化学是怎样使世界变得更加绚丽多彩的

【专家解说】：1.化学对人类物质基础的作用 化学的研究对象是物质，研究物质组成与结构和性能的关系，研究物质转化的规律和控制手段。在此基础上，实现物质的人工转化和合成;并且对生活、生命和生产中的化学过程实现按需调控。 进入20世纪以来，人类开始遇到人口增长、资源匮乏，环境恶化等问题的威胁。不过在过去100多年中，化学以其理论和方法通过分析、合成和控制化学过程等手段，在解决这些问题时起到了核心和基础作用。 化学之所以在20世纪中成为解决人类进步的物质基础的核心科学，主要有三个原因。 ①化学不但能够大量制造各种自然界已有的物质，而且能够根据人类需要创造出自然界本不存在的物质。最初还认为生物体内的生物物质不可能人工制造，但是1928年尿素的合成打破了不能人工合成生物物质的思想禁锢，在这以后合成化学获得了大发展。最为突出的成果是模拟天然高分子的合成高分子材料(如合成橡胶、合成纤维和塑料)。它们不但为人类吃穿用提供了大量适用的材料，而且使化学家能够在认识聚合反应和聚合物结构与性质关系的基础上迈向蛋白质、核酸等大分子的合成。这为研究后者的结构-功能关系打下基础。 目前这些生物大分子的合成已经在一定程度上“自动化”，并与生物学中的PCR技术一起构成制造和创造生物大分子的核心技术。 ②化学能够提供组成分析和结构分析手段，使人们能够在分子层次上认识天然的和合成的物质与材料的组成和结构，掌握和解释结构-性质-功能的关系，并且能够预测某种结构的分于是否可以存在?在什么条件下存在?有了这些基础，化学就能针对需要“裁剪”和设计分子。 ③化学掌握了决定化学过程的热力学、动力学理论，并用于解决生产和生活问题;而且能从理论上指导新物质〔如催化剂)和反应新条件(如高压、高温、超临界状态)的设计和创造，从而能够达到大自然所不能达到的目标。 2. 化学在相关学科发展中的作用 (1)化学研究带动其他学科的过程研究[3]。化学研究使人们逐渐掌握了物质变化的规律和各类化学反应的机理;也使人们能够在掌握化学反应的时空变化规律的基础上认识化学过程，揭示自然界物质变化的本质。这方面的研究是工业、农业、环境保护、能源等方面科学研究的推动力。在各个方面，化学与其他学科融合之后分化出许多研究各种化学过程的学科。例如，化学引用化学热力学、化学动力学的概念和方法与土壤学融合，研究土壤中物质转化和迁移规律，发展了土壤化学;同样，引用化学热力学、化学动力学概念和方法，研究水体中物质转化和迁移规律诞生了水化学。接着，水化学和土壤化学又进一步在解决水体、土壤中有害物质的转化和迁移问题上发挥其重要作用，成为环境化学的基础。河流和港湾的泥砂淤积过程从用惰性微粒加情性流体的物理模型发展成为活性微粒加活性流体的物理化学模型;光化学雾形成和大气臭氧层消失从单纯现象的观察、宏观测量以及来源的寻找，发展到认识机理，跟踪、模拟和控制过程，如此等等，都是化学推动的结果。 可以说，化学过程无所不在。今后还要用化学研究解决过程控制的问题。例如，所有材料(从天然材料如皮肤、骨、橡胶等到合成材料如塑料、合成纤维等)的老化和降解是极其普遍的自由基参与的氧化过程.需要用化学研究过程的本质，设法阻止和推迟其进程。 (2)化学带动了材料科学的发展。从利用天然材料到创造和利用合成材料是人类历史中的一大关键性进步，是化学发展的里程碑。从萌芽时期起，化学家就积累了不少制备与合成化学物质的经验，而后总结这些经验形成了化学合成理论和技术，发展成为合成化学。到40年代以后，以模仿生物材料(如橡胶、蚕丝等)为目标的高分子合成以及作为它的基础的聚合反应研究蓬勃发展，成为现代材料科学建立和发展的第一步。Ziegler-Natta催化剂是一个突破(1963年Nobel化学奖)，它实现了定向有规高分子的合成，是有序结构研究的极其重要的提示。