現在化學還有什麼重大的未解問題嗎？
物理學和生物學似乎都仍有很多問題沒有解決，比如說物理學還沒有找到統一理論（實驗應該還沒有證明弦理論），生物對於生命也仍有很多問題沒有解決。那麼在化學界還有什麼重大的未解問題嗎？
鑒於塑料、橡膠、纖維等各色聚合物高分子材料佔據了人們生活的絕大部分，科研狗來說一個高分子化學中的問題吧，即環狀高分子的製備與生產。
以下「聚合物、高分子」為同義詞。
眾所周知，絕大部分的聚合物材料都是以線性和線性交聯為主的，一個小分子結構單元重複了成千上百次，分子量大量增加，變成一條又長又捲曲的「線」，無數條這樣的「線」有序或無序組成在一起，即為我們日常的聚合物、高分子。從我們平日所用的PS（聚苯乙烯塑料）、PC（聚碳酸酯塑料），到硫化橡膠（交聯的線型聚合物），甚至液態的高分子塗料等等，可以想像，都是以線型分子為基礎單元的。
可是，一條「線」總會存在頭頭和尾巴吧？別小看這頭頭和尾巴對整個聚合物的性能的影響，它的存在與否或是線上那隻佔千分之一甚至幾十萬分之一的基團，一直都是高分子化學中的熱門研究領域，分子鏈的兩個末端對聚合物的性能佔據至關重要的地位。但是，環狀聚合物便沒有以上的的問題了，這一條「線」的頭尾連接在一起，原本存在頭尾的「線」變成了一個沒有頭尾的環，聚合物的性能隨即會發生顯著改變，甚至，我們可以進一步製備各種又神奇又奇葩的產物：
這裡要從高分子的聚合機理說起了，不過為了方便大家理解，我在這裡採用以下簡化描述。
一條高分子鏈要形成環，可以通過兩種方法，一種是從小環直接擴大成大環的擴環法，一種是把線型的高分子首尾相接，而前者機理複雜，適用的原料總類極少，可以忽略不計，環一般以後者為主。
線型高分子要首尾相接，首先我們得要有個可以鏈接的「搭扣」吧？於是，科研工作者們得在線型高分子的頭拴上A基團，然後在尾巴拴上B基團，AB即為可以相互鏈接在一起的「搭扣」，如下。
有些聚合物的A或B是從一開始就自帶的，有些則是要從自帶的改性成合格的「搭扣」，有些則是要通過複雜的方法鏈接上去。只要涉及到有機反應，一定有很多副產物產生，光是分離提純就是非常艱難的事，況且A和B的鍵合效率也不會很高（多虧Shapless發展了點擊化學，緩解了不少）。光是以上兩點就是非常困難的一項了，可以為這樣就完了嗎？A和B基團作為額外插入的「外來客」，有可能會對聚合物性質造成一定影響，而沒有A和B咱又不能連起來，這悖論至今難以調和。
除了這些便沒困難了？TOO YOUNG TOO NAIVE，下面這個才是難中之難。高分子的成環必須在極稀條件下進行，往往好幾升的溶劑才能用於反應零點幾克的關環，否則你將得到：
以及更長的---AB---AB---AB---AB---AB……
簡而言之，精細的「搭扣」製作、苛刻的分離提純、極稀成環條件等等使得大規模生產幾乎趨於無望，高成本的投入往往只能得到極少的產物，所以，面對環狀聚合物的優異性能，咱們只能望洋興嘆了。
呼，好累，謝謝各位。
搞了六年的理論化學，今天就獻個丑。以下觀點純屬個人看法...
首先引用一段在理論化學界頗為惡俗的，來自狄拉克的開場白：
「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.」 —— Dirac
這段話的歷史至少長於半個世紀。在二戰前，伴隨近代物理學在統計力學，量子力學和狹義相對論方面的突破，所有可觀測的化學現象的物理基礎，及描述全部化學所需要的數學方程都已經建立完成。在理論上，只要有擁有足夠的計算能力，求解薛定諤方程（對於重元素而言考慮相對論，是狄拉克方程），結合統計力學的幾個基本公理就能精確預測宏觀尺度下所有的化學反應。而此後理論化學的發展，基本上都可以被認為是求解這幾個基本方程的數值方法的發展。從這一點上來看，迄今為止，現代化學沒有本質性的新發現，也不存在終極性的理論問題。化學僅僅是一門研究如何在原子分子尺度上利用現有物理規律而為人類牟取利益的應用科學，而理論化學的未來，需要在小數點後的數值上去尋找。（我就不說小數點後第六位了，咱還沒到那精度...）
因此，當代理論化學的首要任務就是為化學的不同分支提供各種近似數值演算法。對定態薛定諤方程的求解導致了各種第一性原理方法（HF，MP2，CI，CC， 各種CAS還有QMC...）和密度泛函方法的建立。對含時薛定諤方程的求解導致各種所謂動力學方法的建立，包括wave-packet method，surface hopping, semiclassical method 以及各種基於路徑積分的方法。對於統計力學方程的求解則成為整個分子力學領域的基礎。各種方法之間相互交叉滲透，比如ab initio和分子力學結合產生各種基於ab initio的力場以及AIMD/CPMD；路徑積分和統計力學結合產生處理量子統計力學的RPMD等等。總而言之，都是基於幾個基本方程衍生出來的數值方法，可以用模擬（simulation）一詞來概括。這些方法在各化學分支中的具體應用也通常被稱為計算化學。一般而言，這些方法的基礎是普適的，其主要挑戰在於有效地平衡計算精度和計算速度。
同時，考慮到計算能力的限制，直接模擬能夠解決的體系太過有限，遠遠不能滿足實驗對理論的需求。所以，理論化學的另一個重要任務是，在數值模擬的基礎上，結合我們對物理本質的理解，構建比基礎方程更為高級，更為簡潔的理論模型，用於描述某一類特定的問題。比如用於描述化學反應動力學的各種版本的過渡態理論，Marcus理論，或者用於描述蛋白摺疊的landscape theory，再比如描述氣體吸附的朗格繆爾模型，應用於譜學領域的Kubo模型等等。此類模型微觀上可以由數值模擬驗證，宏觀上可以和實驗直接對比。物理含義簡單清晰，數學上易於計算。理論化學家使用來自模擬的參數後可以做定量或者半定量計算，實驗化學家可以用來做簡易的定性分析，其好處不言而喻。其缺點是解決的問題更加特異化，不夠普適，在特定條件下存在失效的風險，需要使用者有良好的理論素養。
這樣看來，現代理論化學的發展堅實而富有成效。然而遺憾的是，理論化學和實驗的結合仍然存在巨大的問題。總體體現為誤差大，只能定性不能定量。再就是只能解釋無法預測，也就是馬後炮居多。根本原因當然在於計算速度慢，所以需要實驗者提供先驗信息以限定範圍，而這些信息實驗則未必能提供。比如在催化劑結構形態不明的情況下去預測催化機理，就基本靠蒙，而理論預測固體結構所面臨的採樣問題現階段又根本無法解決。更不用提很多實驗本身就存在現有技術條件下難以控制的誤差，比如有機中合成者的各種「手藝」問題...
