化學(xué)是怎樣使世界變得更加絢麗多彩的

【專家解說(shuō)】：1.化學(xué)對(duì)人類物質(zhì)基礎(chǔ)的作用 化學(xué)的研究對(duì)象是物質(zhì)，研究物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的規(guī)律和控制手段。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的人工轉(zhuǎn)化和合成;并且對(duì)生活、生命和生產(chǎn)中的化學(xué)過(guò)程實(shí)現(xiàn)按需調(diào)控。 進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)，人類開(kāi)始遇到人口增長(zhǎng)、資源匱乏，環(huán)境惡化等問(wèn)題的威脅。不過(guò)在過(guò)去100多年中，化學(xué)以其理論和方法通過(guò)分析、合成和控制化學(xué)過(guò)程等手段，在解決這些問(wèn)題時(shí)起到了核心和基礎(chǔ)作用。 化學(xué)之所以在20世紀(jì)中成為解決人類進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)的核心科學(xué)，主要有三個(gè)原因。 ①化學(xué)不但能夠大量制造各種自然界已有的物質(zhì)，而且能夠根據(jù)人類需要?jiǎng)?chuàng)造出自然界本不存在的物質(zhì)。最初還認(rèn)為生物體內(nèi)的生物物質(zhì)不可能人工制造，但是1928年尿素的合成打破了不能人工合成生物物質(zhì)的思想禁錮，在這以后合成化學(xué)獲得了大發(fā)展。最為突出的成果是模擬天然高分子的合成高分子材料(如合成橡膠、合成纖維和塑料)。它們不但為人類吃穿用提供了大量適用的材料，而且使化學(xué)家能夠在認(rèn)識(shí)聚合反應(yīng)和聚合物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系的基礎(chǔ)上邁向蛋白質(zhì)、核酸等大分子的合成。這為研究后者的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系打下基礎(chǔ)。 目前這些生物大分子的合成已經(jīng)在一定程度上“自動(dòng)化”，并與生物學(xué)中的PCR技術(shù)一起構(gòu)成制造和創(chuàng)造生物大分子的核心技術(shù)。 ②化學(xué)能夠提供組成分析和結(jié)構(gòu)分析手段，使人們能夠在分子層次上認(rèn)識(shí)天然的和合成的物質(zhì)與材料的組成和結(jié)構(gòu)，掌握和解釋結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-功能的關(guān)系，并且能夠預(yù)測(cè)某種結(jié)構(gòu)的分于是否可以存在?在什么條件下存在?有了這些基礎(chǔ)，化學(xué)就能針對(duì)需要“裁剪”和設(shè)計(jì)分子。 ③化學(xué)掌握了決定化學(xué)過(guò)程的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)理論，并用于解決生產(chǎn)和生活問(wèn)題;而且能從理論上指導(dǎo)新物質(zhì)〔如催化劑)和反應(yīng)新條件(如高壓、高溫、超臨界狀態(tài))的設(shè)計(jì)和創(chuàng)造，從而能夠達(dá)到大自然所不能達(dá)到的目標(biāo)。 2. 化學(xué)在相關(guān)學(xué)科發(fā)展中的作用 (1)化學(xué)研究帶動(dòng)其他學(xué)科的過(guò)程研究[3]。化學(xué)研究使人們逐漸掌握了物質(zhì)變化的規(guī)律和各類化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理;也使人們能夠在掌握化學(xué)反應(yīng)的時(shí)空變化規(guī)律的基礎(chǔ)上認(rèn)識(shí)化學(xué)過(guò)程，揭示自然界物質(zhì)變化的本質(zhì)。這方面的研究是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)、能源等方面科學(xué)研究的推動(dòng)力。在各個(gè)方面，化學(xué)與其他學(xué)科融合之后分化出許多研究各種化學(xué)過(guò)程的學(xué)科。