现代化学与中学化学(介绍：化学)共104张课件

1、现代化学与中学化学第1页，共104页。现代化学与中学化学第1页，共104页。四二讲座内容现代化学的兴起三三化学的地位和成就现代化学的贡献一二现代化学发展的趋势分析五初中化学课程中的现代化学内容第2页，共104页。四二讲座内容现代化学的兴起三三化学的地位和成就现代化学的贡献一、现代化学的兴起1、化学是什么？化学的内涵随时代前进而改变。 化学发展史大致分为四个时期：炼丹术和医药化学时期；燃素化学时期；定量化学时期，即近代化学时期；化学相互渗透时期，即现代化学时期。第3页，共104页。一、现代化学的兴起1、化学是什么？化学的内涵随时代前进而改变化学发展史大致分为四个时期从公元前1500年到公元165

2、0年，为炼丹术和炼金术时期。这一时期积累了许多物质间的化学变化，为化学的进一步发展准备了丰富的素材。这是化学史上令我们惊叹的雄浑的一幕。第一个时期 炼丹术和医药化学时期在欧洲文艺复兴时期，出版了一些有关化学的书籍，第一次有了“化学”这个名词。英语的chemistry起源于alchemy，即炼金术。chemist至今还保留着两个相关的含义：化学家和药剂师。这些可以说是化学脱胎于炼金术和制药业的文化遗迹了。第4页，共104页。化学发展史大致分为四个时期从公元前1500年到公元1650年化学发展史大致分为四个时期第二个时期 燃素化学时期从1650年到1775年，随着冶金工业和实验室经验的积累，人们总

3、结感性知识，认为可燃物能够燃烧是因为它含有“燃素”，燃烧的过程是可燃物中燃素放出的过程，可燃物放出燃素后成为灰烬。炼丹术、炼金术几经盛衰，使人们更多地看到了它荒唐的一面。化学方法转而在医药和冶金方面得到了正当发挥。第5页，共104页。化学发展史大致分为四个时期第二个时期 燃素化学时期从16化学发展史大致分为四个时期第三个时期定量化学时期，即近代化学时期17751777年，拉瓦锡用定量化学实验阐述了燃烧的氧化学说，开创了定量化学时期。这一时期建立了不少化学基本定律，提出了原子学说，发现了元素周期律，发展了有机结构理论。所有这一切都为现代化学的发展奠定了坚实的基础。 1777年 ，法国的拉瓦锡发表

4、燃烧概论推翻了燃素说。第四个时期科学相互渗透时期，既现代化学时期第6页，共104页。化学发展史大致分为四个时期第三个时期定量化学时期，即近代化学的内涵在19世纪，恩格斯认为：“化学研究是原子的科学”自然辩证法。因为化学是研究化学变化，即改变原子的组合和排布，而原子本身不变的科学。 化学从研究原子、分子片、分子、超分子、生物大分子到分子的各种不同尺度和不同复杂程度的聚集态的合成反应、分离和分析、结构形态、物理性能和生物活性及其规律和应用的科学。近代化学的内涵20世纪，人们认为：“化学是研究分子的科学。”现代化学的内涵第7页，共104页。化学的内涵在19世纪，恩格斯认为：“化学研究是原子的科学”2

5、、现代化学的兴起1803年道尔顿提出原子论，其主要内容：物质是由具有一定质量的原子构成的；元素是由同一种类的原子构成的；化合物是由构成该化合物成分的元素的原子结合而成的；原子是化学作用的最小单位，它在化学变化中不会改变。 19 世纪的近代化学是从道尔顿原子论、门捷列夫元素周期律等在原子的层次上认识和研究化学。1869年俄国科学家门捷列夫发现了元素周期律和元素周期表，使化学世界变得有规律可循。第8页，共104页。2、现代化学的兴起1803年道尔顿提出原子论，其主要内容：物原子论的意义原子论成功地解释了不少化学现象；在理论上统一解释了一些化学基本定律和化学实验事实，揭示了质量守恒定律、当量定律、定

6、比定律和倍比定律的内在联系。标志着人类对物质结构的认识前进了一大步。为以后物理、化学、生物的发展奠定了理论基础，特别是促进了化学的迅速发展，开辟了化学全面、系统发展的新时期。化学由宏观进入到微观的层次，使化学研究建立在原子和分子水平的基础上。第9页，共104页。原子论的意义原子论成功地解释了不少化学现象；第9页，共1042、现代化学的兴起 20世纪人类对物质需求的日益增加以及科学技术的迅猛发展，极大地推动了化学学科自身的发展。由于物理学的长足发展，使化学和物理学有了更多共同的语言，解决了化学上许多未决的问题，化学理论逐步完善。19 世纪末，物理学上出现了三大发现，即X 射线、放射性和电子。这些

7、新发现猛烈地冲击了道尔顿关于原子不可分割的观念，从而打开了原子和原子核内部结构的大门，揭露了微观世界中更深层次的奥秘。第10页，共104页。2、现代化学的兴起 20世纪人类对物质需求的日益增加以及科学2、现代化学的兴起 热力学等物理学理论引入化学以后，利用化学平衡和反应速度的概念，可以判断化学反应中物质转化的方向和条件，从而开始建立了物理化学，把化学从理论上提高到了一个新的水平。用量子力学的基本原理和方法研究化学问题，在量子力学建立的基础上发展起来的化学键理论，使人类进一步了解了分子结构与性能的关系。化学不仅形成了完整的理论体系，而且在理论的指导下，化学实践为人类创造了丰富的物质。且从19世纪

