求化学论文:化学反应中的能量转化与利用

【专家解说】：化学反应中的能量转化与利用 人类的祖先在与自然界的长期斗争中，很早就开始利用火。他们用火来取暖、烧烤食物，进而又用火来烧制陶器、炼铜、炼铁，等等。因此，我们可以说，人类的文明是从火堆中萌发的，火在人类的进化中起了很重要的作用！ 化学研究的对象是自然界中的各种各样的物质。浩瀚的宇宙和地球上人类用肉眼能见到的和不能直接观察到的以原子或分子形态存在的物质，都是我们要了解和研究的对象。 随着科学技术的发展，人们已能通过先进的科学仪器观察一些物质的原子排列状况。1990年前后，美国等少数国家首先在-269℃的低温下移动了原子。1993年，中国科学院北京真空物理实验室的研究人员，在常温下以超真空扫描隧道显微镜(图1)为手段，通过用探针拨出硅晶体表面的硅原子的方法，在硅晶体的表面形成了一定规整的图形(见上图)。这种在晶体表面开展的操纵原子的研究，达到了世界水平。图中的“中国”两字就是这样形成，并经放大约180万倍在计算机屏幕上显示出来的。这两个字的“笔画”宽度约2nm①，是目前已知的最小的汉字。 我国是世界四大文明古国之一，在化学发展史上有过极其辉煌的业绩。冶金、陶瓷、酿造、造纸、火药等都是在世界上发明和应用得比较早的国家。如商代的司母戊鼎是目前已知的最大的古青铜器(图2)；1972年在河北出土的商代铁刃青铜钺是我国目前发现的最早的铁器。我国古代的一些书籍中很早就有关于化学的记载。著名医药学家李时珍的巨著《本草纲目》(公元1596年)中，还记载了许多有关化学鉴定的试验方法。中华人民共和国建立以后，我国的化学和化学工业，以及化学基础理论研究等方面，都取得了长足的进步。1965年，我国的科学工作者在世界上第一次用化学方法合成了具有生物活性的蛋白质——结晶牛胰岛素(图3)，到了20世纪80年代，又在世界上首次用人工方法合成了一种具有与天然分子相同的化学结构和完整生物活性的核糖核酸②，为人类揭开生命奥秘做出了贡献。此外，我国还人工合成了许多结构复杂的天然有机化合物，如叶绿素(图4)、血红素、维生素B12，以及一些特效药物等。 今日化学学科正积极向一些与国民经济和社会生活关系密切的材料、能源、环境、生命等学科渗透，使化学的作用与地位日益显著。反过来，这种学科间的渗透，对化学学科的发展起着重要的促进作用。 人类很早就开始使用材料，从石器时代到现代，人类所使用的材料不断地发生变化，材料的种类越来越多，用途也越来越广。我们对于材料的认识，应该包括为人类社会所需要并能用于制造有用器物的物质这两层涵义。也就是说，并不是所有的物质都可以称为材料。材料按其化学组成或状态、性质、效应、用途等可以分为若干类。例如，按化学组成分类，陶瓷属于非金属材料；合金属于金属材料；橡胶、化纤等属于有机高分子材料。历史的发展表明：没有新材料的出现，就没有工业的进步和大量新产品的涌现。因此，许多科学家都认为新材料是高技术的突破口，只有更好地开发和应用具有特殊性能的新材料，才能拥有更强大的经济优势和技术潜力。化学不仅在一般材料的研究、生产和应用中发挥了巨大的作用，而且在研制具有特殊性能的新材料方面也会继续发挥其独特的优势。总起来讲，适应科技迅猛发展所需的诸如耐腐蚀、耐高温、耐辐射、耐磨损的结构材料，以及敏感、记录、半导体、光导纤维、液晶高分子等信息材料和超导体、离子交换树脂与交换膜等高功能材料，它们的制取都是需要化学进一步参与研究的重要课题。 位于北京周口店的北京猿人遗址中的炭层，表明人类使用能源的历史已非常久远。人类社会的发展与能源消费的增长是密切相关的，我们现在使用的能源主要来自化石燃料——煤、石油和天然气等，但化石燃料是一种不可再生，并且储藏量有限的能源，而且在开采和燃烧过程中还会对自然环境造成污染。