化学导论

第1章化学学科体系简介 1.1概述 化学是一门中心科学，也是一门既古老又现代的学科，已渗透到工业、农业、军事、能源、材料、环境及人类社会生活的各个方面，从人类的衣、食、住、行到高科技太空探险，从纸、墨、笔、砚到高科技电子产品，从我们身边的饮用水、垃圾问题到全球变暖、酸雨、替代能源、低碳经济、核武器等当今社会的热点问题，无一不与化学有着密切的联系，在一定程度上讲，其产生、发展乃至*终解决，都离不开化学。 样式新颖、种类繁多的衣服大部分是用合成纤维制成并由合成染料上色的。各种品牌的矿泉水含有人体所需的多种微量元素，必须经过化学检验以保证质量。食品是用化肥和农药辅助生产的粮食加工的。房子是用水泥、玻璃、油漆、密封胶等化学建材产品建造的。汽车的金属部件和油漆显然是化学品，车厢内的装潢材料通常是特种塑料或经化学制剂处理过的皮革制品，汽车的轮胎多由合成橡胶制成，车用燃油和润滑油是含化学添加剂的石油化工产品，蓄电池是化学电源；尾气排放系统中用来降低污染的催化转化器装有用铂、铑和其他一些化学物质组成的催化剂，它可将汽车尾气中的氧化氮、一氧化碳和未燃尽的碳氢化合物转化成低毒害的物质。飞机和航天器需要用质强量轻的新型金属和非金属材料来制造，而且需要特种燃油。肥皂和牙膏是日用化学品，维生素和药物也是由化学家合成的。书刊、报纸是用化学家发明的油墨和经化学过程生产出的纸张印制而成的。 再从社会发展来看，化学对于实现农业、工业、国防和科学技术现代化具有重要的作用。农业要大幅度的增产，农、林、牧、副、渔各业要全面发展，在很大程度上依赖于化学科学的成就。化肥、农药、植物生长激素和除草剂等化学产品，不仅可以提高产量，而且也改进了耕作方法。高效、低污染的新农药的研制，长效化肥和复合化肥的生产，农副业产品的综合利用和合理储运，也都需要应用化学知识。在工业现代化和国防现代化方面，亟需研制各种性能迥异的金属材料、非金属材料和高分子材料。在煤、石油和天然气的开发、炼制和综合利用中包含着极为丰富的化学知识，并已形成煤化学、石油化学等专业领域。导弹的生产、人造卫星的发射，需要很多种具有特殊性能的化学产品，如高能燃料、高能电池、高敏胶片及耐高温、耐辐射的材料等。 目前，广受人们关注的几个重大问题——环境的保护、能源的开发利用、功能材料的研制、生命过程奥秘的探索，都与化学密切相关。随着工业生产的发展，工业废气、废水和废渣越来越多，处理不当就会污染环境。全球气温变暖、臭氧层破坏和酸雨是三大环境问题，正在危及人类的生存和发展。因此，“三废”的治理和利用，寻找净化环境的方法和对污染物的监测，都是现今化学工作者的重要任务。在能源开发和利用方面，化学工作者曾为人类使用煤和石油作出重大贡献，现在又在为开发新能源积极努力。太阳能和氢能源的研究都是化学科学研究的前沿课题。材料科学是以化学、物理和生物学等为基础的边缘科学，主要是研究和开发具有电、磁、光和催化等各种性能的新材料，如高温超导体、非线性光学材料和功能性高分子合成材料等。生命过程中充满着各种生物化学反应，当今化学家和生物学家正在通力合作，探索生命现象的奥秘，从原子、分子水平上对生命过程作出化学的说明则是化学家的优势。 事实上，任何物质和能量乃至生物对人类来说都有两面性。天然化合物也有两面性，有的甚至有非常强的毒性。无论是化学创造的新物质还是自然界原有的物质，都要合理使用。化学对于人类的贡献利弊共存，是一把“双刃剑”。化学能够帮助人们了解化学物质的性质和变化规律，了解物质的两面性的本质，这是合理使用它们的科学基础。化学也能帮助人们认识自然界发生的各种化学过程，使人们能够正确地利用和控制它们。例如，通过化学的研究，人们发现破坏臭氧层的是氟利昂之类的化学物质，基本清楚了臭氧层的形成和被破坏的机理，在此基础上找到了保护臭氧层的途径。