自然科学概论化学讲稿高教自然科学基础版Word格式.docx
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北京奥运会火炬长72厘米,重985克,在工艺上采用轻薄高品质铝合金和中空塑件设计,下半部喷涂了高触感塑胶漆,手感轻盈舒适且不易滑落。
它以符合环保要求的丙烷为燃料,燃烧时间可达15分钟,能在每小时风速65公里和每小时雨量50毫米的情况下保持燃烧,零风速下火焰高度25至30厘米,能在强光下识别。
北京奥运会“祥云”火炬克服低温、低压、缺氧、大风等极端不利条件,在珠峰之巅漂亮地燃烧,举世为之惊叹。
在这史无前例的壮举背后,凝聚着中国科学家的智慧与辛劳。
航天科工集团成立了火炬研发部,抽调了其所属三院海鹰集团、31所、四院航天晨光股份公司等多家单位的80多名技术骨干参与项目攻关,并聘任中国工程院院士刘兴洲为该项目总设计师。
丙烷作火炬燃料是因为丙烷燃烧后主要产生水蒸气和二氧化碳,不会对环境造成污染。
更重要的是,丙烷适应的温度范围较广,在摄氏零下40度时仍能产生1个以上的饱和蒸气压,从而保证低温环境下燃烧;
而且,丙烷产生的火焰成亮黄色,火炬手跑动时,飘动的火焰在不同背景下都比较醒目。
火炬燃料一般有固态、液态和固液混合三种。
燃料种类不同,燃烧系统的结构设计也会相应有所不同。
火炬口的内侧涂有红色颜料,象征着熊熊燃烧的火焰。
火炬设计团队中的工艺总监韩小勤介绍说,这种红色颜料能够耐得主1000摄氏度的高温,火焰燃烧的同时,红色颜料不会褪色,依旧鲜红艳丽。
如果南非人奥斯卡.普拉里斯能够参加北京奥运会,那将为科技奥运添上更凝重的一笔。
在高分子材料树脂和碳纤维的帮助下,这个从1岁开始就失去双腿的小伙子,已经跑得比大多数身体健全的人都快了。
在获得残奥会的二百米、四百米金牌之后,他正在为奥运的参赛资格努力着。
他的奔跑获得材料科学得帮助,但同样的帮助,也使人们开始质疑他的参赛资格。
可以想象,装上翅膀的刘翔肯定会飞得更快,那么奥斯卡能不能参加北京奥运会呢?
显然这个问题不能草率回答,这个问题,要留给化学家、物理学家、生物学家和运动学家来回答。
(刀锋假肢的优势)
我们已经看到很多化学起到突出贡献的例子。
那么化学究竟是什么样的科学呢?
化学是一门在原子、分子或离子层次上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律和变化过程中能量关系的科学。
化学研究的出发点,显然着眼于物质、研制清洁燃烧的火炬,依赖与对燃料和燃烧产物组成和性质的了解;
认识物质的组成和性质,往往是为了使旧物质发生变化,得到新物质。
火炬燃料丙烷、火炬握手处的塑胶漆、登山队员登山服的面料、奥斯卡的假腿都来源同一种物质——石油,这是不是让你有些吃惊呢?
