chap.4化学的发展

1、自然科学概论自然科学概论4.1 近代化学的诞生近代化学的诞生4.2 无机化学的发展无机化学的发展4.3 有机化学的发展有机化学的发展Chap. 4 化学的发展化学的发展4.4 物理化学和分析化学的发展物理化学和分析化学的发展4.5 新学科的发展新学科的发展 4.6 绿色化学的兴起绿色化学的兴起自然科学概论自然科学概论 化学是研究分子的组成、结构、性质、化学是研究分子的组成、结构、性质、和变化规律的科学。和变化规律的科学。它主要包括无机化学、它主要包括无机化学、有机化学、分析化学和物理化学四大分支有机化学、分析化学和物理化学四大分支学科。学科。 无机化学研究各种元素及其化合物的无机化学研究各种元

2、素及其化合物的性质、结构、化学变化的规律及其应用的性质、结构、化学变化的规律及其应用的学科。它以元素周期律和物质结构为理论学科。它以元素周期律和物质结构为理论基础，主要包括无机合成化学、络合物化基础，主要包括无机合成化学、络合物化学、同位素化学等次级学科。学、同位素化学等次级学科。自然科学概论自然科学概论 有机化学是研究有机化合物的来源、有机化学是研究有机化合物的来源、制备、结构、性质、用途和相关理论的学制备、结构、性质、用途和相关理论的学科。它主要包括有机合成化学、元素有机科。它主要包括有机合成化学、元素有机化学、天然有机化学、立体化学等分支学化学、天然有机化学、立体化学等分支学科。科。 分

3、析化学是研究物质的化学组成的鉴分析化学是研究物质的化学组成的鉴定、测量方法以及相关原理的科学。它主定、测量方法以及相关原理的科学。它主要包括定量分析、定性分析、物理化学分要包括定量分析、定性分析、物理化学分析等次级分支学科。析等次级分支学科。自然科学概论自然科学概论 物理化学也称理论化学。它是应用物物理化学也称理论化学。它是应用物理学的理论和方法研究物质的性质及其理学的理论和方法研究物质的性质及其化学反应，寻找化学现象和物理现象之化学反应，寻找化学现象和物理现象之间的本质联系和普遍规律的学科。物理间的本质联系和普遍规律的学科。物理化学主要包括量子化学、结构化学、电化学主要包括量子化学、结构化学

4、、电化学、化学动力学、催化学、表面化学、化学、化学动力学、催化学、表面化学、光化学、和胶体化学等次级分支学科。光化学、和胶体化学等次级分支学科。自然科学概论自然科学概论 化学是从古代炼金术中演化出来的一门化学是从古代炼金术中演化出来的一门科学。最早形成的是冶金化学和医药化学。科学。最早形成的是冶金化学和医药化学。在在1717世纪中叶，化学制品的制备过程和提炼世纪中叶，化学制品的制备过程和提炼方法得到了发展，精确定量的实验方法得到方法得到了发展，精确定量的实验方法得到了普遍的应用。了普遍的应用。4.1 4.1 近代化学的诞生近代化学的诞生一、波意耳的工作一、波意耳的工作自然科学概论自然科学概论

5、这时候，人们通过实验对气体化学进这时候，人们通过实验对气体化学进行了研究，得到了不少重要的成果，于是行了研究，得到了不少重要的成果，于是就希望用一种系统而清晰的理论来加以说就希望用一种系统而清晰的理论来加以说明。这样就从实验和理论两个方面为近代明。这样就从实验和理论两个方面为近代化学的建立准备了条件。化学的建立准备了条件。从炼金术到科学从炼金术到科学化学的转变过程中，起关键作用的人是英化学的转变过程中，起关键作用的人是英国的化学家和物理学家波意耳。国的化学家和物理学家波意耳。 波意耳做了许多化学实验，并且很重波意耳做了许多化学实验，并且很重视定量研究。视定量研究。自然科学概论自然科学概论 16

6、611661年，他的年，他的怀疑派化学怀疑派化学一书出一书出版，标志着化学已成为近代的一门科学。版，标志着化学已成为近代的一门科学。在这本书中，波义耳确定了化学的研究对在这本书中，波义耳确定了化学的研究对象。他指出，化学的任务不仅是制造药品象。他指出，化学的任务不仅是制造药品和金属，和金属，而是从这些制造技术中总结出一而是从这些制造技术中总结出一般性的原理。般性的原理。波义耳对化学的界定，使得波义耳对化学的界定，使得化学区别于炼金术和其他的冶炼和制造技化学区别于炼金术和其他的冶炼和制造技术，成为一门独立的理论学科。另外，波术，成为一门独立的理论学科。另外，波义耳还给元素下了一个比较科学的定义，

7、义耳还给元素下了一个比较科学的定义，批判了古代的批判了古代的“四元素四元素”学说。学说。自然科学概论自然科学概论 他指出：元素是原始的、简单的、纯粹的他指出：元素是原始的、简单的、纯粹的物质；元素不能由其他物体构成；元素是混合物质；元素不能由其他物体构成；元素是混合物的基本成分；元素是不能分解的。波义耳的物的基本成分；元素是不能分解的。波义耳的定义突出了元素的物质性和基本性，但是他并定义突出了元素的物质性和基本性，但是他并没有区分元素和单质，也没有提出鉴别元素和没有区分元素和单质，也没有提出鉴别元素和化合物的方法。化合物的方法。波义耳的另一个贡献是，他把波义耳的另一个贡献是，他把当时广为使用的

8、定性分析方法归纳成了一个系当时广为使用的定性分析方法归纳成了一个系统，命名为化学分析。统，命名为化学分析。他的分析方法由物理分他的分析方法由物理分析转向化学分析，从而奠定了分析化学的基础。析转向化学分析，从而奠定了分析化学的基础。 自然科学概论自然科学概论 1717、1818世纪，由于冶金工业和化学工业世纪，由于冶金工业和化学工业的发展，使得人们认识到燃烧问题的重要性，的发展，使得人们认识到燃烧问题的重要性，于是努力地探讨燃烧的本质，研究和燃烧有于是努力地探讨燃烧的本质，研究和燃烧有关的化学变化。关的化学变化。 最早对燃烧现象做系统研究的是波义耳。最早对燃烧现象做系统研究的是波义耳。他通过对金

