求一篇关于 化学与社会 的文献

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第13 卷总61 期
1995 年第4 期
·专论·
科学·经济·社会
SCIENCE ECONOMY SOCIETY
化学的社会功能
陈德棉刘云朱光美
Vol. 口, Sum No. 61 NO. 4, 1995
化学,主要是研究物质的组成,结构和性质（包括物理性质、生物活性、新技术性能等非化学性质）；研究物质在各种不同聚集态下、在分子与原子水平上的变化和反应规律、结构和各种性质之间的相互关系,以及变化和反应过程中的结构变化、、能量关系和对各种性质的影响〔口.并根据物质的组成、结构与性质之间的关系,合成出各种需要的化茅物质.
可以预期,化学将有可能达到人们向往已久的分子设计与分子工程的水平,使人们能够根据化学所积累的大量信息,运用计算机,设计出具有指定结构和性能的化合物,并选择出最优的合成路线,合成与改造出人们需要的各种物质.化学和生物学的相互渗透预计可进入一个高潮时期,光合作用、酶的化学模拟以及生物膜的模拟将有可能取得重大进展,有可能逐渐实现人们向往已久的在分子水平上了解生命过程,与此同时,太阳能的化学利用以及一些新概念、新技术的采用有可能使催化过程和化工分离出现一些革命性的突破.这些突破将会改变人们的生活方式并给人类带来幸福,这些突破将会给工业带来革命,这些突破需要化学家的辛勤劳动并需要社会各界的理解和支持.
一、化学工业是各国国民经济的重要支柱
由于化学能满足人们的需要,因此化学工业已成为各国国民经济中的重要支柱.例如：美
国化学品及其有关产品工业,雇用着一百万人员,年出口量达1750 亿美元, jg 美国赢得每年
约165 亿美元的国际贸易顺差m .英国,化学工业的年产值约21 万亿英磅（约占英国总产值
的9% ） ,井有出口顺差25 亿英磅〔飞日本化学工业品的国际贸易顺差更高达461 亿美元,原
联邦德国及法国的化学工业品的国际贸易顺差也分别高达326. 3 亿马克和257 亿法郎山.在
我国,目前化学工业已丘,为我们支撑工业之一.1988 年,化学工业总产值占全国工业总产值
的6. 川,s. 1991 年,增加到8% .〔0
二、增产食物
用有限的土地资源去养活不断增长的人口是人类面临的一个严峻问题.而对于中国来说,
需用占世界总耕地面积的7% 去养活占世界22% 的人口,使问题显得尤为突出.
据统计,全世界粮食因病、虫、草害而造成的损失达15%-30% ,而农药是控制灾害的
主要手段,了解生物体的生物化学能限制害虫的为所欲为,同时为保持有效的生态平衡开辟
道路.植物激素及生长调节物、昆虫撒素和生长调节物、昆虫信息素等研究都是现代农业化
学的重要标志.如果能够模拟植物的化学过程,使所有人类所需的食物能够在大型工厂中人
工生产出来,那么人类将根本上解决了食物的供应问题.虽然这段研究过程需要很长的历史
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时期,但是化学家正向这一目标逼近,目前的研究E向我们显示出了曙光.
三、增加能源
能源是当今社会的三大支柱之一,目前,人类的95% 的能源,要依赖石油、天然气、煤
和铀等“地壳能源”,随着人类经济活动的日益扩大,这些能源,特别是石油和天然气,总会
有宣告枯竭的一天.自七十年代以来,能源危机已一次又一沈地席卷着西方国家,今后,能
源危机将成为人类的一大困难.而在我国,能源供应紧张局面己持续了二十多年,自八十年
代以来,全国约有25% 的工业生产能力因缺能而不能发挥作用,影响产值近1000 亿元人民
币．能源工业已成为制约我国经济发展的“瓶颈”产业.
我国商品能源人均消耗量为八百公斤标准煤,仅为世界平均值的三分之－；而单位国民生产总值能耗则是其他发展中国家平均值的两倍．,是世界上最高的国家之一.因此,我们面临的的严重问题是z 能源短缺,利用效率低,浪费严重,污染：成害.而解决问题的途径往往来自化学.
