化学的几个核心问题

化学科学经历了三百多年的历史，今天已建立起庞大的现代知识，开拓出了广阔的前沿领域。在《21世纪的化学是研究泛分子的科学》一文中，徐光宪先生提出，泛分子的名词是仿照泛太平洋会议（Pan Pacific Conference）、泛美航空（Pan American Air line）等提出来的。泛分子是泛指21世纪化学的研究对象，它可以分为10个层次：（1）原子层次；（2）分子片层次；（3）结构单元层次；（4）分子层次；（5）超分子层次；（6）高分子层次；（7）生物分子和活分子层次；（8）纳米分子和纳米聚集体层次；（9）原子和分子的宏观聚集体层次；（10）复杂分子体系及其组装体的层次。在此，徐先生用一个“泛”形象地概括了现代化学发展时期由于综合而出现的研究对象多元化的特征，并给出了现代化学发展新阶段关于化学的定义。也正是基于此，我们认为适应现代化学发展的学科观应为泛化学学科观，它不再囿于传统化学学科的特殊性。它的研究对象不再只是传统意义上的分子，而是“泛分子”，它的研究方法也不再是传统意义上的化学方法，而是引入了其他学科的研究方法并与现代技术相结合。所有这些都是对泛化学学科观开放性与多元化基本特征的诠释。现代化学的主要发展趋势概括起来说，是沿着以下五个方面发展的：（1）物质的原子结构、分子结构、晶体结构和结构性能的研究；（2）原子核结构和内微位运动规律的研究；（3）合成化学；（4）化学动力学的研究；（5）分析测试方法和技术的研究及应用。一般化学科学的四大分支学科是无机化学、分析化学、有机化学、物理化学，它们的核心问题如下。

（一）无机化学

无机化学是一个十分活跃、潜力很大、前途宽广的领域。《21世纪的无机化学》一书的序言中说道，无机化学正在为广阔的化学领域的发展提供源泉，它已深入到固态化学、高聚物化学、生物化学，由金属有机化合物发生的有机合成、均相和多相催化，能量贮存、与能量有关技术、分析化学、物理化学和理论化学等领域。无机化学正在很多新的方向上迅速成长，无机化学家面临着前所未有的世界性挑战。

1.原子簇化学

由金属原子直接健合组成多面体或缺顶多面体骨架为特征的分子或离子称为原子簇化合物。这类化合物具有与金属催化剂及金属的活性部位有非常类似的多面体结构。相硫原子族化合物是一种对磁场衰减电流具有高抵扰能力的翅导物质，与新型材料、能源及环境保护等国民经济有密切关系。合成新的原子簇化合物，研究它们的结构和性能是原子簇化学今后发展的主要方向。

2.新型无机化学材料

能源、信息、材料是新技术革命中的三个组成。新型无机材料有人工晶体、特种玻璃、先进陶瓷以及特种涂料等，它们具有特殊的功能。比如高温下的高强度、韧性、耐磨等机械功能，耐热、导热、隔热、集热、散热等热功能，透光、导光、发生荧光及偏光等光功能，绝缘导电、压电磁性等磁功能。目前无机材料化学发展的方向是重点解决能源、交通、通讯手段领域中的一系列问题。

（二）有机化学

目前有机化学的主要发展趋势和前沿是：（1）含磷化合物和含硼化合物用作有机合成试剂的研究；（2）合成可模拟重要的生物过程的分子的研究；（3）人工合成生物高分子；（4）量子有机化学理论的进一步完善；（5）有机化学溶剂中起作用的人造酶的设计；（6）有机合成的选择性反应途径；（7）利用计算机进行有机合成的设计。

（三）物理化学

目前物理化学的主要发展趋势和研究前沿是：（1）分子及新材料性能的预测；（2）精测实验结果及各种谱图的解析；（3）化学反应量子理论的研究；（4）量子生物、量子药理、量子固体等边缘性学科的发展；（5）在特定的激发下，留存在分子中的能量是如何重新分配并如何随时间而变化的；（6）多电子迁移反应的机理、速度，如何控制这类反应；（7）新的催化剂的发现和研究；（8）分子中的能量（能量大小、能态、能量的分布）对化学反应性能的影响；（9）高振动激发态的研究。