9、属的煅烧实验，用他通过对金属的煅烧实验，用“火微粒火微粒”解解释燃烧现象。与此同时，德国的化学家贝歇释燃烧现象。与此同时，德国的化学家贝歇尔提出了尔提出了“油状土油状土”的观点，认为物质之所的观点，认为物质之所以可燃，是因为它含有油状土。施塔尔发展以可燃，是因为它含有油状土。施塔尔发展了这种观点，于了这种观点，于17031703年提出了系统的燃素学年提出了系统的燃素学说。说。自然科学概论自然科学概论 燃素论的要点是：一切可燃烧的物体燃素论的要点是：一切可燃烧的物体均含有燃素；燃素是细小的微粒；物体均含有燃素；燃素是细小的微粒；物体燃烧时放出燃素并且变成灰烬；灰烬若燃烧时放出燃素并且变成灰烬；灰

10、烬若获得燃素又可以重新成为物体。由于燃获得燃素又可以重新成为物体。由于燃素说不能解释金属的煅烧现象，人们又素说不能解释金属的煅烧现象，人们又设想燃素是具有负重量的物质。只有认设想燃素是具有负重量的物质。只有认为燃素具有负质量，才能说明金属煅烧为燃素具有负质量，才能说明金属煅烧之后锻灰比原来的金属块更重。之后锻灰比原来的金属块更重。自然科学概论自然科学概论 燃素学说的意义在于它对一类化学燃素学说的意义在于它对一类化学现象给出了一个统一的解释，全面建立现象给出了一个统一的解释，全面建立一个能说明燃烧现象的科学理论。这比一个能说明燃烧现象的科学理论。这比古代的自然哲学和经验科学前进了一大古代的自然哲

11、学和经验科学前进了一大步。因而燃素学说在数十年内居于统治步。因而燃素学说在数十年内居于统治地位。由于燃素是虚构的物质，无法证地位。由于燃素是虚构的物质，无法证实，并且燃素说不能对有机物和无机物实，并且燃素说不能对有机物和无机物的燃烧给出同样的解释，所以后来被拉的燃烧给出同样的解释，所以后来被拉瓦锡的氧化学说取代了。瓦锡的氧化学说取代了。自然科学概论自然科学概论 1818世纪下半叶，精确定量的化学实验和世纪下半叶，精确定量的化学实验和日益丰富的化学知识使得人们相继发现了许日益丰富的化学知识使得人们相继发现了许多种气体。由于气体化学的实验研究，人们多种气体。由于气体化学的实验研究，人们对燃烧的认识

12、发生了变化。尤其是氧的发现，对燃烧的认识发生了变化。尤其是氧的发现，使燃烧理论产生了重大的突破。最初，瑞典使燃烧理论产生了重大的突破。最初，瑞典的化学家舍勒和英国的普利斯特列等人已经的化学家舍勒和英国的普利斯特列等人已经分离和制取了一些气体，但是他们仍然迷信分离和制取了一些气体，但是他们仍然迷信燃素说，不愿意把燃烧现象和氧气联系起来。燃素说，不愿意把燃烧现象和氧气联系起来。他们把氧气称为失燃素空气，不能正确认识他们把氧气称为失燃素空气，不能正确认识氧气和燃烧的关系。氧气和燃烧的关系。自然科学概论自然科学概论 拉瓦锡拉瓦锡是法国的化学家，不但善于理是法国的化学家，不但善于理性思维而且还是一位出色

13、的实验家。性思维而且还是一位出色的实验家。他强他强调定量、精确，善于利用天平做化学分析。调定量、精确，善于利用天平做化学分析。17741774年，拉瓦锡做了著名的煅烧实验，发年，拉瓦锡做了著名的煅烧实验，发现了一个重要的事实：金属煅烧之后的生现了一个重要的事实：金属煅烧之后的生成物比原来金属增加的质量恰好等于空气成物比原来金属增加的质量恰好等于空气失去的质量。由此使他想到金属在煅烧过失去的质量。由此使他想到金属在煅烧过程中应该是吸收了空气的一部分，而不是程中应该是吸收了空气的一部分，而不是释放了负质量的燃素。释放了负质量的燃素。 二、拉瓦锡命名氧气二、拉瓦锡命名氧气自然科学概论自然科学概论 拉

14、瓦锡又做了反向的思考，认为锻灰在拉瓦锡又做了反向的思考，认为锻灰在还原到最初的金属时，也应该把燃烧时吸收还原到最初的金属时，也应该把燃烧时吸收的空气释放出来。正当拉瓦锡研究煅烧实验的空气释放出来。正当拉瓦锡研究煅烧实验时，普利斯特到巴黎访问，向他介绍了自己时，普利斯特到巴黎访问，向他介绍了自己用聚光镜将汞的锻灰加热分解的实验。这使用聚光镜将汞的锻灰加热分解的实验。这使他深受启发，立即重复了加热汞灰的实验，他深受启发，立即重复了加热汞灰的实验，果然得到了汞和一部分气体。他把放出的这果然得到了汞和一部分气体。他把放出的这种气体称之为种气体称之为“纯粹气体纯粹气体”，17771777年命名为年命名为

15、氧气。氧气。 自然科学概论自然科学概论 在这之后，他又对多种金属做了，氧化在这之后，他又对多种金属做了，氧化还原实验，最终得出一条肯定的结论：燃烧还原实验，最终得出一条肯定的结论：燃烧过程与燃素无关，而是可燃物与空气中氧气过程与燃素无关，而是可燃物与空气中氧气的化合过程。的化合过程。拉瓦锡于拉瓦锡于17771777年发表了年发表了燃烧燃烧概论概论一文，明确地提出了他的氧化燃烧学一文，明确地提出了他的氧化燃烧学说。说。 氧化燃烧说就是化学中的第一个科学理氧化燃烧说就是化学中的第一个科学理论。这一学说的建立是化学史上的一座里程论。这一学说的建立是化学史上的一座里程碑。它粉碎了统治多时的燃素论，澄清

