合成新化合物
化學(xué)試劑,九料化工商城 / 2020-11-12
發(fā)現(xiàn)新的化學(xué)反應(yīng)、新的化學(xué)試劑、新的化學(xué)方法和新的化學(xué)理論去合成新的化合物和新的材料，以求達(dá)到人們的新需求，始終是未來(lái)化學(xué)的基本內(nèi)容。
在五彩繽紛的世界中，各種動(dòng)植物都有其生長(zhǎng)規(guī)律和外貌特征。對(duì)它們的研究會(huì)不斷發(fā)現(xiàn)新的天然產(chǎn)物及其特殊功能。在72節(jié)中所述的維生素類(lèi)化合物的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和合成以提供給人類(lèi)生活需求的過(guò)程就是生動(dòng)的實(shí)例。未來(lái)的化學(xué)對(duì)研究一類(lèi)化合物的功能、結(jié)構(gòu)、合成生產(chǎn)和應(yīng)用測(cè)試將會(huì)層出不窮。在了解某一種化合物的功能和結(jié)構(gòu)以后，不論多么復(fù)雜的化合物都可以分解為若干基本反應(yīng)，如加成反應(yīng)、重排反應(yīng)等，每個(gè)基本反應(yīng)均有它特殊的反應(yīng)功能。合成時(shí)可以設(shè)計(jì)和選擇不同的起始原料，用不同的基本合成反應(yīng)，獲得同一種化合物。通過(guò)起始原料是否易得，合成的反應(yīng)步驟是否簡(jiǎn)單易行，產(chǎn)率是否較高，產(chǎn)品中存在不同的異枃體時(shí)，所需要異構(gòu)體是否易得，不需要的有害異構(gòu)體是否容易清除等問(wèn)題進(jìn)行對(duì)比，選擇最合理、最經(jīng)濟(jì)的合成路線進(jìn)行生產(chǎn)。
化學(xué)的創(chuàng)造性不僅能從自然界存在的化合物中得到啟示、進(jìn)行研究和人工合成出天然已產(chǎn)生的物質(zhì)，而且能夠根據(jù)人們的需要?jiǎng)?chuàng)造出自然界原本不存在的物質(zhì)。有些人工合成的化合物可以更深入地研究它的性能，并置換分子中的某些基團(tuán)，獲得成千上萬(wàn)種衍生物，從中選出最能滿足人們需要的化合物。
有些類(lèi)型的化合物在近20年開(kāi)始制得，正是未來(lái)化學(xué)在此領(lǐng)域發(fā)展的時(shí)機(jī)。例如，20世紀(jì)80年代中期發(fā)現(xiàn)球碳C60之后，人們提高了對(duì)碳元素的化學(xué)性能的認(rèn)識(shí)，在C60基礎(chǔ)上擴(kuò)展研究了C70，C72，C82，C84，…，橢球狀的球碳分子洋蔥形多層球碳分子，還發(fā)展到管狀碳分子、單層納米碳管、多層納米碳管等。了解碳元素除存在金剛石和石墨外還有球碳類(lèi)型的純碳分子。圖8.1.1示出一些球碳分子的結(jié)構(gòu)。
20世紀(jì)90年代以來(lái)，以球碳分子的球形碳骨架為基礎(chǔ)和其他元素加合，衍生出多種多樣前所未有的球碳族化合物，它可以分為下列9類(lèi):(1)球碳族非金屬化合物，指球碳骨架的碳原子直接以共價(jià)鍵和非金屬原子結(jié)合的化合物(2)球碳金屬化合物，指球碳骨架上的碳原子直接以共價(jià)鍵和金屬原子結(jié)合的化合物;
(3)球碳分子作為x配位體形成的化合物;(4)金屬球碳鹽;(5)球碳超分子加合物;(6)多球球碳化合物;(7)雜球碳及其化合物;(8)內(nèi)藏型球碳化合物;(9)開(kāi)口型球碳化合物等。有了這些基礎(chǔ)，正是未來(lái)化學(xué)發(fā)揮作用，深入研究，大量有效地、經(jīng)濟(jì)地合成出新化合物，了解其特性和應(yīng)用，建立起內(nèi)容豐富的球碳化學(xué)。
制造新材料
1.制取單層石墨分子，開(kāi)發(fā)其應(yīng)用
單層石墨分子(又稱石墨烯， graphene)是一種由一層碳原子組成的二維納米碳材料，厚度為0.35nm。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外化學(xué)家已從事這方面的研究工作，使用傳統(tǒng)的氧化法解理石墨片，還原離心分離得到單層石墨氧化物，可以批量制備單層石墨。目前發(fā)現(xiàn)單層石墨的導(dǎo)電能力和載流密度都極為優(yōu)良;它的復(fù)合材料具有優(yōu)良的機(jī)械性能;利用聚噻吩作為電子給體，單層石墨為受體形成的體相異質(zhì)結(jié)有機(jī)光伏電池，達(dá)到了1.4％的光電轉(zhuǎn)化效率。根據(jù)這些性質(zhì)，單層石墨被認(rèn)為有廣泛的應(yīng)用前景，有望在微電子、機(jī)械和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域研制出新的性能優(yōu)異的新材料。2010年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予安德烈·蓋姆和康斯坦丁?諾沃肖羅夫，以表彰他們開(kāi)發(fā)利用單層石墨所作的貢獻(xiàn)?；瘜W(xué)家應(yīng)趁此時(shí)機(jī)深入研究，獲得真正實(shí)用的成果。
