展現基礎理論在高新技術中的閃光點,提高在教

展現基礎理論在高新技術中的閃光點提高在教學中培養(yǎng)創(chuàng)新思維的自覺性北京大學化學學院高盤良常常聽到學生說：“基礎理論遠水不解近渴”課堂上聽不到基礎理論在高科技中激動人心的輝煌反映：化學教材的編寫及課堂教學不能適應現代教學的需要后果：必將大大挫傷學生學習化學的興趣和積極性，直接影響到具有創(chuàng)新能力的化學人才的培養(yǎng)，必須引起高度重視和認真研究。有一個學生學習了物理化學課程后體會：物理化學是一門令人愛恨交加的課程，當你走得越遠，才發(fā)現她離你越近。基礎理論與現代科技的關系基礎理論與現代科技關系密切，在世界經濟由工業(yè)經濟向知識經濟轉變階段，基礎理論為國民經濟提供的新技術將發(fā)揮越來越直接的作用?；A理論與現代科技的關系基礎理論是高新技術的先導和源泉?；A理論每當取得突破性進展往往會促進應用研究和技術開發(fā)，最終形成大產業(yè)基礎理論與現代科技的關系以物理化學為例在分離科學中具有劃時代意義的超臨界流體萃取、用相圖指導釹鐵硼強永磁材料的制備、應用反膠束作為納米反應器制備納米粒子…基礎理論與現代科技的關系說明化學中的基礎理論通過化學家的創(chuàng)新研究對高新技術所起的巨大的

推動作用?；A理論與現代科技的關系

我們應在基礎層次上尋找前沿的根，作為教師應充分發(fā)掘這些“閃光點”，讓原理在科學研究和實際應用的實例中展現其活力，提高創(chuàng)新能力?；A理論與現代科技的關系

舉一些“閃光點”為例說明化學基本理論在現代科技中發(fā)揮的巨大推動作用?；A理論與合成化學、

新材料的制備

(1)合成氨技術

2007年度諾貝爾化學獎頒發(fā)給德國化學家格哈德埃特爾以獎勵其揭示固體表面的化學過程研究中作出的杰出貢獻基礎理論與合成化學、

新材料的制備如鐵催化劑表面的合成氨反應歷程，經多方面精確實驗證明屬于

朗格謬—欣謝爾伍德歷程合成氨反應歷程（舊）合成氨反應歷程

（新）合成氨反應歷程

（新）合成氨反應歷程

（新）裂解的氮原子和氫原子同時被吸附在兩個相鄰的活性中心上，然后再轉變?yōu)樯晌锇薄Ｑ芯拷沂?，氮分子的裂分比反應的其他步驟要慢得多，一旦氮裂分，其后的反應就以極快的速率發(fā)生，以至氨形成并離開表面。合成氨反應歷程

（新）而鐵催化劑中作為助催化劑鉀的加入使得氮的吸附解離（速控步）變得更容易，從而加快了催化反應速率?；A理論的重大發(fā)現為合成氨催化劑的研究指明了方向,

必將促進合成氨工業(yè)的飛速發(fā)展.(2)釹鐵硼強永磁材料的制備

目前公認的得到廣泛應用的是釹鐵硼強永磁材料釹、鐵的熔點高釹金屬活潑

釹

鐵

硼熔點/℃1024

1535

2177采用先制備純的釹、鐵、硼是不現實的.釹鐵硼強永磁材料的制備

凝固點降低原理、二組分體系相圖，巧妙地設計了一個電解裝置才攻克了備制的難關。釹鐵硼強永磁材料的制備凝固點降低原理：鐵—釹合金在遠遠低于熔點的

640℃形成含釹

68.5％時的低共溶物，釹鐵硼強永磁材料的制備先用熔鹽電解法制備鐵-釹合金

(所得低共熔物含釹可高達88.5％)，為在鐵-釹合金中摻入鐵及硼創(chuàng)造了條件。

釹鐵硼強永磁材料的制備設計了如下的工藝條件:(1)配制富含釹的電解液，如三氯化釹(2)選擇電解溫度，使其比640℃略高；(3)電解產生的釹在鐵電極金屬上生成熔融狀態(tài)的釹鐵合金溶液，由于密度大于三氯化釹，不斷滴入接受器，以保持電極金屬鐵表面是新鮮的，因此設置釹-鐵合金接受器是一個巧妙的構思。釹鐵硼強永磁材料的制備