16、了碑。它粉碎了统治多时的燃素论，澄清了1818世纪混乱的化学思想。世纪混乱的化学思想。自然科学概论自然科学概论 17891789年，拉瓦锡出版了年，拉瓦锡出版了化学纲要化学纲要一书，在书中他详细论述了氧化理论和各一书，在书中他详细论述了氧化理论和各种实验依据，阐明了种实验依据，阐明了化学质量守恒定律。化学质量守恒定律。他还列出了化学史上的第二张元素表，概他还列出了化学史上的第二张元素表，概括了当时已知的括了当时已知的3333中元素。在他列出的元中元素。在他列出的元素中当然不会有燃素，但是却有光素和热素中当然不会有燃素，但是却有光素和热素。如果我们要求拉瓦锡把光和热的本质素。如果我们要求拉瓦锡把

17、光和热的本质也弄清楚，就太不切合实际了。也弄清楚，就太不切合实际了。自然科学概论自然科学概论 古代的原子论沉寂了古代的原子论沉寂了20002000年无人问津，年无人问津，但是到了牛顿和波义耳，人们都崇尚机械论，但是到了牛顿和波义耳，人们都崇尚机械论，主张物质是由实物粒子组成的，赞成古希腊主张物质是由实物粒子组成的，赞成古希腊的原子论。英国的化学家道尔顿则更进一步，的原子论。英国的化学家道尔顿则更进一步，最终建立了科学的原子论。最终建立了科学的原子论。 18031803年，道尔顿在研究气体的性质时，年，道尔顿在研究气体的性质时，引入原子量的概念，创立了原子论。引入原子量的概念，创立了原子论。三、

18、道尔顿创立原子论三、道尔顿创立原子论自然科学概论自然科学概论 他的原子论不再是古代猜想性的自然哲学，他的原子论不再是古代猜想性的自然哲学，而是一种切实的、定量的物质结构理论，它的而是一种切实的、定量的物质结构理论，它的主要内容是：主要内容是：1.1.原子是物质的最小粒子，化学原子是物质的最小粒子，化学元素是原子组成的；元素是原子组成的；2.2.原子不生不灭，在一切原子不生不灭，在一切化学变化中得到自己的本性；化学变化中得到自己的本性；3.3.同种元素的原同种元素的原子是全同粒子，元素最基本的特征是原子的质子是全同粒子，元素最基本的特征是原子的质量；量；4.4.化合物是不同种原子按整数比合成的物

19、化合物是不同种原子按整数比合成的物质。质。道尔顿运用他的原子论成功地解释了当量道尔顿运用他的原子论成功地解释了当量定律，定组成定律和倍比定律，使原子论成为定律，定组成定律和倍比定律，使原子论成为能够解释实验事实的科学理论。能够解释实验事实的科学理论。 自然科学概论自然科学概论 在道尔顿之后，法国的化学家盖在道尔顿之后，法国的化学家盖吕萨克提吕萨克提出了气体定律。这条定律是说，在等温等压下出了气体定律。这条定律是说，在等温等压下参加同一反应的各种气体的体积成简单的整数参加同一反应的各种气体的体积成简单的整数化。他由此得出一个推论：在等温等压之下，化。他由此得出一个推论：在等温等压之下，相同体积的

20、不同气体应该含有相同数目的原子。相同体积的不同气体应该含有相同数目的原子。但是道尔顿却反对这一说法。他认为：由于不但是道尔顿却反对这一说法。他认为：由于不同元素的原子具有不同的大小，所以在相同的同元素的原子具有不同的大小，所以在相同的体积中不能有相同数目的原子。体积中不能有相同数目的原子。自然科学概论自然科学概论 道尔顿与盖道尔顿与盖吕萨克的争论启发了意大吕萨克的争论启发了意大利的阿伏加德罗，促使他提出了分子学说。利的阿伏加德罗，促使他提出了分子学说。他指出：原子是参加化学反应的最小粒子，他指出：原子是参加化学反应的最小粒子，分子是单质和化合物独立存在的最小粒子。分子是单质和化合物独立存在的最

21、小粒子。分子是由原子组成的；单质的分子由同种元分子是由原子组成的；单质的分子由同种元素的原子组成，化合物的分子则由有不同种素的原子组成，化合物的分子则由有不同种元素的原子组成。元素的原子组成。阿伏伽德罗根据分子学说阿伏伽德罗根据分子学说修改了盖修改了盖吕萨克的定律，给出了正确的结论：吕萨克的定律，给出了正确的结论：在等温等压下，相同体积的不同气体含有相在等温等压下，相同体积的不同气体含有相同数目的分子。同数目的分子。自然科学概论自然科学概论 这样一来，化学中便形成了科学的这样一来，化学中便形成了科学的原子原子 分子论，为物质结构理论奠定分子论，为物质结构理论奠定了基础，为化学各学科的发展铺平了

22、道了基础，为化学各学科的发展铺平了道路。路。 阿伏加德罗的分子论并没有很快得阿伏加德罗的分子论并没有很快得到学术界的认可。当时道尔顿等化学界到学术界的认可。当时道尔顿等化学界的权威极力反对和排斥分子学说，使得的权威极力反对和排斥分子学说，使得阿伏加德罗的正确思想受到了数十年的阿伏加德罗的正确思想受到了数十年的压制和打击。压制和打击。自然科学概论自然科学概论 直到直到18601860年，在德国召开的国际化学会年，在德国召开的国际化学会议上，意大利化学家坎尼扎罗重申分子论的议上，意大利化学家坎尼扎罗重申分子论的意义，并散发资料，极力宣传，原子分子论意义，并散发资料，极力宣传，原子分子论这才被人重视

