化学进展与中学化学PPT幻灯片

什么是化学?化学是一门研究物质的性质和物质发生反应变化的科学．它涉及存在于自然界的物质:地球上的矿物,空气中的气体,海洋里的水和盐，在动物身上找到的化学物质,以及由人类创造的新物质……。它涉及自然界的变化，与生命相关的化学变化,还有那些化学家发明和创造的新变化。1.化学与人类的生存、繁衍与健康2.化学能为信息、材料、能源等科学提供关键支撑3.化学与环境：对化学应给予公正合理的评价一、化学对人类的贡献徐光宪谈20世纪化学取得的空前辉煌成就:“2285万”

1900年在ChemicalAbstracts(CA)上登录的从天然产物中分离出来的和人工合成的已知化合物只有55万种。经过45年翻了一番，到1945年达到110万种。再经过25年，又翻一番，到1970年为236.7万种。以后新化合物增长的速度大大加快，每隔10年翻一番，到1999年12月31日已达2340万种。所以在这100年中，化学合成和分离了2285万种新化合物、新药物、新材料、新分子来满足人类生活和高新技术发展的需要

2003年4500万种化合物

2008年国家最高科学成就奖在人类多姿多彩的生活中，化学可说是无处不在的.著名有机化学家，诺贝尔奖获得者R.B．Woodward

在讲述化学合成时曾说过：化学家在老的自然界旁边又建起了一个新的自然界．R.B．Woodward1965年因在有机物合成方面的成就获诺贝尔化学奖徐光宪:如没有发明合成氨、合成尿素和第一、第二、第三代新农药的技术，世界粮食产量至少要减半，60亿人口中的30亿就会因饥饿而死亡。

合成氨技术是哈勃（Haber）在1909年发明，在1918年因而获得诺贝尔化学奖。人们把哈勃的合成氨技术评为20世纪最重要的发明，是很有道理的。N2+3H22NH31.化学与人类的生存、繁衍与健康药物化学在过去对人类健康有哪些贡献?没有发明合成各种抗生素和大量新药物的技术，人类平均寿命要缩短25年。1900年在美国出生的一名男子的期望寿命只有47岁，但是上世纪末出生的美国男子的期望寿命大约是75。这个难以置信的进步相当程度上要归功于药物化学家的贡献。其中最重要的例子是抗菌素的开发。青霉素使人类平均寿命延长了约十年20世纪人类的期望寿命大大延长，这在相当程度上得益于化学家一方面协助实现了诸如青霉素类抗菌素的化工规模的批量生产，有人估计，仅青霉素一个药物的使用便使人类的平均寿命延长了大约10年。

弗莱明

钱恩

他们于1945年共同获得诺贝尔医学和生理学奖。

Penicillinisveryeffectiveinkillingbacteria,butsomeofthemhavedevelopedenzymesthatcandestroypenicillin.Workisgoingontodevelopvariationsofthepenicillinchemicalstructurethatwillnotbedestroyedbybacterialenzymes;otherworkisgoingontofinddrugsthatwillblockthosebacterialenzymes,andpermitpenicillinitselftofunction.1939NobelPrizeinPhysiologyandMedicinetoDomagk

1920前发生细菌感染经常是致命的，当时，化学们合成了许多化工产品如染料，包括磺胺类产品。

德国科学家GerhardDomagk采用各种新的方法制备这些化学产品，期望它们能有杀菌功能，1932年发现了红棕色染料——calledProntosil.Prontosil：百浪多息-偶氮磺胺生物化学研究已经弄清楚磺胺能够杀菌同时对人无毒的原因人和细菌的生物化学是不同的．细菌要制造基本的维生素—叶酸，而磺胺能够阻碍细菌中制造叶酸的酶；没有叶酸．细菌不能存活．人体内没有这种酶，我们可从食物中获取叶酸．从某种意义上来看，因为人在生物化学方面的缺陷(我们不能制造一种重要的维生素,但是我们可以从食物中得到它)，反而使人得到安全。Randomscreeningvsrationaldrugdesign