另外，我以為還有一種因素阻礙著化學理論和實驗的結合，我稱之為化學中的「中醫」問題。其來源在於在物理學取得足夠的進展之前，化學已經獨立發展了很長的時間，形成了一個龐大的體系。這座流沙上的城堡完全依靠對實驗現象的經驗性總結而建立，充斥著各種真真假假虛虛實實的完全不可控的bug（正如樓上吐槽文所描述的那樣）。典型的比如勒沙特列原理，相似相溶理論，價層電子對互斥理論，神奇的8電子或者18電子穩定結構，原子外電子的排布規則，甚至包括量子化學已經開始興起時建立起來的軟硬酸鹼理論以及共振論。這些經驗性的唯象理論缺少堅實的物理基礎，無法定量描述問題，但是足夠簡單，易於理解，且定性療效好，姑且稱之為化學中的「中醫理論」。令人遺憾的是，幾乎每一個化學專業的本科生頭兩三年接觸的幾乎都是這種類型的理論。因此很多沒有進一步深入學習理論化學就進入科研工作的學生都多少缺少理論素養，而習慣了這種唯象的思維方式。化學專業的學生容易養成一些不求甚解的實用主義心態，即沒有耐心也沒有能力對理論問題進行深入而嚴格的探討。他們再去和理論方向的學生交流時就容易陷入中西醫之爭時常見的套路了。而某些學者發文章時喜好炒作概念，經常使用描述性的語言，定義模稜兩可的術語，助長了這種風氣。純經驗理論中的bug和理論化學本身在計算規模上的困難造成了化學理論無用論的流行。我曾經非常激進地認為普通化學這門課應當廢除，化學專業應當從基礎量子力學開始學起。我現在的觀點是，這些理論可以有，但是要儘可能嚴格化，數學化，規範化，正如中醫可以有，但是應當逐步地科學化一樣。實際上這完全是可能的。勒沙特列原理或者相似相溶理論完全是熱力學和統計力學的特殊推論，酸鹼的軟硬與能量的二階導數存在聯繫，共振論可以經由現代價鍵理論而歸入量子化學，原子的帶電量可以由各種布居分析方法定量，本身並不存在的分立的單電子軌道（比如有機中常用的前線軌道概念）也可以表述為數學上較為嚴格的Natural Orbitals，而Natural Bond Orbitals則有效地復活了路易斯結構式的精神。化學理論嚴格化的好處在於：1）變定性為定量，有效提高預測精度；2）統一概念，避免討論問題時嘴上說著A，腦子裡想的卻是B，實驗上測的是C，手頭算得是D，最後牛頭不對馬嘴的情況。
總結以下結論: 1）當代化學理論根植於近代物理學發展的沃土，其邏輯基礎已經十分完備；2）化學理論目前給人造成混亂的印象，是歷史遺留問題。主要是大量經驗性唯象理論未經嚴格化，語言使用缺乏規範。3）化學理論的發展障礙，不在於基礎的不堅實，而在於大自然體系本身的複雜性。
1）准簡併體系的電子結構問題，即所謂multi-reference或者strong static correlation的問題。
2）密度泛函理論中的self interaction error的修正問題。
3）高精度計算分子間弱相互作用的問題。
4）激發態計算（包括孤立和延展系統）。
5）溶劑化效應。
6）大尺度（納米至微米）模擬及多尺度嵌套模擬。
7）Rare event採樣和全局優化問題。
8）可靠的力場參數發展方法。
9）原子核量子效應的模擬。
10）電子/原子核耦合運動（波恩-奧本海默近似失效）。
11）過渡態理論的修正，化學反應動力學。
首先要明確化學的研究領域，如果按照物質尺寸劃分，化學研究的範圍應該是原子半徑以上，微米以下。單個的原子及比原子還小的粒子是物理學的範疇，微米以上大到肉眼可見的宏觀體系是材料學的範疇，尺寸大到天文單位，就又是物理學的天下了（也可以說是天文學）。說白了，傳統上化學主要研究分子。
按照尺寸劃分的學科疆域顯然不是那麼嚴格的，不是涇渭分明而是犬牙交錯。
在分子生物學建立起來之前，生物學研究很大程度上也位於微米以上，經典的生物學可不就是植物學、動物學這些分類學嘛，DNA雙螺旋結構發現以前，所謂遺傳學也不過是育種學，孟德爾豌豆的那一套。但分子生物學建立後，生物學發生了翻天覆地的變化，它的研究對象尺度一下降低到分子級別，跟化學的範疇發生了重疊。現在的生物學，絕大部分領域的研究重點都到了分子層面。那麼問題來了，我研究蛋白質分子，是屬於生物學還是化學？顯然都可以，現實也是如此，解蛋白質結構的施一公院士是生物學教授，搞蛋白質合成技術的劉磊教授是化學教授。同樣一個對象，不同學科有不同學科的角度，並沒有那麼嚴格的界定。
物理學也不是老實待在原子及以下尺寸的學科，這部分只是現代物理學的一部分——粒子物理學，而世界物理學的最熱門方向其實是凝聚態物理，擁有最多物理研究人員，發表最多物理論文。所謂凝聚態，就是固態和液態，這研究尺度一下子就上升到分子級別或納米了，又和化學重疊了，如果對凝聚態物理和物理化學都熟悉的同學，應該知道這兩個學科製備材料的手段其實挺相似的……
