术概论第三讲 化学与其他学科的关系

1、第三讲 化学与其他学科的关系,化学与材料科学 化学与生命科学 化学与能源科学 化学与环境科学,化学与材料科学,材料是指经过某种加工(包括开采和运输)，具有一定的组成、结构和性能，适合于一定用途的物质，它是人类生活和生产活动的重要物质基础。当今国际社会公认，材料、能源和信息技术是新科技革命的三大支柱。,化学与材料科学,一种崭新技术的实现，往往需要崭新材料的支持，反过来，先进的技术又促使了具有前所未有性能的新材料的诞生。现代的材料技术正同其它高技术互相支持、共同发展。 目前世界上传统材料已有几十万种，而新材料正以每年5的速度在增加。 化学元素周期表中已有90多个元素在工业上全部被采用。,化学与材料

2、科学,第1代材料自然的恩赐，石器、骨器等 第2代材料金属冶炼技术的发展密切相关，青铜、钢铁以及各种合金材料。金属成为主导材料。 第3代材料合成材料的时代。20世纪初发展起来的高分子材料，扩大了材料的品种和范围，推动了许多新技术的发展。,人类对材料的认识和利用，经历了一个漫长的探索、发展的历史进程。,化学与材料科学,第4代材料复合材料时代。近几十年来，新型无机非金属材料异军突起，发展极快，在材料世界中，和金属材料、有机高分子材料形成三足鼎立之势。复合材料在能源开发、电子技术、空间技术、国防工业和环境工程等领域中大显身手。,化学与材料科学,第5代材料智能化材料时代。本身具有感知、自我调节和反馈的能

3、力，即具有敏感（能感知外界作用）和驱动（对外界作用做出反应）的双重功能，如同模仿生命系统的作用一样。它能像人的五官感知客观世界；又能能动地对外作功，发射声波，辐射热能和电磁波，甚至促进化学反应和改变颜色等类似于生命体的智慧反应。,化学与材料科学,材料化学是研究材料的制备、组成、结构、性质及其应用的一门科学。它既是材料科学的一个重要分支，又是化学学科的一个组成部分，具有明显的交叉学科、边缘学科的性质，并且是材料科学的核心部分，具有明显的应用理科性质，在理论和实践上的重要性是不言而喻的。,化学是材料科学的重要基础学科之一；材料是化学的重要研究内容。,化学与材料科学,大量的科学实验证明，在给定的外界

4、条件下，若材料的化学成分固定时，材料的性能（力学、物理及化学性质）只取决于材料内部的结构和组织，即在材料的组成、结构与性能三者中，结构起着关键作用。不仅材料的化学组成对材料的最终性能产生重大影响，而且各种物理结构和形态也会对最终的使用性能起重要作用。这一方面为材料的研究和开发带来一些不利因素，但另一方面又为获得性能更加优异的材料提供了潜在的多种可能。这也是材料科学蓬勃发展的一个重要原因。,化学与材料科学,金属材料学是材料科学中最先形成的一个分支，也是构成当代材料科学的基础和骨架。金属材料学是研究金属材料的成分及制备工艺、组织结构、材料性能和使用性能这四个要素以及它们之间相互关系的科学。,纯金属

5、一般具有良好的塑性，但其机械性能往往很难满足工程技术等多方面的需要，因此金属材料常以合金的形式使用。,化学与材料科学,轻质合金以轻金属为主要成分的合金材料。强度高，质量轻，满足了人类航空、航天的梦想！已广泛应用的轻质合金有铝合金、铝镁合金、铝锂合金等。 形状记忆合金 称为 NT 合金 ，20 世纪 60 年代初期发现的，它是一种特殊的合金，有一种不可思议的性质，即使把它揉成一团，一旦达到一定温度，它便能在瞬间恢复到原来的形状。具有这种形状记忆效应的合金，除了镍钛合金外，还先后发现铜锌、金镉、镍铝等约 20 种合金，其中“记忆力”最好的是 NT 合金。可用于温度控制装置、集成电路引线、汽车零件与

6、机械零件外，由于其与生物体的相容性好、耐蚀性强，还可用于骨折部位的固定、人造心脏零件、牙齿矫正等医用材料。,化学与材料科学,储氢合金具有良好的可逆吸放氢性能的合金，是解决氢能规模储运的重要途径。 目前已知的储氢合金有镁一镍合金 、钐钴（SmCo5）合金 、镧一镍合金（LaNi5）等。提高储氢质量、加快吸氢速度、降低放氢温度、提高性价比是当前以至今后努力的方向。 磁性合金 具有能磁化到较大磁化强度并在实际中可利用其磁性的强磁性合金材料。磁性金属和合金一般都有磁电阻和巨磁阻现象。20 世纪 90 年代，人们在 Fe/Cu、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag 和 Co/Au 等纳米结构的

7、多层膜中观察到了显著的巨磁阻效应。在高密度读出磁头、磁存储元件和微弱磁场探测上有广泛的应用前景 。,化学与材料科学,现时的无机非金属材料，已不再仅是传统意义上的陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料通常所称的“硅酸盐材料”，而是涌现了一系列应用新技术的高性能先进无机非金属材料，也称“无机新材料”，包括结构陶瓷、功能陶瓷、半导体材料、新型玻璃、非晶态材料和人工晶体等除金属材料和高分子材料以外的几乎所有的材料。这些新材料的出现是无机非金属材料科学与工程学科近几十年来取得的重大成就，它们的应用极大地推动了科技的进步。,化学与材料科学,特种陶瓷 以碳、硅、氮、氧、硼等元素的人工化合物为主要原料，改进和发展传统陶瓷