8、的近代化学进步到20世纪的现代化学。第11页，共104页。2、现代化学的兴起 热力学等物理学理论引入化学以后，利用化学3、现代化学与其它学科相互交叉、渗透现代化学的兴起使化学从无机化学和有机化学的基础上，发展成为多分支学科的科学，开始建立了以无机化学、有机化学、分析化学、物理化学和高分子化学为分支学科的化学学科 。现代化学在分子的层次上认识和研究化学。如对组成分子的化学键的本质、分子的强相互作用和弱相互作用、分子催化、分子的结构与功能关系的认识。 化学向生物学学科渗透，使过去很难解决的蛋白质、酶等结构问题得到深入的研究；对生物分子的结构与功能关系的研究促进了生命科学的发展。第12页，共104页

9、。3、现代化学与其它学科相互交叉、渗透现代化学的兴起使化学从无二、化学学科的地位和成就1. 化学学科的地位人类生存：20世纪初，化学提供肥料（合成氨），合成高分子材料，石油化工产品。 20世纪人类认识和利用物质经历了人类生存、人类生存质量、人类生存安全三个历史阶段。人类生存质量：化学创造了许多饲料和肥料添加剂，食品添加剂，生产更多、更可口食物；创造了许多功能材料；创造了许多药物和诊断方法，战胜和消灭了一些疾病。人类生存安全： 20世纪末资源问题？环境问题？第13页，共104页。二、化学学科的地位和成就1. 化学学科的地位人类生存：20世1. 化学学科的地位信息技术：包括无线电、半导体、芯片、集

10、成电路、计算机、通讯和网络等的； 生物技术：基因重组、克隆和生物芯片等；核科学和核武器技术； 航空航天和导弹技术；激光技术：纳米技术： 20世纪发明了六大技术但很少人提到包括新药物、新材料、高分子、化肥、农药、化学合成技术。上述六大技术均与化学密不可分。第14页，共104页。1. 化学学科的地位信息技术：包括无线电、半导体、芯片、集成1. 化学学科的地位其实，化学在20世纪的成就用“空前辉煌”来描述，是并不过分的。上述六大技术如果缺少一两个，人类照样生存。但是：如果没有哈勃发明的高压合成氨技术和以后的合成尿素技术，合成第一、二、三代农药，世界粮食产量至少要减半， 60亿人口中的30亿就会饿死。

11、哈勃也因此获诺贝尔奖。此后，C博施改进了哈勃流程也获诺贝尔奖。所以国外传媒把“哈勃流程”评为20世纪最重大的发明。第15页，共104页。1. 化学学科的地位其实，化学在20世纪的成就用“空前辉煌”1. 化学学科的地位如果没有合成新分子、新材料，上述六大技术无法实现。如果没有合成各种抗生素和大量新药物的技术，人类不能控制传染病和缓解心脑血管病，平均寿命要缩短25年； 如果没有合成纤维、合成塑料、合成橡胶的技术，人类生活要受到很大影响； 第16页，共104页。1. 化学学科的地位如果没有合成新分子、新材料，上述六大技术 在1985年，美国学者G.C. pimentel(皮门特尔)在化学中的机会今天

12、和明天一书中指出：“化学是一门中心科学。”1. 化学学科的地位化学一方面不断借助于其它学科，特别是物理学、电子学和计算机技术的发展而得到了快速的发展；化学另一方面其本身也日益渗透到其它学科中，为这些学科的发展提供理论基础、工艺途径和测试手段。 化学与信息、生命、材料、环境、能源、地球、空间和核科学等八大新兴科学紧密联系、交叉和渗透。 第17页，共104页。 在1985年，美国学者G.C. pimentel(皮门(1)化学是一门承上启下的中心科学 如果把科学比拟为长江各门学科可按研究对象从简单到复杂分为：上游 中游 下游重庆 武汉 上海数学 物理 化学 生物学 领头学科 中心学科 前沿学科 化学

13、要用数、理；生物学要用数、理、化；医学要用数、理、化、生。第18页，共104页。(1)化学是一门承上启下的中心科学 (2)化学又是一门社会迫切需要的中心科学化学为人类的衣、食、住、行提供了数不清的物质保证，在改善人民生活，提高人类的健康水平方面作出了应有的贡献。 化学与社会发展有密切关系。1997年原美国化学会主席R.Breslow(布里斯罗 )写有一书，名叫化学的今天和明天一门中心的、实用的和创造性的科学。第19页，共104页。(2)化学又是一门社会迫切需要的中心科学化学为人类的衣、食、(3)化学是与其它科学紧密的联系、交叉和渗透的中心科学 今天，在人类社会发展过程中迫切需要解决的几个重大问

14、题：环境、粮食、能源、生命进化等，都需要化学的参与。化学家们运用化学的观点来观察和思考社会问题，用化学的知识来分析和解决这些问题。化学与其他学科的相互交叉与渗透，产生了很多边缘学科，如生物化学、地球化学、宇宙化学、海洋化学、大气化学等等，使得生物、电子、航天、激光、地质、海洋等科学技术迅猛发展 。因此，20世纪的化学在推动人类进步和科技发展中起了核心的作用。第20页，共104页。(3)化学是与其它科学紧密的联系、交叉和渗透的中心科学 可是，化学取得的辉煌成就，并未获得社会应有的认可。在交叉学科中化学放弃了冠名权。例如：生物化学分子生物学生物大分子的结构化学结构生物学生物大分子的物理化学凝聚态物

15、理学溶液理论、胶体化学软物质物理学量子化学原子分子物理学第21页，共104页。可是，化学取得的辉煌成就，并未获得社会应有的认可。在交叉学科人类基因组计划的主要内容之一实际上是基因测序，是分析化学和凝胶色层等分离化学，但社会上只知道基因学。分子芯片、分子马达、分子导线、分子计算机都是化学家开始的，但开创研究家却不提出“化学器件学”这一名词，而微电子学家马上称之为“分子电子学”。第22页，共104页。人类基因组计划的主要内容之一实际上是基因测序，是分析化学和凝由细菌代谢产生的某些物质形成聚合物, 再加工成各种能在环境中被微生物降解的新型高分子材料。矿物质资源高效利用中存在的关键科学问题的研究：包括

