浅谈物理学成果对化学发展的促进作用.doc

浅谈物理学成果对化学发展的促进作用第 1 卷第 3 期柳州职业技术学院 2001 年 9 月JOURNALoFLBJZHOUVOCA~ONALⅡ口些 0l.1No.3seD.2tJ01浅谈物理学成果对化学发展的促进作用钱维忠(柳州职业技术学院基础部)摘要:本文从化学热力学的创立,量子化学的创立和现代物理謇验技术对化学研究的作用三方面说明了物理学成果对化学发展的促进作用,并从中引出一些有益的启示.关键词:物理学;化学;促进作用中田分类号:059 文峨标识码:A 文章螭号:1671—1084(2001)03—00 格一∞物理学和化学一直是两门关系密切的基础学科.物理学一词最早出于希腊文,原意是"自然". 在古代欧洲 .物理学是指自然科学的总称.随着自然科学的发展,自然科学发生了分化.物理学也自成为一门独立的学科.物理学是研究物质运动最一般的规律和物质的基本结构的学科.物理学所研究的运动普遍存在于其它高级的,复杂的物质运动形态(如化学的,生物学的)之中.因此.物理学所研究的运动规律具有最大的普遍性.它的理论和方法已成为许多自然科学的基础.化学是在古代人们为实现物质变化的生产实践中,以及后来的炼金术和制药的实验中逐渐发展起来的.自渡义耳提出元素概念后.化学才确立为科学.化学主要研究物质的组成,结构和性质以及物质之间的转化关系.由于物理学和化学研究的对象和范围有着密切的联系,物理学更成为化学的基础之一.回顾化学的发展过程,我们可以明显地看到物理学成果对化学发展的巨大促进作用.1 十 Jl,t~纪热力学的理论和方法向化学领域渗透产生了化学热力学 .十九世纪初开始的物理学家对热,功和能之间关系的研究,以及对当时已普遍使用的热机工作原理和效率的研究导致了热力学第一和第二定律的建立.热力学第一定律实际上是能量守恒与转化定律,热力学第二定律则是关于热力学过程方向性和平衡判据的定律.它们对化学反应的热效应,能量转化以及化学反应的方向和限度有着必然的指导意义.因此.热力学第一,二定律建立之后不久,即被一些物理学家和化学家应用于化学反应和相变过程的研究.并取得丰硕的成果.科学家们根据热力学第一定律导出盖斯定律,基尔霍夫定律.根据热力学第一和第二定律.结合化学的具体实践,引人了吉布斯自由能和化学势概念,推导出了可以判断化学反应和相变的方向与限度的基本公式以及有重要意义的相律,从而创立了化学热力学这门新学科.化学热力学的创立使早已被化学家从实验总结出的一些经验规律(如盖斯定律,分配定律,稀溶液的依数性等)找到了理论根据.成为化学热力学原理的必然结果,化学热力学的创立纠正了以反应热或以[收稿日期]2001—05—23【作者简舟】钱堆忠(19,1.5 一),男(汉族), 浙江杭州人,柳州职业技术学院副教授,主要从事无机化学和特理化学教学爰研完 I 作.柳州职业技术学院 7./]01 年 9 月模糊的"化学亲合力 "来判断反应方向的错误看法 ,开始以吉布斯自由能和化学势作为化学反应方向的量度.以后热力学的原理又渗透到了溶液,胶体和电化学等领域的研究之中,使化学势力学的内容更为丰富,化学这门实验科学的理论水平从此迈上一个新台阶,可以说化学热力学的创立是化学由经验科学向理论科学过渡的一个重要里程碑.2 量子力学在化学领域的应用和发展产生了量子化学十九世纪末的一系列重大发现,如 1895 年 x 射线的发现,1896 年放射性现象的发现,1897年电子的发现导致了经典物理学体系的严重危机,在对这一理论体系进行修修补补也无济于事的情况下,物理学的革命已不可避免,于是相对论和量子力学应运而生,成为现代物理学理论的两大支柱.量子力学主要是在法国物理学家德布罗依,德国物理学家海森堡,奥地利物理学家薛定谔等人开刨性工作的基础上,于 1926 年建立的.量子力学揭示了微观粒子的波粒=象性,并认为微观粒子的波动性可用波函数来描述,提出了描述微观粒子运动规律的波动方程,即着名的薛定谔方程.量子力学建立后的第二年,即 1927 年,德国的海特勒和美国的伦敦首先把量子力学应用于化学,创立了量子化学.他们用量子力学方法处理了氢分子,计算了氢分子体系的波函数和能量,得到了氢分子电子云分布等密度曲线和能量曲线,从电子云分布和能量曲线说明了两个氢原子结合成氢分子的原因,第一次用量子力学方法揭示出氢分子共价键的实质.他们用近似方法计算的氢分子基态能量和核间距与实验结果也有一定程度的吻合.他们的成功使化学家们大受鼓舞.以后美国化学家鲍林等人又进一步利用量子力学开始了对多原子分子共价键的研究,取得很大成绩,建立了现代价键理论.接着美国化学家密里肯等人利用量子力学原理从分子的整体出发来研究化学键的形成,建立了分子轨道理论.1952 年英国化学家休格尔把分子轨道理论与晶体场理论结合提出了配位场理论.