化学中的机会和挑战

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1、化学中的机会和挑战宋心琦一化学中的机会和挑战21世纪的化学究竟存在什么样的机会和挑战？由于时间关系，讲的既不全面，也比较初浅，供大家参考。首先介绍外场效应。经典热力学除引力场外，是不考虑外场效应的。如果通过环境向体系输入除热能以外的其他形式的能量时，原来经典热力学中所判定的非自发过程，都有可能变成自发过程。而外场效应在现代科学技术中已经得到广泛地应用，有关外场效应的系统介绍和理论整合，应当是物理化学的一个发展方向。与化学相关的外场效应大都形成了化学中的一个个新的分支。其中电化学是大家所熟悉的，其次是已为人熟知但教材中涉及较少的光化学（Photochemistry）。利用光能改变化学体

2、系的反应条件和产物，是已经成为行之有效的研究方法之一。例如过去认为由于受到结构张力所限，无法合成的立方烷、正四面体烷，由于利用了光化学方法都获得了成功。近年来由于对能源日益匮乏的忧虑，和显示技术的不断更新换代，促使光化学的研究热情与日俱增。植物能够吸收太阳光里的一部分能量，实现光合作用并使之转化为储存于碳水化合物中的化学能，这个在地球上经历了亿万年的光化学反应，是化石燃料所储能量的起源。太阳能电池是另一种利用并储存光能的装置，虽然这些过程或技术对太阳能的利用率并不高。根据观测和计算，太阳每天通过辐照向地球输送的能量，只相当于它所发出的总光能的几亿分之一，但是地球每天接收的光能却和人类

3、有史以来所消耗的能量总和相近，所以太阳能是值得着重开发的新能源。目前利用率不高的原因在于，太阳光的频谱太宽，而植物或人造器件所能利用的频率却非常有限。具有挑战性的问题在于，模仿植物光合作用的研究一直没有取得实质性的突破；而太阳能化学电池对辐照光的频率要求过于苛刻（而且这个频段的光在太阳光中所占份额甚低）、所用光催化剂价格昂贵和废弃后的污染等问题均有待解决。如果人工光合作用能够实现，粮食将可以成为工业产品，从而彻底摆脱靠天吃饭、靠地种粮的困境，这个设想目前还远未完成。光致变色性 photochromism一种化合物在吸收光谱不同（亦即颜色不同）的两种状态间发生可逆性变化的性质。属于化学

4、变化。其中至少要有一个方向的变化是由电磁辐射（通常为紫外光）所引起的；另一个方向的变化可以是由热或另一波长的光所驱动的，即后者可以是一种暗反应。通常正向反应的颜色变化趋向于长波方向。颜色变化的可逆性是光致变色体系获得广泛应用的关键。大气光化学 atmosphericphotochemistry 研究大气主要成分在太阳光作用下的化学反应的大气化学的最重要的分支学科。大气光化学研究不仅有助于进一步了解大气的成因和演变，对于认识大气和地球之间化学物质的传递、交换和变化机理，加深对于地球环境的了解，也有重要的作用。由于航天技术和遥感技术的发展，研究其他星球的大气光化学，也已成为这个领域的前沿

5、课题。就地球而言，大气的温度随着高度的增加而下降。在距地表的第一个15～20千米 内，大约每升高1千米温度下降6.5K左右。过此区域温度反而上升，这个区域称为对流层，大气的总质量中有90％存在于对流层中，其中的光化学反应也比较复杂。对流层上部存在着一个温度为220～270K而且基本稳定的平流层，臭氧主要存在于平流层中，人们所关心的臭氧空洞问题就发生在这个区域。推荐书目　Y.L.Yung,W.B.DeMore,PhotochemistryofPlanetaryAtmospheres,OxfordUniversityPress,Oxford,1999.29已知的光致变色体系很多，但是大多

6、数光致变色体系的寿命至今仍然达不到实用的要求。比较重要的体系有螺吡喃、螺噁嗪、色烯、伏精酸酐等。理想的光致变色体系应当具备以下的品质：①在紫外线辐照下能够迅速地显色；②返回原来的状态时的颜色衰变速率必须是可以控制的；③显色范围应当在可见光谱区内；④残色最好接近于无色。 光致变色性应用很广，主要有变色镜片、节能窗用玻璃、特种印刷、防伪印刷、化妆品、光学数据存储或记忆介质以及传感器和光开关等。 推荐书目P.Bamfield,ChromicPhenomena-TechnicalApplicationsofColourChemistry,RSC,Cambridge,2001.溶致变色性sol

7、vatochromism 一种化合物在溶入极性不同的溶剂中时，因其分子的吸收或发射光谱发生改变而导致变色的性质，属于物理化学变化。在各类变色性中，溶致变色性发现最早，1878年已有记载。不过后来在讨论溶致变色性时，“溶剂”的概念已从液体扩展到固体、胶束和薄膜等。溶质变色性是由于化合物的基态和激发态具有不同的溶剂化作用而引起的，与化合物和溶剂分子的化学结构及物理性质有关。长时间以来，溶致变色性在技术领域一直没有找到值得重视的应用，主要工作局限于研究溶剂的特性