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20世纪的100年间，科学技术迅猛发展，人类对物质的需求大幅度地增加。在社会持续健康发展的推动和化学学科先进理论指导下，化学出现了许多重大的突破性进展，它和其他各个学科一起，深入到社会的所有的领域，为人类创造了丰富的物质财富，增进人们的健康水平，形成了崭新的社会面貌，也使人们对物质世界的认识深入了一大步。本节通过几方面的实例，实际地理解化学是什么，以及它在社会持续健康发展中的作用。而更全面的情况则在后续几章中介绍。
1909年德国化学家哈柏（F．Haber，1868—1934）用锇作催化剂，成功地在高温度高压力下将惰性很大的氮气和氢气化合成氨气。
哈柏因此获得1918年诺贝尔化学奖。德国人博施（C．Bosch，1874—1940）在哈柏的基础上深入研究。他先后试用2500多种不同的催化剂配方，经过6500多次试验，找到性能很好而又廉价的铁催化剂，实现合成氨的大规模的工业化生产，并促进农业生产的发展。博施因合成氨的生产而获得1931年诺贝尔化学奖。20世纪后半叶，许多化学家看到由于合成氨等催化工业产品的需要量大增，思考着深入地、精确地了解它们的反应机理的必要性，使之进一步提升生产水平。其中德国化学家埃特尔（G．Ertl，1936—）是杰出的代表人物，他对表面化学进行深入研究，其中也包含阐明合成氨反应过程是由7个步骤构成。他的这些成就使他获得了2007年诺贝尔化学奖。不同时代的三位大师认真地对合成氨的化学进行研究，促进化学科学的发展，造福人民，分别都获得了诺贝尔化学奖。化学是一种永无止境的科学。氨气除了用来制造氨水、碳酸氢铵、硫酸铵、尿素等化学肥料外，还是其他许多化工产品的原料，用以生产硝酸、硝酸铵、氯化铵、油、、硝化纤维、己内酰胺和己二胺等数目众多的化学品。
化肥是指在农业上用作肥料的化学制品。基本的化肥是含氮、磷、钾三种营养元素的肥料。（1）氮肥主要有促进作物的茎叶繁茂、分蘖增多、籽实饱满，提高产量和蛋白质含量等作用。以合成氨为基础，进一步生产出尿素、硫酸铵、硝酸铵、氯化铵、碳酸氢铵、氨水等。（2）磷肥促进作物分蘖、早熟，增加抗寒能力及提高作物的产量和质量。大部分是以磷灰石矿物为原料，或磨细直接作肥料，或和硫酸等反应形成水溶性较高的过磷酸钙和其他磷酸盐作肥料，还可以用鸟粪、骨粉或工业生产中含磷的副产品来加工。（3）钾肥促进作物生长过程中糖类化合物的合成和转化，增进作物健康生长、抗病虫害、抗倒伏，增加氮肥的效果等。主要从含钾的矿石或从含钾的盐湖中提取氯化钾。
随着科学的发展，化肥的内容和概念也得到新的发展。第一，植物的营养元素还应包括镁、钙、硫、硼、锌、锰、铜、钼、铁以及其他微量稀土元素，化肥的化学成分大为扩展。镁是叶绿素的基本元素，是促进植物进行光合作用的催化元素。硫是蛋白质的组成部分，对植物的生长发育有重要影响。锌是多种酶的组成成分，参与叶绿素和生长素的合成，促进核酸和蛋白质的合成。锰能刺激植物根部生长固氮根瘤，促进豆科植物的增产。铁是一些酶的组成成分，在氧化还原中起及其重要的作用，如抗树叶发黄等。第二，施肥的方式有叶面施肥等根外施肥的方法，以及无土栽培技术为作物生长配营养餐。第三，随着无公害绿色食品的发展，要求食品中的有害元素和化合物降低到卫生食品的要求。化肥的品种和质量以及对土壤中有害于人体健康的物质的处理，成为研究化肥的重要内容。农用肥料除化肥外还有大量的有机肥料，它是指动植物的残骸、人畜和家禽的粪便以及其他有机废弃物等。它的来源有农作物秸杆还田、厩肥、堆肥、有机物灰烬、沼气池肥、绿肥、饲养场和屠宰场废弃物。正确使用有机肥料既有为农作物提供营养和改良土壤的双重作用，也利于改善环境。对这类肥料又称为绿色肥料。使用有机肥料需要化学知识的指导，帮助了解施肥的对象和方法。例如草木灰富含钾元素，是碱性物质，草木灰和碳酸氢铵不宜混合在一起同时施用，以免氮肥流失。对有机肥料要进行化学成分分析和生化分析，并依据情况进行处理，以免毒物和细菌等有害于人体健康的物质伤害人体和进入农产品。当化肥源源不断地施放到田间，植物生长得到物质保证。加上农用杀虫剂及一系列农药的使用，农业得到欣欣向荣的发展，世界粮食的产量成倍地增长。第二次世界大战后半个多世纪，世界粮食产量翻了两番，粮食生产量的增长率在这期间始终高于人口出生率，人类从整体上脱离了饥饿的威胁。
