近代化学的突破和化学发展的前沿(科普)

化学学科的发展历史、现状与前景展望陇东学院化学化工学院胡浩斌教授2011年10月主要内容“化学”概念古代和近代化学史掠影中国化学史上的“世界第一”二十世纪化学的回顾二十一世纪化学的前景展望一、“化学”概念的理解什么是化学？不同的化学家有不同的论述。美国前化学会主席、著名化学家布里斯罗认为：化学是一门中心的、实用的和创造性的科学，化学研究的对象不仅包括自然界存在的物质，而且包括人类创造的新物质，化学中最有创造性的工作是设计和创造新的分子。我国著名化学家、中科院院士唐有祺认为，在自然科学的分支中，化学是侧重在原子-分子水平上研究物质的组成、结构和性能及其相互转化的科学。我国著名化学家、中科院院士徐光宪认为，化学主要是研究原子，分子片，分子，原子分子簇，原子分子的激发态、过渡态、吸附态，超分子、生物大分子，分子和原子的各种尺度不同复杂程度的集聚态和组装态，直到分子材料，分子器件和分子机器的合成反应，分离和分析，结构和形态，物理性能和生物活性及其规律和应用的自然科学。一、“化学”概念的理解中国化学会理事长白春礼和美国化学会主席布鲁斯认为：“化学是门既古老又现代的学科，在推动人类文明过程中起到了关键作用。”化学是一门研究物质结构、性质和物质发生反应的科学。具体来说：它涉及存在于自然界的物质和由人类创造的新物质；涉及的物质是原子、分子和离子层次上的物质；涉及的自然界的变化——因闪电而着火的树木，与生命有关的化学变化——还有那些由化学家发明和创造的新变化。一、“化学”概念的理解我们可以看出，不同的化学家从不同的角度对化学进行了论述。这对于我们全面理解化学，用高观点审视教材关于“化学”的提法，根据学生已有知识经验恰当的选择和组织教学内容有重要的意义。一、“化学”概念的理解关于化学的新观念1.化学是在原子、分子的层次上，研究可见物质中实物的组成、结构、性质和反应规律的科学。2.原子、分子不仅是人们对于物质两个结构层次解释的模型，而且还是可以进行拖、拉、滚等操作的客体。3.任何物质都有对人类有益、有用的一面，同时又有对人类有害甚至有毒的一面。4.化学反应的研究，从大量分子的统计行为到单分子操作。5.合成无禁区。6.绿色化学。一、“化学”概念的理解化学的最新定义化学是主要研究从原子、分子片、分子、超分子到原子和分子的各种不同尺度和不同复杂程度的聚集态和组装态的合成和反应、分离和分析、结构和形态、物理性能和生物活性及其规律和应用的自然科学。一、“化学”概念的理解化学是“中心的科学”化学研究的物质处在物质系统的中间层次。人们把客观存在的物质划分为实物和场两种基本形态。化学研究的对象主要是实物，也就是具有质量的物质。就物质的构造而言，可划分为下列几个层次：原子、分子和离子宇宙天体（包括地球）单质和化合物电子、质子、中子及其它基本粒子一、“化学”概念的理解化学与诸多的其他科学领域有关。它对农业、电子学、生物学、药学、环境科学、计算机科学、工程学、地质学、物理学、冶金学，以及很多其他领域，都有重大贡献。人类对美好生活的追求离不开化学。我们需要用于制造住所、衣服和交通用的材料，寻找和创造新的治病良药，发明提高和保证粮食供应的新方法，以及多方面地改善的我们生活。因此，我们认为化学在人类有古代穴居的野蛮生活进化到现在这样一个的变化中起了“中心”作用。化学是“中心的科学”一、“化学”概念的理解化学是“实用的科学”和“创造性的科学”化学的“实用性”和“创造性”是相互联系的。化学家在探索大自然时，为了找出过去并不知道的有用的物质，曾通过大量地研究从植物和动物中发现的化合物来进行这种探索，而且仍在进行着。如治疗疟疾的“青蒿素”等。一、“化学”概念的理解“化学中最有创造性的工作是设计和创造新分子。”—布里斯罗目前，化学家一项重要的工作，是从陆生、水生动植物中寻找新的物质，并从中分离、测定它们的化学结构，然后进行人工合成。