1、化学的发展,第1章,制作:张思敬等,1,(3)了解现代化学的发展及趋势。,(1)了解化学的发展史。,(2)了解化学分支学科的形成与发展。,本章教学要求,制作:张思敬等,2,本 章 内 容,1.1 从经验到科学（从古代19世纪）1.2 分支学科的形成与发展（19世纪至今）1.3 现代化学的发展（20世纪后半叶至今）,制作:张思敬等,3,1.1 从经验到科学,1.1.1 古代的化学实践 时间：上古时期（公元前三、四千年）18世纪；历经五、六千年。活动：制陶、金属冶炼、酿造、制药等。特点：（1）积累了大量的实践经验知识。（2）没有理论指导，具有自发性、盲目性。1.1.2 近代化学的建立与发展 时间：
2、17世纪19世纪。标志：波义耳(Boyle)的元素概念（1661年）；拉瓦锡(Lavoisier)的科学燃烧学说（1777年）；道尔顿（Dalton)的原子学说(1803年）；阿佛加德罗(Avogadro)、坎尼扎罗(Cannizzaro)的 分子、原子学说（1860年）。,制作:张思敬等,4,1.1.1 古代的化学实践,1 制陶、瓷和玻璃 中 国：仰韶文化时期制陶；商代制原始瓷器；古埃及：公元前1000年左右制成玻璃器皿 意 义：第一，制陶、制瓷工艺使窑炉不断改进，达 得了一千多度的高温，为金属冶炼作了准备；第二，制玻璃技术，制出各种玻璃仪器，成 为近代化学实验所必需的器具。2 金属冶炼 中
3、国、埃及、西南亚等国:公元三千多年前炼铜（铜器时代）；公元前一千年前炼铁（铁器时代）；金、银、锡、汞等金属冶炼。意义：认识了铜、铁、金、银等其他金属的性质及其冶炼技术。,制作:张思敬等,5,3 酿造、染色和油漆 中国酿酒、酿醋；古埃及和古罗马的麦酒、葡萄酒(涉及发酵技术、酶催化反应）中国古代染丝技术；古代埃及为亚麻布染色（涉及染料着色技术）中国古代漆器技术(利用天然物质制做防腐涂层的技术）4 造纸、火药 中国：公元2世纪，蔡伦改进、发展了造纸技术并组织规模生产中国：唐末宋初，制造黑火药（其主要成分是硝酸钾、硫磺和木炭的混合物。）,制作:张思敬等,6,5 炼丹术和炼金术 中国：始于秦汉直到唐宋，
4、炼丹术（将汞、铅、硫等 物在炼丹炉中烧制成含汞或铅的化合物，即所 谓的仙丹）。阿拉伯国家及欧洲国家：中国炼丹术传到阿拉伯演变 成炼金术后传到欧洲（试图将普通金属冶炼成黄金）结果：导致迷信、反科学行为，以失败告终。意义：丰富了人类对金属、对矿物乃至对整个物质世界 的认识。6 医药化学 中国：明代李时珍本草纲目；欧洲：15、16世纪“医药化学”。意义：制药方法涉及众多无极、有机反应,丰富了无机物和有机物的化学知识。,制作:张思敬等,7,1.1.2 近代化学的建立与发展,元素概念的提出 中国古代“五行说”：金、木、火、水、土五种基本元素。古希腊亚里士多德（Aristotle)四元素说：“水、土、火、
5、气”四种元素；且认为元素可以互变（影响欧洲多年）。英国波义耳(Boyle)的元素概念（1661年）：“我所指的元素，就是某种不由任何其他物体构成的原始的和简单的物质，或是完全没有混杂的物质，它们是一些基本成分，一切被称为真正的混合物都是由这些成分直接混合而成，并且最后仍分解为这些成分。”（相当于现在说的单质，使人们的思想从束缚中解脱出来。）。,制作:张思敬等,8,科学燃烧学说的确立古代观点：火是一种元素。17世纪：德国化学家贝歇尔（Becher)和施塔尔(Stahl)提出了所谓“燃素说”:火是由元素细小而活泼的微粒构成的物质实体。18世纪：法国化学家拉瓦锡(Lavoisier)“燃烧概论”:总
