化学的过去、现在与将来

化学的过去、现在与将来广州大学学科前沿讲座系列之一第一节化学的演变Whatischemistry?Chemistryisaboutmakingformsofmatterthathaveneverexistedbefore.－JackBaldrim化学学科的定义化学是在原子、分子层次上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的一门科学。化学学科的特性化学是自然科学中的核心基础学科基础研究、实用性、创造性一、古代化学行为1、在亚历山大时期，化学以炼金术的原始形式出现公元3000多年前，人们就懂得从矿石中提取金属如：公元前3000年，发现了金、银、铜；公元前2500年，人们懂得冶炼青铜、铅和铁公元前1500年，发现了汞。火的发明是人类第一次伟大的化学实践。大约5000-11000年前，中国人就会制作陶器3000多年前的商朝已经有非常精美的青铜器造纸，磁器，火药更是中国文明对化学的贡献在十六，十七世纪时，中国是世界上最先进的国家“化学”二字我国在1856年开始使用中国古代化学的发展古代化学发展的另一种原始形式：染色、玻璃和肥皂制造技术带动了化学的发展。据我国周礼的记载：当时已设立专官“染人”、“醯人”，管理染色、制酒和制醋的工作。公元770-780年就已有关于烧酒的记载，我们掌握蒸馏手段也比欧洲早一百多年。古希腊哲学家亚里士多德的元素学说：物质都是由水、土、火、气四个元素相互转化而成。由于埃及古老的矿石开采和冶炼技术发达，及元素理论的出现，产生了炼金术——认为贱金属可以转变为贵金属。铅可以转变成胡粉,胡粉又可以转变为铅：·PbCO3Pb(OH)22PbHg+SHgS2.炼金术的出现图:1现代化学家的祖先-Alchemist汞可以转变为朱砂，朱砂又可以转变成为汞：由此推断：铅可以变成金（荒谬）2、炼金术、炼丹术则被称为近代化学的先驱17世纪炼金术开始向实用的医药化学和工艺化学方面发展，化学从此成为一门真正独立的科学。1805年，由鸦片内取得第一个生物碱——吗啡。3、从天然有机物质到纯物质的转化人类使用有机物质虽已有很长的历史，但是对纯物质的认识和取得却是比较近代的事情，直到十八世纪末期，才开始由动植物取得一系列较纯的有机物质。1773年首次由尿内提取得到尿素。1769年从葡萄汁内取得酒石酸；从柠檬汁内取得柠檬酸；由尿内取得尿酸；从酸牛奶内取得乳酸。二、18世纪的化学化学是18世纪末才真正出现1、拉瓦锡和化学革命拉瓦锡（A.L.Lavoiser,1743-1794)世界著名的化学家，1768年（25岁）被选为法国科学院院士.系统地重复了前人和同时代人的实验，用氧化燃烧学说进行严格合乎逻辑的解释，批判了旧的化学理论，建立了新的化学理论和化学术语。1789年出版的《化学基本教程》一书，其重要性可与牛顿的《自然哲学之数学原理》、达尔文的《物种起源》相提并论“氧化燃烧学说”主要观点：(1)、燃烧时，均有火或光放出；(2)、物体只能在纯粹空气（氧气）中燃烧；(3)、燃烧时，有“纯粹空气的破坏或分解”，燃烧物体的增重精确等于“被破坏或分解”的空气的重量；(4)、已燃物质通常变为酸，但金属则变为残烬。在这本名著中，拉瓦锡首次阐述了物质不灭定律。“物质虽然能够变化，但是不能消失或凭空产生”。并用数学的形式，严格地表达了物质不灭定律。化学开始了从以收集材料为特征的定性描述阶段逐渐过渡到以整理材料、寻找化学变化规律为特征的理论概括阶段。定量分析方法的广泛使用，进而归纳出了化学中的一些实验基本规律：质量守恒定律、当量定律、定组成定律等2、新的化学理论与当时开始的工业革命恰好吻合纺织工业的发展、纺织品的加工以及肥皂工业、玻璃制造工业的发展，原有陈旧的作坊式化学产品加工已无法满足当时工业化的大发展。