《人类科学技术史-390》化学元素的新发现和化学学科的蓬勃发展（上）

化学元素的新发现和化学学科的蓬勃发展（上）
1.化学元素的新发现

到1945年，元素周期表中1-92号元素都已被发现。而且，人们还于1940年、1945年制取了两种超铀元素镎和钚，从中获得的经验为后来合成新的超铀元素开辟了道路。1944-1945年，美国的西伯格(1912-　）、摩根、詹姆斯和吉奥索等人又合成了95、96号元素。到1961年，93-103号超铀元素都被合成和鉴定出来。其中多数超铀元素是用高能粒子轰击原子核获得的，而99、100号元素则是在热核爆炸试验中意外发现的。这些超铀元素的发现，使元素周期表发展到一个新阶段。

1964年，原苏联杜布纳核研究所的弗列洛夫小组用氖离子轰击氧化钚靶，获得了104号元素。1969年，美国贝克莱实验室的吉奥索小组也分别用三种方法制取了104号元素。这是第一个超铹元素。1970年、1974年，美国、原苏联又合成了105、106号元素。1976年，原苏联的欧甘涅夏用54Cr轰击209Bi得到了107号核素。它的半衰期只有千分之二秒。1982年，原联邦德国的阿姆布鲁斯特以58Fe轰击209Bi制得了109号元素。1984年，另一位原联邦德国的核物理学家姆金伯格用58Fe轰击208Bi制取了108号元素。1988年，杜布纳核研究所用重离子加速器加速的钙离子和氩离子轰击钍核和铀核，获得了110号元素的40个核。它们的平均寿命为0.01秒。104-110号超铹元素寿命太短，人们很难充分研究它们的化学性质。

科学家们在探索人工合成超铀元素的同时，也在自然界中寻找超铀元素。1951年，西博格和莱文从加拿大沥青铀矿中发现238U的蜕变产物239Pu。后来有人从硅铍钇矿中找到了247Cm的子体243Am和239Pc。1970年，在阿波罗-11号取回的月亮尘土样品中发现了242Cm和247Cm。近来有人提出存在着超重元素稳定岛的假说，认为在质子数为114、中子数为184处，有一个稳定岛。这一假说有待于新的发现来证实。

2.蓬勃发展的化学学科

当代化学已形成一个包括许多分支学科的庞大体系。化学传统学科之间、化学与其他学科之间的交叉、融合，导致了一些交叉学科的产生。理论的发展和技术需求也促进了新学科的兴起。当代化学正是在这些交叉学科和新兴学科领域取得了重大进展。此外，由于新理论和新分析实验技术的应用，化学传统学科也焕发了青春，不断取得新成果。

（1）无机化学

作为传统学科的无机化学，近40年来蓬勃发展。有人称之为"无机化学的复兴"。在无机化学中取得显著成就的领域有无机固体化学、金属有机化学、生物无机化学等。

现代科学技术如空间技术、计算机、激光、电子设备等都需要特殊性能的固体材料。无机固体化学就是研究这些材料的制备过程。这些材料的制备一般要求高温、高压、强电场等苛刻条件。50年代以来，一些新工艺创造出一系列崭新性能的新材料。1955年，美国在2000℃和5.5万大气压下从碳与铁、钴、镍等金属溶质中凝出金刚石小晶体，开拓了工业规模生产人造金刚石磨料的道路。70年代以来，原苏联采用高温低压气相沉积法生产出金刚石薄膜。以后各国又发展了低温低压法。60年代，美国采用快速冷凝技术合成了非晶态金——硅合金，即"金属玻璃"，从而开创了非晶材料的时代。此后，快速冷凝微晶材料也迅速发展起来。高温粉末合金、超细金属纤维、单晶合金、记忆合金、金属间化合物、高性能陶瓷和超细纤维复合材料等如雨后春笋。它们都是无机固体化学结出的硕果。在电子技术中，无机固体化学也是功勋卓著。70年代半导体材料硅的纯度已达到99.9999999999％。稀土元素的研究和开发也是无机固体化学的重要领域。稀土元素的化合物具有特殊的催化性能和光学、磁学性能。近年来超导材料的重大突破，就是在研究镧、钇以及钡、铜氧化物体系的基础上取得的。

