現(xiàn)代高科技中的化學(xué)

何正開??

【中圖分類號】 O6-6 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A 【文章編號】 2236-1879（2018）11-0017-01

20世紀(jì)初，人類社會進(jìn)入現(xiàn)代時期。自從近代（18～19世紀(jì)）化學(xué)基本理論形成后，化學(xué)作為一門真正意義上的現(xiàn)代科學(xué)得到快速發(fā)展，而在20世紀(jì)，化學(xué)的發(fā)展與成就更是突飛猛進(jìn)，體現(xiàn)在高科技、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事和日常生活等諸多方面。

一.高科技中的化學(xué)成就

在20世紀(jì)的高科技領(lǐng)域，化學(xué)做出了許多巨大的成就，其中對化學(xué)理論的發(fā)展影響最大的是：電子云理論及其薛定諤方程式。

丹麥科學(xué)家尼爾斯·玻爾于20世紀(jì)初提出“玻爾原子模型”。此理論提出后，解決了當(dāng)時化學(xué)研究中的很多難題，人們都認(rèn)為它是完美的，直到奧地利科學(xué)家薛定諤提出新理論。

薛定諤在實驗中試圖測量電子的運行軌道，但經(jīng)過多次測量，卻發(fā)現(xiàn)電子的速度與具體位置這兩個數(shù)值不可能同時都測準(zhǔn)。于是，他改用另一種方法來研究核外電子的運動。

1926年，薛定諤在德布羅意關(guān)系式的基礎(chǔ)上，對電子的運動做了適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)處理，提出了著名的薛定諤方程式。這個方程式的解，如果用三維坐標(biāo)以圖形表示的話，就是“電子云”。

電子云是近代對電子用數(shù)學(xué)統(tǒng)計的方法，在核外空間分布方式的形象描繪，它的有區(qū)別于行星軌道式模型。電子有波粒二象性，它不像宏觀物體的運動那樣有確定的軌道，因此畫不出它的運動軌跡。我們不能預(yù)言它在某一時刻究竟出現(xiàn)在核外空間的哪個地方，只能知道它在某處出現(xiàn)的機會有多少。為此，就以單位體積內(nèi)電子出現(xiàn)幾率，即幾率密度大小，用小黑點的疏密來表示。小黑點密處表示電子出現(xiàn)的幾率密度大，小黑點疏處幾率密度小，看上去好像一片帶負(fù)電的云狀物籠罩在原子核周圍，因此叫電子云。

電子云模型以及薛定諤方程式的提出，化學(xué)進(jìn)入了嶄新的量子化學(xué)時代。薛定諤也因此名垂青史。

二.工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的化學(xué)貢獻(xiàn)

在20世紀(jì)，化學(xué)不僅僅在理論上取得巨大成就，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也作出了突出的貢獻(xiàn)：

1. 弗里茨·哈伯與合成氨。

在化學(xué)發(fā)展史上，有一位化學(xué)家，雖早已長眠地下，卻曾給世人留下過關(guān)于他的功過是非的激烈爭論。他就是本世紀(jì)初世界聞名的德國物理化學(xué)家、合成氨的發(fā)明者弗里茨·哈伯（Fritz Haber）。

一些有遠(yuǎn)見的化學(xué)家指出：考慮到將來的糧食問題，為了使子孫后代免于饑餓，我們必須寄希望于科學(xué)家能實現(xiàn)大氣固氮。哈伯就是從事合成氨的工藝條件試驗和理論研究的化學(xué)家之一。

以鍥而不舍的精神，經(jīng)過不斷的實驗和計算，哈伯終于在1909年取得了鼓舞人心的成果。這就是在600℃的高溫、200個大氣壓和鋨為催化劑的條件下，能得到產(chǎn)率約為8%的合成氨。在此后的兩年間，他又進(jìn)行了多達(dá)6500次試驗，測試了2500種不同的配方，最后選定了含鉛鎂促進(jìn)劑的鐵催化劑。