8、工艺而获得的新型陶瓷材料。由于特种陶瓷的强度和韧性都有大幅度提高，克服了传统陶瓷性脆易碎的弱点，已成为受到普遍重视的一种重要的新型工程材料。又称工程陶瓷、精密陶瓷或结构陶瓷。按应用和发展大致可分为高强高温结构陶瓷、电工电子特种功能陶瓷和复合陶瓷3大类。 高强高温结构陶瓷强度高，特别是高温机械性能好，是优异的高温结构材料。优异的高温性能是一般金属材料乃至硬质合金也望尘莫及的，是高温发热元件、绝热发动机和燃气涡轮机叶片、喷嘴等高温工作器件的重要材料，还可用作高温坩锅、高速切削刀具和磨具材料。,化学与材料科学,电工电子特种功能陶瓷具有特殊的声、光、电、磁、热和机械力的转换、放大等物理、化学效应，是功

9、能材料中引人注目的新型材料。还是具有气敏、热敏、光敏、压敏、磁敏和半导体等效应的换能、传感功能陶瓷，更是特种陶瓷中的佼佼者。这类以金属氧化物为主要原料的特种功能陶瓷，已是能源、空间技术、计算机技术等尖端技术的重要功能材料。 复合陶瓷最近发展较快，主要有纤维增强陶瓷和金属陶瓷。复合陶瓷不仅强度、韧性和工艺性都有很大提高，而且还具有一些特异性能。如含钴粉的金属陶瓷，在高温时钴等金属吸热蒸发，降低基体温度，保证材料强度，是优良的火箭喷口和耐热壳体材料。,化学与材料科学,技术权威部门预测，新世纪开始，世界特种陶瓷平均每年以15%-20%的速度增长，到2010年，世界特种陶瓷市场的销售额，可望达到150

10、0亿美元左右。 特种陶瓷按原料组成可分为：氧化铁陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化钛陶瓷、氧化硅陶瓷、碳化硅陶瓷与金属陶瓷等。 特种陶瓷应用范围正从电容器、滤波器、点火器、磁头、高级烹调餐具、保温器材、医疗器械和通信器件等方面，迅速向航天、航空、卫星以及半导体芯片等高新技术领域进军。 我国已成功地采用多种方法制成陶瓷颗粒材料，其中有氧化锆、氧化铝、氧化钛、氧化硅、碳化硅、氮化硅等。同时，国家计委已将纳米碳酸钙、硅基纳米陶瓷粉及制品，列入国家组织实施的高技术产业化专项公告之内。,化学与材料科学,半导体材料 半导体的电导率在 10-3109。最常见的半导体材料是元素周期表中第族的硅和锗，还有周期表中第族和第族

11、元素形成的化合物半导体，如砷化镓等。在制造半导体单晶、薄膜和器件时，除了要求超净的工作环境、精密的控制系统之外，对原料纯度还有极高的要求。例如，有的半导体器件要求材料的纯度高达 13 个“9”，即 99.99999999999%，所以说，现代半导体材料和器件的本身就属于高技术范畴，制造半导体材料与器件是一项精密细致的系统工程。,化学与材料科学,激光晶体 激光技术是光电子技术的核心组成部分，而激光晶体是激光器的工作物质。作为固体激光器的主体，激光晶体发展成固体激光技术的重要支柱。激光晶体是由晶体基质和激活离子组成。激光晶体的激光性能与晶体基质、激活离子的特性关系极大。目前已知的激光晶体，大致可以

12、分为氟化物晶体、含氧酸盐晶体和氧化物晶体3大类。激活离子可分为过渡金属离子、稀土离子及锕系元素离子。目前已知的约320种激光晶体中，约290种（90）是掺入稀土作为激活离子的。,我国是稀土大国，具有丰富的稀土资源，但目前只能以低端原材料出口。国家已有相关政策已保护我们的稀土资源,化学与材料科学,高分子合成材料是以天然和人工合成的高分子化合物为基础的一类非金属材料。高分子材料具有原料来源丰富、价格低廉、加工方便以及具有橡胶弹性、强度高等独特的性能，使它获得了极其广泛的应用。现代的工业和日常生活都离不开高分子的三大合成材料合成塑料、合成纤维和合成橡胶。 合成塑料中，聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙

13、烯四大品种的总产量在亿吨左右。其他如透光性好的有机玻璃，称为“塑料王”的耐腐蚀塑料聚四氟乙烯，作为工程塑料的聚砜、聚碳酸酯、聚甲醛、聚酰亚胺和常用作泡沫塑料的聚胺脂等。合成纤维中，涤纶、晴纶、尼龙早已进入千家万户。合成橡胶中，丁苯橡胶和顺丁橡胶已部分代替天然橡胶。 高分子材料正朝着高性能化、功能化和复合化的方向发展。高性能化即通过高分子结构的控制，制备高强度、高模量、高耐热的高性能材料。功能化即制备具有导电、光学、分离、智能化等功能的高分子材料。复合化即通过纤维增强、高分子共混、融合化等达到新的功能和高性能。,化学与材料科学,高分子分离膜 一种高分子薄层物，有固态，也有液态。用于分离膜的高分子

14、材料主要有聚酸胺类、聚酸亚胺类、聚砜类、聚乙烯酸类、丙烯类衍生物聚合物及纤维素类等，有关的共聚物和共混物也可作为膜材料用。高分子分离膜现已广泛应用于核燃料及金属提炼，气体及烃类分离，海水及苦咸水淡化，纯水及超纯水制备，环境保护和污水处理，人工脏器的制造，生物制品提纯以及医药、食品、农业、化工等各种领域中。 功能高分子材料对物质、能量和信息具有传递、转换或贮存作用的高分子材料。功能高分子按其不同的功能又可分为： （1）具有化学活性的功能高分子，如高分子试剂、高分子催化剂、固定酶、离子交换树脂等； （2）具有光学性能的功能高分子，如感光树脂、光刻胶、液晶高分子等； （3）具有电学性能的功能高分子，

15、如导电高分子、热电高分子、光电高分子等； （4）具有导磁性能的高分子，如磁性塑料、磁性橡胶等； （5）具有声学性能的功能高分子，如声电换能高分子，吸噪声防震高分子等； （6）具有热响应性能的功能高分子，如形状记忆高分子等； （7）具有医疗作用的功能高分子，如高分子医药、高分子人工脏器等。,化学与材料科学,工程塑料具有优异机械性能、电性能、化学性能及耐热性、耐磨性、尺寸稳定性等一系列特点的新型塑料。工程塑料作为化工高新技术和新型材料，近年来已被广泛采用，以塑代钢、以塑代木已成为国际流行趋势。 工程塑料与金属材料相比有许多优点：容易加工；生产效率高；节约能源；绝缘性能好；质量轻，比重约 1.01.

