现代化进展与中学化学

现代化学进展与中学化学2013年10月21日张志国副教授zhangzg@1自觉、主动、积极参与收集、阅读相关资料研究性学习本课程的学习要求《现代化学与中学化学——中学化学现代内容研究与设计》主编：王明召出版社：北京师范大学出版社出版时间：2011年6月1日推荐书籍3《化学进展丛书》推荐书籍4本课程的主要内容一、化学与生命二、化学与能源三、化学与材料四、化学与环境五、化学与生活六、对中学化学教育的思考5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。一、化学与生命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。一、化学与生命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一、化学与生命弗洛里与原子弹、雷达并称为第二次世界大战中的三大发明！1939年诺贝尔生理学和医学奖授予多马克

二十世纪三十年代以前，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——Prontosil(百浪多息——偶氮磺胺：世界上第一种商品化的合成抗菌药)。

一、化学与生命GerhardDomagk人类已经清楚磺胺能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。一、化学与生命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。一、化学与生命紫杉醇: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。一、化学与生命有的人看到已经发生的事情，问：“为什么会这样?”

我却梦想从未有过的事物，然后追问：“为什么不能这样?”

——萧伯纳

爱尔兰剧作家一步化学合成反应，如同棋手的一步棋！一、化学与生命天然产物合成进入”艺术期”Woodward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…..”.一、化学与生命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

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。1995年蒿甲醚被WHO(世界健康组织)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。一、化学与生命15公元前2700年，中国的古典医书《黄帝内经》描述了疟疾(瘴气)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;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。中国古代称疟疾为“瘴气”,意大利语称疟疾为“malaria”,意思是“坏空气”,表明中西方对这种疾病有相似的认识。一、化学与生命1617世纪时，印第安人开始用一种树皮治疗疟疾。这种树就是金鸡纳树。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。从金鸡纳(cinchona)到奎宁，从提取到合成：西方科学致力于解开植物治疟的秘密一、化学与生命17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《肘后备急方》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”。一、化学与生命182011年屠呦呦教授获得了“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”一、化学与生命19现今的能源状态二、化学与能源20二、化学与能源21二、化学与能源221、能源之母——太阳能二、化学与能源23太阳能的优点：不产生的有害气体和废渣，不污染环境，被称作“干净能源”。使用方便、安全。成本低廉，可以再生。二、化学与能源24二、化学与能源A、对可见光的利用25二、化学与能源染料敏化太阳能电池功能高分子太阳能电池无机太阳能电池硅太阳能电池26染料敏化太阳能电池样机二、化学与能源27太阳能电池的发展方向材料与器件结构的研究与开发各种太阳能电池材料研究杂质与缺陷的转换效率及稳定性影响使用薄膜技术和剥离技术。大规模生产技术的开发跟踪与聚光储电及并网发电结合并网发电以建成多个兆瓦级的电站，~100MW规模太阳能热发电站与建筑物结合架设太阳电池组件日本：1994-2000年2万套屋顶光伏系统185MW；七万屋顶计划280MW美国：1997~2010年百万屋顶计划3025MW发电成本6美分集成在建筑材料上曲线形屋顶瓦、垂直幕墙、窗用玻璃二、化学与能源28B、对红外线的利用光热转换，即把太阳能直接转变成热能。热利用分为：低温热利用、中温热利用和高温热利用。二、化学与能源29C、对紫外线的利用二、化学与能源30

“可燃冰”的主要成分是甲烷与水分子，学名为“天然气水合物”，又称“笼形包合物”，分子结构式为：CH4·H2O。天然气水合物是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等）下，由气体或挥发性液体与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质，外观像冰。2、可燃冰——未来的新能源二、化学与能源31开采是柄“双刃剑”

天然“可燃冰”埋藏于海底的岩石中，和石油、天然气相比，它不易开采和运输，世界上至今还没有完美的开采方案。中国科学院院士、中国地球物理学会理事汪集在一份资料上认为，首先是开采这种水合物会给生态造成一系列严重问题。二、化学与能源32已建成核电项目

