第一章化学原理

第一章化学原理第一页，共65页。主要参考书目《普通化学原理》(第三版)，华彤文等编著，北京大学出版社，2005。《化学与社会》，[美]LucyPrydeEubanks、CatherineH.Middlecamp等编著，段连运等译，化学工业出版社，2008。《无机化学》（上、下册）（第三版），武汉大学、吉林大学等，高等教育出版社，1994年。张祖德、刘双怀、郑化桂，《无机化学——要点·例题·习题》（第二版），中国科学技术大学出版社，2001年。第一页第二页，共65页。课程目录和课时安排第一章化学概论第二章物质的状态第三章化学反应——物质的变化和创造第四章化学热力学——化学反应的可能性和程度第五章化学动力学——化学反应的进度第六章原子结构和周期律第七章化学键和分子结构第八章分子聚集和超分子化学第二页第三页，共65页。第一章绪论§1-1化学的发展史§1-2现代社会中的化学§1-3化学的体系§1-4化学的基本知识第三页第四页，共65页。冶金火药造纸原子分子学说物质结构理论化学发展过程第四页第五页，共65页。1.1化学的发展史：

人类文明起源时期的化学中国古代青铜器古埃及酿酒图http:///2011/tsingtao100/m105.html第五页第六页，共65页。1.1化学的发展史：

化学科学诞生前的探索西方炼金术东方炼丹术第六页第七页，共65页。1.1化学的发展史：

中国古代化学方面的杰出成就永乐青花花果纹梅瓶

火药明

宋应星

《天工开物·火药》：“凡火药以硝石硫黄为主，草木灰为辅。硝性至阴，硫性至阳，阴阳两神物相遇於无隙可容之中，其出也，人物膺之，魂散惊而魄齏粉。”

第七页第八页，共65页。罗伯特·波义耳（RobertBoyle，1627～1691），英国化学家，是《怀疑派化学家TheScepticalChemist》作者。“波义耳把化学确立为科学”。

安托万·洛朗·拉瓦锡（A.L.Lavoisier，1743～1794）法国著名化学家，近代化学的奠基人之一，“燃烧的氧学说”的提出者。/view/146727.htm/view/182254.htm1.1化学的发展史：

化学科学的诞生第八页第九页，共65页。1.1化学的发展史：

化学科学的诞生约翰·道尔顿（JohnDalton，1766～1844）英国化学家和物理学家。他创立了原子学说。/view/54570.htm阿伏伽德罗（AmedeoAvogadro，1776～1856），意大利化学家。1811年发表了阿伏伽德罗假说，并提出分子概念及原子、分子区别。/view/2810670.htm第九页第十页，共65页。/view/5051.htm威廉·康拉德·伦琴（WilhelmConradRöntgen，1845～1923），德国物理学家。1895年，发现X射线。1901年获第一次诺贝尔物理学奖。约瑟夫·约翰·汤拇逊(JosephJohnThomson,1856～1940)，英国物理学家。1897年发现电子，以其对电子和同位素的实验著称。1906年诺贝尔物理学奖。/view/1543659.htm安东尼·亨利·贝克勒尔（AntoineHenriBecquerel，1852～1908）法国物理学家。1896年发现铀原子核的天然放射性。1903年诺贝尔物理学奖。/view/68019.htm现代化学的产生第十页第十一页，共65页。元素周期律

1869年，门捷列夫(俄国,D.I.Mendeleev,1834-1907)和化学家迈尔(德国,J.L.Meyet,1830-1895)独立发现元素周期律。二者都是在编写教科书过程中完成这一重大发现的。迈尔对元素性质研究偏重于物理性质，而门捷列夫则更多地着眼于元素的化学性质。第十一页第十二页，共65页。第十二页第十三页，共65页。物理性质与化学性质物理性质：不涉及成分的性质如质量，颜色，体积等化学性质：与反应有关的性质第十三页第十四页，共65页。物理变化与化学变化(a)汞是银色的.(b)铁粉的燃烧(c)烧煤取暖(d)水在100°C沸腾(e)10cm长的铅笔用掉2cm第十四页第十五页，共65页。一些基本概念第十五页第十六页，共65页。均相混合物（溶液）第十六页第十七页，共65页。非均相混合物第十七页第十八页，共65页。纯净物第十八页第十九页，共65页。分子科学理论物质提纯技术分析测试方法合成技术