23、，得到普遍的承认。自此以后，这才被人重视，得到普遍的承认。自此以后，人们弄清了一切化学过程的本质，建立起了人们弄清了一切化学过程的本质，建立起了近代的理论化学。近代的理论化学。自然科学概论自然科学概论 无机化学研究各种元素及其化合物的性无机化学研究各种元素及其化合物的性质、结构、化学变化的规律及其应用的学科。质、结构、化学变化的规律及其应用的学科。化学中结构理论的形成，使人们对原子价有化学中结构理论的形成，使人们对原子价有了正确的理解。同时，由于生产和科技的发了正确的理解。同时，由于生产和科技的发展，使得新发现的元素不断增多。展，使得新发现的元素不断增多。5.2 5.2 无机化学的发展无机化学

24、的发展一、无机化学的研究对象一、无机化学的研究对象自然科学概论自然科学概论 到到1869年，已有年，已有63种元素被发现。对这种元素被发现。对这些元素性质的研究使人们产生了一个问题：些元素性质的研究使人们产生了一个问题：元素到底有多少种？元素到底有多少种？各种元素之间是否有着各种元素之间是否有着内在的联系？内在的联系？ 对元素进行分类，在对元素进行分类，在1818世纪末就已经开世纪末就已经开始了。分类必须要有一个标准，必须掌握各始了。分类必须要有一个标准，必须掌握各种元素的性质。开始时人们考虑到元素的性种元素的性质。开始时人们考虑到元素的性质和原子量之间存在依赖关系，可以利用这质和原子量之间存

25、在依赖关系，可以利用这种关系进行分类。种关系进行分类。 自然科学概论自然科学概论 1829年德国化学家德贝莱纳提出了三元素年德国化学家德贝莱纳提出了三元素一组的分类方法。这种方法是三个元素为一组，一组的分类方法。这种方法是三个元素为一组，居中元素的原子量近似等于其他两元素的算术居中元素的原子量近似等于其他两元素的算术平均值。平均值。1862年，法国的根古多认为元素的性年，法国的根古多认为元素的性质变化就是数量的变化，提出了螺旋线方法。质变化就是数量的变化，提出了螺旋线方法。他把他把6262种元素按原子量增大的顺序标记在一条种元素按原子量增大的顺序标记在一条螺旋线上，从而发现某些性质相近的元素处

26、在螺旋线上，从而发现某些性质相近的元素处在同一条母线上。他的这种方法显然已经揭示元同一条母线上。他的这种方法显然已经揭示元素的性质在原子量的序列上呈现出周期性的变素的性质在原子量的序列上呈现出周期性的变化。化。二、纽兰兹的八音律二、纽兰兹的八音律自然科学概论自然科学概论 1865 1865年，英国人纽兰兹提出了八音律。年，英国人纽兰兹提出了八音律。他他指出，元素若按原子量排序后，则其性质呈现指出，元素若按原子量排序后，则其性质呈现出每出每8 8个元素便重复的规律。个元素便重复的规律。自然科学概论自然科学概论 元素周期律是俄国的门捷列夫完成的。元素周期律是俄国的门捷列夫完成的。他研究了前人提出的

27、周期思想和研究的方法，他研究了前人提出的周期思想和研究的方法，经多年的努力于经多年的努力于18691869年发表了第一个周期表，年发表了第一个周期表，随后又在化学学会上宣读了一篇论文随后又在化学学会上宣读了一篇论文元素元素的属性和原子量的关系的属性和原子量的关系，阐述了他的周期，阐述了他的周期律。门氏周期律的要义是：按原子量排出的律。门氏周期律的要义是：按原子量排出的元素序列，其性质呈明显的周期性；原子量元素序列，其性质呈明显的周期性；原子量的大小决定元素的性质；按照周期律可以预的大小决定元素的性质；按照周期律可以预见许多未知的元素，也可以修改某些元素的见许多未知的元素，也可以修改某些元素的原

28、子量。原子量。三、门捷列夫的元素周期律三、门捷列夫的元素周期律自然科学概论自然科学概论 门捷列夫的理论起初并不被人们认可。门捷列夫的理论起初并不被人们认可。但是当他所预言的新元素被发现、被证实之但是当他所预言的新元素被发现、被证实之后，他的伟大发现终于为世人所公认。后，他的伟大发现终于为世人所公认。18751875年布瓦博德郎发现的类硅等都在门捷列夫的年布瓦博德郎发现的类硅等都在门捷列夫的预言之中，这充分显示了周期律伟大的科学预言之中，这充分显示了周期律伟大的科学意义。意义。 周期律的发现是元素学说的根本性革命。周期律的发现是元素学说的根本性革命。以往认为元素是孤立的，互不相关的。周期以往认为

29、元素是孤立的，互不相关的。周期律揭示了元素之间存在由量变到质变的周期律揭示了元素之间存在由量变到质变的周期性规律。周期律是现代化学的理论基础，使性规律。周期律是现代化学的理论基础，使化学成为一门理论科学。化学成为一门理论科学。自然科学概论自然科学概论 元素的周期律也启发了人们的哲学思考。元素的周期律也启发了人们的哲学思考。周期律恐怕不仅是元素性质的规律，也许是自周期律恐怕不仅是元素性质的规律，也许是自然界中的一条普遍规律。当我们考察任何一个然界中的一条普遍规律。当我们考察任何一个事物时，都应当想到，它很可能是遵循某种周事物时，都应当想到，它很可能是遵循某种周期法则的。期法则的。 虽然周期规律在

30、虽然周期规律在1919世纪世纪6060年代就被发现，年代就被发现，但是当时人们对它的认识并不深刻，对周期表但是当时人们对它的认识并不深刻，对周期表中存在的一些疑问也不能正确解答。到了中存在的一些疑问也不能正确解答。到了1919世世纪末，发现了纪末，发现了X X射线、放射性和电子之后，人射线、放射性和电子之后，人们开始了对原子的组成结构的研究，为正确深们开始了对原子的组成结构的研究，为正确深入地理解周期律创造了条件。入地理解周期律创造了条件。 自然科学概论自然科学概论 19131913年荷兰的法德布罗克根据卢瑟福的原年荷兰的法德布罗克根据卢瑟福的原子模型提出了一个假说：元素在周期表中的排子模型提