16、4，比铝轻一半，比钢轻 3/4；具有突出耐磨、耐腐蚀性等，是良好的工程机械更新换代产品。 最近，化学家研制出了一种能代替玻璃和金属的耐高温高强度超级工程塑料。这种塑料是一种把硫基单位结合进塑料聚合体长链中的一种新型材料。有着惊人的抗酸碱腐蚀和耐高温特性。还能填充到玻璃、不锈钢等材料中，制成特别需要高温消毒的器具(如医疗器械、食品加工机械等)。,化学与材料科学,从 70 年代中期开始，一些耐热性能更好、抗拉强度更高的类似金属塑料问世了。一种商品名称叫做“Kevlar”的塑料，其强度甚至比钢大 5 倍以上，为此它成为制造优质防弹背心不可缺少的材料。 最近，美国杜邦公司研制成功迄今为止强度最大的塑料

17、“戴尔瑞 ST”。具有合金钢般的高强度，可以用来制造从汽车轴承、机器齿轮到打字机零件等许多耐磨损零部件。 耐高温、高强度塑料的一个潜在用途是制造塑料汽车发动机。这种塑料发动机的重量不到金属发动机的一半，噪声也要小得多。而且，由于这种发动机可以经过模压一次成型，大大减小了加工时间和成本。,化学与材料科学,复合材料就是把两种或两种以上的材料结合在一起，使之充分发挥特长而避开各自的缺点。这样，就诞生了许许多多性能优异的新材料。复合材料是一种多相多组份材料，通过分子间的优化设计和复合加工技术，可以在性能、应用范围方面更易于满足高技术领域发展的需求。,化学与材料科学,纳米材料 当粒子的尺寸小到10纳米左

18、右时，物质的性质会发生突变，出现既具有不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料。 如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。其次，不同类型的纳米粒子发生这种突变的临界尺寸是不同的，并且即使是同一种纳米粒子，呈现纳米材料的某些不同的特异性能所需要的临界尺寸也可能是不同的。,化学与材料科学,电学性能：金属为导体，但纳米金属微粒在低温由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性；纳米半导体材料的介电常数随测量频率的减小呈明显上升趋势，而相应的常规半导体材料的介电常数较低，在低频范围内介电常数的上升趋势远远低于纳米半导体材料；并且在低频范围，纳米半导体材料的介电常数呈

19、现尺寸效应，即粒径很小时，其介电常数较低，随粒径增大，介电常数先增加然后下降，在某一临界尺寸呈极大值。 熔点与烧结性能 ：纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体低得多。由于颗粒小，纳米微粒表面能高，表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，纳米微粒间是一种非共价相互作用，活性大，纳米粒子熔化时所增加的内能小得多，这就使得纳米微粒熔点急剧下降。,纳米材料的基本物理和化学性质,化学与材料科学,力学性能：由于纳米物质的巨大表面，纳米物质的力学性能也表现出许多特点。例如纳米陶瓷材料是近年来受到重视的一个领域，其特点是在一般陶瓷中添加少量纳米陶瓷粉，经烧结后其力学性能会有成倍的增加。例如在 A

20、l2O3陶瓷材料中加入少量纳米 SiC，其性能得到显著提高：抗弯强度由原来的 300400MPa 提高到 10001500 MPa；断裂韧性也提高了 40%，因此这一类材料将具有很好的应用前景。 光学性质 ：由于表面效应，使得纳米微粒的表面与内部原子的化学键的振动频率不同，结果使吸收峰变宽；并且粒径减小，粒子的折合质量减小，使吸收峰出现“蓝移”现象；再者，随着粒径的减小，对光的反射大大降低，当减小到纳米量级时各种金属纳米微粒几乎都呈黑色。 催化性能：纳米颗粒的巨大表面积和表面原子占很大比例这些特点；以及由于量子尺寸效应，固体费米能级 (固体中电子的化学势)附近的准连续的能级成为分立的能级，并且

21、禁带间距加大，从而赋予纳米粒子一系列奇异的光催化性能。,纳米材料的基本物理和化学性质,化学与材料科学,小尺寸效应 ：当金属或非金属被制备成小于一定尺度的粉末时，其物理性质就发生了根本的变化，具有高强度、高韧性、高比热、高导电率、高扩散率及对电磁波具有强吸收性等性质，为实用技术开拓了新领域。 表面效应 ：表面原子数随纳米粒子尺寸减小而急剧增大后引起的性质上的显著变化称为表面效应。纳米级结构尺寸减小，表面原子数迅速增加，比表面积、表面积及表面结合能迅速增大。由于表面原子数的增加、原子配位的不足必然导致纳米结构表面存在许多缺陷。表面原子所处的键合状态或键合环境与内部原子有很大的差异，常常处于不饱和状

22、态，导致纳米材料具有极高的表面活性，很容易与其它原子结合。纳米颗粒表现出来的高催化活性和高反应性，纳米粒子易于团聚等均与此有关。,纳米效应,化学与材料科学,量子尺寸效应 ：单个原子的电子能级是离散的，这是微观粒子（电子、质子等）普遍具有的量子化的特点；而当众多原子聚集到一起形成固体时，原子之间的相互作用导致能级发生分裂，最后形成能带。大块物质由于含有几乎无限多的原子，其能带基本上是连续的；对于有限个原子的纳米颗粒来说，当粒径小到一定程度时，能带变得不再连续。当能级间距大于热能、磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，就会出现所谓的量子尺寸效应，导致纳米颗粒的光、电、磁、声、热等性质与宏观特性

