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1、展现基础理论 在高新技术中的闪光点 提高在教学中 培养创新思维的自觉性 北京大学化学学院 高盘良 常常听到学生说： “基础理论远水不解近渴” 课堂上听不到基础理论 在高科技中激动人心的 辉煌 反映： 化学教材的编写 及课堂教学不能适应 现代教学的需要 后果： 必将大大挫伤学生学习 化学的 兴趣和积极性， 直接影响到具有创新能力 的化学人才的培养， 必须引起高度 重视和认真研究。 有一个学生学习了 物理化学课程后体会： 物理化学是 一门令人爱恨交加的 课程， 当你走得越远， 才发现她离你越近。 基础理论与现代科技的关系 基础理论与现代科技关系密切， 在世界经济由工业经济 向知识经济转变阶段， 基
2、础理论为国民经济提供的新技术 将发挥越来越直接的作用。 基础理论与现代科技的关系 基础理论是高新技术的 先导和源泉。 基础理论每当取得突破性进展 往往会促进应用研究和 技术开发，最终形成大产业 基础理论与现代科技的关系 以物理化学为例 在分离科学中具有划时代意义的 超临界流体萃取、 用相图指导钕铁硼 强永磁材料的制备、 应用反胶束作为纳米反应器 制备纳米粒子 基础理论与现代科技的关系 说明化学中的基础理论 通过化学家的创新研究 对高新技术所起的巨大的 推动作用。 基础理论与现代科技的关系 我们应在基础层次上寻找 前沿的根， 作为教师应充分发掘这些 “闪光点”， 让原理在科学研究和实际应用 的实
3、例中 展现其活力，提高创新能力。 基础理论与现代科技的关系 举一些“闪光点”为例 说明化学基本理论 在现代科技中发挥的巨大 推动作用。 基础理论与合成化学、 新材料的制备 (1)合成氨技术 2007年度诺贝尔化学奖颁发给 德国化学家格哈德埃特尔 以奖励其揭示 固体表面的化学过程研究中 作出的杰出贡献 基础理论与合成化学、 新材料的制备 如铁催化剂表面的 合成氨反应历程， 经多方面精确实验证明属于 朗格谬欣谢尔伍德历程 合成氨反应历程合成氨反应历程 （旧）（旧） 合成氨反应历程合成氨反应历程 （新）（新） 合成氨反应历程合成氨反应历程 （新）（新） 合成氨反应历程合成氨反应历程 （新）（新） 裂
4、解的氮原子和氢原子同时 被吸附在两个相邻的活性中心上， 然后再转变为生成物氨。 研究揭示， 氮分子的裂分比反应的其他步骤要慢得多， 一旦氮裂分，其后的反应就 以极快的速率发生， 以至氨形成并离开表面。 合成氨反应历程合成氨反应历程 （新）（新） 而铁催化剂中作为助催化剂钾的加入 使得氮的吸附解离（速控步） 变得更容易， 从而加快了催化反应速率。 基础理论的重大发现 为合成氨催化剂的研究指明了方向, 必将促进合成氨工业的飞速发展. (2)(2)钕铁硼强永磁材料的制备钕铁硼强永磁材料的制备 目前公认的得到广泛应用的是 钕铁硼强永磁材料 钕、铁的熔点高 钕金属活泼 钕 铁 硼 熔点/ 1024 15
5、35 2177 采用先制备纯的钕、铁、硼 是不现实的. 钕铁硼强永磁材料的制备钕铁硼强永磁材料的制备 凝固点降低原理、 二组分体系相图， 巧妙地设计了一个 电解装置 才攻克了备制的难关。 钕铁硼强永磁材料的制备钕铁硼强永磁材料的制备 凝固点降低原理： 铁钕合金 在远远低于 熔点的 640 形成含钕 68.5时的 低共溶物， 钕铁硼强永磁材料的制备钕铁硼强永磁材料的制备 先用熔盐电解法 制备铁-钕合金 (所得低共熔物 含钕可高达88.5)， 为在铁-钕合金中 掺入铁及硼 创造了条件。 钕铁硼强永磁材料的制备钕铁硼强永磁材料的制备 设计了如下的工艺条件: (1)配制富含钕的电解液，如三氯化钕 (2