例如，化學(xué)引用化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)的概念和方法與土壤學(xué)融合，研究土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和遷移規(guī)律，發(fā)展了土壤化學(xué);同樣，引用化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)概念和方法，研究水體中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和遷移規(guī)律誕生了水化學(xué)。接著，水化學(xué)和土壤化學(xué)又進(jìn)一步在解決水體、土壤中有害物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和遷移問(wèn)題上發(fā)揮其重要作用，成為環(huán)境化學(xué)的基礎(chǔ)。河流和港灣的泥砂淤積過(guò)程從用惰性微粒加情性流體的物理模型發(fā)展成為活性微粒加活性流體的物理化學(xué)模型;光化學(xué)霧形成和大氣臭氧層消失從單純現(xiàn)象的觀察、宏觀測(cè)量以及來(lái)源的尋找，發(fā)展到認(rèn)識(shí)機(jī)理，跟蹤、模擬和控制過(guò)程，如此等等，都是化學(xué)推動(dòng)的結(jié)果。 可以說(shuō)，化學(xué)過(guò)程無(wú)所不在。今后還要用化學(xué)研究解決過(guò)程控制的問(wèn)題。例如，所有材料(從天然材料如皮膚、骨、橡膠等到合成材料如塑料、合成纖維等)的老化和降解是極其普遍的自由基參與的氧化過(guò)程.需要用化學(xué)研究過(guò)程的本質(zhì)，設(shè)法阻止和推遲其進(jìn)程。 (2)化學(xué)帶動(dòng)了材料科學(xué)的發(fā)展。從利用天然材料到創(chuàng)造和利用合成材料是人類歷史中的一大關(guān)鍵性進(jìn)步，是化學(xué)發(fā)展的里程碑。從萌芽時(shí)期起，化學(xué)家就積累了不少制備與合成化學(xué)物質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)，而后總結(jié)這些經(jīng)驗(yàn)形成了化學(xué)合成理論和技術(shù)，發(fā)展成為合成化學(xué)。到40年代以后，以模仿生物材料(如橡膠、蠶絲等)為目標(biāo)的高分子合成以及作為它的基礎(chǔ)的聚合反應(yīng)研究蓬勃發(fā)展，成為現(xiàn)代材料科學(xué)建立和發(fā)展的第一步。Ziegler-Natta催化劑是一個(gè)突破(1963年Nobel化學(xué)獎(jiǎng))，它實(shí)現(xiàn)了定向有規(guī)高分子的合成，是有序結(jié)構(gòu)研究的極其重要的提示。做到控制聚合過(guò)程和聚合物結(jié)構(gòu)就引起了后來(lái)的一系列重要進(jìn)展，其中最為突出的是作為控制條件的催化劑研究。20世紀(jì)早期的材料研究大部分針對(duì)結(jié)構(gòu)材料和基本材料。后來(lái)，功能材料成為熱點(diǎn)，電子、航天、高速運(yùn)輸工具、快速通信等進(jìn)展主要起端于象高純單晶硅、光導(dǎo)纖維、耐極端條件的材料、各種能量轉(zhuǎn)化材料和敏感材料等:在這些無(wú)機(jī)和有機(jī)功能材料研究中，化學(xué)是原始創(chuàng)新的龍頭。只有掌握結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-功能的關(guān)系以及合成和組裝的化學(xué)過(guò)程，才能設(shè)計(jì)合成新的功能材料。半導(dǎo)體、液晶、分子篩等就是突出的例子。目前的智能材料研究方興未艾，從傳感器開(kāi)始，進(jìn)而研究仿生材料、仿生器件、能夠工作的芯片，以及微流體技術(shù)(microfluidic technique)。在這里需要化學(xué)的不僅在于化學(xué)合成所提供的分子和材料，更重要的是依靠化學(xué)弄清工作原理以及功能和結(jié)構(gòu)的關(guān)系。化學(xué)創(chuàng)立了研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和形態(tài)的理論、方法和實(shí)驗(yàn)手段，認(rèn)識(shí)了物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系和規(guī)律，為設(shè)計(jì)具有各種特殊功能的化學(xué)品提供了有效的方法和手段。 3.