大學(xué)化學(xué)緒論

1、Development of ChemistryChapter 1化學(xué)的發(fā)展第1章1 (3)了解現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展及趨勢(shì)。 (1)了解化學(xué)的發(fā)展史。 (2)了解化學(xué)分支學(xué)科的形成與發(fā)展。 本章教學(xué)要求2本 章 內(nèi) 容1.1 從經(jīng)驗(yàn)到科學(xué) （從古代19世紀(jì)） 1.2 分支學(xué)科的形成與發(fā)展 （19世紀(jì)至今） 1.3 現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展 （20世紀(jì)后半葉至今） 31.1 從經(jīng)驗(yàn)到科學(xué)1.1.1 古代的化學(xué)實(shí)踐 時(shí)間： 上古時(shí)期（公元前三、四千年） 18世紀(jì)； 歷經(jīng)五、六千年。 活動(dòng)：制陶、金屬冶煉、釀造、制藥等。 特點(diǎn)： （1）積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。 （2）沒有理論指導(dǎo)，具有自發(fā)性、盲目性。42 金屬冶

2、煉 中國(guó)、埃及、西南亞等國(guó):公元三千多年前煉銅（銅器時(shí)代）；公元前一千年前煉鐵（鐵器時(shí)代）；金、銀、錫、汞等金屬冶煉。 意義：認(rèn)識(shí)了銅、鐵、金、銀等其他金屬的性質(zhì)及其冶煉技術(shù) 。53 釀造、染色和油漆 中國(guó)釀酒、釀醋；古埃及和古羅馬的麥酒、葡萄酒 (涉及發(fā)酵技術(shù)、酶催化反應(yīng)） 中國(guó)古代染絲技術(shù) ；古代埃及為亞麻布染色（涉及染料著色技術(shù)） 中國(guó)古代漆器技術(shù)(利用天然物質(zhì)制做防腐涂層的技術(shù)） 64 造紙、火藥 中國(guó)： 公元2世紀(jì)，蔡倫改進(jìn)、發(fā)展了造紙技術(shù)并組織規(guī)模生產(chǎn)中國(guó)： 唐末宋初，制造黑火藥（其主要成分是硝酸鉀、硫磺和木炭的混合物。 ）75 煉丹術(shù)和煉金術(shù) 中國(guó)：始于秦漢直到唐宋，煉丹術(shù)（將汞

3、、鉛、硫等物在煉丹爐中燒制成含汞或鉛的化合物，即所謂的仙丹）。 阿拉伯國(guó)家及歐洲國(guó)家 ：中國(guó)煉丹術(shù)傳到阿拉伯演變成煉金術(shù)后傳到歐洲（試圖將普通金屬冶煉成黃金） 結(jié)果：導(dǎo)致迷信、反科學(xué)行為，以失敗告終。 意義：豐富了人類對(duì)金屬、對(duì)礦物乃至對(duì)整個(gè)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí) 。86 醫(yī)藥化學(xué) 中國(guó)：明代李時(shí)珍本草綱目； 歐洲：15、16世紀(jì)“醫(yī)藥化學(xué)”。 意義： 制藥方法涉及眾多無極、有機(jī)反應(yīng),豐富了無機(jī)物和有機(jī)物的化學(xué)知識(shí)。91.1.2 近代化學(xué)的建立與發(fā)展元素概念的提出 中國(guó)古代 “五行說”：金、木、火、水、土五種基本元素。 古希臘亞里士多德 （Aristotle)四元素說 ：“水、土、火、氣”四種元素；且