发现磺胺药物的过程称做随机筛选过程.称之为随机，是因为不存在任何合乎逻辑的理由可以期望一种衣用染料会是一种选择性的杀菌剂．

Randomscreeningisstillusedextensivelytoday.但是．如果有了更多的生物化学信息，药物化学家也越来越多地用另一种称之为合理药物设计的方法，用以设计和制造具有所期望的生物效应的特殊分子．紫杉醇:由紫杉树皮及针叶提取到全合成

紫杉醇(Taxol)是从太平洋红豆杉中分离出来的化合物，1971年报道了其结构。该化合物于1992年被美国食品和药品管理局(FDA)批准为抗乳腺癌和抗卵巢癌的药物。紫杉醇在红豆杉树皮中含量很低，又表现出独特的抗癌机制。可以不用紫杉树皮，而用其针叶作原料合成。Nicolaou小组和Holton小组于1994年率先报道了其全合成.紫杉醇结构“你看见了物质（事物）,你会说‘这为什么?’

我梦想从不存在的物质（事物）,我要说:’为什么不能?’

”

(伯纳德)一步化学合成反应如同棋手的一步棋天然产物合成进入”艺术期”Woodward说过一段经常被引用的话:“有机合成中有激动、有探险、也有挑战，也可包含着伟大的艺术，仅这些已足以令人赞叹…..”.从天然植物药物到现代化学药物——人类与疟疾的抗争：西方医药的光辉实例与中国故事“瘴气”与MALARIA

公元前2700年，中国的古典医书《黄帝内经》描述了疟疾的相关症状：发热、寒颤、出汗退热等。

公元前4世纪，疟疾广为希腊人所知，因为这种疾病造成了城邦人口的大量减少，古希腊名医希波克拉底记录了这种疾病的主要症状;

公元3~4世纪，印度古代医学经典《苏斯鲁塔集》认为，疟疾的发热病症与某种昆虫的叮咬有关。疟疾的传播非常广泛，中国古代称之为“瘴气”，意大利语中疟疾“malaria”的意思是“坏空气”(badair)，表明中西方对这种疾病有相似的认识。人类对付疟疾的药物分别源于两种植物——青蒿和金鸡纳树。从金鸡纳(cinchona)到奎宁：西方科学致力于解开植物治疟的秘密

17世纪时，印第安人开始用这种树皮治疗疟疾。这种树就是金鸡纳树。

后来；传教士胡安·洛佩斯知道了这种树的功效，治好了西班牙驻秘鲁总督夫人安娜·辛可(Cinchon)伯爵夫人的疟疾。公元1639年这个消息由夫人的侍臣威加(JuandeWega)传出了国界，在西班牙广为宣传。这种树的树皮根据总督夫人的名字被命名为辛可那或金鸡纳（Cinchona)。从金鸡纳(cinchona)到奎宁：西方科学致力于解开植物治疟的秘密

1826年法国化学家皮埃尔-·佩尔蒂埃(PierrePelletier)和约瑟夫卡文顿(JosephCaventou)从金鸡纳树皮中提取出奎宁。

1907年，德国化学家P拉比推导出奎宁的化学结构式。疟原虫的抗药性与“五二三项目”第二次世界大战结束后，引发疟疾的疟原虫产生了抗药性；1961年美军进驻越南，越南战争爆发。美国投入巨额资金，筛选出20多万种化合物，但没有找到理想的药物。越南则求助于中国。“五二三项目”（1967.5.23）启动了中国的青蒿比西方的金鸡纳早得多青蒿（黄花蒿）在中国民间又称作臭蒿和苦蒿，属菊科一年生草本植物。公元前2世纪，中国先秦医方书《五十二病方》已经对植物青蒿有所记载；公元前340年，东晋的葛洪在其撰写的中医方剂《肘后备急方》一书中，首次描述了青蒿的退热功能；李时珍的《本草纲目》则说它能“治疟疾寒热”。药学家屠呦呦制取青蒿提取物

科研人员已经筛选了4万多种抗疟疾的化合物和中草药，没有令人满意的结果。屠呦呦决定从系统整理历代医籍开始，她整理了一个640多种包括青蒿在内的草药《抗疟单验访集》。

