現代高科技中的化學

何正開??

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

20世紀初，人類社會進入現代時期。自從近代（18～19世紀）化學基本理論形成后，化學作為一門真正意義上的現代科學得到快速發展，而在20世紀，化學的發展與成就更是突飛猛進，體現在高科技、工農業生產、軍事和日常生活等諸多方面。

一.高科技中的化學成就

在20世紀的高科技領域，化學做出了許多巨大的成就，其中對化學理論的發展影響最大的是：電子云理論及其薛定諤方程式。

丹麥科學家尼爾斯·玻爾于20世紀初提出“玻爾原子模型”。此理論提出后，解決了當時化學研究中的很多難題，人們都認為它是完美的，直到奧地利科學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，但經過多次測量，卻發現電子的速度與具體位置這兩個數值不可能同時都測準。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系式的基礎上，對電子的運動做了適當的數學處理，提出了著名的薛定諤方程式。這個方程式的解，如果用三維坐標以圖形表示的話，就是“電子云”。

電子云是近代對電子用數學統計的方法，在核外空間分布方式的形象描繪，它的有區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。我們不能預言它在某一時刻究竟出現在核外空間的哪個地方，只能知道它在某處出現的機會有多少。為此，就以單位體積內電子出現幾率，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，化學進入了嶄新的量子化學時代。薛定諤也因此名垂青史。

二.工農業生產中的化學貢獻

在20世紀，化學不僅僅在理論上取得巨大成就，在工農業生產中也作出了突出的貢獻：

1. 弗里茨·哈伯與合成氨。

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

一些有遠見的化學家指出：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家能實現大氣固氮。哈伯就是從事合成氨的工藝條件試驗和理論研究的化學家之一。

以鍥而不舍的精神，經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，能得到產率約為8%的合成氨。在此后的兩年間，他又進行了多達6500次試驗，測試了2500種不同的配方，最后選定了含鉛鎂促進劑的鐵催化劑。

合成氨生產方法的創立不僅開辟了獲取固定氮的途徑，更重要的是這一生產工藝的實現對整個化學工藝的發展產生了重大的影響。鑒于合成氨工業生產的實現和它的研究對化學理論發展的推動，決定把諾貝爾化學獎授予哈伯是正確的，哈伯接受此獎也是當之無愧的。

2. 侯德榜與聯合制堿法。

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。 1903～1906年，在姑媽的資助下來到福州英華書院學習，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模迫害華僑、驅逐華工等令人發指的消息，使之產生了強烈的愛國心。1907—1910年，就讀于上海閩皖鐵路學院，畢業后在英資津浦鐵路當實習生。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院化工科學習。

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，但仍不能滿足工業生產的需要。1862年，比利時人索爾維（Ernest Solvay 1838—1922）發明了以食鹽、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）。氨堿法使生產實現了連續性生產，食鹽的利用率得到提高，產品質量純凈，因而被稱為純堿，但最大的優點還在于成本低廉。

侯德榜決心打破西方人的壟斷。針對索爾維法生產純堿時食鹽利用率低，制堿成本高，廢液、廢渣污染環境和難以處理等不足，他經過上千次試驗，在1943年研究成功了聯合制堿法。這個新工藝是把氨廠和堿廠建在一起，聯合生產。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晶出來，作為化工產品或化肥。食鹽溶液又可以循環使用。這方法把世界制堿技術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，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》。

《純堿制造》一書于1933年在紐約列入美國化學會叢書出版，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為制堿工業的權威專著，同時被相繼譯成多種文字出版，對世界制堿工業的發展起了重要作用。美國的威爾遜教授稱這本書是“中國化學家對世界文明所作的重大貢獻”。

《制堿工學》是侯德榜晚年的著作，也是他從事制堿工業40年經驗的總結。全書在科學水平上較《純堿制造》一書有較大提高。該書將“侯氏制堿法”系統地奉獻給讀者，在國內外學術界引起強烈反響。

三.軍事中化學的負面影響

發達的科學都有兩面性。在20世紀，化學除了給人類帶來巨大福祉之外，還給人類制造了災難，最主要的一個方面就是化學武器。

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

二戰后，人類并沒有停止使用化學武器。越戰、兩伊戰爭中，均有無數軍人和平民遭受其害。

化學作為一門先進的科學技術，愿它在將來多多造福于人類。