31、出了一个假说：元素在周期表中的排列序数等于它的核电荷数。列序数等于它的核电荷数。他的理由是，元素他的理由是，元素的核电荷数和元素在周期表中的序数都等于原的核电荷数和元素在周期表中的序数都等于原子量的一半，所以二者应该相等。同年，英国子量的一半，所以二者应该相等。同年，英国物理学家莫斯莱利用了巴克拉发现的元素的物理学家莫斯莱利用了巴克拉发现的元素的“特征特征X X线线”，得到了一个新的发现：把元素，得到了一个新的发现：把元素的特征的特征X X射线的波长排列起来，其排列顺序恰射线的波长排列起来，其排列顺序恰好等于元素在周期表中的顺序。好等于元素在周期表中的顺序。 四、元素周期表四、元素周期表自然科

32、学概论自然科学概论 于是他把这个序数称为原子序数。在提出于是他把这个序数称为原子序数。在提出原子序之后，原子序之后，1916年德国的克赛尔便以原子序年德国的克赛尔便以原子序数代替原子量制作了元素周期表。数代替原子量制作了元素周期表。这样就使得这样就使得周期律具有了新的表述：元素的性质是原子序周期律具有了新的表述：元素的性质是原子序数的周期函数。数的周期函数。 对元素放射性的研究引导出了同位素概念。对元素放射性的研究引导出了同位素概念。19191919年发现质子，年发现质子，19321932年发现中子，使人们认年发现中子，使人们认识到了同位素的本质：同一元素的各种同位素识到了同位素的本质：同一元

33、素的各种同位素含有相同数目的质子，但含有的中子数却是不含有相同数目的质子，但含有的中子数却是不同的，因而具有相同的化学性质，在周期表中同的，因而具有相同的化学性质，在周期表中应当处于同一个位置。应当处于同一个位置。自然科学概论自然科学概论 元素性质的周期变化与原子的结构有密切元素性质的周期变化与原子的结构有密切的联系。的联系。19131913年，玻尔建立了原子的量子化轨年，玻尔建立了原子的量子化轨道模型。这个模型被索末菲和泡利等人加以完道模型。这个模型被索末菲和泡利等人加以完善，成为原子核外电子的配布模型。按照这一善，成为原子核外电子的配布模型。按照这一模型，随着原子序数的递增，原子的最外电子

34、模型，随着原子序数的递增，原子的最外电子层的结构呈周期性的变化。于是元素的性质便层的结构呈周期性的变化。于是元素的性质便取决于原子中最外电子层的结构。由此可见，取决于原子中最外电子层的结构。由此可见，元素性质的周期律是原子内部结构周期性变化元素性质的周期律是原子内部结构周期性变化的表现。也就是说，元素性质的周期性与原子的表现。也就是说，元素性质的周期性与原子中电子层结构的周期性是相互对应的。中电子层结构的周期性是相互对应的。自然科学概论自然科学概论 现代无机化学的发展内容十分丰富。现现代无机化学的发展内容十分丰富。现在仅就近十几年发展起来的稀有元素化学、在仅就近十几年发展起来的稀有元素化学、络

35、合物化学等新学科加以介绍。络合物化学等新学科加以介绍。 稀有元素化学的研究对象是稀有金属元稀有元素化学的研究对象是稀有金属元素和稀有气体元素。稀有金属化学是素和稀有气体元素。稀有金属化学是2020世纪世纪4040年代发展起来的。它研究稀有金属的物理年代发展起来的。它研究稀有金属的物理和化学性质以及稀有金属的制取方法。稀有和化学性质以及稀有金属的制取方法。稀有气体化学是气体化学是6060年代以后兴起的。稀有气体也年代以后兴起的。稀有气体也称为称为“惰性气体惰性气体”。 自然科学概论自然科学概论 由于它们是由于它们是“零族元素零族元素”，不具有化学活，不具有化学活性，因而在性，因而在6060年代以

36、前惰性气体是不作为化学年代以前惰性气体是不作为化学对象的。早在对象的。早在19331933年，美国化学家鲍林曾预言年，美国化学家鲍林曾预言惰性元素也存在化合物，但是不能为人们接受。惰性元素也存在化合物，但是不能为人们接受。到了到了6060年代，事实否定了人们的陈旧观念。年代，事实否定了人们的陈旧观念。19621962年，英国的巴特莱特用六氟化铂的蒸汽和年，英国的巴特莱特用六氟化铂的蒸汽和shanshan化合成了六氟铂酸化合成了六氟铂酸shanshan。这一成果使化学。这一成果使化学界大为震惊。它消除了惰性元素和其他元素之界大为震惊。它消除了惰性元素和其他元素之间的人为鸿沟，填补了化学中的空白，

37、宣告了间的人为鸿沟，填补了化学中的空白，宣告了稀有气体化学的诞生。稀有气体化学的诞生。自然科学概论自然科学概论 数十年来，稀有气体化学在理论和应用数十年来，稀有气体化学在理论和应用两方面都取得了重大的进展。两方面都取得了重大的进展。 络合物化学产生于络合物化学产生于1919世纪末。当时为了说世纪末。当时为了说明络合物的化学特性，提出过不少的假说。明络合物的化学特性，提出过不少的假说。瑞士的维尔纳于瑞士的维尔纳于18931893年提出的年提出的“配位理论配位理论”是影响最大的。维尔纳引入了金属的是影响最大的。维尔纳引入了金属的“副价副价”概念，认为金属元素除了主价（即离子价）概念，认为金属元素除

