化學是否有終結的那一天?會是當元素完全被發現的時候嗎? | 知乎問答精選

 

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化學是否有終結的那一天?會是當元素完全被發現的時候嗎?

2019年04月26日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 4 ℃ 次

【李元鶴的回答(449票)】:

我先不吐槽你說「知道個數就能逐一分析驗證」了

你來解釋解釋怎麼用「排列組合」算有多少化合物?

飽和烷烴,就CH兩種元素

CH4,一種結構

C2H6,一種結構

C3H8,一種結構

C4H10

C5H12C5H12

C6H14C6H14

C7H16,開始出現對映異構體C7H16,開始出現對映異構體

這貨的增長模式是這樣的(不考慮對映異構體是節點度<4的無根樹),估算公式似乎是

C10H22的異構體數量是75,好像增長的也不是那麼快是吧,都用了30多個原子了C10H22的異構體數量是75,好像增長的也不是那麼快是吧,都用了30多個原子了

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我們來加一個不飽和度,再加個氧

C2H4O (「排列組合」可是不會排出來互變異構體這個概念的)

加個C加個C

C3H6O

這才只用了10個原子這才只用了10個原子

請樓主用「排列組合」告訴我一下

有多少種異構體?至少數學家們說,他們不行

假設你寫了個程序(Σ( ° △ °|||)︴我試過,把我自己寫暈了),把它算出來了

搞無機的人告訴你他們做了一種

︿( ̄︶ ̄)︿就是鋰電池裡用的東西,帶小數點的排列組合試試?

恩,我們算你都排列組合出來了(實際上已經幾乎是無限多種了)

搞納米的人又告訴你,都是同一種化學式,顆粒大小是10nm,15nm,18nm,25nm,100nm,1μm,1mm性質都不一樣,截面在不同角度上的也都不一樣,再來給我排列組合一個?(實際上已經幾乎又是無限多種了)

搞高分子的人又來告訴你了,連重複單元都一樣,聚合度2,5,10,100,1000,1000000都不一樣,不但這樣會不一樣,把他們按不同比例混起來,聚合度490:500:510是1:2:1還是1:10:1還是1:10000:1又還是不一樣(形容它的值叫PDI),直接關係到這是一團漿糊、結實的塑料袋、還是防彈背心的時候,再排列組合一個試試?(實際上幾乎是高階的無限多種了)

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恩,假設你又排列組合出來了,不管怎麼樣,C15H32都用了將近50個原子了,才4347種,也不是天文數字嘛

But,「化學是一門研究物質的性質、組成、結構、以及變化規律的基礎自然科學。化學研究的對象涉及物質之間的相互關係,或物質和能量之間的關聯。傳統的化學常常都是關於兩種物質接觸、變化,即化學反應,又或者是一種物質變成另一種物質的過程。」

So,咱們把C15H32放一邊,看看只有75種的C10H22,theoretically,各種C10H22之間是可以相互轉化的,比如這樣(這個過程叫重整):

那麼這樣的反應theoretically在合適的條件下兩個方向都能進行,於是僅僅對於C10H22有多少反應呢?那麼這樣的反應theoretically在合適的條件下兩個方向都能進行,於是僅僅對於C10H22有多少反應呢?

5550個

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是不是也不是個什麼複雜的數字,給一個概念是呢,一般來說,一個北大化院做有機合成的研究生5年時間,真正確定了結果的,大概也就是2000~4000個反應(什麼高通量篩選不算)。你這一輩子,也不過只有30000天左右。

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恩,這個世界上有很多搬磚工呢~~

接著來

我們組最近剛做出來的分子的化學式是:

鬼知道有多少個異構體,我們把重原子加起來,相當於45個重原子,用飽和烷烴C45H92感受一下(實際上鬼知道這貨的異構體數量要比C45H92多多少),總夠有多少呢?總夠有8,227,162,372,221,203個異構體(遞推公式)

