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二十世紀的化學是一門建立在實驗基礎上的科學,實驗與理論一直是化學研究中相互依賴、彼此促進的兩個方面。進入20世紀以後,由於受到自然科學其他學科發展的影響,並廣泛地應用了當代科學的理論、技術和方法,化學在認識物質的組成、結構、合成和測試等方面都有了長足的進展,而且在理論方面取得了許多重要成果。在無機化學、分析化學、有機化學和物理化學四大分支學科的基礎上產生了新的化學分支學科。
近代物理的理論和技術、數學方法及計算機技術在化學中的應用,對現代化學的發展起了很大的推動作用。19世紀末,電子、X射線和放射性的發現爲化學在20世紀的重大進展創造了條件。
在結構化學方面,由於電子的發現開始並確立的現代的有核原子模型,不僅豐富和深化了對元素週期表的認識,而且發展了分子理論。應用量子力學研究分子結構。
從氫分子結構的研究開始,逐步揭示了化學鍵的本質,先後創立了價鍵理論、分子軌道理論和配位場理論。化學反應理論也隨着深入到微觀境界。應用X射線作爲研究物質結構的新分析手段,可以洞察物質的晶體化學結構。測定化學立體結構的衍射方法,有X射線衍射、電子衍射和中子衍射等方法。其中以X射線衍射法的應用所積累的精密分子立體結構信息最多。
研究物質結構的譜學方法也由可見光譜、紫外光譜、紅外光譜擴展到核磁共振譜、電子自選共振譜、光電子能譜、射線共振光譜、穆斯堡爾譜等,與計算機聯用後,積累大量物質結構與性能相關的資料,正由經驗向理論發展。電子顯微鏡放大倍數不斷提高,人們可以直接觀察分子的結構。
經典的元素學說由於放射性的發現而產生深刻的變革。從放射性衰變理論的創立、同位素的發現到人工核反應和核裂變的實現、氘的發現、中子和正電子及其它基本粒子的發現,不僅是人類的認識深入到亞原子層次,而且創立了相應的實驗方法和理論;不僅實現了古代煉丹家轉變元素的思想,而且改變了人的宇宙觀。
作爲20世紀的時代標誌,人類開始掌握和使用核能。放射化學和核化學等分支學科相繼產生,並迅速發展;同位素地質學、同位素宇宙化學等交叉學科接踵誕生。元素週期表擴充了,已有109號元素,並且正在探索超重元素以驗證元素“穩定島假說”。與現代宇宙學相依存的元素起源學說和與演化學說密切相關的核素年齡測定等工作,都在不斷補充和更新元素的觀念。
酚醛樹脂的合成,開闢了高分子科學領域。20世紀30年代聚酰胺纖維的合成,使高分子的概念得到廣泛的確認。後來,高分子的合成、結構和性能研究、應用三方面保持互相配合和促進,使高分子化學得以迅速發展。
各種高分子材料合成和應用,爲現代工農業、交通運輸、醫療衛生、軍事技術,以及人們衣食住行各方面,提供了多種性能優異而成本較低的重要材料,成爲現代物質文明的重要標誌。高分子工業發展爲化學工業的重要支柱。20世紀是有機合成的黃金時代。化學的分離手段和結構分析方法已經有了很大發展,許多天然有機化合物的結構問題紛紛獲得圓滿解決,還發現了許多新的重要的有機反應和專一性有機試劑,在此基礎上,精細有機合成,特別是在不對稱合成方面取得了很大進展。
一方面,合成了各種有特種結構和特種性能的有機化合物;另一方面,合成了從不穩定的自由基到有生物活性的蛋白質、核酸等生命基礎物質。有機化學家還合成了有複雜結構的天然有機化合物和有特效的藥物。這些成就對促進科學的發展起了巨大的作用;爲合成有高度生物活性的物質,並與其他學科協同解決有生命物質的合成問題及解決前生命物質的化學問題等,提供了有利的條件。
20世紀以來,化學發展的趨勢可以歸納爲:由宏觀向微觀、由定性向定量、由穩定態向亞穩定態發展,由經驗逐漸上升到理論,再用於指導設計和開拓創新的研究。一方面,爲生產和技術部門提供儘可能多的新物質、新材料;另一方面,在與其它自然科學相互滲透的進程中不斷產生新學科,並向探索生命科學和宇宙起源的方向發展。
手抄報二:綠色化學緒論
綠色化學又稱“環境無害化學”、“環境友好化學”、“清潔化學”,綠色化學是近十年才產生和發展起來的,是一個“新化學嬰兒”。它涉及有機合成、催化、生物化學、分析化學等學科,內容廣泛。綠色化學的最大特點是在始端就採用預防污染的科學手段,因而過程和終端均爲零排放或零污染。世界上很多國家已把“化學的綠色化”作爲新世紀化學進展的主要方向之一。