化学是“实用的科学”和“创造性的科学”一、“化学”概念的理解20世纪的100年中，化学合成和分离了2285万种新化合物，取得了空前辉煌的成就。20世纪的化学是以指数函数的加速度向前发展的，但未获得社会应有的认同。化学虽是一门老科学，但青春永驻。1900年55万种1945年110万种，45年翻一番1970年236万种，25年翻一番1999年底2340万种，30年增加10倍以指数函数的加速度向前发展，没有一门其它科学能像化学那样，创造出如此众多的新物质。一、“化学”概念的理解CAS(化学物质登录号)登录分子数2000.7.172500万种。2001.3.153000万2001.12.203500万种。2002.12.274500万，其中合成2080万，识别生物分子2420万2004.12.287750万，其中合成2507万、识别生物分子序列5243万2006.2.288466万，其中合成2742万，识别生物分子序列5724万大约每天新增2万，每年新增700万一、“化学”概念的理解化学是一门实用科学20世纪如果没有合成氨的化工技术，人类将面临饥饿的威胁没有新药物的成功研制，人类平均寿命将缩短30年没有合成塑料、合成纤维、合成橡胶、合成新材料、合成硅芯片，就无法进入信息时代的新生活。一、“化学”概念的理解20世纪发明了7大技术信息技术化学合成技术生物技术核技术核武器激光技术纳米技术航空航天和导弹技术2004年我国化学化工产业，包括石油化工、高分子合成、冶金、精细化工和制药、环境治理等占GDP的16.7％，信息产业占10％，生物产业不到1％.21世纪是信息科学、合成化学和生命科学共同繁荣的世纪。化学是一门实用科学一、“化学”概念的理解1.我国有了青铜器；春秋晚期能炼铁；战国晚期能炼钢；唐代；有了火药。2.十八世纪七十年代，瑞典化学家舍勒和英国化学家普利斯里分别发现并制得了氧气；法国化学家锡最早用天平和为研究化学的工具，并推翻了燃素学说；英国化学家卡文迪许。雷利等陆续从空气中发现了惰性气体。3.1748年俄国化学家罗蒙诺索夫建立了质量守恒定律。4.1808年英国科学家道尔顿提出了近代原子学说。二、古代和近代化学史掠影二、古代和近代化学史掠影二、古代和近代化学史掠影二、古代和近代化学史掠影5.1811年意大利科学家阿佛加德罗提出了分子的概念。6.二十世纪奥地利和德国物理学家泡利。洪特分别提出了核外电子排布的“泡利不相容原理”、“洪特规则”。7.1869年俄国化学家门捷列夫发现了元素周期律。8.十九世纪荷兰物理学家范德华首先研究了分子间作用力。9.1888年法国化学家勒沙特列提出了化学平衡移动原理。二、古代和近代化学史掠影二、古代和近代化学史掠影二、古代和近代化学史掠影二、古代和近代化学史掠影二、古代和近代化学史掠影二、古代和近代化学史掠影二、古代和近代化学史掠影二、古代和近代化学史掠影二、古代和近代化学史掠影二、古代和近代化学史掠影10.十九世纪英国物理学家丁达尔和植物学家布朗分别提出了胶体的“丁达尔现象”、“布朗运动”。11.1828年；德国化学家维勒第一次证明有机物可用普通的无机物制得。12.1890年德国化学家凯库蔓提出了苯分子的结构式。13.1911年英国的卢瑟福提出原子核模型（1908年因其在研究元素核衰变和原子结构上的成就荣获诺贝尔化学奖）14.1962年加拿大的巴特来合成了第一个惰气化合物（XePtF6）二、古代和近代化学史掠影公元前100年中国发明造纸术。公元105年东汉蔡伦总结并推广了纸技术，而欧洲人还在用羊皮抄书呢！公元700…800年唐朝孙思邈在《伏硫磺法》中归早记载了黑火药的三组分（硝酸钾、硫磺和木炭）。火药于13世纪传入阿拉伯，14世纪才传入欧洲。公元前200…后400年中国炼丹术兴起。魏伯阳的《周易参同契》和葛洪的《抱扑子》记录了汞、铅、金、硫等元素和数十药物的性状与配制。公元750年中国炼丹太传入阿拉伯。三、中国化学史上的“世界第一”公元800年唐朝茅华是世界上第一们发现氧气的人。