物理化学在化工中的应用论文

21世纪物理化学的发展趋势 现代物理化学是研究所有物质体系的化学行为的原理、规律和方法的学科。捅盖从微观到宏观对结构与性质的关系规律、化学过程机理及其控制的研究。它是化学以及在分子层次上研究物质变化的其他学科领域的理论基础。在物理化学发展过程中，逐步形成了若干分支学科：结构化学，化学热力学，化学动力学，液体界面化学，催化，电化学，量子化学等。20世纪的物理化学随着物理科学发展的总趋势偏重于微观的和理论的研究，取得不少起里程碑作用的成就，如化学键本质、分子间相互作用、分子结构的测定、表面形态与结构的精细观察等等。目前看来有三个方面的问题：一是宏观和介观研究应该加强；二是微观结构研究要由静态、稳态向动态、瞬态发展，包括反应机理研究中的过渡态问题，催化反应机理与微观反应动力学问题等；三是应该参与到复杂性研究中去，在物质体系中化学复杂性是直接关系人类生存与进步的，也是可以用实验方法研究的。总之，留给21世纪物理化学家的问题甚多。 1.结构化学结构化学研究从单纯为了阐明分子结构已发展到研究物质的表面结构、内部结构、动态结构等。结构分析可借助于现代波谱技术和衍射分析来进行，最直接的测定是晶体结构分析，它可分为两类，即x-射线衍射分析和显微成像方法。能“看到”原于的原子层次分辨的各种显微技术将会给结构化学家提供有力的武器，来探索生物大分子、细胞、固体表面等的结构和变化。1982年诺贝尔化学奖得主A．Klug开创了“晶体电子显微学”，并用于揭示核酸蛋白质复合物的结构。这种三维重构技术使电子显微镜的视野从二维空间发展到三维空间。A．M．Cormack发明了X-射线断层诊断仪(CT)用于医学诊断，获得1979年诺贝尔生理学或医学奖。总之在结构化学领域随着分析仪器和测定精度的日新月异，新型结构分析仪器的不断推陈出新，结构化学在21世纪将会大展宏图。生物大分子的结构研究过去主要依赖x-晶体结构分析做静态研究。由于实际上它们都是在溶液中发挥功能，而且它们的结构是易变的，所以20世纪后期用核磁共振谱法研究大分子在溶液中的动态结构引起人们重视(R．Ernst,1991年诺贝尔化学奖)。催化剂研究推动了表面结构研究，用STM或AFM以及其他谱学方法研究催化表面的结构以及催化过程，也都有重要成果。2．化学热力学这是物理化学中较早发展起来的一个学科。它用热力学原理研究物质体系中的化学现象和规律，根据物质体系的宏观可测性质和热力学函数关系来判断体系的稳定性、变化方向和变化的程度。1968年L．nsager因研究不可逆过程热力学理论和1977年I．Prigogine因创立非平衡热力学提出耗散结构理论而分别获得诺贝尔化学奖，这标志着非平衡态热力学研究取得了突破性的进展。热力学第一、二、三定律虽是现代物理化学的基础，但它们只能描述静止状态，在化学上只适用于可逆平衡态体系，而自然界所发生的大部分化学过程是不可逆过程。因此对于大自然发生的化学现象，应从非平衡态和不可逆过程来研究。21世纪的热点研究领域有生物热力学和热化学研究，如细胞生长过程的热化学研究、蛋白质的定点切割反应热力学研究、生物膜分子的热力学研究等；另外，非线性和非平衡态的化学热力学与化学统计学研究，分子分子体系的热化学研究(包括分子力场、分子与分子的相互作用)等也是重要方面。3．化学动力学化学动力学是研究化学反应速率和机理的学科。其主要目的是阐明化学反应进行的条件对化学反应过程速率的影响，了解化学反应机理，探索物质结构与反应能之间的关联。20世纪化学动力学有两大突破：一是的化学链式反应理论，获1956年诺贝尔化学奖；另一个是D．R．Herschbach与李远哲的微观反应动力学的研究，发展了交叉束方法，并应用于化学反应研究，获1986年诺贝尔化学奖。再测是A．H．Zewail用飞秒激光技术研究超快过程和过渡态。由于这一贡献，Zewail获1999年诺贝尔化学奖。