6、)选择电解温度，使其比640略高； (3)电解产生的钕在铁电极金属上 生成熔融状态的钕铁合金溶液， 由于密度大于三氯化钕，不断滴入接受器， 以保持电极金属铁表面是新鲜的， 因此设置钕-铁合金接受器是一个巧妙的构思。 钕铁硼强永磁材料的制备钕铁硼强永磁材料的制备 钕铁硼高性能的 强永磁材料的制备 是相图理论指导的成果之一 古老的相图理论 在高新技术中唤发出青春。 (3)反相微乳法及胶团法制备 纳米粒子 纳米微粒是指 颗粒尺寸为纳米量级 的超细微粒， 以1nm的粒子 与乒乓球相比， 犹如把一个乒乓球 放在居住着全人类 的地球上。 反相微乳法及胶团法制备纳米粒子 纳米材料具有许 多神奇的功能 高机械
7、强度： 大于钢100倍， 1/6重量 反相微乳法及胶团法制备纳米粒子 纳米材料具有许多神奇的功能 如此微小尺度的材料是怎么制得的？ 化学家利用了胶体化学中 具有纳米尺度的反胶束（油包水） 作为纳米反应器用于制备纳米粒子 反相微乳法及胶团法制备纳米粒子 以碳酸钙纳米粒子制备为例 油包水胶束（3 6nm） Ca(OH)2 CO2 Ca(OH)2 反相微乳法及胶团法制备纳米粒子 反相微乳液法： 双微乳法， 即混合含有 2种反应物的 反相微乳液 反应在微水核中 进行， 并成核、长大， 最后得到纳米粒子 反相微乳法及胶团法制备纳米粒子 反相微乳法及胶团法制备纳米粒子 单微乳法 往含有反应物A的反相微乳液
8、中 加入反应物B(或气体） 反应物B在反相微乳液系统中扩散， 透过表面活性剂和助表面活性剂组成的 复合膜向微乳内核中渗透， A、B在微水核中混合并反应。 反应物的渗透扩散为控制过程。 TiO2纳米粒子就是采用单微乳法制备的。 反相微乳法及胶团法制备纳米粒子 纳米BaCO3的制备 配制BaCl2和 Na2CO3两个水溶液 反相微乳液 表面活性剂C12E4 环己烷 等体积的A与B微乳 混合 制成纳米BaCO3。 反相微乳法及胶团法制备纳米粒子 在“十一酸/癸胺/癸烷/水”正负混合反胶束体系 中，利用聚合物的诱导作用合成羽毛状BaWO4 纳米线超结构 反相微乳法及胶团法制备纳米粒子 “十一酸/癸胺/
9、癸烷/水” 体系中，通过改变正负 混合表面活性剂配比合成树枝状BaCrO4纳米带超 结构 Ba2+ + CrO42- 24h (4)电化学合成及电催化 电化学合成是指用电化学方法 去合成无机及有机化学物质 利用电极反应动力学原理 即多相电催化 选择或修饰电极材料 与 降低超电势 加速特定的电极反应 电化学合成及电催化 葡萄糖阴极电还原合成甘露醇 和山梨醇为例， 电化学合成及电催化 电化学合成及电催化 “一箭双雕”的反应， 即一个反应物在同一电极上生成 两个有用的产物： 甘露醇和山梨醇， 而且甘露醇附加值更高。 电化学合成及电催化 石墨、金属铅、雷尼镍 三种材料作阴极 以雷尼镍的电流效率最高 催