M.Molina、F.S.Rowland和P.Cmtzen三位科学家因为在研究大气层化学，特别是臭氧层的形成和破坏方面所取得的成果而获得1995年诺贝尔化学奖。化学不仅在解决化学品问题上起关键作用，而且在处理物理的和生物的危险因素方面也能够发挥主要作用。例如，对受到放射性、紫外线等辐射的人体的处理与治疗就是利用螯合反应排除金属，或者用自由基清除剂、抑制剂以及细胞保护剂等化学物质阻止其对人体的损伤。 现代化学有非常丰富的研究对象，徐光宪院士曾建议对化学定义如下：化学是主要研究原子、分子片、分子、原子分子团簇、原子分子的激发态与过渡态及吸附态、超分子、生物大分子、分子和原子的各种不同尺度和不同复杂程度的聚集态与组装态，直到分子材料、分子器件和分子机器的合成与反应，分离和分析，结构和形态，物理性能和生物活性及其规律与应用的自然科学。这个定义的上半句是化学的主要研究对象，下半句是研究内容和方法。除主要对象外，化学也可研究分子聚集态以后的层次，如研究生物层次的生命化学、脑化学、神经化学，研究宇宙层次的天体化学，研究地质层次的地球化学等。这些是化学和其他一级学科交叉的例子。 因此，可以说，化学与社会及人们所关心的各种事物之间存在着复杂而紧密的联系，在美国出版的Chemistry in Context：Applying Chemistry to Society—书中，将这种联系比喻为一张美丽的蜘蛛网（Eubanks et &，2008)，如图1.1所示。 我们特别钦佩该书作者使用蜘蛛网这一比喻。**，它形象地描述了化学与人类社会联系的广泛性、紧密性和复杂性。这启示我们，化学可以帮助人们认识和解决许多领域中的问题。第二，蜘蛛网是一个蜘蛛通过日复一日、勤劳刻苦的劳作编织完成的，这个过程中蜘蛛会吐出一根根长长的、随风飘起的蛛丝，并相互粘牢在一起。这启示我们，要学习化学，需要像蜘蛛那样有良好的态度，坚持不懈的努力，构建起自己坚固而有弹性的知识网络。第三，在本课程及本书中，我们在简单介绍化学主要分支学科和基本思想的基础上，通过选择一些与化学密切相关的应用领域和事例，试图帮助学生从一定的高度和角度审视“化学蜘蛛网”，为他们选择学习专业乃至规划个人职业生涯提供决策参考。 1.2无机化学简介 无机化学是研究无机物质的组成、性质、结构和反应的科学，它是化学中*古老的分支学科之一。在我国国家自然科学基金委员会中，无机化学被列为化学科学部的一个独立学科，目前的项目主任是陈荣研究员；在中国化学会中设有无机化学学科委员会，目前的主任是孙为银教授。 无机化学的主要研究领域有（①无机合成和制备化学，主要包含合成与制备技术、合成化学；②元素化学，包含稀土化学、主族元素化学、过渡金属化学、丰产元素与多酸化学；③配位化学，主要包括固体配位化学、溶液配位化学、功能配合物化学；④生物无机化学，主要包括金属蛋白（酶）化学、生物微量元素化学、细胞生物无机化学、生物矿化及生物界面化学；⑤固体无机化学，主要包括缺陷化学、固相反应化学、固体表面与界面化学、固体结构化学；⑥物理无机化学，主要包括无机化合物结构与性质、理论无机化学、无机光化学、分子磁体、无机反应热力学与动力学；⑦无机材料化学，主要包括无机固体功能材料化学、仿生材料化学；⑧分离化学，主要包括萃取化学、分离技术与方法、无机膜化学与分离；⑨核放射化学，主要包括核化学与核燃料化学、放射性药物和标记化合物、放射分析化学、放射性废物处理和综合利用；⑩同位素化学；无机纳米化学；无机药物化学；无机超分子化学；有机金属化学；原子簇化学；应用无机化学。 无机化学在合成和制备研究中，力求发展新的合成方法及路线，揭示新的反应机理，注重运用分子设计和晶体工程的思想，深化新物质合成及聚集状态的研究，关注无机材料的组装与复合，突出功能性无机物质的结构与性能关系，以及新材料的应用基础研究；通过与物理学的交叉，运用物质科学的基础理论和表征技术，发展和强化无机物质及其材料与器件的性质研究；无机化学与生命科学的交叉突出无机物生物效应的化学基础，深化金属生物大分子、无机仿生过程及分子以上层次生物无机化学研究。 