自然科学发展概要（4）

第四章 化学的发展与成就

世界上的万物都是在变化和发展之中，而物质的变化可以分为两类: 一类是物理变化，它不产生新的物质，只是改变了物质的状态，如水结冰成为固体，蒸发成为蒸汽；岩石和金属的融化等。另一类为化学变化，它伴随有新的物质生成，一些物质转化成为性质不同的另一些物质，如煤燃烧，产生热量和放出二氧化碳气体，金属锈蚀生成氧化物等。因此人类了解和学习化学是十分必要的。化学是一门在原子和分子水平研究物质的组成、结构和性能以及其变化规律的科学。
化学是从早期的练金术和化学工艺脱胎出来的，而作为一门科学是从17世纪英国科学家波义耳（Robert Boyle,1627～1691）提出化学元素概念开始的，随后，法国化学家拉瓦锡（Antoine Lavoiser,1743～1794）提出了燃烧氧化理论；19世纪初道尔顿（John Dalton,1766～1844）原子论的创立和阿佛加德罗分子学说的提出，标志着近代化学发展到了一个新的时期；19世纪中叶，俄国化学家门捷列夫（Д.Ν Μеиделеев,1834～1907）提出的化学元素周期表,提示了元素的性质和原子量的关系,直到19世纪末形成了系统的化学科学理论体系.19世纪末X射线、放射线和电子等物理学的三大发现及20世纪初原子结构的确定，使化学进入现代时期。随着基础理论研究的发展以及实验技术的不断提高，现代化学科学已呈现出由宏观到微观、由定性到定量、由静态研究到动态研究、由单一学科向综合学科和边沿学科发展的趋势。
20世纪以来，化学科学在理论和实践都得到了迅速发展，使其与国民经济和人们的日常生活有极为密切的联系。人们利用化学原理和方法，可从水、空气、矿石、树叶等天然原料中制造钢铁、化肥、人造纤维、药物等人们所熟悉的产品。从化学的角度认为，世界上没有一种可以称为废物的东西。从废水、废气、炉渣、木屑中也可以提炼十分珍贵的化学物质。现代化学正在帮助人类解决能源、农业、衣着、环境保护、医疗、居住、交通生产和生活方面的问题，人们预测化学的前景，认为21世纪将是化学的时代。

第一节 化学的学科分类
随着化学理论的发展，根据所研究的物质，化学运动的具体对象和方法的不同，化学又可分为无机化学、有机化学、分析化学和物理化学。20世纪中期，随着科学研究领域的日益扩展以及学科之间的互相渗透，产生了一系列边缘学科和新兴学科，例如计算化学、固体化学、激光化学、地球化学、天体化学等。化学向生物学的渗透，产生了分子和量子生物学及仿生化学，使生物学发生了巨大变革。分子和量子生物学深入到生命科学的前沿，为全面解开生命的奥秘作出了贡献，仿生化学则为化学的发展开辟了新的途径。
随着化学在各方面的应用扩大，又陆续派生出了生物化学、环境化学、农业化学、石油化学、海洋化学、地质化学、核化学、药物化学、药物合成化学、材料化学等。化学学科依据本学科理论的积累和应用性能的增强，又逐渐形成了应用化学、高分子化学等分支。
1.1 无机化学
无机化学是研究无机物(单质、化合物及混合物)的组成、结构和性质及其变化规律的学科。无机化学的理论基础是由道尔顿的原子论、阿佛加德罗的分子学说及门捷列夫的元素周期律理论组成的。
1803年道尔顿提出了原子论，标志着近代化学发展进入了一个新时期。其基本观点是：
(1)化学元素是由非常微小的、不可再分的物质粒子——原子所组成。原子在所有化学变化中均保持自己的独特性质。原子既不能创造，又不能消灭。
(2)元素的所有原子的性质，特别是质量都完全相同，不同的原子质量不同，原子的质量是每一种元素的特征性质。
(3)不同元素的原子以简单数目的比例相结合，可以形成化合物。化合物的原子称为“复杂原子”(现在我们叫分子)，复杂原子的质量为所含各种元素质量的总和。同种化合物的复杂原子其性质和质量也必然相同。
道尔顿原子论的建立是近代化学发展中的一次重要的理论结合，它统一解释了一些化学基本定律和化学实验事实，揭示了质量守恒定律、当量定律、定比定律和倍比定律的内在联系，抓住了原子量作为区分化学元素的最根本特征，为整个化学学科的研究奠定了基础，标志着人类对物质结构的认识前进了一大步，所以说道尔顿是近代化学之父。
道尔顿的原子论使当时的一些化学定律得到了合理的解释，但是它还残存着一些形而上学观点，特别是道尔顿到后来否认分子的存在，抹杀了原子和分子间的差别，致使它碰到了许多难以解决的矛盾。阿佛加德罗在新的科学事实和原子论的基础上，于1811年在法国《物理杂志》发表了一篇经典性的著名论文，论述了原子量和分子量的问题。他以盖·吕萨克的实验为基础，进行了合理的推论，引入了分子的概念。他认为单质的分子是由相同元素的原子组成，化合物分子则由不同元素的原子构成。分子是组成具有一定特性的物质的最小单位。在同温同压下同体积的气体，无论是单质还是化合物都含有同样数目的分子。
阿佛加德罗的分子假说在当时并没有被化学界和物理学界所重视和承认，被冷落了约半个世纪。直到1860年9月在德国卡尔斯鲁希召开的一次国际会议上，意大利化学家康尼查罗散发了他的论证分子学说《化学哲学教程提要》的单行本，他的据理分析、清晰和合乎逻辑的论证，使分子学说很快得到了化学界的认同。
在道尔顿提出原子论后，化学获得了惊人的发展，发现了很多种元素，积累了很多这些元素的物理和化学性质的研究资料，然而这些材料很杂乱，缺乏系统性。科学和生产的发展向化学家提出了整理和概括这些感性材料，并上升为理论的要求。俄国化学家门捷列夫在考察了前人工作的基础上，抓住原子量这个元素的基本性质，研究了原子量与元素性质之间的相互关系，于1871年提出了较完善的化学元素周期表。他明确指出：元素的性质和它们所形成的化合物的性质与元素的原子量有周期性的依赖关系，元素的性质是元素原子量的周期函数。门捷列夫按照元素周期律大胆地修正了某些元素的原子量，并为未知元素留下了空位。他认为，元素在周期表中的位置应当体现出元素特性的总和以及该元素同其它元素的联系。根据未知元素在周期表中的位置及其上下左右元素的性质，门捷列夫还预言了它们的物理和化学性质。
元素周期律的发现，把原来认为是彼此孤立的各种元素的大量知识综合起来，形成了有内在联系的统一的体系，使人们可以有计划、有目的的去发现新元素。元素周期律总结归纳了元素的性质随原子量的增加而周期性变化的规律，从而为研究元素及其性质提供了重要的理论依据。元素周期律的建立，奠定了现代无机化学的基础，促进了化学科学的发展。
现代无机化学的新发展主要体现在研究领域的日益扩大及一些新的边缘学科、如现代无机合成化学、配位化学、原子簇化学、稀土化学、生物无机化学和无机固体化学等的形成和发展。
1.2 有机化学
有机化学是研究有机化合物（碳氢化合物及其衍生物）的组成、结构、性质及其变化规律的学科。
“有机化合物”和“有机化学”这些名词是历史名称的延用，“有机”的含义是有生机的意思，是与生命联系的。在元素周期律发现和完善之后，即无机化学的发展期间，有机化学却被生命力论（Vitalism）统治着。生命力论认为有机物质只能靠生命力在动植物有机体内产生，而不能在实验室或工厂里由无机物质合成。直到19世纪初化学家仍然把有机化合物和无机化合物看成截然不同的两类化合物。1828年,维勒发现蒸发氰酸铵溶液可以很容易得到尿素，氰酸铵是无机化合物，可以由硫酸铵制取，而尿素则是有机化合物，说明有机化合物与无机化合物并无截然不同界限，用无机化合物在实验室可以制取有机化合物。有机化学发展成为一门独立、系统的科学是在有机化学的经典结构理论建立以后完成的。显然，从无机化学飞跃到有机化学这一重要进步，它标志着人类从单纯利用和加工现成的天然物转向合成自然界已有的或没有的各种各样的有机化合物，从而在化学方面为人类开辟了“人工自然” 这个无限广阔的新领域。今天，人类利用已有的化学知识，不仅可以从自然界得到有机化合物，而且还可以通过化学合成的途径得到各种各样的有机物。
有机化学的理论基础主要包括1852年弗兰克提出的原子价概念；1857年凯库勒和库帕分别、独立地提出碳原子四价的概念和碳碳可以相互结合成链的学说；1861年希特列洛夫提出的化学结构的系统概念；1874年范霍夫和勒贝尔同时分别提出的组成有机化合物分子的碳原子的四面体构型学说；1885年拜尔提出的环状化合物的张力学说等。
20世纪的有机化学，从实验方法到基础理论都有了巨大的进展，显示出蓬勃发展的强劲势头和活力。世界上每年合成的近百万个新化合物中约70％以上是有机化合物。其中有些因其所具有的特殊功能而用于材料、能源、医药、生命科学、农业、营养、石油化工、交通、环境科学等与人类生活密切相关的各行各业中，直接或间接地为人类提供大量的必需品。
有机化学的迅速发展产生了不少分支学科，包括有机合成化学、金属有机化学、元素有机化学、天然有机化学、物理有机化学、有机催化化学、有机分析化学、有机立体化学等。
1.3 物理化学
现代物理化学是研究所有物质体系的化学行为的原理、规律和方法的学科。涵盖从微观到宏观对结构与性质的关系规律、化学过程机理及其控制的研究。它是化学以及在分子层次上研究物质变化的其它学科领域的理论基础。在物理化学发展过程中，逐步形成了若干学科：结构化学，化学热力学，化学动力学，液体界面化学，催化，电化学，量子化学等。物理化学以1887年奥特瓦尔德创办《物理化学杂志》为其诞生的标志。20世纪的物理化学随着物理科学发展的总趋势偏重于微观的和理论的研究，取得不少起里程碑作用的成就，如化学键本质、分子间相互作用、分子结构的测定、表面形态与结构的精细观察等等。
1.4 高分子化学
高分子化学研究链状大分子的合成、大分子的链结构和聚集态结构，以及大分子聚合物作为高分子材料的成型及应用。20世纪高分子化学从无到有、到学科形成乃至推动高分子工业的形成和发展，其发展速度十分快速，发展周期相对较短。在20世纪，高分子材料已是人类社会文明的标志之一。塑料、纤维、橡胶的世界年产量已达1．3亿t，在整个材料工业中已占据重要地位。对提高人类生活质量、创造社会财富、促进国民经济发展和科技进步作出了巨大贡献。在高分子化学发展历程中，先是只重视高分子的合成反应，研究聚合反应和方法；后来发现做为材料，其性能还取决于其物理性质甚至材料的结构与形态。所以20世纪后期，高分子化学、高分子物理和高分子加工成型形成了互相配合发展的新趋势。
1.5 分析化学
分析化学是测量和表征物质的组成和结构的学科。就像人类的眼睛一样，人们用分析手段去观察物质世界的存在和变化。它主要包括定性分析和定量分析两部分。定性分析的任务是鉴定物质由哪些元素或离子所组成以及有机化合物的官能团和分子结构等；定量分析则是测定物质各组成部分的含量。
分析化学的发展，经历了三次巨大的变革。第一是在20世纪初，物理化学基本概念的发展(如溶液理论)为分析方法提供了理论基础，使分析化学从一种技术变成一门科学。第二是二次世界大战之后，由于物理学和电子学的发展，仪器分析(光谱、质谱、核磁共振等)改变了经典化学分析为主的局面，使分析化学有了一个飞跃。目前分析化学正处于第三次变革，生命科学、信息科学和计算机技术的发展，使分析化学进入了一个崭新的阶段，它不只限于测定物质的组成和含量，而要对物质的状态(氧化—还原态、各种结合态、结晶态)，结构(一维、二维、三维空间分布)，微区，薄层和表面的组成与结构以及化学行为和生物活性等作出瞬时追踪，无损和在线监测等分析及过程控制，甚至要求直接观察到原子和分子的形态与排列。

