求化學(xué)論文: 化學(xué)反應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與利用

【專(zhuān)家解說(shuō)】：化學(xué)反應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與利用 人類(lèi)的祖先在與自然界的長(zhǎng)期斗爭(zhēng)中，很早就開(kāi)始利用火。他們用火來(lái)取暖、燒烤食物，進(jìn)而又用火來(lái)燒制陶器、煉銅、煉鐵，等等。因此，我們可以說(shuō)，人類(lèi)的文明是從火堆中萌發(fā)的，火在人類(lèi)的進(jìn)化中起了很重要的作用! 化學(xué)研究的對(duì)象是自然界中的各種各樣的物質(zhì)。浩瀚的宇宙和地球上人類(lèi)用肉眼能見(jiàn)到的和不能直接觀察到的以原子或分子形態(tài)存在的物質(zhì)，都是我們要了解和研究的對(duì)象。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們已能通過(guò)先進(jìn)的科學(xué)儀器觀察一些物質(zhì)的原子排列狀況。1990年前后，美國(guó)等少數(shù)國(guó)家首先在-269℃的低溫下移動(dòng)了原子。1993年，中國(guó)科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室的研究人員，在常溫下以超真空掃描隧道顯微鏡(圖1)為手段，通過(guò)用探針撥出硅晶體表面的硅原子的方法，在硅晶體的表面形成了一定規(guī)整的圖形(見(jiàn)上圖)。這種在晶體表面開(kāi)展的操縱原子的研究，達(dá)到了世界水平。圖中的“中國(guó)”兩字就是這樣形成，并經(jīng)放大約180萬(wàn)倍在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來(lái)的。這兩個(gè)字的“筆畫(huà)”寬度約2nm①，是目前已知的最小的漢字。 我國(guó)是世界四大文明古國(guó)之一，在化學(xué)發(fā)展史上有過(guò)極其輝煌的業(yè)績(jī)。冶金、陶瓷、釀造、造紙、火藥等都是在世界上發(fā)明和應(yīng)用得比較早的國(guó)家。如商代的司母戊鼎是目前已知的最大的古青銅器(圖2);1972年在河北出土的商代鐵刃青銅鉞是我國(guó)目前發(fā)現(xiàn)的最早的鐵器。我國(guó)古代的一些書(shū)籍中很早就有關(guān)于化學(xué)的記載。著名醫(yī)藥學(xué)家李時(shí)珍的巨著《本草綱目》(公元1596年)中，還記載了許多有關(guān)化學(xué)鑒定的試驗(yàn)方法。中華人民共和國(guó)建立以后，我國(guó)的化學(xué)和化學(xué)工業(yè)，以及化學(xué)基礎(chǔ)理論研究等方面，都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。1965年，我國(guó)的科學(xué)工作者在世界上第一次用化學(xué)方法合成了具有生物活性的蛋白質(zhì)--結(jié)晶牛胰島素(圖3)，到了20世紀(jì)80年代，又在世界上首次用人工方法合成了一種具有與天然分子相同的化學(xué)結(jié)構(gòu)和完整生物活性的核糖核酸②，為人類(lèi)揭開(kāi)生命奧秘做出了貢獻(xiàn)。此外，我國(guó)還人工合成了許多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的天然有機(jī)化合物，如葉綠素(圖4)、血紅素、維生素B12，以及一些特效藥物等。 今日化學(xué)學(xué)科正積極向一些與國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活關(guān)系密切的材料、能源、環(huán)境、生命等學(xué)科滲透，使化學(xué)的作用與地位日益顯著。反過(guò)來(lái)，這種學(xué)科間的滲透，對(duì)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展起著重要的促進(jìn)作用。 人類(lèi)很早就開(kāi)始使用材料，從石器時(shí)代到現(xiàn)代，人類(lèi)所使用的材料不斷地發(fā)生變化，材料的種類(lèi)越來(lái)越多，用途也越來(lái)越廣。我們對(duì)于材料的認(rèn)識(shí)，應(yīng)該包括為人類(lèi)社會(huì)所需要并能用于制造有用器物的物質(zhì)這兩層涵義。也就是說(shuō)，并不是所有的物質(zhì)都可以稱(chēng)為材料。材料按其化學(xué)組成或狀態(tài)、性質(zhì)、效應(yīng)、用途等可以分為若干類(lèi)。