从化学的角度看世界课件

1、大 学 化 学化学化工学院大楼上海交通大学上海交通大学化学化工学院大学化学教研室教材 吴旦，刘萍，朱红 主编从化学的角度看世界 2006年1月第一版 化学工业出版社学习参考书学习参考书第1章 从化学的角度看世界什么是化学？化学的作用和未来本课程学习的目的授课特点考核重点一、什么是化学化学是研究分子层次范围内的物质的结构和能量变化的科学；化学是分子科学，是物质科学的基础学科之一；化学是一门中心的，实用的创造性的科学。 物质的层次：层次典型尺寸/m实例理论胀观1040？宇观1021银河星系太阳系广义相对 论宏观102篮球场牛顿力学微观1017大分子基本粒子量子力学渺观1036？超弦 物质的层次：物

2、质的结构：原子结构、分子结构、晶体结构；能量变化：物质变化（化学变化）过程中伴随的功和热的转换关系。1. 简话化学发展(1) 实用和自然哲学时期(公元前后)1.1 古代化学(15世纪以前) 100万年前，原始社会，火的利用； 公元前3000年左右，奴隶社会，以实用化学工艺为特征：埃及：炼铁、鞣制皮革、提取药物香料、制造陶器公元前2500-2000年，中国铜的冶炼技术，殷代青铜器公元前一世纪，中国发明了造纸术商代青铜器(铜锡合金)1.1 古代化学 关于宇宙的结构问题，最早的见解是我国商末（约公元前1140年）出现在“易经”中的“八卦”和“五行”学说。 公元前五世纪，安培多克尔(Empedocle

3、s)提出宇宙是由水、火、气、土“四原质”构成的。公元前400年 德谟克利特提出朴素的原子论。公元前四世纪，亚里斯多德(Aristotle)提出冷、热、干、湿的“四原性”学说1. 简话化学发展Immortal Philosopher of AntiquityAristotle384 - 322 B.C.Plato427-347 B.C.1. 简话化学发展1. 简话化学发展热干冷湿火空气水土亚里斯多德认为把“原性”取出或放入，“原质”就可以相互转化；该哲学思想支配了人们达两千年之久，使化学走上了炼金、炼丹的歧途。四原说示意图1.1 古代化学1. 简话化学发展(2) 炼金术、炼丹术时期(公元前后公元

4、1500年) 封建社会，中国道家化学炼丹（Pb3O4、HgS） 公元二世纪，东汉魏伯阳著有世界最早炼丹术文献 公元四世纪，东晋葛洪著有炼丹术巨著，发现了反应的可逆性（HgSHg; Pb3O4 Pb）以及金属间的取代（Fe和Cu盐） 这段时期，化学走入了歧途，但积累了更多的化学知识，提高了实验技术，制作了操作器皿。1.1 古代化学1. 简话化学发展(3) 医化学时期(公元15001700年) 16世纪初，欧洲资本主义工业的发展迫使化学走上正路 炼金术改革，化学方法制成药剂（无机物） 明代李时珍本草纲目，列有中药材、矿物1000多种并附有制备方法、性质介绍 明代宋应星著有天工开物(1639年)，总

5、结了我国的工业技术1.1 古代化学1. 简话化学发展(4) 燃素说时期(公元17001774年) 英国的波义尔(Boyle)提出各种物质的微粒都是由基本粒子的不同聚集体构成的。对燃烧现象认为火是由一种实在的、具有重量的火微粒构成的。 1700年，德国的施塔尔(Stahl)提出“燃素说”，清除了“原性”学说。 法国拉瓦锡(Lavoisier)的燃烧的氧学说，近代化学由此萌芽。1.1 古代化学Robert Boyle (1627-1691) founder of Royal Society of London contemporary of Newton wealthy, practiced sc

6、ience as hobby performed experiments rather than just observing and speculating discovered gas law Boyles Lawpressure is inversely proportional to volume Worked to establish a mechanistic chemistry Published The Sceptical Chymist 1661STAHL, GEORG (1659 - 1734) The Phlogiston TheoryChemistry was so u