金属有机化学是无机化学与有机化学结合的产物。早在20世纪初期，人们就合成了四乙基铅并发现了它的抗爆性质。1951年，二茂铁的合成及其结构的测定，标志着金属有机化学的诞生。60年代，金属元素簇络合物化学、原子簇化合物化学的研究迅速兴起。1967年美国的佩德森(1904-)公布了60种新型大环聚醚化合物的合成及特性。他在研究矾催化剂活性时偶然发现，二苯并18-冠-6的环状多齿配位体能与金属钠形成稳定的络合物。这种新型化合物氢化后的分子具有特殊结构，在其环上有18个原子，其中有6个氧原子，象钻石一样分布在一个平面上，其余12个是碳原子，排列如同帽沿，整个结构好象皇冠。所以佩德森将其命名为"冠醚"。克拉姆(1911-)在佩德森研究的基础上，又发现了一系列具有化学活性的冠醚化合物。他将20多冠醚化合物作为主体化合物，用多种不同取代基的伯胺盐作为客体，共同混合，主客体相互识别，选择伙伴，结成新的络合物。法国的莱恩(1939-）于1969年合成了另一类大环聚醚化合物——"穴醚"。佩德森、克拉姆、莱恩三人分享了1987年诺贝尔化学奖。现在新型的金属簇化合物，已有夹心式、笼状、簇状、穴状等多种类型。原子簇化学的快速发展，产生了许多有待解决的新问题。如电子结构、反应机理及其开发应用等。金属簇化合物在结构成键方式和性质方面具有多种特性。它的催化活性、生物活性和导电性能引起了合成化学、材料科学及理论化学界的极大兴趣。它将是今后一段时期内无机化学最富有希望的领域之一。

当代无机化学合成及无机化学理论方面也取得一些重大成就。1962年；柏莱特将PtF6的蒸汽与过量的氙在室温下混合，结果生成了XePtF6的红色晶体，从而突破了惰性元素不能形成化合物的传统观点，同时推动了氙化学及其他惰性元素化合物的研究。1963年，皮尔逊提出了软硬酸碱理论。他认为酸碱反应的规律为：硬酸优先与硬碱结合，软酸优先与软碱结合。这个理论是一个很有用的经验规则。它进一步指明了酸碱的特征，初步揭示了酸碱的特殊规律，从而使人们对酸碱的认识由一般进入到特殊阶段。目前软硬酸碱理论还有待于进一步深化。

生物无机化学研究生命体系和生命现象中一些化学元素和金属在生命体的基本结构单元中的成分、分布、化学反应和能量转换等规律。它是用无机化学的原理来解决生物化学的问题。生物无机化学的研究目前已取得许多成果，是当今无机化学最活跃的一个研究领域。

（2）分析化学

20世纪40年代，由于仪器分析方法逐步取代经典分析方法以及物理学、电子学向分析化学渗透，化学分析的灵敏度、准确度和分析速度大大提高。

当代分析化学广泛采用计算机和分析仪器联用，出现了分析仪器的智能化，开辟了新的分析化学领域。一门新的化学计量学正在兴起。

1945年，瑞士化学家施瓦岑巴赫(1904-1978)发明了ED－37TA络合滴定法。此后，他又发现了可以利用调节PH值的方法控制络合物的生成，提高选择性，对混合液进行连续测定，而不需分离。这一方法准确度高，选择性好，操作简便，所以发展很快。到60年代，结合掩蔽干扰离子方法，它已能测定66种元素。

1953年，澳大利亚的沃尔什正式提出利用原子吸收光谱建立新的吸收光度法。第二年，他展示了第一台简单的原子吸收分光光度计。原子吸收光谱法灵敏、快速、准确、简便、经济、因此应用普遍，发展很快，在十几年间，已可以测定几乎所有金属元素及一些非金属。

色谱分析法崛起于50年代，是目前应用最广泛、最具特色的分析方法之一。1952年，英国的詹姆斯等创造了气一液色谱法。1959年，荷兰的范.底姆特在前人研究成果的基础上，提出了气相色谱法的速率理论，建立了色谱分析法的动力学理论基础。50年代后，又出现了高效液相色谱分析。1963年，可用于高效液相色谱的紫外检色器问世，实现高效液相色谱分析的条件已经成熟。高效液相色谱法更适用于分离和测定高沸点、热稳定性差、分子量较大和具有生理活性的物质，广泛应用于核酸、肽类、药物、人体代谢产物、表面活性剂、杀虫剂等的检测。

50年代以后，质谱分析法、放射化学分析法等也有重大发展。各种分析方法的应用，使当代分析化学达到了前所未有的水平，呈现出高灵敏度、高分辨率、高速度的特点。目前，可以测出10－12克的物质，可以把复杂混合物中上千种组分一一分离并检出；过去几小时、几天甚至几年才能完成的分析工作，现在几分钟、几秒钟即可完成。