摘要：簡述了磁場特性及其對化學反應影響機理，介紹了磁場效應在無機合成、有機化學、環境保護等方面的應用，展望了其在化學化工中的應用前景。
關鍵詞：磁化學；無機合成；有機化學；環境保護
文章編號：1005－6629\\(2007\\)11－0053－04中圖分類號：O441 文獻標識碼：E
磁現象普遍存在于物質世界。20世紀初，電磁學奠基者法拉第就發現磁場與化學之間有著密切的聯系，并首先提出了磁化學的概念。經過數十年的努力，磁化學在實驗技術上有了很大進步，靈敏度高、分辨率強，大型儀器（核磁、順磁、磁天平等）的廣泛應用，直流、交流、脈動磁場的實施，超高磁場（40T以上）的建立，開辟了控制化學過程的新途徑，促進了磁化學的基礎理論研究和在化工領域的應用研究。
1磁場的特性及其對化學反應影響機理
1.1 磁場的特性
（1）磁場的能量較低。在化學化工中應用的場強一般都在1T以內，其能量一般只是粒子熱運動能量的萬分之一到百萬分之一，與化學鍵的鍵能相比，也差2~3個數量級。
（2）磁場能對任何置于其中的磁極或電流施加作用力。物質的本質是電性的，無論原子、分子，都是由帶負電的電子在某種原子核的正的庫侖場中運動，所以從微觀機理上看，磁場必然要對置于其中的運動的帶電微觀粒子（電子、質子、各種離子等）產生不同程度的影響，產生影響的作用力是洛侖茲力。洛侖茲力的計算公式見式\\(1\\)：
F的大小與磁感應強度B成正比，但方向總是與帶電粒子運動方向垂直，說明它不能改變帶電粒子的運動速率和動能。
1.2 磁場影響化學反應的機理
洛侖茲力本身的特性決定不能賦予體系能量，因而不能直接以能量因素影響化學反應，但它可以改變粒子的運動方向?；瘜W反應是伴隨著電子運動狀態的改變而發生的化學鍵的斷裂和形成過程，每一舊鍵的斷裂和新鍵的形成都是軌道間的分裂和疊加的結果，軌道狀態及變化趨勢直接關系著鍵交換的可能性和形成的鍵的穩定性，若變形發生在有利于軌道疊加的方向，則可以加強對反應體系至關重要的離域效果，加速化學反應或降低活化能，若變形不利于反應需要的疊加方向，也可能對化學反應起負作用。磁場除了對前線軌道伸展狀態施加影響外，還可能由于變形產生極化效應，影響其解離的快慢和程度，從而影響化學反應速度。
參加化學反應的物質，根據組成物質分子在分子軌道中的電子配對或未配對，它在磁場中產生的效應不同，可把物質分為順磁性、反磁性和鐵磁性三類物質。
具有磁矩的分子表現為順磁性，外磁場會影響磁性分子的取向，亦即影響反應體系的熵。對于磁矩為零的分子或原子，其反磁性總是存在的，磁場亦可在一定程度上影響其取向；另一方面，類似于非極性分子的“瞬時偶極矩”一樣，磁矩為零的分子也有可能存在“瞬時磁矩”，從而使磁場對其取向施加影響。根據化學反應的過渡狀態理論，反應速率常數k的大小見式\\(2\\)：
可見，除了濃度、溫度影響反應速率外，還有兩個結構因素：活化焓（在液、固態反應時，約等于活化能）和活化熵能影響化學反應，即一個能量因素、一個熵因素。由于磁場對反應體系能量的影響一般較小，主要是影響分子、原子及電子的自旋方式和自旋取向，即影響反應體系的熵，從而影響反應速率。
除了上述基于量子化學基礎上的影響反應速率的過渡態機理外，磁場影響化學反應的機理還有多種，如自由基對機理，三重態-三重態機理，三重態-偶極子對機理和三重態機理等。
2 磁場在化學化工中的應用
磁化學分為無機磁化學、有機磁化學、生物磁化學和醫療磁化學等。本文僅介紹應用磁效應較多的一些具體的化工過程。