7、nderdeveloped at the time Lavoisier gained interest in it that it could hardly be called a science. The prevailing view of combustion was the Phlogiston Theory which involved a weightless or nearly weightless substance known as phlogiston. Metals and fire were considered to be rich in phlogiston and

8、 earth was considered oxygen poor. 1. 简话化学发展1.2 近代化学的创立近代化学归功于天平的使用，定量阶段1748年，罗蒙诺索夫的质量不灭定律1774年，拉瓦锡(Lavoisier)的氧化理论18世纪末，普劳斯特(Proust)的定比定律1803年，道尔顿(Dalton)倍比定律、当量定律、原子学说、相对原子量概念1808年，盖.吕萨克(Gay-Lussac)的气体反应体积定律1811年，亚佛加德罗(Avogadro)定律和分子概念1869年门捷列夫的元素周期律氧气的发现者普利斯特里(Joseph Priestly) ，英国舍勒(Carl Wilhelm

9、Scheele)，瑞典拉瓦锡(Antoine Lavoisier)，法国Father of modern chemistryunfortunate association with a company organized to collect taxes for King Louisdied at guillotine of no use to the New Republic of Franceheadless body buried in unmarked graveShowed conservation of mass in chemical reactionsinvented prec

10、ise scale to weigh small amounts of matteraccurate to 0.0005 grams, about 1/100 of a drop of watermass of all reactants = mass of all productscannot create matter from nothing, can only change formmatter is not created from nothing, only changes form during chemical reactionsDalton,John(1766-1844)En

11、glish meteorologist who switched to chemistry when he saw the applications for chemistry of his ideas about the atmosphere. He proposed the Atomic Theory in 1803 which stated that(1) all matter was composed of small indivisible particles termed atoms(2) atoms of a given element possess unique charac

12、teristics and weight(3) three types of atoms exist: simple (elements), compound (simple molecules), and complex (complex molecules).Daltons theory was presented in New System of Chemical Philosophy (1808-1827). This work identified chemical elements as a specific type of atom, therefore rejecting Ne

13、wtons theory of chemical affinities.Amadeo AvogadroJoseph Louis Gay-Lussac and Jean-Baptistse Biot in their balloon on 24 August 1804Joseph Louis Gay-Lussac2. 化学学科的分支及其形成化学与其他学科交叉形成多种边缘学科： 生物无机化学、环境化学、农业化学、材料化学、地球化学、储层化学、放射化学、计算化学、星际化学，高分子化学等。无机化学分析化学有机化学物理化学四大基础化学2.1 化学的分支2.2 化学分支的形成 无机化学无机化学定义：除去碳

14、氢化合物和其大多数衍生物外，无机化学是对所有元素和它们的化合物及反应进行实验研究和理论解释的科学。 最初的化学是无机化学。如：青铜、陶瓷、彩陶、点金术、炼丹术、黑火药等；以门捷列夫、Meyer元素周期律为标志，标志现代无机化学形成2. 化学学科的分支及其形成Dimitri Mendeleev Draft for first version of Mendeleevs periodic table (17 Feb. 1869).Julius Lothar Meyer分析化学：含量的测定、成分的分析、结构的表征，是分析化学的三大领域。分析天平的使用定量概念的建立高新仪器的发明和使用为分析化学的发展

15、起到了重要的作用。贝采里乌斯分析天平的使用和定量分析的建立是分析化学的标志。2.2 化学分支的形成2. 化学学科的分支及其形成贝采里乌斯：原子量的测定；电荷的概念(二元论)；化学符号和化学方程式的创始人；分析化学之父贝采里乌斯测定原子量使用的天平Jns Jakob Berzelius 2.2 化学分支的形成有机化学十九世纪初，李比希(Liebig)，分析了大量的有机化合物1824年，德国化学家维勒(Whler)成功合成了尿素1834年，法国的杜马(Dumas)，系统定量地研究了卤化反应，提出了“取代学说”1842年，日拉尔提出了有机化合物同系列的概念弗兰克兰的原子价学说凯库勒的原子链学说，18