（四）分析化学

目前，一门新的科学“化学计量学”正在兴起。它将训练分析化学家利用数学和统计的方法及计算机科学作为工具去设计或选择最优的测量步骤，并从分析数据中获得最大限度的化学知识。为进行差别决策及解决实际生产、科研课题提供依据，分析化学的作用由单纯的提供原始数据上升到直接参与实际问题的解决。分析化学已发展到名副其实的信息科学。同时，“化学计量学”的基础研究，将为各种类型分析仪器的自动化与智能化提供理论依据与技术基础。

总之，现代分析化学已经远远超出化学的概念，突破了纯化学的领域，它将把化学与数学、物理学、计算机科学、生物学紧密地结合起来，发展成为一门多学科性的综合性科学。

（五）高分子化学

高分子化学是研究高分子化合物的合成、化学反应、物理化学、物理、加工成型、应用等方面的一门新兴的综合性学科。合成高分子的历史不过80年，所以高分子化学真正成为一门科学还不足60年，但它的发展非常迅速。目前它的内容已超出化学范围，因此，现在常用高分子科学这一名词来更合逻辑地称呼这门学科。狭义的高分子化学，则是指高分子合成和高分子化学反应。人类实际上从一开始即与高分子有密切关系，自然界的动植物包括人体本身，就是以高分子为主要成分而构成的，这些高分子早已被用作原料来制造生产工具和生活资料。

高分子化学作为化学的一个分支学科，是在20世纪30年代才建立起来的一个较年轻的学科。它的发展主要经历了天然高分子的利用与加工、天然高分子的改性、合成高分子的生产和高分子科学的建立四个时期。从三十年代起，随着合成高分子的发展而逐渐建立起来与高分子相关的反应动力学、化学热力学、结构化学、高分子物理、生物高分子等分支学科，形成了一门系统的高分子科学。

（六）核化学

核化学，又称为核子化学，是用化学方法或化学与物理相结合的方法研究原子核（稳定性和放射性）的反应、性质、结构、分离、鉴定等的一门学科。核化学主要研究核性质、核结构、核转变的规律以及核转变的化学效应、奇特原子化学，同时还包括有关研究成果在各个领域的应用。核化学、放射化学和核物理，在内容上既有区别却又紧密地联系和交织在一起。

1.学科特点

核化学研究中所用的化学操作和分离技术与一般化学分析中所用的有所不同，这主要在于前者着重速度快和放射性纯度高，一般回收率在20%～50%即可。至于半衰期极短的核素，为了争取速度而允许回收率低于20%。原则上，一般化学分析中的分离方法都可用于核化学研究，但对半衰期短的核素，需采取热色谱、反冲技术等快速分离步骤。放射性纯度是指最终产品中放射性杂质与待测放射性核素之间的相对含量。放射性杂质的相对含量越低，则放射性纯度越高。只要不影响回收率的测定，对化学纯度的要求不高（见放射化学纯度）。

2.武器应用

核化学研究成果已广泛应用于各个领域。例如利用中子活化分析，可较准确地测定样品中50种以上元素的含量，并且灵敏度一般很高；该法已广泛应用于材料科学、环境科学、生物学、医学、地学、宇宙化学、考古学和法医学等领域。一些短寿命（特别是发射正电子）核素的放射性标记化合物广泛应用于医学。热原子化学方法可用于制备某些标记化合物。正电子湮没技术已用于材料科学及化学动力学等方面的研究。核化学武器有巨大的杀伤破坏威力，可用导弹、火箭、飞机、火炮等多种投射工具广泛使用于战场。因此，在现代条件下作战，对这三种武器的防护，已成为作战保障的重要内容。许多国家的军队都很重视研究和采取相应的措施，加强军队和军事设施的防护能力，并编有专业部门、专业人员和专业部队、分队，负责指导部队防护，执行各种专业保障任务。