題主"逐一分析驗證"是吧,假設我們一分鐘內能做一個化合物,確定化合物結構,瞭解他的所有性質,動用全球10萬磚工就研究這一個分子式,那麼我們需要156528年才能以超神的一分鐘一個的速度瞭解

【由一張元素週期表上僅僅用了兩個格子,其中一個是元素週期表上最簡單的元素,只選擇了這兩種元素所能組成的最簡單的一種物質,並且確定這兩種元素在分子中的數量】的化合物的性質。

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15萬年沒日沒夜一分鐘也不停歇的日子終於過去了,搬磚工們終於可以找老闆們答辯了,老闆一拍桌子說:你還TM的沒研究相互轉化呢?

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化學真是前景光明啊~~

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Update:

好吧我承認這是我之前寫的無聊的東西改了一下貼過來的(-_-)

如同評論中王鋼蛋所說,這題目沒有回答的必要,稍有常識的人就會知道,……

Update 2:

關於無限性和有限性的問題:

化合物的種類當然是有限的,把這類質疑推導極限,整個宇宙好像才10^80粒子,空間是量子化的,能量是量子化的,動量角動量都是量子化的,粒子的狀態總是有限的,這樣思考有意義嗎?

答案裡關於非整比化合物、納米尺寸、高分子的分子量分佈和PDI的解釋,雖然他們也是有限的,非正比化合物至少要按照整數個原子改變,而且要改變一定的量才能出現質的變化;納米粒子至少扒掉一層才能算個新的,分子量分佈也總得論「個」來變化,同樣的,這樣的有限性有意義嗎?這說明了化學需要考慮的不僅僅是重複單元(分子、單體)的問題,沒有了重複和結構基元,用遍歷的方法研究化學,就像用電腦生成一堆隨機數變成文章,期待模擬猴子打出莎士比亞全集一樣蠢。

update3:

關於計算化學的發展和取代實驗的問題:

你真的要模擬實驗,甚至取代實驗,必須要達到足夠高的精度,否則大部分實驗還是要做,量化只能進行解釋,或者提供一些不太靠譜的prediction(更多的是direction)

「達到足夠高的精度」要什麼代價呢?現在的高精度能量算法(比如G2,精確到1kCal/mol)的計算成本是驚人的,我們學校的資源也就夠給一個10個重原子的體系做G2,1kCal/mol意味著什麼,能量上兩個狀態相差 0.6kCal/mol (這個數是RT = 8.314 J/mol*k * 298k)就意味著選擇性比例是1:1 還是 e:1( 2.7:1),相差1.2kCal就是1:1和7:1,7:1的選擇性已經可以發不錯的paper,在這個精度上,10個原子,當今計算化學發展了近百年,比我們搞實驗的人做的還慢。

拋開現實,假設我們能夠給幾十個到100個重原子的天然產物(藥物)算G2,你的溶劑化效應怎麼辦?到現在液體結構在實驗和計算上都是難題,但是搞實驗的早就知道,換一種性質極其相近的溶劑,可以導致反應、不反應的區別,可以導致選擇性是1:1還是99:1,甚至選擇性的翻轉。難道你在分子周圍放上100個溶劑分子做G2?(當然現在有一些近似可以解決,比如去年剛發的諾貝爾獎)

我就算你能做出來(這已經幾百個重原子了,我現在已經不能想像它需要多長時間算出來了),但是你還是只算了一個結構的最穩定狀態,是個「凝固」了的狀態,實際上是怎樣的呢?統計平均。你看到的化學反應都是統計平均的結果,所以不僅僅需要optimization,還需要mechanics(MM/QM),解決生物中的一些生化和化生問題的時候尤為重要,為了讓它動起來,統計平均的分佈上,你取多少點來算?每個能量高度在勢能面上對應多少結構?這個點取得越多越精確,又變成一個幾乎無限的工作了。

