现代化学概述

第一节　现代化学概述

攻克科学堡垒，就像打仗一样，总会有人牺牲，有人受伤，我要为科学而献身。

——罗蒙诺索夫（前苏联）

化学是一门重要的基础学科，它主要研究物质的组成、结构和性质；物质在各种不同聚集下、在分子与原子水平上的变化和反应规律及其结构和各种性质之间的关系；物质在变化和反应过程中的结构变化、能量关系和各种性质的影响；根据物质的组成、结构与性质之间的关系，如何合成出各种需要的化学的物质。化学来源于炼金术和化学工艺，开始于17世纪英国的波义耳。

（一）化学史上的三次重大突破

第一次是1808年英国化学家道尔顿提出原子学说，合理地解释了当时的一些化学现象和规律，精确地阐明了化学变化是原子间的化合与分解，从此结束了化学的神秘性。不同元素代表不同原子；分子是由原子在空间按一定方式或结构结合而成的；分子的结构直接决定其性能；分子进一步聚集成物体。

第二次是1869年俄国化学家门捷列夫在总结前人经验的基础上，找到了物质之间相互变化的内在联系和规律，发现了著名的化学元素周期律，从而预示新元素的发现，指导化学理论和实验等研究工作的进展。

第三次大突破是化学键理论的研究。1916年德国化学家柯赛尔（A.Kossel，1888～1956年）和美国化学家路易斯（G.N.Lewis，1875～1946年）创立了经典的电价理论和共价理论。从1927年量子力学应用于化学开始化学键理论发展很快，已建立起比较完整的体系，成为化学的重要基础理论——现代化学键理论。它将揭示物质的性质和结构之间的本质联系，为研制新材料，探索新能源，研究生命现象，模拟生命体内的化学变化等各方面提供充实的理论依据。美国杰出的化学家两次获得诺贝尔奖的鲍林（L.C.Pauling，1901～1994年）指出：“化学键理论是化学家手中的金钥匙”。

（二）现代化学的主要分支

现代化学通过研究电子在分子、原子中的分布和运动规律，更深刻地提示了物质的性质和化学变化，导致了一系列新兴分支学科和边缘学科的形成。主要有四个分支，它们是无机化学、有机化学、分析化学和物理化学。

（1）无机化学

18世纪70年代，瑞典化学家舍勒（C.W.Scheele，1742～1786年）和英国化学家普利斯特列（J.Priestley，1733～1804年）分别发现并制得了氧气；法国化学家拉瓦锡最早用天平作为研究化学的工具，1774年提出元素概念推翻了燃素学说；1748年俄国物理学家、化学家罗蒙诺索夫（M.Lomonosov，1711～1765年）建立了质量守恒定律。

道尔顿于1803年提出原子学说，指出：

①化学元素由微小的不可分、不生不灭的原子组成。

②不同原子属性不同，其质量是特征性质。

③不同元素的原子以简单比例结合形成“复杂原子”，其质量为所含各原子质量之和。

1811年意大利科学家阿佛加德罗提出了分子的概念。在0℃、压强为760mmHg时，1摩尔任何气体的体积都接近于22.4升，人们由此换算出：1摩尔任何物质都含有6.02205×l0²³个分子，这一常数被人们命名为阿佛加德罗常数。

1869年2月，俄国化学家门捷列夫将当时已发现的63种元素列成元素周期表，并留下一些空格，预示着这些元素的性质。在元素周期表的指导下，人们“按图索骥”找出了这些元素。元素周期律的发现，把原来认为是彼此孤立的各种元素的大量知识综合起来，形成统一的体系，奠定了现代化学的基础。

图5-1　贝采里乌斯

化学元素符号的首倡者为贝采里乌斯（J.J.Berzelius，1779～1848年）他提出，用化学元素的拉丁文名表示元素。如果第一个字母相同，就用前两个字母加以区别。例如：Na与Ne、Ca与Cd、Au与A1……

（2）有机化学

有机化学是研究有机化合物（碳氢化合物及其衍生物）的科学。

贝采里乌斯还是“电化二元论”的提出者。他发现了“同分异构”现象并首先提出了“催化”概念。他首先使用“有机化学”概念并认为他的“电化二元论”对有机化合物也适用。有机化学之父当是德国的李比希（L.V.Liebig，1803～1873年），他创立了有机基团理论和有机酸理论。1828年德国化学家维勒用蒸发氰酸铵溶液制得尿素，第一次证明有机物可用普通的无机物制得。1834年法国杜马（J.B.A.Dumas，1800～1884年）建立了取代反应理论。1874年荷兰范德霍夫（J.H.Van＇tHoff，1852～1911年）和勒贝尔同时分别提出碳原子的四面体构型学说。1890年德国化学家凯库勒（V.S.A.Kekule，1829～1896年）提出了苯分子的结构式。

（3）分析化学

分析化学是研究物质化学组成的分析方法及有关理论。按其分析对象可分为有机分析和无机分析。按其测定原理和操作方法的不同可分为化学分析和仪器分析两大类。化学分析包括重量分析和容量分析。仪器分析包括光谱分析法、原子吸收分光光度法、分子吸收分光光度法、荧光分析法、电化学分析法及色谱分析法。

图5-2　本生

海德尔堡大学化学教授本生是（R.W.Bunsen，1811～1899年）一位杰出的化学分析专家。他完成了好多种伟大的发现，发明过好多种有价值的仪器和试验装置。本生最大的发现，乃是他“发现”了基尔霍夫。本生和基尔霍夫认为，光谱分析法能够测定天体和地球上物质的化学组成，还能够用来发现地壳中含量非常少的新元素。他们首先分析了当时已知元素的光谱，给各种元素做了光谱档案。这就像人的指纹，各不相同。

（4）物理化学

物理化学是从化学和物理学的联系入手研究化学变化的学科。

化学和物理学的联系，如果把拉瓦锡时代算做第一期，本生时代列为第二期的话，那么到范德霍夫时代则可以说是第三期的开始。到第三期时，物理化学已经具备了科学体系。

奥斯特瓦尔德和范德霍夫应该共享物理化学创建者的荣誉。1887年出版了经典式的标准教科书并创办了专业刊物《物理化学杂志》。所谓经典式的标准教科书是指奥斯特瓦尔德撰写的《化学总论教科书》，是由上、下两卷（后改订为三卷）组成的巨著，上卷是关于化学量的理论，下卷是关于亲和力的理论。这是一部系统地概括了过去的有关成果，指出了物理化学的研究方法和范围，以及将来的发展方向的标准著作。范德霍夫在阿姆斯特丹建立了学派，奥斯特瓦尔德在莱比锡培养了大批专家，双方并列为这门新兴科学的两大中心，可以认为是这个时代的创举。

物理化学有四个分支。

①化学热力学：主要研究物质系统在各种条件的物理和化学变化中所伴随的能量变化，从而对化学反应的方向和进行的程度作出判断。美国吉布斯引出了化学势概念，导出了相平衡的基本定律。1888年法国化学家勒沙特列提出了化学平衡移动原理。

②量子化学：主要是研究分子中有关化学键的问题，根据量子力学的基本方程——薛定谔方程，来计算分子内电子的运动规律。

③化学动力学：研究浓度、压力、温度、催化剂等对反应速率的影响。

④结构化学：研究晶体和其他化学物质的结构及各种化学物质的结构与性能的关系。

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【思考题】

1.化学发展过程中的几次重大突破是什么？

2.物理化学有哪几个分支？