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?

問題描述:化學的發展依賴於各種元素的組合。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?
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李元鶴:

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,CH兩種元素:

CH4,一種結構;
C2H6,一種結構;
C3H8,一種結構;
C4H10:
C5H12:
C6H14:
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2^{3+1.3n}
C10H22的異構體數量是75,好像增長的也不是那麼快,都用了30多個原子了 ( ⊙ o ⊙ )
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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
C3H6O (Again, 排列組合不會告訴你互變異構體,不會告訴你烯醇式的順反無所謂)
只用了10個原子 ( ⊙ o ⊙ )~~

請題主用「排列組合」告訴我一下C_{20}H_{40}O_5有多少種異構體?至少數學家們說,他們不行
假設你寫了個程序把它算出來了(Σ( ° △ °|||)︴我試過,把我自己寫暈了),那麼~~

搞無機的人告訴你他們做了一種Li_{0.835}FePO_4 ︿( ̄︶ ̄)︿就是鋰電池裡用的東西,帶小數點的排列組合一個?

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),直接關繫到這是一團漿糊、結實的塑料袋、還是防彈背心的時候,再排列組合一個?(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系,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?

5550個

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是不是也不是個什麼復雜的數字,一個概念是呢,一般來說,一個北大化院做有機合成的研究所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:C_{35}H_{56}O_9Si
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,了解他的所有性質,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了解【由一張元素周期表上僅僅用了兩個格子,其中一個是元素周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 1:
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,這樣思考沒有意義。

答案里關於非整比化合物、納米尺寸、高分子的分子量分布和PDI的解釋,雖然他們也是有限的,非整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,分子量分布也總得論「個」來變化。但,同樣的,這樣的有限性仍然沒有意義。這些新興、或已經變得古老的化學分支意味著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,是很蠢的,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

update 2:
關於計算化學的發展和取代實驗的問題:
(下文中將「量子化學(量化)」和「計算化學(計算)」混合使用,有交集有不同,但此處表達的是同一個東西)

量化真的要模擬實驗,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?現在的高精度能量演算法(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(葯物)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,統計平均的分布上,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。

假設(即使)現在的摩爾定律會一直正確下去,從現在的計算水準和精度,到能夠計算一個生物學實驗的通路和它的選擇性的程度,所需要的時間也不是「將來」所能夠描述的,大概屬於科幻的範圍(當然如果有類似量子退火的革命性進展的話,另說,這個無法預料)。值得討論的都是「在可預見的未來」所能發生的事情。

認為量子化學只用來「代替」實驗是狹隘的看法,我從來沒有認為過計算化學永遠是實驗的附屬品,量化和實驗各有所長,應當發揮各自的優勢,而不是嘗試使用一者取代另一者,量化在很多方面已經可以預言、指導實驗,比如HArF的合成。實驗是有誤差的,很多實驗是沒法完成的,但是這些結果我們是要用的。計算能做到的不僅僅是描述和預測實驗,你能用實驗區去測一個十幾個基元反應構成的反應的活化能?Totally impossible and totally inaccurate. 這些只能拿計算做,並且計算出的結果對我們進一步設計反應是很有幫助的。

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、半經驗的演算法,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准,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。
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同時要知道計算的技術和理論確實在高速發展,但實驗技術也是在不斷以類似摩爾定律的方式發展的,100年前人們只能把一個東西Decompose,拿熔點比較產生的小分子,再拼回去,遇到重排反應就抓瞎了。70年前,人們只會有IR,解一個化合物不知道要多費勁,反應一個一個的做,純化化合物只能用重結晶,50年前,人們有了NMR,有了XRD,但是精度不高,NMR還沒有FT,掃一個化合物氫譜要掃一天,譜圖解析度極低。

現在NMR,15分鐘就可以掃氫+碳,苯環上氫的裂分可以看得清清楚楚
分離有自動過柱機(當然現在還有一些局限性)
做反應有高通量篩選,一天拿到1500個反應的結果(不要忘了我們現在5年才能做4000個,一天1500個是不敢想像的,說真的,你現在讓我設計明天要做篩1500個條件我都想不出來)
可以直接進HPLC-MS分析有什麼產物
XRD有了諾貝爾獎的演算法可以直接自動給結構
最近剛出的成果還有HPLC-XRD連用,直接從HPLC出來,打單晶,就可以每個結構自動的從熒幕上顯示出來

這都是Revolution,化學的問題很多,夢很遠,但不論是實驗還是計算,我們自黑是自黑,但是我們還是在努力地做出一些東西來的,努力地讓化學能給你們生活帶來更多好的體驗,去除更多不好的因素。我們不能阻止有人濫用化學,但是至少我們在讓人們可以不濫用化學,至少我們在努力的讓人們不再有濫用化學的動力。

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(有人問HPLC-XRD是怎麼個神奇的東西,說實話這個還是從Aorqu上看到的,paper下載了之後直接要看尿了,感覺Nature已經不能承載它的牛逼性了)
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又有人問一天1500個反應是怎麼回事兒
恩,它的反應器大概長這樣,上面直接接分析設備,比如HPLC-MS


然後你可以直接看到一張Map,而不是像現在看到的是Map上的點
這圖好像是生物用的,原理差不多,化學用的往往可以加高溫高壓,有一個和孔一樣多的蓋子,比如67度沸點的THF可以加熱到100度做高壓反應,是受得了的
另外這東西是可以直接編程的,有的用Python,有的用Wolfram Alpha,有的可以直接導入XML文件


逸心:

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?


匿名用戶:
只有我覺得這圖好笑嗎?


任凱:

0和1的世界,現在也沒有終結


Aorqu用戶:
我隱隱約約地嗅到了一股不知者無畏的味道。

請允許我冒昧地猜測下,有這種想法的人大概是基於國中課本上相對宏觀平面化的的表述,產生了誤解···

基於我眼所觀,我心所感,回答一個。也算是表達一番對這兩年化學摸滾打爬的感觸。
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古人有句話叫做只可意會不可言傳,樓上拿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····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·以上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我真不是在騙你。

鑒於此,我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,先保守地展望個千百年··
第二條是個無底洞··渺小的我不敢展望
針對第三條
知識的傳承
俺么老師曾經說過,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。這里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了解,必須讓開學科讓人去學啊!另外造現在有一種東東叫做復合材料嗎?科學發展了這么多年,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。想要將知識傳承並發展,就必須將明確分工。光是在這個資訊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···

當然有人可能疑惑的是,將來化學是否可能和其他學科混合,打碎了再和數學物理生物等學科合併——然後再細分成其他的小科目。我覺得這是個非常吃力不討好的活計,依照現下的趨勢只會產生更多的交叉學科,讓有志者深入鑽研。卻斷沒有大刀闊斧地將化學砍了,然後徹底給其它科目當肥料的道理。當然再死磕點扯又可能是個名詞定義的問題···

或許有一日,人類的科學發展到極致,大道歸一。一切起於混沌,又在新的混沌中開辟新的國度。但個人認為對於未知的事物要保持敬畏之心,基於對事實的尊重與對事物的探索,在沒有觸摸到它之前,我只能基於已知的一切去逐漸構畫,而不是僅憑自己一星半點的的資訊妄下輕飄飄的猜測···

俺們老師曾經曰過,21世紀是資訊時代。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(不然大學里為啥要設這么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。

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