近年来，无机化学学科的研究水平提高很快，运用现代物理实验方法，如射线、中子衍射、电子衍射、磁共振、光谱、质谱、色谱等方法，使无机化学的研究由宏观深入到微观，从而将元素及其化合物的性质和反应同结构联系起来，形成现代无机化学。无机化学随着广度上的拓宽和深度上的推进，已经发展到了一个新的阶段，无论在科学地位上还是对国民经济和社会发展的作用方面都有其重要的战略地位。 1.3有机化学简介 有机化学是研究有机物质的来源与组成、合成与制备、结构与性质、反应与转化，以及功能与作用机理的科学。在人类已知的化合物中，有机化合物占了绝大多数。与生命活动密切相关的有机化合物广泛存在于人类居住的地球上，使地球充满生机与活力。近年来，新合成的有机化合物数量以千万计，极大地丰富了我们的物质世界，满足了日益增长的社会需要。 有机化学的发展使得煤、石油、天然气、农林等自然资源得到了充分的综合利用，同时，形成了元素有机化学、燃料化学、药物化学和高分子化学等分支学科。这些分支学科又为合成塑料、橡胶、纤维、染料和药物等有机化学工业提供了理论指导。 在我国国家自然科学基金委员会中有机化学被列为化学科学部的一个独立学科，目前的项目主任是郑企雨研究员；在中国化学会中设有有机化学学科委员会，现任主任是姜标研究员。 有机化学的研究领域主要涉及：①有机合成，主要包括有机合成反应、复杂化合物的设计与合成、选择性有机反应、催化与不对称反应、组合合成等；②金属有机化学，主要包括金属络合物的合成与反应、生物金属有机化学、金属有机材料化学；③元素有机化学，主要包括有机磷化学、有机硅化学、有机硼化学、有机氟化学；④天然有机化学，主要包括甾体及萜类化学、中草药与植物化学、海洋天然产物化学、天然产物合成化学、微生物与真菌化学；⑤物理有机化学，主要包括活泼中间体化学、有机光化学、立体化学基础、有机分子结构与反应活性、理论与计算有机化学、有机超分子与聚集体化学、生物物理有机化学；⑥药物化学，主要包括药物分子设计与合成、药物构效关系；⑦化学生物学与生物有机化学，主要包括多肽化学、核酸化学、蛋白质化学、糖化学、仿生模拟酶与酶化学、生物催化与生物合成；⑧有机分析，主要包括有机分析方法、手性分离化学、生物有机分析；⑨应用有机化学，主要包括农用化学品化学、食品化学、香料与染料化学；⑩绿色有机化学；有机分子功能材料化学，主要包括功能有机分子的设计与合成、功能有机分子的组装与性质、生物有机功能材料。 有机化学的新理论、新反应、新方法不仅推动了化学学科的发展，同时也促进了该学科与生命、材料、能源、信息、农业和环境等相关领域在更大程度上的交叉和渗透，进一步拓展了有机化学的研究领域。当今有机化学研究的特点是（有机化学的分子设计、分子识别与组装等概念正在影响着多个学科的发展；选择性反应尤其是催化不对称反应，已成为有机化学研究的热点；绿色化学也成为有机化学研究中具有战略意义的前沿，正在为合理利用资源、解决环境污染等发挥重要的作用；有机化学与生命科学的交叉为研究和认识生命体系中的复杂现象提供了新的方法和手段；有机化学与材料科学的交叉促进了新型有机功能物质的发现、制备和应用；新技术的发现与应用推动了有机化学的发展。有机化学的应用已深入人类生活的各个领域，因此学习有机化学对提高人们的科学素养有着重要的意义。 1.4分析化学简介 分析化学是研究物质的组成和结构，确定物质在不同状态和演变过程中的化学成分、含量和时空分布的量测科学。在我国国家自然科学基金委员会中分析化学被列为化学科学部的一个独立学科！目前的项目主任是庄乾坤教授；在中国化学会中设有分析化学学科委员会，现任主任是杨秀荣研究员。 分析化学的研究范围广泛，分支甚多，常见的分析化学研究领域有（①色谱分析，主要包括气相色谱、液相色谱、离子色谱与薄层色