1.2现代社会中的化学第十九页第二十页，共65页。化学催生出的技术

蒸馏第二十页第二十一页，共65页。化学催生出的技术

重结晶砂糖冰糖精盐粗盐第二十一页第二十二页，共65页。化学催生出的技术

萃取咖啡因I2碘多级液液萃取装置第二十二页第二十三页，共65页。化学催生出的技术

升华樟木块樟脑有杀虫作用干冰固态二氧化碳干冰升华形成舞台雾效第二十三页第二十四页，共65页。化学与其它学科的联系第二十四页第二十五页，共65页。1.2现代社会中的化学

分析测试方法消渴病糖尿病症状：多饮、多尿、多食及消瘦、疲乏、尿甜招引蚂蚁医生口尝

现代诊断方法：血糖、尿糖化验第二十五页第二十六页，共65页。1.2现代社会中的化学

分析测试方法核磁共振谱仪第二十六页第二十七页，共65页。气相色谱质谱联用仪第二十七页第二十八页，共65页。1.2现代社会中的化学

分析测试方法X射线晶体衍射第二十八页第二十九页，共65页。1.2现代社会中的化学

物质提纯技术

皮埃尔.居里和玛丽.居里沥青铀矿铀矿石氯化镭第二十九页第三十页，共65页。1.2现代社会中的化学

物质提纯技术胰岛素

1921年加拿大多伦多大学弗雷德里克•班廷（FrederickBanting）与约翰•麦克劳德（JohnMacleod）合作首次成功提取到了胰岛素，1922年开始用于临床，使过去不治的糖尿病患者得到挽救。弗雷德里克•班廷第三十页第三十一页，共65页。1.2现代社会中的化学

物质提纯技术

1928年，弗莱明在伦敦大学发现霉菌能杀灭金黄色葡萄球菌。1935年英国牛津大学弗洛里和旅英的德国生物化学家钱恩合作，研究青霉素的性质、分离和化学结构，解决了青霉素的纯化问题。亚历山大·弗莱明

青霉素第三十一页第三十二页，共65页。1.2现代社会中的化学

物质提纯技术卫生部中医研究院屠呦呦青蒿素

东晋葛洪《肘后备急方》中“青蒿一握，水一升渍，绞取汁服，可治久疟”。中国学者在1970年代发现黄花蒿具有抗疟作用，而学名为青蒿的没有任何抗疟作用。其次绝大多数中药用煎熬等高温方法配制，会破坏有效成分。屠呦呦团队发现用乙醚提取到了抗疟有效成份青蒿素，对疟原虫杀灭效率可达100%。他们还首先进行了青蒿素的临床实验。第三十二页第三十三页，共65页。1.2现代社会中的化学

物质提纯技术第三十三页第三十四页，共65页。

第一种大规模生产的抗生素。格哈德·多马克（GerhardJohannesPaulDomagk，1895～1964），德国病理学家与细菌学家，磺胺类抗生素之父。1939年诺贝尔医学奖得主。1.2现代社会中的化学

合成技术百浪多息第三十四页第三十五页，共65页。紫杉醇—一种抗癌药物1955年，美国政府下属的国家癌症研究中心实施一项植物筛选计划，寻找具抗癌活性的化合物。1964年，太平洋紫杉树皮（T.brevifoliaNutt.）的提取物被发现具有抗肿瘤活性。1966年发现和确定了其中的活性成分紫杉醇。

1999年紫杉醇作为百时美施贵宝公司在全球销售的品牌药品实现150亿美元的销售额。

紫杉醇为获得紫杉醇而被剥掉树皮的红豆杉。第三十五页第三十六页，共65页。1.2现代社会中的化学

合成技术

10-脱乙酰基巴卡丁

可从欧洲红豆杉树叶中大量提取。欧洲红豆杉树

1990年时，这条半合成路线的专利被施贵宝公司购买并用于生产紫杉醇。第三十六页第三十七页，共65页。1.2现代社会中的化学

合成技术第三十七页第三十八页，共65页。合成化学对人类的贡献

弗里茨·哈伯，德国化学家，因发明合成氨获得1918年诺贝尔化学奖。第三十八页第三十九页，共65页。生命科学中的化学绿色荧光蛋白第三十九页第四十页，共65页。无机小分子物质有机小分子物质有机高分子物质多分子体系原始生命