納米科學是需要單獨講的一個學科，它不是物理、化學、生物那樣的一級學科，但顯然又是當下最熱門的學科之一，其自身尺寸決定了這一點。納米剛好位於分子尺寸以上，微米以下，是傳統的化學不曾關心（尺寸太大），傳統材料學也不曾關注（尺寸太小）的一個區域，一塊新發現的處女地，又擁有很多奇異性質，因而物理、化學、材料等許多學科都涉及納米科學的研究，是非常熱門的領域。
在我看來化學是一門「開疆拓土」能力很強的學科，它能夠扮演其他學科重要工具的角色（數學、物理常常如此，越基礎的學科，作為工具的概率越大），也擁有自身獨特的發展脈絡，由於研究領域為分子尺寸和微納米尺寸，你可以視其為橋樑，也可以像美國化學會定義的那樣：化學，一門中心學科。
我們大致清楚了化學的研究範疇，下面我列舉幾個重要的未解決的化學問題。
【化學自組裝】美國《科學》在2005年提出21世紀亟待解決的25個重大科學問題，化學自組裝是唯一與化學直接相關的重大科學問題。自組裝是以分子或分子以上層次的分子聚集體和納米結構作為基本單元，通過弱鍵相互作用自發形成特定結構的過程，是創造新物質和產生新功能的重要手段。它的重點和難點在於「弱鍵相互作用」，更精簡一點就是「弱」。「弱」意味著可控性差，從製備角度看就是很難得到預期產品，從理論角度看就是很難用簡單的理論模型去描述。這裡多說幾句，前面有同學提到化學體系很難用準確的理論描述，尤其是沒有向牛頓定律那樣簡單美觀的公式。這是事實，化學體系的複雜性正是它的迷人之處，理論上的困難是它的固有性質產生的，和化學家行不行沒什麼關係，你讓數學家物理學家來搞也一樣不行，三個球互相吸引轉來轉去就把數學家困住了，化學體系，例如這個自組裝問題，億萬個分子相互作用，而它們的作用又是「弱相互作用」，雙重困難，數學家有辦法解決嗎，算得清楚嗎？同樣是納米尺寸，凝聚態物理很熱門的高溫超導，實驗做了一大堆，上限一再突破，就是不知道機理是什麼，看來物理學家對這個尺度的問題也沒有特別好的辦法。
【可控分子合成】這是我生造的詞，其實不能算是一個問題，而是化學這門學科的終極追求。在如家化學很多分支都和別的學科交叉的情況下，有機化學（包括高分子化學）仍然在做這方面的努力。化學家已經創造了許多自然界原本沒有的物質，它們是現代社會的物質基礎。又或者從自然界提取某些物質，用化學方法合成，降低其成本，改良其性能。這條路，就目前來看還很漫長。首先是某些極為重要的物質的合成方法並不完美，例如氨氣，氨氣對工農業都極為重要，但化學家始終沒找到完美的催化劑來高效環保地製造合成氨。
第二是某些重要天然產物的合成問題，一些作為特效藥的天然產物由於無法人工合成，只能從自然界提取，成本高昂，這有賴於全合成化學家的努力。
第三可能是最困難的一個，根據功能設計分子結構，合成分子，如前面的同學提到的，這是構效關係問題。例如需要製造一種藥物，如果我知道靶點蛋白和結構，我用計算機設計出能作用於靶點的最完美的分子，再去合成它，這顯然是很理想的。目前雖然計算機輔助藥物篩選已經很流行了，但它仍然是「輔助」，結果不一定正確，正確的也不一定是最好的。合成完的藥物分子還需要生物實驗再進行驗證和篩選。合成這一步不要以為很簡單，如果真的只是做飯炒菜一樣的level，合成方法學也不會發出那麼多文章了，不過考慮到這是化學家的傳統優勢項目，解決起來應該比前一步的設計要容易一些。
【納米材料的可控合成及實用化】納米材料非常非常熱，從文章的影響因子看，當今科學界唯一能和生物領域匹敵的只有納米材料。很多高檔次的雜誌都有一大幫化學家、物理學家、材料學家在大量灌水納米材料方面的文章。但還沒有人能真正解決納米材料的可控合成，一種合成方法一般只適用於一種或一類納米材料，同樣是納米線，金納米線和銀納米線的合成方法迥然不同，100nm的金納米棒和500nm的金納米棒合成方法也不同。而且很多文章的重複率不好，因為納米材料的合成受條件影響太大（這一點上遠不如有機合成文章那麼可靠）。而且另一個致命問題是，不像有機或無機分子，雖然完美的構效關係理論還沒有，但一般行家看到分子結構會對其性質有個大概的感覺和預測，納米材料不是這樣，其構效關係更為複雜，或者有些文章就是為了合成某種奇異的結構，對其性質並不十分關心，例如我個人覺得很無聊的「納米花」結構。
關於實用化，是困擾納米科學界的一個很頭疼的問題，納米科學剛誕生的時候被各方廣泛看好，覺得人類的新時代就要因此到了，但幾十年過去了，納米材料的文章發了不少，真正實用化的寥寥無幾，或者即便實用化了也沒有產生預期那麼好的效果。
【生命的化學基礎】這不是生物學的問題嗎？你當然可以這麼認為，現實是不管化學還是生物學，都有大批科學家在做這方面的研究，大家思路可能不一樣，但殊途同歸嘛。這又是一個涵蓋廣泛的大問題。我感興趣的是了解了生命的化學基礎後，改造/製造生命的問題。有人會說生物學家早就可以改造/製造生命了，克隆啊，試管嬰兒啊，敲掉細菌幾個殘基等等，但生物學家玩的還是自然界的那一套，脫氧核糖核酸無非就是那四種，氨基酸無非就是那二十幾種，但化學家可以合成自然界沒有的脫氧核糖核酸、氨基酸，它們對生命的影響或者用它們製造的生命顯然是會非常不同，目前已經有人在嘗試了，所謂合成生命嘛。
