC)具有正的温度系数，当温度上升到相变温度时，电阻急剧增大，可用于各种温控元件，如电热器、电饭堡、烤箱、干燥器等。湿敏元件其相对温度为90，电阻4.24，可用于空调机。新型陶瓷材料发展较快，超导材料实际上也是一种新18第18页，此课件共66页哦 型陶瓷，当然由于陶瓷材料的特殊性能，在研究和开发其应用前景时，需要不同学科交叉，共同来研究和探索出新的功能材料。4复合材料 （1）聚合物基复合材料 主要是指纤维增强聚合物材料。如将碳纤维包覆在环氧树脂中使复合材料强度增加，用于制造网球拍、高尔夫球相和滑雪橇等。玻璃纤维复合材料为玻璃纤维与聚酯的复合体，可以用于结构材料，如汽车和飞机中的某些部件、桥体的结构材料和船体等，其强度可与钢材相比。增强的聚酰亚胺树脂可用于汽车的“塑料发动机”，使发动机重量减轻，节约燃料。19第19页，此课件共66页哦 （2）陶瓷基复合材料 为改变陶瓷的脆性，将石墨或聚合物纤维包覆在陶瓷中，制成的复合材料有一定的韧性，不易碎裂，且还可在极高的温度下使用。这类陶瓷基复合材料可望成为汽车、火箭发动机的新型结构材料。金属网陶瓷基材料具有超强刚性，可作为防弹衣的材料。（3）金属基复合材料 在金属表面涂层，可以保护金属表面或赋予金属表面某种特殊功能，如金属表面涂油漆以抗腐蚀；金属表面作搪瓷内衬可制造化学反应釜；金属表面镀铬使表面光亮；金属表面涂以高分子弹性体赋予表面韧性，可作为抗气蚀材料用于水轮机、汽轮机的不锈钢叶片上，延长其使用年20第20页，此课件共66页哦 限；在纯的硅晶片上复合多层有专门功能的物质可用子计算机的集成电路片。近年来出现的钢硼纤维，5生物医学材料 由生物分子构成生物材料，再由生物材料构成生物部件。生物体内各种材料和部件有各自的生物功能。它们是“活”的，也是被整体生物控制的。生物材料中有的是结构材料，包括骨、牙等硬组织材料和肌肉、腔、皮肤等软组织；还有许多功能材料所构成的功能部件，如眼球晶状体是由晶状体蛋白包在上皮细胞组成的薄膜内而形成的无散射、无吸收、可连续变焦的广角透镜。在生物体内生长有不同功能的材料和部件，材料科学的发展方向之一是模拟这些生物材料制造人工材料。它们可以做生物部件的人工21第21页，此课件共66页哦 代替物，也可以在非医学领域中使用。前者如人工瓣膜、人工关节等；后者则有模拟生物教合剂、模拟酶、模拟生物膜等。6新型合金材料 （1）轻质合金 铝-锂合金具有高比强度、高比刚度且相对密度小(2.5)的特点，如用作现代飞机蒙皮材料，一架大型客机可减轻重量50kg。以波音747为例，每减重1Kg，一年获利2000美元。钛合金相对密度为4.55，比钢轻，耐腐蚀，无磁性，强度高，用于舰艇材料。（2）贮氢合金 未来能源的开发中，氨是一种发热高、无污染、无公22第22页，此课件共66页哦 害、取之不尽、用之不竭的能源，是能源研究的一个发展方向，关键问题是如何贮存氨?氢气是一种易燃易爆的气体，要在-253才液化。1968年美国首先发现MgNi合金具有贮氢功能，但要在250时才放出氢。后相继发理TiFe，TiMn，LaNi等合金也有贮氢功能。LaNi贮氢合金在常温、0.152MPa下就可放出氢，可用于汽车、燃料电池等，新型贮氢合金材料的发现和实际应用有待于2l世纪继续努力。（3）超耐热合金 镍钴合金能耐1200，用于喷气发动机和燃气轮机的构件。镍铬铁非磁性耐热合金在1200时仍具有高强度、韧性好的特点，可用于航天飞机的部件和原于反应堆的控23第23页，此课件共66页哦 制捧等。寻找耐高温(1000以上)、可长时间运行(10000h以上)、耐腐蚀、高强度等要求的合金材料，仍是今后研究的方向。（4）形状记忆合金 它们具有高弹性、金属橡胶性能、高强度等特点，如NTi，AgCd，CuCd，CuA1Ni，CuAlZn等合金，可用作调节装置的弹性元件(如高合器，节流阀，温控元素等)、热引擎材料、医疗材料(牙齿矫正材料)等。