6、结自己和前人的化学实验结果，说明“燃烧”是因为有氧气存在，从而建立了科学的氧学说。氧学说的意义对燃烧现象给出的科学的解释否定了燃素说，使人们彻底摆脱了炼金术中关于“灵气”、“精灵”之类迷信思想的束缚，使化学研究真正建立在科学的基础上。（多数化学史学家认为拉瓦锡是近代化学科学的奠基人）。,制作:张思敬等,9,原子-分子理论的建立1803年英国的道尔顿(Dalton)提出：元素的最终组成称为简单原子，原子是不可见的，不可再分割的。他们在化学变化中保持其本性不变。同一元素的原子其形状、质量及性质都相同，不同原子的形状、质量及性质各不相同，每一种原子的原子质量是它最基本的特征；形成化合物时，不同元素的
7、原子以简单的比例数结合。(很快被化学家接受。）产生的问题：道尔顿和盖吕萨（Gay-Lussac)的争论、人们测定原子量得不到统一的数据等。,制作:张思敬等,10,意大利阿佛加德罗（Avogadro)提出分子的概念,并把分子与原子概念区别开来:指出在游离状态下单质或化合物能独立存在的质点是分子而非原子，而原子是参加化学反应的最小质点。后经意大利化学家坎尼扎罗（Cannizzaro)充实和完善确立了分子-原子理论。,制作:张思敬等,11,1.2 分支学科的形成与发展,化 学,无机化学,有机化学,分析化学,物理化学,结构化学,制作:张思敬等,12,1.2.1 无机化学,1 新元素不断被发现通过分析和
8、处理矿石发现新元素：例如铂系元素的钯、铑、锇、铱和钌等（18031840）通过电解金属盐类发现新元素：例如钾、钠、钙、锶、钡、和镁等（1807 1825）用分光镜观察研究火焰颜色发现新元素：例如铯、铷、铊、铟等（18601863）（积累了大量有关无机物的性质、制备等知识）,制作:张思敬等,13,元素周期律的发现 大量元素、无机化合物及其性质的积累为发现元素周期律打下了基础（到1869年已经发现69种元素及大量的无机化合物）。相似元素组的发现：例如（1）锂、钠、钾；（2）钙、锶、钡；（3）氯、溴、碘；（4）硫、硒、碲等。（1829年，德国的德贝莱纳Dbereiner)人们发现原子量是元素的重要特
9、征：相似的元素组不应限于三个元素；在相似元素组中，各元素的原子量之差往往是8或8的倍数(1850年，德国的培顿科弗Pettenkofer)。,制作:张思敬等,14,元素周期律的诞生：1862年，法国人尚古多（B.de Chancourtiois)提出“螺旋图”；1868年，德国的迈尔（Meyer)发表“原子体积周期性图解”；1869年，俄国的门捷列夫（Mendeleev)发表“元素周期律表”。(共同点：发现元素性质随着原子量大小呈周期性变化。）,制作:张思敬等,15,3 无机化学的发展 周期律建立之后，人们有目的地去发现新元素及其化合物，无机化学得以快速发展。发现更多的元素和无机物；认识更多的
10、无机物反应规律；揭示无机物的结构以及结构与性质的关系；研究和开发无机物在生产和科学实践中的应用价值。,制作:张思敬等,16,1.2.2 有机化学,从有机化合物的提取和提纯到有机物的人工合成 1824年之前：从天然的植物或动物中提取、分离和提纯有机物：例如酒精、乳酸等；1824年：德国的维勒(Whler)，首次从无机物人工合成出了有机物尿素，打破了无机化合物和有机化合物的绝对界限。1824年之后：有机合成迅速发展；1965年，我国科学家在世界上首次人工合成了蛋白质胰岛素。,制作:张思敬等,17,2 从有机元素分析到有机结构理论从1781年拉瓦锡（Lavoisier)开始，经盖-吕萨克(Gay-L
