化學原理 Chemical Principles （1）,緒 論,一、什么是化學？,化學是一門在原子、分子層次上研究物質 的組成、結構、性質及其變化規(guī)律的科學。,化學是以研究物質的化學變化為主的科學。,Chemistry is the study of the properties of materials and the changes that materials undergo.,21世紀的化學是研究泛分子。詳言之，化 學是研究原子、分子片、結構單元、分子、高 分子、原子分子團簇、原子分子的激發(fā)態(tài)、過 渡態(tài)、吸附態(tài)、超分子、生物大分子、分子和 原子的各種不同維數(shù)、不同尺度和不同復雜程 度的聚集態(tài)和組裝態(tài)，直到分子材料、分子器 件和分子機器的合成和反應，制備、剪裁和組 裝，分離和分析，結構和構象，粒度和形貌， 物理和化學性能，生理和生物活性及其輸運和 調(diào)控的作用機制，以及上述各方面的規(guī)律，相 互關系和應用的自然科學。 - 徐光憲-,化學的發(fā)展歷史悠久、源遠流長,第一時期：古代及中古時期（17世紀中葉以前） 以實用為目的，化學知識來源于具體工藝 過程的實踐,火的發(fā)現(xiàn) 陶器的制作 金屬的冶煉 染色、釀造 造紙、火藥等,五行學說(金、木、水、火、土） 四元素說（火、水、土、空氣） 三要素說（硫、汞、鹽）,第二時期：17世紀中葉-20世紀初 化學實現(xiàn)了從經(jīng)驗到理論的重大飛躍，真 正被確立為一門獨立的學科，并出現(xiàn)了許多分 支學科,懷疑派化學家（1661）,“ 元素是由某些不由任何其它物質所構成 的原始的和簡單的物質或完全純凈的物質，他 們是用一般方法不能再分的更簡單的物質?！?“化學的對象和任務就是要尋找和認識物 質的組成和性質?！?化學家之父- 波意耳 （Boyle 英國化學家和物理學家，1627-1691）,“空談毫無用處，一切來自實驗”,構成自然界的基本材料是一種由原初的 普遍物質構成的細小致密、不可分割的粒子。 這種粒子結合成粒子團，粒子團再聚合成物 體。,近代化學之父 拉瓦錫 ( A.L.Lavoisier 法國化學家， 17431794）,1、物質燃燒時都放出光和熱 2、物質只有在氧存在時才能燃燒 3、空氣由兩種成分構成。物質在空氣中燃燒時吸收了其中的 氧，其增加的重量正好等于所吸收的氧的重量 4、非金屬燃燒后通常變?yōu)樗?；金屬煅燒后生成的鍛灰是金?氧化物,Stahl 的燃素說（1703） 火是由無數(shù)細小而活潑的微粒構 成的物質實體，即燃素。一切可燃物中 都含有燃素，任何與燃燒有關的化學變 化都是物體吸收或釋放燃素的過程,Lavoisier 的燃燒的氧學說（1777）,道爾頓 原子論（1827） 阿伏加德羅 分子假說（1811） 門捷列夫 元素周期律（1869）,元素是用任何方法都不能再分解的簡單物 質。,第三時期：20世紀 現(xiàn)代化學飛速發(fā)展，化學的理論、研究 方法、實驗技術以及應用等方面都有了深刻 的變化，并衍生出更多的分支和交叉學科。,二、20世紀的化學在推動人類進步和科技發(fā)展 中起了核心的作用,1、 化學為人類的進步提供了豐富物質基礎,化學包含兩類不同的工作：有些化學家在 研究自然界并試圖了解它；同時另一些化學家 則在創(chuàng)造自然界不存在的新物質和尋找化學變 化的新途徑,化學不但能夠大量制造各種自然界已有的 物質，而且能夠根據(jù)人類的需要創(chuàng)造出自然界 本不存在的物質,2、基礎研究取得重大突破，研究領域不斷擴展,放射性和鈾裂變的重大發(fā)現(xiàn)，打開了原子 物理學的大門。,化學鍵和和現(xiàn)代量子化學理論的建立，使 化學進入實驗和理論計算并重的新時代，使人 們對分子的理性設計和剪裁成為可能。,化學動力學與分子動態(tài)學的研究，使人們 能深入到原子、分子的結構和內(nèi)部運動，分子 間相互作用和碰撞過程來研究化學反應的速率 與機理,大量的新反應、新試劑、新方法、新理論 的發(fā)現(xiàn)，使合成化學家又創(chuàng)造了一個新的自然 界。,3、推動了相關學科的發(fā)展， 促進了學科的交 叉與滲透,(1) 牽動其他學科向分子層次發(fā)展,生物學從描述性的科學發(fā)展成為20世紀末 的前沿學科，在很大程度上是依靠化學所提供 的理論、概念、方法，甚至試劑和材料,生物小分子(糖、血紅素、葉綠素、維生 素)的化學結構的研究。 