最初的实验中，青蒿的效果都不是最好的。她再次翻阅古代文献，《肘后备急方·治寒热诸疟方》中的几句话引起了她的注意：“青蒿一握，以水二升渍，绞取汁，尽服之”。原来青蒿里有青蒿汁，它的使用和中药常用的煎熬法不同。从青蒿到青蒿素：中国科学家致力于解开植物治疟的秘密她用沸点较低的乙醚在摄氏60℃的温度下制取青蒿提取物；1971年10月4日，她在实验室中观察到这种提取物对疟原虫的抑制率达到了100%。1972年3月，屠呦呦在南京召开的“五二三项目”工作会议上报告了实验结果；1973年，青蒿结晶的抗疟功效在云南地区得到证实，“五二三项目”办公室于是决定：将青蒿结晶物命名为青蒿素，作为新药进行研发。1990年中华人民共和国卫生部编撰《中华人民共和国药典中药彩色图集》(1990年版）时将药用“青蒿”定为：“本品为菊科植物黄花蒿”。世卫组织推荐以青蒿素为基础的联合疗法疟疾是最严重的传染病之一，全球每年有2亿-3亿感染者，死亡200万-300万。我国研制的青蒿素类抗疟药以高效、速效、安全、对抗药性疟疾有特效而风靡全球。1995年蒿甲醚被WHO列入国际药典，这是我国第一个被国际公认的独创新药。2001年，世界卫生组织向恶性疟疾流行的所有国家推荐以青蒿素为基础的联合疗法。青蒿素的化学结构十分独特，自上市至今20多年，尚未发生抗药性的疟疾病例。因此近年世界各国都从分子水平上探索其抗疟作用机制。2011年9月12日屠呦呦教授获得了“拉斯克奖”中的临床医学奖。颁奖词：此为奖励她发现青蒿素药物，救治了全球，特别是发展中国家的成千上万疟疾患者《诗经》：“呦呦鹿鸣，食野之蒿”；周维善小组最终测定出青蒿素的结构这是一个罕见的含有过氧基团的倍半萜内酯结构，而且，这个药物的分子中不含氮，突破了60多年来西方学者对“抗疟化学结构不含氮(原子)就无效”的医学观念。青蒿素的结构被写进中国有机化学合成的教科书中，奠定了今后所有青蒿素及其衍生药物合成的基础。

中国化学家实现了以青蒿素为代表的一批萜类化合物的合成随后又合成了一系列现已作为正式抗疟药物的青蒿素的衍生物。中国科学院上海药物所将天然的青蒿素转化为更适合于药用的蒿甲醚(3)等药物。青蒿素的合成成功地促进了1999年鹰爪素(4)的合成.之后又有人从天然植物(例如甘松等)分离到抗疟活性化合物(5)等新结构，以及合成到一些结构(如6，7)萜类它们同样具有高的抗疟活性。2.化学能为信息、材料、能源等科学提供关键支撑（1）化学与计算机信息技术1946年最早的的计算机重30吨，整整装满一小间体育馆。1分钟能完成上千次的计算。内装1．8万支真空管消耗电力极多，它一开动，整个费城的灯光都立刻感到昏暗。高纯硅族元素与半导体化学研究等方面的成果：1948年出现的半导体晶体管硅谷---源于化学元素硅的科学园区放大23000倍的硅蕊片罗辑电路A

portion

of

a

logic

circuit

on

a

siliconbased

computer

chip,

magnified23,000

times.

1958：以化学过程为基础的光刻技术：第一块集成电路板将多个晶体管构成的整个电路集中到一小块硅芯片上

1971

：将一整套计算机中央处理机做成一块芯片（微处理器）现代化学材料为计算机存储音乐、图象提供了条件

无机化学材料提供了磁带、磁盘等磁性存储材料70年代发展为以化学感光记录层为基础的光盘存储技术和采用光致变色聚合物作光盘记录层的能反复使用的可擦洗的光盘。Modern

chemical

materials

make

compact

discs

possible,used

both

for

music

recording

and

for

computerinformation

storage.化学可能为信息科学作出新的里程碑式的贡献的机遇除了在设计概念上分子计算机不同于通常的计算机外，在信息载流子、体系的技术和组装等方面也存在着差异。分子计算机是以分子电路为基础的计算机，分子电路是分子导线、分子开关、分子电子回路或网络的组合体。分子模型体系的各个单元的光谱性质已经广泛地研究过，理论计算已完全肯定了这个概念。这是化学可能为信息科学作出新的里程碑式的贡献的一个方面.（2）化学与材料科学Research

on

semiconductors

at

the

Research

TriangleInstitute

in

North

Carolina.