增加能濡有两大途径,一是提高诸如媒、石油、天然气等现存的“地壳能洒”的使用率.二是开辟新能源诸如太阳能、生物质能、骸裂变和聚变能等新的能摞资源危煤及煤吁石等低热值燃料的有效和清洁利用在我国,煤是最丰富的,也是使用最多的能源资源,但是目前我国约有84% 的煤是被用于直接燃烧和利用它的热能,利用率仅为28% ,既造成浪费又给环境带来了严重的污染.煤
及煤研石是一种碳质岩石,要将其变成清洁和高效能源必须将其中的诸如硫等有害物质除去,
并将其气化或液也4 目前我们化学家的任务是要寻找经济合理的工业流程和合成与筛选高放催化剂.
石油的三级使用现在的开采方法．很多苟袖是不能开采的.初级开采主要靠安然压力．只能开来天然储量的10%--20% .第二级开来靠注入水、气、蒸气等使矿井重新活化,这样最多也只能开采出35% .三级开采需用新的化学方法,才能来到余下的可贵资掘,用初级采油法和次级采油法开采到的油,其成份也较合乎理想.但这种最佳级分一旦用光,我们将面对精炼分子量较高、含氢量较低,并含有其他碗‘氮、有机金属化合物等有害成份的重原油.石油的精炼技术需要进行一场革命.
生物质能
我国农村能源尤为匮乏,在业生产用能短缺40% .农民为生计所迫,不择手段地寻求一
切可燃之物．造成林木砍伐过量、植被破坏、水土流失加剧、桔杆不能还田,生态恶性循环.
细菌在缺氧的条件下能分解生物物质产生甲烧.它的H/C 比很高,为ι 估1r每年向大气中
释放的甲烧约相当于4二7 百万桶油.这神庆氧细菌分解法可以把垃极．农业下脚料或其他废
料转化为甲烧.它的困难是过程进行缓慢,对溶液的酸度又太敏感.研究甲烧生成的化学机
理及有机质的生物化学将有助于提出克服这些问题的战略.
太阳能
迄今为止,自然界最重要的利用太阳能方法是光合作用一一植物利用太阳能把二氧化碳
和水合成有机（含碳）化合物,并释放分子氧.如果在实验室里能成功的模仿这一过程,则
将是巨大胜利.目前,虽然在研究光合作用方面已取得很多进展,但距成功的目标尚远.使
用太阳能的另一突出贡献是,用电化学装置直接把阳光转化为电能或化学能.
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核能
当物理学家、化学家把原子弹带到人间的同时,也给人类提供了原子能.作为能源,这
似乎是取之不尽的.化学研究涉及到核能生产的各个方面,也涉及到放射废物的处理.一开
始,探寻铀矿就需要地质化学.其次在整个核燃料生产周期中都需要化学分离.
对于暂时存放核废料,需要回收的容器,我们需要研究在强辐射条件下的腐蚀化学.此
外,我们的分析技术必须大大提高灵敏度,才可能从探测新的铀矿床到环境中痕量有害物质
的监测,发现潜在的问题,预防灾难发生.最后我们对反应堆意外事件有关化学并不熟悉,这
需要我们现在就扩展这方面的知识,我们应预先估计到,在高压（约150 大气压）、高温（约
3000K ）蒸气、强辐射场中,一个陶瓷制器一旦被破坏,裂变产物将以何等速度泄漏出来.
聚变能
聚变反应器中,内壁表面腐蚀问题决定着能向等离子体注入多少杂质.器壁承受着强温
度梯度、单极电弧、中子损害及猛烈的离子表面相互作用.所有这些都用化学或物理方法消
除表面层.能适应核聚变反应器内各组分的材料,最先是用涂层难熔材料来试验.试验模拟
等离F 体所造成的环境,用尝试的方法,在某些方面是成功的,但不能复制整体环境在研究
高温下在等离子体和反应器组分间界面的物理及化学反应,也包括一些协同效应是极重要的,
它可提供材料选择的知识,无疑对聚变能的实用是有价值的.
四、发展新材料
材料是现代社会的三大支柱之一.“今后二十年间,我们衣、住、行所需要的材料将起很大变化.化学在各个学科领域中将起着日益增大的关键作用.因为进展要求我们能剪裁新的,包括聚合物那样的物质,以代替传统的或者稀缺的物质”.