2．和化学肥料发展的同时，化学和生物学一起研究农用杀虫剂和农药并获得迅速的发展
农用杀虫剂和农药常有它的两面性：一方面在防治害虫上有很好的效果；另一方面残留在农产品和土壤中的农药影响产品的质量，影响人们的健康。农业化学家要不断地对现有的农药进行筛选，防止和控制使用农药带来的负面影响；开展低毒高效农药的研究，替代高毒性农药；还要普及安全使用农药的方法及限用措施，特别控制使用在直接吃喝的果品、蔬菜和茶叶等农产品的生产的全部过程中。化学是什么？化学是促进农业丰收，是解决“民以食为天”问题的大功臣。
20世纪，由于高分子化学的发展形成了三大合成材料工业：塑料、纤维和橡胶。它们以酚醛塑料、尼龙-66纤维和氯丁橡胶为开端，发展迅速、应用面广，人们的衣、食、住、行以及日常生活用的各种物品均离不开高分子材料。到20世纪末，世界塑料和树脂的年产量超过1亿吨，人造纤维超过2000万吨，橡胶超过1000万吨。年产高分子材料的总体积已超过全部金属的总和。20世纪被称为高分子时代。下面分别对塑料、橡胶、纤维和涂料加以简单介绍。1．塑料塑料是以合成的高分子化合物为基础，加入辅助剂，如增塑剂、填料、稳定剂、润滑剂等制得。有的塑料产量大、用途广、价格低，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等，大量地用在塑料购物袋、包装袋、农用塑料薄膜、家具、日用品等每个方面。另外一些塑料，如聚酰胺、聚甲醛、聚苯醚和聚碳酸酯等，是通过共聚、填充、增强和合金化等途径提高其应用性能，使它耐磨、耐压和耐拉，能耐较宽的温度变化范围，能在苛刻的环境条件下长期地使用，以适应工业部门发展的需要，如飞机、汽车、火车、轮船等新型交通工具的发展，计算机等信息产业，化工和制药设备的更新等。有些特殊的需要，如2008年北京奥运会主游泳馆“水立方”即是一个大型的塑料制品。2．橡胶橡胶是一类线型柔性高分子化合物。其分子链的柔性好，在外力作用下可产生较大形变，除去外力后能迅速恢复原状。顺丁橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶等通常用来制造轮胎及其他常用弹性制品。而具有特殊性能，如耐寒、耐热、耐油和耐臭等的特种橡胶（如硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶等）也已根据自身的需求研制开发。3．纤维纤维是指长度比直径大很多倍，并且具有一定的柔韧性的纤细物质。棉、毛、丝、麻属天然纤维，其余的统称化学纤维。化学纤维一部分以天然聚合物为原料，经化学处理和机械加工得到，如黏胶纤维、乙酸酯纤维等。另一部分由合成的聚合物制得，称合成纤维，它品种繁多，是化学纤维的主流。
表3.4.1列出几种合成纤维的通俗名称合成纤维具有强度高、耐磨损、耐酸碱、质量轻、保暖性好、抗霉蛀等特点，用途广泛，普遍地在纺织业中应用，一般采取混纺的方式，即将天然纤维和合成纤维按一定的比例，混合在一起，使它显示出各自优点。4．涂料涂料是指涂布在物体表明产生具有保护和装饰作用的膜层材料。它在社会生活和生产中日益显示其重要性。涂料是多组分体系，主要为成膜物、颜料和溶剂。其中成膜物大都是高分子材料，按其成膜过程可分为两类：一类是成膜过程伴有聚合反应，形成网状交联结构，如环氧树脂、醇酸树酯等；另一类成膜过程仅是溶剂挥发，使聚合物成层形分布在表面上，如热塑性丙烯酸树酯、氯丁橡胶等。
居里夫妇在19世纪末和20世纪初先后发现了钋和镭，它们的放射性分别比铀强400倍和200倍，居里夫妇因此获1903年诺贝尔物理学奖。1906年居里不幸因车祸死亡，居里夫人继续对镭深入研究，测定它的原子量，并以制得的20 g镭作为标准，研究用于治病的放射治疗和其他应用。1911年居里夫人又获诺贝尔化学奖。在此之前，1908年诺贝尔化学奖授予卢瑟福，以表彰他提出放射性元素蜕变理论。居里夫人的女儿和女婿约里奥·居里继续居里夫人的事业，用钋的α射线轰击硼、铝、镁时，发现产生带有放射性的原子核，人工制得放射性元素，因此于1935年获诺贝尔化学奖。费米在约里奥夫妇工作的基础上，用慢中子轰击各种元素，获得360种新的放射性同位素，还发现核发生β-衰变，产生了新元素，他因此获得1938年的诺贝尔物理学奖。1939年哈恩发现核裂变，这是原子能利用的基础，他因此获1944年诺贝尔化学奖。1942年，在费米领导下，成功地建造了第一座原子反应堆。在第二次世界大战中，美国于1945年8月在日本广岛和长崎先后投下了两颗，加快结束了第二次世界大战。