2.制繩造天梯
人造地球衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)行，觀察太空中的奧秘、傳遞人間的電信，了解地球的動(dòng)態(tài)。這是20世紀(jì)后半葉以來(lái)人類(lèi)征服自然的重大進(jìn)展。衛(wèi)星中的宇航員坐在艙中，用火箭發(fā)射上太空，人在艙中生活，需要水、食物和空氣，在空中停留的時(shí)間不能太長(zhǎng)，還要設(shè)計(jì)種種設(shè)施和條件讓他安全返回。有人考慮造一條太空梯，通過(guò)它和衛(wèi)星聯(lián)系，輸送人員和物資。一根長(zhǎng)達(dá)數(shù)百公里的天梯，一端拴在海洋平臺(tái)上，另一端連接在和地球同步運(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星上。衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，得到一個(gè)向外空的張力，抵消地球?qū)πl(wèi)星和天梯的引力，架起天梯。
實(shí)現(xiàn)架設(shè)天梯的關(guān)鍵技術(shù)和材料是制造出堅(jiān)韌的纜繩，由纜繩編制成天梯。目前最佳的制作纜繩的材料是碳納米管，它和鋼繩相比，強(qiáng)度比相同粗細(xì)的鋼繩大100倍，密度只有鋼繩的1/6。抗拉強(qiáng)度超過(guò)對(duì)自身重量的拉力，具有制作天梯的性能。
單層碳鈉米管可看做由層形石墨分子卷曲而成，如圖8.1.2所示。圖中示出的管的直徑和球碳C。相似，約為1.0nm。若將它緊密地集東在一起，形成頭發(fā)粗細(xì)的纖維(頭發(fā)直徑按0.1mm計(jì))需要大約90億根納米管。再用這種纖維做成纜繩.
氮化硼(BN)和碳(C)是等電子體，已知氮化硼可制得具有平面石墨型結(jié)構(gòu)，如圖8.1.3所示。未來(lái)化學(xué)也將研制出氮化硼納米管，并使管間部分地形成BN共價(jià)鍵，增強(qiáng)集東纖維所承受的拉力。
納米碳管釬維和氮化硼纖維等具有超高強(qiáng)度抗拉力和韌性的材料，用它進(jìn)一步制成復(fù)合材料也適用于制造飛機(jī)航天器和高速火車(chē)、汽車(chē)等交通工具。
3.增雨劑和消雷劑
2008年8月8日晚，奧運(yùn)會(huì)在北京開(kāi)幕，估計(jì)全世界有十多億人觀看開(kāi)幕盛典。根據(jù)天氣預(yù)測(cè)當(dāng)晚奧運(yùn)會(huì)開(kāi)幕式所在的場(chǎng)館及放焰火的區(qū)域下雨的可能性很大。下雨將嚴(yán)重影響開(kāi)幕盛典的表演和觀賞效果。怎樣調(diào)動(dòng)雨水的下雨地點(diǎn)，使它不下在北京市區(qū)?氣象臺(tái)根據(jù)雨云是從西方飄移向市區(qū)的情況，在北京市西邊布置了高射炮陣地，于當(dāng)晚向天空云層發(fā)射增雨炮彈，使雨水下在西邊地區(qū)，北京市區(qū)沒(méi)有下雨（九料化工http://yuehuifs.cn/）。
開(kāi)幕式的焰火及鳥(niǎo)巢中的慶典儀式?jīng)]有受到影響，氣象工作人員作出了重大貢獻(xiàn)。其實(shí)，調(diào)動(dòng)下雨地點(diǎn)的尚方寶劍增雨炮彈的增雨劑是化學(xué)家配制的，功勞也有化學(xué)家一份。增雨劑是由碘化銀和尿素等類(lèi)吸水性很強(qiáng)的化合物微粒組成，當(dāng)炸彈在云層內(nèi)炸開(kāi)，微粒撒向云層，將云層中的小水滴和水分子吸在一起，聚集長(zhǎng)大，成為雨滴降落大地利用增雨劑調(diào)動(dòng)雨水下雨地點(diǎn)既可防雨也可抗旱，減輕自然災(zāi)害。為此氣象學(xué)家要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)天氣情況，選擇撒布增雨劑的地點(diǎn)，另外增雨劑的散布方式最好采用小型無(wú)人駕駛行器，飛人云層直接噴撒，而要求化學(xué)家配制出吸水性強(qiáng)安全無(wú)害、資源豐富、成本低廉、顆粒細(xì)小均勻的增雨劑。同樣，消除雷電是擺在物理學(xué)家和化學(xué)家面前，具有重大理論意義和現(xiàn)實(shí)意義的研究課題。探究大氣中相距不遠(yuǎn)的云團(tuán)為什么會(huì)帶有數(shù)量巨大、性質(zhì)不同的電荷，了解云團(tuán)中水滴在飄移過(guò)程中所發(fā)生的變化和性能，配制高效的消雷劑等都是未來(lái)化學(xué)要研究的內(nèi)容。
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.jpg "單層碳納米管的結(jié)構(gòu)")
.jpg "平面型氮化硼的結(jié)構(gòu)")
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