聚合物作为结构材料
聚合物作为结构材料的潜力很大.化学建筑材料具有防水防腐、轻质高强、隔音消声、绝
热保温、加工成型方便等优点.发展化学建材对节约木材、降低能耗的作用十分明显.工程
塑料机械强度高,尺寸稳定,自润滑性能好,加工效率高,可用于飞机、汽车制造、机械、仪
表、电子、纺织等部门.无机复合材料可用于造船、化工车辆等.
聚合物的机械性能如何,可根据原始的分子数据、化学键及梅型原理等从理论上推导出
来.聚合物键的弹性,可根据聚合物键技、键角及用红外光谱测得的链实验扭曲力常数计算
出来.从理论上计算,聚合物的抗张强度还可以提高5 倍.实际上提高聚合物的性能还需要
有关研究工作去开发这种可能.
新型光学材料
光纤维
正象现代电子工业中,透明光纤中输出的光脉冲可以传输信息,其道理正和铜线中电子
脉冲能传递信息一样.生产高透明度石英纤维,是靠了新的化学蒸汽沉积法（CVD ）.从原理
上讲,新型光纤维可以把光信号传输横跨太平洋,而不需要任何中继站.但是,目前,尚有
许多实际问题尚待解决.
光开关
在发展新材料、新流程用以生产光纤以外,化学还在合成“活性”光装置方面起着重要
作用.这些装置可以开头、放大及储存光信号,和以硅为基片的装置可以处理电信号一样.目
前的光学装置以锯酸惶、呻化嫁铝为基础.后者则是从电子工业中脱胎出来,有很多材料具
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有非凡的光学性能；于性有机分子、液晶、聚乙快等都能比锯酸$里的光学行为更令人满意.在
这一领域中,实际应用的潜力很大.
新型导电材料
很多全新的电导固体家族正在被发现,只有化学家才有能力对这些家族分类,控制它们
的局部分子结构及分子特性.这些家族既有无机的也有有机的.
把聚乙快用适当的化学剂如澳、腆及五氟化碑（物理学家称这些为掺杂剂）处理后．聚
合物呈现出金属光泽,而且显现出导电本领比许多金属还强（仍不及铜）.对这种物质进行结
构研究表明,它的导电性能和对它分子结构的控制有关（反式结构的导电行为与顺式结构的
就不－样）.最使人惊奇的也是最突出之点,是聚乙快经过结构的调整（）｜民式或反式）和适当
掺杂剂的处理后,其电导可高达1014数量级.现在,有机化学已经有能力把导电性能与聚合物
的其他性能,如结构强度、热塑性、柔韧性等结合起来.聚乙：快可以被掺杂成为P 型半导体,
所以有机半导体及有机晶体管也已经制备出来.有机半导体的光性能,也可针对太阳光谱来
设计.因此有可能用聚合物制成廉价的有机光伏打电池,把太阳能转换成电能.
极端条件下所用材料
很多现代挂术每每受制于它的结构材料而不能充分发挥其作用,喷气发动机、汽车发动
机、核反应堆、磁流体发电机及宇宙飞船防护层等都属此类.研究新材料,使能承受更高的
温度是有很重要的经济意义的.
生产新型耐熔材料,现在已有了很多优良的合成技术.如离子注入法、燃烧合成法、悬
熔法、分子束外延法及等离子化学汽相沉积边等.最近激光技术用于合成也大获成功.
其他功能材料
生物功能材料、电气绝缘材料、新型包装材料、粘合密封材料、印刷用感光材料等等,均
具有重要的意义和价值.
五、悻益健康
化学正处于能对生理学、医学作出重要贡献的地位.近几年来,应用量子化学、分子力
学等理论方法,从分子和电子水平上探索药物的作用机理和构效关系日益受到重视.这些理
论研究为天然或合成的生物活性物质的结构改造及药物分子设计,提供了理论依据和新的思
路,有希望逐步开拓出－条理论研究与实验研究相结合的寻找新药的道路.
越来越高级的化学技术在不断地发展．能允许探索至今未了解其功能和机制的生理系统.
在许多情况下．可以鉴别出一些生化异常,这些异常导致了还没有任何治疗方法的疾病．这
样却为寻找有效的治疗剂开辟了研究的舞台.现在能够从极复杂的氓合物中分离出微量的、足
够纯度的生物活性化合物,并用先进的光谱技术阐明其结构.分析技术已经发展到允许测定
基因的核昔酸序列,以及从基因得到的生物学上重要蛋白质的结构.