（七）生物化学

生物化学是化学的分支学科。它是研究生命物质的化学组成、结构及生命活动过程中各种化学变化的基础生命科学。生物化学，顾名思义是研究生物体中的化学进程的一门学科，常常被简称为生化。它主要用于研究细胞内各组分，如蛋白质、糖类、脂类、核酸等生物大分子的结构和功能。而对于化学生物学来说，则着重于利用化学合成中的方法来解答生物化学所发现的相关问题。虽然存在着大量不同的生物分子，但实际上有很多大的复合物分子（称为“聚合物”）是由相似的亚基（称为“单体”）结合在一起形成的。每一类生物聚合物分子都有自己的一套亚基类型。例如，蛋白质是由20种氨基酸所组成，而脱氧核糖核酸由4类核苷酸构成。生物化学研究集中于重要生物分子的化学性质，特别着重于酶促反应的化学机理。在生物化学研究中，对细胞代谢和内分泌系统的研究进行得相当深入。生物化学的其他研究领域包括遗传密码（DNA和RNA）、蛋白质生物合成、跨膜运输（membrane transport）以及细胞信号转导。

1.生物体的化学组成

除了水和无机盐之外，活细胞的有机物主要由碳原子与氢、氧、氮、磷、硫等结合组成，分为大分子和小分子两大类。前者包括蛋白质、核酸、多糖和以结合状态存在的脂质；后者有维生素、激素、各种代谢中间物以及合成生物大分子所需的氨基酸、核苷酸、糖、脂肪酸和甘油等。在不同的生物中，还有各种次生代谢物，如萜类、生物碱、毒素、抗生素等。

2.代谢调节控制

新陈代谢由合成代谢和分解代谢组成。前者是生物体从环境中取得物质，转化为体内新的物质的过程，也叫同化作用；后者是生物体内的原有物质转化为环境中的物质，也叫异化作用。同化和异化的过程都由一系列中间步骤组成。中间代谢就是研究其中的化学途径。在物质代谢的过程中还伴随有能量的变化。生物体内机械能、化学能、热能以及光、电等能量的相互转化和变化称为能量代谢，此过程中ATP起着中心的作用。

3.生物大分子的结构与功能

生物大分子的多种多样功能与它们特定的结构有密切关系。

4.酶学研究

生物体内几乎所有的化学反应都是酶催化的。酶的作用具有催化效率高、专一性强等特点。这些特点取决于酶的结构。酶的结构与功能的关系、反应动力学及作用机制、酶活性的调节控制等是酶学研究的基本内容。酶与人类生活和生产活动关系十分密切，因此酶在工农业生产、国防和医学上的应用一直受到广泛的重视。

5.生物膜和生物力能学

生物膜主要由脂质和蛋白质组成，一般也含有糖类，其基本结构可用流动镶嵌模型来表示，即脂质分子形成双层膜，膜蛋白以不同程度与脂质相互作用并可侧向移动。生物膜与能量转换、物质与信息的传送、细胞的分化与分裂、神经传导、免疫反应等都有密切关系，是生物化学中一个活跃的研究领域。

6.激素

激素是新陈代谢的重要调节因子。激素系统和神经系统构成生物体的两种主要通讯系统，二者之间又有密切的联系。

7.生命的起源与进化

生物进化学说认为地球上数百万种生物具有相同的起源并在大约40亿年的进化过程中逐渐形成。生物化学的发展为这一学说在分子水平上提供了有力的证据，有关进化的生物化学研究将为阐明进化的机制提供更加本质的和定量的信息。

8.方法学

在生物化学的发展中，许多重大的进展均得力于方法上的突破。20世纪70年代以来，计算机技术广泛而迅速地向生物化学各个领域渗透，不仅使许多分析仪器的自动化程度和效率大大提高，而且为生物大分子的结构分析、结构预测以及结构功能关系研究提供了全新的手段。生物化学今后的继续发展无疑还要得益于技术和方法的革新。

其他与化学有关的还有地球化学、海洋化学、大气化学、环境化学、宇宙化学、星际化学等。