醋老西
第1楼2006/11/21
4 化学有没有理论?
有人说:“化学没有理论,只是一堆白菜,21世纪的化学没有什么可搞的了”。这也是化学不被认同的理由之一。对于这个问题,我国著名化学家唐敖庆院士有很好的回答,他指出19世纪的化学有三大理论成就:
①经典原子分子论,包括建筑在定比、倍比和当量定律基础上的道尔顿原子论,以及包括碳4价及开库勒提出的苯分子结构等工作为中心内容的分子结构和原子价理论。
②门捷列夫的化学元素周期律。
③C.M.古尔德贝格和P.瓦格提出的质量作用定律是宏观化学反应动力学的基础。
道尔顿的原子论和门捷列夫的化学元素周期律对于20世纪玻尔建立原子的壳层结构模型具有十分重要的借鉴作用。所以化学和物理学这两个姐妹学科是互相促进的。
20世纪的化学也有三大理论成就:
①化学热力学,可以判断化学反应的方向,提出化学平衡和相平衡理论。
②量子化学和化学键理论,量子化学家鲍林提出的氢键理论和蛋白质分子的螺旋结构模型,为1953年沃生和克里克提出DNA分子的双螺旋模型奠定了基础,后者又为破解遗传密码奠定基础。所以化学与生物学也是互相促进的。
③20世纪60年代发展起来的分子反应动态学。
没有这三大理论,要取得合成2285万种化合物的辉煌成就是不可能的。因此,“化学没有理论,只是一堆白菜”的说法,是不公正的。
到了21世纪,世界数学家协会提出七大数学难题,筹集了700万美元,悬赏100万美元给每一个难题的解决者。
物理学提出了五大理论难题:
①4种作用力场的统一问题,相对论和量子力学的统一问题。
②对称性破缺问题。
③占宇宙总质量90%的暗物质是什么的问题。
④黑洞和类星体问题。
⑤夸克禁闭问题等。
21世纪的生物学也有重大难题和奋斗目标:
①后基因组学和人类疾病的消除。
②蛋白质组学。
③脑科学。
④生物如何进化?生命如何起源等。
但化学家又比较谦虚,好像没有人明确提出哪些是化学要解决的世纪难题。这样与物理学和生物学相比,就会显得化学没有什么伟大的目标了。其实化学家心目中是有自己的奋斗目标的,只是不愿多说。但这又造成“化学无理论”的错误印象。这是近年来在世界范围内出现的淡化化学的思潮的主观原因之一。那么化学果真提不出重大难题吗?作者曾经初步提出21世纪化学有四大难题[3]。
5 21世纪化学的四大难题
(1)化学的第一根本规律(第一个世纪难题):建立精确有效而又普遍适用的化学反应的含时多体量子理论和统计理论。
化学是研究化学变化的科学,所以化学反应理论和定律是化学的第一根本规律。19世纪C.M.古尔德贝格和P.瓦格提出的质量作用定律,是最重要的化学定律之一,但它是经验的、宏观的定律。
H.艾林的绝对反应速度理论是建筑在过渡态、活化能和统计力学基础上的半经验理论。过渡态、活化能和势能面等都是根据不含时间的薛定谔第一方程来计算的。所谓反应途径是按照势能面的最低点来描绘的。这一理论和提出的新概念虽然非常有用,但却是不彻底的半经验理论。
近年来发展了含时Hartree Fock方法,含时密度泛函理论方法,以酉群相干态为基础的电子 原子核运动方程理论,波包动力学理论等。但目前这些理论方法对描述复杂化学体系还有困难。
所以建立严格彻底的微观化学反应理论,既要从初始原理出发,又要巧妙地采取近似方法,使之能解决实际问题,包括决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应?能否生成预期的分子?需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应?如何在理论指导下控制化学反应?如何计算化学反应的速率?如何确定化学反应的途径?等等,是21世纪化学应该解决的第一个难题。
醋老西
第2楼2006/11/21
(2)化学的第二个世纪难题:分子结构及其和性能的定量关系。
这里“结构”和“性能”是广义的,前者包含构型、构象、手性、粒度、形状和形貌等,后者包含物理、化学和功能性质以及生物和生理活性等。虽然W.Kohn从理论上证明一个分子的电子云密度可以决定它的所有性质,但实际计算困难很多,现在对结构和性能的定量关系的了解,还远远不够。要大力发展密度泛函理论和其他计算方法。这是21世纪化学的第二个重大难题。例如:
①如何设计合成具有人们期望的某种性能的材料?