第二节 化学中的交叉学科和热点研究领域
近代科学发展特别是科学上的重大发现和国计民生中的重大社会问题的解决，常常涉及不同学科的相互交叉和相互渗透。逐渐形成一批新的交叉学科，如化学与物理学的交叉形成了物理化学和化学物理学，化学与生物学的交叉形成了生物化学和化学生物学，物理学与生物学交叉形成了生物物理学等。这些交叉学科的不断发展大大地推动了科学进步。
2.1 环境化学
环境化学是研究环境中物质间相互作用的学科。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、化学特性、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4.1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来，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，从而形成了环境化学的有关分支学科：大气环境化学、水环境化学和土壤环境化学等。
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
图4.1 化学物质在环境介质间的联系及与环境化学分支学科的关系
环境化学的研究任务包括分析检测环境介质中存在的有害物质，跟踪它们的来源以及在环境介质中的环境化学行为，了解有害物质对生物和人体产生不良影响的规律。
2.2 绿色化学
传统化学工业给人类环境带来的污染已十分严重，引起了社会各界的关注，而且物质经化学变化而转化为对人类有用的产品。世界化学化工产品已达到7万种之多，化工总产值约l万亿美元(中国约5000亿人民币)。化学品极大地丰富了人类的物质生活，提高了生活质量，并在控制疾病、延长寿命，增加农作物品种和产量，在食物的储存和防腐等方面起到了重要作用。但在生产、使用这些化学产品的过程中也产生了大量的废物，污染了环境，全世界目前每年产生的3亿～4亿吨危险废物(中国化学工业排放的废水，废气和固体废物分别占全国工业排放总量的22.5％，7.82％，5.93％)，使人类的生存质量下降，解决污染已成为21世纪人类环境问题的科学挑战。
2.2.1 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。绿色化学化工的目标是寻找充分利用原材料和能源，且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：节约原材料和能源，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，而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途，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。1996年美国设立了“总统绿色化学挑战奖”，并首次授予Monsanto公司 (变更合成路线奖)，Dow化学公司 (改变溶剂/反应条件奖)，Rohm＆Haas公司 (设计更安全化学品奖)，Donar公司 (小企业奖)和Taxas A ＆ M大学的M．Ho1tapple教授 (学术奖)，以表彰他们在绿色化学领域中的杰出成就。
我国的乡镇企业，特别是化工、染料、造纸、皮革等污染较严重的工厂应从环境保护大局出发，一方面研究和改革工艺流程，采用符合绿色化学要求的化学过程，减少和消除污染；另一面要重视现有的废物处理，要严格控制排故标准，解决三废治理问题。做好环境保护，为子孙后代造福。
2.2.2 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。
2.2.3 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氨、甲醛为原料，从无毒无害的二乙醇胺出发，开发了催化脱氢安全生产氨基二乙酸钠的技术，从而获得了1996美国总统绿色化学挑战奖中的变更合成路线奖。美国Dow化学公司用CO2代替对生态环境有害的氟氯烃作苯乙烯泡沫塑料的发泡剂，因而得到美国总统绿色化学挑战奖中的改变溶剂/反应条件奖。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,这些新流程的开发是绿色化学领域中的新进展。
2.2.4 传统化学过程的绿色化学改造
传统化学过程的绿色化学改造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，而现在可以用固体酸—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，而现可用CO2和胺催化合成异氰酸酯，成为环境友好的化学工艺。
2.2.5 能源中的绿色化学
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达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，严格控制排放标准和监测大气的质量是大气净化中的首要任务。
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。
2.3 能源化学
国家的经济发展中能源是先行。能源供应水平标志着一个国家的发达程度。现在我国人口13亿，每年能源需求量为10亿t标准煤，仍是发展中国家的工业水平。到21世纪中叶，我国经济将达到中等发达国家水平时，对能源的需求量也将达到40—50亿t标准煤。目前，能源结构主要是煤，还有石油、天然气、核能等，研究和开发清洁而又用之不竭的能源将是21世纪发展的首要任务。
2.4 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-)；1µm～1mm范围的为微米级(Micro-)，1nm～lµm范围的为纳米(Nano-)级。近年来，发现物质颗粒尺寸小到纳米级时，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，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。