篇幅和學識所限，只能泛泛而談，歡迎指正。
題主問
物理和生物似乎都有很大的坑沒有填上，那化學有什麼比較大的坑嗎？
而我認為，實際上，化學本身就是一個坑。
無論是我開始學化學的時候，還是我正式進入化學研究領域之後，都在無數次的聽到這句話：
化學是一門實驗科學，一門經驗科學。
也就是說，化學到現在，很難找到一個能夠絕對支持並指導絕大部分實驗結果的理論，也許除了元素周期表？
當然這麼說也並不確切，當我們從物理化學的角度來思考化學這門學科的時候，其實已經有了很多比較成熟的理論。但是這些理論在實際應用中常常牽扯到極為複雜的計算和大量的簡化過程，最後只能用來推斷很簡單的模型，根本無法應用於指導實驗，更別提精確地推導結果了。
所以說去年的諾貝爾化學獎 2013年諾貝爾化學獎揭曉：為複雜化學尺度創立了多尺度模型，其實這在用理論來指導實驗的大方向中只是非常小的一步，但是即使是這樣小的一步，在化學裡也難到了、重要到了可以頒發諾貝爾獎的程度。
在現在的化學界的大部分研究方向（也許除了一部分物理化學）里，研究問題的方法仍然是：
1、梳理之前的成果，歸納出一個符合邏輯和基本理論的猜想。
2、按照這個猜想嘗試新的反應或者結構。
3、如果成功了，就為這個猜想增添了證據和實例，這個猜想就有可能更接近事實。
4、如果失敗了，就為這個猜想增加更多的限制條件，或者創造一個新的猜想。
這個流程裡面存在一個非常嚴重的問題：之前的實驗結果和由其歸納出的猜想未必具有相關性。說的簡單一點，其實和中醫理論有點類似，你做不出對照組，排除不了其他條件的干擾，也完全無法遵從奧卡姆剃刀的原理。這就導致了化學領域無論是理論還是實驗結果，都更像一個個分散的點，我們知道這些都是一棵樹上的果實，但是這棵樹太大了，我們摸不到它的主幹和它的根究竟在哪裡。
化學是一門研究物質的性質、組成、結構、變化，以及物質變化規律的科學。
所以我個人認為，化學的問題就在於：我們在研究物質的性質、組成、結構、變化方面已經做得很好了，但是在研究物質變化規律方面，還差的太遠。
有點類似於盲人摸象一般吧。
如Smile Zhu所說，化學方面的理論基本都是坑。
打個比方，物理的研究成果是這樣的：
而化學成果是這樣的：
皮球不推不會動，推了會向力的方向移動，越動越快，但是快到一定程度就到極限了。
木球有類似的表現。
塑料球有類似的表現。
鐵球有類似的表現。
銅球有類似的表現。
鉛球有類似的表現。
……
我們發現了【推球定律】。
氫氣球的表現不一樣。氫氣球是個例外。原因不明。推球定律不適用於氫氣球。
類似地，推球定律不適用於氦氣球。
……
我們發現了【反推球定律氣體】。
皮球放在水裡表現不一樣。水是個特殊因素。推球定律不適用於水中。
鐵球在水中的表現符合推球定律。
銅球在水中的表現符合推球定律。
鉛球在水中的表現符合推球定律。
……
我們發現了【推球定律普適材料】。
……
……
……
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感謝各位的贊同 但是本答案主要是吐槽 如果點贊同請先點一下 @smile zhu
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7.2
贊多了就有點戰戰兢兢 還得替化學說兩句好話
因為題主問的是化學中有哪些大坑，我看到Smile Zhu的答案，心有戚戚，所以寫下這個吐槽的答案。學化學的人自己都很清楚化學理論的不完備。化學本身確實不是嚴密的，因為以當前的計算水平和理論水平，不足以從最基本的粒子出發來得到嚴密的化學理論。
但是這不意味著化學就是 「偽科學」 「騙子」，更不意味著化學 「無用」、 「浪費」。基於客觀的可觀測可重複可證偽的實驗得到的結果都是可信的，也已經為人類社會做出了巨大的貢獻。理論要不斷充實，但實際的應用不可能原地踏步。就像人類在發展出結構力學之前已經建成了許多實用美觀的建築。因為缺少足夠強大的理論支撐，很多化學研究稱得上步履維艱，但是為了求索也好，為了糊口也好，很多科學工作者還是艱難地做出了很多對人類直接有益的工作。
如果說數學是一切真理的基礎，物理是一切物質與能量的基礎，那化學的研究對象的確可以看做物理學的一個統計結果，類似地，生物學的很多研究對象也可以看做化學高度有序自發進行的結果，醫學也不過是生物學的分支之一。但是生病了不能等著數學和物理學來救人啊。
最後扣個題：我個人覺得，化學重大的未解問題，包括但不限於：
1）大量微觀粒子的行為如何用數學方法描述
2）如何從某一狀態某一時刻下物質的狀態推知另一狀態另一時刻下物質的狀態
3）如何通過物質的微觀結構準確預測其宏觀性質
如此多的化學畢業生，如何找到專業對口的工作？
化學的根本理論應該在於」結構功能關係「這六個字上。