6个在建核电项目

10个拟建核电项目

27个3、魔鬼与天使——核能二、化学与能源33在建设中的中国快堆下一代核电站——“快堆”（魔炉）“燃料”越烧越多的“魔炉”天然铀资源的利用率：热堆：1%~2%；快堆：60%-~70%；利用率可以增加35~60倍！二、化学与能源34蓄电池1905年,第一个蓄电池用于汽车照明;1914年,第一次将启动型蓄电池用于汽车;1922年,第一个BOSCH摩托车用蓄电池出现在摩托车上;1926年,第一台蓄电池充电器问世;1927年以后,Bosch公司开发出汽车用蓄电池。干电池4、化学电池——实用的能源1887年,英国人赫勒森(WilhelmHellesen)发明了最早的干电池。2011年我国干电池行业的资产总额为880.91亿元，实现销售收入965.15亿元!二、化学与能源35锂电池镍氢电池（高压镍氢电池）二、化学与能源36燃料电池二、化学与能源375、环境友好------氢能源氢能经济的背景大气中二氧化碳逐年增加，地球不断变暖，生态环境恶化，自然灾害频发，造成的损失逐年增加。化石能源储量有限，消耗加快。能源结构单一，过渡依赖化石能源。经济增长、环境保护和社会发展的压力。氢：储量大，分布广，清洁无污染！二、化学与能源38氢能社会构想终端用户再生能源制氢天然气制氢燃料电池工厂CO2处理加氢站电厂二、化学与能源39氢气的储存类型典型技术体积密度重量密度(wt)备注物理方法液态氢71/37g/l~5%20K,能耗大高压氢39/24g/l~3.3%RT,70MPa大比表吸附剂~1%80K纳米碳管<2%可逆存放量化学方法金属氢化物>100g/l<2%可实用速度吸\放氢量有机液体~50g/l~7%苯理论量其他含氢物质63/22g/l>4%30%NaBH4溶液二、化学与能源40硼氢化合物贮氢硼氢化物氢含量wt%研究者formulareactionLiBH418.213.5Zuteletal.NaBH410.510.5MillenniumCelletal.NH3BH319.519.5Wolfetal.NH4BH424.524.5Unstable>-20℃Al(BH4)316.8PotentialchemicalsubstanceforH2storageMg(BH4)214.8LiAlH2(BH4)215.2二、化学与能源41B99N99C186nanotubesBN纳米结构贮氢二、化学与能源42三、化学与材料材料发展历史人类文明的发展史就是一部利用材料、制造材料和创造材料的历史。在人类社会的发展和进步过程中，材料是一个带有时代和文明标志的基础。43天然材料陶瓷青铜铁钢有色金属高分子材料新型材料材料发展的历史演进三、化学与材料44什么是新型材料？主要有什么特点？新型材料:通常是指对现代化科学技术进步和国民经济发展以及提高综合国力有重大推动作用的最新发展或正在发展的材料。这些材料和传统材料相比具有优异的性能和特定的功能，是发展信息、航天、生物、能源等高技术的重要物质基础。三、化学与材料45为什么要发展新型材料？新型材料能够促使生产力得到极大的提高，推动人类社会的发展新型材料是现代国民经济各行业发展的基础新型材料是国防现代化的保证新型材料是科技进步的关键

