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改变世界的化学期末考试答案题库2024秋

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南开大学

最早的无线电话，就是被称作“大哥大”手机使用的电池被称为锂电池，它使用金属锂作为电极，同样质量下，锂电池能比其他电池储存更多的电能，因此很受市场青睐。可惜没过多久，这种锂电池就因为起火爆炸的问题，而被全球召回。持有锂电池技术的是Moli Energy公司一蹶不振名，最后被日本NEC公司收购了。NEC投入了巨大的人力物力，仔细检测了几万块电池，经过几年的摸索，找到了锂电池爆炸的个中原因。锂电池使用的电极材料金属锂，是最活泼的元素之一，极易燃烧，甚至与氮气都能发生反应。这样的特性意味着在锂电池的生产组装过程中，稍有不慎泄进了空气，轻则电池报废，重则起火燃烧。此外，由于动力学等因素，锂金属表面还形成一些“小毛刺”，叫做枝晶。随着电池的使用，这些枝晶会越长越大，最终会刺破电池正负极之间的隔膜，造成短路，引起电池自燃。钴酸锂，化学式LiCoO2，在晶体学上属于一种层状材料。钴和氧原子的紧密结合，形成的正八面体的平板，锂原子层就镶嵌在两层“平板”之间。正因为这种特殊的结构，锂原子可以在钴酸锂晶体中快速移动。如果把钴酸锂想象成一个汉堡包，钴-氧构成了两片面包，那么，锂原子就是中间的牛排，能被很轻松地抽出。正因如此，这种钴酸锂可以取代金属锂，作为电池中锂离子的提供者。而且，这种氧化物可以拔高电池的使用电压，从而提升电池储存的电量。更为重要的是，钴酸锂的对空气等不敏感，而枝晶问题在钴酸锂中也得到了改善。在一定的使用时长下，钴酸锂是一种安全系数很高的电极材料。日本索尼公司立即购买了钴酸锂的专利。索尼当时已经发明了用作锂电池负极的石墨。这种石墨价格低廉，结构稳定，是十分理想的电极材料，只是苦于没有合适的正极与之匹配。古迪纳夫的钴酸锂简直如同一道光，照亮了索尼的前程。很快，索尼将钴酸锂和石墨结合，开发出了全新的可充电锂电池。由于电池中仅存在锂的离子状态，这类电池被称为锂离子电池（Lithium ion battery）。高性能，低成本，安全性好，这种锂离子电池一经问世立刻受到了欢迎，帮助索尼一跃成为行业老大。我们今天使用的绝大部分锂离子电池仍然延续这一架构，25年来再没有大的改动，这种钴酸锂-石墨体系的性能之优异可见一斑。但钴酸锂仍不是一个十全十美的材料。在长时间使用后，钴酸锂的层状结构容易崩塌，就好比汉堡中间的牛排被抽出，两层面包自然要塌到一起。崩塌的层之间无法再进行锂离子的存储，造成电池整体的性能衰减。而且钴元素是一种战略资源，产地只有非洲和美洲一些小国，随着锂离子电池日益兴盛，对钴的需求更是与日俱增，极大地提高了钴酸锂的成本。1997年，古迪纳夫又一次让世界震动了，他拿出的材料叫做磷酸铁锂。磷酸铁锂（LiFePO4），或者简称为LFP，在它的晶体中，铁与氧组成八面体，磷与氧组成四面体，这些八面体与六面体按照一定规则构成骨架，形成Z 字型的链状结构，锂原子则占据空间骨架中所构成的空位中。相较于钴酸锂的层状结构，LFP的空间骨架结构更稳定，锂离子在骨架的通道中也能快速移动。同时，LFP的成分是极其廉价的铁与磷，价格远低于钴。虽然LFP也存在着不足之处，比如它的储能效果比钴酸锂要差一点，但它的稳定性和低成本迅速吸引了产业界的注意。美国的A123 公司靠着生产LFP，一度成为全球锂离子电池产业的霸主。先有钴酸锂，后又有磷酸铁锂，古迪纳夫得到了 “锂离子电池之父” 的称号。但古迪纳夫显然并不满足，他忘不了锂离子电池中还始终存在一个枝晶问题。钴酸锂和LFP虽然在一定程度上抑制了枝晶的产生，但在电池的使用过程中，仍然会有部分锂原子沉积在电极表面，形成枝晶。所以，这个问题从未得到根本解决，安全隐患仍在。可以说，锂枝晶问题贯穿了整个锂电产业的历史，而且，锂离子电池中所使用的电解液是一种有机物的混合液体，易燃易爆，这也是飞机等禁运锂离子电池的重要原因。古迪纳夫90岁时提出下一个可能改变世界的创新，那就是全固态电池。也就是将原先的液态有机电解池换成一种全新的固态电解质，这样不仅能够保证原有的储电性能，还能防止枝晶问题的产生，而且更安全，更廉价。这个设想一直在古迪纳夫的脑海中盘旋，直到几年前，他偶然发现了一份来自葡萄牙的研究成果。这项研究宣称制备了一种玻璃，具有良好的锂离子传导能力，并且稳定性极好。古迪纳夫立即说服这位名叫布拉加的物理学家搬到奥斯汀，并立即将这种玻璃引入到全固态电池的研发中。古迪纳夫认为这种玻璃是上帝赐予他的一个礼物：“就在我寻找着什么的时候，它走了进来。”古迪纳夫的全固态电池已初见端倪，相关的研究成果被多个权威刊物报道。虽然处于起步阶段，但古迪纳夫对这个方向充满了信心。