23、有着显著的差异。 宏观量子隧道效应 ：电子既具有粒子性又具有波动性，因此存在穿透势垒的隧道效应。近年来人们发现一些宏观物理量，如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，称为宏观量子隧道效应。,纳米效应,化学与材料科学,在陶瓷领域的应用 ：纳米陶瓷是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就是其晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布，缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。优良的室温力学性能、抗弯强度、断裂韧性使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都有了广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其它材料不可替代的作用，具有广阔的应用前景。 在电子领域的应用 ：基于纳米粒

24、子的量子效应来设计并制备纳米量子器件，它包括纳米有序 (无序 )排列体系、纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系。纳米电子学发展，可能会在电子学领域引起一次新的电子技术革命，从而把电子工业技术推向一个更高的发展阶段。 在化工领域的应用 ：由于纳米材料的化学活性和大的比表面积，被广泛用作催化剂材料。,应用领域,化学与材料科学,在光学方面的应用 ：纳米晶材料可改变样品的光透性，使其具有优异的吸附功能，这种光透性可通过控制晶粒尺寸和气孔率的方法来控制，因而使这种材料在感应和过滤技术中有着广泛的应用。 在电磁学方面的应用 ：纳米晶材料的磁性来源于尺寸效应。纳米磁性材料包括纳米稀土永磁材料、纳米

25、微晶软磁材料、纳米磁记录材料、纳米磁膜材料和磁性液体，应用范围相当广。 在生物医学领域的应用 ：纳米生物学的目的就是在纳米尺度上应用生物学的原理，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人；纳米技术在生物医学上的应用，可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获得生命信息。,应用领域,化学与材料科学,在分子组装方面的应用 ：所谓自组装一般是指原子在底物上自发地排列成一维、二维、甚至三维有序的空间结构。由于低维结构材料的物理化学性能与体相材料有明显的不同，它们与低维材料的大小和形状密切相关，尤其当有至少一维尺寸位于纳米范围内时，将会有许多独特的性能出现。目前纳米技术深入到了对单原子的

26、操纵，通过利用软化学与溶体模板化学，超分子化学相结合的技术，正在成为组装、剪裁和实现分子手术的主要手段。 在其它方面的应用 ：纳米储氢材料氢储量可达标准大气压下氢气密度的千倍以上；纳米烧结陶瓷已用于大批量生产大功率半导体元件，可控硅整流元件的散热热膨胀补偿基底；助燃剂 等。,应用领域,化学与材料科学,随着对纳米材料结构和性能的进一步了解，随着纳米技术的进一步成熟、完善，更多具有特殊性能及特异用途的纳米材料和纳米器件将被研究和开发出来。可以预见，纳米材料和纳米技术的应用将具有更加广阔的前景。 纳米科技的研究范围主要包括纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米

27、力学等学科。这些学科为纳米材料的发展提供了科学基础。其中每一门类都是跨学科的边缘科学，不是某一学科的延伸或某一项工艺的革新，而是许多基础理论、专业工程理论与当代尖端高新技术的结晶。 纳米科技的发展给化学家提出了许多新的课题，同时也为化学自身的发展提供了新的机遇。纳米化学就是在这样的背景下，作为化学的一个新的分支诞生的。 严防“纳米光晕”中的伪科学和科学欺诈。,几点认识,化学与材料科学,从均质材料向复合材料发展，以满足不同要求和特殊要求。 由结构材料为主向功能材料、多功能材料并重的方向发展。随着高技术的发展，要求材料技术提供更多更好的功能材料，各种功能材料越来越多，终会有一天功能材料将同结构材料

28、在材料领域平分秋色。 材料结构的尺度向越来越小的方向发展。各种纳米材料甚至纳米复合材料以惊人的速度快速发展。 由被动性材料向具有主动性的智能材料方向发展。新的智能材料能够感知外界条件变化、进行判断并主动作出反应。 通过仿生途径来发展新材料。通过“师法自然”并揭开其奥秘，会给我们以无穷的启发，为开发新材料又提供了一条广阔的途径。,化学与生命科学,生命科学是研究生命现象、生命活动的本质、特征和发生、发展规律，以及各种生物之间和生物与环境之间相互关系的科学。用于有效地控制生命活动，能动地改造生物界，造福人类。生命科学与人类生存、人民健康、经济建设和社会发展有着密切关系，是当今在全球范围内最受关注的基

29、础自然科学。 生命科学是系统地阐述与生命特性有关的重大课题的科学。 对生命现象的探索是人类认识自然、改造自然的重要内容。,化学与生命科学,人类现在仍在进化吗？ 特定的生态小生境中物种之间的关系怎样？ 何种因素支配着此一生境中每一物种的数量？ 动物行为的生理学基础是什么？ 记忆是怎样形成的？ 记忆存贮在什么地方？ 哪些因素能够影响学习和记忆？ 智力由何而来？ 宇宙空间还有其它有智慧的生物吗？ 生命是怎样起源的？等等。,生命科学的主要研究课题,生物物质的化学本质是什么？ 化学物质在体内是如何互转化并表现出生命特征的？ 生物大分子的组成和结构是怎样的？ 细胞是怎样工作的？ 形形色色的细胞怎样完成多种