做到控制聚合过程和聚合物结构就引起了后来的一系列重要进展，其中最为突出的是作为控制条件的催化剂研究。20世纪早期的材料研究大部分针对结构材料和基本材料。后来，功能材料成为热点，电子、航天、高速运输工具、快速通信等进展主要起端于象高纯单晶硅、光导纤维、耐极端条件的材料、各种能量转化材料和敏感材料等:在这些无机和有机功能材料研究中，化学是原始创新的龙头。只有掌握结构-性质-功能的关系以及合成和组装的化学过程，才能设计合成新的功能材料。半导体、液晶、分子筛等就是突出的例子。目前的智能材料研究方兴未艾，从传感器开始，进而研究仿生材料、仿生器件、能够工作的芯片，以及微流体技术(microfluidic technique)。在这里需要化学的不仅在于化学合成所提供的分子和材料，更重要的是依靠化学弄清工作原理以及功能和结构的关系。化学创立了研究物质结构和形态的理论、方法和实验手段，认识了物质的结构与性能之间的关系和规律，为设计具有各种特殊功能的化学品提供了有效的方法和手段。 3.化学对人类生存环境的作用 现代化学的发展, 除了造福于人类的一面之外, 还有危及人类生存的一面。 地球的资源储量是有限的，尤其是矿产资源、石油、天然气和煤。它们既是人类的主要物质资源，又是主要的生产原料。人类的不合理开发势必造成对生态环境的严重破坏。这已经成为全世界有识之士的共识。由于人类对资源消耗的急剧增加, 使得人类生存环境受到严重破坏。最典型的实例就是由于大量燃烧化学燃料(石油、煤炭、天然气)， 向大气排放大量的二氧化碳而产生的地球温室效应。温室效应已经引起了地球上一系列的气候反常，并且随着向大气排放的二氧化碳量的增加, 这种反常还将加剧。其次，由于世界每年约有大量的化工冶金产品，上百亿吨废物倾入地壳、江河、海洋之中以及滥用化学肥料、农药和除草剂等，造成土壤和水系环境严重恶化, 既会直接危害人类，又会扩散破坏生物圈，长期地影响着人类的生存。 化学在保护生态环境中处于不可替代的地位，起着独特的作用。要解决环境污染问题, 还得靠化学及其它工业自身的技术进步。当前要加强化工、冶金等大的污染源工业的生产过程和改善，走发展高技术含量的产业之路，开发“全消化”生产工艺，使工业废物减少到最低程度。其次是加强工业废物处理和监督，开发废物再利用的新技术，化害为利， 变废为宝，充分发挥化学的能动作用。 4. 化学对促进人类健康的作用 生命活动是最复杂的现象。在长期进化过程中, 人体已经形成一个高度自我调节的开放系统。化学物质通过人体的吸收和排泄而处于大循环中, 影响着人体的结构与功能。化学物质进入人体后, 不仅起营养作用, 还起调节、控制作用。人的生病和治病、衰老和疲劳以及脑活动与神经传导等, 无不与化学物质有关。缺少维生素会加速老化, 乳酸在肌肉内积累就会感到疲劳, 钙离子水平调节视觉变化等。在人体内既有有机物, 也有无机物; 既有生物大分子, 又有金属离子。它们可使一些生命物质激活或抑制, 形成连锁式的化学反应和相应的生命过程, 从而表现各种各样的功能。人体的物质素质和精神素质是相互影响的, 人体内存在着许多相互反馈的化学作用机制, 起着控制和调节局部乃至全身的作用。所以, 研究人体生命过程的化学机制与控制,具有重大的理论意义和实际意义。近年来发展起来的功能食品就是一种通过其所含特殊成分能充分显示身体的防御功能, 预防疾病和促进健康的工程化食品。主要包括防老化食品、抗肿瘤食品、糖尿病患者专用食品、老年护肤和护发食品等。之所以它具有多种特殊功能, 是因为它们含有多种生理活性物质, 如膳食纤维、抗肿瘤多糖、功能性单糖、多元糖醇和强力甜味剂、不饱和脂肪酸油脂、磷脂、酶类和非酶类自由基清除剂、多种维生素、硒、锗、铬、铁、铜、锌等多种微量元素。它能够通过改变膳食条件和发挥食品本身的调节功能来达到提高人类健康的目的。