第三节 现代化学的发展
20世纪化学的发展，不论是化学基础研究，还是化学工业，都是创新的百年。从19世纪的经典化学到20世纪的现代化学的飞跃，从本质来说是从19世纪的道尔顿原子论、门捷列夫元素周期表等在原子的层次上认识和研究化学，进步到20世纪在分子的层次上认识和研究化学。如对组成分子的化学键本质、分子的强相互作用和弱相互作用、分子催化、高分子材料的结构与功能关系的认识，以至1200多万种新化合物的合成(仅1995年就完成了100万种化合物的设计和合成)。分子生物学在生物分子的结构与功能关系上的研究促进了生命化学的研究和发展。另一方面，化学工业及与化学相关的国计民生的各个领域，如粮食、能源、交通、材料、医药、国防以及人们的吃、穿、用、住等，在这100年中变化是有目共睹的。
3.1 基础研究的重大突破
3.1.1 放射性和铀裂变的重大发现
本世纪在能源利用方面一个重大突破是核能的释放和可控利用，1g铀原子在核裂变时所放出的能量相当于燃烧2.5t煤所得到的热能，两者重量相差2.5×106倍。煤在燃烧时。只是碳原子和氧原子的核外电子进行相互作用和反应，生成二氧化碳分子，这是一种化学变化，放出的是化学能。而铀核裂变所放的热是原子核内发生的变化，铀核分裂成两个原子量较小的碎片，同时放出大量的能量，这种可控释放的热能在上世纪已被用于核电站供给人类以充足的能源，然而这一工业应用的前期基础研究经历了半个世纪。经科学家们不懈的努力，仅此领域就产生了6项诺贝尔奖。
首先是居里夫妇在19世纪末到20世纪初投身于寻找新的放射性元素的研究。从大量的沥青铀矿中，经过多次的化学分离和纯制，终于发现和得到了放射性比铀强400倍的新的金属元素钋，以及比铀的放射性强200多万倍的镭。这一项艰巨的化学研究打开了20世纪原子物理学的大门。居里夫妇为此荣获了1903年诺贝尔物理奖。1906年居里不幸遇车祸身亡，居里夫人继续专心于镭的研究和应用，测定了镭的原子量，建立了镭的放射性标准。为了纪念居里，在1910年的放射学大会上一致决定把放射性强度的单位定名为居里，沿用至今。同时居里夫人制备了20g金属镭，存放在巴黎国际度量衡中心作为标准，并积极提倡把镭用于医疗，使辐射治疗得到广泛应用，造福人类。为了表彰居里夫人在发现钋和镭、开拓放射化学新领域以及发展放射性元素的应用方面的贡献，1911年她被再次授予诺贝尔化学奖。
1908年英国人卢瑟福(E．Rutherford)在剑桥大学从事关于元素衰变和放射性物质的化学研究，提出了原子的有核结构模型，并提出了放射性元素的衰变理论，研究了人工核反应，从而获得了诺贝尔化学奖。
居里夫人的女儿和女婿约里奥—居里夫妇(I．Joliot-Curie和F．Joliot-Curie)继承了父母开创的事业，从事人工放射性研究。他们用钋的α射线轰击硼、铝、镁时发现产生了带有放射性的原子核，这些元素核不断地放出β＋射线或“正电子”，并按照放射性元素的衰变规律，其射线强度逐渐减少。进一步研究证明铝受α－粒子轰击放出中子后变成磷。这种磷是放射性元素，逐渐放出β—射线，蜕变为稳定的硅核，其半衰期为2.5min。这是第一次发现用人工方法创造出放射性元素。人工放射性的发现和放射性同位素用作示踪原子，其科学意义都是巨大的。1934年居里夫人病重时获悉了这一发现，她在逝世前将这一成就编入了她的名著“论放射性”，而约里奥—居里夫妇荣获了1935年诺贝尔化学奖。
约里奥—居里夫妇的思路和方法为意大利原子物理学家费米(E.Fermi)所继承和发展。他考虑到用α-粒子轰击原子核，由于电性斥力，使α-粒子难于接近靶核，其产率很低，只有百万分之一。因此他改用中子轰击原子核，特别经石蜡慢化了的慢中子，增加了中子和原子核的碰撞机率，使核反应截面大大提高，其产率接近1。慢中子的发现是核能可控利用的又一关键所在。费米和他的同事用慢中子轰击各种元素获得了60种新的放射性元素，并发现中子轰击原子核后，就被原子核捕获得到一个新原子核，且不稳定，核中的一个中子将放出一次β衰变，而变成原子序数增加1的元素。这一原理和方法的发现，使人工放射性元素的研究迅速成为当时的热点。物理学介入化学，用物理学方法在周期表上增加新元素成为可能。费米的这一成就使他获得了1938年的诺贝尔物理奖。
哈恩(O．Hahn)、梅特娜(L．Meitner)和I.Joliot-Curie等在Fermi成就的引导下，努力寻找和创造新的超铀元素，在中子轰击铀或钍后，发现有化学性质类似的镧和钡的中等原子量元素，而不是原子量大的超铀元素，这与费米的规律性不一致。这一现象困惑了当时科学界将近5年。直到1938年，I.Joliot-Curie夫人等证明中子轰击铀或钍产生的不是锕，而是半衰期为3.5h的57号元素镧后，在1939年，O.Hahn、斯特拉斯曼(F.Strassmann)发现中子轰击铀235产生3.5h半衰期的是几种元素的混合物，其中有几种是碱土金属，它们放射β—射线线后蜕变为稀土元素。因此铀235吸收一个中子后，核分裂为两部分中等原子量的钡和稀土元素等，这就是原子核分裂的裂变现象。裂变现象的发现震撼了当时科学界，成为原子能利用的基础，哈思因此而获得1944年诺贝尔化学奖。
1939年弗里施(O. Frish)在裂变现象中观察到伴随着裂变碎片有巨大的能量，在空气中裂变碎片的射程可达2.2cm。同时约里奥—居里夫妇和费米都测定了铀裂变时还放出中子，每次裂变约放出2～3个中子，这使链式反应成为可能。至此释放原子能的前期基础研究已经完成。从放射性的发现开始，然后发现人工放射性，再后又发现铀裂变伴随放出能量和中子，以至核裂变的可控链式反应。于是，1942年Fermi领导下成功地建造了第一座原子反应堆，1945年美国在日本投下了原子弹。这就是20世纪初至中叶化学和物理界具有里程碑作用的重大突破——核裂变和原子能的利用。
回顾这一段历史可以看出，化学和物理学在整个自然科学的进步中起着互补协同的推动作用。物理学在核上动手术创造新元素，化学在分子层次上动手术，创造新分子，这成为20世纪科学史中的主流。
3.1.2 化学键和现代量子化学理论
美国化学家鲍林(L．Pauling)以研究物质结构和化学键理论闻名。他对化学的最大的贡献是关于化学键的本质的研究以及在物质结构方面的应用。他长期从事X-射线晶体结构研究，寻求分子内部的结构信息，把量子力学应用于分子结构，把原子价理论扩展到金属和金属间化合物，提出了电负性计算方法和概念，创立了轨道杂化理论和价键学说。1954年由于他在化学键本质研究和用化学键理论来阐明物质结构方面所作出的重大贡献而荣获诺贝尔化学奖。他不仅是当之无愧的现代结构化学的奠基人，而且他把化学结构理论引人生物大分子结构研究，为沃森(Watson)及克里克(Crick)发现DNA双螺旋结构奠定基础，也开拓了20世纪后期在分子层次研究生物系统的广阔领域。分子病理学、分子免疫学、分子遗传学都是在他早期所做的化学与生物学结合的工作基础上建立的。他是公认的现代最伟大的化学家之一。1962年又因支持进步事业，积极维护世界和平反对战争而获诺贝尔和平奖。
在化学键和现代结构化学理论方面Pauling是杰出代表和开拓者，但形成现代化学的理论，也是经许多化学家将近半个世纪的努力，才达到今天这样深人的认识。以获得诺贝尔化学奖计算就有4届之多。
化学键理论的建立和发展主要有三种理论：
(1)Pauling的价键理论(VB)。
(2)莫利肯（R.S.Mulliken）的分子轨道理论（MO）。
(3)贝特（H.A.Bethe）的配位场理论。
价键理论将量子力学的原理和化学的直观经验紧密结合，在经典化学中引入了量子力学理论和一系列的新概念，如杂化、共振、δ键、π键、电负性、电子配对等，对当时化学键理论的发展起了重要作用。
分子轨道理论的出发点是分子的整体性，重视分子中电子运动状况，以分子轨道的概念来克服价键理论中强调电子配对所造成分子电子波函数难于进行数学运算的缺点。Mulliken把原子轨道线性组合成分子轨道，可用数学计算并程序化。分子轨道法处理分子结构的结果与分子光谱数据吻合，因此50年代开始，价键理论逐渐被分子轨道理论所替代。因莫利肯用量子力学创立了化学结构分子轨道理论，阐明了分子的共价键本质和电子结构，1966年荣获诺贝尔化学奖。
随着量子化学的发展，日本化学家福井谦一在1952年提出了前线轨道理论。其基本观点是：分子的许多性质是由最高占据轨道和最低未占轨道决定的，即给电子分子中的能量最高被占分子轨道(HOMO)和受电子分子中能量最低末占分子轨道(LOMO)在化学反应中起主导作用。这就能较好地解释一系列化学反应问题。1965年美国化学家伍德沃德和霍夫曼（R.B.Woodward和R.Hoffmann）以前线轨道理论为工具讨论了周环反应的立体化学选择定则，从动态角度来判断和预言化学反应的方向、难易程度和产物的立体构型等，把量子力学由静态发展到动态，从而提出了分子轨道对称守恒原理，又称伍德沃德—霍夫曼规则。这一理论被认为是认识化学反应发展史上的一个里程碑，霍夫曼的分子轨道对称守恒原理和福井谦一的前线轨道理论共获1981年诺贝尔化学奖。
最近该领域又有了新发展，1998年诺贝尔化学奖授于美国化学家科恩(W.Kohn)和英国化学家波普尔(J.A.Pop1e)，以表彰他们在量子化学领域作出的开创性贡献。Kohn发展了电子密度泛函理论；Pop1e发展了量子化学计算方法，如NDDO（忽略双原子微分重迭），CNDO（全略微分重迭），INDO（间略微分重迭）等，并采用高斯函数解决了哈特里－福克－罗特汉方程计算的关键障碍，做出了量子化学计算软件包Gaussian-70到Gaussin-98。可计算分子体系的能量，分子的平衡性质，过渡态和反应途径，分子的电、磁和旋光性质等等，使化学进入实验和理论计算并重的新时代。
从化学键和量子化学理论的发展来看，足足花了半个世纪左右的时间，让化学家由浅入深，认识分子的本质及其相互作用的基本原理，从而让人们进入分子的理性设计的高层次领域，创造新的功能分子，如新材料设计、药物设计、物性预测等，这也是20世纪化学的一个重大突破。
3.1.3 创造新分子新结构——合成化学
设计和合成新的分子是合成化学家的首要任务。这100年来有机化学家已经设计和合成了数百万个有机化合物，几乎又创造了一个新的自然界；同时还发现了大量的新反应、新试剂、新方法和新理论。这是合成化学中相辅相成的两个方面。正由于合成过程中发现的新反应、新试剂、新方法，又促进了大量新化合物的合成，其中金属有机化学在合成化学中起着重要的导向和催化作用。纵贯20世纪，在有机合成和金属有机化学领域共获得10届诺贝尔化学奖，这在化学的三级学科中是首屈一指的。
1912年格林尼亚（V.Grignard）因发明格林尼亚试剂，开创了有机金属在各种官能团反应中的新领域而获诺贝尔化学奖。该试剂沿用至今，仍是有机反应和合成中最常用的试剂之一。
1928年狄尔斯（O.Diels）和阿尔德（K.Alder）发现了双烯合成反应，这反应包括乙烯基化合物对二烯化合物的1,4-加成，特别是共扼二烯易与含有被羰基、羧基、氰基或硝基所活化的双键、叁键发生加成反应，具有普遍性。二人获1950年诺贝尔化学奖。
1953年德国化学家齐格勒(K.Ziegler)和意大利的纳塔(G.Natta)发现了有机金属催化烯烃定向聚合，实现了乙烯的常压聚合和丙烯的定向有规聚合而荣获1963年诺贝尔化学奖。
尝试人工合成生物分子一直是有机合成化学的研究重点。从最早的抗坏血酸（W.N.Haworth，1937，诺贝尔化学奖）、生物碱（R.Robinson，1947年诺贝尔化学奖）到多肽（V.du Vigneand，1955年诺贝尔化学奖）逐渐深入，而Robinson的工作在推动近代有机合成发展中起了重要作用。到1965年有机合成大师R.B.Woodward由于其有机合成的独创思维和高超技艺，先后合成了奎宁、胆固醇、可的松、叶绿素和利血平等一系列复杂有机分子和有机配体配合物，荣获诺贝尔化学奖。他获奖后仍孜孜不倦进行合成工作，合成了维生素B12(见图4.2 )和提出了分子轨道对称守恒原理，他是当之无愧的有机合成大师，可惜在1979年7月8日，年仅62岁就离开了人世，是有机化学界的重大损失。
图4.2 维生素B12
英国的威尔金森(G.Wilkinson)和德国的费歇尔(E.O.Fischer)合成了过渡金属二茂夹心式化合物，确定了这种特殊结构，对金属有机化学和配位化学的发展起了重大推进作用，荣获1973年诺贝尔化学奖。至今茂金属催化的高分子聚合反应仍为前沿热点研究领域。
1979年美国的布朗(H.C.Brown)和德国的维蒂希(G.Wittig)因分别发展了硼有机化合物和发明Wittig反应而共同获得诺贝尔化学奖。
1984年美国的梅里菲尔德(R.B.Merrifield)因发明了固相多肽合成法对有机合成方法学起了巨大的推动作用，从而获诺贝尔化学奖。
1990年美国哈佛大学的柯里(E.J.Corey)在大量的有机合成(如长叶烯、前列腺素等近100个天然产物的全合成)工作中总结和提出了“逆合成分析法”，柯里的贡献促进了有机合成化学的快速发展。他因此荣获诺贝尔化学奖。
综上所述，从10届诺贝尔化学奖获得者的成就来看，有机合成—金属有机－催化是紧密地联系在一起。现代有机合成化学是经过20世纪近100年的努力研究、探索、累积才发展到今天可以合成像海葵毒素(polytoxin)这样复杂的有机分子（具有64个手性中心和7个骨架内双键的分子，存在有271≈2×1021个异构体，见图4.3）。科学不断在发展，有机合成化学还没有到达十全十美的境界，新反应、新试剂、新方法还在不断发现和创造，另一方面新的功能分子尚有待人类不断努力去创造。
图4.3 海葵毒素
3.1.4．高分子科学和材料
20世纪的人类社会文明的标志之一是合成材料的出现。高分子化学也是从事制造和研究分子的科学，但制造和研究的是分子量成千上万甚至上百万的大分子或称高分子化合物。由于高分子长链结构的发现，才促进了高分子化学和高分子物理的发展。在这一领域有两届诺贝尔化学奖(H.Staudinger和P.J.Flory)。
1920年德国施陶丁格(H.Staudinger)提出了高分子这个概念，创立了高分子链型学说，认为原子按正常价键结合几乎可以构成任何长度的链状分子。后又建立了高分子稀溶液的粘度与它们分子量之间的定量关系，据此可以测定高分子的分子量。Staudinger的聚合物分子结构学说长期不被当时的学术界所认识和接受，但随着塑料、纤维、橡胶三大合成材料的发展和工业生产，他在高分子化学领域的发现才被承认，33年后的1953年他获得了诺贝尔化学奖。
1953年德国的Ziegler成功地在常温常压下将乙烯聚合成聚乙烯。他用的催化体系是(C2H5)3AlTiCl4。这种金属有机化合物催化烯烃的聚合反应导致了一种新的聚合方法——配位聚合反应。它把乙烯分子规整地排列而聚合，阻止和减少了支链的产生，因此低压聚乙烯的耐热性能显着提高。1955年意大利的Natta将Ziegler催化剂改进为α-TiCl3和烷基铝体系，并实现了丙烯的定向聚合，得到了高产率、高结晶度的全同构型的聚丙烯，能耐150℃温度。这种配位聚合反应不仅能控制构型，而且还能控制分子量大小和分布，使合成方法—聚合物结构－性能三者联系起来，成为高分子化学中的一项具有里程碑作用的突破性工作。他们二人共同获得1963年诺贝尔化学奖。之后这种配位聚合又发展到合成天然橡胶(顺式聚异戊二烯)、聚丁二烯橡胶、聚酰胺等等一系列高聚物，成为高分子合成的一种重要方法。
1936年弗洛里（Flory）在研究缩聚反应时提出了缩聚反应中所有功能团都具有相同活性的基本原理，并根据缩聚反应动力学研究建立了分子量与反应程度之间的定量关系公式。之后，他又从事聚合物性质的研究，用统计力学的方法研究聚合物分子结构、链长、大小与性质之间的关联，获得了表达链长分布的表达式，发展了非线性聚合物的理论。由于Flory在研究高分子性质方面的卓越成就为发展高分子理论作出了重大贡献，荣获了1974年诺贝尔化学奖。
当然，在高分子科学领域还有不少有成就的科学家，如美国杜邦公司的W.H.Carothers曾在1931年合成了氯丁橡胶，1935年研制成功尼龙-66。可惜他过早地在1937年去世，享年仅4l岁。Flory就是他当年的助手。20世纪发明和生产的三大合成材料尼龙、橡胶、合成纤维在化学中具有突破性的成就。
3.1.5 化学动力学与分子反应动态学
研究化学反应是如何进行的，揭示化学反应的历程和研究物质的结构与其反应能力之间的关系，是控制化学反应过程的需要。在这一领域相继获得过3次诺贝尔化学奖。
1956年由前苏联化学家谢苗诺夫(N.Semenov)和英国的欣歇尔伍德(S.Hinchelwood)在化学反应机理、反应速度和链式反应方面的开创性研究而获诺贝尔化学奖。他们揭示了链式反应在自然界的存在，并将为在工业的各个领域的应用开创了新局面。
快速反应动力学研究的目的在于研究化学反应的速率和机理。影响化学反应速率的因素较多，如分子碰撞、反应中间产物的活性、反应过渡态的模式，能量传递和分布等。而在实验中捕获和检测反应过程各种不同的中间体及其能态是研究反应动力学的关键问题。德国化学家艾根(M. Eigen)提出了弛豫法研究快速的化学反应。他利用电脉冲，改变电场、温度、压力等因素，使一个处于平衡的溶液经瞬间破坏平衡后又迅速达到新的平衡来研究发生在千分之一秒内的化学反应。英国化学家波特和诺里升(G.Porter和R.G.W.Norrish) 提出和发展了闪光光解法新技术，用强光脉冲，引发气体发生光化学反应，并记录和推测反应所产生的自由基和激发态分子。这种方法可用以研究十亿分之一秒内发生的化学反应，为研究快速反应动力学作出了重大贡献。他们三人共同荣获1967年诺贝尔化学奖。
分子反应动态学，亦称态—态化学，从微观角度来认识化学反应，着重研究反应分子所处的微观状态，两种物质能否发生化学反应，反应速率的快慢，以及反应后产生什幺化合物等，均要研究反应物分子之间的态能否适当匹配，因此化学反应的实质是反应物的原子、分子之间的“态－态反应”。也就是从微观层次出发，深入到原子、分子的结构和内部运动、分子间相互作用和碰撞过程来研究化学反应的速率和机理。研究分子反应动态学最基本的工具是交叉分子束技术。其特征是在单次碰撞的条件下来研究单个分子间发生的化学反应，并测量反应产物的角分布、速度分布来取得反应动态学的信息。李远哲和赫希巴赫(D.R.Herschbach)首先研制成功能获得各种态信息的交叉分子束实验装置，研究和发表了F十H2反应动力学的结果，精确测定了反应产物的角分布、能量分布及其与反应物能量的关系，表明了过去用经典方法计算反应途径的局限性和不可靠性。如此详细的研究化学反应过程，对化学反应的基本原理作出了重要突破，被称为分子反应动力学发展中的里程碑。李远哲、Herschbach和加拿大的波拉尼(J.C.Po1any)一起荣获1986年诺贝尔化学奖。1999年Zewail因用飞秒光谱研究过渡态的成就获诺贝尔化学奖。
以上是化学基础研究在20世纪五个方面的重大突破，当然每位诺贝尔奖得主都有重大的贡献。表4.1中是1901年～1999年各届诺贝尔化学奖的获奖情况汇集。从诺贝尔化学奖得者的年龄来看，最老的是1987年C.J.Pedersen为83岁，最少的是1935年F.Joliot-Curie为35岁，91届诺贝尔化学奖获得者的平均年龄为55.5岁。当然这是获奖时的年龄，而他们的重大发现可能在10年或20年以前，其间要经过长期的考验和评价。