在研制合金材料方面，如同复合材料一样，以功能和用途为原动力，设计和合成各种类型的新合金材料，如高性能结晶控制合金、非晶合金、超微粒于合金等等。这些是金属材料中最活跃的发展领域。24第24页，此课件共66页哦 7高分子材料 塑料、橡胶、纤维、涂料这四种广泛应用的高分子材料是20世纪人类文明的标志之一，也是提高人类生活质量的主要物质基础之一。这四大类高分子材料虽是传统材料，但却是发展最快、更新最快的材料。在未来高分子材料的研究中化学家要不断设计和合成性能更好、功能更完善的高分子化合物；还要掌握材料结构与其性质与功能的关系，有目的的去设计和研究。如目前正在研究中的高性能聚烯烃工程材料，抗滑、耐磨损、低生热轮胎橡胶，纳米纤维，无溶剂涂料，智能塑料等。25第25页，此课件共66页哦 三、环境化学 化学物质(包括天然的和人工的)在过去一个世纪中为人类进步和生活质量的提高起了不可替代的作用，今后还要起更大的作用。但化学物质都有两面性，大量人工物质的开发和使用已造成对生态环境的冲击。人为造成的物理的和生物因子也同样有两面性。这几方面相互协同构成对人类未来的威胁。为了既要人类进步与生活质量提高，又要保护人类安全，所以保护环境的问题十分严峻。目前，人们已经注意到许多化学物质(实际上生物和能量也如此)在一定浓度、一定条件下会产生有利的效应；面在较高浓度或另外的条件下则会产生有害的作用。化学家的任务是找出最适合条件，以利用其有利的一面，防止其有害的一面。26第26页，此课件共66页哦 环境化学逐步成为一门新兴的交叉学科，它涉及到化学、物理学、生物学、地学、天文学、医学、工程技术和社会科学等多门学科，其综合性较强。一个城市，一个国家，甚至世界上的环境问题，光靠化学家们的分析、检测、治理方案等还不能彻底解决问题，需各级政府的宏观调控手段和财力保证。如我国西南重镇重庆的酸雨问题。其空气的pH4.5，最低为2.8，主要成分为H2SO4和HNO3。这不是一、二个企业造威的，也不是环境化学所能解决的。这是因为四川、重庆所用的天然气中硫含量较高，西南地区的森林资源逐年减少等，所以必须由政府出面，投资解决基础设施，进行综合治理，如建立现代化天然气脱硫装置，严格控制天然气中硫含量。这样降低天然气燃烧时放出的二氧化硫绝对量，以减少酸雨形成。此外，封山造27第27页，此课件共66页哦 林，增加绿色覆盖率等等。当然从化学角度未讲，环境化学的建立有助于从科学的角度来治理环境污染。1什么是环境化学 环境化学是研究环境中物质问相互作用的学科。包括研究天然物质、生物物质和合成化学物质在环境介质(大气、水体、土壤、生物)中的存在、化学特注、行为和效应，并在此基础上研究其控制的化学原理和方法。图11表示化学物质进入各种介质(如大气、水、土壤、生物)后通过迁移转化，动态地把各种介质联系起未，并在各种介质中表现出各自特有的环境化学行为和化学效应、从面形成了环境化学的有关分支学科：大气环境化学、水环境化学相土壤环境化学等。28第28页，此课件共66页哦29第29页，此课件共66页哦 2环境化学的研究方向 （1）环境分析化学 分析和检测环境介质(大气、水、土壤、生物)中存在的有害物质，是环境分析化学的首要任务。鉴于近年来分析仪器的迅速发展，特别是分析仪器联用技术的出现，如GCMs，LC/MS，MS/MS，HPLC/ESI MS，GCAED，HPLC/APIMS(大气压电离质谱)等，使分析的灵敏度大大提高，从痕量分析10-12级发展到超痕量分析10-15级。这对环境分析化学的发展起了很重要的作用。环境分析化学需要解决的关键问题有：样品采集和保存等前处理问题，物种分析，现场实时分析监测，瞬态物种的测定以及对难挥发性化合物、强极性化合物的分析等。