化學(xué)原理 Chemical Principles （1）,緒 論,一、什么是化學(xué)？,化學(xué)是一門在原子、分子層次上研究物質(zhì) 的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化規(guī)律的科學(xué)。,化學(xué)是以研究物質(zhì)的化學(xué)變化為主的科學(xué)。,Chemistry is the study of the properties of materials and the changes that materials undergo.,21世紀(jì)的化學(xué)是研究泛分子。詳言之，化 學(xué)是研究原子、分子片、結(jié)構(gòu)單元、分子、高 分子、原子分子團(tuán)簇、原子分子的激發(fā)態(tài)、過(guò) 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(fù)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(jī)器的合成和反應(yīng)，制備、剪裁和組 裝，分離和分析，結(jié)構(gòu)和構(gòu)象，粒度和形貌， 物理和化學(xué)性能，生理和生物活性及其輸運(yùn)和 調(diào)控的作用機(jī)制，以及上述各方面的規(guī)律，相 互關(guān)系和應(yīng)用的自然科學(xué)。 - 徐光憲-,化學(xué)的發(fā)展歷史悠久、源遠(yuǎn)流長(zhǎng),第一時(shí)期：古代及中古時(shí)期（17世紀(jì)中葉以前） 以實(shí)用為目的，化學(xué)知識(shí)來(lái)源于具體工藝 過(guò)程的實(shí)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(xué)說(shuō)(金、木、水、火、土） 四元素說(shuō)（火、水、土、空氣） 三要素說(shuō)（硫、汞、鹽）,第二時(shí)期：17世紀(jì)中葉-20世紀(jì)初 化學(xué)實(shí)現(xiàn)了從經(jīng)驗(yàn)到理論的重大飛躍，真 正被確立為一門獨(dú)立的學(xué)科，并出現(xiàn)了許多分 支學(xué)科,懷疑派化學(xué)家（1661）,“ 元素是由某些不由任何其它物質(zhì)所構(gòu)成 的原始的和簡(jiǎn)單的物質(zhì)或完全純凈的物質(zhì)，他 們是用一般方法不能再分的更簡(jiǎn)單的物質(zhì)?！?“化學(xué)的對(duì)象和任務(wù)就是要尋找和認(rèn)識(shí)物 質(zhì)的組成和性質(zhì)。”,化學(xué)家之父- 波意耳 （Boyle 英國(guó)化學(xué)家和物理學(xué)家，1627-1691）,“空談毫無(wú)用處，一切來(lái)自實(shí)驗(yàn)”,構(gòu)成自然界的基本材料是一種由原初的 普遍物質(zhì)構(gòu)成的細(xì)小致密、不可分割的粒子。 這種粒子結(jié)合成粒子團(tuán)，粒子團(tuán)再聚合成物 體。,近代化學(xué)之父 拉瓦錫 ( A.L.Lavoisier 法國(guó)化學(xué)家， 17431794）,1、物質(zhì)燃燒時(shí)都放出光和熱 2、物質(zhì)只有在氧存在時(shí)才能燃燒 3、空氣由兩種成分構(gòu)成。物質(zhì)在空氣中燃燒時(shí)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(shuō)（1703） 火是由無(wú)數(shù)細(xì)小而活潑的微粒構(gòu) 成的物質(zhì)實(shí)體，即燃素。一切可燃物中 都含有燃素，任何與燃燒有關(guān)的化學(xué)變 化都是物體吸收或釋放燃素的過(guò)程,Lavoisier 的燃燒的氧學(xué)說(shuō)（1777）,道爾頓 原子論（1827） 阿伏加德羅 分子假說(shuō)（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(jiǎn)單物 質(zhì)。,第三時(shí)期：20世紀(jì) 現(xiàn)代化學(xué)飛速發(fā)展，化學(xué)的理論、研究 方法、實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及應(yīng)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(xué)科。,二、20世紀(jì)的化學(xué)在推動(dòng)人類進(jìn)步和科技發(fā)展 中起了核心的作用,1、 化學(xué)為人類的進(jìn)步提供了豐富物質(zhì)基礎(chǔ),化學(xué)包含兩類不同的工作：有些化學(xué)家在 研究自然界并試圖了解它；同時(shí)另一些化學(xué)家 則在創(chuàng)造自然界不存在的新物質(zhì)和尋找化學(xué)變 化的新途徑,化學(xué)不但能夠大量制造各種自然界已有的 物質(zhì)，而且能夠根據(jù)人類的需要?jiǎng)?chuàng)造出自然界 本不存在的物質(zhì),2、基礎(chǔ)研究取得重大突破，研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)展,放射性和鈾裂變的重大發(fā)現(xiàn)，打開了原子 物理學(xué)的大門。,化學(xué)鍵和和現(xiàn)代量子化學(xué)理論的建立，使 化學(xué)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算并重的新時(shí)代，使人 們對(duì)分子的理性設(shè)計(jì)和剪裁成為可能。,化學(xué)動(dòng)力學(xué)與分子動(dòng)態(tài)學(xué)的研究，使人們 能深入到原子、分子的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，分子 間相互作用和碰撞過(guò)程來(lái)研究化學(xué)反應(yīng)的速率 與機(jī)理,大量的新反應(yīng)、新試劑、新方法、新理論 的發(fā)現(xiàn)，使合成化學(xué)家又創(chuàng)造了一個(gè)新的自然 界。,3、推動(dòng)了相關(guān)學(xué)科的發(fā)展， 促進(jìn)了學(xué)科的交 叉與滲透,(1) 牽動(dòng)其他學(xué)科向分子層次發(fā)展,生物學(xué)從描述性的科學(xué)發(fā)展成為20世紀(jì)末 的前沿學(xué)科，在很大程度上是依靠化學(xué)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(xué)結(jié)構(gòu)的研究。 