38、了主价（即离子价）之外，还有能接受负离子或中性分子的付价；之外，还有能接受负离子或中性分子的付价；副价又称为配位数。副价又称为配位数。 自然科学概论自然科学概论 副价的作用是形成络合物。由于金属的副价的作用是形成络合物。由于金属的副价一半是副价一半是4 4或或6 6，而且具有方向性，从而造，而且具有方向性，从而造成了络合物的立体异构现象。这一理论的提成了络合物的立体异构现象。这一理论的提出，不但扩大了化合价的外延，而且圆满地出，不但扩大了化合价的外延，而且圆满地解释了络合物的化学性质。由于副价违背了解释了络合物的化学性质。由于副价违背了传统的化合价理论，因而人们曾一度把络合传统的化合价理论，因

39、而人们曾一度把络合物称为物称为“错合物错合物”。以后的事实证明，物质。以后的事实证明，物质并没有发生错合，人们的传统观念是错误的。并没有发生错合，人们的传统观念是错误的。自然科学概论自然科学概论 早在早在2020世纪的上半叶，人们根据维尔纳理世纪的上半叶，人们根据维尔纳理论预测了大量的络合物，并且由此进行合成和论预测了大量的络合物，并且由此进行合成和研究，从而使络合物化学迅速发展起来。近研究，从而使络合物化学迅速发展起来。近2020年来，对络合物中化学键作了进一步的研究，年来，对络合物中化学键作了进一步的研究，又合成出了许多有机分子与过渡金属离子所形又合成出了许多有机分子与过渡金属离子所形成的

40、络合物。这一成果再一次证明有机物和无成的络合物。这一成果再一次证明有机物和无机物之间不存在不可逾越的界限。到目前为止，机物之间不存在不可逾越的界限。到目前为止，人们发现合成的络合物数量远远地超过了一般人们发现合成的络合物数量远远地超过了一般的无机化合物。因而络合物化学已经成为现代的无机化合物。因而络合物化学已经成为现代化学的一个重要分支。化学的一个重要分支。自然科学概论自然科学概论 有机化学是研究有机化合物的来源、制备、有机化学是研究有机化合物的来源、制备、结构、性质、用途和相关理论的学科。结构、性质、用途和相关理论的学科。它主要它主要包括有机合成化学、元素有机化学、天然有机包括有机合成化学、

41、元素有机化学、天然有机化学、立体化学等分支学科。化学、立体化学等分支学科。 原子原子分子论的确立对有机化学的发展产分子论的确立对有机化学的发展产生了极大的促进作用。起初，有机化学主要研生了极大的促进作用。起初，有机化学主要研究有机化合物的提纯、分析与合成。但是在原究有机化合物的提纯、分析与合成。但是在原子子分子论建立之后，有机化学的重点便转向分子论建立之后，有机化学的重点便转向了研究有机化合物的结构理论。了研究有机化合物的结构理论。5.3 5.3 有机化学的发展有机化学的发展自然科学概论自然科学概论 人类在人类在1919世纪以前接触和认识的有机物一世纪以前接触和认识的有机物一直是天然的物质。由

42、于受到力学的影响，人直是天然的物质。由于受到力学的影响，人们认为生物体之中存在着维持生命的一种动们认为生物体之中存在着维持生命的一种动力称为生命力，故而有机物只能在生物的有力称为生命力，故而有机物只能在生物的有机体内靠生命力产生，决不能在实验室中制机体内靠生命力产生，决不能在实验室中制取。取。18281828年，德国的化学家维勒在实验中发年，德国的化学家维勒在实验中发现：动物体内的有机物尿素竟然可以在实验现：动物体内的有机物尿素竟然可以在实验室中制取出来。室中制取出来。尿素是人类合成的第一种有尿素是人类合成的第一种有机物。机物。尿素的合成是有机化学发展中的重大尿素的合成是有机化学发展中的重大突

43、破。突破。一、尿素一、尿素-人类合成的第一种有机物人类合成的第一种有机物自然科学概论自然科学概论 它否定了生命力论，证明无机界和有机界是它否定了生命力论，证明无机界和有机界是相联系、相统一的，为有机合成打开了大门。相联系、相统一的，为有机合成打开了大门。因此它是化学史上的一个重要的里程碑。因此它是化学史上的一个重要的里程碑。 人工合成尿素之后，有机合成的技术迅速发人工合成尿素之后，有机合成的技术迅速发展。展。18451845年，德国的柯尔伯用木炭、硫磺、氯年，德国的柯尔伯用木炭、硫磺、氯和水合成了醋酸。这是第一个从单质开始的有和水合成了醋酸。这是第一个从单质开始的有机合成。接着合成油脂、合成糖

44、等都陆续实现机合成。接着合成油脂、合成糖等都陆续实现了。了。自然科学概论自然科学概论 1919世纪中叶以后，有机合成由实验室转向世纪中叶以后，有机合成由实验室转向工厂，产生了以煤焦油为原材料的合成工业，工厂，产生了以煤焦油为原材料的合成工业，从煤焦油中提炼出了大量的芳香族有机化合物。从煤焦油中提炼出了大量的芳香族有机化合物。18881888年，由焦炭制成了电石。于是有机合成工年，由焦炭制成了电石。于是有机合成工业蓬勃发展起来。业蓬勃发展起来。 人工合成的有机物越来越多，化学家进一人工合成的有机物越来越多，化学家进一步发现碳、氢、氧是构成有机物的主要元素。步发现碳、氢、氧是构成有机物的主要元素。

45、这就产生了一个非常重要的理论问题：由很少这就产生了一个非常重要的理论问题：由很少的几种元素怎么会合成种类繁多的有机物？不的几种元素怎么会合成种类繁多的有机物？不同的有机物，结构不同。必须研究有机物的结同的有机物，结构不同。必须研究有机物的结构才能对有机物的性质和种类有所明了。构才能对有机物的性质和种类有所明了。自然科学概论自然科学概论 18321832年，李毕希和维勒发现许多有机化合年，李毕希和维勒发现许多有机化合物都有一个共同的基团，于是提出基团理论，物都有一个共同的基团，于是提出基团理论，认为有机物是由基团组成的。认为有机物是由基团组成的。18341834年杜马发现年杜马发现基团并不确定基

