第九章化学建筑师

一、教学目的：1．掌握苯环结构学说的意义；2．了解范特霍夫、勒贝尔、鲍林的主要贡献；3．了解立体化学（碳四面体学说）的诞生过程。二、教学方法：以课堂讲授为主结合课堂讨论三、教学手段：采用多媒体授课四、学时分配：2学时五、重点、难点：重点：苯环结构学说的意义六、思考（作业）：1.苯环结构学说有何意义？简述其提出年代前后煤焦油工业（染料、医药、炸药）的发展概况。2.凯库勒、范特霍夫的思维方式各有何特点？给我们什么启示？从范特霍夫的时代背景和其求职历程，谈谈你对知识贬值和就业前景的看法。3.简述立体化学（碳四面体学说）的诞生过程，并谈谈你对权威的看法。4.鲍林的贡献有哪些？七、辅导安排随堂辅导八、教学内容：第九章化学建筑师整个近代化学，以拉瓦锡的科学燃烧理论为标志，以原子——分子论为支柱；以化学元素周期律的建立和发展为主线，得到了迅速的发展。这一发展过程，上推可以追溯到十七世纪中叶的波义耳，一直延续到十九世纪末二十世纪初。在这两个半世纪内，化学迅速地发展出有机化学、无机化学、分析化学、物理化学、结晶化学，胶体化学等各个分枝。这好象一棵大树，在树杆上又分出许多大大小小的枝杈，从而形成了一个根深叶茂的化学学科。在化学理论的指导下，化学工业也得到了迅速的发展，如制取硫酸、硝酸、盐酸、苏打、火碱等,“三酸两碱”的基础化学工业规模越来越大，产量也越来越多。在基础化学工业发展的前提下，火药、染料、医药、农药和日用化工也得到了较快的发展，而化学工业的发展又反过来促进了化学科学的发展。化学上，传统的说法把无机化学，有机化学，分析化学和物理化学叫做“四大基础学科”。这四个大的分枝，主要是在近代化学时期发展起来的，在这些学科的建立和发展中，也有许多动人的故事．一、苯环结构：凯库勒、洛斯密德1、凯库勒生平1829年生于德国，贵族血统——中学擅长数学和制图，1847年吉森大学学建筑，一年后拜师李比希,深入学习化学,从此走上了化学之路——巴黎留学于杜马、日拉尔——1852年博士、大学助教，后伦敦医院工作——1856年在李比希、本生帮助下，回大学任讲师.1867年,凯库勒担任了波恩大学化学研究所所长.1896年春天，柏林发生了流行性感冒，许多人都患了这种病，67岁的凯库勒由于过度劳累，早就患有慢性气管炎，同时又患了重感冒，紧接着他的肺部也感染了，终于在1896年6月13日与世长辞了。凯库勒是有机化学的奠基人，他和俄国化学家布特列洛夫齐名，分别创立了有机结构理论。2、苯环结构学说一梦成名：1858年任比利时根特大学教授，此期间提出碳四价理论和碳链学说而开始出名——1860年组织第一次世界化学大会——1865年“梦”见苯环结构而威震江湖.1865年圣诞节后的一天，凯库勒长期研究苯分子结构，已经疲惫不堪。他早已经测定清楚，苯分子是由六个碳原子和六个氢原子组成的。那么，这六个氢和六个碳原子又是以什么方式组合起来的呢?凯库勒一面苦心思考着，一面在纸上画．他试着写出几十种苯的分子式，“不行”，“还是不行”“咳．都不对!”他自言自语地说。他又把六个氢和六个碳试着连成弯弯曲曲的蛇型，“还是不行，”凯库勒嘟嚷着“啊，到底苯的分子结构应当是什么样的呢?”他百思不解，累极了，而且有些头痛。他把安乐椅拉近壁炉，半躺在安乐椅上，感到惬意而温暖，慢慢地这位大化学家就朦朦胧胧地入睡了……“那是什么?快看呀!”他好象看到六个碳原子连在一起形成了一条弯弯曲曲的蛇，“啊!对，是一条蛇!”他看到，每个碳原子上还带着一个氢原子，互相长在一起，连成了一条怪蛇。是的，是一条蛇，那条怪蛇已经蠕动起来了，它在爬，它在摇头晃脑地跳舞，而且越跳越快．突然，不知道为什么，这条怪蛇被激怒了。它竟然狠狠地一口咬住了自己的尾巴，然后就不动了，形成了一个环。凯库勒在梦中仔细一看，“啊!不对，又变了，这不是一条蛇形成的环，这是一只宝石戒指。”凯库勒哆嗦了一下，睁开了昏花的双眼。原来是南柯一梦，梦中看到的那咬住尾巴的环形蛇，还在眼前晃动着……。这是一个多么奇怪的梦啊!