30、多样的功能？ 基因作为遗传物质是怎样起作用的？ 什么机制促使细胞复制？ 一个受精卵细胞怎样在发育、分化和使用其遗传信息？ 多种类型细胞是怎样结合起来形成器官和组织？ 物种是怎样形成的？ 什么因素引起进化？,化学与生命科学,生命科学研究不但依赖数学、物理、化学等基础学科的理论知识，也依靠这些学科提供的研究方法和研究手段，如光学和电子显微镜、蛋白质电泳仪、超速离心机、X-射线仪、核磁共振分光计、正电子发射断层扫描仪等。 对于生命科学的深入了解，无疑也能促进物理、化学等人类其它知识领域的发展。 生命科学广阔无限的研究内容为化学学科开辟了极具活力的研究领域。 化学与生命科学的相互渗透产生了生物化学和化

31、学生物学两个分支学科。,化学与生命科学,早在 19 世纪初，科学家们已经认识到，虽然生物有机体种类繁多，形态各异，但其组成的基本单位都是细胞。而构成细胞的，则是由化学元素组成的若干种生物大分子，如：蛋白质、碳水化合物、类脂体、核酸等。了解、掌握这些生物大分子的性质对认识、保护和改善人类自身的生活，改良、创造新生物品种有着极其重要的意义。 由于蛋白质和核酸是生命的最基本物质，因此下面简要介绍蛋白质、核酸的基本性质。,化学与生命科学,蛋白质是氨基酸(amino acid)构成的聚合物。 具有生物活性的蛋白质是含碳、氢、氧、氮和硫的化合物。在生物体内蛋白质约占细胞干物质的 50%。据估计在人体中蛋白

32、质的种类高达 30 万种，而整个生物界约有 1010 1012种蛋白质。 构成蛋白质的氨基酸共有 20 种。虽然氨基酸的种类有限，但是由于氨基酸在蛋白质中的连接顺序及数目、种类的不同，可以构成远远大于1012种的蛋白质。蛋白质的性质与功能则由其所含氨基酸的组成、排列顺序、结构决定。,化学与生命科学,酶蛋白能对生物体内的化学反应起催化作用的蛋白质生物催化剂称为酶蛋白。在酶蛋白的作用下，生物体内的化学反应速度很快，往往是体外速度的几百倍甚至上千倍。 运载蛋白 运载蛋白是能携带小分子从一处到另一处的一类特异蛋白质。运载蛋白通过细胞膜在血液中循环，在不同组织间载运代谢物。运载蛋白在生物的物质代谢中起着

33、重要的作用。 结构蛋白 结构蛋白是参与细胞结构建成的一类蛋白质。生物体的细胞结构上含有大量由结构蛋白组成的亚基，形成了细胞的框架结构。,化学与生命科学,抗体 具有免疫、防御功能的特异蛋白质被称为抗体。当外界的病原体入侵生物体时，生物体便产生一种特异蛋白质抗体。抗体能与病原体对抗，使其解体。抗体在高等动物机体免疫机制中起着重要的作用。 激素 激素是一种具有调节功能的特异蛋白质。它是由生物体内某部分产生的。通过循环能调节生物体内其他部分的生命活动。,蛋白质的种类,化学与生命科学,核酸是由核苷酸(Nucleotide)构成的酸性聚合物。 组成核苷的碱基共有 5 种：腺嘌呤（用字母 A 表示）、鸟嘌呤

34、（用字母 G 表示）、胞嘧啶（用字母 C 表示）、尿嘧啶（用字母 U 表示）、胸腺嘧啶（用字母 T 表示）。 核糖有两种类型：核糖与脱氧核糖。核酸可依含有核糖的类型不同分为核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）两大类。 DNA 是遗传的物质基础，负责遗传信息的贮存、发布。RNA负责遗传信息的表达，它转录 DNA 所发布的遗传信息，并将之翻译给蛋白质，使生命机体的生长、繁殖、遗传能继续进行。,化学与生命科学,核酸Nucleic acid,核糖核酸、脱氧核糖核酸的组成、结构,化学与生命科学,核酸的一级结构,核酸是由核苷酸聚合而成的生物大分子。组成DNA的脱氧核糖核苷酸主要是dAMP、dGMP、

35、dCMP和dTMP，组成RNA的核糖核苷酸主要是AMP、GMP、CMP和UMP。核酸中的核苷酸以3，5磷酸二酯键构成无分支结构的线性分子。核酸链具有方向性，有两个末端分别是5末端与3末端。5末端含磷酸基团，3末端含羟基。核酸链内的前一个核苷酸的3羟基和下一个核苷酸的5磷酸形成3,5磷酸二酯键，故核酸中的核苷酸被称为核苷酸残基。通常将小于50个核苷酸残基组成的核酸称为寡核苷酸（oligonucleotide），大于50个核苷酸残基称为多核苷酸（polynucleotide）。,化学与生命科学,核酸的结构,DNA的空间结构,DNA的二级结构 双螺旋结构（double helix structure

36、）。结构特点为：两条DNA互补链反向平行。由脱氧核糖和磷酸间隔相连而成的亲水骨架在螺旋分子的外侧，而疏水的碱基对则在螺旋分子内部，碱基平面与螺旋轴垂直，螺旋旋转一周正好为10个碱基对，螺距为3.4nm，这样相邻碱基平面间隔为0.34nm并有一个36的夹角。DNA双螺旋的表面存在一个大沟（major groove）和一个小沟（minor groove），蛋白质分子通过这两个沟与碱基相识别。两条DNA链依靠彼此碱基之间形成的氢键而结合在一起。根据碱基结构特征，只能形成嘌呤与嘧啶配对，即A与T相配对，形成2个氢键；G与C相配对，形成3个氢键。因此G与C之间的连接较为稳定。DNA双螺旋结构比较稳定。维