16、复杂矿物质的相结构、性能及多组元间相互作用与自催化特性；这是化学史上令我们惊叹的雄浑的一幕。可是，化学取得的辉煌成就，并未获得社会应有的认可。在100年中，化学合成和分离了2000多万种新物质、新药物、新材料、新分子以满足人类生活和高新技术发展的需要。现代研究已发现，动脉粥样硬化、静脉血栓形成与胆石症与高胆固醇血症有密切的相关性。了解有机合成材料的使用对人类生活质量的影响；上述六大技术均与化学密不可分。化学一方面不断借助于其它学科，特别是物理学、电子学和计算机技术的发展而得到了快速的发展；由哈佛大学的Kishi领导24名博士和博士后，经8年抗战， 1989年完成了全合成。20世纪初，由于对分子

17、结构和药理作用的深入研究，药物化学迅速发展，并成为化学学科一个重要领域。其中化学键理论的不断完善，高分子出现，有机合成中的理论与实验的交互发展，对化学反应的微观层次的探索，蛋白质、核酸、糖等生命物质的研究，直至纳米科学、组合化学等的出现，贯穿了整个世纪。锂锰氧化物及其它过渡金属化合物正极材料的合成及嵌脱锂电化学过程的研究； 2. 20世纪化学的重大成就20世纪的化学成就，表现在理论、实验、应用等多方面。其中化学键理论的不断完善，高分子出现，有机合成中的理论与实验的交互发展，对化学反应的微观层次的探索，蛋白质、核酸、糖等生命物质的研究，直至纳米科学、组合化学等的出现，贯穿了整个世纪。(1) 在化

18、学理论方面：20世纪在放射性和铀裂变的重人发现，能源利用方面一个重大突破是核能的释放和可控利用。仅此领域就产生了6项诺贝尔奖。 原子结构第23页，共104页。由细菌代谢产生的某些物质形成聚合物, 再加工成各种能在环境中 (1)在化学理论方面量子理论应用于化学领域后，使化学不仅只是一门实验科学。量子力学为对化学键的更基本理解提供了一种工具。在研究分子结构时产生了很多化学理论和概念：价键理论、分子轨道理论、杂货轨道理论；共价半径、金属半径、电负性标度等，这些概念的应用，对现代化学、凝聚态物理的发展都有着巨大意义。化学键和量子化学理论的发展足足花了半个世纪的时间，让化学家由浅入深，认识分子的本质及其

19、相互作用的基本原理，从而让人们进入分子的理性设计的高层次领域，创造新的功能分子，如药物设计、新材料设计等。这也是20世纪化学的一个重大突破。量子理论应用于化学领域第24页，共104页。 (1)在化学理论方面量子理论应用于化学领域后，使化学不仅只(2) 合成化学的成就徐光宪说：“化学的核心是合成化学”。创造新物质是化学家的首要任务。20世纪合成化学得到了极大的发展。在20世纪的100年中，合成化学取得了空前辉煌的成就。1900年在Chemical Abstracts(CA)上登录的从自然界中分离出来的和人工合成的已知化合物只有55万种。 2001 年发展到3771万。在100年中，化学合成和分离

20、了2000多万种新物质、新药物、新材料、新分子以满足人类生活和高新技术发展的需要。 物种数巨增第25页，共104页。(2) 合成化学的成就徐光宪说：“化学的核心是合成化学”。创年份已知化合物数目（万）1900 551945 110（大约45年加倍）1970 236.7（大约25年加倍）1975 414.81980 593（大约10年加倍）1985 7851990 1057.6（大约10年加倍）1999 20002001 3771化学物质是以指数函数的形式向前发展。(2) 合成化学的成就第26页，共104页。年份已知化合物数目（万）1900 551945 110（(2) 合成化学的成就在这200

21、0万种化合物中，绝大多数是化学家合成的，几乎又创造出了一个新的自然界。差不多所有的己知天然化合物以及化学家感兴趣的具有特定功能的非天然化合物都能够通过化学合成的方法来获得。在合成化学领域共获得41项诺贝尔奖。 没有别的科学能像化学那样制造出如此众多的新分子、新物质。第27页，共104页。(2) 合成化学的成就在这2000万种化合物中，绝大多数是化被合成出来生物大分子如:(2) 合成化学的成就胆固醇维生素B12牛胰岛素红霉素海葵毒素第28页，共104页。被合成出来生物大分子如:(2) 合成化学的成就胆固醇第28胆固醇的结构为：胆固醇在体内有着广泛的生理作用，形成胆酸、构成细胞膜、合成激素（如荷尔

22、蒙）等。胆固醇，别名胆甾醇，是一种类固醇及甾醇，化学式为C27H46O。固态之下是一种无色的结晶。胆固醇广泛存在于动物体的细胞膜中。胆固醇是在1784年在胆石症中首次被发现，因此而得名。胆固醇在人体内扮演着重要角色，可说是一种与生命现象息息相关的重要化合物。第29页，共104页。胆固醇的结构为：胆固醇在体内有着广泛的生理作用，形成胆酸、构1952年完成胆甾醇的全合成。甾德国化学家维兰德和温道斯因研究胆固醇获诺贝尔化学奖。胆固醇在体内过量时便会导致高胆固醇血症，对机体产生不利的影响。现代研究已发现，动脉粥样硬化、静脉血栓形成与胆石症与高胆固醇血症有密切的相关性。 第30页，共104页。1952年

23、完成胆甾醇的全合成。甾德国化学家维兰德和温道斯因研维生素B12又叫钴胺素VB12的分子结构如右图所示第31页，共104页。维生素B12又叫钴胺素VB12的分子结构如右图所示第31页，维生素B12的生理功能主要有两个：维生素B12是需要一种肠道分泌物（内源因子）帮助才能被吸收的惟一的一种维生素。有的人由于肠胃异常，缺乏这种内源因子，即使膳食中来源充足也会患恶性贫血。 自然界中的维生素B12都是微生物合成的，高等动植物不能制造维生素B12。参与蛋氨酸、胸腺嘧啶等的合成 ；保护叶酸在细胞内的转移和贮存。 第32页，共104页。维生素B12的生理功能主要有两个：维生素B12是需要一种肠道VB12的全合