化學(xué)對(duì)人類生存環(huán)境的作用 現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展, 除了造福于人類的一面之外, 還有危及人類生存的一面。 地球的資源儲(chǔ)量是有限的，尤其是礦產(chǎn)資源、石油、天然氣和煤。它們既是人類的主要物質(zhì)資源，又是主要的生產(chǎn)原料。人類的不合理開(kāi)發(fā)勢(shì)必造成對(duì)生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞。這已經(jīng)成為全世界有識(shí)之士的共識(shí)。由于人類對(duì)資源消耗的急劇增加, 使得人類生存環(huán)境受到嚴(yán)重破壞。最典型的實(shí)例就是由于大量燃燒化學(xué)燃料(石油、煤炭、天然氣)， 向大氣排放大量的二氧化碳而產(chǎn)生的地球溫室效應(yīng)。溫室效應(yīng)已經(jīng)引起了地球上一系列的氣候反常，并且隨著向大氣排放的二氧化碳量的增加, 這種反常還將加劇。其次，由于世界每年約有大量的化工冶金產(chǎn)品，上百億噸廢物傾入地殼、江河、海洋之中以及濫用化學(xué)肥料、農(nóng)藥和除草劑等，造成土壤和水系環(huán)境嚴(yán)重惡化, 既會(huì)直接危害人類，又會(huì)擴(kuò)散破壞生物圈，長(zhǎng)期地影響著人類的生存。 化學(xué)在保護(hù)生態(tài)環(huán)境中處于不可替代的地位，起著獨(dú)特的作用。要解決環(huán)境污染問(wèn)題, 還得靠化學(xué)及其它工業(yè)自身的技術(shù)進(jìn)步。當(dāng)前要加強(qiáng)化工、冶金等大的污染源工業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程和改善，走發(fā)展高技術(shù)含量的產(chǎn)業(yè)之路，開(kāi)發(fā)“全消化”生產(chǎn)工藝，使工業(yè)廢物減少到最低程度。其次是加強(qiáng)工業(yè)廢物處理和監(jiān)督，開(kāi)發(fā)廢物再利用的新技術(shù)，化害為利， 變廢為寶，充分發(fā)揮化學(xué)的能動(dòng)作用。 4. 化學(xué)對(duì)促進(jìn)人類健康的作用 生命活動(dòng)是最復(fù)雜的現(xiàn)象。在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中, 人體已經(jīng)形成一個(gè)高度自我調(diào)節(jié)的開(kāi)放系統(tǒng)?；瘜W(xué)物質(zhì)通過(guò)人體的吸收和排泄而處于大循環(huán)中, 影響著人體的結(jié)構(gòu)與功能?；瘜W(xué)物質(zhì)進(jìn)入人體后, 不僅起營(yíng)養(yǎng)作用, 還起調(diào)節(jié)、控制作用。人的生病和治病、衰老和疲勞以及腦活動(dòng)與神經(jīng)傳導(dǎo)等, 無(wú)不與化學(xué)物質(zhì)有關(guān)。缺少維生素會(huì)加速老化, 乳酸在肌肉內(nèi)積累就會(huì)感到疲勞, 鈣離子水平調(diào)節(jié)視覺(jué)變化等。在人體內(nèi)既有有機(jī)物, 也有無(wú)機(jī)物; 既有生物大分子, 又有金屬離子。它們可使一些生命物質(zhì)激活或抑制, 形成連鎖式的化學(xué)反應(yīng)和相應(yīng)的生命過(guò)程, 從而表現(xiàn)各種各樣的功能。人體的物質(zhì)素質(zhì)和精神素質(zhì)是相互影響的, 人體內(nèi)存在著許多相互反饋的化學(xué)作用機(jī)制, 起著控制和調(diào)節(jié)局部乃至全身的作用。所以, 研究人體生命過(guò)程的化學(xué)機(jī)制與控制,具有重大的理論意義和實(shí)際意義。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的功能食品就是一種通過(guò)其所含特殊成分能充分顯示身體的防御功能, 預(yù)防疾病和促進(jìn)健康的工程化食品。主要包括防老化食品、抗腫瘤食品、糖尿病患者專用食品、老年護(hù)膚和護(hù)發(fā)食品等。之所以它具有多種特殊功能, 是因?yàn)樗鼈兒卸喾N生理活性物質(zhì), 如膳食纖維、抗腫瘤多糖、功能性單糖、多元糖醇和強(qiáng)力甜味劑、不飽和脂肪酸油脂、磷脂、酶類和非酶類自由基清除劑、多種維生素、硒、鍺、鉻、鐵、銅、鋅等多種微量元素。它能夠通過(guò)改變膳食條件和發(fā)揮食品本身的調(diào)節(jié)功能來(lái)達(dá)到提高人類健康的目的。