人存在的物质基础是几种基本的粒子：质子、电子、中子；

这些组成了原子，进而分子，细胞、组织、器官、系统、到整个人体；

人的物质基础很简单，复杂的是这些物质的相互作用的特殊结构和形态。分子科学理论认识人体组成第四十页第四十一页，共65页。人体中的化学元素

化学与人体组成《化学与健康》，江元汝，科学出版社第四十一页第四十二页，共65页。结构材料运载作用组成金属酶或作为酶的激活剂调节体液的物理、化学特性“信使”作用必需化学元素主要功能化学与人体组成第四十二页第四十三页，共65页。化学--我们的生活第四十三页第四十四页，共65页。化学在生活中应用Thefunofthechemistry，PeterVollhardt第四十四页第四十五页，共65页。化学在环境中应用废水处理池废水处理工艺第四十五页第四十六页，共65页。化学在材料中应用航空碳纤维材料钛合金医用材料高强度尼龙绳第四十六页第四十七页，共65页。金属材料----钛第四十七页第四十八页，共65页。Simvastatin，降脂药Lipitor,降胆固醇药Omeprazole,胃溃疡，肠胃炎等Amlodipine,降血压药化学在药物中应用全球市场几千亿美元，拯救了一大批患者第四十八页第四十九页，共65页。1.3化学的体系无机化学

最古老的化学分支，化学的早期研究基本在无机化学的范畴，研究无机物组成、结构、性质以及无机化学反应与过程。当前主要研究领域：(1)固体化学及功能材料(2)配位化学及分子材料和器件(3)生物无机化学(4)团簇及原子簇化学(5)无机纳米材料及器件(6)稀土化学及功能材料(7)核化学和放射化学(8)物理无机化学等。第四十九页第五十页，共65页。1.3化学的体系有机化学

有机化学又称为碳化合物的化学。含碳化合物被称为有机化合物是因为化学家们曾经认为含碳物质一定要由有机体才能制造。然而，1828年维勒在实验室中成功合成尿素。

维勒FriedrichWöhler1800~1882人工合成尿素李比希JustusvonLiebig1803~1873有机化学之父凯库勒FriedrichA·Kekule1829~1896梦见苯的结构第五十页第五十一页，共65页。1.3化学的体系分析化学分析化学是关于研究物质的组成、含量、结构和形态等化学信息的分析方法及理论的一门科学。

主要包括成分分析和结构分析两个方面。结构分析更多地涉及物理内容，故往往划归为物理化学的研究范畴。以化学反应为基础的析方法称为化学分析法，是分析化学的起源；利用特定仪器并以物质的物理化学性质为基础的分析方法称为仪器分析法。现代分析化学正向快速、准确、灵敏、微量、微区、表面、自动化等方向发展(realtime,insitu,invivo)。主要内容包括：(1)光谱分析；(2)电化学分析；(3)色谱分析(4)质谱分析；(5)核磁共振；(6)表面分析(7)放射化学分析;(8)单分子(原子)检测；(9)生化分析，等等第五十一页第五十二页，共65页。1.3化学的体系物理化学