24、成 在合成维生素B12的过程中，共14个国家110位化学家做了近千个复杂的有机合成实验，历时11年，1973年终于完成了全合成工作。其关键中间体有9个不对称碳原子, 应有512个异构体, 共需95步反应。霍夫曼和福井谦一两位科学家在维生素B12的合成中创立了“分子轨道对称守恒原理”。获得诺贝尔化学奖。第33页，共104页。VB12的全合成 在合成维生素牛胰岛素结晶牛胰岛素分子模型1965年，我国的科学工作者在世界上第一次用化学方法合成了具有生物活性的蛋白质结晶牛胰岛素。第34页，共104页。牛胰岛素结晶牛胰岛素分子模型1965年，我国的科学工作者在世牛胰岛素的全合成：从1958年开始，中国科学

25、院上海生物化学研究所、中国科学院上海有机化学研究所和北京大学生物系三个单位联合，在前人对牛胰岛素结构和肽链合成方法研究的基础上，开始探索用化学方法合成胰岛素。 1965年9月17日完成了结晶牛胰岛素的全合成。经过严格鉴定，它的结构、生物活力、物理化学性质、结晶形状都和天然的牛胰岛素完全一样。这是世界上第一个人工合成的蛋白质，为人类认识生命、揭开生命奥秘迈出了可喜的一大步。这项成果获1982年中国自然科学一等奖。人工合成牛胰岛素是用于糖尿病患者，体内缺乏所补充的蛋白质。 第35页，共104页。牛胰岛素的全合成：从1958年开始，中国科学院上海生物化学研红霉素是由红霉素链霉菌所产生的大环内酯系的代

26、表性的抗生素，基结构为：第36页，共104页。红霉素是由红霉素链霉菌所产生的大环内酯系的代表性的抗生素，基红霉素的全合成C37H68O12N18个C* 218=262144种立体异构体，但只有一个是正确的。这还不包括构造异构。被Woodward（伍德沃德）称为“绝望的化合物” 1982年被Woodward的小组合成出来。标志着有机合成由必然王国达到自由王国。第37页，共104页。红霉素的全合成C37H68O12N18个C* 21820世纪80年代，我国科学工作者在世界上首次用人工方法合成了一种具有与天然分子相同化学结构和完整生物活性的核糖核酸。第38页，共104页。20世纪80年代，我国科学工

27、作者在世界上首次用人工方法合成了海葵毒素结构为：第39页，共104页。海葵毒素结构为：第39页，共104页。海葵毒素是从海洋生物中分离的一种毒素，种类很多。它是迄今为止在非蛋白毒素中毒性最强的化合物， 海葵毒素具有镇静、止咳、降压、抗凝、抗菌、抗癌、兴奋平滑肌等作用。 分子中有64个手性碳和7个骨架内双键，异构体数为271个(近乎阿佛加德罗常数！)，是目前已发现的最复杂的化合物。由哈佛大学的Kishi领导24名博士和博士后，经8年抗战， 1989年完成了全合成。第40页，共104页。海葵毒素是从海洋生物中分离的一种毒素，种类很多。它是迄今为止(2) 合成化学的成就许多新技术被用于合成，例如，超

28、低温合成、高温合成、高压合成、电解合成、光合成、声合成、微波合成、等离子体合成、固相合成、仿生合成等等。发现和创造的新反应、新合成方法、新化学理论数不胜数。 新技术被使用第41页，共104页。(2) 合成化学的成就许多新技术被用于合成，例如，超低温合成(3) 高分子科学和材料进入20世纪，化学家们对高分子化合物这类巨人的分子感兴趣，因为这是一类具有非常大的实用意义的物质，而且在研究时发现这种巨大的分子具有独特的科学研究意义。1920年施陶丁格提出了高分子这个概念，之后高分子化合物的合成方法、理论、催化剂、新化合物等不断被报道，使高分子科学逐渐形成。第42页，共104页。(3) 高分子科学和材料

29、进入20世纪，化学家们对高分子化合物知道化学是在原子-分子层面上研究物质的组成、结构、性能、变化规律和合成的一门科学。一方面，经典的成分和含量的分析方法仍在不断改进，分析灵敏度从常量发展到微量、超微量、痕量；第60页，共104页。利用化学反应和过程来制造产品的化学过程工业包括：化学工业、精细化工、石油化工、制药工业、日用化工、橡胶工业、造纸工业、玻璃和建材工业、钢铁工业、纺织工业、皮革工业、饮食工业等。如果没有合成各种抗生素和大量新药物的技术，人类不能控制传染病和缓解心脑血管病，平均寿命要缩短25年；知道化学是在原子-分子层面上研究物质的组成、结构、性能、变化规律和合成的一门科学。(3)化学是

30、与其它科学紧密的联系、交叉和渗透的中心科学由哈佛大学的Kishi领导24名博士和博士后，经8年抗战， 1989年完成了全合成。20世纪初，由于对分子结构和药理作用的深入研究，药物化学迅速发展，并成为化学学科一个重要领域。第88页，共104页。第38页，共104页。第66页，共104页。化学相互渗透时期，即现代化学时期。第94页，共104页。量子理论应用于化学领域标志着人类对物质结构的认识前进了一大步。其中化学键理论的不断完善，高分子出现，有机合成中的理论与实验的交互发展，对化学反应的微观层次的探索，蛋白质、核酸、糖等生命物质的研究，直至纳米科学、组合化学等的出现，贯穿了整个世纪。20世纪化学史