六、改善环境
当代人们关心的一个大事,是在面临世界人口增加、人口日益密集（城市化）及生活水
准不断提高的情况下,保护和改善已经受到严重污染的环境．努力保持我们人类周围的生态
平衡.
保护和改善环境的有效战略是需要盲足够的知识和深刻的理解下列问题：
在我们的空气、水、土壤和食品中．已经严重存在着哪些污染和存在着哪些潜在的、不
受欢迎的物质?
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这些物质来自何处?
有什么办法能用来治理这些污染或减轻与控制污染?
要回答这些问题,化学首当其冲.
七、加强国防
国家安全取决于国家保卫自己并制止和防止武装对抗的能力.在这些方面,化学一“中
心科学”一也起着决定作用.
战略材料和急需材料
当一种应用对于我们的国防有决定性意义时,所需要的材料就称为战略材料.当一种应
用对于我们的工业实力有决定性意义时,所需的材料称为急需材料.我们的国家安全的一个
重要组成部分,就是要识别那些其可得性可能因国外的政治发展而受到l 限制或断绝的战略材
料和急需材料.那些能导致产生新材料和替代材料的基础研究领域．增加了我们在这样的断
绝事件发生时的选择机会它们为国防投资提供了适当场所.
新的防御体系和武器的可能性在很大程度上取决于用来制造它们的新材料的发明与发
展.先进的武器需要那些比现有材料更轻、更牢固、更硬和更廉价的材料.新材料的探索和
化学研究有着千丝万缕的联系,它们都需要在分子水平上了解材料的行为,也需要合成新的
化合物.新材料的有效加工要求发展在线的化学分析技术.
监视与情报
化学工艺的很多重要应用是预防或尽早警报武装冲突.实例有：发展传感器以识别火箭
烟.::1 或高爆炸现象；利用中子和r 发射数据、仪器化和技术进行防E监视,以保证能防止核材
料扩散和控制核材料p 分析来自核事件的故谢性碎片；以及发展一些能识别从各种可能与军
事有关的化学过程产生的特定痕量化学品的方法.这些技术在监视方面显然很有意义,所产
生的分析工作和模式化工作．对我们预防武装冲突的防御态势有很大影响.
核动力和核武器
核化学家在核能计划中起着不可缺少的作用.一个重要实例是超铀元素的化学研究.
高速化学： 炸药和燃料
用于推进和弹药的改进燃料和炸药合成对于我们国防安全具有十分重要意义.
防御的新前沿防御的新方向包括增加以下的研究重点：精密检测、能与其官武器相抗衡的可靠的防卫武器,以及高技术武器,包括化学激光在内.在这些发展中,化学起着重要作用.例如,以光谱为基础的检测方案,以轻质聚合物为基础的材料,隐蔽涂料和耐激光涂料.
八、结论
化学是一门中心科学,在为全人类提供食物,开发新能源,提供穿衣和住房,为日益减少或稀缺材料提供可再生的代用品,在傅益健康和征服疾病以及监视和保护环境,在增强我们的国防实力和保障国家安全等方面,都起着关键性作用.
化学工业是一种甚高技术工业,它依赖于现代化的生产流程、最先进的仪器设备和最新颖的构思飞飞在国际市场中我们的化学工业品的市场竞争力主要依赖于我们在化学科学中能否保持领先地位.对国家前途来说,没有其他基础科学领域会比化学能获得更安全的投资 .化学工业进步有赖于化学学术界从基础、应用以及为开发新产品而进行的开发研究,有赖于化学学术界来培养人才.从新化合物的合成、结构与性能研究到新药物的筛选,从新农药的合成到为制造化肥用的氨和硝酸的生产,从计算器和手表液晶显示用的新有机化合物到铀化合物进行后处理制造核动力工业用的新燃料棒,从新催化剂的合成、结构与性能研究到新的化学工业流程,从化学仪器的研究到化学工业生产的在线分析,等等,无不是跨越整个化学综合学科范围的研究.学术研究所需时间虽然较快,从一种科学发明到实际应用要经历好几年,甚至在某些情况下,先进工业所依赖的纯科学基础是很隐蔽的,但是没有这种基础就不会有现代化学工业进步和现代的社会文明.