37、持这种稳定性主要靠碱基对之间的氢键以及碱基的堆集力（stacking force）。,化学与生命科学,核酸的结构,DNA的空间结构,生理条件下，DNA双螺旋大多以B型形式存在。右手双螺旋DNA除B型外还有A型、C型、D型、E型。此外还发现左手双螺旋Z型DNA。 DNA二级结构还存在三股螺旋DNA，第三股可以来自分子间，也可以来自分子内。,化学与生命科学,核酸的结构,DNA的空间结构,DNA三级结构超螺旋结构 DNA链进一步扭曲盘旋形成超螺旋结构。生物体内有些DNA是以双链环状DNA形式存在，如有些病毒DNA，某些噬菌体DNA，细菌染色体与细菌中质粒DNA，真核细胞中的线粒体DNA、叶绿体DNA

38、都是环状的。环状DNA分子可以是共价闭合环，即环上没有缺口，也可以是缺口环，环上有一个或多个缺口。在DNA双螺旋结构基础上，共价闭合环DNA（covalently close circular DNA）可以进一步扭曲形成超螺旋形（super helical form）。根据螺旋的方向可分为正超螺旋和负超螺旋。正超螺旋使双螺旋结构更紧密，双螺旋圈数增加，而负超螺旋可以减少双螺旋的圈数。几乎所有天然DNA中都存在负超螺旋结构。,化学与生命科学,核酸的结构,DNA的空间结构,DNA的四级结构DNA与蛋白质形成复合物。在真核生物中其基因组DNA要比原核生物大得多，如原核生物大肠杆菌的DNA约为4.71

39、03kb，而人的基因组DNA约为3106 kb，因此真核生物基因组DNA通常与蛋白质结合，经过多层次反复折叠，压缩近10000倍后，以染色体形式存在于平均直径为5m的细胞核中。线性双螺旋DNA折叠的第一层次是形成核小体（nucleosome）。犹如一串念珠, 核小体由直径为11nm5.5nm的组蛋白核心和盘绕在核心上的DNA构成。核心由组蛋白H2A、H2B、H3和H4各2分子组成，为八聚体，146 bp长的 DNA以左手螺旋盘绕在组蛋白的核心1.75圈，形成核小体的核心颗粒，各核心颗粒间有一个连接区，约有60 bp双螺旋DNA和1个分子组蛋白H1构成。平均每个核小体重复单位约占DNA 200

40、bp。DNA组装成核小体其长度约缩短7倍。在此基础上核小体又进一步盘绕折叠，最后形成染色体。,化学与生命科学,核酸的结构,各类RNA的结构,RNA在蛋白质合成过程中起着重要作用，其中转移核糖核酸，简称tRNA，起着携带和转移活化氨基酸的作用；信使核糖核酸，简称mRNA，是合成蛋白质的模板；核糖体的核糖核酸，简称rRNA，是细胞合成蛋白质的主要场所。,一级结构单链分子，含7393核苷酸，分子质量为24 00031 000 二级结构三叶草型，配对碱基形成局部双螺旋而构成臂，不配对的单链部分则形成环。 三级结构倒L形,tRNA的结构：,tRNA的二级结构,tRNA的三级结构,化学与生命科学,核酸的结

41、构,原核生物mRNA结构特点：结构简单，往往含有几个功能上相关的蛋白质的编码序列，可翻译出几种蛋白质，为多顺反子。编码序列之间有间隔序列，可能与核糖体的识别和结合有关。在5端与3端有与翻译起始和终止有关的非编码序列，没有修饰碱基， 5端没有帽子结构，3端没有多聚腺苷酸的尾巴,原核生物中mRNA转录后一般不需加工，直接进行蛋白质翻译。mRNA转录和翻译不仅发生在同一细胞空间，而且这两个过程几乎是同时进行的。真核细胞成熟mRNA是由其前体核内不均一RNA（hnRNA）剪接并经修饰后才能进入细胞质中参与蛋白质合成。所以真核细胞mRNA的合成和表达发生在不同的空间和时间。mRNA的结构在原核生物中和真

42、核生物中差别很大。,真核生物mRNA结构特点：为单顺反子结构，即一个mRNA分子只包含一条多肽链的信息。在真核生物成熟的mRNA中5端有m7GpppN的帽子结构，帽子结构可保护mRNA不被核酸外切酶水解，并且能与帽结合蛋白结合识别核糖体并与之结合，与翻译起始有关。3端有polyA尾巴，其长度为20250个腺苷酸，其功能可能与mRNA的稳定性有关，,mRNA的结构,化学与生命科学,核酸的结构,rRNA占细胞总RNA的80%左右，rRNA分子为单链，局部有双螺旋区域具有复杂的空间结构，原核生物主要的rRNA有三种，即5S、16S和23S rRNA，如大肠杆菌的这三种rRNA分别由120、1542和

43、2904个核苷酸组成。真核生物则有4种，即5S、5.8S、18S和28S rRNA, 如小鼠，它们相应含121、158、1874和4718个核苷酸。rRNA分子作为骨架与多种核糖体蛋白装配成核糖体。,rRNA的结构,化学与生命科学,基因（Gene）工程进展：基因是染色体上DNA双螺旋链的具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称，是生物性状遗传的基本功能单位。调控着细胞的生长、分化、老化、死亡等各种功能。科学家认为，找到人类基因组 30 亿个碱基对的排列序列，必将大大促进生物信息学、生物功能基因组和蛋白质等生命科学前沿领域的发展，也将为基因资源开发利用，医药、卫生、农业等生物高技术产业的发展开辟更加广

44、阔的前景。 基因工程包括：人类基因组计划（Human Genome Project HGP） 、基因治疗 、转基因生物 等。,化学与生命科学,生命化学的进展,人类基因组计划当前国际生命科学研究的热点之一，这是由美国科学家于 1985 年率先提出的。美国、英国、法国、德国、日本和我国的科学家共同参与了人类基因组计划的工作。国际人类基因组计划所要做的事，就是要发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，弄清人的细胞中610万个基因在 30 亿个核苷酸中的具体排列，即测定人类基因组的全部 DNA 序列，从而解读所有遗传密码，揭示生命的所有奥秘，破译人类全部遗传信息。它对于人类认识自身，推动生命科学、医