答案:钴酸锂磷酸铁锂全固态电池

1918年12月，瑞典皇家科学院将诺贝尔化学奖授予弗里茨哈伯——一个刚被列入一战战犯名单的德国人。这个消息在科学界掀起了轩然大波，在很多科学家眼里他完全就是一个战争恶魔，甚至同时获奖的科学家都不愿意跟他站在同一个领奖台上。他到底做了什么，在收获巨大荣誉的时候依然遭人唾弃呢？使他获得诺贝尔奖的是因为他实现了氨气的化学合成。在合成氨发明之前，农作物需要的氮肥基本全部来源于动物粪便、秸秆、豆饼等。19世纪末，随着人口的快速增长，粮食需求也不断增加，仅靠农家肥是不可能满足得了对粮食产量需求的。再加上工业发展与军事需求，人工固氮成为了19世纪急需解决的难题。法国化学家勒夏特试图用氮气和氢气混合进行高压合成氨的实验，但是由于氮氢混和气中混进了氧气，造成了实验爆炸。对爆炸的恐惧吓退了勒夏特。哈伯迎难而上，毅然走上了合成氨的道路。1909年7月2日，哈伯在实验室采用高温高压和用金属锇作催化剂的条件下，合成氨成功，氨的浓度平衡后为6%-8%。尽管氨的浓度还很低，远不足达到工业的要求，但毫无疑问这是一个质的飞跃。哈伯继续改进实验过程。在使用2500种不同催化剂经上万次试验之后，研制出廉价易得的高效铁催化剂。同时，为实现从这个化学平衡过程中不断分离出氨，还设计出了原料气的循环工艺，这就是合成氨的哈伯法。随着合成氨的研究成功，1911年德国巴登公司正式建造世界上第一座合成氨工厂，实现了合成氨的工业生产，这就成功地使人类摆脱只能依靠天然氮肥的局面。合成氨技术经后人不断改进，为当今世界粮食产量做出了巨大贡献，可以说哈伯的发明使一半的人类从饥饿中解救出来，人们称他为“用空气制造面包的人”。因此，哈伯获得了1918年的诺贝尔奖。然而，就是这个拯救无数人类于饥荒的他，竟然是手染鲜血杀人如麻的战争恶魔。在19世纪，因为化肥和炸药的大量需求，硝石成为了一种非常紧缺而重要的战略物资。但是硝石的产地主要集中在智利，当时德国的硝石基本只能从国外进口。哈伯解决了人工固氮的难题之后，化肥和炸药的问题也迎刃而解。1914年，威廉二世有恃无恐地发动了第一次世界大战。一战期间，英国海军曾想切断德国全部的硝石进口路线，认为如果德国没有了硝石的唯一来源，德军将会在1916年炸药耗尽而投降。但是没有想到，德军依靠哈伯的方法，军火从来没有断过，使战争持续多了两年。因此哈伯深受威廉二世的青睐并被委以重任。而身为威廉皇家物理化学和电化学研究所长兼柏林大学教授的哈伯，被民族沙文主义的激进和盲目的“爱国热情”洗了脑，把自己的研究所变成了为战争服务的军事机构，不仅为农业生产提供所需的肥料，也为战争提供军用物质。为了寻求一种更有效率的方法杀死敌方，哈伯提出了一个大胆的设想，就是在战场上使用化学毒气来歼灭敌军。哈伯顺理成章的成为了毒气战的科学负责人。经过三个多月的研究，这种化学毒气成功面世。1915年4月21日德军将装满液氯的钢瓶调往西线，22日哈伯亲自来到伊普雷前线对这第一场的毒气战进行指导。