化学变化的魅力由此可见一斑。
物质的性质与变化规律,由结构和能量变化决定。
在今天的课程中,我们将围绕结构、性质、变化与能量之间的关系来了解化学的萌芽与发展、现代化学的分支科学与成就以及现代化学对人类生活、社会变革的影响。
1.2原始化学的萌芽
作为一门应用科学,化学的起源和发展与人类的生活息息相关。
首先,它来源于传统技艺,如冶金、酿酒。
人类的衣食住行,都自觉或不自觉地享受着化学变化带来的便利。
学会用火是人类最早也是最伟大的化学实践。
人工取火的发明,使人类第一次支配了除自身的体力(生物能)以外的强大的自然能源,为实现一系列化学变化提供了必要条件,获得了改造自然的有力手段。
有了火的帮助,原始人类改善了生活的条件,获得了照明、驱寒、御敌的有效手段,并告别了茹毛饮血的生活。
只有在火中,才能利用煤、石油、天然气等资源,才能烧制出陶瓷和玻璃、冶炼金属,人为地使各种天然物质发生变化,制备新材料。
由此可见火的发现和利用在化学发展史上占有多么重要的作用。
大约距今1万年前,在我国出现了烧制陶器的窑,使中国成为最早生产和使用陶器的国家。
制陶的基本原料是黏土,黏土的主要成分是二氧化硅、三氧化二铝、碳酸钙、氧化镁等。
在烧制的过程中,这些成分发生一系列的化学变化,使陶器具备了坚硬防水的新特性。
由于陶制的储存器可以使谷物和水更便于保存,陶器很快成为定居下来从事农业生产的氏族所必不可少的生产、生活工具。
约公元前3800年,伊朗开始用孔雀石和木炭混合加热,以获得金属铜。
到公元前3000~2500年,除了炼铜之外,人类又炼出了锡和铅等金属。
人们很快发现,由这些金属制备的合金比单一的金属更有利用价值。
铜锡的合金就是我们所说为青铜,它的硬度更高,而熔点相对较低,更适合制造工具和兵器。
在我国,炼铜工艺的出现虽然略迟于中东地区,但工艺发展极其迅速,在青铜器的铸造工艺上取得了很大的成就,殷朝前期制备的“司母戊”鼎是世界上最大的出土青铜器,战国时期的铜编钟更是古代音乐的伟大创造。
青铜器的出现,推动了当时农业、金融、艺术、军事等方面的发展,把人类文明又向前推进了一步。
烧制陶器和冶炼青铜,可以看作是原始材料化学和冶金化学的兴起的标志。
在这两个例子中,我们都看到了物质的变化。
随着人类文明的发展和生产力水平的不断提高。
人们对生活的质量有了新的要求。
尤其是作为封建社会统治阶级的皇帝、贵族和地主等权贵。
他们不仅渴望获得更多的财富,更希望掌握长生不老的秘密以永远享用得到的财富和权利。
在这种情况下,炼金士和炼丹家正式走上了历史舞台,其中的著名人物包括魏伯阳(汉)、葛洪(西晋)、孙思邈(唐)、罗吉尔培根(英)等等。
在古代阿拉伯地区,也出现了蓬勃的炼金热,不同的是,我国的炼丹家渴望获得使人成仙或是长生不老的灵丹妙药,西方的炼金士则想要点石成金,用某种手段把铜、锡、铅、铁等普通金属转变为金、银等贵金属。
虽然他们并没有达到自己的目的,但他们的劳动极大地促进了原始化学发展。
首先,他们制取了一批新物质,我国古代四大发明之一的黑火药,就是一个异想不到的副产物。
黑火药的主要成分是硝石(硝酸钾)、硫磺、木炭三者粉末的混合物,这种混合物之所以被成为“火药”,是因为在古代,人们对硝石、硫磺早有认识,不仅把它们作为重要药材使用,更把它们看作炼丹的基本原料。
在炼丹过程中,曾经一次又一次出现着火和爆炸现象。
经过长期摸索,人们终于发现了黑火药的配方并得到了黑火药的制作方法。
火药的应用,尤其是在军事上的运用和发展,对于促进社会变革产生了深远的影响;
其次,古代的炼丹家们在炼丹过程中写下了大量著作,总结了一些化学反应的规律,为化学学科的建立积累了丰富的经验和教训。
例如,我国历史上最具代表性的炼丹家葛洪,在其著作《抱朴子》中提到,“变化者,乃天地之自然,何嫌金银之不可以异物作乎”,这句话的含义是,在这里,葛洪悟出运动变化是自然界的必然规律。
在同一书中,葛洪又提到了“丹砂烧之成水银,积变又还成丹砂”这样的现象,也就是说葛洪不仅认识了无机合成,更为可贵的是还注意到了硫和汞的可逆变化。