45、学以及制药产业等的发展，具有极其重大的意义。,人类基因组计划谱写生命之书,化学与生命科学,生命化学的进展,人类基因组计划时间表,1999 年 12 月 1 日，一个由英、美、日等国科学家组成的研究小组，破译了人类第 22 号染色体中所有与蛋白质合成有关的基因序列，发现了至少 545 个基因。这是人类首次了解了一条完整的人类染色体的结构。 2000 年 4 月 13 日，美国科学家又宣布他们已完成第 5、第 16 和第 19 号染色体的遗传密码草图，在这些染色体上大约包含10,000到 15,000 个基因，约占人体遗传物质总量的 11%。 2001 年已绘就人类基因组序列的“工作框架图”。 2

46、003 年美国国家人类基因组研究所宣布：人类基因组的 30 亿个碱基对已经测序完毕。,虽然人类基因组计划已经正式结束，但测序并没有百分百地完成。科学家说，由于一些高深莫测的原因，人类基因组中有1被证实是无法测序的，只有在相关新技术出现之后，这一难题才有望得到攻克。也许，这1中，还蕴藏着生命的其它奥秘。,化学与生命科学,生命化学的进展,基因治疗 应用基因工程的技术方法，将正常的基因转入病患者的细胞中，以取代病变基因，从而表达所缺乏的产物，或者通过关闭或降低异常表达的基因等途径，达到治疗某些遗传病的目的。目前已发现，人类与疾病相关的基因约有 5000 多个，迄今已有 13 被分离和确认。遗传病是基

47、因治疗的主要对象。 DNA 治疗包括基因补偿、DNA 疫苗、肽核酸（PNA）等技术。最常用的是基因补偿。基因补偿首先要选择合适的靶基因，选择的原则是哪些基因有缺陷就补偿其相应的正常基因。 RNA 修复着眼于阻断和破坏“复制”、“转录”和“翻译”，使表现疾病的基因不能表达。是基因治疗的新途径。,基因治疗 告别残缺的人生,化学与生命科学,生命化学的进展,转基因生物应用转基因技术，植入了新基因的生物。将某一特定基因从 DNA 分子上切割下来，装在运载工具（DNA 载体）上，导入另一生物体内，并使该基因在受体细胞内稳定遗传，以表达出特定的蛋白质，赋予受体细胞以新的特征的一门技术就叫做转基因技术。转基因

48、技术使人类可以按照自己的愿望来改造自然物种。 转基因动物作为生产医药产品的“化工厂”，可以为人类器官移植提供原料。 转基因植物利用转基因技术可培育出富含各种营养素，又具抗旱、抗虫和抗土壤能力的农作物。,转基因生物上帝不再是唯一的造物主,中国是全球第 1 个将种植转基因农作物用作商业用途的国家。至今，全国共批准种植 100 多种转基因植物，其中包括迟熟的番茄、能抗病毒的青椒、彩色棉花等等。 2001 年全球转基因植物种植面积已达 7300 万公顷。,化学与生命科学,生命化学的进展,生物芯片进展：生物芯片的概念来自计算机芯片，是在 20 世纪90 年代中期发展起来的高科技产物。由于生物芯片最初的目

49、的是用于 DNA 序列的测定，基因表达谱鉴定，所以生物芯片又被称为 DNA 芯片或基因芯片。目前，该技术应用领域主要有基因表达谱分析、新基因发现、基因突变及多态性分析、基因组文库作图、疾病诊断和预测、药物筛选、基因测序等。 九十年代初以美国为主开始进行的各种生物芯片的研制，不到十年的功夫，芯片技术得以迅速发展，并呈现发展高峰。国外的多家大公司及政府机构均对此表现出极大兴趣，并投以可观的财力。,生物芯片生命信息的集成,化学与生命科学,生命化学的进展,基因破译 将大量探针分子固定于支持物上，然后与标记的样品进行杂交，通过杂交信号的强弱判断靶分子的数量。用该技术可将大量的探针同时固定于支持物上，所以

50、一次可对大量核酸分子进行检测分析，从而解决了传统核酸印迹杂交技术操作复杂、自动化程度低、检测目的分子数量少、效率低等不足。它能在同一时间内分析大量的基因，使人们准确高效地破译遗传密码。 疾病检测诊断 生物芯片在疾病检测诊断方面具有独特的优势。它可以仅用极小量的样品，在极短时间内，向医务人员提供大量的疾病诊断信息，这些信息有助于医生在短时间内找到正确的治疗措施。 药物筛选 大规模的药物筛选可以省略大量的动物试验，使从基因到药物的过程尽可能的快速和高效。缩短药物筛选所用时间，从而带动创新药物的研究和开发。,化学与能源,能量（energy)：能量是物质运动的量化转换，是用以衡量所有物质运动规模的统一

51、的客观尺度 。 世界万物是不断运动着的，在物质的一切属性中，运动是最基本的属性，其他属性都是运动属性的具体表现。 能量特性是一切运动着的物质的共同特性，能量尺度是衡量一切运动形式的通用尺度。,化学与能源,能量是物理学中描写一个系统或一个过程的一个量。一个系统的能量可以定义为从一个被定义的零能量的状态转换为该系统现状的功的总和。 一个系统到底有多少能量在物理中并不是一个确定的值，它随着对这个系统的描写而变换。 能量有多种存在形式，各种形式的能量可以相互转换，但在转换过程中能量的总量保持不变。 自然界所有变化过程（或运动）无非包括两种类型：释放能量的自发过程和需要能量的非自发过程。,化学与能源,人

52、类社会的几乎一切活动都需要能量。 一切生命活动都需要能量，如物质代谢的合成反应、肌肉收缩、腺体分泌等等。而这些能量主要来源于食物。 可以被利用作功的能量称之为“有用能”，不能被利用作功的能量称之为”无用能”。,化学与能源,关于能源的定义，目前约有20种。 科学技术百科全书：能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源； 大英百科全书：能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量； 日本大百科全书：在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来作功，可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源” 我国的能源百科全书：能源是可以直