46、团并不确定; ;基团中的原子可以被别的原子基团中的原子可以被别的原子代替而不改变类型。杜马由此提出类型理论。代替而不改变类型。杜马由此提出类型理论。 集团论和类型论都没能解决有机物的分类集团论和类型论都没能解决有机物的分类问题。后来发现，建立有机物的结构理论，做问题。后来发现，建立有机物的结构理论，做出正确的分类，必须具备正确的原子价概念。出正确的分类，必须具备正确的原子价概念。18521852年，英国化学家弗兰克兰发现，原子在化年，英国化学家弗兰克兰发现，原子在化合时能力是有一定限制的，从而提出合时能力是有一定限制的，从而提出“饱和能饱和能力力”的概念。的概念。 自然科学概论自然科学概论 1

47、8581858年凯库勒发展了这种思想，提出了原年凯库勒发展了这种思想，提出了原子数也就是原子价的概念。子数也就是原子价的概念。他指出碳的原子价他指出碳的原子价是是4 4，并提出了碳原子之间可以互相连接而成，并提出了碳原子之间可以互相连接而成为链状结构。为链状结构。18611861年，俄国化学家布特洛夫提年，俄国化学家布特洛夫提出出“化学结构化学结构”概念。他指出有机物的化学性概念。他指出有机物的化学性质和结构之间存在一定的对应关系；性质和结质和结构之间存在一定的对应关系；性质和结构是可以互相推断的。这个论断是有机结构理构是可以互相推断的。这个论断是有机结构理论的里程碑。论的里程碑。 二、化学结

48、构概念的提出二、化学结构概念的提出自然科学概论自然科学概论 有机化学在有机化学在1919世纪取得了重要的成果，不世纪取得了重要的成果，不但阐明了复杂有机物的结构，而且能依据一定但阐明了复杂有机物的结构，而且能依据一定的结构合成出众多的有机物，使人类进人了有的结构合成出众多的有机物，使人类进人了有机合成时代。机合成时代。 进入进入2020世纪之后，有机化学得到进一步的世纪之后，有机化学得到进一步的发展，对于金属有机化合物和天然有机化合物发展，对于金属有机化合物和天然有机化合物的研究取得了重要成果。生素，完成了结构测的研究取得了重要成果。生素，完成了结构测定和合成定和合成. .自然科学概论自然科学

49、概论 金属有机物化合物也称有机金属化合物，是金属有机物化合物也称有机金属化合物，是金属原子直接与碳原子相连接而形成的有机化合金属原子直接与碳原子相连接而形成的有机化合物。物。早在早在18491849年，英国的弗兰克便在实验室中制年，英国的弗兰克便在实验室中制成了这种化合物。金属有机物的发现是产生原子成了这种化合物。金属有机物的发现是产生原子价学说以及以后的许多重要理论的出发点。价学说以及以后的许多重要理论的出发点。1919世世纪纪6060年代，成功地用二甲基碲合成了叔丁醇，使年代，成功地用二甲基碲合成了叔丁醇，使得化学家得到了极大地启发，认识到在有机合成得化学家得到了极大地启发，认识到在有机合

50、成中也可以利用其它的金属有机物。中也可以利用其它的金属有机物。三、金属有机物化合物三、金属有机物化合物自然科学概论自然科学概论 19011901年，法国的格林尼亚便首先制成了卤年，法国的格林尼亚便首先制成了卤化镁有机化合物。用这种物质做试剂很容易制化镁有机化合物。用这种物质做试剂很容易制取醇类等有机化合物。于是后人将这种卤化镁取醇类等有机化合物。于是后人将这种卤化镁有机化合物称为格林尼亚试剂。有机化合物称为格林尼亚试剂。 在金属有机物中，铝有机物的发现也具有在金属有机物中，铝有机物的发现也具有重要意义。重要意义。2020世纪世纪5050年代初期，德国的齐格勒年代初期，德国的齐格勒发现三烷基铝很

51、容易和烯烃起加成反应，从而发现三烷基铝很容易和烯烃起加成反应，从而生成长碳链的含铝有机物。使用这种方法可以生成长碳链的含铝有机物。使用这种方法可以由便宜的天然气制取非常贵重的物质。由便宜的天然气制取非常贵重的物质。自然科学概论自然科学概论 19531953年，他又和意大利的纳塔发现：由三年，他又和意大利的纳塔发现：由三乙基铝和钛的氯化物主成的物质能够使烃在低乙基铝和钛的氯化物主成的物质能够使烃在低压下迅速聚合。这种物质体系便是著名的齐压下迅速聚合。这种物质体系便是著名的齐纳催化剂。这种金属有机催化剂的发现极大纳催化剂。这种金属有机催化剂的发现极大地促进了高分子化学工业。地促进了高分子化学工业。

52、 近几十年来，人们研究了很多的金属有机近几十年来，人们研究了很多的金属有机物，如铅有机物、过渡金属有机物等。四乙基物，如铅有机物、过渡金属有机物等。四乙基铅是最为著名的铅有机物；它是汽油抗爆添加铅是最为著名的铅有机物；它是汽油抗爆添加剂。过渡金属有机物在有机合成中也有重要的剂。过渡金属有机物在有机合成中也有重要的用途。用途。 自然科学概论自然科学概论 2020世纪世纪5050年代，英、美、苏等国的科学家年代，英、美、苏等国的科学家发现了一种结构和性质都十分特殊的铁有机物发现了一种结构和性质都十分特殊的铁有机物二基铁。由于金属有机物的组成、结构性质、二基铁。由于金属有机物的组成、结构性质、用途都

53、十分特殊，引起了人们对其成键本质的用途都十分特殊，引起了人们对其成键本质的关注，从而促进了化学键理论的发展。这类物关注，从而促进了化学键理论的发展。这类物质的发现再一次打破了无机物和有机物的界限，质的发现再一次打破了无机物和有机物的界限，使人们认识到无机和有机的区别是相对的，加使人们认识到无机和有机的区别是相对的，加速了对金属有机化合物的研究。速了对金属有机化合物的研究。自然科学概论自然科学概论 天然有机化学是研究天然有机物的组成、天然有机化学是研究天然有机物的组成、性质和用途的科学。性质和用途的科学。它研究的对象是糖类、它研究的对象是糖类、蛋白质、核酸、生物碱、堖族化合物、萜类蛋白质、核酸、