4、認(rèn)為元素可以互變（影響歐洲多年）。 英國(guó)波義耳 (Boyle)的元素概念（1661年）：“我所指的元素，就是某種不由任何其他物體構(gòu)成的原始的和簡(jiǎn)單的物質(zhì)，或是完全沒有混雜的物質(zhì)，它們是一些基本成分，一切被稱為真正的混合物都是由這些成分直接混合而成，并且最后仍分解為這些成分?！保ㄏ喈?dāng)于現(xiàn)在說的單質(zhì)，使人們的思想從束縛中解脫出來。）。 10科學(xué)燃燒學(xué)說的確立古代觀點(diǎn)：火是一種元素。17世紀(jì)：德國(guó)化學(xué)家貝歇爾（Becher)和施塔爾(Stahl)提出了所謂“燃素說”:火是由元素細(xì)小而活潑的微粒構(gòu)成的物質(zhì)實(shí)體。18世紀(jì)：法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫 (Lavoisier) “燃燒概論” :總結(jié)自己和前人的化學(xué)實(shí)驗(yàn)

5、結(jié)果，說明“燃燒”是因?yàn)橛醒鯕獯嬖?，從而建立了科學(xué)的氧學(xué)說。 氧學(xué)說的意義對(duì)燃燒現(xiàn)象給出的科學(xué)的解釋否定了燃素說，使人們徹底擺脫了煉金術(shù)中關(guān)于“靈氣”、“精靈”之類迷信思想的束縛，使化學(xué)研究真正建立在科學(xué)的基礎(chǔ)上。（多數(shù)化學(xué)史學(xué)家認(rèn)為拉瓦錫是近代化學(xué)科學(xué)的奠基人）。 11原子-分子理論的建立1803年英國(guó)的道爾頓(Dalton)提出：元素的最終組成稱為簡(jiǎn)單原子，原子是不可見的，不可再分割的。他們?cè)诨瘜W(xué)變化中保持其本性不變。同一元素的原子其形狀、質(zhì)量及性質(zhì)都相同，不同原子的形狀、質(zhì)量及性質(zhì)各不相同，每一種原子的原子質(zhì)量是它最基本的特征；形成化合物時(shí)，不同元素的原子以簡(jiǎn)單的比例數(shù)結(jié)合。(很快被化學(xué)

6、家接受。）產(chǎn)生的問題：道爾頓和蓋呂薩（Gay-Lussac)的爭(zhēng)論、人們測(cè)定原子量得不到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)等。12 意大利阿佛加德羅（Avogadro) 提出分子的概念,并把分子與原子概念區(qū)別開來:指出在游離狀態(tài)下單質(zhì)或化合物能獨(dú)立存在的質(zhì)點(diǎn)是分子而非原子，而原子是參加化學(xué)反應(yīng)的最小質(zhì)點(diǎn)。 后經(jīng)意大利化學(xué)家坎尼扎羅（Cannizzaro)充實(shí)和完善確立了分子-原子理論。 131.2 分支學(xué)科的形成與發(fā)展 化 學(xué)無機(jī)化學(xué)有機(jī)化學(xué)分析化學(xué)物理化學(xué)14化學(xué)與其它學(xué)科交叉滲透 化學(xué)在人類由古代穴居人的野蠻生活進(jìn)化到現(xiàn)在這樣一個(gè)文明世界的變化過程中, 起到了中心的作用, 使我們不僅可以和自然處于和諧之中, 而且

7、可以使我們和自己的愿望相吻合。151.2.1 無機(jī)化學(xué)1 新元素不斷被發(fā)現(xiàn)通過分析和處理礦石發(fā)現(xiàn)新元素： 例如鉑系元素的鈀、銠、鋨、銥和釕等（18031840）通過電解金屬鹽類發(fā)現(xiàn)新元素： 例如鉀、鈉、鈣、鍶、鋇、和鎂等（1807 1825） 用分光鏡觀察研究火焰顏色發(fā)現(xiàn)新元素： 例如銫、銣、鉈、銦等（18601863）（積累了大量有關(guān)無機(jī)物的性質(zhì)、制備等知識(shí)）16元素周期律的發(fā)現(xiàn) 大量元素、無機(jī)化合物及其性質(zhì)的積累為發(fā)現(xiàn)元素周期律打下了基礎(chǔ)（到1869年已經(jīng)發(fā)現(xiàn)69種元素及大量的無機(jī)化合物）。 相似元素組的發(fā)現(xiàn)：例如（1）鋰、鈉、鉀；（2）鈣、鍶、鋇；（3）氯、溴、碘；（4）硫、硒、碲等。（