31、中，高分子化学的出现及已在工业方面的成就是最重要页，在此领域曾有3项诺贝尔化学奖。高分子材料的出现改变了一个时代人们对生活的需要，从日常生活到高新技术无不在相当大的程度上依靠高分子材料。合成橡胶、合成塑料和合成纤维这3类人合成高分子材料是化学中具有突破性的成就，并且合成材料的出现也是20世纪人类文明的标志之一，也是化学工业的骄傲。现今，高分子化学的研究内容不断扩人，己发展成综合性的高分子科学，加入了材料学的行列。第43页，共104页。知道化学是在原子-分子层面上研究物质的组成、结构、性能、变(4) 分析技术的发展分析测试技术是化学研究的基本方法和手段。 一方面，经典的成分和含量的分析方法仍在不

32、断改进，分析灵敏度从常量发展到微量、超微量、痕量；另一方面，发展出许多新的分析方法，可深入到进行结构分析，构象测定，同位素测定，各种活泼中间体如自由基、离子基、卡宾、氮宾、卡拜等的直接测定，以及对短寿命亚稳态分子的检测等。 为了适应现代科学研究和工业生产的需要和满足灵敏、精确、高速的要求，各种分析仪器如质谱仪、极谱仪、色谱仪的应用和微机化、自动化及与其它重要谱仪的联用，如色谱与红外的联用、色谱与质谱的联用等得到迅速发展和完备。 第44页，共104页。(4) 分析技术的发展分析测试技术是化学研究的基本方法和手段高效液相色谱仪气相色谱仪第45页，共104页。高效液相色谱仪气相色谱仪第45页，共10

33、4页。800MHz液相核磁共振谱仪 质谱仪第46页，共104页。800MHz液相核磁共振谱仪 质谱仪第46页，共104页。X射线衍射仪 第47页，共104页。X射线衍射仪 第47页，共104页。分离技术也不断革新 离子交换、膜技术、色谱法等等 现代航天技术的发展和对各行星成分的遥控分析，反映出分析技术的现代化水平。第48页，共104页。分离技术也不断革新 离子交换、膜技术、色谱法等等 现代航天技扫描隧道显微镜第49页，共104页。扫描隧道显微镜第49页，共104页。如1981年，发明的扫描隧道显微(STM)，它使人类能够直接地观察到物质表面上的单个原子，并能够研究其相关的物理和化学特性1986

34、年，发明者获得诺贝尔物理奖。STM 对物理、化学、材料科学、生命科学和医学以及信息和电子技术等研究有着十分重大的意义和广阔的应用前景。STM 的针尖不仅可以成像，还可以用于操纵表面上的原子或分子 ，进行原子表面修饰和单原子操纵。第50页，共104页。如1981年，发明的扫描隧道显微(STM)，它使人类能够直接 1993年，中国科学院北京真空物理实验室的研究人员，在常温下，以超真空扫描隧道显微镜为手段，通过用探针拨出硅晶体表面的硅原子的方法，在晶体的表面形成了一定规整的图形。这种在晶体表面开展的操纵原子的研究，达到了当时的世界水平。中国这两个字的笔画宽度约2nm，是当时已知的最小的汉字。第51页

35、，共104页。 1993年，中国科学院北京真空物理实验室的研究人员，在常温研究生命现象和生命过程、揭示生命的起源和本质是当代自然科学的重人研究课题。20世纪生命化学的崛起给古老的生物学注入了新的活力，人们在分子水平上向生命的奥秘打开了一个又一个通道。 三、20世纪化学的贡献1、现代生命科学和生物技术的贡献 蛋白质、核酸、糖等生物大分子和激素、神经递质、细胞因子等生物小分子是构成生命的基本物质。从20世纪初开始生物小分子(如糖、血红素、叶绿素、维生素等)的化学结构与合成研究就多次获得诺贝尔化学奖，这是化学向生命科学进军的第一步。第52页，共104页。研究生命现象和生命过程、揭示生命的起源和本质是

36、当代自然科学的1953年，沃森(Watson)和克里克(Crick)提出了DNA分子双螺旋结构模型。 第53页，共104页。1953年，沃森(Watson)和克里克(Crick)提出了1958年，桑格等完成牛胰岛素分子结构测定。DNA分子双螺旋结构模型这项重大成果对于生命科学具有划时代的贡献，已为分子生物学和生物工程的发展奠定了基础，为整个生命科学带来了一场深刻的革命。1965年我国化学家人工合成结晶牛胰岛素获得成功，标志着人类在揭示生命奥秘的历程中迈进了一大步。牛胰岛素有两条亚基，共51个氨基酸残基。 第54页，共104页。1958年，桑格等完成牛胰岛素分子结构测定。DNA分子双螺旋20世纪

37、化学与生命科学相结合，产生了一系列在分子层次上研究生命问题的新学科，如生物化学、分子生物学、化学生物学、生物有机化学、生物无机化学、生物分析化学等。在研究生命现象的领域里，化学不仅提供了技术和方法，而且还提供了理论。第55页，共104页。20世纪化学与生命科学相结合，产生了一系列在分子层次上研究生利用药物治疗疾病是人类文明的重要标志之一。20世纪初，由于对分子结构和药理作用的深入研究，药物化学迅速发展，并成为化学学科一个重要领域。 2、对人类健康的贡献 据不完全统计，20世纪化学家通过合成、半合成或从动植物、微生物中提取而得到的临床有效的化学药物超过2万种，常用的就有1000余种，而且这个数目