生物大分子（蛋白質、酶）的分離提純 技術及化學結構的研究 活性生物大分子的合成（維生素B12、胰 島素）,VB12,Woodward (1965年，Nobel獎）,(2) 化學帶動了材料科學的發(fā)展,三大合成高分子材料（人造纖維、人造橡膠、 塑料） 新型結構材料（各種合金、特種陶瓷、納米 材料） 信息功能材料（液晶材料、電致發(fā)光材料、 非線性光學材料、光電信息存儲材料、超導 材料） 生物工程材料,化學家不僅合成了各種材料的新分子， 更重要的是創(chuàng)立了研究物質結構和形態(tài)的 理論、方法和實驗手段，認識了物質的結 構與性能之間的關系和規(guī)律，為設計具有 各種特殊功能的化學品提供了有效的方法 和手段。,(3) 化學實驗方法學推動其它學科在分子 層次上觀察和測定物質的變化過程。,化學不斷研究和建立各種分析和檢測方法， 檢測物質的組成、形態(tài)、結構、理化性質的原 理、方法和技術，推動了各個學科的發(fā)展。,各種光譜、波譜、能譜技術 各種化學、生物傳感器、微流技術 電子掃描隧道顯微鏡,4、 推動了化學及其相關工業(yè)的發(fā)展,石油化工 合成材料工業(yè) 合成氨工業(yè) 醫(yī)藥工業(yè),能源工業(yè) 信息產(chǎn)業(yè) 生物技術產(chǎn)業(yè) 汽車工業(yè) 冶金工業(yè) 農(nóng)業(yè),化學是一門中心的、實用的、創(chuàng)造性的科學。,化學為總管物質在分子層次上變化之學科， 人類之衣、食、住、行無不仰給于化學所掌管 之成百化學元素及其所組成之萬千化合物和無 數(shù)制劑、材料?；瘜W具有實驗和理論并重之傳 統(tǒng)，強于試驗不言而喻，而其發(fā)展亦受惠于突 出理論之思維，。在自然科學中，化學和物 理儼然為共管物質及其運動之核心科學，遂有 自然科學之軸心之稱。 -唐有棋-,三. 未來化學的的作用和地位,1、 化學仍是解決食物短缺問題的主要學科之一,化學將從分子層次闡明和控制生物過程(如光合作用、動植物生長過程)的機理等方面，為研究開發(fā)高效安全肥料、飼料和肥料/飼料添加劑、農(nóng)藥、農(nóng)用材料（如生物可降解農(nóng)用薄膜）、環(huán)境友好的生物肥料、生物農(nóng)藥打下基礎。 利用化學或生物的方法增加動植物食品的防病有效成分，改進食品儲存加工方法，以減少不安全因素，保持有益成分等，都是化學研究的重要內(nèi)容。,2、化學在能源和資源的合理開發(fā)和高效安全 利用中起關鍵作用,要研究高效潔凈的燃料轉化技術和控制低品位燃料的化學反應，使之既能保護環(huán)境，又能降低能源的成本。,要開發(fā)新能源，滿足高效、潔凈、經(jīng)濟、安全的要求。（太陽能、化學電源、燃料電池、天然氣水合物）,礦產(chǎn)資源的再生利用。,3、化學繼續(xù)推動材料科學的發(fā)展,微電子材料和器件 超導材料 新型納米陶瓷 光纖通訊材料 聚合物結構材料 醫(yī)用材料,4、 化學是提高人類生存質量和生存安全的有 效保障,環(huán) 境 化 學,通過研究各種物質和能的生物效應的化學 基礎，找出最佳利用條件,研究開發(fā)對環(huán)境無害的化學品，研究對環(huán) 境無害的生產(chǎn)方式（綠色化學）,研究大環(huán)境和小環(huán)境中不利于健康的因素 的產(chǎn)生，并提出優(yōu)化環(huán)境的途徑,藥 物 化 學,基因藥物的研制,酶抑制劑的研究開發(fā),手性藥物的合成,中醫(yī)藥的現(xiàn)代化,常見病和多發(fā)病的研制(抗病毒藥、 老年癡呆癥、糖尿病等),5. 21世紀化學學科發(fā)展的總趨勢,(1) 微觀與宏觀結合,(2) 靜態(tài)與動態(tài)相結合,(3) 復雜 簡單 復雜,(4) 與其他學科的交叉、滲透,了解化學和應用化學的水平將 對社會生產(chǎn)力的發(fā)展和人民生活質 量的提高起著關鍵的作用，化學基 礎知識也將成為充實新世紀公民基 本素質的重要內(nèi)容之一。 走進化學,化學是最古老的科學之一,經(jīng)過下一代科學家的努力,它將仍是最新的科學之一. R.Breslow,四、化學的分支學科,化 學,無機化學( Inorganic Chemistry ) 有機化學( Organic Chemistry ) 分析化學 ( Analytic Chemistry) 物理化學 ( Physical Chemistry) 高分子化學 ( Polymer Chemistry ) 生物化學（biochemistry ) 放射化學與核化學( Nuclear Chemistry),化 學,材料化學 能源化學 環(huán)境化學 地質化學 天體化學,化學生物學 化學信息學 有機光電子學,化學的今天與明天 科學出版社 展望21世紀的化學 化學工業(yè)出版,