研究炼丹家留下的著作,我们不难看到,这些方士已具备了原始的化学思想,试图了解现有物质的性质,掌握物质转化的规律,制备新物质、新材料。
可以说,他们是第一批专心致志地探索化学奥秘的“化学家”。
此外,为了炼丹和炼金的方便,他们还发明了蒸馏器、熔化炉、加热锅等一大批新装置,这些装置很快成为化学研究必备的仪器。
正是这些理论、实验方法和化学仪器,开挖了化学科学的先河。
因此,炼丹术和炼金术的历史是古代化学史的重点,在英语中化学家(chemist)和炼金家(alchemist)两个词非常接近,其含义正是“化学源于炼金术”。
1.3近、现代化学的建立与发展
由于炼丹术和西方炼金术是唯心思想的产物,目标极为虚幻,在实践过程中不可避免地屡遭失败,仅在唐朝,就有包括唐太宗在内的六个皇帝死于方士的“长生不老药”。
神话的破灭迫使人们逐渐转向更实际的目标。
中国的炼丹术逐渐让位于本草学,西方的炼金术也伴随着13世纪末欧洲文艺复兴,转向了冶金化学和医药化学,并得到蓬勃的发展。
这次转移是化学史上的一次大转折,在向近代化学转变的过程中,冶金化学和医药化学起到了桥梁作用。
17世纪下半叶,随着物理学、力学、数学、天文学等自然科学的发展,化学也得到极大促进,在生产和生活实践中人们逐渐认识到化学科学并不是某门自然科学的一个门派,而是一门不可取代,具有有鲜明特色的科学。
这个时期,人们开始更深入地探讨物质世界的构成。
牵动人们思绪的是这样两个问题:
第一、物质间能相互转化,说明不同的物质有共同的本原。
那么这些共同的本原是什么呢?
其二、这些物质的本原是如何构成万物的呢?
对这两个问题,不同的时期、不同的文明做出了不同的回答。
我国的阴阳说和五行说大约形成于商周,到春秋战国时期已经具备比较完整的形态。
老子的《道德经》和墨翟的《墨经》中分别作出了相当具体的阐述。
而差不多在相同的时期,在古代印度产生以遮副珈派学说为代表的“四大”学说,这一学说认为地、水、火、风四种物质元素错综复杂地配合起来,就构成了世界万物,生命产生于物。
在古代希腊也诞生了差不多的物质观理论。
其中,既有留基伯和德莫克利特共同创立的原子学说,也有亚里士多德提出的冷、热、干、湿四元素说。
1661年英国科学家波义耳的元素学说,1803年道尔顿的原子学说和1811年意大利人阿副家的罗的分子学说,使化学由宏观进入到微观的层次,探索物质结构,标志着近代化学的开始。
19世纪末,物理学的三大发现X射线、放射性和电子,极大地促进了化学的发展,数学理论以及热力学等物理学理论的引入,把化学理论提高到了一个新水平。
现代化学的发展可谓是日新月异,内容繁多,用途广泛,引人入胜。
无论在实验方面、理论方面还是应用方面,都频频获得新成果,使人应接不暇。
对原子结构的深入了解,揭示了元素周期律的本质,进而通过对组成分子的原子及原子外层电子运动规律的把握,建立起量子化学,从而有条件深入发展结构化学,在计算机的帮助下,开始了分子设计的道路;
由于核化学的诞生,形成了一系列有关学科,从微观的另一个侧面丰富着化学的内容;
随着现代科学技术的进步,许多精密仪器应运而生,为化学的分析、分离和检测提供了极有力的工具,从而促进了现代化学发展的速度。
现代化学显示出极大的优越性,无论是人工合成还是石油化工的发展都取得了鼓舞人心的成就,同时也带来了新的课题;
现代化学和生物学相互渗透,生物化学与化学生物学已无法严格区分。
在现代精密仪器和设备的帮助下,化学正在向生命的奥秘进军;
在量子力学建立的基础上发展起来的化学键理论使人类进一步了解了分子结构与性质的关系,极大地促进了化学与材料科学的联系;
化学与社会的关系日益密切,人们运用化学的观点来观察和思考社会问题,用化学的知识来分析和解决诸如能源危机、粮食问题、环境污染等社会问题;
现代化学与其他学科相互交叉与渗透,尤其是数学、物理的不断渗透,使化学发展为更加成熟的、包含了生物化学、地球化学、海洋化学、大气化学、宇宙化学等多分支的科学之树。