11、ussac)、泰纳(Thnard)、贝采里乌斯(Berzelius)、李比希(Liebig)等人的努力，建立和完善了有机分析方法。1832年，维勒(Whler)和李比希提出基、取代基的概念。1834年杜马（Dumas)提出取代学说。1843年日拉尔（Gerhard）提出“同系物”概念；1858年凯库勒（Kekul)和库帕（Couper)提出有机物的立体结构：碳四价、碳链、四面体构型；1865年凯库勒（Kekul)提出苯的环状结构模型。,制作:张思敬等,18,3 石油有机化学的发展北宋时期，沈括创造了用石油碳黑代替松木碳黑制造墨的工艺；19世纪下半叶从石油中提炼煤油、汽油、柴油作为能源用；20世
12、纪石油化工：裂解、聚合、重整、异构化、取代等，制备化工原料、化工产品；20世纪末至今：绿色石油化工。,制作:张思敬等,19,4 高分子化学天然橡胶的利用和改性（1872年以前）；第一个人工合成高分子化合物-酚醛树脂：1872年在实验室中合成，1910年建厂正式生产；此后，其他的高分子化合物先后被合成。高分子化合物结构的认识：20世纪初测得天然橡胶的结构应为CH2 C=CH CH2，至于它通过何种方式 CH3 形成了橡胶分子，有人曾提出由二聚环或5-7聚环缔合而成，直到1924年毕克斯明确提出天然橡胶是高分子量的大分子，高分子化合物的概念才被人们接受。高分子材料应用：高分子材料已经成为国民经济中
13、不可缺少的材料。包括合成塑料、合成橡胶、合成纤维等。,制作:张思敬等,20,1.2.3 分析化学,早期的化学分析 古代，冶金过程中的矿物分析：外观、焰色、晶体形状；1685年，英国波义尔(Boyle)的矿泉的博物学考察：利用植物汁液与金属反应、沉淀反应等作定性分析；利用溶液中的反应检验物质：例如以硫酸检验钙，以硝酸银检验岩盐和矿泉水中的硫等；吹管试验：将要化验的金属矿样放在一块木炭的小孔中，然后用吹管将火焰吹到它上面，使一些金属氧化物熔化并被还原，根据这些金属的重量估算矿物中的金属含量。,制作:张思敬等,21,定性系统分析方法的产生 1821年，德国汉立希(Heinrich)提出初步试验，分组
14、检验的概念；1829年德国罗塞(Rose)提出了一个系统分析图表。利用盐酸、硫化氢、碳酸铵、磷酸钠等作为沉淀剂，区分各组离子是否存在；1841年，德国伏累森纽斯（Fresenius)提出了更为清晰的系统分析方案。他把常见金属划分为六个组并说明了各组离子性质的不同。例如，第一组钾、钠和铵的硫化物和碳酸盐都可溶于水，氧化物的水溶液使石蕊变蓝；第二组钡、锶、钙和镁的氧化物较难溶，其硫化物则易溶于水，其碳酸盐、磷酸盐难溶等。从此，系统的定性分析方法基本成型。,制作:张思敬等,22,定量分析法的确定与发展 重量分析法：到18世纪中叶，已被用于金属、矿物和岩石的分析上。瑞典的贝格曼（Bergmaen)、贝
15、采里乌斯(Berzelius)、德国的伏累森纽斯(Fresenius)对定量分析的发展做出了重要的贡献。在方法上：懂得了换算金属重量的方法；在技术上：制造出了高灵敏度的天平以及其他的重量分析仪器。容量分析法：在18、19世纪，纺织、肥皂、制碱、玻璃、食品等行业的发展需要快速检验化学品，法国的盖吕萨克（Gay-Lussac)等对容量法的产生和发展做出了重要贡献。容量法主要是指各种滴定法，包括酸碱滴定、沉淀滴定、氧化还原滴定、络合滴定等。,制作:张思敬等,23,仪器分析的发展 发射光谱：18世纪下半叶19世纪上半叶，先后发现（或发明了）焰色反应（德国马格拉夫Marggraf）-火焰光谱仪（英国塔尔