而事實上我們對結構和功能的關係的理解從未能達到過能指導和預測宏觀的，大量的，體相的現象的程度。
從而，化學自身就是一個坑……我個人以為，「學科的重大未解問題」是個很好的問題，是很值得大家認真思考和討論的問題（尤其是在學術圈內，通常學術圈對於此也有很好的共識。）但是看到某些主題是吐槽化學的回答，還是不免讓人感覺辜負了這個問題。
回頭再看自己的回答，大半是文不對題的吐槽和個人感受，竟然還有很多人讀到，不由頗為惶恐。雖然我個人不鼓勵關於學科「意識形態」方面的討論，但由於這個問題承載了很多關於化學和學化學的人的吐槽，這個回答的緣起也是「對吐槽的吐槽」，所以我也就不再大幅修改回答，但求拋磚引玉。
化學的核心在於合成。當前合成方面我以為有兩類問題是化學學者普遍關注且尚未得到滿意答案的：
- 一些有極其重大應用價值的小分子的活化：氮氣、甲烷、水、二氧化碳
- 納米到微米尺度的有序結構的可控合成
----------------------關於吐槽的吐槽----------------------
鑒於現在很多回答的實質變成了對化學的個人吐槽。我想先說一些和問題無關，和化學有關的話。以下內容僅代表個人觀點。
化學已有的成果已經極大改變了人類世界，並且還將產生更多對人類有意義的成果。我們不妨看看身邊日常生活中用到的每一樣物品，幾乎都離不開化學的貢獻。（幾個最主要的例子是石油化工——日常能源、合成高分子——塑料和冶金業——金屬產品。）並不誇張地說，正是無數勤奮的化學工作者前赴後繼，才使這些成為現實。然而，這麼一棵枝繁葉茂，為人類帶來豐碩果實的參天大樹，卻被很多人，而且還包括很多即將繼承前輩偉大工作的人，理解為一棵問題之樹，甚至已經不再是一棵樹了，而是一個可有可無的「巨坑」。我們甚至應當逃離這個「巨坑」，到其他根基堅實的「大樹」下面去乘涼。我不由得要問，明明是一棵大樹，什麼時候突然就變成了一個「巨坑」？
把任何學科理想化、完美化，都會走向另一個極端。無數物理學的先賢和民科都曾為一個重大問題而努力：如何製造一台永動機？也一定會有無數人問過，物理學這麼偉大，為什麼就不能造出一台永動機，從此生生不息，讓人類過上幸福快樂的生活呢？後來發生了什麼，大家都知道了。——出問題的究竟是物理學這個「巨坑」，還是這些人？也許都不是。
再看看另外兩個學科的例子：
如何看待郭婷婷在文達網寫這篇名為《逃離心理諮詢》的文章？
剛剛看完了《數學：確定性的喪失》，看的我雲里霧裡，現代數學的基礎到底是什麼，這個基礎到底確不確定？
我個人尤其推薦關於心理諮詢的討論。引用其中李松蔚老師的一段話吧：
這只是一個年輕人，對著自己已經踏進去半隻腳的職業生涯，失望，冷嘲，並道別。
她說：「你為什麼不能改變世界？為什麼不能改變世界？為什麼不能改變世界！！」
她辛辣的嘲笑聲，聽起來倔強又絕望。鏡頭重疊到我自己身上（原諒我的自戀吧）：
本科學心理學的時候，我羞於承認自己在學習一門「前範式科學」。
後來鬼使神差地選擇了在臨床心理學方向深造。
跟@宋萱 同學一起譏刺這個行業的從業者，就像過去那些逼良為娼的「婆子」。
每天吐槽這個專業，吐槽身邊的人，吐槽自己。
想盡各種辦法參加各種培訓，只為接觸更多的高手，國內的，國外的，不同流派的……在不同時期對不同老師寄予過很高的期待，但是學習久了，又免不了一次一次的失望……
很多事看不慣，想不通，做不到……憤而上網發文，被系裡老師請喝茶。
…………
直到很久以後我才頓悟，那些我以為是跟專業特殊性有關的煩惱，卻真的和專業無關。
不管學習什麼專業，從事哪門職業，恐怕我都會走過那段羞恥，失望，憤怒，和自以為是的路。
因為這個世界，不管誰來看，不管用任何知識，從任何高度來看：
都是非常非常不理想的。
我覺得我們首先有必要區分「有用」和「完美」這兩個概念，而不是妄自菲薄，更不應提倡和鼓勵把學科的不完美誇大為一無是處。
複雜系統 (complex system) 下，也許會有普適的結論，但是很可能不是現在我們想像之中的「完美」結論。再舉一個簡單的例子，骰子裡面，普適結論就是，六個面的概率各為六分之一——你卻想要知道下一次哪一面朝上，雖然這個問題的確非常重大非常有意義，但很抱歉，這不是一個可以「解決」的問題。就像人類終究是造不出永動機的。
化學也不能造永動機——某些小分子層次具有重大現實意義的問題未必有解答：如氮氣的活化，二氧化碳/甲烷的活化，水的（光/電）活化等。但是我們普遍認為這些是重大問題，就像物理中的大統一理論是重大問題，但是有沒有可能解決呢？——解決之前，或者被證明不可能之前，誰都不知道。
請原諒我用絕大部分篇幅討論了我理解中的化學的界限。
----------------------正經的回答----------------------
下面簡單回答一下原來的問題：
當前化學的重大未解問題，我覺得可以從什麼是核心化學 (core chemistry) 來考慮：化學的本質是且只是合成。