8、1829年，德國(guó)的德貝萊納Dbereiner) 人們發(fā)現(xiàn)原子量是元素的重要特征：相似的元素組不應(yīng)限于三個(gè)元素；在相似元素組中，各元素的原子量之差往往是8或8的倍數(shù)(1850年，德國(guó)的培頓科弗Pettenkofer)。17元素周期律的誕生： 1862年，法國(guó)人尚古多（B.de Chancourtiois)提出“螺旋圖” ； 1868年，德國(guó)的邁爾（Meyer)發(fā)表“原子體積周期性圖解”； 1869年，俄國(guó)的門捷列夫（Mendeleev)發(fā)表“元素周期律表 ”。 (共同點(diǎn)：發(fā)現(xiàn)元素性質(zhì)隨著原子量大小呈周期性變化。）183 無機(jī)化學(xué)的發(fā)展 周期律建立之后，人們有目的地去發(fā)現(xiàn)新元素及其化合物，無機(jī)化學(xué)

9、得以快速發(fā)展。 發(fā)現(xiàn)更多的元素和無機(jī)物；認(rèn)識(shí)更多的無機(jī)物反應(yīng)規(guī)律；揭示無機(jī)物的結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系；研究和開發(fā)無機(jī)物在生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用價(jià)值。191.2.2 有機(jī)化學(xué) 從有機(jī)化合物的提取和提純到有機(jī)物的人工合成 1824年之前：從天然的植物或動(dòng)物中提取、分離和提純有機(jī)物：例如酒精、乳酸等； 1824年：德國(guó)的維勒(Whler)，首次從無機(jī)物人工合成出了有機(jī)物尿素，打破了無機(jī)化合物和有機(jī)化合物的絕對(duì)界限。 1824年之后：有機(jī)合成迅速發(fā)展； 1965年，我國(guó)科學(xué)家在世界上首次人工合成了蛋白質(zhì)胰島素。 202 從有機(jī)元素分析到有機(jī)結(jié)構(gòu)理論從1781年拉瓦錫（Lavoisier)開始，經(jīng)蓋-

10、呂薩克(Gay-Lussac)、泰納(Thnard)、貝采里烏斯(Berzelius)、李比希(Liebig)等人的努力，建立和完善了有機(jī)分析方法。 1832年，維勒(Whler)和李比希提出基、取代基的概念。1834年杜馬（Dumas)提出取代學(xué)說。1843年日拉爾 （Gerhard）提出“同系物”概念；1858年凱庫(kù)勒 （Kekul)和庫(kù)帕（Couper)提出有機(jī)物的立體結(jié)構(gòu)：碳四價(jià)、碳鏈、四面體構(gòu)型 ；1865年凱庫(kù)勒 （Kekul)提出苯的環(huán)狀結(jié)構(gòu)模型。213 石油有機(jī)化學(xué)的發(fā)展北宋時(shí)期，沈括創(chuàng)造了用石油碳黑代替松木碳黑制造墨的工藝 ；19世紀(jì)下半葉從石油中提煉煤油、汽油、柴油作為能源

11、用；20世紀(jì)石油化工：裂解、聚合、重整、異構(gòu)化、取代等，制備化工原料、化工產(chǎn)品；20世紀(jì)末至今：綠色石油化工。224 高分子化學(xué)天然橡膠的利用和改性（1872年以前）；第一個(gè)人工合成高分子化合物-酚醛樹脂 ： 1872年在實(shí)驗(yàn)室中合成，1910年建廠正式生產(chǎn) ；此后，其他的高分子化合物先后被合成。高分子化合物結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí) ：20世紀(jì)初測(cè)得天然橡膠的結(jié)構(gòu)應(yīng)為CH2 C = CH CH2，至于它通過何種方式 CH3 形成了橡膠分子，有人曾提出由二聚環(huán)或5-7聚環(huán)締合而成，直到1924年畢克斯明確提出天然橡膠是高分子量的大分子，高分子化合物的概念才被人們接受。高分子材料應(yīng)用：高分子材料已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)

