化学科学科的未来

化学科学科的未来

1“mists行业”专论世界著名学术期刊《自然》的顾问兼编辑philipba在对许多世界著名化学专家的专题讲座后，撰写了一篇题为《化学专家知道什么》的专业书籍。设问的中心议题是:就绝大多数科学技术领域而言,化学已经成为具有关键作用的学科之一,是否意味着它仅仅是服务于一切需要借助于化学的科学技术的“工具”之一?学科本身是否还存在着某些重要问题有待于继续深入和突破?从而得出了公众对化学作为一门基础自然科学的认同程度和高校化学系生源质量下降均与此有关的结论。该文所论及的问题和学者们的真知灼见,对于新世纪化学学科的建设、发展以及化学教育的改革都有参考价值。根据访谈,Ball归纳出化学应当面对的六个方面的大问题,它们分别是:1.如何设计具有特定功能和动态功能的分子？2.生命起源的概念:思维和记忆的化学基础,以及生命的起源的起源问题。生命3.怎样制造未来在能源、空间或医药领域所需要的材料?4.什么是思维和记忆的化学基础?5.地球上的生命起源问题,以及在其他星球上出现生命的化学的前提条件。6.怎样才能够查明化学元素间所有可能的组合?2化学学科知识的发展没有全面考虑PhilipBall在这篇专论中所提及的化学大问题,涉及化学学科的很多领域,参与访谈的化学家们针对化学学科发展提出的意见和设想,视野开阔,很有前瞻性,但是未必非常全面。由于提出的问题具体,学术观点也很明确,虽然未能涵盖整个化学学科,仍然有助于人们从现代化学的众多成就中,辨明学科的发展主线和前进的轨迹。在思考或研究近期和长期的教改课题时,可以起到示范和提供启示的作用。未尽之处,应当是留给我们深入思考和想象的空间。2.1重新认识教学改革方案的实践计划根据中学教育和教学的任务,以及对学科基础和适应可持续发展要求的认定,在研究和设计教育和教学改革方案时,15~20年后的社会和科学技术可能达到的高度应当成为主要依据之一。就化学而言,Ball从访谈中归纳而得的六个大问题,大致描绘出了今后20年左右化学学科的主要面貌,因而这些看法应当有助于加深对高中化学课程标准提出的基础性、时代性和选择性原则的理解(尤其是在基础性和时代性原则之间关系和分寸的把握方面)。亦即在制定教学改革方案的具体实施计划时,不仅需要从科学技术的近期成就和社会实际状况中汲取养分,而且应当尽可能地顾及今后几十年的发展前景。如果能够做到这样,课程就会变得有着虎虎的生气,情感态度价值观的教育也就包含在其中了。2.2组分化学的概念因此仅仅满足于经典的活化分子有效碰撞理论和依据缺乏结构‘柔性’的锁钥关系而做出的分子设计,显然是难以完成这个学科任务的。Lehn近年来提出的ConstitutionalDynamicChemistry(组分动态化学)或AdaptiveChemistry(适配化学)思想,以及在这个思想指导下完成的一系列组成和结构都相当复杂的化学合成研究,从中可以隐约地看到解决化学合成领域中大问题的一线曙光。他在这个领域中的工作,不仅为他上个世纪80年代提出的化学信息论提供了新的实验证明,而且大大拓宽了关于分子结构与性能关系的视野,恢复了分子中所有组成间的相互结合既具有必需的“稳定性”,同时也存在成为“独立而且自由”的新分子组分的“灵活性”的本来面目。不仅使得诸如分子重排和反应机制可以随溶剂及其他条件而变等过程的化学实质变得更加容易理解,而且预示着它可能是更加符合化学现象实质的一种认识。其实在初等化学中也不乏这样的例子。例如H2SO4在酸碱中和反应、氧化还原反应、磺化反应中,和CH3COOH在酸碱中和反应及酯化反应中的不同表现,一直属于难以理解或解释的化学现象之一。依据组分动态化学的认识,当分子不再是“僵硬”的原子结合体,而是可以“任意”拆分的组分集合体时,问题也就迎刃而解了。这个概念的建立,深化了我们对分子的认识,化学结构式不仅是一种能够形象地表明原子在分子中的空间位置和结合方式的化学语言,还可以直观地提示分子拆分为组分时的多种可能性,从而为化学创新思维提供了比较符合实际的理论依据。这种类似于“变形金刚”的分子,应当比结构“僵硬”的分子更为中学生们所喜爱。2.3稀有气体化合物家族的化学结构理论例如生物体系所特有的精致而灵巧的制备与复制、信息传输、放大、存储和反馈等功能的实现,可视为具有特定功能的有序分子组合和对外来信号准确而实时的应答的原因。这就要求在传统的物质性质之外,赋予化学物质的分子(包括与分子同层次的其他物种,如离子、自由基、准分子等)以信息物质所特有的基本特性。隨着相应的理论方法和实验技术的发展,用以表述有关过程的物理概念和化学语言体系,将进一步更新和充实。正如RoaldHoffmann所指出的那样,“不能把宇宙还原为少数几种基本粒子或者是数以百计的元素,应当扩展到所有可能被合成出来的数量无限的分子。