除了剛剛提到的幾個重要小分子（氮氣、二氧化碳、甲烷、水）的活化問題，稍大尺度（從納米到更大尺度的有序結構）的可控合成也是另一個重要的問題。
如果把眼光拓展到包括分析領域，那麼單分子檢測無疑是分析科學的聖杯。
最後，願化學的明天更加美好，與各位共勉。
附註：
1. 前半部分不只是跑題，還有很多情緒化的內容，已用下劃線標出，請大家小心。
2. 對理論和實驗的一點補充看法
從現象上來看，化學當前不完美之一，似乎在於它還幾乎只是一門實驗科學，當前的化學理論 1)不能良好解釋實驗結果 2)對於未知世界的預測能力極為有限。因此，我們在做的基本就是「我的實驗中發現了x具有性質A」這樣的工作（好像被稱為「集郵」……），如果想知道「y是不是也具有性質A」，很抱歉，一般來說，除了（花錢花時間）做實驗，目前還沒有更好的辦法。
作為一門依賴於實證研究的科學，基於歸納的一切化學理論都不能自證其可靠性。（因為我們不能用樸素的歸納法窮盡這個世界）。這種現狀，不只是一門實驗科學對於「經驗」（天真和幼稚的）的懷疑論，而是基於當前化學發展事實的嚴謹判斷。
但是，化學紮根於實際，首先要解決實際問題。即使我們的「理論」支離破碎，但是，一個支離破碎但是符合實際的理論，和一個大統一但是不符合實際的理論，化學工作者應該如何選擇？
因此，我個人傾向於認為，化學理論的問題本質上並不是一個大問題，化學不能解決的實際問題，才是更重大的問題。這也是我個人不太鼓勵討論化學「意識形態」的原因。（不過在某些學科「意識形態」的討論中也開闢出了新的領域——比如積極心理學。這個結論也未必絕對。）
由於化學研究的對象是原子、分子（近年來還包括分子量更大的高分子和自組裝體系）和他們的相互作用，而在大量分子進行相互作用時，是介於宏觀體系和微觀體系之間的複雜系統 (complex system)。
最後的最後，我個人的猜測是，我們想像之中的「完美」（此處也許可以翻譯成 well-defined）化學，有沒有可能，並不是以我們現在想像的形態存在？
數學是火,點亮物理的燈;
物理是燈,照亮化學的路;
化學是路,通向生物的坑;
生物是坑,埋葬學理的人
21世紀的四大化學難題
(徐光憲)
【URL】 http://tech.enorth.com.cn/system/2002/10/16/000435493.shtml
【作者】
徐光憲
【來源雜誌或書籍】
科學時報
【卷(期):頁】
科學縱橫欄目第三版
【出版日期】
2002-10-15
【主要內容】
到了21世紀，數學界、物理學界和生物學界都相繼提出了各自領域的重大難題或奮鬥目標。但在化學界，一直沒有人明確提出哪些是化學要解決的世紀難題。
近年來，在世界範圍內出現了淡化化學的思潮。那麼化學界果真提不出重大難題嗎？有人對這一問題，提出21世紀的四大化學難題供大家一起探討。
如何建立精確有效而又普遍適用的化學反應的含時多體量子理論和統計理論？
化學是研究化學變化的科學，所以化學反應理論和定律是化學的第一根本規律。應該說，目前的一些理論方法對描述複雜化學體系還有困難。
因此，建立嚴格徹底的微觀化學反應理論，既要從初始原理出發，又要巧妙地採取近似方法，使之能解決實際問題，包括決定某兩個或幾個分子之間能否發生化學反應？能否生成預期的分子？需要什麼催化劑才能在溫和條件下進行反應？如何在理論指導下控制化學反應？如何計算化學反應的速率？如何確定化學反應的途徑等，是21世紀化學應該解決的第一個難題。
對於這一世紀難題，應予首先研究的課題有：(1)充分了解若干個重要的典型的化學反應的機理，以便設計最好的催化劑，實現在最溫和的條件進行反應，控制反應的方向和手性，發現新的反應類型，新的反應試劑。(2)在搞清楚光合作用和生物固氮機理的基礎上，設計催化劑和反應途徑，以便打斷CO2, N2等穩定分子中的惰性化學鍵。(3)研究其它各種酶催化反應的機理。酶對化學反應的加速可達100億倍，專一性達100%。如何模擬天然酶，製造人工催化劑，是化學家面臨的重大難題。(4)充分了解分子的電子、振動、轉動能級，用特定頻率的光脈衝來打斷選定的化學鍵——選鍵化學的理論和實驗技術。
如何確立結構和性能的定量關係？
這裡「結構」和「性能」是廣義的，前者包含構型、構象、手性、粒度、形狀和形貌等，後者包含物理、化學和功能性質以及生物和生理活性等。這是21世紀化學的第二個重大理論難題。
要優先研究的課題有：(1)分子和分子間的非共價鍵的相互作用的本質和規律。(2)超分子結構的類型，生成和調控的規律。(3)給體-受體作用原理。(4)進一步完善原子價和化學鍵理論，特別是無機化學中的共價問題。(5)生物大分子的一級結構如何決定高級結構？高級結構又如何決定生物和生理活性？(6)分子自由基的穩定性和結構的關係。(7)摻雜晶體的結構和性能的關係。(8)各種維數的空腔結構和複雜分子體系的構築原理和規律。(9)如何設計合成具有人們期望的某種性能的材料？(10)如何使宏觀材料達到微觀化學鍵的強度？例如「金屬鬍鬚」的抗拉強度比通常的金屬絲大一個量級，但還遠未達到金屬-金屬鍵的強度，所以增加金屬材料強度的潛力是很大的。以上各方面是化學的第二根本問題，其迫切性可能比第一問題更大，因為它是解決分子設計和實用問題的關鍵。