12、中不可缺少的材料。包括合成塑料、合成橡膠、合成纖維等。 231.2.3 分析化學(xué) 早期的化學(xué)分析 古代，冶金過程中的礦物分析 ：外觀、焰色、晶體形狀； 1685年，英國(guó)波義爾(Boyle)的礦泉的博物學(xué)考察：利用植物汁液與金屬反應(yīng)、沉淀反應(yīng)等作定性分析； 利用溶液中的反應(yīng)檢驗(yàn)物質(zhì)：例如以硫酸檢驗(yàn)鈣，以硝酸銀檢驗(yàn)巖鹽和礦泉水中的硫等； 吹管試驗(yàn)：將要化驗(yàn)的金屬礦樣放在一塊木炭的小孔中，然后用吹管將火焰吹到它上面，使一些金屬氧化物熔化并被還原，根據(jù)這些金屬的重量估算礦物中的金屬含量 。24定性系統(tǒng)分析方法的產(chǎn)生 1821年，德國(guó)漢立希(Heinrich)提出初步試驗(yàn)，分組檢驗(yàn)的概念 ；1829年德

13、國(guó)羅塞(Rose) 提出了一個(gè)系統(tǒng)分析圖表。利用鹽酸、硫化氫、碳酸銨、磷酸鈉等作為沉淀劑，區(qū)分各組離子是否存在；1841年，德國(guó)伏累森紐斯（Fresenius)提出了更為清晰的系統(tǒng)分析方案。他把常見金屬劃分為六個(gè)組并說明了各組離子性質(zhì)的不同。例如，第一組鉀、鈉和銨的硫化物和碳酸鹽都可溶于水，氧化物的水溶液使石蕊變藍(lán)；第二組鋇、鍶、鈣和鎂的氧化物較難溶，其硫化物則易溶于水，其碳酸鹽、磷酸鹽難溶等。從此，系統(tǒng)的定性分析方法基本成型。 25定量分析法的確定與發(fā)展 重量分析法：到18世紀(jì)中葉，已被用于金屬、礦物和巖石的分析上。瑞典的貝格曼（Bergmaen)、貝采里烏斯(Berzelius)、德國(guó)的伏

14、累森紐斯(Fresenius)對(duì)定量分析的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。在方法上：懂得了換算金屬重量的方法；在技術(shù)上：制造出了高靈敏度的天平以及其他的重量分析儀器。容量分析法：在18、19世紀(jì)，紡織、肥皂、制堿、玻璃、食品等行業(yè)的發(fā)展需要快速檢驗(yàn)化學(xué)品，法國(guó)的蓋呂薩克（Gay-Lussac)等對(duì)容量法的產(chǎn)生和發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。容量法主要是指各種滴定法，包括酸堿滴定、沉淀滴定、氧化還原滴定、絡(luò)合滴定等。26儀器分析的發(fā)展 發(fā)射光譜：18世紀(jì)下半葉19世紀(jì)上半葉，先后發(fā)現(xiàn)（或發(fā)明了）焰色反應(yīng)（德國(guó)馬格拉夫Marggraf ）-火焰光譜儀（英國(guó)塔爾波Talbot ）-分光鏡制成的光譜分析儀（基爾霍夫Kir

15、chhoff和本生Bunsen）等。吸收光度法：19世紀(jì)3040年代，人們發(fā)現(xiàn)一些顯色劑可使金屬離子顯色。法國(guó)人布古厄（Bougouer1729年）和德國(guó)的比爾 （Beer1852年）的研究工作發(fā)現(xiàn)了吸收定律。27原子吸收分光光度法 ：1953年澳大利亞沃爾什(Walsh)提出了利用原子吸收光譜的分光光度分析法并制作了第一臺(tái)簡(jiǎn)易的原子吸收分子光光度計(jì)。色譜法 ：1861年申拜恩(Schnbein)和高貝爾斯萊德(Goppelsrder)發(fā)現(xiàn)，無機(jī)鹽溶液、有機(jī)染料等在濾紙上的“爬行”速度是不同的。據(jù)此人們逐漸開發(fā)了氣相色譜、液相色譜等。電化學(xué)分析法：pH計(jì)、離子選擇電極、極譜分析儀等。281.2