因此分子可能具有的结构和性能是难以穷尽的。”相对于数量级达到1014量级的化学物质来说,经典的化学结构理论将无法满足对大多数新分子结构的推测和合理解释的要求,遑论准确地推测新分子的结构和主要性能了。稀有气体化合物家族的“繁衍”、C60发现时对其结构的难以认定、超分子化合物中底物和受体间作用力的本质(不仅具有方向性、饱和性,而且具有智能化的分子识别能力)等,不过是我们在20世纪化学发展过程中曾经感到困惑和“尴尬”的部分实例。重要的是,它反映了我们对于经典化学结构理论不完备性认识的不足。2.4化学体系的完善和对化学学发展的意义但是由于存在着对结果的重视程度经常高于过程的思维惯性,加上物质体系的化学变化细节间存在千差万别的客观现实,以及现有理论手段的不够得心应手等因素的制约等原因,反应动态学已经成为化学学科发展的瓶颈之一。这正是AhmedZewail把它列为化学大问题之一的缘起。遗憾的是,在现行化学本科教育中这个领域仍然是最薄弱的一环,理论教学和实验配置远远不能反映出这个最富有挑战性的领域的实际状况。关于现有化学理论的不够成熟或不够完备,JohnMeurigThomas以化学键的一般原理在特殊的分子中经常会遇到必须做出新的规定或修改的情况为例,进一步指出:“如果想找到一个能够普遍适用于酶、材料、表面等等的催化理论是一件荒谬可笑的事情。”现状确实如此,目前对于绝大多数化学反应体系有关过程细节的了解,仍然处于推测多于实证的水平。飞秒化学和发光水母蛋白所以能够入选近期的诺贝尔化学奖,当与此有关。基于初等化学教学的任务和要求,化学反应动态学在高中化学课程标准中几乎没有涉及,依然保持在经典化学动力学的水平上。这种处理在目前应当认为是合理的,但是形式动力学并不能反映化学体系内部的实际过程。反应速率和化学体系平衡态的理论,对于化学工艺(包括特定的分析检验规程)的制定和优化,是必要的,但是对于解决未知过程的预见性则几乎无能为力(属于化学学科中尚未解决的大问题之一)。目前在中学化学中涉及的化学反应主要是始态和终态都完全确定的体系,其理论基础为平衡态热力学。热力学判据的可靠性也只限于体系所处状态和最近邻平衡态之间的过程方向,亦即可以预见到体系将从哪个方向自发地趋向该平衡态(包括在反应条件变化时平衡状态的移动方向)。对于未知体系以及含有多个平衡态的体系,由于终态的不确定或无法确定,现有的热力学判据显然是无能为力的,何况它们原本只适用于无外场(引力场除外)作用下的体系。在适当的外场作用下(如光、超声、磁等),化学体系将都能够被激活并发生化学变化。由于反应过程对条件非常敏感,反应产物将随条件而改变,因而理论预测几乎难以做到基本准确,再次表明了化学目前仍然是一门实验科学的实际情况。所以在充分肯定发展理论方法的重要性的同时,重视实验方法和技术的发展和改进仍然是化学学科的主要任务。当人们日益关注原子分子层次的化学现象,以及纳米技术逐渐在多个领域中崭露头角之时,这个趋势将会越来越明显。初等化学教学中的实验教学的重要性和着重点应当从中获得启示。简单仪器的使用和基本操作的训练仍然必要,但是更应该着重于科学精神和科学习惯的培养,没有必要过分追求操作技术的娴熟,何况大多数学生将来并不从事与化学实验室有关的职业。2.5增加和加强对化学知识和实验方法的学习和培训,为中等化学教学改革的持续发展提供必要的条件除此之外,中学化学师资的在岗培训,包括目标、内容和方法的改革,更是迫在眉睫。为了提高初等化学的教学质量和进一步落实三维教育目标,为了启发和培育青少年学生的创新意识和为他们的探究和创新活动提供必要的指导,应当适当地增加或加强对与化学相关领域的基本知识和实验方法的学习与培训,从而为初等化学教学改革的持续发展和实现师生在学习和探究活动中的互动准备必要的条件。2.6“应用型”学科所体现的科学属性,也体现在化学学科中一个时代重要的创新空间认识到化学将在理论和实验方法与技术两个方面都将得到发展,并且和社会发展及人类生活之间的关系将越来越密切。不仅有利于更加深刻和细致地认识生命和有关过程,而且直接针对着当前社会发展中迫切需要解决的资源、能源、环境、信息、材料和医药卫生等关键问题。化学不是附属于其他学科或技术领域的“应用性学科”,它保持着明显的自然科学属性。化学和其他科学技术领域的关系密切,能够适时提供符合需要的新物质新材料和新的分析调控技术等等,不是化学是一门“中心科学”的惟一注解,甚至不是最符合学科本质的注解。从Ball文中归纳得出的大问题可以看出,化学对物质世界本质的探索,不仅是化学本身发展的需要,也是其他相关领域得以持续发展的基础。它们和物理学和生物学中的大问题一样,需要在理论、概念、