从上述半个世纪的历史情况，反映物理学和化学密切地结合在一起，发展了核裂变和放射性物质的研究，大大推进了科学的发展和社会的进步，化学进入了原子核时代。人们对物质世界的认识深入到原子核层次。
在20世纪后半叶，核化学和放射化学的发展，逐步提升人们对物质世界的认识，切实地惠及广大人民。例如：（1）以放射性药物医治困扰人类的癌症等疾病。（2）利用核裂变发展核电站，核能已成为能源的重要成员，目前已占总能源的10％以上。（3）用核化学技术，如中子活化分析法，测定物体中各种元素的含量；用14C放射性同位素法测定历史文物的年代。
20世纪初，物理学的革命性发展，带动着化学的发展，其中以下列四个方面对化学的影响最大：①能量量子化和量子力学；② 光电效应和光子学说；③ 电子的波性和化学键的本质；④ X射线衍射和晶体结构的测定。早在19世纪初，道尔顿便提出原子学说，认为元素的最终组成者是原子，原子是不能创造、不能毁灭、不可再分，在化学变化中保持不变的微粒。但是不到一百年，化学家们于19世纪末相继发现了天然放射性、阴极射线年汤姆孙发现了电子。原子是由原子核和电子组成的，由此打开了原子内部结构的大门。20世纪初，根据原子光谱和α粒子穿透金箔等实验，卢瑟福提出原子结构的行星绕太阳的模型。1913年，玻尔综合普朗克的量子论、爱因斯坦的光子学说和卢瑟福原子模型提出氢原子结构，即一个电子绕氢原子核旋转的模型，并用以解析氢原子光谱，使人们了解氢原子中电子运动的速度、绕核运转时电子离核的距离，给出了电子从一个轨道到另一个轨道所需的能量，并和氢原子光谱的波长联系起来，大大加深了人们对原子的认识。20世纪20年代，量子力学建立，化学家们将量子力学用于化学，形成了量子化学，推引出原子核外的电子并不像“行星绕太阳”方式按轨道运行，而是统计地按波动的方式发现，需用波函数来了解电子的情况。这种描述原子中电子的波函数仍按旧称，叫原子轨道（AO，atomic orbital）；描述分子中电子的波函数称分子轨道（MO，molecularorbital）。AO和MO都像波一样，可以为正值、负值或零值。同号叠加可以增大，异号叠加互相就会抵消，可变为0，从而为原子间形成化学键得到理论依照。例如两个H原子接近时，它们的1s轨道互相叠加，即波函数同号相加增大，核间电子云（波的振幅或波函数平方值）也增大，核间增大的电子云同时受到两个核的静电吸引，使能量降低，形成稳定的分子，这就是共价键的本质。
晶体是原子或分子按一定的周期规律排列形成的固体物质，其周期的大小和X射线的波长相当。当X射线照射到晶体上，会产生衍射效应。1912年劳埃和布拉格父子开创X射线衍射法，在起初的十多年测定出许多无机化合物的晶体结构。到20世纪二三十年代测定了尿素、六次甲基四胺等简单有机物的晶体结构。四五十年代测定了青霉素等较复杂的药物分子的晶体结构，并开始对氨基酸、蛋白质和核酸等生物物质进行研究。60年代以后，随着计算机和衍射仪的发展，收集衍射数据的速度、精确度和自动化程度大幅度的提升，解晶体结构的直接法为解晶体结构作出突出贡献。到20世纪末，可以说只要化学家合成和培养出晶体（直径0.1毫米即可），绝大多数在两三天内就能够获得完整而精确的晶体结构数据，从中详细地获得晶体的对称性，分子的立体构型和构象，分子间的堆积和相互作用，各个原子的热振动幅度和原子间化学键的情况。晶体结构测定已成为研究化学问题所一定要具有的方法。
对生命物质的认识，在20世纪得到了飞速的发展。化学的各个分支学科都在对生命物质的研究作出贡献。例如分析化学，不仅分析各种生命物质的化学成分、结构基团，还分析人体各个器官中哪些元素比较富集，这些元素以什么状态存在，并将各种元素或分子加以分离鉴定。无机化学常以生物体中的金属元素和哪些配位体结合、起什么生理作用为研究对象。例如人体中的Fe处在血红素中，对呼吸功能阐述得非常明确，也解释了CO和CN-具有高毒性的机理。有机化学始终把生命物质作为自己的研究对象，下面以蛋白质和核酸为例说明。
