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2007年诺贝尔化学奖解读

来源:未知作者:李萱 点击:所属专题: 诺贝尔化学奖
2007年10月10日,诺贝尔化学奖终于在生理学或医学奖、物理学奖之后“千呼万唤始出来”。瑞典皇家科学院宣布,将本年度诺贝尔化学奖授予德国马普学会弗里茨-哈伯研究所的格哈德埃特尔教授,以表彰他在表面化学研究领域的开拓性成就。当日时逢埃特尔的71岁生日,惊闻获奖

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2007年诺贝尔化学奖解读

2007年10月10日,诺贝尔化学奖终于在生理学或医学奖、物理学奖之后“千呼万唤始出来”。瑞典皇家科学院宣布,将本年度诺贝尔化学奖授予德国马普学会弗里茨-哈伯研究所的格哈德埃特尔教授,以表彰他在表面化学研究领域的开拓性成就。当日时逢埃特尔的71岁生日,惊闻获奖喜讯的埃特尔对媒体表示:“这是最好的生日礼物”。

随着德国马普学会弗里茨-哈伯研究所的格哈德埃特尔教授获诺贝尔化学奖,“表面化学”这个与人们日常生产、生活关系极为密切的研究领域,立即引起了世人的兴趣。据英国《卫报》10月11日报道,“表面化学”其实一点也不“表面”,其中大有文章可做。

向大气要肥料

众所周知,农作物的生长离不开肥料。但在20世纪以前,人们使用的肥料还停留在人畜排泄物、植物秸杆等“绿肥 ”的基础上。随着人口的快速增长,人们需要一种更高效、来源更广的肥料。

氨就是一种重要的肥料,它所含的两种元素——氮、氢广泛存在于大气中。于是有人想到,向大气要肥料——通过人工合成的办法,将大气中的氮、氢转化为氨。但合成氨的反应有可逆性,在自然状态下很快会还原为氮、氢,要将其常态化很难。20世纪初,德国化学家哈伯发明的“哈伯—博施法”,成功实现了这一过程,他找到了一种含有钾、铝氧化物的铁催化剂,大大提高了合成氨的反应效率。

但当时,合成氨工业主要基于哈伯多次实验积累起来的经验,没有精确的理论模型可供参考,人们还没有弄清楚整个反应过程。这就导致了生产效率低下,合成氨工业生产的规模受到很大限制。到20世纪后半叶,合成氨产量已远不能满足实际需要。世界上许多科学家试图弄清整个反应过程,但几十年过去了,仍毫无进展。此时正值“表面化学”快速发展之时,长期从事该领域研究的埃特尔借助这阵东风,顺利弄清了哈伯—博施合成氨反应的全过程。

物质“两相”之间密切接触的过渡区称为界面,若其中一相为气体,这种界面通常称为表面,而研究各种表面现象实质的科学称为表面化学。20世纪60年代,表面化学随着半导体工业的发展,已成为一门独立的基础性学科。此时出现了高真空抽吸技术及其他多种现代实验方法,使得埃特尔的研究如鱼得水。他通过电子分光光谱技术发现,在合成氨反应初期,氮原子被吸附在铁催化剂表面。埃特尔后来又使用俄歇电子能谱议(AES)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)等多种先进技术,对催化剂表面进行了研究,确定吸附的氮原子和氢原子是反应活性物,整个反应就是氮原子逐步加氢最终生成氨分子的过程,并给出了反应的势能图。

这个反应过程在一开始曾有人提出过,但埃特尔不仅证明了它的正确性,而且给出了每步反应的2007年诺贝尔化学奖解读活化能,这对合成氨生产具有重大指导意义。埃特尔通过研究证实,自己的表面化学研究中的模型化体系,完全可以推广到工业催化生产体系,这相当于给正翘首以待的工业界吃了一粒定心丸。自揭开了合成氨反应的“天机”后,合成氨工业生产便一发而不可收,各国都忙着增加设备、加大产量,合成氨甚至成为代表一国化工水平的“旗帜”。

  

给每辆汽车安一条“小尾巴”

当1885年德国工程师卡尔本茨制造出世界上第一辆汽车时,人们还未意识到,它有朝一日会成为最重要的交通工具。但自第一辆汽车开下美国福特公司的流水线(1903年)起,许多人就认为——人类以后会慢慢适应在轮子上的生活。时至今日,在世界上几乎每个角落、每条公路上,都能见到这种钢铁怪物,当年视汽车为稀有之物的人们很久都没有意识到,它会对人类环境带来灾难性的影响。

绝大多数汽车是以汽油为燃料的,汽油中所含的小分子碳氢化合物,在不完全燃烧时会产生对人体有害的一氧化碳( 主要成分)、一氧化氮、碳氢化合物等。汽车尾气中含有大量此类化合物,对环境造成严重污染。现在世界各大城市都对汽车排污指标有严格控制,汽车的小尾巴——尾气净化装置,为城市管理立下了汗马功劳。

稍有化学知识的人都知道,一氧化碳在燃烧时能很容易生成二氧化碳,但在汽车的排气管中却不具备“点燃”这一条件,有的只是“高温”,而在此条件下,要将其氧化成二氧化碳十分困难。早在上世纪80年代初,埃特尔就注意到,一氧化碳在高温条件下以金属铂为催化剂时,氧化过程会大大加快。由于这一反应在当时是很少有人涉足的非线性化学反应,埃特尔的研究可谓“从零开始”。

通过进一步研究,埃特尔提出了一氧化碳氧化反应的非线性反应动力学微观模型,从分子水平上弄清了反应过程。在他的研究基础上,人们研制了汽车尾气净化装置,后来该装置成为每辆汽车的必要组件。埃特尔在该领域的研究不仅具有重大的实际意义,他的实验方法也给非线性反应研究指明了方向。

  

“催化”型工业生产“井喷”

埃特尔因表面化学研究而独享诺贝尔化学奖的消息传来,“表面化学”一时成了各大媒体的热门关键词。表面化学相关技术如今已发展得相当成熟,大量的研究成果被广泛应用于涂料、建材、冶金、能源等行业,其中,埃特尔一系列意义重大的研究起到了不小的推动作用。

与表面化学联系很紧的是催化反应研究。绝大多数发生在气体、固体接触面的化学反应都是催化反应。近几十年来,催化研究已催生了许多具有重大经济、社会效益的产业。在能源行业,人们正试图找到效率更高的燃料电池,车用氢气燃料电池有望代替日渐匮乏的汽油。在环保方面,人们正试图揭开氟氯烃以催化方式破坏2007年诺贝尔化学奖解读臭氧层的过程,以便采取更好的保护措施。以与人们日常生活联系很紧密的铁生锈问题为例,全世界每年有高达1/4的铁因锈蚀(铁在潮湿、有氧环境下的催化氧化) 而失去使用价值。而催化研究则可以提供一种防止铁生锈的方法,如在铁器表面镀一层氧化膜等。

“表面化学”获诺贝尔奖对催化剂领域是个好消息。苏格兰格拉斯哥大学教授戴维杰克逊表示,此次获奖将对催化剂研究产生极大促进作用,越来越多的高效催化剂将会被用在工业生产中。全世界每年超过80﹪的化学品和医用药品,都是用催化剂“催”出来的,未来,随着催化工业的快速发展,这一比例有望冲破90﹪。

(责任编辑:化学自习室)
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