现代高科技中的化学

何正开��

【中图分类号】 O6-6 【文献标识码】 A 【文章编号】 2236-1879（2018）11-0017-01

20世纪初，人类社会进入现代时期。自从近代（18～19世纪）化学基本理论形成后，化学作为一门真正意义上的现代科学得到快速发展，而在20世纪，化学的发展与成就更是突飞猛进，体现在高科技、工农业生产、军事和日常生活等诸多方面。

一.高科技中的化学成就

在20世纪的高科技领域，化学做出了许多巨大的成就，其中对化学理论的发展影响最大的是：电子云理论及其薛定谔方程式。

丹麦科学家尼尔斯·玻尔于20世纪初提出“玻尔原子模型”。此理论提出后，解决了当时化学研究中的很多难题，人们都认为它是完美的，直到奥地利科学家薛定谔提出新理论。

薛定谔在实验中试图测量电子的运行轨道，但经过多次测量，却发现电子的速度与具体位置这两个数值不可能同时都测准。于是，他改用另一种方法来研究核外电子的运动。

1926年，薛定谔在德布罗意关系式的基础上，对电子的运动做了适当的数学处理，提出了著名的薛定谔方程式。这个方程式的解，如果用三维坐标以图形表示的话，就是“电子云”。

电子云是近代对电子用数学统计的方法，在核外空间分布方式的形象描绘，它的有区别于行星轨道式模型。电子有波粒二象性，它不像宏观物体的运动那样有确定的轨道，因此画不出它的运动轨迹。我们不能预言它在某一时刻究竟出现在核外空间的哪个地方，只能知道它在某处出现的机会有多少。为此，就以单位体积内电子出现几率，即几率密度大小，用小黑点的疏密来表示。小黑点密处表示电子出现的几率密度大，小黑点疏处几率密度小，看上去好像一片带负电的云状物笼罩在原子核周围，因此叫电子云。

电子云模型以及薛定谔方程式的提出，化学进入了崭新的量子化学时代。薛定谔也因此名垂青史。

二.工农业生产中的化学贡献

在20世纪，化学不仅仅在理论上取得巨大成就，在工农业生产中也作出了突出的贡献：

1. 弗里茨·哈伯与合成氨。

在化学发展史上，有一位化学家，虽早已长眠地下，却曾给世人留下过关于他的功过是非的激烈争论。他就是本世纪初世界闻名的德国物理化学家、合成氨的发明者弗里茨·哈伯（Fritz Haber）。

一些有远见的化学家指出：考虑到将来的粮食问题，为了使子孙后代免于饥饿，我们必须寄希望于科学家能实现大气固氮。哈伯就是从事合成氨的工艺条件试验和理论研究的化学家之一。

以锲而不舍的精神，经过不断的实验和计算，哈伯终于在1909年取得了鼓舞人心的成果。这就是在600℃的高温、200个大气压和锇为催化剂的条件下，能得到产率约为8%的合成氨。在此后的两年间，他又进行了多达6500次试验，测试了2500种不同的配方，最后选定了含铅镁促进剂的铁催化剂。

合成氨生产方法的创立不仅开辟了获取固定氮的途径，更重要的是这一生产工艺的实现对整个化学工艺的发展产生了重大的影响。鉴于合成氨工业生产的实现和它的研究对化学理论发展的推动，决定把诺贝尔化学奖授予哈伯是正确的，哈伯接受此奖也是当之无愧的。

2. 侯德榜与联合制碱法。

侯德榜，1890年8月9日出生于福建闽侯（今福州），自幼勤奋好学。 1903～1906年，在姑妈的资助下来到福州英华书院学习，期间他目睹外国工头蛮横欺凌我码头工人，耳闻美国的旧金山种族主义者大规模迫害華侨、驱逐华工等令人发指的消息，使之产生了强烈的爱国心。1907—1910年，就读于上海闽皖铁路学院，毕业后在英资津浦铁路当实习生。1913年，侯德榜以十门功课1000分的成绩被保送到美国麻省理工学院化工科学习。

碳酸钠（Na2CO3）用途非常广泛。虽然人们曾先后从盐碱地和盐湖中获得它，但仍不能满足工业生产的需要。1862年，比利时人索尔维（Ernest Solvay 1838—1922）发明了以食盐、氨、二氧化碳为原料制取碳酸钠的“索尔维制碱法”（又称氨碱法）。氨碱法使生产实现了连续性生产，食盐的利用率得到提高，产品质量纯净，因而被称为纯碱，但最大的优点还在于成本低廉。

侯德榜决心打破西方人的垄断。针对索尔维法生产纯碱时食盐利用率低，制碱成本高，废液、废渣污染环境和难以处理等不足，他经过上千次试验，在1943年研究成功了联合制碱法。这个新工艺是把氨厂和碱厂建在一起，联合生产。由氨厂提供碱厂需要的氨和二氧化碳。母液里的氯化铵用加入食盐的办法使它结晶出来，作为化工产品或化肥。食盐溶液又可以循环使用。这方法把世界制碱技术水平推向了一个新高度，赢得了国际化工界的极高评价。

侯德榜先生一生勤奋好学，虽工作繁忙却还著书立说，其中最著名的两部是《纯碱制造》和《制碱工学》。

《纯碱制造》一书于1933年在纽约列入美国化学会丛书出版，这部化工巨著第一次彻底公开了索尔维法制碱的秘密，被世界各国化工界公认为制碱工业的权威专著，同时被相继译成多种文字出版，对世界制碱工业的发展起了重要作用。美国的威尔逊教授称这本书是“中国化学家对世界文明所作的重大贡献”。

《制碱工学》是侯德榜晚年的著作，也是他从事制碱工业40年经验的总结。全书在科学水平上较《纯碱制造》一书有较大提高。该书将“侯氏制碱法”系统地奉献给读者，在国内外学术界引起强烈反响。

三.军事中化学的负面影响

发达的科学都有两面性。在20世纪，化学除了给人类带来巨大福祉之外，还给人类制造了灾难，最主要的一个方面就是化学武器。

真正意义上的化学武器诞生于第一次世界大战，氯气被人悄悄地投入了战场，直接参与了一场空前的屠杀，造成了人类史上第一次大规模的化学战。

二战后，人类并没有停止使用化学武器。越战、两伊战争中，均有无数军人和平民遭受其害。

化学作为一门先进的科学技术，愿它在将来多多造福于人类。