化学原理 Chemical Principles （1）

绪 论 一、什么是化学？ 化学是一门在原子、分子层次上研究物质 化学是以研究物质的化学变化为主的科学。 绪 论 一、什么是化学？ 化学是一门在原子、分子层次上研究物质 的组成、结构、性质及其变化规律的科学。 化学是以研究物质的化学变化为主的科学。 Chemistry is the study of the properties of materials and the changes that materials undergo.

21世纪的化学是研究泛分子。详言之，化 --- 徐光宪--- 学是研究原子、分子片、结构单元、分子、高 分子、原子分子团簇、原子分子的激发态、过 渡态、吸附态、超分子、生物大分子、分子和 原子的各种不同维数、不同尺度和不同复杂程 度的聚集态和组装态，直到分子材料、分子器 件和分子机器的合成和反应，制备、剪裁和组 装，分离和分析，结构和构象，粒度和形貌， 物理和化学性能，生理和生物活性及其输运和 调控的作用机制，以及上述各方面的规律，相 互关系和应用的自然科学。 --- 徐光宪---

化学的发展历史悠久、源远流长 第一时期：古代及中古时期（17世纪中叶以前） 以实用为目的，化学知识来源于具体工艺 过程的实践 火的发现 陶器的制作 金属的冶炼 染色、酿造 造纸、火药等 五行学说(金、木、水、火、土） 四元素说（火、水、土、空气） 三要素说（硫、汞、盐）

正被确立为一门独立的学科，并出现了许多分 支学科 第二时期：17世纪中叶-20世纪初 化学实现了从经验到理论的重大飞跃，真 正被确立为一门独立的学科，并出现了许多分 支学科 化学家之父-- 波意耳 （Boyle 英国化学家和物理学家，1627-1691） 《怀疑派化学家》（1661） “ 元素是由某些不由任何其它物质所构成 的原始的和简单的物质或完全纯净的物质，他 们是用一般方法不能再分的更简单的物质。” “化学的对象和任务就是要寻找和认识物 质的组成和性质。”

“空谈毫无用处，一切来自实验” 构成自然界的基本材料是一种由原初的 普遍物质构成的细小致密、不可分割的粒子。 这种粒子结合成粒子团，粒子团再聚合成物 体。

( A.L.Lavoisier 法国化学家， 1743—1794） 近代化学之父– 拉瓦锡 ( A.L.Lavoisier 法国化学家， 1743—1794） Stahl 的燃素说（1703） 火是由无数细小而活泼的微粒构 成的物质实体，即燃素。一切可燃物中 都含有燃素，任何与燃烧有关的化学变 化都是物体吸收或释放燃素的过程 Lavoisier 的燃烧的氧学说（1777） 1、物质燃烧时都放出光和热 2、物质只有在氧存在时才能燃烧 3、空气由两种成分构成。物质在空气中燃烧时吸收了其中的 氧，其增加的重量正好等于所吸收的氧的重量 4、非金属燃烧后通常变为酸；金属煅烧后生成的锻灰是金属 氧化物

元素是用任何方法都不能再分解的简单物 质。 道尔顿 原子论（1827） 阿伏加德罗 分子假说（1811） 门捷列夫 元素周期律（1869）

第三时期：20世纪 现代化学飞速发展，化学的理论、研究 方法、实验技术以及应用等方面都有了深刻 的变化，并衍生出更多的分支和交叉学科。

二、20世纪的化学在推动人类进步和科技发展 中起了核心的作用 1、 化学为人类的进步提供了丰富物质基础 化学包含两类不同的工作：有些化学家在 研究自然界并试图了解它；同时另一些化学家 则在创造自然界不存在的新物质和寻找化学变 化的新途径 化学不但能够大量制造各种自然界已有的 物质，而且能够根据人类的需要创造出自然界 本不存在的物质

2、基础研究取得重大突破，研究领域不断扩展 放射性和铀裂变的重大发现，打开了原子 物理学的大门。 化学键和和现代量子化学理论的建立，使 化学进入实验和理论计算并重的新时代，使人 们对分子的理性设计和剪裁成为可能。 化学动力学与分子动态学的研究，使人们 能深入到原子、分子的结构和内部运动，分子 间相互作用和碰撞过程来研究化学反应的速率 与机理

大量的新反应、新试剂、新方法、新理论 的发现，使合成化学家又创造了一个新的自然 界。

3、推动了相关学科的发展， 促进了学科的交 叉与渗透 (1) 牵动其他学科向分子层次发展 生物小分子(糖、血红素、叶绿素、维生 素)的化学结构的研究。 生物大分子（蛋白质、酶）的分离提纯 技术及化学结构的研究 活性生物大分子的合成（维生素B12、胰 岛素） 生物学从描述性的科学发展成为20世纪末 的前沿学科，在很大程度上是依靠化学所提供 的理论、概念、方法，甚至试剂和材料