为了更好地解决能源问题，人们一方面在研究如何提高燃料的燃烧效率，另一方面也在寻找新的能源。这些都离不开化学工作者的努力。例如，核能和太阳能的发电装置离不开特殊材料的研制；用氢作为能源需要考虑贮氢材料和如何廉价得到氢，等等。 环境问题是当今世界各国都非常关注的问题。在世界人口不断增长、生产不断发展、人民生活水平不断提高的过程中，由于人们对环境与生产发展的关系认识不够，以及对废弃物处理不当，使环境受到了不同程度的破坏，如土地的沙漠化、水资源危机、酸雨、臭氧层的破坏、有毒化学品造成的污染等。因此，保护环境已成为当前和未来的一项全球性的重大课题之一，也是我国的一项基本国策。在这些关系到国计民生的环境问题中，化学工作者是大有作为的。因为污染问题的解决主要还得靠化学等方法。有的专家提出，如果对燃烧产物如CO2、H2O、N2等利用太阳能使它们重新组合，使之变成CH4、CH3OH、NH3等的构想(图5)能够成为现实，那么，不仅可以消除对大气的污染，还可以节约燃料，缓解能源危机。 对健康的关注也是人类面对的重要课题。我们知道，用以保证人体健康的营养、药物的研究、人体中的元素对人体生理作用的研究，以及揭开生命的奥秘等，都离不开化学。因此，如何在这些方面正确地运用化学知识，与其他学科协调研究就成为调节生命活动和提高人体素质的重要手段。 此外，在资源的合理开发和利用、提高农作物的产量，以及癌症治疗的研究等方面，化学也都扮演着极其重要的角色。 综上所述，在研究材料、能源、环境、生命科学等方面，以及在我们的日常生活中，我们不难看出，化学对社会的发展和人类的进步起着非常重要的作用。 化学对于我们如此重要，这就要求我们必须掌握一定的化学知识。在初中，我们学习了氧气、氢气、碳、铁和一些常见的酸、碱、盐的基础知识和某些基本技能，并具备了初步解释和解决一些简单化学问题的能力。为了适应未来社会的需要，在高中阶段，我们仍需要继续学习化学，提高自己的科学素质，为今后进一步学习和参加社会主义建设打好基础。 在高中学习化学时，我们不仅要像初中学习化学那样，注重化学实验的作用，掌握有关化学基础知识和基本技能，还要重视训练科学方法①，这对于培养我们的科学态度，提高分析问题和解决问题的能力是很有帮助的。在学习时，我们还必须紧密联系社会、生活、生产等实际，要细心观察，并善于发现和提出问题。除了学好教科书中的内容以外，还应多阅读一些课外书籍和资料，培养自学能力，以获得更多的知识，努力使自己成为具有较高素质的现代社会的公民，为实现祖国社会主义现代化建设的宏伟目标贡献自己的力量。 讨论 你如何理解“化学——人类进步的关键”这句话？ 化学成为一门独立学科的时间虽然不长，但化学作为一种实用的技术，早在史前时期就得到了具体的应用，如用火烧制陶器等。化学的发展经历了古代、近代和现代等不同的时期。铜、铁等金属以及合金的冶炼、酒的酿造等都是化学的早期成就。煤、石油、天然气等化石燃料的开采和利用、造纸术的发明和发展等，对人类社会的进步都发挥了重要的作用。药物化学的兴起和冶金化学的广泛探究，则为近代化学的诞生和发展奠定了良好的基础。原子分子学说的建立，是近代化学发展的里程碑。在近代化学发展的历程中，人们相继发现了大量的元素，同时也揭示了物质世界的一项根本性的规律——元素周期律。在原子的核模型的建立、高度准确的光谱实验数据的获得、辐射实验现象，以及光电效应的发现等基础上建立起来的现代物质结构理论，使人们能够深入地、科学地认识物质内部的奥秘，以及微观粒子的运动规律，这将使对物质的研究深入到了原子、分子水平的微观领域。同时，化学与其他学科之间的相互渗透，使化学所涉及的领域越来越广，扫描隧道显微镜的研制成功，使人们能够清楚地观察到原子的图像和动态的化学变化。交叉分子束实验①则可以使人们详细地研究化学反应的微观机理。