如：硫酸（H2SO4)当时主要用作纺织品的加工，以及制造纯碱（Na2CO3)和烧碱的原料；主要生产方式是在一个铅丝捆住的木箱中，把硫磺、硝石、水混合制得：S+NaNO3+H2OH2SO4碱工业的发展：碳酸钠是制造玻璃、肥皂的主要化工原料，旧的生产工艺是将海草燃烧获得，仅仅是一种含碳酸钠的草木灰。1790年，新的碳酸钠生产工艺引入化学工业;首先将通用盐（NaCl）转变成硫酸盐，再将硫酸盐转变成含有木炭、白粉尘的碳酸钠粗品。三、19世纪末的化学化学在19世纪已获得了实质的进步和发展主要包括：（1）元素周期表的发现（2）通过化学合成手段获得有机化合物（3）化学工业的建立1807年，道尔顿(1766年-1844年)创立了近代科学原子论，并在1840年发展成为原子-分子论道尔顿原子论其基本要点：元素由非常微小、看不见的、不可再分割的原子组成；原子既不能创造，不能毁灭，也不能转变，所以在一切化学反应中都保持自己原有的性质；同一种元素的原子的形状、质量及性质相同，而不同元素的原予的形状、质量及性质则各不相同，原子的质量是元素最基本的特征；化合物的原子称为复杂原子，它的质量为所含各种元素原子质量之总和。以氢的原子质量为1作标准，发表了包括20种元素的相对原子量表。1、近代原子论的创立2、元素周期表的发现俄国化学家门捷列夫（Д.И.Менделеев，1834～1907)以各元素的原子量作为元素的基本特性，考察原子量与元素性质间的相互关系，于1869年发表了第一张元素周期表。1871年，门捷列夫对元素周期表作了重要修改，提出了第二张元素周期表（见表1）。19世纪60年代，化学家已经发现了60多种元素。门捷列夫1871年发表的元素周期表（见表1）列I族－R2OII族－ROIII族－R2O3IV族RH4RO2V族RH3R2O5VI族RH2RO3VII族RHR2O7VIII族－RO41H=12Li=7Be=9.4B=11C=12N=14O=16F=193Na=23Mg=24Al=27.3Si=28P=31S=32Cl=35.54K=39Ca=40-=44Ti=48V=51Cr=52Mn=55Fe=56,Co=59Ni=59,Cu=635（Cu=63）Zn=65-=68-=72As=75Se=78Br=806Rb=85Sr=87？Yt=88Zr=90Nb=94Mo=96-=100Ru=104，Rh=1047（Ag=108）Cd=112In=113Sn=118Sb=122Te=125J=1278Cs=133Ba=137？D=138？Ce=140———————9（-）——————10——？Er=178？La=180Ta=182W=184—Os=195，Ir=19711Au=199Hg=200Tl=204Pb=207Bi=208——12———Th=231—U=240—————门捷列夫元素周期表的启迪门捷列夫先后预言的十几种未知元素，都在实验中被证实，这充分显示了科学预见的巨大作用。1869年，门捷列夫提出第一张元素周期表，并根据周期律修正了铟(In)、铀(U)、钍(Th)、铯(Cs)等9种元素的原子量；预言了三种新元素及特性，并暂取名为类铝、类硼、类硅。1871年发现的镓(Ga，原子量69.72)、1880年发现的钪(Sc,原子量44.96)、1886年发现的锗(Ge,原子量72.59)。这些新元素的原子量、密度和物理化学性质都与门捷列夫的预言惊人地相符，周期律的正确性由此得到了举世公认。20世纪末最新的元素周期表3、有机化学的兴起——通过化学合成手段获得有机化合物19世纪初，化学的另一次重大革命是有机物可以通过化学合成方法得到。在元素周期律发现后，有机化学却被生命力论（Vitalism)统治着。生命力论认为，有机物质只能靠生命力在动植物有机体内产生，而不能在实验室或工厂里由无机物质化学合成获取。1828年，德国化学家F.Wöhler（1800~1882)首次用无机物氰酸铵人工合成了有机物－尿素：氰酸铵尿素宣告了有机界和无机界是相通的，这是有机化学发展过程中的一大突破。以后又相继合成了有机酸类、油脂类、糖类等NH4OCNH2NC=OHNHH2NCONH21850-1900年，成千上万的药品、染料从煤焦油里合成出来。