另一個重要的問題(雖然沒有之前重要),即便進行了遍歷,目前也難以真正評價那些反應是你想要的反應,並付諸應用。我們經常發現,5mg量級、5g量級、和5kg量級,最終到工業生產幾百噸量級,反應都是一樣的,最優條件根本不一樣,用量化來計算擴散傳質傳熱流體問題?那就真是做夢了,當然現在有一些經驗、半經驗的算法,但是也都不靠譜。

所以只用量化計算,你沒有一個可靠地篩選標準,沒有打分函數也是沒有用處的,就像你可以用電腦生成音樂,但是電腦不知道哪首音樂是美的。

【程嵩的回答(153票)】:

剛剛擺齊了象棋的所有棋子並且掌握了每個棋子的正確走法跟規則。

這時候不該是覺得像棋被終結了。

這時候應該兩眼發光地握緊小拳頭:

終於要開始下棋了呢!

或者更恰當的比喻是:

當下的化學和化學研究者,就好像一個小孩兒剛剛拆開了一大盒樂高積木的包裝。各式各樣的積木散落一地,小孩兒兩眼放光的抓起它們,心想該造點什麼好玩兒的東西呢?

兩眼的光裡面有個世界!

【王正源的回答(79票)】:

英文字母26個, 加上標點空格什麼的也比化學元素少得多. 通過數學的排列組合也能算出具體有多少種句子。逐一分析驗證之後,是否寫英文詩作為一項文學就完結了?

【任凱的回答(56票)】:

0和1的世界,現在也沒有終結

【Faker的回答(20票)】:

—————楊絳

【傅韜的回答(5票)】:

顯然,化學不只是一個將元素排列組合的學科,從這一點出發來說明化學將會終結或者不會終結都是不夠準確的。

化學是否有終點?我的答案是有。

那達到什麼程度後才算達到終點?

至少能實現下面幾件事:

1、對混合物實現快速,準確和精確的檢測。比如一瓶可樂,幾分鐘內測出其中所有組分,及各組分濃度。

2、對任意化合物的任意性質實現精準預測。比如各類金納米顆粒對特定反應的催化活性。

3、實現任意化合物的快速,高效的大批量合成,原子利用率100%。

等等。

這些對現在的物理,化學來說都是夢,也是奮鬥的方向,真正能做到的時候,人類對物質世界也就快要摸透了。

【柳陌的回答(5票)】:

把所有的音符休止排列組合,音樂終結了。

把所有的漢字標點排列排列組合,語文終結了。

道理是這麼個道理,但是毫無意義,因為數字實在太龐大了。

【orgchemsaint的回答(4票)】:

我敢打賭,題主絕對不懂立體化學。

【千明的回答(10票)】:

只有我覺得這圖好笑嗎?

【倦收天的回答(9票)】:

提問太沒水平了。題主的物理化學估計在高考完的六月就全部終結了。

【蘇靈的回答(1票)】:

化學是一門研究物質的性質、組成、結構、以及變化規律的基礎自然科學。

從這個定義來看,化學是不可能完結的。這些研究主題都是開放的,比如性質,早期化學裡指顏色、味道、氣味、熔沸點、旋光、折射率等,再後來加上電阻率、導熱係數、毒性、藥學活性、材料性能等等,再後來超導、半導體性能、非線性光學性能、核磁共振、螢光、XRD、電子能譜、拉曼光譜等等之類都是對物質性質的研究。

既然是開放的,就沒有終結。

而暢想一下,哪怕化學的領域是有限的,也還有無窮組合的可能。哪怕真的沒得玩了,我們就把DNA鏈像繩藝那樣結成結,扭成花。比如這裡展示的 你所在或者你瞭解的領域有哪些技術上不是很複雜,但是idea非常好,很有原創性的研究? - DNA的繩藝、折紙、分子機器

再不行就把整棟建築做成一個分子。現在超分子的概念已經逐漸成熟,將來出現「宏分子」也說不定哦。

【知乎用戶的回答(1票)】:

(╯‵□′)╯︵┴═┴別說無機物有機物高分子的基數大,你算出來你倒是有本事合成出來啊!

