化学_发现与创造的科学_国际化学百年发展启示

化学:发现与创造的科学

——

—国际化学百年发展启示*

白春礼

（中国科学院北京100864）

*收稿日期：2011年1月5日

摘要本文从化学百年来发现与创造的若干事例介绍了化学科学的发展，从对学科本身的发展，对其它学科的促进，特别是对近百年来人类社会物质文明进步的贡献出发，提出了化学发展给我们带来的重要启示；介绍了近年来中国化学的快速发展；提出了新时期面对能源、资源、材料、环境等重要挑战问题，化学应该如何创新和发展。

关键词化学，国际化学年，发现与创造，化学创新，绿色化学，可持续

DOI：10.3969/j.issn.1000-3045.2011.01.001

国际化学年

International Year of Chemistry

化学是研究物

质的结构、性能和转

化过程的科学，更是

创造新物质、探索新

应用的学科，它与数

学、物理和生物等学

科构成了自然科学

的基础。百年化学的

发展表明，它在创造

奇妙的新物质方面

起到了核心作用，是开启物质世界中“取之

不尽”的资源宝库的钥匙；同时，化学科学的

发展与人类社会的发展同行，对于科学与社

会的不断进步和人类物质生活质量的不断

改善与提高，都发挥了无可替代的作用。

2008年12月30日，联合国第63届大会通

过议案，将2011年作为联合国“国际化学

年”，其主题是“我们的生活，我们的未来”，

以纪念和表彰化学对于知识进步和经济发

展做出的重要贡献（图1）。国际纯粹与应用

化学联合会(IUPAC)

表示，“国际化学年”

将在全球范围内对化

学科学的发展起到促

进作用[1]。

我国近代化学发

展虽晚于西方，但在

百年的发展中也产生

了一些有影响的工

作，特别是经过近30

年的发展，已进入世界化学大国的行列。在

强调科学发展、可持续发展的今天，化学家

应关注更广、更深层次的化学问题，应更加

注重低能耗、低排放直至零排放、资源的可

再生和循环与综合利用、开发新型能源和绿

色产品等一系列目标的实现。我相信，化学

作为一门“中心科学”，它的贡献应该而且必

将会得到更加极致的体现。

1百年化学带来的启示

回顾化学的发展历史，19世纪化学各

种学说的提出推动了化学的继往开来，如

中国科学院常务副院长白春礼院士

国际化学年

I n t e r n a t i o n a l Y e a r o f C h e m i s t r y

1811年“分子”概念的引入成为整个化学的

基础和发展源泉；1869年门捷列夫在批判和继承前人工作的基础上，发现元素周期率，把化学元素及其化合物纳入一个统一的理论体系，对于化学和其他自然科学的发展起了重大指导作用。因此，化学的理论与实验相互促进，推动了化学的发展。近百年的化学也是如此，一方面化学的理论不断完善与发展，另一方面，在这些理论的指导下，化学家对组成分子的化学键本质、催化机理、分子间相互作用等的认识逐步系统和深入，以此为基础使得化学在发现与创造新物质的征程上更加如鱼得水，并逐步渗透到国民经济发展、人类生活改善以及国家安全保护的各个方面。

纵观百年来化学的发展，带给我们以下启示：

1.1化学理论的建立与完善，推动了化学

学科的发展

20世纪，化学完整理论体系的建立促

进了化学的日臻完善，特别是量子力学的发展给化学带来了新的生机。早在1927年

Heitler 和London 就运用量子力学研究了氢

分子的电子结构，该工作宣告了量子化学这门新学科的诞生。他们采用的价键理论强调通过量子力学来理解化学概念和规律，并成功地解释了Lweis 于1916年提出化学键的

电子配对理论。另外一种流行的量子化学方

法是分子轨道理论，它认为电子在整个空间是离域的，可以方便地应用到各种复杂的体系。密度泛函理论的提出促使量子化学方法获得了广泛应用，其具有里程碑意义。密度泛函理论通过引入交换关联近似，能够以较小的计算量获得比较准确的计算结果。

随着理论框架与计算方法的不断发展，理论与计算化学现已渗透到化学的各个分支以及物理、生物、材料等学科。从小分子反

应到生物酶催化，从复杂体系结构表征到功能材料理论设计，理论与计算化学都发挥着不可或缺的作用。迄今已有8位化学家因为在该领域的杰出贡献而获得了诺贝尔化学奖：鲍林的价键学说和杂化轨道理论（1954）；莫利肯的分子轨道理论（1966）；福井谦一的前线轨道理论、伍德沃德和霍夫曼的分子轨道对称守恒原理（1981）；科恩的电子密度泛函理论、波普尔的量子化学计算方法（1998）。

1.2化学是带来重大发明创造的中心科

学、赋予人们能力的科学，是打开物质世界的钥匙

作为自然科学的一个分支，化学有别于其他自然科学的是可以制造奇妙的物质。

化学发展的基础是合成化学，在过去的一个世纪，新分子和化合物的数目从几十万种增加到几千万种以上，成为“取之不尽”的资源宝库。以手性化合物为例，手性是自然界的基本属性，手性化合物对映体的分子量、分子结构相同，但如果空间排列形式不同，其性质可截然不同（图2）。上世纪50年代末60年代初，“反应停（沙利度胺）”悲剧促进了人们对手性药物的深入研究与

高效开发。2001年诺贝尔化学奖就授予了分子手性催化领域的三位杰出科学家威廉·诺尔斯（William S.Knowles ）、野依良治（Ryoji

Noyori ）和巴里·夏普莱斯（K.Barry

图12011年国际化学年图徽