如何揭示生命現象的化學機理？
充分認識和徹底了解人類和生物的生命運動的化學機理，無疑是21世紀化學亟待解決的重大難題之一。
例如：(1)研究配體小分子和受體生物大分子相互作用的機理，這是藥物設計的基礎。(2)化學遺傳學為哈佛大學化學教授Schreiber所創建。他的小組合成某些小分子，使之與蛋白質結合，並改變蛋白質的功能，例如使某些蛋白酶的功能關閉。這些方法使得研究者們不通過改變產生某一蛋白質的基因密碼就可以研究它們的功能，為開創化學蛋白質組學，化學基因組學(與生物學家以改變基因密碼來研究的方法不同)奠定基礎。(3)搞清楚光合作用、生物固氮作用，以及牛、羊等食草動物胃內酶分子如何把植物纖維分解為小分子的反應機理，為充分利用自然界豐富的植物纖維資源打下基礎。(4)人類的大腦是用「泛分子」組裝成的最精巧的計算機。如何徹底了解大腦的結構和功能將是21世紀的腦科學、生物學、化學、物理學、信息和認知科學等交叉學科共同來解決的難題。(5)了解活體內信息分子的運動規律和生理調控的化學機理。(6)了解從化學進化到手性和生命起源的飛躍過程。(7)如何實現從生物分子(biomolecules)到分子生命(molecular life)的飛躍？如何製造活的分子(Make life)，跨越從化學進化到生物進化的鴻溝。(8)研究複雜、開放、非平衡的生命系統的熱力學，耗散和混沌狀態，分形現象等非線形科學問?狻?br&>
如何揭示納米尺度的基本規律
納米分子和材料的結構與性能關係的基本規律是21世紀的化學和物理需要解決的重大難題之一。
現在中美日等國都把納米科學技術定為優先發展的國家目標。錢學森先生說，繼信息科學之後，納米科學技術可能引起新一輪的產業革命。在複雜性科學和物質多樣性研究中，尺度效應至關重要。尺度的不同，常常引起主要相互作用力的不同，導致物質性能及其運動規律和原理的質的區別。
納米尺度體系的熱力學性質，包括相變和「集體現象」如鐵磁性，鐵電性，超導性和熔點等與粒子尺度有重要的關係。當尺度在十分之幾到10納米的量級，正處於量子尺度和經典尺度的模糊邊界中，此時熱運動的漲落和布朗運動將起重要的作用。例如金的熔點為1063℃，納米金(5-10nm)的融化溫度卻降至330℃。銀的熔點為960.3℃，而納米銀(5-10nm)為100℃。
四大難題破解後的美好前景
經過50-100年的努力，如果解決了我這裡提出的化學四大難題，不難設想我們美好的遠景：
(1)在解決第一和第三難題，充分了解光合作用、固氮作用機理和催化理論的基礎上，我們可以期望實現農業的工業化，在工廠中生產糧食和蛋白質，大大縮減寶貴的耕地面積，使地球能養活人口的數目成倍增加。
(2)在解決第二和第四難題的基礎上，我們可以期望得到比現在性能最好的合金鋼材強度大十倍，但重量輕幾倍的合成材料，使城市建築和橋樑建設的面貌完全更新。
(3)在充分了解結構與性能關係的基礎上，我們能合成出高效、穩定、廉價的太陽能光電轉化材料，組裝成器件。太陽投射到地球上的能量，是當前全世界能耗的一萬倍。如果光電轉化效率為10%，我們只要利用0.1%的太陽能，就能滿足當前全世界能源的需要。
(4)未來的化工企業將是綠色的，零排放的，原子經濟的，物質在內部循環的企業。
(5)在合成了廉價的可再生的儲氫材料和能轉換材料的基礎上，街上行走的汽車將全部是零排放的電動汽車。我們穿的將是空調衣服。
(6)海水淡化將成為重要工業，從而解決人類生存最嚴重的挑戰----淡水資源緊缺問題。
在大尺度體系中的分子模擬和第一性計算。
甲烷中碳氫鍵的活化。
高效的催化水的光解的催化劑。
壽命長價格低的汽車尾氣處理催化劑。
分子的自組裝。
化學理論僅僅是支持一個實驗現象，而無法像物理學一樣從一個本質的角度來解釋預測或者猜測
忘了謝你的邀請 @何劍輝
化學這門學科和其他自然科學有很大的差別。那就是這門學科一些基礎理論恰好介於了微觀和宏觀之間。
這一點並不難解釋，就比如說價鍵理論吧，我一直覺得是坑。某種意義上，價鍵理論就是一個自圓其說的理論吧，不過也起到簡化研究的作用。
總之我覺得化學，特別是一些結構化學，一些理論並非客觀得來，而是自編出來的解決問題的工具。但是說實話，有些理論定性太多，以至於出現一些難以解釋的問題，只能牽強的解釋。
第一次發帖，勿噴。
沒有一個骨架理論支撐，每次覺得總結到了一個規律之後總會冒出一堆的東西來告訴你：我是例外我是例外，你來咬我呀！！o(╯□╰)o
化學理論的複雜與不完備是的的確確的，很多理論處在拆了東牆補西牆的尷尬境地，部分同意化學目前是一門由歸納總結的經驗來創造物質、材料需求的一門實驗科學。當然，也有人意識到這一點並且試圖改進。