虽然有机化合物和金属有机化合物的环境分析发展很快，但在污染物浓度极30第30页，此课件共66页哦 低、样品组成复杂、毒物转化迅速等情况下分析监视仍有一定难度。要达到高灵敏度、瞬时快速和在线分析，还需要进行大量基础性研究工作。另外，建立环境分析的数据库并联网，这将是今后的发展方向。（2）大气环境化学 主要研究大气污染物的物理化学表征，环境中的化学反应动力学，大气光化学机制及自由基反应过程等。由于大气中颗粒物的增多，微粒组成及其对生态或健康的影响越来越显得重要，因此研究重点由均相化学体系转向非均相化学体系。其中对多种分子组成的微粒，其分子形态的研究，即多分于聚集体系如何组成微粒以及它们对大气环境的影响，将成为全球性环境问题热点。31第31页，此课件共66页哦 （3）水环境化学 水是人类赖以生存的珍贵资源。由于海水占全球水资源的97.2，实际上淡水资源满足不了人类的需求，缺淡水是全球而临的主要威胁之一。因此保护水资源不受污染是水环境化学的主要研究方向。近年来，对水环境化学有热力学和动力学研究两个方而：一个以化学平衡原理为主，一个研究环境化学过程的速率及反应机制。由此建立的模型和模式逼近真实，已在天然水体化学的最重要的方面逐渐进入定量化研究阶段。在面体-7k的界面化学研究方面。特别是对因体表面和溶质相互作用的吸附过程的研究，已相当深入。无论是对颗粒物之间胶体化学系统和行为的研究，还是对地球化学过程速率和规模的定量处理等方面，界面化学都是很重要的。32第32页，此课件共66页哦 研究颗粒物之间相互作用的界面化学涉及众多环境问题，如土壤沉积物间有机物和无机物的环境行为，水与底泥界面营养元素的转化及其向水体中的再释放的过程和机制，表层水中污染物的行为以及与大气之间的界面反应和水污染控制等过程的研究中，界面过程均属有广泛实际意义的基础性研究内容。大气和水的相互作用、土壤和水的相互作用均为水环境化学中的重要研究内容。大气中的微粒、土壤中的有机物和无机物均是水污染的来源，它们之间相互作用的过程和机理及其环境行为均为重要的研究内容。33第33页，此课件共66页哦 （4）土壤环境化学 全球土壤生态环境受到农药、化肥、生物质燃烧、大气污染物的沉降、酸雨、污水灌溉、工业和生活废物的堆埋等污染。在污染的土壤中生长的食物直接和间接地威胁着人类安全。因此必需加强化学污染物(包括有机物、无机物等)在土壤中的分配、吸附、扩散、流动、降解过程和机理的基础研究，并且要制定土壤环境中化学污染物的允许程度，如何控制和修复受污染的土壤，为保护土壤生态环境和土地有效利用提供必要的科学根据。对可耕地，要一个地区一个地区地分析检测，建立基准，进行研究。34第34页，此课件共66页哦 （5）元素化学循环 全球性元素循环研究在不断发展，待别是汞、铅、氮、磷等的转化和迁移过程的环境化学过程。汞污染是个全球性的问题，不同形态的汞会引起不同生态反应：金属汞会引起人的脱发，以至严重的会造成死亡；有机汞如甲基汞对胎儿健康有影响。铅的污染也很严重。据调查我国有一半城市儿童的血铅含量已超过国际公认的铅中毒标准，且影响他们的智力发育。大量使用氮肥和生物固氮，使大量氮化合物排人大气，并使贮存态氮转化为动态氮如N2O，NH3，N2等。目前世界上已发现不少生态系统显示出N03-和NH4+的浓度大大的增长。这对一些地区的土壤、森林、饮用水质、农业生态系统的酸度带来不利影响。由于磷是35第35页，此课件共66页哦 生物的一个关键营养元素，但使用大量磷肥和含磷洗涤剂会使大量的磷进人水和土壤中，对生态环境产生不良影响。应大力加强基础研究，搞清楚这些元素的生态循环过程和机理，并作出相应的环境保护措施。（6）控制污染的化学 以污染预防为主的一体化污染控制方式正在取代过去传统的头痛医头、脚痛医脚的“管端”污染治理方式。要研究和强调化学反应的原子经济性、高选择性、高反应活性和环境友好性。