他比英国的普利斯特里（1774年）和瑞典的舍勒（1773年）氧气约早1000年。我国是“纤维之王”…蚕丝的故乡。公元前2000年中国己经养蚕。公元200年养蚕技术传入日本。公元前600年中国已掌握冶铁技术，比欧洲早1900多年。公元前200年，中国炼出了球墨铸铁，比英美领先2000年。三、中国化学史上的“世界第一”1000多年前中国就能炼锌，早于欧洲400年。公元前2000年中国已会熔铸红铜。公元前1700年中国已开始冶铸青铜。公元900多年我国的胆水浸铜法是世界上最早的湿法冶金技术（置换法）。1700多年前，中国已能炼铅及铜铅合金。公元前8000…6000年中国已制造陶器。公元200年中国比较成熟地掌握了制瓷技术。三、中国化学史上的“世界第一”3000多年前我国已利用天然染料染色。我国是世界上最早发现漆料和制作漆器的国家，约有7000年历史。公元前4000…3000年中国已会酿造酒。公元前1000年我国已掌握制曲技术，比欧洲的“淀粉发酵法”制造酒精早2000多年。3000多年前，我们祖先发现石油。古书载“泽中有火”即指地下流出石油溢到水面而燃烧。宋朝沈括所著《梦溪笔谈》第一次记载石油的用途，并预言：“此物必大行于世”。三、中国化学史上的“世界第一”世界上最早开发和利用天然气的是中国的四川省邛和陕西省鸿门两地。我国祖先很早开始使用木炭和石炭（又叫黑炭，即煤），而欧洲人16世纪才开始利用煤。1939年，中国化工专家侯德榜提出“联合制碱法”，1939年侯德榜完成了世界上第一部纯碱工业专著《制碱》。1965年，我国在世界上第一个用人工的方法合成活性蛋白质…结晶牛胰岛素。(由于署名原因，诺贝尔化学奖与国人擦肩而过)三、中国化学史上的“世界第一”七十年代，中国独创无氰电镀新工艺取代有毒的氰法电镀，是世界电镀史上的创举。1977年我国在山东发现了迄今为止的世界上最大的金刚石…常林钻石。全世界海盐产量5000万吨，其中我国生产1300多万吨，居世界第一。早在3000多年前，我国就采用海水煮盐了，是世界上制盐最早的国家。世界上已知的140多种有用矿，我国都有。是世界上冶炼矿产最早的国家。三、中国化学史上的“世界第一”兰州化物所研制的超疏油性材料。•界面超疏水性质在自然中较为常见，科学研究也非常之多，但是超疏油性质却在自然中鲜有发现和较少研究，而疏油涂层具有更广阔的工业应用前景。•此种材料在润滑油密封防爬行、自清洁、微流体油滴控制等领域具有广阔应用前景。20世纪是化学基础研究和化学工业高速奋进的创新的百年。从19世纪的经典化学到20世纪的现代化学的飞跃，从本质上说是从19世纪的道尔顿原子论、门捷列夫元素周期律表等在原子的层次上认识和研究化学，进步到20世纪在分子的层次上认识和研究化学。如对组成分子的化学键本质、分子的强相互作用和弱相互作用、分子催化、高分子材料的结构与功能的认识，以至1200多种新化合物的合成。分子生物学在生物分子的结构与功能关系上的研究促进了生命化学的研究和进展。四、二十世纪化学的回顾20世纪是化学基础研究和化学工业高速奋进的创新的百年。另一方面，化学工业给予化学相关的国计民生的各个领域，如粮食、能源、交通、医药、国防以及人们的吃、穿、用、住等，在这100年中的变化是有目共睹的。四、二十世纪化学的回顾诺贝尔化学奖情况从1901年到1999年总计91届，因战争等原因停发8次学科交叉性很强，有许多非化学家获得化学奖，同时也有许多化学家获得其它奖年龄最大者83岁，最小的35岁，平均55.5岁，研究成果或者重大发现通常在授奖之前10~20年做出的有机32项，物化26项，无机14项，生化11项，分析6项，高分子4项四、二十世纪化学的回顾基础研究的重大突破放射性和铀裂变的重大发现化学键和现代量子力学创造新分子新结构——合成化学高分子科学和材料化学动力学与分子反应动态学在化学基础研究推动下化学工业的大发展石油化工业三