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作者:admin 更新时间:2019年02月02日 08:32:42

  一、化学的学科发展趋势


  化学的学科发展,可以提到许多方面,如飞秒化学。化学向生物学和医学、材料设计、能源、大气和环境化学、国家安全与个人安全等领域的拓展等。在本文中,要着重说的是:化学与化学工程的重新融合。


  20世纪初,化学工程从应用化学中脱胎而出,经历了单元操作和三传一反,形成了化学工程学,从以经验为主过渡到有一定预测功能的较完整的理论,从而导致化学与化学工程的分离。这种情况在20世纪90年代发生了变化,基础化学研究与化学工程之间发生了空前的交叠和渗透。化学家越来越多地介入复杂系统的构造、分析和使用中,这些自然而然与工程学中的系统方法有关。化学工程师正日益进入越来越多的化学基础领域,在一些情况下甚至处于领导地位。在2003年美国出版的《超越分子前沿――化学与化学工程面临的挑战》一书中,开始使用化学科学来代表所有化学家和化学工程师的工作范围。


  化学是一个多尺度的科学。微观尺度是从电子和原子核到分子,例如分子设计。宏观尺度,例如实验室合成、生产装置、化学和物理操作、产品包装和运输。现在大家更关注介观尺度。从化学方面来说,人们关注超越分子的层次,进入超分子、分子集团、大分子、活性中心、器件的作用域,可以说从微观跨越到介观以至宏观层次。从化学工程来说。人们也不再满足于宏观的三传一反,而是逐步深入到颗粒、液滴、气泡、微孔、界面等介观行为,并对微观的机理也表现了浓厚的兴趣。化学由底向上,化学工程由顶向下,在介观层次相遇,互相借鉴,对于化学科学及其理论的发展,形成了巨大的推动。


  二、介观尺度的研究


  通常化学以量子力学或量子化学为理论基础,用以研究物质的微观结构、化学键和对称等,现在正逐步重视随时间发展的动态演变。在唯象地说明宏观现象时,则应用热力学。进入介观层次后,要采用平衡态和非平衡态的统计力学,后者需要综合应用流体力学的原理。


  化学工程通常以流体力学和热力学为理论基础,特别重视湍流理论、多相流和不可逆过程的热力学。计算流体力学有很大的发展。在研究湍流的强相关机理以及涉及介观层次时,统计力学原理起着重要的作用。而在为特征参数找出规律时,则需要量子力学的帮助。


  化学科学理论的发展,进入到综合运用量子力学、统计力学、热力学和流体力学的时代,目标是解决多尺度时空结构与宏观平衡和速率的关系。


  进行多尺度时空结构研究,有两个重要方面:一是由下向上的预测。从分子结构逐级预测介观层次的各种结构及其随时间的演变,并进而预测宏观层次的结构、反应和分离的特性,以至在反应器和分离装置中的行为,目标是形成无缝的从微观到宏观的链接。要做到这一点,先要搞清楚各个相邻层次的时空结构是如何相互关联的。研究这种关联,首先要有实验的观察,总结经验的规律,然后是理论的建立和推导,作为过渡步骤,也常常是采用模型的半经验方法。二是由上向下的控制。用宏观的手段,逐级控制各级时空结构的形成。这两个方面有着紧密的联系,有相辅相成的关系。


  三、对化学教学的启示


  为了适应不断变化的新形势,化学教学要做好以下几点:


  第一要打好基础。最重要的是,对于本学科的框架结构,通过教学,应使学生有一个系统的完整的初步认识。新的现象、规律和方法不断出现,要善于在学科的框架结构中找到它的位置。


  对于物理化学,我们认识到的学科框架包括:


  两大类研究对象:平衡和速率。


  三个层次:宏观层次,由微观到宏观的过渡层次,微观层次。


  两个方面:普遍规律和物质特性。两者结合,可以解决实际问题。


  三种方法:研究物质特性,有实验方法、半经验方法和理论方法。从理论上研究物质特性,将进入下一个更深的层次。


  例如生物膜中的促进传递和耦合传递。属于宏观层次的速率过程,具体来说是界面中的速率过程。对于普遍规律,要学教材中“传递过程”的内容(当然还有些特殊的地方)。为得到某一个生物膜的传递特性,要采用实验测定,或半经验方法。而要从理论上得到这种特性,必须应用统计力学。


  又如耗散颗粒动态学DPD,它是一种介观层次的模拟,实质上它就是分子动态学模拟MD,属于从微观到宏观的过渡层次的普遍规律范畴。特殊之处是应用了粗粒化,引入更低的介观层次,相应还采用了耗散力和随机力。


  第二要强调开放。框架是开放的,可以不断更新和充实。内容是开放的,可以经常介绍新的进展。


  对于如此丰富的介观层次,上述框架的精神依旧。微观和宏观之间,可以加入各种由低到高的介观层次之间的过渡层次。研究某一介观层次的特性,仍然有实验、半经验、理论这三种方法。理论方法主要采用平衡态和非平衡态的统计力学,相应进入了下一个层次,即从更低的介观层次到该介观层次的过渡层次。


  第三要善用类比。类比永远不会完美,却几乎常常有用。物理学是一个由于类比而兴旺的领域,例如,基于借自超导的概念,我们可以至少部分理解超流的氦。物理化学中类比于由理想气体到实际气体,在研究混合物时,我们由理想混合物到实际混合物。


  上面提到的耦合传递,可以和耦合反应进行类比。又如密度泛函理论DFT,则是以密度分布p(r)代替传统的位能函数ε(r)为基本变量构筑泛函。变分原理则等价于最概然分布原理或熵最大原理。


  当前的薄弱环节是:从微观到宏观的过渡层次;传递速率;进展。


  要加强教学资源建设,包括教材、系列参考书、电子教材、网站建设等。


  四、教学方法


  要做大改革。要以自学为主,讲课首先介绍框架结构,重点讲授难点和进展。并开展课堂讨论。


  教学一定要少而精,这样才能为今后做到博而通打下坚实的基础。作者:胡英