在化学反应的设计上去解决和控制污染问题，这是根治的办法(详见下节绿色化学中的叙述)，并要研究如何用这些方法去改造老的化学过程和企业。另一方面对现有工业的三废处理亦不能放松，如石油化工、煤化36第36页，此课件共66页哦 工、天然气化工及皮革、造纸、塑胶等工业，要努力做到化学生产过程和环境治理相结合，这也是控制污染化学的一个重要研究内容。（7）环境计算化学 环境计算化学和数学、物理有关学科相结合，使以经验、实验为基础的环境化学研究趋于更加科学化和理论化，并解决了一些过去难以进行数值求解的问题，扩展了环境化学的应用范围，这是一个应该重视的新兴领域。环境计算化学研究主要包括多组分体系定量分析，数据处理中将随机变量引人多元统计分析方法，遗传算法等。大气、水体、土壤环境过程模拟和模式得到进一步发展，如模拟水稻田释放甲烷，小麦释放NO2，高密度有毒气体扩散过37第37页，此课件共66页哦 程模拟等。人工智能在环境化学中的应用包括神经元网络、专家系统和模糊数学等方面。环境化学过程(工艺)的模糊控制在不久将来可望获得成功。四、绿色化学 1什么是绿色化学化学工业能否洁净地生产化学品?绿色化学也就是面对这样的问题下产生的。其核心是要利用化学原理从源头消除污染。绿色化学是指化学反应和过程以“原子经济性”为基本原则，即在获取新物质的化学反应中充分利用参与反应的每个原料原子，实现“零排放”。不仅充分利用资源，而且不产生污染；并采用无毒、无害的溶剂、助剂和催化剂，生产有利于环境保护、社区安全和人身健康的环境友好产品。38第38页，此课件共66页哦 绿色化学化工的目标是寻找充分利用原材料和能源，在各个环节都洁净和无污染的反应途径和工艺。对生产过程来说，绿色化学包括：节约源材料和能源，淘汰有毒原材料，在生产过程排放废物之前减降废物的数量和毒性；对产品来说，绿色化学旨在减少从原料的加工到产品的最终处置的全周期的不利影响。绿色化学不仅将为传统化学工业带来革命性的变化，面且必将推进绿色能源工业及绿色农业的建立与发展。因此绿色化学是更高层次的化学，化学家不仅要研究化学品生产的可行性和现实用选，还要考虑和设计符合绿色化学要求、不产生或减少污染的化学过程。这是一个难题，也是化学家面临的一项新挑战。39第39页，此课件共66页哦 2绿色化学的发展方向 从绿色化学的目标来看有两方面必须重视：一是开发以“原子经济性”为基本原则的新化学反应过程；另一个是改进现有化学工业，减少和消除污染。（1）新的化学反应过程研究 在原子经济性和可持续发展的基础上研究合成化学和催化的基础问题，即绿色合成和绿色催化问题。如美国Monsanto公司不用剧毒的氢氰酸和氰、甲醛为原料，从无毒无害的二乙醇酸出发，开发了催化肥氢安全生产氨基二乙酸钠的技术，从面获得了1996美国总统绿色化学挑战奖中的变更合成路线奖。美国D帆化学公司用C02代替对生态环境有害的氟氢烃作苯乙烯泡沫塑料的发泡剂，因面得到美国总统绿色化学挑战奖中的改变溶剂反应条件奖。40第40页，此课件共66页哦 在有机化学品的生产中，有许多新的化学流程正在研究开发。如以新型硅分子筛为催化剂，开发烃类氧化反应；用过氧化氢氧化丙烯制环氧丙烷；用过氧化氢氢氧化环己酮合成环己酮肪；用催化剂的品格氧作烃类选择性氧化反应，如用品格氧氧化丁烷制顺酐，用晶格氧氧化邻二甲苯制苯酐等，这些新流程的开发是绿色化学领域中的新进展。（2）传统化学过程的绿色化学改造 这是一个很大的开发领域。如在烯烃的烷基化反应生产乙苯和异丙苯生产过程中需要用酸催化反应，过去用液体酸HF催化剂，面现在可以用团体酸分子筛催化合成，并配合固定床烷基化工艺，解决了环境污染问题。在异氰酸酯的生产过程，过去一直是用剧毒的光气作为合成原料，面现可用CO2和胺催化合成异氰酸酯，成为环境友好的化学工艺。41第41页，此课件共66页哦 （3）能源中的绿色化学问题和洁净煤化学技术 我国现今能源结构中，煤是主要能源。