54、生物碱、堖族化合物、萜类等物质。糖类包括单糖、二糖和多糖等，在等物质。糖类包括单糖、二糖和多糖等，在自然界中分布很广。这一类化合物的化学式自然界中分布很广。这一类化合物的化学式曾表示曾表示 为，因而一直被称为碳水化为，因而一直被称为碳水化合物。合物。19世纪时人们确定了最常见的糖类的世纪时人们确定了最常见的糖类的组成、结构及化学性质，并且发现了鉴定糖组成、结构及化学性质，并且发现了鉴定糖化学式的方法。化学式的方法。 2()nmCH O四、天然机物化学四、天然机物化学自然科学概论自然科学概论 那时德国化学家费歇尔的贡献很突出。那时德国化学家费歇尔的贡献很突出。他在他在1919世纪世纪8080年代

55、发现了糖类的苯肼鉴定法年代发现了糖类的苯肼鉴定法和乙醛糖的直链结构。和乙醛糖的直链结构。18911891年，他又确定了年，他又确定了一些单糖的构型。糖的结构式表明，糖分子一些单糖的构型。糖的结构式表明，糖分子中的氢和氧并没有结合成水的分子，因而碳中的氢和氧并没有结合成水的分子，因而碳水化合物的说法是不正确的。人们于是改用水化合物的说法是不正确的。人们于是改用糖类这一名称，代替原来说的碳水化合物。糖类这一名称，代替原来说的碳水化合物。进入进入2020世纪之后，糖化合物又有了新的发展。世纪之后，糖化合物又有了新的发展。1925193019251930年间，英国的哈武斯用化学方法年间，英国的哈武斯用

56、化学方法测定了一些单糖的环状结构。测定了一些单糖的环状结构。自然科学概论自然科学概论 随后人们又测定了二糖和多糖的环状结构。随后人们又测定了二糖和多糖的环状结构。4040年代，哈武斯等人进一步详细地论述了糖类年代，哈武斯等人进一步详细地论述了糖类的环状结构，并指出淀粉和纤维素性质上差别的环状结构，并指出淀粉和纤维素性质上差别的原因是的原因是xdxd结构与结构与BdBd构型的差异。构型的差异。5050年代之后年代之后由于分子生物学和医学的需要，人们又对糖脂由于分子生物学和医学的需要，人们又对糖脂糖蛋白的结构和功能展开了深入的研究。糖蛋白的结构和功能展开了深入的研究。 蛋白质是类似于鸟蛋中的白色物

57、质。蛋白质是类似于鸟蛋中的白色物质。1919世世纪时，人们从生物体中分离出了蛋白质，并且纪时，人们从生物体中分离出了蛋白质，并且在蛋白质的水解产物中分离出了甘氨酸和亮氨在蛋白质的水解产物中分离出了甘氨酸和亮氨酸。此后又陆续地发现了蛋白质中的许多种氨酸。此后又陆续地发现了蛋白质中的许多种氨基酸，并确定了它们的构型。基酸，并确定了它们的构型。 自然科学概论自然科学概论 由于上述的成果，人们便提出了一个重由于上述的成果，人们便提出了一个重要问题：要问题：氨基酸是如何结合成蛋白质的？氨基酸是如何结合成蛋白质的？1902年，年，E费歇尔提出了费歇尔提出了“多肽结构多肽结构”学说，学说，认为蛋白质分子是许

58、多氨基酸用肽链连接起认为蛋白质分子是许多氨基酸用肽链连接起来的多肽链。来的多肽链。1907年，他合成出了年，他合成出了18肽链，肽链，初步证实了自己的多肽学说。到了第二次世初步证实了自己的多肽学说。到了第二次世界大战之后，由于离心机和色层分析法的运界大战之后，由于离心机和色层分析法的运用，又把蛋白质的结构分析向前推进了一步。用，又把蛋白质的结构分析向前推进了一步。英国的化学家桑格在确定蛋白质的结构方面英国的化学家桑格在确定蛋白质的结构方面做出了巨大的贡献。做出了巨大的贡献。 自然科学概论自然科学概论 19451945年他创立了二硝基氟苯法；并使用这年他创立了二硝基氟苯法；并使用这种方法于种方法

59、于19531953年完成了胰岛素中年完成了胰岛素中5151个氨基酸个氨基酸序列的分析。这项成就为人工合成胰岛素奠定序列的分析。这项成就为人工合成胰岛素奠定了基础。了基础。19651965年中国人成功地合成了具有生年中国人成功地合成了具有生物活性的牛胰岛素。这项成就突破了一般有机物活性的牛胰岛素。这项成就突破了一般有机分子和生物大分子的界限。它是探索生命起源分子和生物大分子的界限。它是探索生命起源的重要一步，带来了人工合成生命的希望。它的重要一步，带来了人工合成生命的希望。它打破了生命的界限，证明了物质的统一性。打破了生命的界限，证明了物质的统一性。 关于核酸的研究是从关于核酸的研究是从1919

60、世纪下半叶开始世纪下半叶开始的。的。18691869年，瑞士的米歇尔发现了核酸。年，瑞士的米歇尔发现了核酸。1919世纪末，德国的克希尔证明：核酸主要由四种世纪末，德国的克希尔证明：核酸主要由四种碱基以及磷酸和糖组成。碱基以及磷酸和糖组成。 自然科学概论自然科学概论 2020世纪初期，克希尔的学生列文对核酸的世纪初期，克希尔的学生列文对核酸的组成和结构做了系统的研究。组成和结构做了系统的研究。19301930年，列文把年，列文把核酸分为核糖核酸（核酸分为核糖核酸（RNARNA）和脱氧核糖核酸）和脱氧核糖核酸（DNADNA）。）。此后，列文等人研究核酸的结构，于此后，列文等人研究核酸的结构，于1