梦醒之后，他匆匆在一张纸上写下了梦中看到的环状结构，苯分子的结构式就这样被发现了，这一结构现在写成：凯库勒为什么能最后“一梦成功”呢?凯库勒对建筑学造诣极深，在读中学时，他父亲就希望他长大以后成为一个建筑师。凯库勒也确实很早就表现出了建筑学的才华。他还是一个中学生时，就曾为他的故乡设计过三幢漂亮的楼房。因此，他在青少年时代就有很强的立体概念。他对空间结构有惊人的想象力，有很强的立体形象思维能力。据说，他在研究有机化学结构时，闭着眼睛，就能想象出各种分子的立体模型，这在当时是很不容易做到的。俗话说，“隔行不隔理”．不同的学科是互相联系，互相渗透的。凯库勒用建筑学上的结构思想研究化学的结构，最后取得了巨大的成功，这正如我国的一个古老成语所说的“它山之石，可以攻玉”。科学史上，这样的例子还很多。例如，达尔文在登上贝格尔号舰作环球旅行时，曾认真读了赖尔写的《地质学原理》，他从地层古今变化和发展中得到了启示,最后建立了进化论；门捷列夫，在上学时，认真学习生物学，懂得动物、植物的分类，后来通过联想，想到了对化学元素的分类.大物理学家卢瑟福，深刻了解太阳系的行星轨道模型，后来用这种模型的思想研究原子，建立了原子结构行星模型……。由此可见，作学问一要精深，二要广博，广博是精深的基础，精深又能带动广博，各种学科，互相结合，互相渗透，往往是在科学上作出新发现的重要途径。意义：理论上促进了化学理论的发展——应用上促进了煤焦油化学工业——炼焦工业和煤气工业的公害——苯环结构学说的提出指导了染料、药品、炸药等有机产品的进一步合成合成染料工业：1856年英国有机化学家柏琴意外合成第一个人工染料苯胺紫——1857年合成染料工业开始建立——1858年A.W.霍夫曼碱性品红——1869年第一种天然染料茜素被合成——1882年拜耳合成靛蓝——1884年刚果红染料——19世纪后半叶“化学工业王冠”医药化工：芳香族化合物为原料——1859年柯尔贝用苯酚合成水杨酸——1889年F.霍夫曼用水杨酸和醋酸酐合成乙酰水杨酸---阿司匹林——1911年“六零六”——1932年偶氮染料百浪多息具有抗菌作用——1935—1944年磺胺类药物炸药的合成：1846年用棉花和硝酸作用制得硝酸纤维素（炸药、人造纤维），1865年英国化学家制得硝化棉(火药)，奠定近代炸药的基础——1846年硝化甘油（炸药、治疗心机绞痛药物），1867年诺贝尔用多孔硅藻土吸收硝化甘油制成代拿特炸药,成为安全使用硝化甘油的第一人.——1863年TNT——苦味酸.从1904年开始把TNT作为军用猛炸药.3、凯库勒的其他成就除结构学说（碳四价、碳链、苯环）等重大理论成就外，还有关于重氮化合物、偶氮化合物的实验研究。化学教育家：创立波恩学派——编辑《有机化学教科书》，创“芳香族化合物”之名1860年发起组织第一次世界化学大会。4、谁是真金？迟来的争议：1989年化学史坛地震——1861年洛斯密德自费出版了晦涩难懂的《化学研究》一书，其中涉及许多分子结构式，提出芳香化合物的环状符号——1865年读过该书的凯库勒沽名钓誉？——130年后一场苯环结构创始人之争凯库勒说他是受梦的启发发现了苯环结构的，如果能够证明在凯库勒之前已经有人提出了苯环结构，而且凯库勒还知情，那么我们就可以认为凯库勒没有说真话。事实的确如此。沃提兹发现早在1854年，法国化学家奥古斯特·劳伦在《化学方法》一书中已把苯的分子结构画成六角形环状结构。沃提兹还在凯库勒的档案中找到了他在1854年7月4日写给德国出版商的一封信，在信中他提出由他把劳伦的这本书从法文翻译成德文。这就表明凯库勒读过而且熟悉劳伦的这本书。但是凯库勒在论文中没有提及劳伦对苯环结构的研究，只提到劳伦的其他工作。所以，凯库勒是没有必要从梦中得到启发的。凯库勒编造这么个离奇故事的原因，可能正是为了不想让人知道他的重大发现与法国人有关。在当时的德国反法情绪很盛行，年轻时曾在巴黎留学的凯库勒也受到感染。沃提兹发现凯库勒在一封信中把法国人叫做“狗崽子”。