大学化学

绪论 化学是一门在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性能、应用及物质之间相互转化规律、创造新物质的科学。世界由物质组成，化学则是人类用以认识和改造物质世界的主要方法和手段之一。它是一门历史悠久而又富有活力的学科，它的成就是社会文明的重要标志。从开始用火的原始社会，到使用各种人造物质的现代社会，人类都在享用化学成果。人类的生活能够不断提高和改善，化学的贡献在其中起了重要的作用。2008年12月30日，第63届联合国大会通过决议，将2011年作为联合国“国际化学年”，主题是“我们的生活，我们的未来”，以纪念化学学科所取得的巨大成就及对人类文明做出的重要贡献。 一、化学的发展历程 从古至今，化学知识的形成和发展经历了漫长而曲折的道路。它伴随着人类社会进步的各个重要阶段，也是人类社会发展的必然结果。化学的发展主要经历以下几个时期。 1. 萌芽时期 在公元前1500年之前，人类在日常生活中学会了用黏土烧制陶器、从矿石中烧出金属，学会了从谷物酿造出酒、给丝麻等织物染色，这些都是在实践经验的启发下经过长期摸索而得出来的*原始的化学工艺。原始人类为了生存，在与自然界的抗争中，发现和学会了使用火。原始人类也由野蛮时代进入文明时代，同时也开启了用化学方法认识和改造自然界的篇章。这一时期，化学的萌芽由火的使用开始，但系统的化学知识尚未形成。 2. 炼丹术和医药化学时期 公元前1500年到公元1650年的3000多年，炼丹术士和炼金术士们，开始了*早的化学实验，并对各种炼丹术的实验结果进行记载和总结。虽然这一时期的炼丹术、炼金术被证明是极其荒唐的，但是，这些活动积累了许多物质间的化学变化规律，为化学的进一步发展准备了丰富的素材。而且，化学方法在医药和冶金方面得到了很大发展。在欧洲文艺复兴时期，一些有关化学的书籍开始出版，且**次有了“化学”这个名词。现今，英语的chemistry即起源于alchemy(炼金术)一词。而chemist至今还保留着两个相关的含义：化学家和药剂师。 3. 燃素化学时期 从1650年到1775年，随着冶金工业和大量实验经验的积累，人们通过总结感性知识，认为可燃物能够燃烧是因为它含有燃素，燃烧的过程也就是可燃物中燃素释放的过程。在这一百多年间，化学家为解释各种现象，做了大量的实验，发现多种气体的存在，积累了更多关于物质转化的新知识。特别是燃素说认为化学反应是一种物质转移到另一种物质的过程，以及化学反应中物质守恒，这些观点奠定了近代化学思维的基础。这一时期，不仅从科学实践上，还从思想上为近代化学的发展做了充分准备，成为近代化学的孕育时期。 4. 定量化学时期 即近代化学时期。1775年前后，拉瓦锡用定量化学实验阐述了燃烧的氧化学说，开创了定量化学时代。这一时期建立了包括氧化理论、质量守恒定律、定比定律、倍比定律和化合定律等不少基本定律，并提出了与古代原子论有重要区别的原子学说，发现了元素周期律，发展了有机结构理论。不仅初步形成了无机化学的体系，并与原子分子学说一起形成化学理论体系。尤其是19世纪下半叶，热力学等物理学理论引入化学之后，不仅澄清了化学平衡和反应速率的概念，而且可以定量地判断化学反应中物质转化的方向和条件。相继建立了溶液理论、电离理论、电化学和化学动力学的理论基础。物理化学的诞生，把化学从理论上提高到一个新的水平。这一切为现代化学的发展奠定了坚实的基础。 5. 科学相互渗透时期 即现代化学时期。进入20世纪后，由于受到自然科学其他学科发展的影响，并广泛地应用了当代科学的理论、技术和方法，化学在认识物质的组成、结构、合成和测试等方面都有了长足的进展，而且在理论方面取得了许多重要成果。在无机化学、分析化学、有机化学和物理化学四大分支学科的基础上产生了新的化学分支学科。