合成氨生產(chǎn)方法的創(chuàng)立不僅開辟了獲取固定氮的途徑，更重要的是這一生產(chǎn)工藝的實現(xiàn)對整個化學(xué)工藝的發(fā)展產(chǎn)生了重大的影響。鑒于合成氨工業(yè)生產(chǎn)的實現(xiàn)和它的研究對化學(xué)理論發(fā)展的推動，決定把諾貝爾化學(xué)獎授予哈伯是正確的，哈伯接受此獎也是當(dāng)之無愧的。

2. 侯德榜與聯(lián)合制堿法。

侯德榜，1890年8月9日出生于福建閩侯（今福州），自幼勤奮好學(xué)。 1903～1906年，在姑媽的資助下來到福州英華書院學(xué)習(xí)，期間他目睹外國工頭蠻橫欺凌我碼頭工人，耳聞美國的舊金山種族主義者大規(guī)模迫害華僑、驅(qū)逐華工等令人發(fā)指的消息，使之產(chǎn)生了強烈的愛國心。1907—1910年，就讀于上海閩皖鐵路學(xué)院，畢業(yè)后在英資津浦鐵路當(dāng)實習(xí)生。1913年，侯德榜以十門功課1000分的成績被保送到美國麻省理工學(xué)院化工科學(xué)習(xí)。

碳酸鈉（Na2CO3）用途非常廣泛。雖然人們曾先后從鹽堿地和鹽湖中獲得它，但仍不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。1862年，比利時人索爾維（Ernest Solvay 1838—1922）發(fā)明了以食鹽、氨、二氧化碳為原料制取碳酸鈉的“索爾維制堿法”（又稱氨堿法）。氨堿法使生產(chǎn)實現(xiàn)了連續(xù)性生產(chǎn)，食鹽的利用率得到提高，產(chǎn)品質(zhì)量純凈，因而被稱為純堿，但最大的優(yōu)點還在于成本低廉。

侯德榜決心打破西方人的壟斷。針對索爾維法生產(chǎn)純堿時食鹽利用率低，制堿成本高，廢液、廢渣污染環(huán)境和難以處理等不足，他經(jīng)過上千次試驗，在1943年研究成功了聯(lián)合制堿法。這個新工藝是把氨廠和堿廠建在一起，聯(lián)合生產(chǎn)。由氨廠提供堿廠需要的氨和二氧化碳。母液里的氯化銨用加入食鹽的辦法使它結(jié)晶出來，作為化工產(chǎn)品或化肥。食鹽溶液又可以循環(huán)使用。這方法把世界制堿技術(shù)水平推向了一個新高度，贏得了國際化工界的極高評價。

侯德榜先生一生勤奮好學(xué)，雖工作繁忙卻還著書立說，其中最著名的兩部是《純堿制造》和《制堿工學(xué)》。

《純堿制造》一書于1933年在紐約列入美國化學(xué)會叢書出版，這部化工巨著第一次徹底公開了索爾維法制堿的秘密，被世界各國化工界公認(rèn)為制堿工業(yè)的權(quán)威專著，同時被相繼譯成多種文字出版，對世界制堿工業(yè)的發(fā)展起了重要作用。美國的威爾遜教授稱這本書是“中國化學(xué)家對世界文明所作的重大貢獻(xiàn)”。

《制堿工學(xué)》是侯德榜晚年的著作，也是他從事制堿工業(yè)40年經(jīng)驗的總結(jié)。全書在科學(xué)水平上較《純堿制造》一書有較大提高。該書將“侯氏制堿法”系統(tǒng)地奉獻(xiàn)給讀者，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界引起強烈反響。

三.軍事中化學(xué)的負(fù)面影響

發(fā)達(dá)的科學(xué)都有兩面性。在20世紀(jì)，化學(xué)除了給人類帶來巨大福祉之外，還給人類制造了災(zāi)難，最主要的一個方面就是化學(xué)武器。

真正意義上的化學(xué)武器誕生于第一次世界大戰(zhàn)，氯氣被人悄悄地投入了戰(zhàn)場，直接參與了一場空前的屠殺，造成了人類史上第一次大規(guī)模的化學(xué)戰(zhàn)。

二戰(zhàn)后，人類并沒有停止使用化學(xué)武器。越戰(zhàn)、兩伊戰(zhàn)爭中，均有無數(shù)軍人和平民遭受其害。

化學(xué)作為一門先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，愿它在將來多多造福于人類。