或许可以说，这是一种“爱国主义”的剽窃行为。洛斯密德生平：1821年生于捷克农村——少显天赋，牧师极力怂恿其父母送其上高中——大学毕业自开化学公司—1854年维也纳中学教师，教化学和物理，期间出版《化学研究》——1866年受人极力推荐进维也纳大学任讲师——1868年副教授——1875年正教授——1877年物理系系主任——于本科学历极不寻常——1895年去世（74岁）才华杰出：洛斯密德对有机分子结构的描述（如重叠键表示双键、三键，环丙烷问世21年前预言其存在，芳香环分子模型），与现代分子模型理论惊人相似——“要是凯库勒能够认识到并且承认洛斯密德的天赋，那么，分子模型的理论也许会早一个世纪与我们面世。”是金子总是要闪光的：洛斯密德一生为人谦逊、淡泊名利——高尚的品德推迟了优先权的争议——130多年来凯库勒生前死后风光无限，而洛斯密德在有机化学界依然默默无闻——事隔一个多世纪，探其是非曲直是因为“这（苯环结构）是本世纪最伟大的成就之一，通过X射线和核磁共振谱分析证实了分子结构确实象模型所展示的那样”。二、立体化学学说：范特霍夫、勒贝尔1、范特霍夫生平父子之争：1852年生于荷兰鹿特丹一个医生之家——神童——小学受化学教师的影响而喜欢化学,他的父亲希望他成为一个医生，或者是当一名工程师。但后来，他却成了一名化学家.——1869年入高等工业专门学校学应用化学。先见之明：假期糖厂实习后觉得毕业后做技师无趣，志于改学理论化学，努力学习提前一年毕业（态度决定人生）——1871年入莱顿大学学数学——范特霍夫认为先学物理学和高等数学可以为学好化学做准备——数学才能和浪漫风格是范特霍夫以后成功的两大支柱，分别对应着其成名的两大学科领域实验之差：专科期间很有创造性，但实验技术很笨拙——志于改学理论化学另一原因——1872年转学到波恩大学学化学——老师与同学眼中默默无闻，甚至不擅长实验而为人笑柄——成名之后大惊同窗——贵在扬长避短名师之言：拜师波恩学派，范特霍夫对先生万分崇拜，导师凯库勒对他毫无留心——范特霍夫未引起注意，非凯库勒偏心——1874年辞别导师，凯库勒建议“不要忙于求职业，还是在较有名声的大学里继续深造的好。”——听从名师良言，巴黎留学于法国结构化学权威武兹的实验室，偶然认识同样浪漫诗人风度与远大理想同学勒贝尔。成名之作：半年后因弟弟求学需要，1874年6月不得不中断留学生活而早日取得博士学位自谋生计——1874年9月提出碳四面体假说以荷兰文发表（22岁），影响面很小——1875年以法文出版其立体化学方面的论文，内容引起争议——1876年底，德文版《空间的化学》出版后，一夜闻名。博士论文：1874年12月以在波恩大学实验室的工作通过博士学位——博士论文不是成名之作，内容一般，但于谋生有利——科学史上带有划时代意义的理论，往往是不易通过学位审查这一关的。求职之路：1875年开始找中学教师职业——论文一石千浪，职业一年零二个月无着落——1876年3月荷兰国立兽医学校任物理化学助教——1877年莱比锡大学名教授柯尔贝猛烈攻击范特霍夫的理论为“飞马行空”的幻想，“兽医学校中可能有优良种马”，经此“炒作”名气更大——1877年9月阿姆斯特丹大学化学讲师——1878年10月化学教授（25岁，求职2年半后）——发表“科学与幻想”的就职演说，竭力推崇科学想象力伟人之母：1887年与奥斯特瓦尔德合编的《物理化学杂志》创刊，共同创造了物理化学学科——1896年出国任柏林大学名誉教授——1901年获首届诺贝尔（Nobel）化学奖，应其母之言用之于高尚的（Noble）慈善、教育等事业——1911年去世（59岁）。范特霍夫主要是在物理化学上取得了重大的突破。他对化学反应速度、渗透压、化学平衡、稀溶液的规律的研究超过了同时代的化学家。由于范特霍夫精通数学，又积累了丰富的化学实验材料，二者的结合．使他取得了惊人的成果。他写成一部专著《化学动力学概论》，这部书后来成了物理化学的经典。范特霍夫在《化学动力学概论