38、还在快速增加。药物的发现、合成、使用，为人类的健康做出了巨大贡献。第56页，共104页。利用药物治疗疾病是人类文明的重要标志之一。20世纪初，由于对利用化学反应和过程来制造产品的化学过程工业包括：化学工业、精细化工、石油化工、制药工业、日用化工、橡胶工业、造纸工业、玻璃和建材工业、钢铁工业、纺织工业、皮革工业、饮食工业等。产值：在发达国家中占有最大的份额，这个数字在美国超过30%，而且还不包括诸如电子、汽车、农业等要用到化工产品的相关工业的产值。3、对国民经济和人类日常生活的贡献 (1)对国民经济的贡献 从业人员：发达国家从事研究与开发的科技人员中，化学、化工专家占一半左右。专利：世界专利发明

39、中有20%与化学有关。第57页，共104页。利用化学反应和过程来制造产品的化学过程工业包括：化学工业、精农业：化肥、农药、植物生长激素和除草剂等化学产品可以提高产量，而且也改进耕作方法；工业：急需性能迥异的金属材料、非金属材料和高分子材料；从社会发展看：能源：煤、石油、天然气的开发形成煤化学、石油化学；导弹生产、卫星发射离不开高能燃料、高能电池、耐高温、耐辐射材料。国防：导弹生产、卫星发射离不开高能燃料、高能电池、耐高温、耐辐射材料。化学在改善人类生活方面是最有成效、最实用的学科之一。人类的衣、食、住、行、用与化学有关。(2)对人类日常生活的贡献 第58页，共104页。农业：化肥、农药、植物生

40、长激素和除草剂等化学产品可以提高产量聚苯乙烯灯塑料制品地板革化学与生活第59页，共104页。聚苯乙烯灯塑料制品地板革化学与生活第59页，共104页。化学与生活交 通第60页，共104页。化学与生活交 通第60页，共104页。化学与食品添加剂常用的合成食用色素1）苋菜红2）胭脂红3）柠檬黄4）日落黄5）靛蓝其它添加剂如：甜味剂、防腐剂、香料、杀菌剂等第61页，共104页。化学与食品添加剂常用的合成食用色素其它添加剂如：第61页，共化学与能源水能太阳能第62页，共104页。化学与能源水能太阳能第62页，共104页。核电站切尔诺贝利核电站第63页，共104页。核电站切尔诺贝利核电站第63页，共104

41、页。化学与环境第64页，共104页。化学与环境第64页，共104页。化学与军事高科技导弹航天飞机第65页，共104页。化学与军事高科技导弹航天飞机第65页，共104页。宇航员装备后背座：氮推进器，液体氧,水罐等。控制板：调节氮气，氧气和水供应等。头盔：透明塑料（多层材料)，涂金的防护镜，减少太阳的辐射。手套：硅橡胶，给出触感。第66页，共104页。宇航员装备第66页，共104页。四、现代化学发展的趋势分析1.主要研究的物质层次（八个层次）(1)原子层次的化学：核化学、放射化学、同位素化学、元素化学、单原子操纵和检测化学等。(2)分子片层次的化学：原子只有一百多种，但是分子数已达三千多万种，因此

42、，在原子和分子之间引入一个新层次“分子片”。(3)分子层次的化学：三千多多万种化合物（分子），通常分为无机、有机和高分子化合物，但是近些年合成的金属有机化合物、元素有机化合物、原子簇化合物、金属酶、金属硫蛋白等等，已不能适应传统非分类方法，新世纪将研究分子结构类型和结构方式。第67页，共104页。四、现代化学发展的趋势分析1.主要研究的物质层次（八个层次）主要研究的物质层次(4)超分子层次的化学：例如环糊精是一个分子，形似花盆 ,-环糊精的尺度略大于C60的直径，可以把C60包进去，生成1:1和2:1的超分子。 超分子是二个分子通过非共价键的分子间作用力结合起来的物质微粒。 第68页，共104

43、页。主要研究的物质层次(4)超分子层次的化学：例如环糊精是一个分(4)超分子层次的化学环糊精分子还可作为主体，把其它小分子包在里面，又可作为客体，插入Zr(HPO4)2(H2O)晶体的结构层之间，组装成复杂的超分子体系。艾滋病毒HIV是一个生物大分子，其活性部位，形似环糊精，大小与C60十分接近，它们可以形成超分子。因此，C60可以抑制艾滋病毒HIV。包括受体和给体的化学、锁和钥匙的化学、分子间的非共价作用力、范德华引力、各种不同类型的氢键、亲水与疏水基团及其相互作用、分子的堆积、组装、位阻及包括各种空间效应等。第69页，共104页。(4)超分子层次的化学环糊精分子还可作为主体，把其它小分子包

44、三、20世纪化学的贡献掺杂晶体的结构和性能的关系；5、21世纪化学的11个突破口第98页，共104页。如对组成分子的化学键的本质、分子的强相互作用和弱相互作用、分子催化、分子的结构与功能关系的认识。热力学等物理学理论引入化学以后，利用化学平衡和反应速度的概念，可以判断化学反应中物质转化的方向和条件，从而开始建立了物理化学，把化学从理论上提高到了一个新的水平。英语的chemistry起源于alchemy，即炼金术。研究其它各种酶催化反应的机理。第16页，共104页。化学由宏观进入到微观的层次，使化学研究建立在原子和分子水平的基础上。从1958年开始，中国科学院上海生物化学研究所、中国科学院上海有

45、机化学研究所和北京大学生物系三个单位联合，在前人对牛胰岛素结构和肽链合成方法研究的基础上，开始探索用化学方法合成胰岛素。碳材料-了解C60的特殊结构以及性能。化学已较广泛地进入生命科学, 并为此已经或正在作出基础性贡献。20世纪初，由于对分子结构和药理作用的深入研究，药物化学迅速发展，并成为化学学科一个重要领域。多元素拟均相“原子经济”反应及高选择性分离；(6)宏观聚集态化学：固体化学、晶体化学、非晶体化学、流体和溶液化学、等离子体化学、胶体化学和界面化学等。(7)介观聚集态化学：纳米化学、软物质化学、胶体化学（胶团胶束化学和气溶胶化学）等。(8)复杂分子体系的化学()复合和杂化分子材料。()