近代物理的理论和技术、数学方法及计算机技术在化学中的应用，对现代化学的发展起了很大的推动作用。19世纪末，电子、X线和放射性的发现为化学在20世纪的重大进展创造了条件。尤其是量子论的发展使化学和物理学有了共同的语言，解决了化学上许多悬而未决的问题，也使得化学取得突破性进展。与此同时，化学学科也由原来的四大化学衍生出更多新的学科分支。近年来，一些新兴学科如化学生物学、分子科学与工程等正在快速崛起，标志着人类对化学物质的操控更多向分子、原子尺度延伸。20世纪以来，化学发展的趋势可以归纳为：由宏观向微观、由定性向定量、由稳定态向亚稳定态发展，由经验逐渐上升到理论，再用于指导设计和开拓创新的研究。一方面，为生产和技术部门提供尽可能多的新物质、新材料；另一方面，在与其他自然科学相互渗透的进程中不断产生新学科，如生物化学、高分子化学、配位化学、材料化学和金属有机化学等，并向探索生命科学和宇宙起源的方向发展，使蛋白质、酶的结构问题得到逐步的解决。 二、化学的作用 化学是自然科学三门核心基础学科之一，即中心科学，这是因为众多科学分支的发展都与化学密切相关。它促进了现代科学如生命科学、环境科学、材料科学、医学，甚至机械工程、电气工程等的飞速发展。 化学学科往往被看作是承上启下的中心学科，上可联系物理、数学、计算机与信息科学等研究对象简单、抽象的上游学科；下可延伸解决诸如工程科学、生命科学、材料科学等研究对象具体、复杂的下游学科。尤其是进入21世纪以后，学科交叉越来越厉害，学科与学科之间的界限越来越模糊，而在这诸多学科中化学扮演着一个非常重要的“移上游科学之花，接下游科学之木”的作用，这也使得其在这些学科的交叉中碰撞产生出更多的突破性成就。以化学生物学为例，它是研究生命过程中化学基础的科学。通过用化学的理论和方法研究生命现象和生命过程，通过探索干预和调整疾病发生发展的途径和机制，为新药发现提供必不可少的理论依据。通过向这些领域的不断延伸和渗透，必将为解决基因组工程、蛋白质工程中的问题及理解大脑的功能和记忆等人类自身的重大科学问题做出卓越贡献。 在推动其他学科发展的同时，化学学科本身也取得了长足的发展。化学家通过不断汲取数学、物理和其他学科的*新理论和方法，将其用于解决化学中多元复杂体系的研究，如非线性理论和混沌理论。为了解决在化学物质的制备和化学反应过程中产生的大量环境污染问题，近年来绿色化学取得了长足发展，立足于使用清洁、绿色的生产技术，以可回收利用的液体如水作为反应介质，根除对环境的污染。 化学在国民经济占据举足轻重的地位。在诸多工业部门中，基本化学工业和塑料、合成纤维、石油、橡胶、药剂、染料工业等均基于化学学科。化学工业是国民经济基础产业之一，在国民经济中是工业革命的助手，为工农业生产提供重要的原料保障，其质量、数量及价格上的相对稳定，对农业生产的稳定与发展至关重要。化学工业还肩负着为国防生产配套高技术材料的任务，并提供常规战略物资，与衣、食、住、行密切相关。为农业提供化肥、农药、塑料薄膜、饲料添加剂、生物促进剂等产品，反过来又以农副产品为原料，如淀粉、糖蜜、油脂、纤维素及天然香料、色素、生物药材等制造工农业所需要的化工产品，形成良性循环。化学工业还为化学药品的合成和提取提供新方法、新工艺、新原料，为人类健康和医疗事业提供物质基础，为冶金、建筑等工业提供新原料、冶炼工艺、生产新技术。 三、化学的未来 化学未来的发展趋势有四点：化学将向更广度、更深层次的方向延伸；新工具的不断创造和应用促进化学创新发展；绿色化学将引起化学化工生产方式的变革；化学在解决战略性、全局性、前瞻性重大问题当中将继续发挥更大的作用。 1. 化学向更广度、更深层次的方向延伸 对原子、分子的认识将更为深入，多层次分子研究更为系统，在创造新分子、新材料的基础上更加注重功能性。超分子是一个分子结构与宏观性能的关键纽带，是产生更高级结构的基础。如何设计超分子结构和材料，对复杂生命体系的理解和模拟及调控都是前沿的课题。