16、波Talbot）-分光镜制成的光谱分析仪（基尔霍夫Kirchhoff和本生Bunsen）等。吸收光度法：19世纪3040年代，人们发现一些显色剂可使金属离子显色。法国人布古厄（Bougouer1729年）和德国的比尔（Beer1852年）的研究工作发现了吸收定律。,制作:张思敬等,24,原子吸收分光光度法：1953年澳大利亚沃尔什(Walsh)提出了利用原子吸收光谱的分光光度分析法并制作了第一台简易的原子吸收分子光光度计。色谱法：1861年申拜恩(Schnbein)和高贝尔斯莱德(Goppelsrder)发现，无机盐溶液、有机染料等在滤纸上的“爬行”速度是不同的。据此人们逐渐开发了气相色谱、液
17、相色谱等。电化学分析法：pH计、离子选择电极、极谱分析仪等。,制作:张思敬等,25,1.2.4 物理化学,热化学与热力学 1780年拉瓦锡（Lavoisier)和拉普拉斯(Laplace)用冰量热计测量热；1836年盖斯(Hess)发现“盖斯定律”；1842年迈厄尔(Mayer)、焦耳(Joule)和格罗夫(Grove)发现热力学第一定律；19世纪20年代19世纪末，卡诺(Carnot)、开尔文(Kelvin)、克劳修斯(Clausius)等人发现并阐明了热力学第二定律；19世纪70年代，吉布斯(Gibbs)提出“热力学势”概念，成功地解释了化学反应的方向问题。对相平衡进行研究并提出了相律。,
18、制作:张思敬等,26,化学动力学 1800-1802年贝托雷（Berthollet)发现反应速率与“化学质量”有关；1850年，威廉米(Wilhemy)发现水溶液中酸催化蔗糖转化的反应速率：-dM/dt=kM1864到1879年古德贝格（Guldberg)和瓦格(Waage)发现对于加成反应：A+B+C 反应速率=k p q r（反应速率与浓度的关系）；,制作:张思敬等,27,1889年，阿累尼乌斯(Arrhenius)提出“活化分子”、“活化能”概念，结合范霍夫(vant Hoff)的公式，得出了阿累尼乌斯公式（反应速率与温度的关系）；1895年诺伊斯（Noyes)提出“反应级数”的概念；1
19、913年，博登斯(Bodenstein)提出链反应的概念，1916年能斯特(Nernst)提出了公认的链反应机理。,制作:张思敬等,28,电化学 1799年，伏特(Volta)发明电池（原电池）；1834年，法拉第(Faraday)发现电解定律；1889年，能斯特(Nernst)导出能斯特方程；1887年阿累尼乌斯(Arrhenius)提出弱电解质的电离理论；1923年德拜(Debye)和休克尔(Hkel)提出强电解质静电作用理论。,制作:张思敬等,29,1.2.5 结构化学,原子结构和分子结构 1897年汤姆生(Thomson)等人发现了电子,1913年莫斯莱(Mosley)提出了原子序数的
20、概念,同年玻尔(Bohr)提出了原子的电子层结构(类似于天体运动模型）。20世纪初，氢原子光谱实验、电子衍射实验等导致“能级”、“波粒二象性”、“几率波”等全新概念的产生。1926年薛定谔(Schrdinger)提出的波动方程（称薛定谔方程）比较好地描述了微观粒子运动的状态，（新的原子轨道概念）。,制作:张思敬等,30,1916年，柯塞尔(Kossel)结示了离子型化合物的稳定性（离子键）；同年，路易斯（Lewis）提出共价键的电子理论（共用电子对）。都是达到惰性气体原子的电子层结构。1927年海特勒（Heitler)和伦敦(Londen)解氢分子的薛定谔方程，对原子“共用”电子对的含义有了新