例如，按化學(xué)組成分類(lèi)，陶瓷屬于非金屬材料;合金屬于金屬材料;橡膠、化纖等屬于有機(jī)高分子材料。歷史的發(fā)展表明:沒(méi)有新材料的出現(xiàn)，就沒(méi)有工業(yè)的進(jìn)步和大量新產(chǎn)品的涌現(xiàn)。因此，許多科學(xué)家都認(rèn)為新材料是高技術(shù)的突破口，只有更好地開(kāi)發(fā)和應(yīng)用具有特殊性能的新材料，才能擁有更強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和技術(shù)潛力?；瘜W(xué)不僅在一般材料的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用中發(fā)揮了巨大的作用，而且在研制具有特殊性能的新材料方面也會(huì)繼續(xù)發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)?？偲饋?lái)講，適應(yīng)科技迅猛發(fā)展所需的諸如耐腐蝕、耐高溫、耐輻射、耐磨損的結(jié)構(gòu)材料，以及敏感、記錄、半導(dǎo)體、光導(dǎo)纖維、液晶高分子等信息材料和超導(dǎo)體、離子交換樹(shù)脂與交換膜等高功能材料，它們的制取都是需要化學(xué)進(jìn)一步參與研究的重要課題。 位于北京周口店的北京猿人遺址中的炭層，表明人類(lèi)使用能源的歷史已非常久遠(yuǎn)。人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展與能源消費(fèi)的增長(zhǎng)是密切相關(guān)的，我們現(xiàn)在使用的能源主要來(lái)自化石燃料--煤、石油和天然氣等，但化石燃料是一種不可再生，并且儲(chǔ)藏量有限的能源，而且在開(kāi)采和燃燒過(guò)程中還會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成污染。為了更好地解決能源問(wèn)題，人們一方面在研究如何提高燃料的燃燒效率，另一方面也在尋找新的能源。這些都離不開(kāi)化學(xué)工作者的努力。例如，核能和太陽(yáng)能的發(fā)電裝置離不開(kāi)特殊材料的研制;用氫作為能源需要考慮貯氫材料和如何廉價(jià)得到氫，等等。 環(huán)境問(wèn)題是當(dāng)今世界各國(guó)都非常關(guān)注的問(wèn)題。在世界人口不斷增長(zhǎng)、生產(chǎn)不斷發(fā)展、人民生活水平不斷提高的過(guò)程中，由于人們對(duì)環(huán)境與生產(chǎn)發(fā)展的關(guān)系認(rèn)識(shí)不夠，以及對(duì)廢棄物處理不當(dāng)，使環(huán)境受到了不同程度的破壞，如土地的沙漠化、水資源危機(jī)、酸雨、臭氧層的破壞、有毒化學(xué)品造成的污染等。因此，保護(hù)環(huán)境已成為當(dāng)前和未來(lái)的一項(xiàng)全球性的重大課題之一，也是我國(guó)的一項(xiàng)基本國(guó)策。在這些關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的環(huán)境問(wèn)題中，化學(xué)工作者是大有作為的。因?yàn)槲廴締?wèn)題的解決主要還得靠化學(xué)等方法。有的專(zhuān)家提出，如果對(duì)燃燒產(chǎn)物如CO2、H2O、N2等利用太陽(yáng)能使它們重新組合，使之變成CH4、CH3OH、NH3等的構(gòu)想(圖5)能夠成為現(xiàn)實(shí)，那么，不僅可以消除對(duì)大氣的污染，還可以節(jié)約燃料，緩解能源危機(jī)。 對(duì)健康的關(guān)注也是人類(lèi)面對(duì)的重要課題。我們知道，用以保證人體健康的營(yíng)養(yǎng)、藥物的研究、人體中的元素對(duì)人體生理作用的研究，以及揭開(kāi)生命的奧秘等，都離不開(kāi)化學(xué)。因此，如何在這些方面正確地運(yùn)用化學(xué)知識(shí)，與其他學(xué)科協(xié)調(diào)研究就成為調(diào)節(jié)生命活動(dòng)和提高人體素質(zhì)的重要手段。 此外，在資源的合理開(kāi)發(fā)和利用、提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，以及癌癥治療的研究等方面，化學(xué)也都扮演著極其重要的角色。 綜上所述，在研究材料、能源、環(huán)境、生命科學(xué)等方面，以及在我們的日常生活中，我們不難看出，化學(xué)對(duì)社會(huì)的發(fā)展和人類(lèi)的進(jìn)步起著非常重要的作用。 