表4.1 历界诺贝尔化学奖获奖简况
得奖
年份
获 奖 者
国籍
获奖时
年龄
获 奖 成 就
1999
A.H.Zewail
美国
53
飞妙激光技术研究超快化学反应过程和过渡态
1998
W.Kohn
J.A.Pople
美国
英国
75
73
发展了电子密度泛函数理论
发展了量子化学计算方法
1997
J.Skou
P.Boyer
J.Walker
丹麦
美国
英国
79
79
56
发现了维持细胞中钠离子和钾离子浓度平衡的酶，并阐明其作用机理
发现了能量分子三磷酸腺苷的形成过程
1996
R.F.Curl
R.E.Smalley
H.W.Kroto
美国
美国
英国
58
53
57
发现60C
1995
M.Molona
S.Rowland
P.Crutzen
墨西哥
美国
荷兰
52
68
62
研究大气环境化学，特别在臭氧的形成和分解研究方面作出的贡献
1994
G.A.Olah
美国
67
碳正离子化学的研究
1993
M.Smith
K.B.Mullis
加拿大
美国
61
48
寡聚核苷酸定点诱变基因工程的贡献
多聚酶链式反应技术对基因工程的贡献
1992
R.A.Marcus
美国
69
电子转移反应理论
1991
R.R.Ernst
瑞士
58
高分辨核磁共振谱法的发展
1990
E.J.Corey
美国
62
有机合成的逆合成分析法
1989
T.Cech
S.Altman
美国
美国
41
50
Ribozyme（核糖核酸酶）的发现
1988
J.Deisenhoger
H.Michel
R.Huber
德国
德国
德国
45
40
51
测定了细菌光合反应中心膜蛋白－色素复合体的三维结构，为光化反应作出的贡献
1987
C.J.Pedersen
D.J.Cram
J-M.Lehn
美国
美国
法国
83
68
48
开创主－客体化学，超分子化学，冠醚化学等新领域
1986
李远哲
D.R.Herschbach
J.Karle
美籍华人
美国
加拿大
50
54
55
发展了交叉分子束技术，红外线化学发光方法，对微观反应动力学研究作出的贡献
1985
H.A.Hauptman
J.Karle
美国
美国
68
67
发明了X－射线衍射确定晶体结构的直接计算方法，为分子晶体结构测定方法作出的贡献
1984
R.B.Merrifield
美国
63
发明了固相多肽合成法
1983
H.Taube
美籍加
拿大人
68
在金属配位化合物电子转移反应机理研究中作出的贡献
1982
A.Klug
英国
56
创造了“象重组”技术，揭示了病毒核细胞内重要遗传物质的结构
1981
Kenich Fukui
R.Hoffmann
日本
美国
63
44
提出前线轨道理论
提出分子轨道对称守恒理论
1980
P.Berg
F.Sanger
W.Gilbert
美国
英国
美国
54
62
48
DNA分裂和重组研究，确定DNA内核苷酸排列顺序的方法，开创了现代基因工程学
1979
H.C.Brown
G.Wittig
美国
德国
67
82
在有机合成中发展了有机硼、有机磷试剂和反应
1978
P.Mitchell
英国
58
用化学渗透理论研究生物能的转换
1977
I.Prigogine
比利时
60
研究非平衡的不可逆过程热力学，提出了消耗结构理论
1976
W.N.Lipscomb，Jr.
美国
57
有机硼化合物的结构研究，发展了结构学说和有机硼化学
1975
J.W.Cornforth
V.Prelog
英国
瑞士
58
69
酶催化反应的立体化学研究
有机分子和反应的立体化学研究
1974
P.J.Flory
美国
64
高分子物理化学理论和实验方面的基础研究
1973
G.Wilkinson
E.O.Fischer
英国
德国
52
45
研究二茂铁结构，发展了金属有机化学和配位化学
1972
C.B.Anfinsen
S.Moore
W.H.Stein
美国
美国
美国
56
59
61
研究核糖核酸酶分子结构和催化反应活性中心
1971
G.Herzberg
加拿大
67
分子光谱学和自由电子结构的研究
1970
L.F.Leloir
阿根廷
64
在糖生物合成中发现了糖核苷酸的作用
1969
D.H.R.Barton
O.Hassel
英国
挪威
51
72
发展分子空间构象概念分析及其在化学中的应用
1968
L.Onsager
美国
65
不可逆过程热力学研究
1967
M.Eigen
R.G.W.Norrish
G.Porter
德国
英国
英国
40
70
47
用驰豫法、闪光光解法研究快速化学反应
1966
R.S.Mnlliken
美国
70
创立了分子轨道理论，阐明了分子共价键本质和电子结构
1965
R.B.Woodward
美国
48
在天然有机化合物的合成方面作出重大贡献
1964
D.C.Hodgkin
英国
54
重要生物大分子的结构测定
1963
K.Ziegle
G.Natta
德国
意大利
70
60
发明了Ziegler-Natta催化剂，首次合成了定向有规高聚物
1962
M.F.Perutz
J.C.Kendrew
英国
英国
48
45
研究蛋白质结构的杰出贡献
1961
M.Calvin
美国
50
研究植物中CO2进行光合作用
1960
W. F. Libby
美国
52
发明了14C测定地质年代的方法
1959
J. Heyrovsky
捷克
69
发明极谱分析法
1958
F. Sanger
英国
40
对蛋白质结构特别是胰岛素结构的测定
1957
A. Todd
英国
50
对核苷酸和核苷酸辅酶的研究
1956
C .N. Hichelwood
N. Semenov
英国
前苏联
59
60
对化学反应机理和链式反应的研究
1955
V. du. Vigeand
美国
54
对生物化学上重要含硫化合物的研究，第一次合成多肽激素
1954
L. Pauling
美国
53
对化学键本质的研究并用于阐明复杂物质的结构
1953
H. Staudinger
德国
72
高分子化学方面的杰出贡献
1952
A.J.P.Martin
GR.L.M.Synge
英国
英国
42
38
发明分配色层分析法
1951
E.M.Mcmillan
G.Seaborg
美国
美国
44
39
发现超铀元素
1950
O.Diels
K.Alder
德国
德国
74
48
发现了双烯合成反应，即Diels-Alder反应
1949
W.F.Giaugus
美国
54
对化学热力学特别是超低温下物质性质的研究
1948
A.W.K.Tiselius
瑞典
46
对电泳和吸附分析的研究，发明了血清蛋白
1947
R.Robinson
英国
61
对生物活性的植物成分研究，特别是生物碱的研究
1946
J.B.Sumner
J.H.Northorp
W.M.Stanley
美国
美国
美国
55
59
42
发现酶的类结晶法
分离得到纯的酶和病毒蛋白
1945
A.J.Virtamen
荷兰
50
发明了饲料贮存保鲜方法，对农业化学和营养化学作出贡献
1944
O.Hahn
德国
65
发现重核裂变
1943
G.Heresy
匈牙利
57
利用同位素示踪研究化学反应
1942
无