21、的认识。1931年鲍林(Pauling)和斯莱特(Slater）提出杂化轨道理论，使价键理论进一步发展。20世纪以后，以量子力学为基础发展起来了分子轨道理论。,制作:张思敬等,31,晶体结构早期人类对晶体的外形特征的认识：晶体的理想外形是对称的多面体。1869年伽多林用数学方法，推导出晶体外形有32种对称类型。把晶体划分为三个晶族、七个晶系。1895年德国人伦琴（Rntgen)发现了x射线。1912年夫里德里希(Friedrich)和克尼平(Knipping)得到了世界上第一张x射线衍射图。他们以及劳厄（Laue)的衍射实验证实x射线是一种电磁波，而且还证明了晶体的点阵结构。1912年英国的布
22、拉格（Bragg)、俄国的伏尔夫推导出了x射线衍射方程。x衍射实验成为人们认识晶体结构最重要的工具。,制作:张思敬等,32,配合物结构18世纪人们就发现了一些“化合物”的特殊稳定性；1893年瑞士的维尔纳（Werner)提出配位理论。把配合物分为“内界”和“外界”，内界由“中心原子（或离子）”与周围紧密结合的“配位体”组成并提出了内界的几何构型（四面体、八面体等）。20世纪20年代英国的西奇维克(Sidgwick)引入了配键的概念，他认为配位体（L）至少有一对孤对电子，而中心离子或原子（M）含有空的价电子轨道，M与L的结合方式就是配位体提供弧对电子与中心离子共享而形成配位键LM。30年代鲍林(
23、Pauling)提出了较为完整的价键理论。,制作:张思敬等,33,1929年，贝特(Bethe）和范弗雷克（van Vlack)提出了晶体场理论，把中心离子与配位体的相互作用，看作像离子晶体中的正、负离子间的作用一样。1952年欧格耳(Orgel)把静电场理论和分子轨道理论结合起来，提出配位场理论。,制作:张思敬等,34,1.3 现代化学的发展,从20世纪后半叶至今化学发展的一个显著特点:与其他学科交叉渗透、相互促进，产生了许多交叉边缘学科。例如金属有机化学、物理无机化学、生物无机化学、材料化学、环境化学等等。信息技术、材料科学、环境科学、生命科学等新兴学科的发展离不开化学的支撑和指导。,制作
24、:张思敬等,35,1.3.1 计算化学与分子设计,计算化学：利用量子力学原理计算机技术计算分子的静态结构和动态过程。分子设计：根据设计目标，在分子水平上设计、组建目标产物。已经在药物设计、复杂功能材料合成等方面得到应用。,制作:张思敬等,36,1.3.2 现代测试手段,物理和化学相互渗透，诞生了一些先进的测试仪器，成为人们认识微观世界的有力工具。质谱仪核磁共振仪x射线衍射仪红外、紫外或可见谱仪激光示踪分析,制作:张思敬等,37,1.3.3 化学与材料科学,化学与材料科学渗透开发出新型材料：电子功能材料人工合成高分子材料光导纤维耐高温高强材料纳米材料,制作:张思敬等,38,1.3.4 化学与环境科学,化学与环境科学渗透环境监测环境评价环境污染治理绿色化学,制作:张思敬等,39,1.3.5 化学与生命科学、人体健康,化学在生命科学发展、保障人体健康方面具有不可替代的作用。基因工程技术酶化学药物合成疾病预防,制作:张思敬等,40,本章小结,本章简要介绍了化学的发展史,化学分支学科的形成和发展以及现代化学的发展及趋势，并对化学与人类生活及相关学科的关系作了简要介绍。,End,制作:张思敬等,41,