当时，有机化学可以说是煤焦油的合成时代。化学学科的出现19世纪末，化学已出现了明确的专业划分，建立了化学的四个分支学科和完整化学经典理论体系。化学的分支学科：无机化学、分析化学、有机化学、物理化学现代化学的学科分类化学无机化学物理化学高分子化学有机化学分析化学配位化学生物无机化学无机合成有机合成有机分析金属有机化学分析仪器分析结构化学化学热力学化学动力学电化学高分子合成高分子物理高分子加工环境化学大气环境化学水环境化学土壤环境化学4、化学工业的建立19世纪中期，化学工业出现了较快的发展各大化学工业公司的建立，制得纺织工业急需的合成染料；1870年，碳酸钠的新工业路线进入工业化生产，由苏尔布法取代了吕布兰法；1841年，查尔斯·歌德发明了橡胶硫化工艺，并且生产出橡胶新品种－硫化橡胶；加斯特·克列利用电解方法生产氯气和烧碱。19世纪化学家的遗憾尽管19世纪的化学家作出了如此惊人的成就，然而，他们对化学界的认识仍然是极为有限的，对各个元素的原子结构、包括原子核和电子的运动规律不了解，因此也对元素周期律缺乏实际的了解，不知道什么是化学键，也不了解化学反应的机理，没有高分子化学，也没有磺胺药物和化学肥料，当然更没有现代物理分析技术。四、20世纪的化学——现代化学的发展最近，美国化学会主席RanaldBreslow在谈论化学中提出：“化学是一门趋于中心地位、实用而富有创造性的科学”。Callschemistry:“Thecentral,usefulandcreativescience”.1.基础研究的重大突破20世纪是人类历史上科学技术发展最为辉煌的时代。无论在深度还是广度上，都大大超过19世纪所取得的成就，也远远超过过去几千年的总和。从1901年开始在世界范围评选诺贝尔化学奖以来到2001年颁奖，应该有101届了。实际只颁发了96届（见附表1）。96届的诺贝尔化学奖中以二级学科区分，大致如下：无机化学14项；有机化学34项；物理化学26项；高分子化学5项；生物化学11项；分析化学6项。1、基础研究的重大突破1901～2000年各届诺贝尔化学奖的获奖情况(见表3)：得奖年份获奖者国籍获奖时年龄（岁）获奖成就1999A.H.Zewail美国53飞妙激光技术研究超快化学反应过程和过渡态1998W.KohnJ.A.Pople美国英国7573发展了电子密度泛函数理论发展了量子化学计算方法1997J.SkouP.BoyerJ.Walker丹麦美国英国797956发现了维持细胞中钠离子和钾离子浓度平衡的酶，并阐明其作用机理发现了能量分子三磷酸腺苷的形成过程1996R.F.CurlR.E.SmalleyH.W.Kroto美国美国英国585357发现60C1995M.MolonaS.RowlandP.Crutzen墨西哥美国荷兰526862研究大气环境化学，特别在臭氧的形成和分解研究方面作出的贡献1994G.A.Olah美国67碳正离子化学的研究1993M.SmithK.B.Mullis加拿大美国6148寡聚核苷酸定点诱变基因工程的贡献多聚酶链式反应技术对基因工程的贡献1992R.A.Marcus美国69电子转移反应理论1991R.R.Ernst瑞士58高分辨核磁共振谱法的发展1990E.J.Corey美国62有机合成的逆合成分析法1989T.CechS.Altman美国美国4150Ribozyme（核糖核酸酶）的发现1988J.DeisenhogerH.MichelR.Huber德国德国德国454051测定了细菌光合反应中心膜蛋白－色素复合体的三维结构，为光化反应作出的贡献1987C.J.PedersenD.J.CramJ-M.Lehn美国美国法国836848开创主－客体化学，超分子化学，冠醚化学等新领域1986李远哲D.R.HerschbachJ.Karle美籍华人美国加拿大505455发展了交叉分子束技术，红外线化学发光方法，对微观反应动力学研究作出的贡献1985H.