16、65年，提出苯的环状结构学说有机立体化学的兴起，有机结构理论的发展十九世纪后半期，有机化学飞速发展2. 化学学科的分支及其形成Justus von Liebig Friedrich August KekulFriedlich Whler2.2 化学分支形成物理化学 物理化学是从物质的物理现象和化学现象的联系入手来探求化学变化规律的一门科学物理化学的创立和建设：1) 气体理论和溶液理论的建立2) 热化学与化学热力学的发展3) 电化学的建立和发展4) 化学动力学的发展5) 结构化学的产生和发展2. 化学学科的分支及其形成Svante August Arrhenius 电离学说J. Willard

17、Gibbs化学热力学The laboratory apparatus designed by Fritz Haber and Robert Le Rossignol for producing ammonia from hydrogen and nitrogen化学动力学与分子反应动态学研究化学反应是如何进行的，揭示化学反应的历程和研究物质的结构与其反应能力之间的关系，是控制化学反应过程的需要。美籍华人李远哲（1986年化学奖）交叉分子束技术物理化学2.2 化学分支形成高分子化学 天然高分子材料：蛋白质，淀粉；棉、麻、丝、毛天然橡胶的硫化(1839年)；硝化纤维(1868年)；粘胶纤维(189

18、3-1898年)合成高分子材料：塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂1909年，酚醛树脂工业化1920年，Staudinger首先提出高分子的概念，获1953年诺贝尔奖Flory提出高分子理论，获1974年诺贝尔奖2. 化学学科的分支及其形成3.现代化学的若干基本问题反应过程与控制合成化学基于能量转换的化学反应新反应途径与绿色化学设计反应纳米化学与单分子化学复杂体系的组成、结构与功能间关系研究物质的表征、鉴定与测试方法4.化学研究的方法和特点 实践性强 ； 看似琐碎；统计、归纳；实践中创新。 二、化学的作用和未来1.目前全球关注的四大热点问题：环境的保护能源的开发和利用新材料的研制生命科学化学与国防

19、化学对健康和生命的贡献（药物化学）化学与衣服装 食农业，食品 住住房和家庭陈设品方面的作用（建 筑材料） 行交通工具、燃料2.化学是一门实用的科学：B-2战略轰炸机每架造价高达22亿美元的B-2战略轰炸机，是世上迄今最昂贵的飞机。机身采用翼身融合、无尾翼的飞翼构形，机翼前缘交接于机头处，机翼后缘呈锯齿形。机身机翼大量采用石墨-碳纤维复合材料、蜂窝状结构，表面有吸波涂层，发电机的喷口置于机翼上方。这种独特的外形设计和材料，能有效地躲避雷达的探测，达到良好的隐形效果. 我们身边的化学3.化学与其他学科交叉渗透生命科学 1953年英国自然杂志发表了英国克里克和美国沃特森的DNA双螺旋结构的分子模型，

20、通过X-射线结构分析确定了生命物质-核酸的空间结构。DNA双螺旋结构的解析奠定了当今分子生物学的基础。二人因此而获得1962年诺贝尔生理和医学奖。DNA双螺旋结构DNA分子中碱基配对关系及形成氢键情况生物大分子的结构分析方法 2002年的诺贝尔化学奖是奖励三位科学家发明了生物大分子的结构分析方法，可以迅速、可靠地确认蛋白质，更好的了解蛋白质在细胞中的作用。给新药的开发带来革命性的变化，也为更好地诊断出癌症带来了希望。3.化学与其他学科交叉渗透环境科学 1995年诺贝尔化学奖授予三位大气环境化学家墨西哥 Molina、美 Rowland、荷兰 Crutzen。他们首先提出了平流层臭氧破坏的化学机制，包括Nox理论（Crutzen）和CFCs (Rowland和Molina) 理论。这些理论对南极“臭氧洞”的发现，并导致蒙特利尔议定书的签定，为保护全球环境作出了重大贡献。3.化学与其他学科交叉渗透医药20世纪人类寿命显著延长。1900年，美国平均寿命为49岁，1976年为73岁，200