釹鐵硼高性能的強永磁材料的制備是相圖理論指導的成果之一古老的相圖理論在高新技術中喚發(fā)出青春。(3)反相微乳法及膠團法制備

納米粒子

納米微粒是指顆粒尺寸為納米量級的超細微粒，以1nm的粒子與乒乓球相比，猶如把一個乒乓球放在居住著全人類的地球上。反相微乳法及膠團法制備納米粒子納米材料具有許多神奇的功能高機械強度：大于鋼100倍，1/6重量反相微乳法及膠團法制備納米粒子納米材料具有許多神奇的功能如此微小尺度的材料是怎么制得的？化學家利用了膠體化學中具有納米尺度的反膠束（油包水）作為納米反應器用于制備納米粒子反相微乳法及膠團法制備納米粒子以碳酸鈣納米粒子制備為例油包水膠束（3～6nm）Ca(OH)2CO2Ca(OH)2反相微乳法及膠團法制備納米粒子反相微乳液法：①雙微乳法，即混合含有

2種反應物的反相微乳液反應在微水核中進行，并成核、長大，最后得到納米粒子．反相微乳法及膠團法制備納米粒子反相微乳法及膠團法制備納米粒子

②單微乳法往含有反應物A的反相微乳液中加入反應物B(或氣體）．反應物B在反相微乳液系統中擴散，透過表面活性劑和助表面活性劑組成的復合膜向微乳內核中滲透，A、B在微水核中混合并反應。反應物的滲透擴散為控制過程。TiO2納米粒子就是采用單微乳法制備的。

反相微乳法及膠團法制備納米粒子納米BaCO3的制備配制BaCl2和

Na2CO3兩個水溶液反相微乳液表面活性劑C12E4

環(huán)己烷等體積的A與B微乳混合制成納米BaCO3。反相微乳法及膠團法制備納米粒子在“十一酸/癸胺/癸烷/水”正負混合反膠束體系中，利用聚合物的誘導作用合成羽毛狀BaWO4納米線超結構反相微乳法及膠團法制備納米粒子“十一酸/癸胺/癸烷/水”體系中，通過改變正負混合表面活性劑配比合成樹枝狀BaCrO4納米帶超結構Ba2++CrO42-24h(4)電化學合成及電催化

電化學合成是指用電化學方法去合成無機及有機化學物質利用電極反應動力學原理即多相電催化選擇或修飾電極材料與降低超電勢

加速特定的電極反應電化學合成及電催化葡萄糖陰極電還原合成甘露醇和山梨醇為例，電化學合成及電催化電化學合成及電催化“一箭雙雕”的反應，即一個反應物在同一電極上生成兩個有用的產物：甘露醇和山梨醇，而且甘露醇附加值更高。電化學合成及電催化

石墨、金屬鉛、雷尼鎳三種材料作陰極以雷尼鎳的電流效率最高

催化活性最高,

雷尼鎳的選擇性好

甘露醇的相對含量最高電化學合成及電催化新興工業(yè)正處于篷勃發(fā)展階段基礎理論與

現代分離技術

①超臨界流體萃取超臨界流體萃取是分離科學中有劃時代意義的科學進步。

②蛋白質微乳分離技術(1)超臨界流體萃取

基本原理

☆溶解度定律

☆三組分體系二相平衡的分配定律

☆焦爾-湯姆遜效應超臨界流體萃取超臨界流體萃取超臨界流體萃取

態(tài)4→5：溶解度隨溫度升高而降低，為使分離完全而升溫

態(tài)5→5﹡：態(tài)5為萃取物的過飽和混合物，萃取物自動析出，與CO2分離

(2)蛋白質微乳

分離技術

基本原理

表面活性劑

油包水微乳

蛋白質等電點蛋白質微乳分離技術

有兩種蛋白質：蛋白質分子量等電點pI溶菌酶1450011.1核糖核酸酶137007.8

蛋白質微乳分離技術表面活性劑的兩性（親油和親水）蛋白質微乳分離技術水

水包油

5～100nm

油包水

3-6nm蛋白質微乳分離技術蛋白質微乳分離技術蛋白質等電點（兩性的性質）

蛋白質微乳分離技術基礎理論與新能源

世界能源儲量：

煤炭儲量可開采100～150年，天然氣儲量可開采50～60年，石油儲量可開采30～40年?；A理論與新能源基礎理論與新能源基礎理論與新能源可燃冰(甲烷水合物)為什么“冰”能燃燒?亨利定律基礎理論與新能源基礎理論與新能源2007年能源領域年度十大新聞，