10、化活性最高, 雷尼镍的选择性好 甘露醇的相对含量最高 电化学合成及电催化 新兴工业正处于篷勃发展阶段 基础理论与 现代分离技术 超临界流体萃取 超临界流体萃取是分离科学中 有划时代意义的科学进步。 蛋白质微乳分离技术 (1)超临界流体萃取 基本原理 溶解度定律 三组分体系二相平衡 的分配定律 焦尔-汤姆逊效应 超临界流体萃取 超临界流体萃取 超临界流体萃取 态45： 溶解度随温度 升高而降低， 为使分离完全 而升温 态55： 态5为萃取物的 过饱和混合物， 萃取物自动析出， 与CO2分离 (2)蛋白质微乳 分离技术 基本原理 表面活性剂 油包水微乳 蛋白质等电点 蛋白质微乳分离技术 有两种蛋白
11、质： 蛋白质 分子量 等电点pI 溶菌酶 14500 11.1 核糖核酸酶 13700 7.8 蛋白质微乳分离技术 表面活性剂的两性（亲油和亲水） 蛋白质微乳分离技术 水 水 包 油 5100nm 油 包 水 3-6nm 蛋白质微乳分离技术 蛋白质微乳分离技术 蛋白质等电点（两性的性质） 蛋白质微乳分离技术 基础理论与新能源 世界能源储量： 煤炭储量可开采 100 150年， 天然气储量可开采 50 60年， 石油储量可开采 3040年。 基础理论与新能源 基础理论与新能源 基础理论与新能源 可燃冰 (甲烷 水合物) 为什么 “冰” 能燃烧 ? 亨利定 律 基础理论与新能源 基础理论与新能源
12、2007年能源领域年度十大新闻， 南海北部成功钻获可燃冰实物样品 天然气水合物的发现展示了 后石油时代的美好前景 天然气水合物开发利用研究 已列为22项前沿技术之一。 天然气水含物研究的应用前景： 与液化天然气和管道储运技术相比 存储空间小，存储量大， 储气条件相对温和，安全， 高效，经济。 应用前景的拓展： 海水淡化，空调蓄冷，气体分离 基础理论与新能源 基础理论与新能源 化学电源 基础理论与新能源 银锌电池 轻而小，又适于大功率放电 全钒电池是一种 理想清洁的绿色能源。 我国钒资源丰富， 是值得研究发展的一个方向， 基础理论与新能源 锂电池锂是诸金属中具有质量轻、 LiLi+电极标准电极电
13、势最负， 导电性和机械性能良好等优点， 自20世纪80年代以来是研究的 热点之一 成为最有竞争力的 高能电池之一。 基础理论与新能源 燃料电池是十分清洁的发电装置， 重要的发电手段服务于人类。 储 氢 合 金 LaNi5是CaCu5型结构，六方晶系的晶体结构 晶胞中有6个变形四面体储氢空隙 “小问题”有大道理 化学原理无处不在 一个化工厂、制药厂工艺中的 每一个步骤都包含有物理化学原理 我们周围生活中化学原理无处不在。 结合这些“小问题” 可以使书本上的理论变得 生动而容易理解， 培养学生的化学视角。 “小问题”有大道理 爱斯基摩人根据季节的变换 从汪洋大海含盐海水中 取出不含盐的淡冰 小锅炒
14、菜为什么色香味俱佳？ 酶催化和化学反应速率的 负温度系数在起作用 “小问题”有大道理 2008年我国南方地区遭受的 大面积冻雨灾害的 冻雨即是过冷水滴 过冷水滴即 单组分体系相平衡 中的亚稳态水， 与稳定态的固态的 冰或雪不同 “神七”航天员出舱前的准备工作 ： 吸（纯）氧排(血液中）氮 为避免进入低压环境后 血液中溶解的氮析出 在血管中形成气栓 原理: 亨利定律 减压使气体溶解度降低 “小问题”有大道理 创新是关键 基础理论是根本 常教常新是保证 课堂教学要改进 创新是关键 基础理论是普遍性的原理， 将其应用于实际 关键是 具有创新能力的研究工作者。 创新是关键 蛋白质微乳分离技术知识点 相平衡中萃取的 分配定律 有机化学中 蛋白质的等电点 胶体化学中 表面活性剂和乳化作用 创新是关键 超临界流体萃取技术 理论基础是： 临界现象、 两相平衡分配定律及 焦尔汤姆逊效应 创新是关