这是化学向更深层次、更复杂拓展的延伸。在材料化学方面，要设计铸造分子；生命科学方面，要研究生命起源、调控机制、疾病发生机制和药物的作用机制；在脑科学和认知科学方面，要在生物分子的水平上认识结构。化学在这些研究方面都有十分重要的作用。 2. 新工具的不断创造和应用会促进化学创新发展 随着技术能力和仪器设备的不断进步，空前准确和灵敏的仪器不断被创造和应用，科学家不仅能在原子、分子甚至电子层次观察并研究微观世界的性质，而且能够对其物质结构和能量过程进行操控。同步辐射及各种实验方法和技术的改进，使同步辐射光源在化学研究领域中发挥重要的作用，如真空紫外辐射光可以在量的水平上观察化学共振态、原位气固反应X线吸收精细结构谱实验新方法，各种应用促进了化学向更深层次的发展。 3. 绿色化学将引起化学化工生产方式的变革 绿色化学不仅是对现有过程的改进和新过程的研究，未来化学的研究将更加注重绿色产品设计的理念。考虑从原子经济学、计算化学、绿色化学的结合、合成方法学的角度上进行绿色化学的研究。如何通过发展新型的高稳定性高效催化剂，并且在制造的过程中对环境无害，使用的过程中可以回收再利用，使催化剂不污染环境这也是一个非常重要的方面。采用绿色的溶剂，如二氧化碳做溶剂，离子液体、聚乙二醇等使之更加清洁和可持续。把引起气候变暖的二氧化碳转化利用，通过开发新的技术进行转化应用。将秸秆、树木、藻类转化为燃料，重要化学品核材料，木质素、纤维素为原料的新化学反应，黏土等天然无毒原料在材料科学中的应用，不仅是创造新一代的可持续的化学产品，如何变废为宝这是下一步发展的重要方面。 4. 化学在解决战略性、全局性、前瞻性重大问题当中将继续发挥更大的作用 社会的发展不断对化学发展提出新的需求，如能源危机要求我们如何像光合作用那样高效地利用太阳能。仿造树叶的光合作用来高效利用太阳能。环境保护方面如何控制降解驱除污染，资源利用方面必须做到合理高效地利用资源，*大限度地利用资源，材料方面绿色化及智能化，可再生循环利用。 化学引导着发现与创造，是*具有创新性的一个学科，是唯一一个能够合成新的物质和稳定存在新物质的学科。化学是带来重大发明创造的学科，支撑了人类社会可持续发展，引领了科学与技术进步，化学将向更广度深度的方向延伸，必将促进能源、环境、材料、生命等战略领域的发展。化学的发展是无限的，人类的认知创造能力是无限的。 四、大学化学的培养目标 “大学化学”课程简明反映了化学学科的基本原理，以无机化学、物理化学内容为主，包括了一部分结构化学和分析化学的内容，是高等院校不可或缺的一门重要基础课，是研究型大学各专业学生科学文化素养教育的重要环节，在化学与能源、材料、生命、药学、食品、环境、航天、机械、化工等学科之间起到桥梁的作用。通过本课程的学习，使学生在中学化学的基础上，对物质本性及其变化规律有一个比较全面的认识，明确物质结构、组成、性能及它们之间相互作用的机制，在新物质制备合成中的指导作用，为后续专业课程的学习与研究打下坚实的化学基础。 实验是本课程的重要组成部分，是扩大和加深所学大学化学基本理论和基本知识，使学生掌握大学化学实验的基本技术、手段和研究方法，学会重要的大学化学实验技能和基本实验仪器的使用，培养学生操作、观察、记录、分析、归纳、撰写报告等方面多种能力，使其具备基本的科研素养，严谨的、实事求是的工作作风。 (张志成) **章 原子结构 学习要求 1. 理解原子结构的近代概念。 2. 掌握核外电子运动的特点。 3. 掌握原子核外电子的运动规律和排布原则。 4. 学会用量子数描述核外电子的运动状态。 5. 熟悉原子的电子构型与电离能、电子亲和能、原子半径、电负性、氧化数的变化的关系。 几千年来，人类对于所处的自然环境中各种物质组成的认知和探索从未停止过。古希腊的哲学家*早认为物质是由一种或者多种基本物质(或基本元素