化学体系的宏观平衡性质：以热力学的三个基本定律为理论基础，研究宏观化学体系在气态、液态、固态、溶解态以及高分散状态的平衡物理化学性质及其规律性。

化学体系的微观结构和性质：以量子理论为理论基础，研究原子和分子的结构，物体的体相中原子和分子的空间结构、表面相的结构，以及结构与物性的规律性。

化学体系的动态性质：研究由于化学或物理因素的扰动而引起体系中发生的化学变化过程的速率和变化机理。在这一情况下，时间是重要的变量。主要分支学科：(1)化学热力学

(2)化学动力学(3)结构化学

(4)量子化学(5)电化学

(6)催化化学(7)胶体化学

(8)表面化学,等等第五十二页第五十三页，共65页。1.3化学的体系

1887年，阿仑尼乌斯提出电解质电离理论。该理论与法拉第电解定律(1834)、门捷列夫元素周期律(1869)一起，共同奠定现代化学的基础。同年，奥斯特瓦尔德创办《物理化学杂志》(ZeitschriftfürphysikalischeChemie)，标志着物理化学学科的建立。阿仑尼乌斯、奥斯特瓦尔德和范特霍夫被称为“物理化学三剑客”，分获1903、1909和1901诺贝尔化学奖。奥斯特瓦尔德WilhelmOstwald1853~1932物理化学奠基人阿仑尼乌斯SvanteA.Arrhenius1859-1927电离理论创立者范特霍夫JacobusH.van’tHoff(1852-1911,荷兰)第五十三页第五十四页，共65页。1.3化学的体系高分子化学研究高分子的合成、高分子的链结构和聚集态结构，以及高分子材料的成型及应用。主要内容包括：(1)高分子合成化学(2)高分子物理(3)功能高分子及器件(4)高分子加工与成型(5)高分子高级结构、尺度与性能的关系(6)通用高分子材料及合成高分子的原料（1896～1937）HermannStaudinger

1881～

1965第五十四页第五十五页，共65页。AlanJ.HeggerAlanG.MacDiarmidHidekiShirokawa2000年Noble化学奖得主"forthediscoveryanddevelopmentofconductivepolymers"第五十五页第五十六页，共65页。化学的机会与挑战当前化学发展的总趋势宏观和微观(纳米化学、单分子化学)静态和动态(飞秒化学)定性和定量(超微量分析)体相和表相(分析技术)描述和理论分子器件，等。当前化学的主要任务和发展动向开发最佳的化学过程(原子经济反应、绿色化学)以社会需要为导向，寻找和设计最佳的化合物和材料发展分析测试新方法第五十六页第五十七页，共65页。化学键理论的发展历程离子键理论(电价理论)

1852年，英国化学家弗兰克兰(E.Frankland,1825-1899)提出了原子价的概念，也称化合价。

1916年，德国基尔大学理论物理学教授柯塞尔(W.Kossel,1888-1956)发表论文“关于原子结构和分子形成”，认为稳定离子的形成是由原子获得或失去电子以便达到惰性气体原子的电子结构所导致的，阴、阳离子之间由库仑引力而形成化学键。两元素原子间的结合被称为电价键，现在称为离子键。第五十七页第五十八页，共65页。第五十八页第五十九页，共65页。化学键理论的发展历程共价键理论(经典Lewis学说)

1916年，美国加州大学化学教授路易斯(G.W.Lewis,1875-1946)

提出成键两原子各提供1、2或3个电子作为共有电子，使每个原子都具有8电子的稳定结构，共有电子与两原子核相互吸引而使两原子相互结合。这种原子间的结合称为共价键。

1919年美国化学家朗缪尔(I.Langmuir,1881-1957)又提出成键原子间共用电子对可以不来自两个原子，而是由一个原子单独提供。（共价键理论有时也称为路易斯-朗缪尔理论）

第五十九页第六十页，共65页。Lewis分子结构式第六十页第六十一页，共65页。化学键理论的发展历程价键理论(VB理论，电子配对理论)1927年，德国物理学家海特勒(W.Heitler,1904-1981)和伦敦(F.W.London,1900-1954)首先把量子力学应用到分子结构中，建立和求解了氢分子的薛定方程，揭示氢分子中每个原子共用一对电子形成化学键的本质，指出只有自旋相反的未成对电子才能形成共价键。

1930年，美国化学家鲍林(L.Pauling,1901-1994)和德国物理学家斯莱特(J.C.Slater,1900-1976)将上述电子对成键理论推广到多种单质和化合物，形成现代价键理论(VB理论，亦称HLSP理论)。该理论阐了共价键的方向性和饱和性，指出了由于原子轨道重叠方式不同而形成的σ和π键这两种基本共价键类型。

1931年，为解释甲烷分子的空间构型，鲍林/斯莱特又根据波函数叠加原理，提出了杂化轨道理论。作为价键理论的重要补充，较满意地解释了共价多原子分子的空间构型。1931-1933年，为了合理处理用路易斯结构难以描述的分子，鲍林又提出了共振概念。价键理论将量子力学的原理和化学的直观经验紧密结合，在经典化学中引入了量子力学理论和一系列的新概念，如杂化、共振、σ键、π键、电负、电子配对等，对当时化学键理论的发展起了重要作用。第六十一页第六十二页，共65页。化学键理论的发展历程分子轨道理论(MO理论)——诞生

1928年，美国莫利肯(R.S.Mulliken,1896-1986)和德国洪特(F.Hund,1896-1997)首先提出分子轨道理论。1929年，加拿大赫兹伯格(G.He