你造我們做實驗為了得到一個產物有多努力嗎?要重複實驗多少次才能得到預想中的產物嗎?

【對不起我是個手殘】

你知道書上隨便寫的一句話可能是人家幾天幾個月甚至幾年努力做出來的嗎?你知道一個化學反應式的背後有多少的實驗嗎?

空有模型和計算你不給出實物來也是毫無意義的啊QAQ你現在在生活中用到的化學製品,難道只要靠物理模擬模擬就會自動長出來嗎喂!就算實驗效率再低還是得做啊,說不定哪天會有使用價值呢。

化學又不僅僅是研究有多少元素,我們要做的事還很多啊,多少人讀了研讀了博發了文章,終其一生,看到的也不過是這個世界的冰山一角的冰山一角而已。

利益相關,化學擦邊某二級學科大三在讀生。

【最近做實驗慘敗五次都合不出個納米棒的苦逼渣渣】

【少小小的回答(7票)】:

話說我隱隱約約地嗅到了一股不知者無畏的味道。

材化小本怒答一個,不表達一番對不起這兩年的摸滾打爬以及滿腔情懷。

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古人有句話叫做只可意會不可言傳,樓上那下棋舉例子的答案就足夠描敘這種感受了。

——當元素全被發現,通過數學的排列組合也能算出具體有多少種化合物。逐一分析驗證之後,是否化學作為一門科學就完結了?

當元素全部被發現,好吧我假設元素全部被發現了···

B`通過數學的排列組合也能具體算出有多少化合物··?這是個偽命題,化合物分為有機化合物與無機化合物,其中有機就是個無底洞——照樣拿C、H原子開刀,舉個最簡單的┤CH2-CH2├n(n∈N+)

1·後面跟著的聚合度n就是一個數量上的大坑,感受一下什麼叫沒有上限吧,高分子的百萬之路···

2·除了官能度,碳鏈還有n種玩法——可以一溜直線,還可以打個結繞個環環之類(環烷烴balabala···),還可以擺個pose 折騰一把鍵角鍵長,最後還有各種坑爹的異構體

3·再安插個單雙建,至於位置又涉及到各種條件

4·跳出烴類範圍,還有各種官能團and鹵代醛酮醌

5·其實還可以拉金屬小夥伴一起玩

5·在以上五點的基礎上還能夠彼此組合

6·上面的情況都不是想怎麼整就怎麼整的,同時又有好些前提(甚至有些規律可能還沒被發現··)

7·就算確定了化學組成,你知道晶體固溶體之類的又是個多麼大的坑嗎···

8·跳出物質本身,折騰這些個東西(涉及到化工藝)所要求的溫度壓力添加劑以及何種條件產生何種反應··不是說玩就玩啊,光是那些個二元相圖三元相圖就能把人看跪艾瑪我真不是在騙你。

鑒於此,俺誠懇地向閣下推薦兩本書——《有機化學》、《結構化學》!這兩本書從微觀的角度如原子軌道,鍵角鍵能鍵長,能量轉化等為我們打開了一扇更加廣(keng)闊(die)的大門。一度將我們一眾毅然跳坑者折磨到腦細胞組隊打結,並對俺們的求學之路產生了沉重而深遠的影響。看完這兩本書之後,你就會發現,以上任何一類所涉及的一個哪怕非常細小的枝節,細究起來都是一項非常浩大的工程。再拉開說,化學又必定會涉及到生物、物理領域,同時數學和物理作為其工具。其中太多難以控制甚至未可知的變量。工科生筆拙沒法給你更好地描敘,但是,化合物的生成不僅僅是幾種元素呆在一起搞個排列組合。曾經中學教科書上的反應式不過是一種宏觀一維化的表述,太過輕盈and欺騙性···

這兒問的是——(作為一門學科)化學是否有終結的那一天?會是當元素完全被發現的時候嗎?