化学研究的范围极其广阔。
按研究的对象或研究的目的不同,可将化学分为无机化学、有机化学、高分子化学、分析化学和物理化学等五大分支学科。
1.3.1现代化学的分支学科——无机化学:
无机化学是研究元素及其化合物的组成、性质、结构和无机化学反应与过程的学科。
这一分支的形成是以19世纪60年代元素周期律的发现为标志的。
由于人类冶金和采矿的需要,通过矿物的分析、分离和提炼,发现了许多新元素。
到19世纪中叶,各元素有了统一公认的原子量。
到1869年人们虽然已积累了63种元素及其化合物的化学物理性质的丰富资料,但这些资料仍然零散而缺乏系统,各种不同元素间的内在联系,仍然是当时化学家十分关心的问题。
到1871年,俄国人门婕列夫在前人工作的基础上公布了门周期表,总结了元素周期律,并以此为基础修正了某些原子的原子量并预言了15种新元素。
这些均被陆续证实。
周期律的发现,将自然界形形色色的化学元素结合为有内在联系的统一整体,奠定了现代无机化学的基础。
至今,从元素周期系来发现和合成新化合物仍是化学科学的重要工作。
地球上的物质,由90多种元素按不同形式结合而成。
元素是具有相同核电荷数的同一类原子的总称。
元素可分为金属元素与非金素元素两大类。
由同种元素原子组成的物质,称为单质;
由不同元素原子组成的物质称为化合物。
原子是参与化学反应最小的微粒,原子由带正电荷的原子核与带负电的核外电子构成。
原子核由带正电的质子和不带电荷的中子构成,质子数又称核电荷数,质子数相同而中子数不同的原子称为同位素。
原子核外的电子运动状态与化学反应有密切的关系。
(视学生基础而定,可指导阅读)
20世纪40年代末,由于原子能工业和半导体材料工业的兴起,无机化学又取得了新的发展。
从70年代以来,随着宇航、能源、催化及生化等研究领域的出现和发展,无机化学不论在实践还是在理论方面都取的了新的突破。
当今在无机化学中最活跃的领域有以下几个方面:
一、无机材料化学(固体无机化学)
诺贝尔奖获得者Feyneman在六十年代曾经预言:
如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话,我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性,就会看到材料的性能产生丰富的变化。
他所说的材料就是现在的纳米材料。
所谓纳米材料,是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度(1nm~100nm)调制的各种固体超细材料,它包括零维的原子团簇(几十个原子的聚集体)和纳米微粒,一维调制的纳米多层膜,二维调制的纳米微粒膜(涂层)以及三维调制的纳米相材料。
目前,国际上将处于1nm~100nm尺度范围内的超微颗粒及其致密的聚集体以及由纳米微晶所构成的材料统称为纳米材料,其中包括金属、非金属、有机、无机和生物等多种粉末材料。
纳米材料是20世纪80年代才发展起来的新型材料,被美国材料学会誉为“21世纪最有前途的材料”,因此受到世界各国的高度重视。
由于小尺寸效应,一些金属纳米粒子的熔点远低于块状金属,例如,2nm的金粒子的熔点为600K,块状金为1337K,纳米银粉的熔点可降低到373K,利用纳米技术还可制成各种分子传感器和探测器。
利用纳米羟基磷酸钙为原料,可制作人的牙齿、关节等仿生纳米材料。
将药物储存在碳纳米管中,并通过一定的机制来激发药剂的释放,则可控药剂有希望变为现实。
另外,还可利用碳纳米管来制作储氢材料,用作燃料汽车的燃料“储备箱”。
在合成纤维树脂中添加纳米氧化硅等纳米微粒,经抽丝、织布,可以制成杀菌、防霉、除臭、抗紫外线辐射和抗电磁辐射的内衣和服装。
据最新报道,沉积有Cu的TiO2薄片,在弱的紫外灯照射下,就可通过光催化效应产生杀菌效果。
如果加入少量的金属纳米微粒后就可以去除因摩擦而引起的烦人的静电现象。
用对人体红外线有很强吸收作用的纳米微粒添加到衣服的纤维中,还可以提高衣服的保暖效果。