VB12 Woodward (1965年，Nobel奖）

(2) 化学带动了材料科学的发展 三大合成高分子材料（人造纤维、人造橡胶、 塑料） 新型结构材料（各种合金、特种陶瓷、纳米 材料） 信息功能材料（液晶材料、电致发光材料、 非线性光学材料、光电信息存储材料、超导 生物工程材料

化学家不仅合成了各种材料的新分子， 更重要的是创立了研究物质结构和形态的 理论、方法和实验手段，认识了物质的结 构与性能之间的关系和规律，为设计具有 各种特殊功能的化学品提供了有效的方法 和手段。

(3) 化学实验方法学推动其它学科在分子 层次上观察和测定物质的变化过程。 化学不断研究和建立各种分析和检测方法， 检测物质的组成、形态、结构、理化性质的原 理、方法和技术，推动了各个学科的发展。 各种光谱、波谱、能谱技术 各种化学、生物传感器、微流技术 电子扫描隧道显微镜

4、 推动了化学及其相关工业的发展 石油化工 合成材料工业 合成氨工业 医药工业 能源工业 信息产业 生物技术产业 汽车工业 冶金工业 农业

化学是一门中心的、实用的、创造性的科学。 化学为总管物质在分子层次上变化之学科， 人类之衣、食、住、行无不仰给于化学所掌管 之成百化学元素及其所组成之万千化合物和无 数制剂、材料。化学具有实验和理论并重之传 统，强于试验不言而喻，而其发展亦受惠于突 出理论之思维，…。在自然科学中，化学和物 理俨然为共管物质及其运动之核心科学，遂有 自然科学之轴心之称。 ---唐有棋---

1、 化学仍是解决食物短缺问题的主要学科之一 三. 未来化学的的作用和地位 1、 化学仍是解决食物短缺问题的主要学科之一 化学将从分子层次阐明和控制生物过程(如光合作用、动植物生长过程)的机理等方面，为研究开发高效安全肥料、饲料和肥料/饲料添加剂、农药、农用材料（如生物可降解农用薄膜）、环境友好的生物肥料、生物农药打下基础。 利用化学或生物的方法增加动植物食品的防病有效成分，改进食品储存加工方法，以减少不安全因素，保持有益成分等，都是化学研究的重要内容。

2、化学在能源和资源的合理开发和高效安全 利用中起关键作用 要研究高效洁净的燃料转化技术和控制低品位燃料的化学反应，使之既能保护环境，又能降低能源的成本。 要开发新能源，满足高效、洁净、经济、安全的要求。（太阳能、化学电源、燃料电池、天然气水合物） 矿产资源的再生利用。

3、化学继续推动材料科学的发展 微电子材料和器件 超导材料 新型纳米陶瓷 光纤通讯材料 聚合物结构材料 医用材料

4、 化学是提高人类生存质量和生存安全的有 效保障 环 境 化 学 通过研究各种物质和能的生物效应的化学 基础，找出最佳利用条件 研究开发对环境无害的化学品，研究对环 境无害的生产方式（绿色化学） 研究大环境和小环境中不利于健康的因素 的产生，并提出优化环境的途径

基因药物的研制 酶抑制剂的研究开发 药 物 化 学 手性药物的合成 常见病和多发病的研制(抗病毒药、 老年痴呆症、糖尿病等) 中医药的现代化

5. 21世纪化学学科发展的总趋势 (1) 微观与宏观结合 (2) 静态与动态相结合 (3) 复杂 简单 复杂 (4) 与其他学科的交叉、渗透

对社会生产力的发展和人民生活质 量的提高起着关键的作用，化学基 础知识也将成为充实新世纪公民基 本素质的重要内容之一。 《走进化学》 了解化学和应用化学的水平将 对社会生产力的发展和人民生活质 量的提高起着关键的作用，化学基 础知识也将成为充实新世纪公民基 本素质的重要内容之一。 《走进化学》

化学是最古老的科学之一,经过下一代科学家的努力,它将仍是最新的科学之一. R.Breslow

化 学 四、化学的分支学科 无机化学( Inorganic Chemistry ) 有机化学( Organic Chemistry ) 分析化学 ( Analytic Chemistry) 物理化学 ( Physical Chemistry) 高分子化学 ( Polymer Chemistry ) 生物化学（biochemistry ) 放射化学与核化学( Nuclear Chemistry) 化 学

材料化学 能源化学 环境化学 地质化学 天体化学 化 学 化学生物学 化学信息学 有机光电子学

《化学的今天与明天》 科学出版社 《展望21世纪的化学》 化学工业出版