Not

allchemical

research

isdone

in

test

tubes

and

flasks.高分子化合物材料

高分子(又称聚合物)是材料的一大门类，是化学工业的重要终端产品，其应用领域涉及建筑、交通、机械、农业、电气与电子、信息产品、纺织、包装、日用品、航空航天及国防等，覆盖了几乎所有传统产业和现代高技术产业，已成为现代社会生活中衣、食、住、行、用各个方面不可缺少的材料。高分子产品的广泛应用

目前，全球一年生产大约2亿吨塑料供世界60亿人口使用。各种高分子产品的广泛应用已经对世界经济产生了巨大影响，在美国它们已占国内生产总值(GDP)的4％，而且其产量将继续增加。高分子化工的产值已占整个石油化工产值的近70％。衣

Dyes

and

fabrics

are

produced

by

synthetic

chemistry.没有尼龙、聚酯(的确良)、人造羊毛等大量合成纤维的生产，很难顺利解决人类的穿衣问题

住

Products

of

the

chemical

process

industries

play

an

overwhelming

role

in

homeconstruction

and

home

furnishings.

没有发展出许多高性能、高强度及低自重的合成建筑材料，难以修建价格低廉、性能优良的各项建筑。行

没有石油的开采及加工成有优良燃烧性能的各项产品，从而便利了交通，很难使人类在较短时间内到达世界各地。Essentially

everything

in

an

airplane,

or

in

an

automobile,

is

made

fromproducts

of

the

chemical

process

industries.（3）能源问题

化石燃料是不可再生能源可再生能源包括太阳能、风能、水电、地热和生物质，而核能的产生过程包括裂变和聚变,等。太阳能光伏电池体硅太阳能电池晶体硅太阳能电池是世界市场上的主导产品。1997年84％的太阳能电池及组件是采用晶体硅制造的。砷化镓(GaAs)太阳能电池因此成本高，目前主要用在航天器上。磷化铟(InP)太阳能电池具有特别好的抗辐照性能，因此在航天应用方面受到重视。蓄电池化学电源是将物质化学反应所产生的能量直接转化成电能的一种装置.1839年Willam-Grore发明燃料电池1859年Plante研制铅酸电池1868年Leclanche研制以氯化铵为电解液的锌／二氧化锰电池1888年Gassner制备锌／二氧化锰干电池1895年Junger发明镍／镉电池1900年Edison创制了镍／铁电池在20世纪后期,形成产业化的镍／氢电池和锂(离子和高分子)电池。氮化镓LED芯片照明节能

国家“十一五”863计划--半导体照明工程“高效大功率氮化镓LED芯片及半导体照明白光源制造技术”，如果中国的大城市的夜景灯都用这种产品的话，一年可以省下一座三峡。3.化学与环境公元前707年到1935年，共发生蝗灾769次,即每3-5年一次。山东蝗灾曾使大量灾民迁移到大连。1845-1849年，因土豆病害绝收150万爱尔兰人迁移到美国。第一次世界大战因军中虱子导致4000万人患斑疹伤寒，500万人死亡。蚊虫造成疟疾流行。DDT的合成DDT的合成是1874年由德国化学家Zeidler完成的。60多年以后的1939年，瑞士Muller才发现了DDT具有较好的杀虫活性。Muller获1948诺贝尔生理学和医学奖Muller1932年起研究有机氯化合物的结构与杀虫活性间的关系；在1939年发现了DDT的杀虫作用。瑞士的嘉基公司于1940年迅速将该产品推荐作为杀虫剂使用。1943年10月，拿波里发生斑疹伤寒大流行，以往的处理方法毫无效果，于是采用DDT。1944年1月间，有130人以DDT处理，在3周內斑疹伤寒完全被控制。DDT登上国际舞台。Muller获1948年诺贝尔生理学和医学奖。PaulHermannMullerDDT对疟疾等防治显现极大功效DDT可以抑制昆虫媒介性疾病，如疟疾。对于鼠疫、发疹热、黃热等其他的昆虫媒介性传染病，也证实有抑制效果。在当时的确是拯救了数以万人的生命。只是没想到数十年后竟会造成生态上的浩劫。人类的出路在何方?具有对因饥饿致死的尸体进行剖检的特权的英国皇家医学协会Berry教授说:”任何人只要看到这些因饥饿死亡的尸体，就不会不支持使用农药，农药是人类与饥饿斗争的主要武器。”如果马上全面停止化学农药的使用，这个世界将会是一幅什么样的景象?鼠害横行、害虫猖獗、病菌肆虐、杂草丛生、蚊蝇肆无忌惮，这些都是毫无疑问会出现的后果。食物不足和缺乏营养是当今世界面临的最大问题。Barrons曾说：“有面包吃的人会有很多的忧虑，没有面包吃的人只忧虑面包。”人类的出路在何方?人类应当拒绝化学吗?对农药的毒性要有一个正确的认识