2.1無機磁化學合成
2.1.1合成氨
朱傳征等進行了常壓下磁場對合成氨催化反應的影響研究，結果發現，當控制N2與H2流速比為1∶3，預還原合成氨催化劑A體積為3.538mL，磁場能提高合成氨反應的反應速率和轉化率，這種關系并非線性，在低磁場下有一個最佳的磁場強度范圍（150~300mT），最大轉化率可達0.356%。上述效應的產生，主要是在磁場影響下，還原態的α-Fe晶體Weiss磁疇最小，導致順磁性的FeO超飽和，磁滯損失增大，飽和磁化減小，致使催化劑活性增加，從而提高轉化率。
2.1.2 合成無機功能材料
人工晶體是非常重要的電子、光子材料，而生長大尺寸及高質量的晶體材料一直是各類晶體材料制備的關鍵技術。1966年Chedzey 和Vecch各自獨立地通過磁場阻抑湍流實驗表明，外加磁場可提高晶體的微觀均勻性。上世紀70年代末，人們發現磁場對Si單晶生長中引入晶體的氧濃度影響很大。1982年，Hoshikawa在0.1T的磁場下，從熔體中生長的硅單晶的溶質條紋減少，同時Suzuk與其合作者也報道了在側向磁場下生長出無位錯5cm直徑的摻硼Si單晶。梁歆桉、金蔚青等通過實時觀察的方法研究了磁場對KNbO3晶體的生長邊界層及形貌的影響，發現磁場可部分抑制KNbO3熔體中的浮力與運動對流效應，使得隨磁場強度的增大熔體中溫度梯度減小，有利于氧化物晶體的生長。
2.1.3 合成性能優異的金屬材料
磁場能顯著影響鐵基合金的相變過程，馮光宏等進行的磁場處理對微合金鋼的相變過程研究表明，磁場處理對微合金鋼由奧氏體向鐵素體的轉變過程產生影響，一是增加了鐵素體的形核率，二是提高了晶粒的長大速度。由于磁場對鐵素體形核率的影響效果顯著，縮短了相變時間，最終得到細晶組織。穩恒磁場還可使低碳鋼的晶粒細化，使材料組織的均勻度提高。脈沖磁場處理則是一種新的非熱處理型降低焊接結構中殘余應力的方法。低頻磁處理能大大提高各種刀具和汽車輪機的使用壽命，這也是由于磁處理降低了工具中殘余應力所帶來的結果。
2.2 有機磁化學
2.2.1 酯化反應
外磁場對乙酸乙酯的合成有催化作用：
CH3COOH+CH3CH2OH→CH3COOCH2CH3+H2O \\(3\\)
酯化反應③經0.35T的磁場處理后，乙醇的NMR化學位移發生了變化，乙酸的電導率增加了0.201μs?cm-1，酯凈增率超過50%，反應速度加快。
根據此原理，可用磁場催化白酒的老熟。酒在磁場作用下，酒中的極性分子鍵受磁場影響，加速了極性分子的定向排列，使得各成分之間的化學反應容易進行，促進了酒中的酯化、氧化和締合，使酒中的高級醇、醛類的含量降低，酸、酯的含量增加，減少了自由乙醇分子數，使酒迅速達到穩定狀態，變得醇和香且雜味減小，從而達到催陳老熟的效果。經過一次磁化處理的酒，其自然老熟期可縮短3~4個月，使釀酒費用大為降低。當然，磁化老熟與自然老熟效果還是有一定的區別。
2.2.2 蔗糖轉化
蔗糖轉化為D-葡萄糖和D-果糖的反應一般需要在酸或酶的催化下進行。金增瑗等研究了磁場對蔗糖轉化的影響。結果發現，不同濃度HCl催化，未經磁化與經過磁化（B=0.30T）的蔗糖在轉化反應中旋光度到達零的時間不同，其中以2mol?L-1的HCl效果最好，磁化后到達旋光度為零的時間比未經磁化時間縮短18.25%。B=0.30T以下，隨場強增加，反應速率常數增加，說明磁場從動力學上影響了反應的進程，但高于0.30T以后反應速率常數趨于一定值。
蔗糖分子的構象見圖1：