1941
无



1940
无



1939
A. F. J. Butenandt
L. Ruzicka
德国
瑞士
36
52
性激素研究
聚亚甲基多碳原子大环和多萜烯研究
1938
R. Kuhn
德国
38
维生素和类胡萝卜素研究
1937
W. N. Haworth
P. Karrer
英国
瑞士
54
48
发现了糖类环状结构和合成Vc胡萝卜素、核黄素及维生素A和B2的研究
1936
P. Debey
荷兰
32
提出了极性分子理论，确定力哦阿分子偶极矩的测定方法
1935
F. Joliot-Curie
I. Joliot- Curie
法国
法国
35
38
合成了新的人工放射性元素
1934
H. C. Urey
美国
41
发现重水和重氢同位素
1933
无



1932
J.Langmuir
美国
51
表面化学研究
1931
C.Bosch
F.Bergius
德国
德国
57
47
发明和发展了化学高压法
1930
H.Fischer
德国
49
血红素和叶绿素的结构研究，合成了高铁血红素
1929
A.Harden
H.vonEuler-Chelpin
英国
法国
64
56
糖的发酵和酶在发酵重作用的研究
1928
A.Windaus
法国
52
甾醇的结构测定和维生素D3的合成
1927
H.Wieland
德国
50
发现胆酸及其化学结构
1926
T.Svedberg
瑞士
42
发明超速离心机并用于高分散胶体物质研究
1925
R.Zsigmondy
德国
60
对胶体化学研究的卓越贡献
1924
无



1923
F.Pregl
奥地利
54
确定有机化学微量分析方法
1922
F.W.Aston
英国
45
发明了质谱仪，发现了许多非放射性同位素及原子量的整数规则
1921
F.Soddy
英国
44
对放射性化学物质的研究及对同位素起源和性质的研究
1920
W.Nernst
德国
56
热化学研究
1919
无