流行病学专家的调查结果表明日常食品致癌的可能性最大。日常生活中我们每天食用的蔬菜一般均含有天然毒素，只是含量较低而已，因为蔬菜本身具有制备毒素来驱赶害虫和病菌的机理。马铃薯中便含有毒性较高的物质茄碱。茄碱在马铃薯的绿色组织中含量最高，在马铃薯的芽内含量达0.04％，据估计，食用绿色程度达50％的马铃薯6.825千克便可能使65千克体重的人有50％的死亡的可能性。这就是化学工作者告诫人们不要食用发芽和变绿的马铃薯的原因。对农药的毒性要有一个正确的认识我们也告诫人们不要食用某些半熟的蔬菜，也就是因为这些蔬菜中含有有毒的物质。通过加热，有毒物质可以发生化学变化变成无毒物质。但是，每年仍有食物中毒的事件发生。还有一个事实是，人们饮用一杯咖啡所摄入的可能致癌物质要比人们在一天的食物中吃入的全部农药残留物而摄入的可能致癌物质多得多。开发更有效的农药化学工作者一直在竭力寻找高效、低毒、对环境影响小的农药。从低效高毒的无机合成农药到高效高毒的有机氯(DDT)、有机磷等有机合成农药，再到高效低毒的氨基甲酸酯类、拟除虫菊酯类有机合成农药，再到超高效低毒的磺酰脲、毗虫灵类有机合成农药，每一个里程碑都无不渗透着化学工作者对环境的深切关注。化学日常化学冶金地质学材料科学数学物理纺织，印染制药法学鉴定环境科学化肥，农药食品医学生物学电子石油化工化学是一门中心科学科学发现一类是从自然界发现新的事实，即通过新的观察工具与实验手段发现新的自然客体或自然现象；一类是在科学研究中提出新的概念、原理、假设、定律，建立新的理论体系。二、对中学化学教育的思考拉瓦锡的贡献1772年由于他对天然水的研究卓越成果被选为法国科学院院士（29岁）1772年2月他读到达尔赛的研究报告“……在高温下烧得炽热的金刚石会消失得无影无踪，连一点灰都没有残留下。”他会怎样想？你会怎样想？他认为周围的环境一定起了某种作用。设计实验他要看看在燃烧的白磷的过程中空气又发生了什么变化？“原来只有五分之一的空气能与磷化合”提问：“空气是一种混合气体？”燃烧作用是和空气中的某种气体的化合作用，这种气体空气叫“有用空气”他多么想能从金属灰中取出纯的“有用空气”呀！从汞灰中制得“有用空气”。他坚信绝没有燃素存在。1777年他正式把这种气体命名为氧。研究了五年，1777年写了《燃烧概论》，阐述了燃烧作用的氧学说。1782年，英国无路和化学家布莱格登——“可燃空气”与空气混合点燃后生成水。1787年拉瓦锡确认水不是元素，而“可燃空气”是一种元素，命名为氢。至此，燃素的氧说很快被举世公认了。1789年拉瓦锡发表了他的名著《化学概论》。拉瓦锡元素的定义：元素是用任何方法都不能在分解的简单物质。元素学说成为现代化学理论的起点，完成了人类元素认识史上的一次质的飞跃。门捷列夫的第一个周期表（1869年3月）门捷列夫的贡献门捷列夫的第三个周期表(1871年发表)1869年发现了元素之间的内在联系——化学元素周期律。在历史上称为科学发展的里程碑。俄罗斯化学家门捷列夫（Mendeleev）