利用纳米颗粒膜的巨磁阻效应研制高灵敏度的磁传感器,利用具有红外吸收能力的纳米复合体系来制备红外隐身材料,都是很具有应用前景的技术开发领域。
现代科学技术的发展需要各种各样的具有特殊性能的材料。
头发粗细的光导纤维可供25000人同时通话而互不干扰,这种材料的出现使通讯进入崭新阶段。
光导纤维是一种用蒸气沉积法制成的硅锗氧化物纤维。
氢气是很好的燃料,因为氢气不仅是一种极其丰富的资源,它燃烧的产物也不会污染空气,但氢气的储存和运输是一个大难题,为此,化学家合成了一大类具有特殊吸氢能力的稀土金属间隙化合物。
例如,在几个大气压下,1克LaNi5就可以吸收超过100毫升的氢气以形成特殊的间隙化合物,减压时氢气就可以放出。
此外,储存电能的快离子导体、记录信息的磁记录材料、制造机器人所需要的热敏、气敏与湿敏材料、高温超导体材料等材料的发展都与无机材料化学进展分不开。
无机化学和固体物理的结合逐渐形成了无机材料化学这个新领域。
高温、高压、强磁、低温及等离子体等各种实验技术层出不穷。
各种新材料的结构及其内部成键的方式等方面的研究正在促进化学理论的发展。
在北京分子科学国家实验室的进展简报中,记者除了看到江雷研究小组对超亲水/超疏水材料的研究成果之外,还见到了一些其他新颖而有趣的新材料。
如刘忠范、张锦小组,利用自然界微纳米结构为模板,制备新颖纳米结构材料,在国内率先建立了具有实用化前景的热压印型纳米压印刻蚀系统,发明了直接利用蝉翼、蝉眼、蝶翅等自然界中普遍存在的微纳米结构作为模板的纳米压印工艺,成功地在金属、半导体以及高分子表面复制出各种天然纳米结构。
该成果在Small杂志上发表后,立即受到ChemistryWorld、NewScientistTech等20余家网站的报道,获得高度评价。
二、生物无机化学
生物无机化学是在无机化学、有机化学与生物化学的交叉点上发展起来的边缘科学。
这是一门年轻而又活跃的新学科。
生物无机化学的贡献首先体现在无机药物的进展:
1956年,在Rosenberg研究小组研究电流对大肠杆菌的影响时,意外的发现了顺铂。
因为他们发现是铂电极上产生的二氨二氯铂抑制了细胞的分裂,而不是电流。
这一结果与想象大相径庭。
1972年起,顺铂开始应用于临床,现在已成为治疗睾丸癌、卵巢癌、食道癌等多种恶性肿瘤的有效药物。
顺铂是正方形的化合物,铂处在正方形的中心,而两个氯原子和两个氨分子处在正方形的四个顶点上。
顺式的结构比反式的抗癌效果更好。
然而顺铂具有强烈的毒性和耐药性,研究开发高效、低毒的顺铂的同系物,仍然是研究的重点工作。
无机药物的其它研究方向包括:
1、利用微量金属离子有针对性地预防疾病
微量金属是防止疾病发生、发展的可能物质基础。
概括起来有以下几点:
(1)建立针对病理过程中某些环节的预防活性筛选系统。
针对肿瘤、心血管病、脑及其它部位的退行性疾病研究无机化合物的防病活性。
在这类疾病的病理过程中,核心环节是活性氧物种的产生、转化和对生物分子的损伤。
可以以它为中心在上游和下游环节中找关键作为筛选指标。
应在细胞层次建立筛选方法。
(2)注意研究微量元素的两面性与浓度和物种的关系。
微量金属的毒物兴奋效应的化学和生物学基础值得研究。
(3)研究低剂量长时间的药理毒理作用以保证预防用药的安全。
怎样尽早发现低剂量长时间的变化,是否可以找到生物标记(biomarker)是这方面研究的重要内容。
2、无机药物的手性选择性问题
有机药物手性问题近年来成为研究热点,但是对无机药物的手性问题极少研究。
实际上手性是一个十分重要的结构因素,其中两点应予注意:
(1)手性配合物在与生物膜相互作用以及跨膜转运中的手性选择性;
(2)手性配合物在与靶分子相互作用中的手性选择性。
3、抗癌配合物的研究
顺铂的出现是近年来无机药物复兴的标志。
对抗癌配合物的设计合成和筛选多年来是生物无机化学的热门课题。
人们对于有希望的无机抗癌化合物很感兴趣。
(1)为什么顺铂之后多数类似化合物的抗癌活性都不如顺铂?