②如何使宏观材料达到微观化学键的强度?
例如“金属胡须”的抗拉强度比通常的金属丝大一个数量级,但还远未达到金属 金属键的强度,所以增加金属材料强度的潜力是很大的。又如目前高分子纤维达到的强度要比高分子中的共价键的强度小两个数量级。这就向人们提出如何挑战材料强度极限的大难题。
③溶液结构和溶剂效应对于性能的影响。
④具有单分子和多分子层的膜结构和性能的关系。以上各方面是化学的第二个根本问题,其迫切性可能比第一个问题更大,因为它是解决分子设计和实用问题的关键。
(3)化学的第三个世纪难题:生命现象中的化学机理问题。
充分认识和彻底了解人类和生物体内分子的运动规律,无疑是21世纪化学亟待解决的重大难题之一。例如:
①研究配体小分子和受体生物大分子相互作用的机理,这是药物设计的基础。
②化学遗传学为哈佛大学化学教授Schreiber所创建。
他的小组合成某些小分子,使之与蛋白质结合,并改变蛋白质的功能,例如使某些蛋白酶的功能关闭。这些方法使得研究者们不通过改变产生某一蛋白质的基因密码就可以研究它们的功能,为开创化学蛋白质组学,化学基因组学(与生物学家以改变基因密码来研究的方法不同)奠定基础。因此小分子配体与生物大分子受体的相互作用的机理,是一个重大的理论化学问题,值得人们关注。
③光合作用的机理———活分子催化剂叶绿素如何利用太阳能把很稳定的CO2和H2O分子的化学键打开,合成碳水化合物[CH2O]n,并放出氧气,供人类和其他动物使用。
④生物固氮作用的机理。
⑤搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。
⑥人类的大脑是用“泛分子”组装成的最精巧的计算机。如何彻底了解大脑的结构和功能将是21世纪的脑科学、生物学、化学、物理学、信息和认知科学等交叉学科共同来解决的难题。
⑦了解活体内信息分子的运动规律和生理调控的化学机理。
⑧了解从化学进化到手性和生命起源的飞跃过程。
⑨如何实现从生物分子(biomolecules)到分子生命(molecularlife)的飞跃?如何制造活的分子(makelife),跨越从化学进化到生物进化的鸿沟。
⑩蛋白质和DNA的理论研究。
(4)化学的第四个世纪难题:纳米尺度的基本规律。
当尺度在十分之几到10nm的量级,正处于量子尺度和经典尺度的模糊边界(fuzzybound ary)中,有许多新的奇异特性和新的效应,新的规律和重要应用,值得理论化学家去探索研究。
下面举例说明纳米效应:
①如以银的熔点和银粒子的尺度作图,则当粒子尺度在150nm以上时,熔点不变,为960.3℃,即通常的熔点。以后熔点随尺度变小而下降,到5nm时为100℃。又如金的熔点为1063℃,纳米金的熔化温度却降至330℃。在纳米尺度,热运动的涨落和布朗运动将起重要的作用。因此许多热力学性质,包括相变和“集体现象”(collectivephenomena)如铁磁性、铁电性、超导性和熔点等都与粒子尺度有重要的关系。
②纳米粒子的比表面很大,由此引起性质的不同。例如纳米铂黑催化剂可使乙烯催化反应的温度从600℃降至室温。这一现象为新型常温催化剂的研制提供了基础,有非常重要的应用前景。纳米催化剂能否降低反应活化能?这是值得研究的一个理论问题。
③当代信息技术的发展,推动了纳米尺度磁性(nanoscalemagnetism)的研究。
④电子或声子的特征散射长度,即平均自由程,在纳米量级。当纳米微粒的尺度小于此平均自由途径时,电流或热的传递方式就发生质的改变。
⑤与微粒运动的动量p=mV相对应的deBroglie波长l=h/p,通常也在纳米量级,由此产生许多所谓“量子点”(quantumdots)的新现象。所以纳米分子和材料的结构与性能关系的基本规律是21世纪的化学和物理需要解决的重大难题之一。
6 化学家缺少品牌意识,没有在社会上树立化学的美好品牌
化学没有树立品牌,化学与化工被认为是污染源,这也是缺少生源的原因之一。其实,造成环境污染的不仅仅是化学,更重要的是森林破坏,水土流失,沙漠化和沙尘暴,汽车尾气排放,煤燃烧等。而分析、监测、治理环境污染的正是化学家。化学家已提出绿色化学的奋斗目标。化学家不但要认识世界、改造世界,还要保护世界。
作者:徐光宪