化学动力学作为化学的基础研究学科将会在21世纪有新的发展，如利用分子束技术与激光相结合研究态态反应动力学，用立体化学动力学研究反应过程中反应物分子的大小、形状和空间取向对反应活性以及速率的影响，以及用飞秒激光研究化学反应和控制化学反应过程等。4．催化催化剂是化学研究中的永久的主题。催化是自然界存在的促进化学反应速度的特殊作用，生物体内产生的化学反应均藉助于酶催化。生物催化如此定向、如此精确地进行着，至今人们还难于模拟酶催化反应。催化剂是一种加速化学反应而在其过程中自身不被消耗掉的物质，它可使化学反应速度增大几个到十几个数量级。只要有化学反应，就有如何加快反应速度的问题，就会有催化剂的研究。在化工生产(如石油化工、天然气化工、煤化工等)、能源、农业(光合作用)、生命科学、医药等领域均有催化剂的作用和贡献。根据催化剂的物理和化学性质，可将其分为以下几类。(1)多相催化 这类催化剂是固体材料如分子筛、金屑、金属氧化物、硫化物等。催化反应发生在固-气相的界面上，大部分化学工业流程均为多相催化，如合成氨、石油催化裂化等。(2)均相催化 这类催化剂通常是含有金属的复杂分子，催化反应在气相或液相中进行，催化剂和反应物均溶解于气相或液相中，如烃烯聚合，茂金属催化等。(3)光催化 吸收光能促进化学反应，如光合作用。(4)电催化 利用化学方法使电极表面具有催化活性。(5)酶催化和仿酶催化 酶在生物体内起着重要的催化作用，同时酶也可用于工业生产，如用酒曲造酒。酶是一种高分子量的蛋白质，天然酶的结构测定以及催化活性与机理研究是21世纪催化研究的前沿领域，也是一项十分复杂和棘手的工作，有待各个学科交叉(化学、物理和生物)配合研究和仪器与方法的创造。模拟金属酶是模仿酶的活性中心，即模拟其中某些活性氨基酸与金属的配位设计合成配合物，形成配位催化，以简化和模仿酶催化过程。由于酶的结构十分复杂，搞清楚酶催化过程，决非短期研究能解决。但酶活性中心的结构信息引起人们的关注，企图仿照天然酶人工制造化学酶。这是设计和合成新催化剂的一个新途径。如不对称催化氢化的手性催化剂就是利用铑或钌的手性配合物，使脱氢氨基酸催化氢化成光学活性的a-氨基酸，其对映选择性与酶催化的结果可相比美。模拟酶催化领域在21世纪将会有重大突破。在20世纪，尽管化学家们研制成功了无数种催化剂，并应用于工业生产。但对催化剂的奥妙所在，即作用原理和反应机理还是没有完全搞清楚。因此科学家们还不能完全随心所欲地设计某一特定反应高效催化剂，而要靠实验工作去探索，以比较多种催化剂的性能，筛选出较好的催化剂。所以研究催化剂及其催化过程的科学，还将进 一步深入和发展。用组合化学法快速筛选催化剂将是21世纪的重要研究课题。5．量子化学20世纪量子力学和化学相结合，对化学键理论和物质结构的认识起着十分重要的作用，量子化学已经发展成为化学以及有关的其他学科在解释和预测分子结构和化学行为的通用手段。20世纪中量子化学曾经将化学带入一个新时代。在这个新时代里实验和理论能够共同协力探讨分子体系的性质。如从1928年L．C．Pauling提出的价键理论，R．S．Mulliken的分子轨道理论，到H．A．Bethe的配位场理论，R．B，Woodward和R．Hoffmann的分子轨道对称守恒原理，福井谦一的前线轨道理论，一直到1998年诺贝尔化学奖得主W．Kohn的电子密度泛函理论和J．A．Pople的量子化学计算方法和模型化学(Model Chemistry)。这一发展过程整整化了70年的时间。纵观量子化学发展的历史过程，不难看出，只有量子力学基本原理和化学实验密切结合，量子化学的理论研究才能不断出现新的突破和开创新局面。现在根据量子化学计算可以进行分子的合理设计，如药物设计、材料设计、物性预测等。20世纪中有人预见以量子化学为基础可以解决和认识化学实验中的所有问题。但是目前尚未形成研究分子层次的统一的理论，对许多化学现象和问题还不能用统一的理论来归纳、理解和认识。如分子的平衡性质和非平衡态，反应的过渡态和反应途径，分子-分子体系的相互作用等，都有待于从化学实验结果提高到理性认识。能否出现化学的统一理论，将有待于化学家们的创造和努力。