有人认为配合物结构越复杂越不好。
目前还是缺少结构与药理毒理关系的研究,缺少无机药物的设计规律;
(2)与DNA非共价结合的铂配合物是一类新型反应;
(3)要注意研究有些配体(如环己二胺)会使配合物进入脑组织;
(4)使用铜铁化合物治疗肿瘤有一定效果。
铜有两面性,它能够产生自由基杀伤癌细胞(如博莱酶素);
也可以清除自由基阻止癌形成和发展(如超氧化物歧化酶)。
总之,目前抗癌配合物研究仍然处于合成-筛选阶段,需要加强设计思想。
4、无机药物跨膜运送机制、无机药物载体和靶向药物
决定药物疗效的不仅是药物的活性,还要看它有多少到达作用部位,跨膜运送的速度和程度。
金属物种的跨膜运送是多机制的,与物种以及条件有关。
研究结构、跨膜速度、跨膜机制、药理活性之间的关系十分重要。
研究脑和神经中铁离子和其他离子在转运、代谢、转化等方面的相互影响,探讨有无可能利用其他离子影响铁离子通过载体的跨膜运送以及氧化性损伤。
即探讨脑和神经退行性病理过程中的金属离子的作用以及用某些金属离子抑制退行性病变的进程是一个十分有意义的研究课题。
5、中药复方中如何使用矿物的问题
中药复方中使用矿物的基本途径:
在热力学上利用pM缓冲原理、在动力学上利用控制
释放速度、在结构上利用尺寸效应。
从中药使用矿物药的经验出发,研究组方化学原理,有可能开拓使用矿物药的新领域。
6、核药物问题
核药物的研究重点在于寻靶,而寻靶决定于它们的跨膜运送和分配途径,最后决定于配合物的结构、稳定性等。
此外生物无机化学也研究各种微量元素在生物体内的行为和作用,也研究生物活性化合物的结构、物化性质与生物活性的相互关系。
目前已知有25种微量元素在生物体内对于氧输运、酶催化、神经信息传递等过程起重要作用,不同的微量金属在生物体内各司其职,体液内这些微量元素含量不论太多或太少都会引起生理变化和疾病。
三、有机金属化学
化学常被分为无机化学和有机化学两大学科。
过去一般认为前者是研究无生命的化学,后者是研究生命物质的化学。
自从Wohler用氰铵酸合成尿素以后,人们对无机和有机化学的机械分类已无可适从,两者相互渗透、相互促进成为必然趋势。
金属有机化学正是两者之间的交叉学科,随着科学理论和实验技术的提高,金属有机化学已成为当今最活跃的化学学科之一。
长期以来,人们认为C只能和非金属元素成键。
然而有机金属化学的成就告诉我们,逆向思维是多么的重要。
一般将含有金属-碳键(M-C)的化合物称为有机金属化合物或金属有机化合物。
两者名称之间并无严格界限,研究有机金属化合物的化学为有机金属化学,也有观点认为研究含有金属的有机化合物的化学是有机金属化学,这样的化合物也称为有机金属化合物,显然后者的范围更广一些,例如
Fe(CO)5等。
1827年问世的ZeiseKPtCl3(CH2=CH2)是第一个被发现的具有不饱和有机分子与金属键链的有机金属化合物。
此后,有机硅、有机钠、有机锌等相继问世并得到应用。
著名的格氏试剂及其催化反应极大地推动了有机化学的发展,Ziegler-Natta催化剂也给工业带来了巨大经济效益。
1951年具有特殊结构和类似芳烃的二茂铁得到了制备和结构确证,为有机过渡金属开辟了一大类新型的有机金属配合物。
现已发现,周期表中几乎所有金属元素都能和碳结合,形成不同形式的金属有机化合物。
迄今已先后有10位科学家因在
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