1918
F.Haber
德国
50
氨的合成
1917
无



1916
无



1915
R.Willstater
德国
43
对叶绿素和植物色素的研究
1914
Th.Richards
美国
46
精密测定了许多元素的原子量
1913
A.Werner
瑞士
47
金色络合物的配位理论
1912
V.Grignard
P.Sabatier
法国
法国
41
58
格林尼亚试剂的发明
有机化合物的催化加氢
1911
M.Curie
波兰
44
发现了放射元素钋和镭
1910
O.Wallach
德国
63
对脂环族化合物的开创性研究
1909
W.Ostwald
德国
56
催化研究，电化学和化学反应动力学的研究
1908
E.Rutherford
英国
37
严肃嬗变和放射性物质的化学研究
1907
E.Buchner
德国
47
发酵的生物化学研究
1906
H.Moissan
法国
54
制备单质氟，发展了一系列高温反射电炉
1905
A.von Baeyer
德国
70
对有机染料和氢化芳香化合物的研究
1904
W.Ramsay
英国
52
在大气重发现惰性气体，并确定它们在元素周期表中的位置
1903
S.Arrhenius
瑞典
44
电离理论
1902
E.Fisher
德国
50
糖类和嘌呤化合物的合成
1901
J.H.van't Hoff
荷兰
49
溶剂中化学动力学定律和渗透压定律
3.2 在化学基础研究推动下化学工业的发展
化学工业在20世纪初崛起。从煤焦油衍生的染料、炸药、酚醛树脂、药物等一系列化学工业以及合成氨、酸、碱等基本化学工业为解决衣食住行问题起了重大作用。在后半个世纪化学工业趋于科学化。一方面由于化学基础研究的一些重大突破，推动了化学工业的大发展，使与化学相关的工农业各领域均相应地得到很大的进展；一方面它们又通过不断提出问题和要求，推动了化学基础研究。下面将分别列举国民经济中一些重要的化学工业的发展。
3.2.1 石油化工
石油化工是世界经济发展中占重要地位的工业领域。世界化工总产值为1万亿美元左右，其中80％以上的产品均与石油化工有关。世界石油探明储量为1.4万亿吨左右，石油炼制和加工已成为国民经济的支柱产业。
石油化工从炼油开始，到分子量较小的每一种碳氢化合物(如乙烯、丙烯等)的生产均离不开催化，催化剂已成为石油化工的核心技术。本世纪30年代催化剂进入了石油化工的大门，原油裂化成石油产品的催化裂解，使石油的各种馏分成为各种不同用途的化工产品。如表4.2所示。
表4.2 石油化工的各种馏分
馏分沸点范围
℃
碳氢成分
名称
用途
＜40
40～70
70～205
120～150
140～240
160～280
180～350
＞350
CH4～C4H10
C4H10～C6H14
C6H14～C11H24
C9H20～C11H24
C10H22～C15H32
C11H24～C16H34
C16以上
C16以上
石油气
石油醚
汽油
溶剂油
航空煤油
煤油
柴油
重油(如沥青)
燃料，化工原料
溶剂，化工原料
内燃机燃料，航空燃料
溶剂
喷气飞机燃料
燃料，化工原料
柴油机、军舰和坦克燃料
铺路材料，防腐剂，燃料
在炼油工业中用催化裂解可选择性地得到高辛烷值的汽油，生产各类油品及碳氢化合物。由石油化工得到的基本有机化学品的深加工是化学工业发展的源泉之一。石油化工产品已有3000多种，涉及国计民生的各个部门，轻工、纺织、医药、农药、机械、电子等领域。世界乙烯年生产能力达5000万t，30万t／a乙烯装置已超过100套，大规模集成化已成为发展趋势，20世纪是石油化工大发展的一百年。
3.2.2 三大合成材料
20世纪初由于高分子化学的成就而发展形成了三大合成材料工业—塑料、纤维、橡胶。以酚醛塑料、尼龙—66和氯丁橡胶为开端的三大合成材料开始了它们蓬勃发展的起点。人们的衣、住、行及日常生活用的各种材料均离不开合成材料，一辆汽车所用的塑料达230kg之多，日常用品中更离不开塑料制品，合成纤维(如涤纶、锦纶、腈纶等)已超过羊毛和棉花成为纺织业的主要原料，合成橡胶(如氯丁橡胶、丁橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶、异戊橡胶)的性能和产量亦已超过天然橡胶。合成橡胶世界年生产能力已达1200万t，合成纤维达1500万t，塑料已超过6000万t。以塑料为主体的三大合成材料，其世界体积总产量已超过全部金属的产量。所以20世纪被称为是聚合物时代。
在人们享用三大合成材料时，不要忘记那些发明家和开创者以及使之工业化的化学公司。开创高分子化学领域的Staudinger和Flory。第一个合成纤维——尼龙—66的发明者Carothers及使之工业化的美国杜邦公司。涤纶纤维是1940年英国T. R. Whinfield和J．T．Dickson首先合成的，由英国卜内门公司使之工业化。第一个合成橡胶——氯丁橡胶是由美国J.A.Nieuwland和R.T.Collins发明，于1931年由杜邦公司工业化。塑料中最大的品种是聚乙烯和聚丙烯，在1957年由意大利Montecatini公司工业化。
3.2.3 合成氨工业
20世纪面临人口大幅度增长、粮食需求迅速增加的局面, 化肥起了重要作用。其中氮肥的生产关键问题是如何利用大气中的氮大规模合成肥料。经过了长期的努力合成氨才从实验室走向工业化生产。1909年德国化学家F. Haber用锇作催化剂在300～500atm、500～600℃、成功地建立了每小时产生80g氨的实验装置，并取得了专利权。这是20世纪化学工业发展中的一个重大突破。Haber因此而荣获1918年诺贝尔化学奖。之后德国巴登苯胺纯碱制造公司(BASF)购买了Haber法合成氨的专利权，并由化工专家C. Bosch任领导实施工业化。Basch在工业化过程中抓住两个关键问题：一是催化剂锇的价格高，必须寻找价廉的新催化剂，他们用2500多种不同催化剂配方经过6500多次试验，终于找到了铁催化剂；另一个是氮氢合成氨在反应塔中进行，氢在高温下对反应塔材料碳钢有腐蚀破坏作用，他采用熟铁作反应塔衬里的双层反应塔，解决了氢气通过钢板渗透的问题，对合成氨工业化也起了重大作用。1931年第一个合成氨工厂在BASF建成投产，日产量为30t，合成氨的工业生产促进了农业发展，Bosch也因改进了Haber法而荣获1931年诺贝尔化学奖。
60多年来，不断对合成氨工艺进行改进并引入现代化工技术。现代合成氨生产是以空气、水煤气或石油、天然气等为原料，先制成1:3的氮氢混合气体，在150～300atm和400～500℃下通过装有铁催化剂的合成塔合成氨，目前合成氨厂的装置逐渐大型化。1966年美国凯洛格公司建成第一座30万t／a合成氨装置。1972年日本千叶建成45万t／a的世界最大单系列装置。我国是个农业大国，肥料是增产的关键措施，所以先后引进多套30万t／a合成氨装置，再加上全国的万吨小氮肥，目前已达年产2000万t的规模，占世界第二位。由于液氨的贮存、运输和农作物吸收等问题，目前大型合成氨厂均联产尿素，可直接作肥料用。
3.2.4．医药工业
20世纪人类寿命显着延长，以美国为例，l900年平均寿命估计为49岁，到1976年上升到73岁，到2000年超过79岁。“人生七十古来稀”这句老话已经成为古董，70岁的老人比比皆是，超过100岁的老人才能称得上“古来稀”。估计20世纪人类平均寿命增加30岁左右。
人类寿命显着延长，主要有两方面的原因：一是人类生活质量提高了，这包括营养、生活和工作的环境等；另一个是医疗条件的改善，其中针对人类常见病、多发病的新药的研制成功是很关键的因素，这是科技发展的原动力之一。医药工业的发展与化学紧密相关。一家现代制药公司，其研究和开发人员中差不多一半是化学工作者。化学合成药在医药工业中占主导地位。
20世纪初，科学家们就致力于研究治疗细菌感染所引起的各种疾病。1932年德国科学家、内科医生G．Bomagk发现带有磺酰胺基团的一种染料百浪多息可有效地治愈受细菌致命感染的实验动物。之后他用此药治好了他自己的小女儿因被针刺感染链球菌造成的细菌性血液中毒症。一种磺胺新药从此产生。此药曾治好了当时美国总统的儿子小F．D．罗斯福和英国首相邱吉尔的细菌感染。磺胺药成为二次世界大战前唯一有效的抗细菌感染的药物。Domagk因此而在1939年荣获诺贝尔生理及医药奖。磺胺类药物的问世标志着在化学疗法方面的一大突破。二次世界大战后，磺胺药逐渐让位于治疗效果更好的抗生素类药，如青霉素、四环素、红霉素、氯霉素、头抱菌素等。这是科学发展的必然结果。
药物化学对人类健康的贡献是功不可没的。新药研究给人类带来治疗多种疾病的化学治疗剂，更加有效的新药还在发展。新药研究也从随机筛选过程发展到合理药物设计。在Domagk时代化学合成与药理筛选分离。其后则更多地注意以构效关系为基础的药物设计。尽管这种药物设计产生了一些新药，但是化学和生物医学研究仍然没有融合。在分子层次上对生物大分子的结构与功能的研究有了大发展之后，新药研究转向针对明确了的药物靶分子。例如降压药伊那普利(Enalapril)等是以血管紧张素转化酶(ACE)为靶酶的。胃溃疡是一种常见病，这是和胃酸及胃蛋白酶分泌的增加程度有关。病理研究发现调节胃酸分泌的组胺受体与变态反应的抗组胺所影响的受体是不同的亚型。针对分泌胃酸的组胺受体，设计和合成了一些新药，开创了组胺H2—受体拮抗药，如西眯替丁(Cimetidine)、雷尼替丁(Ranitine)和法莫替丁(Famotidne)。近年来瑞典的Astra公司又推出一种新型的抗消化性溃疡药和质子泵抑制剂奥美拉唑(Omepramle)（见图4.4）。1988年在瑞典上市，1990年在美国被认可，1997年销售额为29亿美元，一举成为世界药物销售额的第一位。
图4.4 奥美拉唑(Omeprazole)结构式
目前世界药物市场的年销售量约为3000亿美元左右，在世界经济发展中有举足轻重的作用。一些世界著名的制药公司如默克公司、拜尔公司、汽巴—盖基公司等，其年销售额均在300亿美元以上，在世界各行各业中是朝阳和景气的企业，且都是在20世纪发展起来的。
我国的中草药被认为是一个伟大宝库，有两层意义。一是丰富的中草药资源，二是丰富的临床经验和从中总结的规律。在开放的世界经济中，动植物资源是否能成为宝藏取决于如何利用。传统中医的经验规律能否被世界医学接受取决于能否现代化。我国在20世纪中有不少人致力于以上两方面研究，经历过不同阶段，采用了不同的研究模式。20世纪中草药研究的主流是采用西方国家从植物中分离出单一活性成分做为先导化合物，经结构改造以产生新的合成药物。这种研究有两个弱点。第一，不符合中医用药中多成分协同的原则；第二，分离出的单—成分来必是主要有效成分。20世纪后期在我国台湾和日本采用保留传统中药方剂，但用现代技术改变剂型的现代中药制剂的办法。因此中药复方现代制剂在东方国家大发展，而且形成反过来冲击国内中成药市场的趋势。在此情况下，国内中药厂也开始现代中成药开发，但在品种和数量上远未形成规模。与东方国家研究模式不同，以德国为代表的欧洲研究植物药模式采用从复方来到复方去，但以现代药理学确定其作用成分的办法，打开复方制剂为国际接受的新途径。这类制剂如银杏叶提取物、治疗前列腺炎的保利治等已经占领了国际市场。我国以低价出售原生药、以高价进口制剂的现状令人堪忧。20世纪后期，国内开始注意到资源优势是可变的，但千年临床经验是外人难以掌握的。因此形成了用现代方法研究中药复方的高潮。
另外，国民经济中的重要行业与部门，如能源(核能、煤炭、天然气)、农业、材料、信息产业、汽车工业及生物技术等在20世纪都得到相应而高速发展，这其中都有化学研究所作出的重大贡献。