德军借助风向和风速对法军阵营进行了毒气突击。空气中有十万分之三的氯气便能让人咳嗽不止，千分之一的氯气即可使人丧命。当士兵们将一个个钢瓶打开，液氯便化为浓郁的黄绿色气体，向敌方阵营飘去。刹时间，法军营地便被毒气浸没，法军对此毫无办法。当场致使5千多人死亡，1万5千多人中毒受伤。当时哈伯还兴致勃勃地乘着飞机在伊普雷上空观察毒气的杀伤效果，看到一个个痛苦地捂着喉咙在地面挣扎，哈伯竟还大声叫好。一位作家在采访目击者后描述了当时的可怕场面：“高达30英尺的黄绿色气体在东风的吹拂下缓缓向前推进。这种致命的气体灼伤了协约国士兵的眼睛和肺，让他们呕吐并在痛苦中倒地。数以百计的人在口吐鲜血和绿色泡沫后死去。士兵们的银质徽章和皮带扣也变成黑绿色。”经过这一战哈伯受到了威廉二世的嘉奖，同时各国也开始争相研发化学武器，一发而不可收拾，《海牙条约》彻底失效。这次战争掀开了近代化学战的序幕，而哈伯则成为了化学武器的鼻祖，全人类谴责的恶魔。尽管受到了各国科学家的强烈谴责，但他还是继续为德军效力，同年又研究出了新的化学武器光气。光气的毒性为氯气的18倍，并且很难被察觉到，可谓杀人于无声之中。哈伯的妻子克拉克是第一个获得布雷斯劳大学化学博士学位的女性，同时也是一位和平主义者。曾经一直支持自己丈夫事业的克拉克，面对如此残暴的化学武器是极力制止的。但此时的哈伯已经完全失去了理智，他开始研究毒气芥子气。芥子气被称为“毒气之王”，这种毒气的致死率占毒剂总伤亡人数的80％以上，芥子气是糜烂性毒剂，它能直接损伤组织细胞，引起局部炎症，可以使皮肤红肿、起疱、溃烂，吸收后能导致全身中毒，正常气候条件下，仅0.2毫克/升的浓度就可使人受到毒害。哈伯当时还扬言说，化学武器是使战争最快速结束的人道武器。克拉克看着此时如恶魔般的丈夫，感到非常陌生，用丈夫的军用手枪结束了自己的生命。妻子的自杀也并没有能使这位狂热的爱国者冷静下来，反而更加坚信自己的一切全是为了人类的和平和祖国的胜利。据统计，在第一次世界大战期间，有130万的人因化学武器而受伤，其中9万人死亡。在化学战后幸存者中，60%的人员伤残。因哈伯而开始的化学战给人类带来的痛苦是不可估量的，这使很多人对哈珀获得诺贝尔奖提出了强烈的抗议。对此，哈伯也曾辩解，他说了一句颇具争议的话“在和平年代，一个科学家在和平年代，是属于全世界的，但是在战争时期，他却属于他的祖国”。一战结束后，为了帮祖国尽快还请战争赔款和债务，他开始研究从海水里提取黄金的方法。但是由于黄金在海水里面含量实在太低，哈伯的尝试只能以失败告终。哈伯对自己的祖国是如此忠心耿耿，但他却想不到希特勒上台后，他因为是犹太人而遭到残酷的驱逐，他精心研制出来的毒气后来被应用到纳粹犹太人集中营中，包括他亲人和朋友在内数百万的犹太人在这个毒气营中丧生。晚年的哈伯面对德国法西斯的种种暴行才开始觉悟，最终也成为了反法西斯战争的一份子。

答案:哈伯因实现了氨气的化学合成而获得1918年诺贝尔化学奖。