化学的过去、现在与将来

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1、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,What is chemistry?Chemistry is about making forms of matter that have never existed before.Jack Baldrim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

2、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

3、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：,2. 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

4、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

5、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、

6、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：,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

7、,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

8、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（.，18341907)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）,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(

9、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

10、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.Whler（18001882) 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,1850-1900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,4、化学工业的建立,

11、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

12、世纪的化学 现代化学的发展,最近，美国化学会主席Ranald Breslow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”。Calls chemistry :“The central,useful and creative science ” .,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

13、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 19012000年各届诺贝尔化学奖的获奖情况(见表3)：,在100年中，产生了92届诺贝尔化学奖，由于战争等原因，有6年未评奖（1916、 1917、1933、1940、1941、1942）。 诺贝尔化学奖得主的年龄，最老的是1987年C.J.Pedersen 为83岁，最年轻的是1935年 F.J.Curie为35岁，平均年龄55岁。,20世纪化学的重大突破 主要包括以下五个方面：,（1）放射性和铀裂变的重大发现； （2）化学键和现代量子化学理论； （3）创造新分子新结构

14、-合成化学； （4）高分子科学与材料； （5）化学动力学与分子反应动态学。,在101年中，产生了95届诺贝尔化学奖，由于战争等原因，有6年未评奖（1916、 1917、1933、1940、1941、1942）。 诺贝尔化学奖得主的年龄，最老的是1987年C.J.Pedersen 为83岁，最年轻的是1935年 F.J.Curie为35岁，平均年龄约55岁。,1.1 2004年诺贝尔化学奖授予以色列科学家阿龙切哈诺沃（57岁），阿夫拉姆赫什科（67岁）和美国科学家欧文罗斯（78岁），以表彰他们发现了泛素调节的蛋白质降解。,例如：与人关系最为密切的是-氨基酸。它是构成蛋白质的基本单元。发现有20多

15、种-氨基酸，其中有八种是人体所需要的必需氨基酸（即人体本身不能合成的氨基酸）。它们是：,蛋白质是构成包括人类在内的一切生物的基础，近几十年来生物学家在解释细胞如何制造蛋白质方面取得了很多进展。科学家关于蛋白质如何“诞生”的研究成果很多，迄今至少有次诺贝尔奖授予了从事这方面研究的科学家.,但却很少有研究人员对蛋白质的降解问题。 获2004年化学奖的3位科学家却独辟蹊径，于上个世纪80年代初发现了被调节的蛋白质降解。人的很多疾病就是这一降解过程不正常导致的。,“泛素调节的蛋白质降解”方面的知识将有助于攻克子宫颈癌等疑难疾病。,评委们在现场解释整个理论时，特意用碎纸机将两张完整的彩纸瞬间绞碎，以此比

16、喻细胞好比一个高效的“控制站，制造蛋白质但又能在瞬间把某些特定蛋白质“降解”为碎片。,1.2 放射性和铀裂变的重大发现正当能量守恒定律被当作19世纪的三大发现之一而载入史册不久，发生了一场轩然大波 。,放射性的发现1896年法国物理学家贝克勒尔(1852-1908),放射性射线为什么那样厉害呢?,放射性是某些元素的不稳定原子核自发地放出射线的性质，是原子核进行蜕变的特性。天然存在的放射性同位素的放射性称做天然放射性。例如铀的同位素有天然放射性。由人工制成的同位素的放射性称做人工放射性。例如氚有人工放射性(原子核有一个质子，两个中子。旧称“超重氢”。氢的放射性同位素之一,半衰期12.5年,蜕变时放出射线后形成质量数为三的氦。用中子轰击锂可产生氚)。放射性现象产生的原因是原子核的蜕变。,