由于煤含硫量高和燃烧不完全，造成SO2和大量烟尘排出，使大气污染。我国每年由燃煤排放的SO2这1600万t，烟尘达1300万t。由SO2而产生的酸雨对生态环境的破坏十分严重。因此研究和开发洁净煤化学技术是当务之急，这方面要重视研究催化燃烧技术，等离子除硫除尘，生物化学除硫等新技术。严格控制排放标准和监察大气的质量，这是大气净化中的首要任务。42第42页，此课件共66页哦 （4）资源再生和循环使用技术研究 自然界的资源有限，因此人类生产的各种化学品能否回收、再生和循环使用也是绿色化学研究的一个重要领域。世界塑料的年产量已达1亿t，大部分是由石油裂解成乙烯、丙烯，经催化聚合而成的。而达1亿t中约有5经使用后当年就作为废弃物排放，如包装袋、地膜、饭盒、汽车垃圾等G我国推广地膜覆盖面积达7000万亩，塑料用量高达30万t，“白色污染”和石油资源浪费十分严重。而欧各国提出三R原则：首先是降低塑料制品的用量，第二是提高塑料的稳定性，倡导推行塑料制品特别是塑料包装袋的再利用，第三是重视塑料的再资源化。回收废弃塑料，再生或再生产其他化学品、燃料油或焚烧发电供气等。同时在矿物资源方面亦有三R原则的问题。43第43页，此课件共66页哦 开矿提炼和制造金属材料亦是大量消耗能源和劳动力的工业，如铝材现已广泛用于建材、飞机和日用品等方面，面纯铝要电解法制备，是一个大量耗电的工业，应该做好铝废弃物的回收和再生技术研究。（5）综合利用的绿色生化工程 如用现代生物技术进行煤的脱硫、微生物造纸以及生物质能源等的研究。综上所述，绿色化学是近年来才被人们认识和开展研究的一门新兴学科，是实用背景强、国计民生急需解决的热点研究领域。在21世纪中它必将大展宏图，为人类可持续发展做出贡献。44第44页，此课件共66页哦 五、能源化学 1氢能 这是未来最理想的能源。氢作 为水的 组成，用之不竭；而且氢燃烧 后唯一的产物是水，无环境污染问题。氢作为能源放出的能量还远大于煤、石油、天然气等能源，1g氢燃烧能释放出142kJ的热量，是汽油发热量的3倍。目前世界上氢的年产量为3600万t，但绝大部分是从石油、煤炭和天然气中制取；水电解制氢因消耗电能太多，经济上不合算，只占4份额。对化学家来讲，研究新的经济上合理的制氢方法是一项具有战略性的研究课题。理想的氢能源如图12所示。45第45页，此课件共66页哦 2燃料电池 与干电池和蓄电池不同这种电池的化学燃料不是装在电池内部，而是储存在电池外部。可以按电池的需要，源源不断地提供化学燃料，就像在燃气锅炉中添加煤和油一样。燃料所具有的化学能连续而直接地转变成电能。其发电效率比现在应用的火力发电还高并在发电的同时还可得到优质水蒸气，达到发电又供热的需要，其总热效率可达到80。燃料电池在结构上与蓄电池相似，也是由正极、负极和电解质组成。正极和负极大都是用铁和镍等惰性微孔材料制成。这些电极既不参与化学反应，又有利于气体燃料及空气或氧气的通过。从电池正极把空气或氧输送进去，而从负极将氢气或碳氢化合物、甲醇、甲烷、一氧化碳等46第46页，此课件共66页哦 气体输送进去。这时，在电池内部气体燃料和氧发生电化学反应，于是燃料的化学能就直接转变成了电能。目前已有一些处于研制阶段的新型高效燃料电池，它们由片状陶瓷制成，工作温度高达8001000，足以将所有的轻质烃燃料分解成氢气和一氧化碳。预期21世纪初燃料电池将会在汽车、军舰、通讯电源等方而得到实际应用。3生物质能源 光合作用创造的绿色植物是取之不竭的生物资源。它们主要由碳氢化合物组成，也是一种可供人们利用的能源。绿色植物生长的过程是二氧化碳和水通过光合作用合成单糖，并把太阳能储存在其中；然后又把单糖聚合成淀粉、纤维和其他大分于生物质。其中占绝大多数的纤维构成细胞壁的主体，它们主要成分是纤维素(50-55)、半纤47第47页，此课件共66页哦 维素(15-25)和木质素（20-30）等。