没有材料科学的发展，没有新材料的出现，就不会有高新技术产品的出现，也就失去了人类社会进步的物质基础。三、化学与材料46新型材料有那些种类？纳米材料超导材料形状记忆合金梯度功能材料非晶态合金材料信息材料新能源材料光学材料新型高分子材料新型无机非金属材料智能材料磁性材料生物医用材料环境材料航空材料三、化学与材料47新材料化学科学新材料的研究主要有以下几个方面：复合型材料新型能源材料可生物降解高分子材料有机物体系膜分离及膜材料的研究生物材料化学三、化学与材料48管中窥豹——从假牙制作史看材料发展史第一代镶牙材料就采用了人或动物的牙齿河马牙齿象牙牛牙三、化学与材料49第二代假牙是金属假牙三、化学与材料50第三代是以陶瓷为代表的无机非金属材料三、化学与材料5120世纪前材料进步主要依靠人们经验积累和技巧，发展缓慢在于人们还没能对材料在科学上有深刻的认识和理解，缺乏科学对材料发展的指导。20世纪科学突破成功揭示了微观世界的基本规律，加速了人们对声、光、电、磁、热现象以及材料内部结构的认识，这既促使多种新材料的诞生，也开辟了一系列重大科学技术突破。科学引导和高技术产业发展推动的双重作用，诞生各种各样的新材料，构成21世纪人类文明的基础。材料发展历史小结三、化学与材料52四、化学与环境535354四、化学与环境54四、化学与环境5556四、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。四、化学与环境571990年，美国国会通过了“防止污染法案”，明确提出了防止污染这一概念。它包括废弃物的清除、处理、回收、减少和杜绝污染源。其中“杜绝污染源”代表了预防污染这一概念的最终目标。1991年，“绿色化学”由美国化学会首次提出，并成为美国环保局的中心口号，从而确立了绿色化学的重要地位。绿色化学的诞生四、化学与环境58绿色化学又称环境无害化学或环境友好化学或清洁化学，即是利用新的工艺和方法，减少或消除有害物质的使用，避免有害产物、副产物的产生，实现“零排放”，从而保护人类健康、社会安全和生态环境的化学。绿色化学的理想在于不再使用有毒、有害的物质，不再产生废物，不再处理废物。始端预防，胜于终端控制！四、化学与环境基本概念59绿色化学研究的中心内容原子经济性、高选择性反应产品的绿色化（环境友好的产品）催化剂、溶剂的绿色化原料无毒、无害可再生资源为原料美国Stanford大学的B.M.Trost教授在1991年首次提出了反应的“原子经济性”新概念。即反应中绝大多数甚至全部的反应物原子都被引入目标产物，产生极少甚至不产生副产物，以达到“零排放”的目的。四、化学与环境60绿色化学作为一门新的学科，经过10多年的研究与发展，该领域的先驱研究者已总结出绿色化学的一些理论和原则，为绿色化学今后的研究工作奠定了基础。P.T.Anstas和J.C.Waner提出的12条绿色化学原则，目前为国际化学界所公认，它既反映了绿色化学发展以来的多方面的研究工作内容，也指明了绿色化学未来的发展方向。JohnC.WarnerPaulT.Anastas绿色化学十二条原则四、化学与环境611、污染领域：防止污染的产生优于治理产生的污染。2、原子经济：设计的合成方法应使生产过程中所采用的原料最大量地转移到最终产品中。3、不那么有害的化学合成：设计合成方法时，只要可能，应最大限度地使用产生无毒或毒性小的物质。4、设计较安全的化学物质：设计化学产品时应尽量保持其功效而降低其毒性。5、较安全的溶剂和辅料：应尽可能避免使用溶剂，分离试剂等助剂，如不可避免，也要选用无毒无害的助剂。6、设计考虑能源效率：合成方法必须考虑过程中能耗对成本与环境的影响，设法降低能耗，最好采用在常温压条件下的合成。四、化学与环境绿色化学十二条原则627、使用可再生原料：在经济合理和技术可行的前提下，应选用可再生资源代替消耗能源。8、减少衍生物：在可能的前提下，尽量不用不必要的衍生物，如限制性基因，保护和去保护基因等。9、催化：合成方法采用高选择性的催化剂比用化学计量助剂更优越。10、设计考虑可降解性：化学品应设计成使用后容易降解为无害物质。11、对污染预防进行实时分析，分析方法应能真正实现在浅检测，在有害物质生成前加以控制。

12、安全的化学过程：选择化学生产过程的物质，使化学意外事故（爆炸、火灾、渗透等）的危险性降低到最小程度。四、化学与环境绿色化学十二条原则63建立绿色观念，加强环境保护意识政府：绿色政策个人：绿