定義
用化學的技術,原理和方法去消除對人體健康,安全和生態環境有毒有害的化學品,因此也稱環境友好化學或潔淨化學。實際上,綠色化學不是一門全新的科學。
綠色化學不但有重大的社會、環境和經濟效益,而且說明化學的負面作用是可以避免的,顯現了人的能動性。綠色化學體現了化學科學、技術與社會的相互聯繫和相互作用,是化學科學高度發展以及社會對化學科學發展的作用的產物,對化學本身而言是一個新階段的到來。作爲新世紀的一代,不但要有能力去發展新的、對環境更友好的化學,以防止化學污染;而且要讓年輕的一代瞭解綠色化學、接受綠色化學、爲綠色化學作出應有的貢獻。
著名理論
1、“原子經濟性”,即充分利用反應物中的各個原子,因而既能充分利用資源,又能防止污染。原子經濟性的概念是1992年美國著名有機化學家Trost(爲此他曾獲得了1998年度的總統綠色化學挑戰獎的學術獎)提出的,用原子利用率衡量反應的原子經濟性,爲高效的有機合成應最大限度地利用原料分子的每一個原子,使之結合到目標分子中,達到零排放。綠色有機合成應該是原子經濟性的。原子利用率越高,反應產生的廢棄物越少,對環境造成的污染也越少。
2、其內涵主要體現在五個“R”上:第一是Reduction一一“減量”,即減少“三廢”排放;第二是Reuse——“重複使用”,諸如化學工業過程中的催化劑、載體等,這是降低成本和減廢的需要;第三是Recycling——“回收”,可以有效實現“省資源、少污染、減成本”的要求;第四是Regeneration——“再生”,即變廢爲寶,節省資源、能源,減少污染的有效途徑;第五是Rejection ——“拒用”,指對一些無法替代,又無法回收、再生和重複使用的,有毒副作用及污染作用明顯的原料,拒絕在化學過程中使用,這是杜絕污染的最根本方法。
傳統的化學工業給環境帶來的污染已十分嚴重,全世界每年產生的有害廢物達3億噸~4億噸,給環境造成危害,並威脅着人類的生存。化學工業能否生產出對環境無害的化學品,甚至開發出不產生廢物的工藝,有識之士提出了綠色化學的號召,並立即得到了全世界的積極響應。綠色化學的核心就是要利用化學原理從源頭消除污染。
綠色化學給化學家提出了一項新的挑戰,國際上對此很重視。1996年,美國設立了“綠色化學挑戰獎”,以表彰那些在綠色化學領域中做出傑出成就的企業和科學家。綠色化學將使化學工業改變面貌,爲子孫後代造福。
迄今爲止,化學工業的絕大多數工藝都是20多年前開發的,當時的加工費用主要包括原材料、能耗和勞動力的費用。由於化學工業向大氣、水和土壤等排放了大量有毒、有害的物質。以1993年爲例,美國僅按365種有毒物質排放估算,化學工業的排放量爲30億磅。因此,加工費用又增加了廢物控制、處理和埋放。環保監測、達標,事故責任賠償等費用。1992年,美國化學工業用於環保的費用爲1150億美元,清理已污染地區花去7000億美元。1996年美國Dupont公司的化學品銷售總額爲180億美元,環保費用爲10億美元。所以,從環保、經濟和社會的要求看。化學工業不能再承擔使用和產生有毒有害物質的費用。需要大力研究與開發從源頭上減少和消除污染的綠色化學。
1990年美國頒佈了污染防止法案。將污染防止確立爲美國的國策。所謂污染防止就是使得廢物不再產生。不再有廢物處理的問題,綠色化學正是實現污染防止的基礎和重要工具。1995年4月美國副總統Gore宣佈了國家環境技術戰略。其目標爲:至2020年地球日時。將廢棄物減少40~50%,每套裝置消耗原材料減少20~25%。1996年美國設立了總統綠色化學挑戰獎。這些政府行爲都極大的促進了綠色化學的蓬勃發展。
另外,日本也制定了新陽光計劃。在環境技術的研究與開發領域。確定了環境無害製造技術、減少環境污染技術和二氧化碳固定與利用技術等綠色化學的內容。總之,綠色化學的研究已成爲國外企業、政府和學術界的重要研究與開發萬向。 這對我國既是嚴峻的挑戰,也是難得的發展機遇。
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