南海北部成功鉆獲可燃冰實物樣品天然氣水合物的發(fā)現展示了

后石油時代的美好前景

天然氣水合物開發(fā)利用研究

已列為22項前沿技術之一。

天然氣水含物研究的應用前景：與液化天然氣和管道儲運技術相比

存儲空間小，存儲量大，儲氣條件相對溫和，安全，高效，經濟。應用前景的拓展：

海水淡化，空調蓄冷，氣體分離基礎理論與新能源基礎理論與新能源

化學電源基礎理論與新能源

銀鋅電池輕而小，又適于大功率放電全釩電池是一種理想清潔的綠色能源。我國釩資源豐富，是值得研究發(fā)展的一個方向，基礎理論與新能源

鋰電池鋰是諸金屬中具有質量輕、Li／Li+電極標準電極電勢最負，導電性和機械性能良好等優(yōu)點，自20世紀80年代以來是研究的熱點之一成為最有競爭力的高能電池之一?；A理論與新能源

燃料電池是十分清潔的發(fā)電裝置，重要的發(fā)電手段服務于人類。儲氫合金LaNi5是CaCu5型結構，六方晶系的晶體結構晶胞中有6個變形四面體儲氫空隙“小問題”有大道理化學原理無處不在一個化工廠、制藥廠…工藝中的每一個步驟都包含有物理化學原理我們周圍生活中化學原理無處不在。結合這些“小問題”可以使書本上的理論變得生動而容易理解，培養(yǎng)學生的化學視角。“小問題”有大道理愛斯基摩人根據季節(jié)的變換從汪洋大海含鹽海水中取出不含鹽的淡冰小鍋炒菜為什么色香味俱佳？酶催化和化學反應速率的負溫度系數在起作用“小問題”有大道理2008年我國南方地區(qū)遭受的大面積凍雨災害的

凍雨即是過冷水滴

過冷水滴即單組分體系相平衡中的亞穩(wěn)態(tài)水，與穩(wěn)定態(tài)的固態(tài)的冰或雪不同“神七”航天員出艙前的準備工作：

吸（純）氧排(血液中）氮

為避免進入低壓環(huán)境后

血液中溶解的氮析出

在血管中形成氣栓

原理:亨利定律

減壓使氣體溶解度降低“小問題”有大道理創(chuàng)新是關鍵基礎理論是根本常教常新是保證課堂教學要改進

創(chuàng)新是關鍵

基礎理論是普遍性的原理，將其應用于實際關鍵是具有創(chuàng)新能力的研究工作者。

創(chuàng)新是關鍵

蛋白質微乳分離技術知識點相平衡中萃取的

分配定律有機化學中

蛋白質的等電點膠體化學中

表面活性劑和乳化作用

創(chuàng)新是關鍵超臨界流體萃取技術理論基礎是：臨界現象、兩相平衡分配定律及焦爾—湯姆遜效應創(chuàng)新是關鍵

說明：高新技術的基礎在基本理論必須有掌握這些基本理論的科學工作者具有創(chuàng)新思維的能力否則怎能將許多分散在不同學科不同領域看來風馬牛不相及的知識點結合起來形成高新技術呢?基礎理論和創(chuàng)新思維是高新技術的二個支柱創(chuàng)新是關鍵前沿領域日新月異,根部深植于并不深奧的基礎理論和并不復雜的方法之中應在基礎層次上尋找前沿的根作為教師應充分發(fā)掘這些“閃光點”讓原理在科學研究和實際應用的實例中展現其活力基礎理論是根本

要實現創(chuàng)新必須對基礎理論有正確的理解和熟練的掌握化學教學任何時候都不能放松基礎理論這個“根本”丟掉了“基本”創(chuàng)新就成了無源之水只是空喊的口號2006年諾貝爾化學獎科恩伯格報告（2008.11.12）對于初學化學的人，基礎最重要,