第四节 化学工业与国民经济的关系
4.1 农业
1999年世界人口已达60亿，预期2025年将达到68亿。目前中国人口突破13亿。靠什么来养活这幺多的人? 增加食物生产除依靠改良品种、扩大耕种面积以外，要提高单位面积产量及食物质量更重要的是依靠科学，如肥料、农药、土壤结构和肥力的保持等，这中间都有化学问题。
4.1.1．肥料
氮、磷、钾及某些微量元素是粮食和农作物必不可少的肥料。20世纪解决了一个大问题，合成氨的研制成功和大规模工业生产使氮肥满足了农作物的生长需要。为此两届诺贝尔化学奖授于合成氨的发明者和改进者，1918年F.Haber和1931年C.Bosch，表彰他们为人类增加粮食生产中的肥料问题作出的贡献。
在肥料中除氮肥外，磷、钾肥料也是很重要的。目前正在发展复合肥料，以植物生长所需的最佳配比来研制肥料是增产粮食的有效途径。另外近年来，在肥料中添加稀土元素增产粮食取得初步成效。总之，在肥料这一领域里根据植物生长的内在需要，寻求各种组分的复合肥料是大幅度增产农作物的关键问题。
4.1.2. 农药
在农业生产中，自然界的病虫害带来的危害是十分严重的，常常可造成一个地区颗粒不收的局面。人们对付病虫害有两种手段：化学防治和生物防治。化学防治是使用农药，包括杀虫剂、除草剂和杀真菌剂等来控制病虫害。杀死害虫的化学品较多，根据高效、低毒和安全的目标，农药的品种不断更新换代，如早期使用的滴滴涕、六六六等有机氯杀虫剂，由于高毒性和环境污染问题，现已淘汰，禁止使用。有机磷杀虫剂如马拉硫磷、敌百虫、杀螟硫磷、甲基对硫磷等品种较多，具有强烈杀虫作用且对人畜毒性较低，所以在农田中广泛使用。有机硫杀虫剂代森锌、有机砷杀菌剂、有机汞杀菌剂等现已逐渐被拟除虫菊酯杀虫剂(氯甲氰菊酯，甲氰菊酯，溴氰菊酷等)，高效内吸性杀菌剂(萎锈灵、苯菌灵、硫菌灵等)和农用抗生素等新品种所取代。人们期望创制出一代又一代的新农药为增加粮食做出更大的贡献。
4.1.3 植物激素及生长调节剂
植物体内具有调节作用的内源性物质称为植物激素。植物激素包括生长因子(如植物生长素、赤霉素和细胞分裂素类)和生长抑制剂(如脱落酸和乙烯)。这类生长调节物质对植物发育的每一个时期均有影响。虽然现已知道一些植物生长调节物质的分子结构，但对其产生活性的生物化学过程和作用了解甚少。因此研究植物生长调节物质及其作用机制是有待深人探索的领域。
已知的植物生长调节剂有数百种，如赤霉酸(GA，诱发花芽的形成)，细胞分裂素(促进种子萌发、抑制衰老)，乙烯(促进果实成熟)，独脚金酮(诱发寄生植物种子萌发)，G2因子或N—甲基烟酸内酯(影响固氮作用)，Glycinoeclepin A(促进蠕虫卵孵化)等，这些化合物的结构是多种多样的，利用各种植物生长调节剂促进农作物生长，并适时调控，以提高粮食产量。
4.2 能源
经济增长与能源消费增长是紧密联系的，目前人类利用的能源有：煤、天然气、石油、核能、水力、太阳能、生物原料等。世界能源结构比例列于表4.3中。
表4.3 世界能源结构分析(％)
范围
年代
煤
石油
天然气
水力、核能
国际
1950
1983
2020(预计)
61.5
32.2
～30
27.0
41.5
20.0
9.8
22.0
45
1.7
4.2
－
国内
1987
79.6
17.7
1.6
1.1
国际上以石油为主，而我国仍以煤为主。再过20—30年，天然气将逐渐成为能源的主力，石油将退居第三位，因此在煤、天然气、石油三大能源支柱中，化学在满足国家能源需求方面，将仍起中心科学的作用。
我国能源资源探明的储量：煤6000亿t、石油34亿t、天然气2万亿m3。目前年产量：煤12亿t、石油1.5亿t、天然气150亿m3。按此速度开发，石油只有23年左右的可供开采资源。因此在能源开发和利用上，要实施近期和远期开发相结合的策略，—方面寻找新资源；寻找新能源；另一方面则是合理使用现有资源。
核能在20世纪发展很快, 发达国家已建立了核电厂，核电在整个能源结构中占5％～10％。核能在经济上与煤、石油、天然气是可以竞争的。我国的核电工业开发不久，目前只有大亚湾和秦山两个核电厂，在能源结构中比例甚小。但从发展来看，我国的核电工业将会有较大发展。
核能作为能源是应该发展的，它是人类利用自然资源的一个重要方面。但安全和放射性废物问题给核电工业蒙上了一层阴影。要想减少核电工业带来的风险，很大程度上取决于化学和化学工程师们的智能和能力。核化学研究涉及到核能生产的各方面，从铀矿勘探，核燃料的提炼、浓缩，裂变产物的分离，核堆安全棒的制造，直到放射性废物的处理。
其它能量如太阳能、氢能源、过氧化氢能源、生物质能源等的基础研究和应用开发，为新能源开辟新途径。
4.3 石油化工、天然气化工和煤化工
20世纪作为化工产品的源头，石油、天然气、煤的化学工业得到了很大的发展。特别是石油化工的发展更加快速和广泛。
4.3.1 石油化工
石油化工是生产化工产品的主流。石油资源在21世纪尚能供给人类消费的需求，但作为石油资源开采和利用方面，三次采油技术和相关化学品的研制将是一个重要的研究领域。石油化工方面将出现两个重要倾向。一个是石油化工装置的大型化，国际各大化学公司相继建立大型炼油装置和深加工的化工装置。另一个是绿色化工方向，要研究和开发新的化学反应过程，以原子经济性为前提，设计新流程和改进原有的化工装置，以增加石油化工原料的利用率，创造更高的经济效益，同时减少和根治环境污染问题。
4.3.2 天然气化工
世界天然气储量较石油更为丰富，在能源结构上，天然气在21世纪将逐渐替代石油成为能源的主力。但在化工利用方面，由于石油化工产品的经济成本低于天然气化工产品，因此长期以来，天然气化工只在合成氨工业和甲醇工业中占主导地位。20世纪70年代两次石油危机导致了天然气化工发展。尤其在寻找替代能源，即以天然气或煤转化为液体燃料和化工产品以替代石油资源方面，已经开发出一些有工业前景的新化工过程，具体见图4.5
















图4.5 天然气转化
天然气化学转化主要有两个途径：一是直接化学转化，如氧化偶联、选择性氧化等可制成烯烃、甲醇、二甲醚等，进而合成液体燃料；另一途径是由天然气制造合成气(一氧化碳和氢气)，在不同配比情况下可合成氨和各种含氧有机化合物(醇、醛和醚类化合物)。甲烷转化的其它方法如甲烷生物氧化、甲烷电催化氧化、甲烷芳构化直接合成芳烃等也正在开发中。
4.3.3 煤化工
煤多油少是我国能源资源的现状。中国煤炭地质储量约占世界总量的20％，可开采储量1400亿t，年产量达12亿t，占世界产量的25％左右。煤炭占一次能源总消耗量的74.9％，它提供了76％的发电能源和75％的工业燃料和动力。但在煤化工利用方面，由于技术和经济尚不如石油化工和天然气化工，所以相对来讲发展较馒，只有一些煤焦油化工，而且规模不大，在化工领域所占份额很小。
4.4 健康与医药
世界各国政府均把人的健康列为社会发展计划的首位。社会发展是由生产力所决定的，而生产力的最重要最活跃的因素是人。研究如何保护人的健康和安全，充分发挥人的积极因素和能力是当今世界的头等大事。人类健康与医药工业的发展密切相关，世界各国在医药工业上均有巨额投资用以发展新药。在国外开发一个新药，平均需要投资近2亿美元，约需10年左右的时间; 而严格的知识产权保护，保证了投入的收益。世界各大制药公司几乎每年都有新药上市，利润十分丰厚，世界药物的年销售额达3000亿美元。
我国医药工业总体来讲还处于急待发展的阶段。过去我国生产和使用的绝大多数药品均系仿制国外创制的药品，自行设计和开发的新药仅有100余种，但能大量生产供应市场的药品甚少。迄今为止还没有一个新药在国外注册和销售，出口国际市场的药品每年仅为3亿美元左右(一般均为国外专利已过期的药品)。中医药是中华民族智能结晶的重要组成部分, 其历史悠久，实践经验丰富。中药的现代化和国际化离不开中医药学的现代化和国际化，二者结合将对形成具有中国特色的中医药理论起重要作用，也将是中华民族对世界医药发展的一大贡献。
4.5 日用化学品和精细化工
迄今为止，人类发现和创造的1200多万个化合物各自有其性质和功能。在20世纪人类发展过程中，很多化合物都被用于人类社会的各个方面，农轻重、吃穿用、衣食住行无不紧密地依赖化学品，应该讲化学对人类社会和物质文明作出了重大贡献。
精细化工和日用化学工业可以提供人们生活所需要的各种各样的化学品。以下按其功能和用途进行分类。
(1)衣 人们的衣着原料有毛、丝、棉、麻、人造纤维、合成纤维、皮革等，在其制造和纺织过程中都用了大量的化学品，如染料、软化剂、整理剂、洗涤剂、干洗剂、干躁剂、加脂剂、光亮剂、漂白剂……等各种助剂。
(2)食 粮食、酒、饮料、瓜果、蔬菜、肉类等，在其种植、饲养、酿造过程中都用了大量的化学品，如肥料、农药、发酵剂、碳酸气、保鲜剂、饲料添加剂……等。
(3)住 住房、装修和家庭陈设品等材料中，除了天然的木材、沙子、石子外、钢铁、水泥、玻璃、陶瓷产品、地毯、空调机、灯具、电源、卫生用品等也都用了大量的化学品，如钢铁冶炼用的助剂，水泥的不同化学组分，烧结陶瓷的二氧化硅、三氧化铝，制造玻璃的不同配料，地毯原料，塑料和橡胶制品……等。
(4)行 汽车、飞机、火车、摩托车、自行车等交通工具需要钢铁、铝合金、塑料、橡胶、合成纤维、皮革制品……等，以及在整个制造过程中所使用的各种助剂均为精细化工产品。
(5)视 人们生活中所观察到的各种文化用品及电视摄像所用的器具和材料，如纸、印刷品、电视机、照相机、胶卷、眼镜、望远镜等在其制造过程中均需用大量化学品。
(6)听 收音机、随身听、乐器、唱片、录音录像带等用品，是用化学品为原料制造出来的，也使用了大量的化学助剂。
在衣、食、住、行、视、听过程中所用的各种原料、器具，在其制造过程中用了上万种助剂，并用高新技术组合和制造出来，而每一种助剂均为一个精细化工行业。因此精细化学品的品种繁多，技术复杂，质量要求高。如染料有上千种，用于不同的材料就有不同品种的染料；毛织品的染整剂和丝、棉的不同，用于皮革的更另有品种。因此精细化工行业是人类日用化学品中最不起眼和最常用，但亦是技术要求很高的一类高新技术产业。