46、 分子器件、分子导线、分子开关、分子探针、分子芯片、分子晶体管等。()分子机器，分子计算机等。() 宏观组装器件如燃料电池，太阳能电池等。 (5)生物层次的化学：包括生物化学、分子生物学、化学生物学、酶化学、脑化学、神经化学、基团化学、生命调控化学、药物化学、手性化学、环境化学、生命起源认知化学等。第70页，共104页。三、20世纪化学的贡献(6)宏观聚集态化学：固体化学、晶体化2.主要研究领域（5个）(1) 绿色化学绿色化学又称环境无害化学或环境友好化学,是一门具有明确的社会需求和科学目标的新兴交叉学科。绿色化学的基本原理(12条) 防止污染的产生优于治理产生的污染；原子经济性：只要可行，应

47、尽量采用毒性小的化学合成路线；更安全的化学品的设计应能保留其功效，但降低毒性：应尽可能避免使用辅助物质(如溶剂、分离剂等)，如用时应是无毒的：应考虑到能源消耗对环境和经济的影响，并应尽量少地使用能源；第71页，共104页。2.主要研究领域（5个）(1) 绿色化学绿色化学又称环境无害原料应是可再生的，而非将耗竭的：尽量避免不必要的衍生化步骤：催化性试剂(有尽可能好的选择性)优于当量性试剂；化工产品在完成其使命后，不应残留在环境中，而应能降解为无害的物质：分析方法必须进一步发展，以使在有害物质生成前能够进行即时的和在线跟踪及控制：在化学转换过程中，所选用的物质和物质的形态应能尽可能地降低发生化学事

48、故的可能性。 绿色化学的基本原理(12条) 第72页，共104页。原料应是可再生的，而非将耗竭的：绿色化学的基本原理(12条)绿色化学的目的是合理利用现有资源和能源,降低成本,一改“先污染,后治理”的传统化学的环境对立性,从根本上避免和消除了对生态环境有毒有害的原料、催化剂、溶剂和试剂的使用及产物、副产物等的产生,力求使化学反应具有“原子经济性”,实现废物的“零排放”。绿色化学研究的核心问题主要有: 绿色合成技术方法和过程：包括反应方法尤其是原子经济性反应及高选择性、高转化率反应，高效均相和多相催化，特别是不对称催化反应、酶催化和仿生催化；环境友好介质和原料的选择(如超临界CO2、H2O)等。

49、第73页，共104页。绿色化学的目的是合理利用现有资源和能源,降低成本,一改“先污可再生资源的利用和转化中存在的一系列问题的研究：包括生物质与酶分子的“手性”和类似手性的空间构型选择性的化学物理特征；一系列重要生物质与酶在酶催化转化过程中的“构效”关系；高分子的化学、物理改性；制备环境相容的可生物降解材料；生物质中各种成分的分级多层次转化机理、途径及其综合利用等。矿物质资源高效利用中存在的关键科学问题的研究：包括复杂矿物质的相结构、性能及多组元间相互作用与自催化特性；多元素拟均相“原子经济”反应及高选择性分离；生物分离提取矿物的选择性催化和生物转化机制；介质和工业代谢产物的循环、再生、利用及零

50、排放系统设计等。第74页，共104页。可再生资源的利用和转化中存在的一系列问题的研究：包括生物质与（2）新材料化学科学新材料化学科学是建立在化学支撑上的材料科学，是人类生活和生产的物质基础,是人类认识和改造自然的武器和工具,材料是人类社会进步和发展程度的标志之一。 化学是新材料的源泉，末来化学不仅要设计和合成分子，而且要把这些分子组装、构筑成有特定功能的材料，从超导体到催化剂、药物控释载体、纳米材料都要从分子以上层次研究材料的结构。第75页，共104页。（2）新材料化学科学新材料化学科学是建立在化学支撑上的材料科本世纪世纪电子技术将向更快、更小、功能更强的方向发展，目前大家正在致力于量子计算机

51、、生物计算机、分子器件、生物芯片等新技术，标志着分子电子学、分子信息技术的到来，需要设计、合成各种物质和材料新材料的出现，不断支持和推动着人类文明的发展和技术进步。新材料的研究主要有以下几个方面: 复合型材料：复合材料化学是现代科学技术发展的必然产物。它既是多种学科成果的综合，又与其它学科相互渗透、相互融合、相互促进。由两种或两种以上的不同材料用特殊方法组合起来的复合材料，克服了单一材料的缺点，同时具备各种“组元材料”的优点。如：纤维增强复合材料、颗粒复合材料、叠层复合材料等。第76页，共104页。本世纪世纪电子技术将向更快、更小、功能更强的方向发展，目前大新型能源材料：能使各种能源形态，包括

52、热能、电磁能、光能、机械能、核能和化学能等相互高效率转换,以达到运输、储存能量的材料称为能源材料。包括光能输送材料(空芯光纤)、能量储存材料、蓄热冷冻材料(磁制冷、激光制冷)、有机光功能分子的设计及合成等。新型能源材料的核心研究问题有：高比能化学电源的基础研究；高比能二次电池的充、放电研究；对二次电池化、循环寿命及储存性能的影响研究；电池及正、负极因熵变和极化产生的热效应的研究；锂锰氧化物及其它过渡金属化合物正极材料的合成及嵌脱锂电化学过程的研究；单晶和粉末石墨及玻璃态氧化物电化学嵌脱锂动力学研究。 第77页，共104页。新型能源材料：能使各种能源形态，包括热能、电磁能、光能、机械(3)可生物