53、接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。 确切而简单地说，能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。,化学与能源,按能源来源分类： 来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）。除直接辐射外，并为风能、水能、生物能和矿物能源等的产生提供基础。人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。正是各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的。它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。此外，水能、风能、波浪能、海流能等也都是由太阳能转换来的。 地球本身蕴藏的能量。如原子核能、地热能等。

54、 地球和其他天体相互作用而产生的能量。如潮汐能。,化学与能源,按能源的基本形态分类： 一次能源：即天然能源，指在自然界现成存在的能源，包括可再生的水力资源和不可再生的煤炭、石油、天然气资源，其中包括水、石油和天然气在内的三种能源是一次能源的核心，它们成为全球能源的基础；除此以外，太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能以及核能等可再生能源也被包括在一次能源的范围内； 二次能源：指由一次能源直接或间接转换成其他种类和形式的能量资源，电力、煤气、汽油、柴油、焦炭、洁净煤、激光和沼气等能源都属于二次能源。,化学与能源,按能源性质分类： 燃料型能源：包括煤炭、石油、天然气、泥炭、木材等。人类利用自己体力以

55、外的能源是从用火开始的，最早的燃料是木材，以后用各种化石燃料，如煤炭、石油、天然气、泥炭等。 非燃料型能源：包括水能、风能、地热能、海洋能等。目前正在研究开发和利用太阳能、地热能、风能、潮汐能等新能源。 当前化石燃料消耗量很大，但地球上这些燃料的储量有限。未来铀和钍将提供世界所需的大部分能量。一旦控制核聚变的技术问题得到解决，人类实际上将获得无尽的能源。,化学与能源,中国是目前世界上第二位能源生产国和消费国。能源供应持续增长，为经济社会发展提供了重要的支撑。能源消费的快速增长，为世界能源市场创造了广阔的发展空间。中国已经成为世界能源市场不可或缺的重要组成部分，对维护全球能源安全，正在发挥着越来

56、越重要的积极作用。 中国政府正在以科学发展观为指导，加快发展现代能源产业，坚持节约资源和保护环境的基本国策，把建设资源节约型、环境友好型社会放在工业化、现代化发展战略的突出位置，努力增强可持续发展能力，建设创新型国家，继续为世界经济发展和繁荣作出更大贡献。,化学与能源,能源发展现状 能源资源总量比较丰富：我国拥有较为丰富的化石能源资源。其中，煤炭占主导地位，煤炭资源保有量10345亿吨，剩余探明可采储量约占世界的13%，列世界第三位。已探明的石油、天然气资源储量相对不足，油页岩、煤层气等非常规化石能源储量潜力较大。中国拥有较为丰富的可再生能源资源。水力资源理论蕴藏量折合年发电量为6.19万亿千

57、瓦时，经济可开发年发电量约1.76万亿千瓦时，相当于世界水力资源量的12%，列世界首位。,中国的能源 状况与政策,化学与能源,能源发展现状 人均能源资源拥有量较低：煤炭和水力资源人均拥有量相当于世界平均水平的50%，石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的1/15左右。耕地资源不足世界人均水平的30%，制约了生物质能源的开发。,中国的能源 状况与政策,化学与能源,能源发展现状 能源资源储存分布不均衡：煤炭资源主要储存在华北、西北地区，水力资源主要分布在西南地区，石油、天然气资源主要储存在东、中、西部地区和海域。 主要的能源消费地区集中在东南沿海经济发达地区，资源储存与能源消费地域存在明显差别。

58、大规模、长距离的北煤南运、北油南运、西气东输、西电东送，是中国能源流向的显著特征和能源运输的基本格局。,中国的能源 状况与政策,化学与能源,能源发展现状 能源资源开发难度较大：与世界相比，中国煤炭资源地质开采条件较差，大部分储量需要井工开采，极少量可供露天开采。石油天然气资源地质条件复杂，埋藏深，勘探开发技术要求较高。未开发的水力资源多集中在西南部的高山深谷，远离负荷中心，开发难度和成本较大。非常规能源资源勘探程度低，经济性较差，缺乏竞争力。,中国的能源 状况与政策,化学与能源,能源供应体系面临的挑战 资源约束突出，能源效率偏低：中国优质能源资源相对不足，制约了供应能力的提高；能源资源分布不均

59、，也增加了持续稳定供应的难度；经济增长方式粗放、能源结构不合理、能源技术装备水平低和管理水平相对落后，导致单位国内生产总值能耗和主要耗能产品能耗高于主要能源消费国家平均水平，进一步加剧了能源供需矛盾。单纯依靠增加能源供应，难以满足持续增长的消费需求。,中国的能源 状况与政策,化学与能源,能源供应体系面临的挑战 能源消费以煤为主，环境压力加大：煤炭是中国的主要能源，以煤为主的能源结构在未来相当长时期内难以改变。相对落后的煤炭生产方式和消费方式，加大了环境保护的压力。煤炭消费是造成煤烟型大气污染的主要原因，也是温室气体排放的主要来源。随着中国机动车保有量的迅速增加，部分城市大气污染已经变成煤烟与机动车尾气混合型。这种状况持续下去，将给生态环境带来更大的压力。,中国的能源 状况与政策,化学与能源,能源供应体系面临的挑战 市场体系不完善，应急能力有待加强。中国能源市场体系有待完善，能源价格机制未能完全反映资源稀缺程度、供求关系和环境成本。能源资源勘探开发秩序有待进一步规范，能源监管体制尚待健全。煤矿生产安全欠账比较多，电网结构不够合理，石油储备能力不足，有效应对能源供应中断和重大突发事件的预警应急体系有待进一步完善和加强。,中国的能源 状况与政策,化学与能源,中国能源形势概述 作为世界