不會:不會。

從題目中看出,之所以提出這個問題,是因為

1·覺得有一天所以元素被人類確認完全發現

2·通過數學手段能算出所有化合物的數量,種類

3·在一二的前提下,化學作為一門學科,會消失··?

第一條達到的的話堪稱人類一大步,先展望個千百年··

第二條是個無底洞··艾瑪渺小的我不敢展望

針對第三條

俺麼老師曾經說過,化學是一門與我們的生活息息相關的學科!最直觀的便是日化用品和食品,比如牙膏洗髮水飲料一眾親民產品。這裡再下個狠話讓所有化合物都被整出來(絕對是一個恐怖的數量)。但是大家都應該知道我們用到的化工產品以及材料大部分都是混合物咩~製造混合物也是一門技術好咩,技術再發展,總有新的事物被不斷製造研發出來。而前提便是要對其組成物質有足夠的瞭解,必須讓開學科讓人去學啊!另外造現在有一種東東叫做複合材料嗎?科學發展了這麼多年,前輩先賢積累的知識只會越來越多,而個人的力量總歸有限。想要將這些知識傳承並發展,就必須將明確分工。光是在這個信息爆炸的年代去深入一個細分領域並做出成就就已經非常困難了,假使教化學學科消失。那這些事情去讓誰去做,交給學生物物理數學的童鞋嗎?你知道化學有多少龐大的知識體系嗎?有機化學-無機化學-結構化學-分析化學-高分子化學-高分子物理-高聚物合成-化工原理-物理化學-化學工程及工藝···每一本後面都掩藏著化工學子滿滿的心酸,上能讓人看到流淚,下能砸人防身···人家自己的知識學起來就非常辛苦了,還要和俺學化學的搞合併,承擔更加光榮而龐大的任務?要不我們和他們打個招呼,問下當事人意願···

致(非化學相關學科的)各位:如果哪天化學這個學科真的消失了,這些事情就交給你們了。俺另謀生路,問馬哲老師願意收我否···

俺們老師曾經曰過,21世紀是信息時代。可以預見的是,科學的根系愈發龐大繁雜深重,很多學科在將來都只會分的愈來愈細(不然大學裡為啥要設這麼多學院分那麼多學科),甚至連我自己的專業都細分為好幾個方向,化學更有可能會以一種更加龐雜的面貌呈現在將來的某天。

【宿雨的回答(4票)】:

我在初中的時候也有過這樣的疑惑,到了高中就沒有了。

【趙熠的回答(2票)】:

且不說碳基聯盟還沒發現完全

硅基帝國你怎麼破

【性情小組的回答(2票)】:

生命的演化,本質就是化學分子式的不斷變化

大自然用了45億年都沒排列變化完,被題主輕飄飄一句話給否定完了,上帝會不會哭暈在廁所?

【游雲的回答(2票)】:

樓上的答案說得太專業了,我認為人教版高中化學選修教材《有機化學基礎》《物質結構與性質》再配一本講解詳細的輔導書可完美解決題主的疑惑。

科學研究不是請客吃飯,物質結構不是樂高積木。

【塗任飛的回答(1票)】:

0和1的所有排列組合併逐一分析將導致全球所有程序狗失業。但是我怎麼一點都不擔心呢。

不過我怎麼想到了詩雲

【白土的回答(4票)】:

當物理學可以在合理的資源內計算出所有體系的時候,化學就可以不用存在了。

雖然很期待這天的到來,一切的實驗都可以計算預測,民工終於被電腦打敗,不過在近年應該是不可能的了。

最後附上

「The fundamental laws necessary for the mathematical treatment of a large part of physics and the whole of chemistry are thus completely known, and the difficulty lies only in the fact that application of these laws leads to equations that are too complex to be solved.」 —— Paul A. M. Dirac

【司徒影的回答(2票)】:

有機化學。。。你怎麼破

標籤:-數學 -化學 -物理學 -材料


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