53、降解高分子材料由细菌代谢产生的某些物质形成聚合物, 再加工成各种能在环境中被微生物降解的新型高分子材料。如: 聚乳酸、聚苹果酸、聚羟基戊酸酯、聚羟基丁酸等。 (4)有机物体系膜分离及膜材料的研究它以有机物混合体系为研究目标, 进行相关膜材料、成膜技术和分离机理的基础性应用研究。研究方向主要有:膜材料的合成研究；建立膜材料结构与性能间的对应关系；建立膜分离试验装置，考察有机物混合体系的分离过程。第78页，共104页。(3)可生物降解高分子材料由细菌代谢产生的某些物质形成聚合物(5) 生物材料化学生物材料是一类对生物体具有安全性、无菌、成型加工性、化学惰性、耐久性和生物体适应性为特征的合成材料。主

54、要有有机高分子材料、金属材料、无机非金属材料和复合材料等。它突出表现在与生物体中组织的相容性及生物活性为其核心。已制造出人工心脏、人工肝脏、人工肾、人工喉、人工眼球、人工骨、人工皮、人造血浆和血液等。 预期研制出具有主动诱导、能促进人体自身组织和器官再生作用的生物复合材料。 第79页，共104页。(5) 生物材料化学生物材料是一类对生物体具有安全性、无菌、化学已较广泛地进入生命科学, 并为此已经或正在作出基础性贡献。生命化学研究的主要问题有:3、化学中的生命科学（7个）(1) 生物超分子功能的研究(2) 模拟生物体系的自由基化学和物理有机化学研究(3) 无机化合物药用的研究(4) 化学工程技术

55、（5）农业化学科学（6）催化化学（7）计算机化学科学第80页，共104页。化学已较广泛地进入生命科学, 并为此已经或正在作出基础性贡献4.化学科学的四大难题（1）合成化学难题-化学反应理论化学是研究化学变化的科学，所以化学反应理论和定律是化学的第一根本规律。包括（6点）决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应？能否生成预期的分子？需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应？如何在理论指导下控制化学反应？如何计算化学反应的速率？如何确定化学反应的途径等。化学反应理论是21世纪化学应该解决的第一个难题。第81页，共104页。4.化学科学的四大难题（1）合成化学难题-化学反应理化学反应理论应首先研究的课

56、题有：充分了解若干个重要的典型化学反应的机理，以便设计最好的催化剂，实现在最温和的条件进行反应，控制反应的方向和手性，发现新的反应类型，新的反应试剂。在搞清楚光合作用和生物固氮机理的基础上，设计催化剂和反应途径，以便打断CO2、N2、烷烃等稳定分子中的惰性化学键，研究其它各种酶催化反应的机理。研究其它各种酶催化反应的机理。酶对化学反应的加速可达100亿倍，专一性达100%。如何模拟天然酶，制造人工催化剂，是化学家面临的重大难题。充分了解分子的电子、振动、转动能级，用特定频率的光脉冲来打断选定的化学键选键化学的理论和实验技术。第82页，共104页。化学反应理论应首先研究的课题有：充分了解若干个重

57、要的典型化学（2）材料化学难题这里“结构”和“性能”是广义的，前者包含构型、构象、手性、粒度、形状和形貌等，后者包含物理、化学和功能性质以及生物和生理活性等。结构和性能的定量关系理论上说，一个分子的电子云密度可以决定它的所有性质，但实际计算很困难。大力发展密度泛函理论和其它计算方法。确定物质结构与性能的定量关系是21世纪化学的第二个重大难题。第83页，共104页。（2）材料化学难题这里“结构”和“性能”是广义的，前者包含构例如“金属胡须”的抗拉强度比通常的金属丝大一个数量级，但远远未达到金属金属键的强度，所以增加金属材料强度的潜力是很大的。又如目前高分子纤维的强度要比高分子中的共价键的强度小两

58、个数量级，这就向人们提出了如何挑战强度极限的大难题。结构和性能的定量关系何设计合成具有人们期望的某种性能的材料？如何使宏观材料达到微观化学键的强度？溶液结构和溶剂效应对于性能的影响。具有单分子和多分子层的膜结构和性能的关系。第84页，共104页。例如“金属胡须”的抗拉强度比通常的金属丝大一个数量级，但远远结构和性能的定量关系首先要解决的问题（11）分子和分子间的非共价键的相互作用的本质和规律；超分子结构的类型、生成和调控的规律；给体受体作用原理；生物大分子的结构以及与生物和生理活性的关系；分子自由基的稳定性和结构的关系；掺进一步完善原子价和化学键理论，特别是无机化学中的共价问题；掺杂晶体的结构

59、和性能的关系；第85页，共104页。结构和性能的定量关系首先要解决的问题（11）分子和分子间的非首先要解决的问题（共11个）各种维数的空腔结构和复杂分子体系的构筑原理和规律；如何设计合成具有人们期望的某种性能的材料？ 给如何使宏观材料达到微观化学键的强度？例如“金属胡须”的抗拉强度比通常的金属丝大一个量级，但比金属-金属键的强度小得多。又如目前高分子纤维达到的强度要比高分子中的共价键的强度小两个数量级。这就向人们提出如何挑战极限的大难题。第86页，共104页。首先要解决的问题（共11个）各种维数的空腔结构和复杂分子体系首先要解决的问题（共11个）生镧系理论4f电子的能级比sp区和d区元素的能级

60、多一个量级，所以稀土元素有十分丰富的光、电、磁、声等功能性质。稀土元素有机化合物是很好的催化剂。稀土是21世纪的战略元素。研究镧系元素的结构和性能关系具有十分重要的意义。以上各方面是化学的第二根本问题，其迫切性可能比第一问题更大，因为它是解决分子设计问题的关键。第87页，共104页。首先要解决的问题（共11个）生镧系理论4f电子的能级比sp（3）生命化学难题11个难题生命过程包含许多化学反应，所以生命活动的过程，可以用也必须用化学过程来理解。虽然生命过程不能简单地还原为化学过程和物理过程的加和，但研究生命过程的化学机理，就是从分子水平来了解生命，可以为从细胞、组织、器官等层次来整体了解生命提供