生物大分子（蛋白質(zhì)、酶）的分離提純 技術(shù)及化學(xué)結(jié)構(gòu)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(jiǎng)）,(2) 化學(xué)帶動(dòng)了材料科學(xué)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(jié)構(gòu)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(xué)材料、光電信息存儲(chǔ)材料、超導(dǎo) 材料） 生物工程材料,化學(xué)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(zhì)結(jié)構(gòu)和形態(tài)的 理論、方法和實(shí)驗(yàn)手段，認(rèn)識(shí)了物質(zhì)的結(jié) 構(gòu)與性能之間的關(guān)系和規(guī)律，為設(shè)計(jì)具有 各種特殊功能的化學(xué)品提供了有效的方法 和手段。,(3) 化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法學(xué)推動(dòng)其它學(xué)科在分子 層次上觀察和測(cè)定物質(zhì)的變化過(guò)程。,化學(xué)不斷研究和建立各種分析和檢測(cè)方法， 檢測(cè)物質(zhì)的組成、形態(tài)、結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)的原 理、方法和技術(shù)，推動(dòng)了各個(gè)學(xué)科的發(fā)展。,各種光譜、波譜、能譜技術(shù) 各種化學(xué)、生物傳感器、微流技術(shù) 電子掃描隧道顯微鏡,4、 推動(dòng)了化學(xué)及其相關(guān)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(shù)產(chǎn)業(yè) 汽車工業(yè) 冶金工業(yè) 農(nóng)業(yè),化學(xué)是一門中心的、實(shí)用的、創(chuàng)造性的科學(xué)。,化學(xué)為總管物質(zhì)在分子層次上變化之學(xué)科， 人類之衣、食、住、行無(wú)不仰給于化學(xué)所掌管 之成百化學(xué)元素及其所組成之萬(wàn)千化合物和無(wú) 數(shù)制劑、材料?；瘜W(xué)具有實(shí)驗(yàn)和理論并重之傳 統(tǒng)，強(qiáng)于試驗(yàn)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(xué)中，化學(xué)和物 理儼然為共管物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)之核心科學(xué)，遂有 自然科學(xué)之軸心之稱。 -唐有棋-,三. 未來(lái)化學(xué)的的作用和地位,1、 化學(xué)仍是解決食物短缺問(wèn)題的主要學(xué)科之一,化學(xué)將從分子層次闡明和控制生物過(guò)程(如光合作用、動(dòng)植物生長(zhǎng)過(guò)程)的機(jī)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(chǔ)。 利用化學(xué)或生物的方法增加動(dòng)植物食品的防病有效成分，改進(jìn)食品儲(chǔ)存加工方法，以減少不安全因素，保持有益成分等，都是化學(xué)研究的重要內(nèi)容。,2、化學(xué)在能源和資源的合理開發(fā)和高效安全 利用中起關(guān)鍵作用,要研究高效潔凈的燃料轉(zhuǎn)化技術(shù)和控制低品位燃料的化學(xué)反應(yīng)，使之既能保護(hù)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(jì)、安全的要求。（太陽(yáng)能、化學(xué)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(xué)繼續(xù)推動(dòng)材料科學(xué)的發(fā)展,微電子材料和器件 超導(dǎo)材料 新型納米陶瓷 光纖通訊材料 聚合物結(jié)構(gòu)材料 醫(yī)用材料,4、 化學(xué)是提高人類生存質(zhì)量和生存安全的有 效保障,環(huán) 境 化 學(xué),通過(guò)研究各種物質(zhì)和能的生物效應(yīng)的化學(xué) 基礎(chǔ)，找出最佳利用條件,研究開發(fā)對(duì)環(huán)境無(wú)害的化學(xué)品，研究對(duì)環(huán) 境無(wú)害的生產(chǎn)方式（綠色化學(xué)）,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(xué),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(jì)化學(xué)學(xué)科發(fā)展的總趨勢(shì),(1) 微觀與宏觀結(jié)合,(2) 靜態(tài)與動(dòng)態(tài)相結(jié)合,(3) 復(fù)雜 簡(jiǎn)單 復(fù)雜,(4) 與其他學(xué)科的交叉、滲透,了解化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)的水平將 對(duì)社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和人民生活質(zhì) 量的提高起著關(guān)鍵的作用，化學(xué)基 礎(chǔ)知識(shí)也將成為充實(shí)新世紀(jì)公民基 本素質(zhì)的重要內(nèi)容之一。 走進(jìn)化學(xué),化學(xué)是最古老的科學(xué)之一,經(jīng)過(guò)下一代科學(xué)家的努力,它將仍是最新的科學(xué)之一. R.Breslow,四、化學(xué)的分支學(xué)科,化 學(xué),無(wú)機(jī)化學(xué)( Inorganic Chemistry ) 有機(jī)化學(xué)( Organic Chemistry ) 分析化學(xué) ( Analytic Chemistry) 物理化學(xué) ( Physical Chemistry) 高分子化學(xué) ( Polymer Chemistry ) 生物化學(xué)（biochemistry ) 放射化學(xué)與核化學(xué)( Nuclear Chemistry),化 學(xué),材料化學(xué) 能源化學(xué) 環(huán)境化學(xué) 地質(zhì)化學(xué) 天體化學(xué),化學(xué)生物學(xué) 化學(xué)信息學(xué) 有機(jī)光電子學(xué),化學(xué)的今天與明天 科學(xué)出版社 展望21世紀(jì)的化學(xué) 化學(xué)工業(yè)出版,