1．蛋白质蛋白质是生物体中广泛存在的一类生物大分子。它是通过α-氨基酸之间的α-氨基和α-羟基形成的以肽键
长链化合物，是具有特定立体结构的生物活性大分子。一般将50个以上氨基酸聚合的分子称蛋白质，小于50个的称多肽。组成蛋白质的氨基酸都是L-型α-氨基酸，如图3.4.1所示。
描述蛋白质结构可分为四级：一级结构指主链中的氨基酸的数目、类型和顺序；二级结构指主链通过氢键结合所形成的盘旋或折叠构象；三级结构指在二级结构基础上进一步盘绕、折叠产生的单个蛋白质分子的形状；四级结构指将三级结构所表示的分子通过种种分子间的作用力形成相对来说比较稳定的寡聚体。从20世纪中叶起，化学家和生物学家按照蛋白质是由一定序列的氨基酸缩合形成的多肽分子，具有较多地形成氢键能力的特点，即多肽主链中的N—H作为质子给体，
基作为质子受体，相互形成N—H…O氢键，决定蛋白质的结构。美国化学家鲍林（L．Pauling，1901—1994）由已知的化学键知识和形成最多氢键原理，提出蛋白质的α-螺旋结构模型，如图3.4.2所示。
20世纪60年代，蛋白质晶体结构的测定过程充分的利用了这种模型，测定所得的成果证实了这种结构模型在蛋白质中客观存在的事实。现在，以我国首先人工合成牛胰岛素为先例，人们已能在实验室中人工合成出许多种蛋白质，对天然产物中分离出来的上万种蛋白质，其中数以万计的结构已经加以测定。
核酸分脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两大类，前者是遗传信息的携带者，后者对生物体内蛋白质的合成起及其重要的作用。1953年，美国生物学家沃森（J．Watson，1928—）和英国生物学家克里克（F．Crick，1916—2004）提出DNA的双螺旋模型，为遗传工程的发展奠定了理论基础，这是20世纪自然科学最伟大的发现之一。DNA由两条多核苷酸链组成，链中每个核苷酸含有一个戊糖、一个磷酸根和一个碱基。碱基分两种：一种为双环的嘌呤，包括腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）；另一种为单环的嘧啶，包括胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）。两链的碱基相互通过氢键配对：A和T间形成两个氢键，G和C间形成3个氢键，如图3.4.3所示。由于形成氢键的要求，这种配对是互补的、专一的，是不可交换替代的，称为碱基互补配对定则。这个定则要求DNA双链结构中A和T以及G和C各对中碱基数量要相同，两条链的走向则相反。
DNA中两条长链分子因空间结构的要求，相互形成右手螺旋的结构，它好像一个螺旋形梯子，磷酸根和戊糖构成梯子两侧的扶架，碱基对像梯子的踏板，碱基踏板间距离0.34纳米，每个螺旋周期含10对碱基，周期长3.4纳米，如图3.4.3所示。
化学家对蛋白质和核酸等生命物质的研究，不仅使生物化学快速地发展，而且由此诞生了结构生物学和分子生物学。生物化学和化学生物学已经融合在一起，很难划分二者的界限，并且达到从分子水平了解生命现象的本质，从更新的视角去揭示生命的奥秘，利用DNA技术进行亲子鉴定就是证明。
技术咨询服务包括：北京高校科技资源对接、危险废弃物梳理、环境影响评价、环保项目竣工验收、场地环境调查等多个领域。
开展的分析测试服务包括：X射线衍射分析、土壤矿物检测、水质检测、场地环境检验测试、二噁英检测、建材VOC检测、固废检测、理化参数等检验测试的项目，已取得CMA检验检验测试的机构资质认定和ISO/IEC 17025检测实验室认可资质。
科学仪器研发方面：具备国内领先的 X 射线衍射 / 荧光分析仪器的研发生产能力，在 X 射线分析仪器的开发领域拥有多项自主知识产权。
单位先后通过北京市级企业科学技术研究开发机构、高新技术企业、中关村高新技术企业等认证。
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