揭示物质结构的奥秘

只要仔细观察一下周围的世界，我们就会发现自然界存在着复杂繁多的物质，物质都在发生着变化。自然界的物质是否是由少数元素构成的？构成物质的微粒是什么？这些构成物质的微粒是如何组成物质的？物质的结构与物质的性质之间存在什么样的关系？物质发生变化的本质是什么？……相信你对这些问题已经有了一定的认识。可人类对这些问题的探索却经历了漫长而艰辛的过程，而且，科学家们还在为寻求这些问题的答案进行着坚持不懈的探索。

一、人类探索物质结构的历史

最早提出科学的原子概念，是英国科学家道尔顿(Dalton，J)。19世纪初，由于化学知识的积累和化学实验从定性研究走向定量研究，人们初步认识了化合物组成的一些规律。在些基础上，英国科学家道尔顿提出了原子学说。他认为物质由原子组成，原子不能被创造，也不能被毁灭，在化学变化中原子不可再分割，它们的性质在化学反应中保持不变。

1811年意大利科学家阿伏加德罗(Avogadro，J)在总结气体化学反应体积变化的基础上，提出了分子的概念，认为气体分子可以由几个原子组成。1860年国际化学界接受了50年前阿伏加德罗提出的分子假说，确立了原子分子论。它指明：不同元素代表不同原子，原子按一定方式或结构结合成分子，分子的结构直接决定其性能，分子进一步组成物质。

图1-2 甲烷分子的结构模型

图1-1俄罗斯化学家门捷列夫

到1869年已有63种元素为科学家们所认识，测定原子相对质量的工作也有了很大的进展，原子价的概念已得到明确，对各种元素的物理及化学性质的研究成果也越来越丰富。在此基础上，俄国化学家门捷列夫又把看来似乎是互不相干的化学元素，依照原子量的变化联系起来，发现了自然界的重要基本定律---- 化学元素周期律，从而把化学元素及其相关知识纳入到一个自然序列规律之中，从理论上指导了化学元素的发现工作。到20世纪40年代，人们已经发现了自然界存在的全部92种化学元素。与此同时，人们又开始用粒子高能加速器来人工制造化学元素。

图1-3 测定晶体结构的x射线衍射仪

十九世纪中叶，对有机化合物的认识也取得了重大进展。碳原子的四价、碳原子四价的立体结构、有机化合物分子中价键的饱和性等相继被发现，有机合成就可以做到按图索骥而用不着单凭经验摸索了。这对有机化学的发展是非常重要的，至今它仍然是有机立体化学的基础。

在19世纪末、20世纪初，物理学有了一系列的重大发现（如电子、氢原子光谱、放射性等），揭示了原子的内部结构和微观世界波粒二象性的普遍性，使经典力学上升为量子力学。量子力学为化学提供了分析原子和分子结构的理论方法。

在实验上，各种衍射和光谱等研究原子、分子和晶体结构的新方法层出不穷，为化学家认识原子、分子结构和性能积累了大量的实验资料及一系列有指导意义的原则。从此，化学学科进入了一个全新的发展阶段。

量子力学建立之前，科学家们建立了以下几种原子结构模型。

二、研究物质结构的意义

图1-5 碳的几种同素异形体的结构模型

金刚石是自然界硬度很高的物质；石墨质软且能导电；纯净的C60晶体是一种半导体；巴基管具有非同寻常的高强度、导电性和热稳定性。这些物质都是由碳元素组成，为什么性质和用途却存在很大的差异？

物质性质的差异是由物质结构的差异所决定的。研究物质的结构，可以使我们很好地了解物质的性质；知道物质的结构，我们也可以根据物质结构与性质的关系，预测物质的性质。

量子力学的建立和完善，测试技术的突飞猛进，使人们研究不同层次、不同尺度和不同复杂程度的聚集态物质的结构和结构与性能的关系成为可能。

图1-7 DNA复制示意图

材料是人类社会进步和发展程度的标志之一。新材料的应用，不断支持和推动着人类文明的发展和技术进步。复合功能材料、生物材料、纳米材料、超导材料、可降解高分子材料、新型能源材料等材料结构及结构与性能关系的研究，对新型材料的研发和应用，对推动人类社会的可持续发展，具有及其重大的意义。

化学已较广泛地进入生命科学，并为此已经或正在作出基础性贡献。与生命科学有关的诺贝尔化学奖从1980年的DNA至1997年的ATP共有七、八项之多。生命科学中许多重大问题的研究，如生物分子的结构与其相应功能的关系、若干重要生物分子反应机制、酶催化机理、手性生物分子和手性药物的作用机制、抗癌药物的设计和筛选等，都需要依赖于化学科学中物质结构理论与分析测试技术的发展。

现代工业社会，化学工作者每年都在实验室或工厂制造出成千上万种化学产品，大约以每周制造7000种新化学物质的速度在增加着，使地球表面出现了许多前所未有的新物质。新物质的制造，一方面极大地推进了人类的物质文明，另一方面也带来了环境的污染与破坏。化学家们为了实现用简单的、安全的、环境友好的操作，快速、定量地把价廉、易得的起始原料转化为目标化合物的绿色合成方法，为了消除污染、节约能源、净化环境，正全面而深入地研究着各种具有极高的活性、选择性并具有一定的使用寿命的催化剂，并在分子层次上研究催化机理，对催化剂结构的研究，对于认识催化剂的结构与催化性能的关系，揭示催化反应的机理，具有很大的帮助。