化學(xué)對(duì)于我們?nèi)绱酥匾@就要求我們必須掌握一定的化學(xué)知識(shí)。在初中，我們學(xué)習(xí)了氧氣、氫氣、碳、鐵和一些常見(jiàn)的酸、堿、鹽的基礎(chǔ)知識(shí)和某些基本技能，并具備了初步解釋和解決一些簡(jiǎn)單化學(xué)問(wèn)題的能力。為了適應(yīng)未來(lái)社會(huì)的需要，在高中階段，我們?nèi)孕枰^續(xù)學(xué)習(xí)化學(xué)，提高自己的科學(xué)素質(zhì)，為今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)和參加社會(huì)主義建設(shè)打好基礎(chǔ)。 在高中學(xué)習(xí)化學(xué)時(shí)，我們不僅要像初中學(xué)習(xí)化學(xué)那樣，注重化學(xué)實(shí)驗(yàn)的作用，掌握有關(guān)化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，還要重視訓(xùn)練科學(xué)方法①，這對(duì)于培養(yǎng)我們的科學(xué)態(tài)度，提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力是很有幫助的。在學(xué)習(xí)時(shí)，我們還必須緊密聯(lián)系社會(huì)、生活、生產(chǎn)等實(shí)際，要細(xì)心觀察，并善于發(fā)現(xiàn)和提出問(wèn)題。除了學(xué)好教科書(shū)中的內(nèi)容以外，還應(yīng)多閱讀一些課外書(shū)籍和資料，培養(yǎng)自學(xué)能力，以獲得更多的知識(shí)，努力使自己成為具有較高素質(zhì)的現(xiàn)代社會(huì)的公民，為實(shí)現(xiàn)祖國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的宏偉目標(biāo)貢獻(xiàn)自己的力量。 討論 你如何理解“化學(xué)--人類(lèi)進(jìn)步的關(guān)鍵”這句話(huà)? 化學(xué)成為一門(mén)獨(dú)立學(xué)科的時(shí)間雖然不長(zhǎng)，但化學(xué)作為一種實(shí)用的技術(shù)，早在史前時(shí)期就得到了具體的應(yīng)用，如用火燒制陶器等?；瘜W(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了古代、近代和現(xiàn)代等不同的時(shí)期。銅、鐵等金屬以及合金的冶煉、酒的釀造等都是化學(xué)的早期成就。煤、石油、天然氣等化石燃料的開(kāi)采和利用、造紙術(shù)的發(fā)明和發(fā)展等，對(duì)人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步都發(fā)揮了重要的作用。藥物化學(xué)的興起和冶金化學(xué)的廣泛探究，則為近代化學(xué)的誕生和發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。原子分子學(xué)說(shuō)的建立，是近代化學(xué)發(fā)展的里程碑。在近代化學(xué)發(fā)展的歷程中，人們相繼發(fā)現(xiàn)了大量的元素，同時(shí)也揭示了物質(zhì)世界的一項(xiàng)根本性的規(guī)律--元素周期律。在原子的核模型的建立、高度準(zhǔn)確的光譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲得、輻射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，以及光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)等基礎(chǔ)上建立起來(lái)的現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論，使人們能夠深入地、科學(xué)地認(rèn)識(shí)物質(zhì)內(nèi)部的奧秘，以及微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這將使對(duì)物質(zhì)的研究深入到了原子、分子水平的微觀領(lǐng)域。同時(shí)，化學(xué)與其他學(xué)科之間的相互滲透，使化學(xué)所涉及的領(lǐng)域越來(lái)越廣，掃描隧道顯微鏡的研制成功，使人們能夠清楚地觀察到原子的圖像和動(dòng)態(tài)的化學(xué)變化。交叉分子束實(shí)驗(yàn)①則可以使人們?cè)敿?xì)地研究化學(xué)反應(yīng)的微觀機(jī)理。