这样,量子化学得到迅速发展,价键理论,分子轨道理论,配位场理论成为了现代化学键理论的三大基础理论,它们对预言新的化合物,提供分子的图象和合成结构复杂的分子都有重要的指导意义.而以后日本化学家福井谦一提出的"前线轨道" 理论 ,美国化学家伍德沃德和霍夫曼建立的分子轨道对称性守恒原理更是使量子化学大大向前迈进一步,使化学从只能研究分子静态跨人可以研究分子动态的新阶段.随着量子化学的发展,人们将有望根据预先提出的性质要求来设计新材料,新药物,实现分子设计的梦想.3 现代物理实验技术成为分子和晶体结构研究以及分析化学的强有力工具1911 年德国物理学家劳埃等人以晶体为光栅,使 x 射线通过晶体时产生了衍射现象,这一发现提供了一种测定物质结构的新方法,即 x 射线结构分析.这一方法用于测定晶体结构获得极大成功,揭开了许多金属以及金刚石和石墨等一大批物质的结构之谜,为探索物质结构立下汗马功劳.以后又发现了电子衍射,中子衍身,分子光谱和磁共振谱,这些发现都提供了测定分子结构和晶体结构的新方法.特别自二十世纪六十年代以来,紫外光谱法,红外光谱法,核磁共振和质谱等波谱法获得越来越广泛的应用,成为了有机化学和生命化学研究的重要手段.以上这些物理实验技术为化学研究分子和晶体结构以及结构与性能的关系提供了强有力的武器.这些方法往往需用的样品极少,而且分析快速准确,特别是这些方法与计算机联用.使过去需要几十年,十几年才能测定的结构在几年,几周甚至几天即可完成.利用这些方法,化学家测定了一系列有机物,无机盐,硅酸盐以及金属等物质的分子或晶体结构,积累了大量资料,这对结构化学和材料科学的发展将会发挥巨大的作用.特别是利用这些方法在测定蛋白第 1 卷第 3 期钱维盅:塑塑塑堡堂墨堕堂墨星堕堡堂堡旦质,核酸,胰岛紊等生物大分子结构方面取得的成绩.为生物学的发展,生命奥秘的揭示作出了重要贡献.此外.在分析化学领域,一大批采用物理学,电子学,激光技术,微波技术等新成就研制的分析仪器取代了化学分析,仪器分析已成为分析化学中最重要的分析手段,这些分析仪器分析速度快,灵敏度高,如红外光谱仪因应用激光红外光源,干涉仪和快速福里叶变换技术,拉曼光谱因应用激光和相干反斯托克拉曼散射技术,能使可测样品灵敏度达到毫微克级,x射线萤光光谱因用了半导体检溟 I 器和能量散射技术可用时快速测定数十种元素并使灵敏度达到微微克每平方厘米.核磁共振因超导和快速福里叶变换等技术的应用,已可测定分子量达数十万的生物高分子和大多数元素核的核磁共振谱.由于这些现代分析仪器的采用,使得分析化学的应用领域更为广阔,分析化学的测定范围从宏观发展到微观,从总体进人到微区,表面或薄层,由表观深人到内部,从静态扩展到动态.分析化学正处于日新月异,突飞猛进的发展之中.以上事实充分说明物理学成果对化学的发展起了巨大的促进作用,当然,不可否认,由于物理学与化学的密切关系,化学的发展也反过来会推动物理学的进步,并拓展物理学的研究领域.例如,化学家创立的原子分子论曾经影响了物理学的分子运动论和热力学.现代量子化学的分子轨道理论也反过来对量子力学的固体能带理论产生过深远影响,化学家关于金属键,原子簇化合物的研究工作,以及有关催化的理论也对物理学尤其是凝聚态物理学,表面物理学作出过贡献.但是由于物理学毕竟是一门更为基础的学科,所以它对化学发展的促进作用就显得更为直接和明显些.因此.作为一个化学工作者.应该时刻关注物理学的新进展,关注物理学的新成果,不要使自己的目光仅仅局限于化学专业的狭小范围.在当今这个自然科学各学科既分化又综合.又相互渗透,学科交叉日益频繁的时代,充分利用其它学科的新理论,新方法,必将会使我们的科学研究取得更丰硕的成果.参考文献[1】傅鹰 ,化学热力学导论,北京:科学出版社 1964[2]徐光宪,物质结构 .北京:人民教育出版社.1961.f3]刘若庄,量子化学基础 .化学通报.19-r7(5):52—65,【4]化学哲学基础编委会,化学哲学基础,北京:科学出版社 ,1986AnelementaryintroductiontothepositiveinfluenceofphysicsachievemntsonthedoevefipmentofchemistryQIANWd—ZhongAbstractThispaperdesc6betheposidveinfluenceofpbachlev~onthedevel~tofchemistryinthree:foundalion0fchemicaltIlemH|yn∞l,thefoundationofquantumchemistry.andtheinfluenceofmodemphysicsexperimentation013chemistryreseach.andthensunⅡzetheKeywordsphysics,chemistry,positiveinfluence。