纤维素是由葡萄糖基组成的线型大分子；半纤维素是一群氢合聚糖的总称，不同植物的复合聚糖的组分也不同，木质素是自然界最复杂的天然聚合物之一，它的结构中重复单元之间缺乏规则性和有序性。木质素是可再生的植物纤维资源和组分中蕴藏太阳能最高的部分，也是地球上最丰富的可再生资源(估计全世界每年可产生600万亿t)。以纤维素微纤的形式作为“骨钝”，其周围是由半纤维素和具有三元网状结构的木质素巨大分子粘结成的天然增强结构体，是一种不熔、不溶的天然复合材料。48第48页，此课件共66页哦 4太阳能电池 太阳能电池是一种能把光能转变为电能的能量转换器。这种电池是利用“光生伏打效应”原理制成，即当物体受到光照射时，物体内就会产生电动势或电流的现象。太阳能电池主要靠半导体的作用。当阳光照射在半导体的pn结时，就会在pn结的两端出现电压，如果将pn结两端用导线连接起来就会产生电流。当阳光照射时，太阳能电池产生的电流不仅能满足当时的供电需求，而且还能将部分电能储存于蓄电池中，可用作汽车、飞机、宇航、电视、航标灯等的电源。太阳能电池的关键是半导体材料，如何研制和选择适用于太阳能电池的半导体，是化学家们研究的领域。目前各种半导体材料中以单晶硅太阳能电池的性能较好，光电转换效率高，性能稳定可靠，使用寿命长。这是利用太阳能的一个重要方向。49第49页，此课件共66页哦 5海水盐差发电 利用海水盐差能发电也是一种获得能源的途径。盐差能是以化学能形态出理的一种海洋能。众所周知，地球上的水有二类：淡水和咸水，其中咸水占97.2，而2.15的淡水储存在南极和北极的冰川或离山冰川中，这其中只有2.65的淡水可供人类直接利用。海洋中的咸水盐含量很高，每立方千米的海水里溶有3500万t食盐，含盐浓度高的海水以较大的渗透压力向淡水扩散，这种渗透压力差所产生的能量称为海水盐差能。海水盐差能发电的原理很简单，只要用一层多孔质隔膜置于海水和淡水之间，二边插入电极，由于渗透压力差而产生电动势。较理想的放电场是在江河人海口处，大量淡水不停地流向大海，在交界处形成盐浓度差。这项技术50第50页，此课件共66页哦 的关键在于多孔隔膜如何能将淡水和海水隔开而又要形成渗透压。这种海水盐差发电技术和装置将是21世纪发展能源的一个研究方面。六、计算化学 1什么是计算化学 计算化学是用量子化学理论和计算数学来认识、理解、预言和发现新的化学现象的科学。化学的两大支柱-实验和形式理论-都是化学发展的重要研究领域。过去对化学实验的重视远超过理论计算。这是因为量子化学理论还不完善，许多化学现象还不能用理论来现解和归纳。由于电子计算机的发展突飞猛进，给计算化学创造了很好的研究条件，在开展实验研究工作之前，化学家就可在计算机上51第51页，此课件共66页哦 根据现有化学数据库的信息和量子化学理论来计算和预测一下实验工作的结果；在实验工作中，可用计算机记录所有的实验现象和数据；在实验后再用计算机来处理数据和得出结论。这一工作方式将会越来越被化学家们所接受和利用。成为化学研究工作中很重要的一个工作程序。2计算化学的发展方向 （1）研究分子结构和性能的关系 目前已经发现的化合物有1200万种以上。虽然化学家们结化合物进行了分类，并了解它们的性质和用途，但目前尚没有一个完整的化学数据库把它们的结构和性能联系起来。这是一个工作量很大功工作，不仅是要做一个数据库，而且要研究总结各种化合物结构和性能的关系，并深入到为什么某种结构会产生某种性能的内在联系。这是物52第52页，此课件共66页哦 质结构化学的基本要求，要靠计算化学通过计算机的逻辑思维和运算把二者结合起来。（2）研究化学反应是如何发生的 至今人们尚不能直接观察化学反应是如何发生的。只能是通过问接的办法，如反应中间体、产物及反应的能态等信息来推测化学反应的途径和机制。计算化学可以通过化学反应速率以及温度等对反应速率的影响等问题的计算来预测反应结果。