16、.4 物理化學(xué) 熱化學(xué)與熱力學(xué) 1780年拉瓦錫（Lavoisier)和拉普拉斯(Laplace)用冰量熱計(jì)測(cè)量熱；1836年蓋斯(Hess)發(fā)現(xiàn)“蓋斯定律”；1842年邁厄爾(Mayer)、焦耳(Joule)和格羅夫(Grove)發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)第一定律；19世紀(jì)20年代19世紀(jì)末，卡諾(Carnot)、開爾文(Kelvin)、克勞修斯(Clausius)等人發(fā)現(xiàn)并闡明了熱力學(xué)第二定律；19世紀(jì)70年代，吉布斯(Gibbs)提出“熱力學(xué)勢(shì)”概念，成功地解釋了化學(xué)反應(yīng)的方向問題。對(duì)相平衡進(jìn)行研究并提出了相律。 29化學(xué)動(dòng)力學(xué) 1800-1802年貝托雷（Berthollet)發(fā)現(xiàn)反應(yīng)速率與“化學(xué)質(zhì)量

17、”有關(guān) ；1850年，威廉米(Wilhemy)發(fā)現(xiàn)水溶液中酸催化蔗糖轉(zhuǎn)化的反應(yīng)速率：-dM/dt=kM1864到1879年古德貝格（Guldberg)和瓦格(Waage)發(fā)現(xiàn)對(duì)于加成反應(yīng)：A + B + C 反應(yīng)速率 = k p q r （反應(yīng)速率與濃度的關(guān)系）；301889年，阿累尼烏斯 (Arrhenius)提出“活化分子”、 “活化能”概念，結(jié)合范霍夫(vant Hoff)的公式，得出了阿累尼烏斯公式（反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系）；1895年諾伊斯（Noyes)提出“反應(yīng)級(jí)數(shù)”的概念； 1913年，博登斯(Bodenstein)提出鏈反應(yīng)的概念，1916年能斯特(Nernst)提出了公認(rèn)的鏈反

18、應(yīng)機(jī)理 。 31電化學(xué) 1799年，伏特(Volta)發(fā)明電池（原電池）；1834年，法拉第(Faraday)發(fā)現(xiàn)電解定律；1889年，能斯特(Nernst)導(dǎo)出能斯特方程；1887年阿累尼烏斯(Arrhenius)提出弱電解質(zhì)的電離理論；1923年德拜(Debye)和休克爾(Hkel)提出強(qiáng)電解質(zhì)靜電作用理論。321.2.5 結(jié)構(gòu)化學(xué) 原子結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu) 1897年湯姆生(Thomson)等人發(fā)現(xiàn)了電子, 1913年莫斯萊(Mosley)提出了原子序數(shù)的概念,同年玻爾(Bohr)提出了原子的電子層結(jié)構(gòu)(類似于天體運(yùn)動(dòng)模型）。20世紀(jì)初，氫原子光譜實(shí)驗(yàn)、電子衍射實(shí)驗(yàn)等導(dǎo)致“能級(jí)”、“波粒二象性

19、”、“幾率波”等全新概念的產(chǎn)生。1926年薛定諤(Schrdinger)提出的波動(dòng)方程（稱薛定諤方程）比較好地描述了微觀粒子運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，（新的原子軌道概念）。331916年，柯塞爾(Kossel)結(jié)示了離子型化合物的穩(wěn)定性（離子鍵）；同年，路易斯（Lewis）提出共價(jià)鍵的電子理論（共用電子對(duì)）。都是達(dá)到惰性氣體原子的電子層結(jié)構(gòu)。 1927年海特勒（Heitler)和倫敦(Londen)解氫分子的薛定諤方程，對(duì)原子“共用”電子對(duì)的含義有了新的認(rèn)識(shí)。1931年鮑林(Pauling)和斯萊特(Slater）提出雜化軌道理論，使價(jià)鍵理論進(jìn)一步發(fā)展。20世紀(jì)以后，以量子力學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展起來了分子軌道理論。