第五节 21世纪化学作用和地位
未来化学在人类生存、生存质量和安全方面将以新的思路、观念和方式发挥核心科学的作用。应该说，20世纪的化学科学在保证人们衣食住行需求、提高人民生活水平和健康状态等方面起了重大作用。展望未来，人口、环境、资源、能源问题更趋严重，人类的生存会不会成问题，生存质量是再提高，还是要下降? 虽然这些难题的解决要依赖各个学科，但是无论如何总是要依靠物质基础。那就要优化资源利用；更有效地控制自然的和人为的过程、提供更有效、更安全的化学品等等。在这些方面未来化学将仍然是提供解决人类赖以进步的物质基础这一难题的核心科学。
5.1 化学仍是解决食物短缺问题的主要学科之一
食物问题是涉及人类生存和生存质量的最大问题。以我国人口来说，预期在本世纪上半叶将达到16亿。今后任务的严重性是既要增加食物产量保证人类生存; 又要保证质量以保证人类安全；还要保护耕地草原，改善农牧业生态环境，以保持农牧业可持续发展；生物学将在提供优良物种、提供转基因生物等方面作出贡献。但是这一切必须得到化学的支撑。化学将在设计、合成功能分子和结构材料以及从分子层次阐明和控制生物过程(如光合作用、动植物生长)的机理等方面，为研究开发高效安全肥料、饲料、饲料添加剂、农药、农用材料(如生物可降解的农用薄膜)、环境友好的生物肥料、生物农药等打下基础。
未来的食品将不只满足人类生存的需要，还要在提高人类生存质量、提高健康水平和身体素质方面起作用。因此将从仅仅维持生命到加强营养，并将进一步要求能发挥预防疾病的作用。已经看到利用食品保健是大势所趋，不能因目前保健食品的泛滥无度和虚夸不实而忽视这一趋势。除确定可食性动植物的营养价值外、用化学方法研究有预防性药理作用的成分，包括无营养价值但有活性的成分，显然是重要的。利用化学和生物的方法增加动植物食品的防病有效成分，提供安全有疾病预防作用的食物和食物添加剂，改进食品储存加工方法，以减少不安全因素，保持有益成分等，都是化学研究的重要内容。
5.2 化学在能源和资源的合理开发和安全利用中起关键作用
经过20世纪竭泽而渔的开采以后，人们开始醒悟到能源的开采和利用必须基于国情，贯彻可持续性发展的原则。虽然在21世纪初期，我国重点能源仍然为煤炭(包括煤层气转化)、天然气和石油等能源。但上述这些不可再生的能源将在100年后变得稀缺, 况且它们已经成为20世纪人类影响环境的主要因素。因此，必须建立适合我国国情的、有步骤的开发利用能源的计划。第一，要研究高效洁净的转化技术和控制低品位燃料的化学反应，使之既能保护环境又能降低能源的成本。这不仅是化工问题，也有基础化学问题。例如，要解决煤、天然气、石油的高效洁净转化，就要研究它们的组成和结构、转化过程中的反应，研究高效催化剂，以及如何优化反应条件以控制过程等等。第二，要开发新能源，新能源必须满足高效、洁净、经济、安全的要求。利用太阳能以及新型的高效、洁净化学电源与燃料电池都将成为21世纪的重要能源。
矿产资源也是不可再生的,例如，稀土是战略物资。我国稀土矿物储量丰富，为世界瞩目。但是我们面临稀土资源的浪费：一方面出口原料和粗制品，进口产品和精制品；另一方面在国内仍然停留在“粗用”水平，把粗加工的混合稀土加入肥料，大量撤在耕地、林区中，造成资源浪费。保护稀土矿藏和精细加工利用势在必然。这要靠深人研究稀土的分离和深加工，研究稀土的精细利用，研究开拓各种稀土化合物的特种功能和应用等等。在其它矿产资源中，盐湖资源和土资源等都应该做更深的基础研究，寻找发挥更高层次的作用。例如，法国用天然膨润土制作成为药物(国内商品名思密达)，顿时身价百倍。
5.3 化学继续向材料科学发展
各种结构材料和功能材料与粮食一样永远是人类赖以生存和发展的物质基础。在满足人类衣食住行基本需求之后，为提高生存质量和安全，为可持续性发展，不断提出新材料的要求。新功能材料研究已经是物质科学研究重点，未来会更加发展扩大。化学是新材料的“源泉”。任何功能材料都是以功能分子为基础。发现具有某种功能的新型结构会引起重要突破。
最初化学家研究材料主要是用合成—筛选模式寻找功能分子。后来，利用构—效关系在寻找新药和新农药方面有了较大的进展。基于化合物物理性质的定量构—效关系一时引人人胜，很快量子化学和分子力学又借高功能计算机进入分子设计，于是计算机辅助设计一步一步地使分子设计更加合理。
象酶这样的生物催化剂也会成为未来发展的重点。在20世纪，先只是模拟酶的活性中心。例如，模拟超氧化物歧化酶的活性中心，合成了许多铜的配合物，但是距离酶的特异性和高效性很远。人们意识到决定酶的全面功能的不仅仅是活性中心，还在于活性中心以外的其它结构部分。可用于生产、生活、医疗的模拟酶在2l世纪将会有所突破，而突破是基于构筑既有活性中心又有保证活性功能的高级结构的化合物。
电子信息技术将在21世纪以更快的速度发展, 要求化学家作出更大的努力。回顾20世纪电子信息技术的发展历程，经历了由电子管到半导体、到集成电路、再到大规模集成电路几个阶段。在每个阶段中，化学家创造了必需的材料，诸如早期的单晶硅、半导体材料、光刻胶等以及后期的液晶及其它显示材料、信号储存材料、电致发光材料、光导材料、光电磁记录材料、光导纤维材料和技术等。这些推动了电子信号技术的发展。此外，化学必须推进凝聚态化学的研究，如纳米科学技术、超分子凝聚态构筑、晶体工程等，创造新的聚集态构筑技术。
5.4 化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保证
在满足生存需要之后，不断提高生存质量和生存安全是人类进步的标志。生存质量高低和安全程度要看生活水平和健康水平，由饮食、环境和精神等关键因素的合理程度决定。这些都取决于人与自然环境相互作用中外来物质和能量是否满足人体需要，同时维持最佳状态。外来物质和能量(包括饮水、食物、空气、电磁波、放射性、热等)有的是有利于生存质量的提高，有的反而对健康形成威胁，还有许多有两面性。优化物质利用，避害趋利是保证生存质量和安全的基础。生存质量不仅仅以个人满足感为依据，更应该考虑人以外的整个环境的应答。例如过多的汽车、空调、吸烟、不当的生产、生活方式等等都与人类生存质量有关。化学研究从三方面对保证生存质量的提高做出贡献：
(1)通过研究各种物质和能的生物效应(正面的和负面的)的化学基础，特别是搞清楚两面性的本质，找出最佳利用条件;
(2)研究开发对环境无害的化学品和生活用品，研究对环境无害的生产方式，这两方面是绿色化学的两个主要内容；
(3)研究大环境和小环境(如室内环境)中不利因素的产生、转化和与人体的相互作用，提出优化环境建立洁净生活空间的途径。
健康是重要的生存质量的标志。维持健康状态靠预防和治疗两方面，以预防为主。预防疾病将是21世纪医学发展的中心任务。首先是肿瘤、心血管病和脑神经退行性病变等一系列疾病，将要在相当度上可以预防。化学可以从分子水平了解病理过程，检测方法，建议预防途径。目前已经有人研究癌预防性治疗。

【参考文献】
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