1834-1907）恩格斯高度评价元素周期律的发现“门捷列夫不自觉地应用黑格尔的量转化为质的规律，完成了科学上的一个勋业，这个勋业可以和勒维烈计算尚未知道的行星海王星的勋业居于同等地位。”——《自然辩证法》1872年,门捷列夫在《李比希年鉴》上发表文章,介绍了关于化学元素周期律的新认识:

化学元素按照原子量的大小排列起来，呈现出明显的性质上的周期性。性质相似的元素，它们的原子量或者大致相同（如Pt、Ir、Os），或者是有规律地递增（如K、Rd、Cs）。元素按照它们的原子量排列形成的类似符合它们的原子价的。自然界中分布最多的各种元素有比较小的原子量，并且有特别显著的性质。原子量的大小决定元素的性质。预期可以发现许多未知元素。例如同Al和Si相似的元素，它们的原子量应该在65～75之间。元素的原子量可以根据元素的位置来修正。元素的特性可以从它们的原子量预示出来。假说的验证1871年门捷拉夫预言锌的后面应该是原子量接近66的元素——“类铝”1875年法国化学家布瓦博得朗在利用元素的光谱检验闪锌矿时，发现了镓Ga（类铝）门捷拉夫写信说：“镓就是类铝，镓的比重不是4.7，而应是5.9-6.0”最后布瓦博得朗测得镓的比重为5.96震动了欧洲科学界，科学史上第一次预言的新元素得到了证实。

1880年瑞典化学家尼尔逊在希土矿中发现新的元素钪Sc（类硼）门捷列夫预言的类硼原子量为44氧化物比重3.5硫酸盐Eb2(SO4)3尼尔森发表的钪原子量为43.79氧化物比重3.86硫酸盐Se2(SO4)31886年德国化学家文克勒发现锗Ge（类硅）门捷列夫预言的类硅原子量为72比重大约5.5金属氧化物比重4.7氯化物比重1.9沸点<100℃发表的锗原子量为72.6比重大约5.35金属氧化物比重4.703氯化物比重1.887沸点<86℃中国化学家傅鹰说：

化学给人以知识，化学史给人以智慧。

所以，当我们走进化学领域的时候，我们不仅要熟练掌握化学的基本原理，也要用心体会前人曾遇到的问题和挑战，以及他们在发现过程中的思想历程，从前人的智慧中汲取灵感。原子由中子、质子和电子组成1904年汤姆逊设想：

原子是一个带电的球1911年卢瑟福做实验，提出

原子有核模型三、高中学生创新意识的培养新的困境？

1913年玻尔提出玻尔原子模型环绕运行的电子不会辐射能量。电子只能在其固有的轨道上运行，各个轨道之间是“禁止区域”；怎样证明？太阳光谱和原子发射光谱解释氢原子光谱

n=3,4,5…

n=2可见光

n=2,3,4…

n=1红外线

n=4，5，6

n=3紫外线可见光区红外区紫外区410.2434.0486.1656.3当氢原子中的电子从n=3的轨道跃迁到n=2的轨道是可计算出发射光的波长为656.5nm。与实验结果相差0.2nm。玻尔预言：2n2新的问题？如何描述核外电子运动状态？提出问题解决问题创新意识2002年的诺贝尔化学奖田中耕一(KoichiTanaka日本1959-)，日本科学家。1959年出生于日本富山县首府富山市，1983年获日本东北大学学士学位，现任职于京都市岛津制作所，为该公司研发工程师，分析测量事业部生命科学商务中心、生命科学研究所主任。与美国科学家约翰•芬恩一同发明了“对生物大分子的质谱分析法”。以色列科学家获2011年诺贝尔化学奖谢赫特曼于1982年４月８日首次在电子显微镜中观察到一种“反常理”的现象——他们当时所观察的铝合金中的原子，是以一种不重复的非周期性对称有序方式排列的，而按照当时的理论，具有此种原子排列方式的固体物质是不存在的。但这一发现促使科学家开始重新思考对物质结构的认知。科研人员陆续在实验室中制造出其他种类的准晶体，在取自俄罗斯一条河流的矿物样本中发现天然准晶体。瑞典一家公司也在一种钢中发现准晶体，这种准晶