（3）预测化学反应的产物及新化合物具有什么样的化学性质 一个化学反应发生后，可根据反应物质的结构预测其反应产物，也可经过各种参数的综合运算预测最可能生成的反应产物。若反应后得到的是新化合物，通过计算化学还可以预测其化学性质及可能功用途。53第53页，此课件共66页哦 （4）生物大分子的空间结构、取向和形态研究 以共价键结合的生物大分子(如蛋白质、糖、核酸等)除了一级结构外，还有空间结构和取向，如A的空间结构是双螺旋型。这种分子的形态是靠什么力量决定的?每个分子都有其稳定态，这种稳定态的形状又是什么样的?计算化学如能对分子的形状进行可靠的计算，对了解分子结构会提供更多的信息。（5）研究分子分子体系的排列和相互作用 一群分子在一起是以什么形式排列组合起来的?它们是靠什么力场相互作用的?分子与分子之间的排列组合是非共价键体系的，那么各种分子与分子之间的排列顺序的稳定态是否可用计算化学来确定或预测?这种分子以上层次的化学研究有否可能在计算机屏幕作出各种可能的排列组合的演示，是一个十分有意义和新兴的化学研究领域。54第54页，此课件共66页哦 （6）计算机对化学过程的模拟 计算化学希望分子物质分子内部和分子与分子之间变化的研究，从而预见化合物的性质、发生化学反应的方向和可能生成的产物等。这样可以减轻实验工作量，告诉人们那些可做，那些不可做，让理性认识来指导化学实验工作的进行。这在2l世纪将会被更多的化学家所接受。七、纳米化学 物质颗粒尺寸大小与其性质有一定关联，这是人们早已认识了的。一般把尺度在1mm-10mm范围的称为微小型(Mini-)；1m-1mm范围的为微来级(Micro-)，1nm-lm范围的为纳米(Nano-)级。近年来，发现物质颗粒尺寸小到纳来级时，其性质发生突变，特别是许多纳米级材料在电、光、磁、力学以至生物学等方面的性质发生了突变，55第55页，此课件共66页哦 这种变异开拓了一门新兴的交叉学科纳米化学。纳米材料已成为高新技术的重要研究领域，纳米科学技术将成为2l世纪关键的高新技术之。1纳米化学合成 （1）纳米插层聚合 即聚合物单体渗入蒙脱土内，再聚合成蒙脱土纳米片晶分散在聚合物内的纳米材料。（2）相分离嵌段聚合物 即选用极性不同、彼此不相容的聚合物链段，以嵌段形式聚合到一个高分子链上。这种嵌段高分于形成的聚合物将在连续相内存在相分离的纳米尺度链段，而形成纳米材料。56第56页，此课件共66页哦 （3）杂化材料 采用有机物、低聚物、高分子和金属盐、原硅酸酯等无机物一起通过溶胶嘴胶法共聚合，以合成有机高分子“接枝”无机物片断的“杂化”分子。在这些“杂化”分子中，无机物片断于有机聚合物中产生纳米尺度相分离，面成纳米材料；或在溶胶凝胶法中，无机物经还原析出，以纳米尺度的金属粒子分散在有机聚合物中，这也是一类纳米材料。（4）组装合成纳米相 即采用分子间弱相互作用，在 结构设计基础上，采取适当组装 方法，把不同性质的分子一个个的有 规则地组装成二维、三维结构面成为特殊的纳米材料。57第57页，此课件共66页哦58第58页，此课件共66页哦 2纳米检测技术 纳米化学合成了相应的纳米颗粒和纳米结构材料，必然要发展纳米检测技术，如纳米粉体的粒度分布测定、孔径测定、界面研究等。电子显微镜虽可观测到纳米尺度，但只是形态学手段，不能满足进一步观测结构和获得更多信息的要求。为此近年来发展了扫描探针显微技术，如扫描探针显微镜(SPM)、原子力显微镜(AFM)、磁力显微镜(MFM)t光学扫描隧道显微镜(PSTM)、弹道电子发射显微镜(BEEM)等。这些显微镜利用探针与样品的不同的相互作用，来探测表面和界面在纳米尺度表现出来的物理性质和化学性质。它们都为纳米化学的研究提供了极为有用的工具。59第59页，此课件共66页哦 3纳米材料的异常行为及其用途 20世纪如年代发现纳米