首页 -> 2008年第8期
化学基本原理与现代技术
作者：高盘良
关键词：基本原理；现代技术
众所周知，物理化学是化学课程中基础的基础，较抽象，教学有一定难度。常听说“物理化学远水不解近渴”，还有学生反映课堂上听不到物理化学在高科技中激动人心的辉煌。如果真是如此，说明物理化学教材的编写及课堂教学不能适应现代教学的需要，其后果必将挫伤学生的学习兴趣，影响到具有创新能力的人才的培养，因此必须引起高度重视。
物理化学课程的地位已做过讨论，在培养化学人才上的作用毋庸置疑。《自然科学学科发展战略调研报告》中提出：“凡是具有较好的物理化学素养的大学毕业生，适应能力强，后劲足。由于有较好的理论基础，他们容易触类旁通，自学深造，能较快适应工作的变动，开辟新的研究阵地，从而有可能站在国际科技发展的前沿。”有个学生学习了物理化学课程后写道：“物理化学是一门令人爱恨交加的课程，当你走得越远，才发现它离你越近。”这是对物理化学课程作用的生动评价。
物理化学与现代技术的关系可以说是“基础理论是现代技术的先导和源泉”。大量事实表明，每当物理化学取得突破性进展，往往会促进应用研究和技术开发，最终形成大产业。这说明物理化学作为化学中的基础理论，通过化学家的创新研究，对高新技术所起的巨大的推动作用。前沿科技领域日新月异，但其根部却深植于那些并不深奥的基本原理和并不复杂的方法之中。我们应在基础层次上寻找前沿的“根”，作为教师应充分发掘这些“闪光点”，让基本原理在科学研究和实际应用的实例中展现其活力，以此提高创新能力。
以下举一些“闪光点”说明物理化学基本原理在现代技术中发挥的巨大作用。
一、物理化学与合成化学、新材料的制备
1.合成氨技术。2008年世界范围内粮价猛涨，弓起不发达国家的粮荒，根本的办法就是提高粮食产量，无疑增产化肥(如氮肥)是一个重要的途径。2007年度诺贝尔化学奖颁发给德国化学家格哈德埃特尔，以奖励其在揭示包括合成氨等固体表面化学过程研究中做出的杰出贡献，如铁催化剂表面的合成氨反应历程，精确的实验证明属于“朗格谬尔－欣谢尔伍德历程”，即裂解的氮原子和氢原子同时被吸附在两个相邻的活性中心上，然后生成氨。研究揭示，氮分子的裂分比反应的其他步骤要难得多，而铁催化剂中作为助催化剂钾的加入使得氮的吸附解离(速控步)变得更容易，从而加快了催化反应速率。基础理论的重大发现无疑为合成氨催化剂的研究指明了方向，必将促进合成氨工业的飞速发展。
2.钕铁硼强永磁材料的制各。现代文明社会离不开磁性材料，如探测宇宙暗物质的磁谱仪需要高性能强永磁材料。目前得到广泛应用的钕铁硼强永磁材料是利用物理化学中凝固点降低原理以及二组分体系相图，并巧妙地设计了一个电解装置才攻克了制各难关。
钕铁硼强永磁材料，关键的技术是稀土金属钕的制各，因为钕的熔点高(1024℃)且活泼，因此采用先制备纯钕、铁、硼再按比例配制不现实。有人提出利用凝固点降低原理，先用三氯化钕熔盐电解法制备铁一钕合金，再掺入铁及硼。据此，设计了以铁为阴极电解槽，在铁阴极上电解产生的钕呈熔融状态的钕铁合金溶液，由于密度大于三氯化钕，不断滴入钕—铁合金接收器，这是一个极巧妙的设计，使古老的相图理论在高新技术中焕发青春。
3.反相微乳法及胶团法制备纳米粒子。纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，当与光波波长等物理特征尺寸相当或更小时，导致了声、光、电磁、热力学等性质的突变，其奇特性质均源于小尺度效应和表面效应，而这正是胶体科学要研究的内容，胶体科学为纳米科学提供了理论基础。
如此微小的纳米材料是怎么制得的呢?其原理与洗衣服同出一辙。化学家利用了胶体化学中具有纳米尺度的反相胶束(油包水)作为纳米反应器用于制备纳米粒子。反相微乳的内核(约6nm)就是合成纳米粒子的微反应器，用胶体化学方法制备纳米粒子关键是“促进成核，控制成长”，主要有两种化学方法：反相微乳法和胶团法。
4.电化学合成及电催化。电化学合成是指用电化学方法去合成无机及有机化学物质，目前已形成了大规模电解工业，不过现在的工艺吏先进，如成对电解法制各高纯度锰及微粒二氧化锰，同时得到两种产物。但将电化学合成应用于有机物的合成形成工业规模是近几十年的事，如丙烯腈还原为己二腈，这是利用电极反应动力学原理即多相电催化。多相电催化是指电极材料对电化学反应的催化作用，其研究目的是通过选择或修饰电极材料，降低超电势，加速特定的电极反应和大大降低电能的消耗。如葡萄糖阴极电还原合成甘露醇和山梨醇，这是个“一箭双雕”的反应，一个反应物在同一电极上生成两个有用的产物：甘露醇和山梨醇，而且甘露醇附加值更高。当分别以石墨、金属铅、雷尼镍三种材料作阴极时，以雷尼镍的电流效率最高，催化活性最高，且甘露醇的相对含量也最高，说明雷尼镍的选择性也好。目前，电化学合成及电催化这个新兴工业正处于蓬勃发展阶段。
二、物理化学与现代分离技术
1.超临界流体萃取。这是分离科学中迅速发展的一种新型技术，可应用于医药、食品、化工、纺织、石油、环保等行业。以超临界流体CO2萃取技术为例，由于采用无毒、无味、惰性、价廉的CO2为萃取剂，优于传统的有机溶剂提取法，主要表现在：(1)可从天然产物中萃取中药、保健品、饮料等有效成分，其活性高、浓度高，而且保持纯天然性，不存在有机溶剂残留；(2)萃取与分离两个过程合为一步，CO2循环使用，工艺简单，操作方便；(3)萃取速率快、生产周期短；(4)不产生“三废”，不污染环境，是绿色化工工艺。因此有人提出，超临界流体萃取是分离科学中具有划时代意义的科学进步。超临界流体在化学中的应用正向纵深发展，产生了许多意想不到的效果。然而这一高新技术正是应用了物理化学中临界状态的特性、溶解度定律、三组分体系两相平衡的分配定律及焦尔·汤姆逊效应这些基本内容相结合而成。如超临界流体处于气液不分的状态，既像气态容易扩散，又像液态有很强的溶解能力，又因为零表面张力，容易渗入多孔性物质之中。工艺研究和设计者不了解焦尔·汤姆逊效应在超临界流体萃取中起的作用走了弯路，足见掌握基础理论对解决应用问题的作用。
2.蛋白质微乳分离技术。这是利用了表面活性剂的特性，生成油包水(W/O)型微乳及蛋白质等电点不同的性质而建立的崭新的分离技术。许多蛋白质是水溶性的，其混合物水溶液加到油包水型微乳中可以增溶于水核中，根据蛋白质两性的性质，可调节pH大于或小于等电点，按序将不同的蛋白质溶入水核，然后从微乳相
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