20、34晶體結(jié)構(gòu)早期人類對(duì)晶體的外形特征的認(rèn)識(shí)：晶體的理想外形是對(duì)稱的多面體。1869年伽多林用數(shù)學(xué)方法，推導(dǎo)出晶體外形有32種對(duì)稱類型。把晶體劃分為三個(gè)晶族、七個(gè)晶系 。 1895年德國(guó)人倫琴（Rntgen)發(fā)現(xiàn)了x射線。1912年夫里德里希(Friedrich)和克尼平(Knipping)得到了世界上第一張x射線衍射圖。他們以及勞厄（Laue)的衍射實(shí)驗(yàn)證實(shí)x射線是一種電磁波，而且還證明了晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu) 。1912年英國(guó)的布拉格（Bragg)、俄國(guó)的伏爾夫推導(dǎo)出了x射線衍射方程。x衍射實(shí)驗(yàn)成為人們認(rèn)識(shí)晶體結(jié)構(gòu)最重要的工具。 35配合物結(jié)構(gòu)18世紀(jì)人們就發(fā)現(xiàn)了一些“化合物”的特殊穩(wěn)定性；1893

21、年瑞士的維爾納（Werner)提出配位理論。把配合物分為“內(nèi)界”和“外界”，內(nèi)界由“中心原子（或離子）”與周圍緊密結(jié)合的“配位體”組成并提出了內(nèi)界的幾何構(gòu)型（四面體、八面體等）。20世紀(jì)20年代英國(guó)的西奇維克(Sidgwick)引入了配鍵的概念，他認(rèn)為配位體（L）至少有一對(duì)孤對(duì)電子，而中心離子或原子（M）含有空的價(jià)電子軌道，M與L的結(jié)合方式就是配位體提供弧對(duì)電子與中心離子共享而形成配位鍵LM。30年代鮑林(Pauling)提出了較為完整的價(jià)鍵理論。36 1929年，貝特(Bethe）和范弗雷克（van Vlack)提出了晶體場(chǎng)理論，把中心離子與配位體的相互作用，看作像離子晶體中的正、負(fù)離子間的

22、作用一樣。 1952年歐格耳(Orgel)把靜電場(chǎng)理論和分子軌道理論結(jié)合起來，提出配位場(chǎng)理論。 371.3 現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展從20世紀(jì)后半葉至今化學(xué)發(fā)展的一個(gè)顯著特點(diǎn):與其他學(xué)科交叉滲透、相互促進(jìn)，產(chǎn)生了許多交叉邊緣學(xué)科。例如金屬有機(jī)化學(xué)、物理無機(jī)化學(xué)、生物無機(jī)化學(xué)、材料化學(xué)、環(huán)境化學(xué)等等 。信息技術(shù)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)等新興學(xué)科的發(fā)展離不開化學(xué)的支撐和指導(dǎo)。381.3.1 計(jì)算化學(xué)與分子設(shè)計(jì) 計(jì)算化學(xué)：利用量子力學(xué)原理計(jì)算機(jī)技術(shù)計(jì)算分子的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)過程。分子設(shè)計(jì)：根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，在分子水平上設(shè)計(jì)、組建目標(biāo)產(chǎn)物。已經(jīng)在藥物設(shè)計(jì)、復(fù)雜功能材料合成等方面得到應(yīng)用。 391.3.2 現(xiàn)代測(cè)試手段 物理和化學(xué)相互滲透，誕生了一些先進(jìn)的測(cè)試儀器，成為人們認(rèn)識(shí)微觀世界的有力工具 。質(zhì)譜儀核磁共振儀x射線衍射儀紅外、紫外或可見譜儀激光示蹤分析 401.3.3 化學(xué)與材料科學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)滲透開發(fā)出新型材料： 電子功能材料人工合成高分子材料光導(dǎo)纖維耐高溫高強(qiáng)材料納米材料 411.3.4 化學(xué)與環(huán)境科學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)滲