最近有一篇nature的工作報道了AI有可能在化學科研方面起到一定替代作用。
「哈弗福德學院化學家Alexander J. Norquist、Sorelle A. Friedler和Joshua Schrier領導的研究小組的成果，可能會讓化學家們開始擔心來自AI的競爭。Norquist等人以《Nature》封面文章的形式報道了一種強大的機器學習演算法（machine-learning algorithm），通過使用失敗實驗的數據（當然也包括成功實驗的數據）進行訓練，在預測晶體製備策略的比賽中成功率高達89%，打敗了經驗豐富的人類化學家。」（Machine-learning-assisted materials discovery using failed experiments. Nature, DOI: 10.1038/nature17439）
課題組人員還專門設定了一個網站來鼓勵大家提供自己的實驗數據：
（Dark Reactions Project）
本人是搞化工的，算是大規模應用化學。從應用的角度提一個未解決的理論化學問題：
怎樣找到具有給定性質的（新）物質？
比如說有一個特定的反應，怎樣給它尋找催化劑？做燃料電池的電極，需要一種能讓氧離子/氫離子迅速通過固體材料，這個材料是什麼？做液晶顯示屏需要透明、導電的材料，有什麼物質滿足這種要求？需要在液氮溫度/室溫下具有超導性質的材料，怎麼製備？
這是一種與現有化學/材料科學工作方式相反的思路， 更類似於軟體工程裡面「需求--&>產品」的流程。以地球人現有的科技水平，可以合成一個物質，然後測量它的各種性質，然後說它可以被用於XXXX用途。學術一點的，找幾個不同的模型去計算，挑一個跟實驗值比較接近的就可以發文章了。應用一點的，可以根據一些「中醫理論」（用余曠的話來說）摻一點雜質、改一下成分，能夠提高性能，說不定就能產業化發大財了。
不過從搞應用的角度來說，這根本就是個被動的局面：如果自己的需求碰巧有人滿足過，那就能做；如果需求比較高或者比較特殊，沒有人實現過，那就基本沒辦法了。如果按照自己的需求去開發一種物質，基本上靠蒙。
本人對這個問題的解決並不抱什麼希望，畢竟理論化學的發展程度離指導一個新物質的構造還太遠。含淚回憶一下我的本科畢業設計：納米二氧化硅在蟬蛹蛋白纖維鹼性漂白法里的作用。
為什麼會出現這個題目呢，因為蟬蛹蛋白纖維是個熱點，納米是個熱點，學校正好搞到一批高純度納米二氧化硅。然後導師一拍頭：神奇萬能的納米啊，我們把這倆組合在一起看看會發生什麼吧！
在寫論文查資料時我就發現，這神奇的納米還真是哪哪都有它啊，什麼納米二氧化硅在化纖染色里的作用，在xx高分子合成中的作用，在xx藥物合成種的作用，在xx食品中的作用，在xx發酵中的作用……
這些論文基本都沒有一個可靠的最終結論，唯一共同點就是總結：納米xx能改善xxx（不敢寫有效改善），還有很多值得我們深入挖掘與研究的地方。
當然，我的實驗最後也一樣，沒有屁點發現。微乎其微的差異我認為是納米二氧化硅的稀釋作用，撒一把沙子進去說不定也有同樣結果。但論文不能這麼些，還是得按照前輩們的通用總結來。
答辯的時候，PPT全部講完了，答辯老師問：為什麼要做鹼性漂白呢，蛋白質纖維用酸性不是更安全么？我說：因為一會兒進來下一個學生就是做酸性的，我們的題都是同一個導師給的。
也就是說，酸性漂白做一遍，鹼性漂白做一遍，也許還有中性漂白，酸性染色，鹼性染色，中性染色……把能想到的都試一遍唄。
自從我說出那個答案後，我發現內心忽然無比明朗。終於理解了什麼叫Chem is try。 從此我徹底放棄了化學這條路……
我覺得還是討論一下解決了什麼問題比較容易……
其實也不容易，你會很快發現，好像也沒啥完全解決了的……
化學的英文chemistry就說的很明白了。
chem is try
化學嘛，就是試！
理論上覺得這個東西可能會有這個效果，做出來試試唄，還真有，成了！
可是它就是沒有，那能怎麼辦，這才是常態，再做唄。
這個東西有這個效果，看看裡面有什麼成份，哪個是起主要作用的，就開始一個一個分離一個一個分析著試驗唄，，我們做點單體看看成不成。做出來一看成了，問題又來了，那為什麼這種單體會有這個效果呢，咦，就發（xia)現(bian)了一個新的理論。
謝邀。
在我所知的領域中，中間相瀝青中間相的形成機理應該算是一個未解決的問題。
中間相瀝青與瀝青基纖維的可紡性之間的關係也算一個。
但是問題有二：1.這些問題並不是化學界所有人都關心。2.即便是研究這個方向的人，在不明白切實的機理時，仍然可以繼續研究。畢竟化學是個以實驗為本的學科。
所以：至少在我所知的方向，有未解決的問題，但沒有太多「重大的」未解決的問題。
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