化學(xué)概論第一講課件

1、化學(xué)科學(xué)與技術(shù)作業(yè)：做好聽課記錄，下課時(shí)上交！ 請(qǐng)用A4規(guī)格紙書寫。只有化學(xué)才能創(chuàng)造新物質(zhì)！本課程包括三個(gè)專題講座：第一講 化學(xué)概況第二講 化學(xué)與能源第三講 納米材料化學(xué)科學(xué)社論：讓化學(xué)成為真正的“中心科學(xué)”化學(xué)是解決能源問(wèn)題、疾病治療問(wèn)題的原動(dòng)力。公眾心目中，物理學(xué)才是科學(xué)的代表；最近，生物學(xué)也加入其中。奇怪的是，化學(xué)總是無(wú)法“見人”。利用二氧化碳制造生命這一類問(wèn)題，明顯是和物理學(xué)與生物學(xué)緊密相連的，但答案卻屬于化學(xué)的范疇。一、化學(xué)概況1.1 化學(xué)的定義 研究變化的科學(xué)。 研究物質(zhì)的性質(zhì)、組成、結(jié)構(gòu)、變化，以及物質(zhì)間相互作用關(guān)系的科學(xué)。 “中心科學(xué)”，為部分科學(xué)學(xué)類的核心 。1.2 化學(xué)研究

2、的主要內(nèi)容物理化學(xué)作為一門學(xué)科是從1877年德國(guó)化學(xué)家奧斯特瓦爾德和荷蘭化學(xué)家范托夫創(chuàng)刊的物理化學(xué)雜志開始的。 從物理角度分析化學(xué)原理。 關(guān)注分子如何形成結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)變化、分子光譜原理、平衡態(tài)，涉及的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、量子化學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)等重要物理領(lǐng)域。 物理變化往往導(dǎo)致化學(xué)變化。物理化學(xué)物理化學(xué)研究三個(gè)方面： 化學(xué)體系的宏觀平衡性質(zhì): 以熱力學(xué)三個(gè)基本定律為基礎(chǔ)，研究宏觀化學(xué)體系在氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、溶解態(tài)以及高分散狀態(tài)的平衡物理化學(xué)性質(zhì)及其規(guī)律性。 化學(xué)體系的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì): 以量子理論為基礎(chǔ)，研究原子和分子的結(jié)構(gòu)、表面相的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)與物性的規(guī)律性。 化學(xué)體系的動(dòng)態(tài)性質(zhì): 研究由于化學(xué)或物理因素的

3、擾動(dòng)而引起體系中化學(xué)變化的速率和變化機(jī)理。有化學(xué)動(dòng)力學(xué)、催化、光化學(xué)和電化學(xué)。研究碳、氫、氧、氮、硫等元素組成的化合物的化學(xué)。主要研究有機(jī)化合物的合成途徑和方法，結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。有機(jī)合成和新反應(yīng)途徑的開發(fā)，對(duì)于藥物，天然物，生物和材料高分子的開發(fā)，都是極為重要的，對(duì)于化學(xué)工業(yè)有極大的影響。 有機(jī)化學(xué) 有機(jī)化合物以外元素的化學(xué)領(lǐng)域；研究化合物的合成途徑和方法，結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，最常見的分子體系為金屬簇合物。有機(jī)和無(wú)機(jī)化學(xué)領(lǐng)域常有交疊，甚至有密不可分的趨勢(shì)。有機(jī)金屬化學(xué)就是一門結(jié)合有機(jī)和無(wú)機(jī)領(lǐng)域的化學(xué)。 無(wú)機(jī)化學(xué) 運(yùn)用非實(shí)驗(yàn)的推算來(lái)解釋或預(yù)測(cè)化合物的各種現(xiàn)象。主要包括量子化學(xué)。 理論化學(xué) 量子力學(xué)計(jì)

4、算化學(xué) (計(jì)算機(jī)代碼在化學(xué)中的應(yīng)用) 分子模擬 (分子結(jié)構(gòu)模型化的方法） 分子動(dòng)力學(xué) （模擬原子和分子的集合的運(yùn)動(dòng)） 分子力學(xué) （模擬分子內(nèi)及分子間相互作用勢(shì)能面） 數(shù)學(xué)化學(xué) （使用純數(shù)學(xué)方法討論及預(yù)測(cè)分子結(jié)構(gòu)。 理論反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 對(duì)與反應(yīng)化合物相關(guān)的動(dòng)態(tài)體系及其相應(yīng)的微分方程的理論研究。 吉林大學(xué)理論化學(xué)計(jì)算國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 提供各種簡(jiǎn)約的計(jì)算方法，來(lái)預(yù)測(cè)并輔助實(shí)驗(yàn)結(jié)果的推斷。實(shí)用性上已有諾貝爾獎(jiǎng)的肯定，如1998年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的密度泛函方法。 計(jì)算化學(xué) 以熱力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)研究化學(xué)的，以焓、熵等狀態(tài)函數(shù)來(lái)描述和預(yù)言化學(xué)物質(zhì)穩(wěn)定性和化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的結(jié)果。 熱化學(xué) 研究各種因?yàn)殡娏ν苿?dòng)而發(fā)生的化學(xué)作用

5、或者產(chǎn)生電力的化學(xué)過(guò)程。電化學(xué) 電解、電鍍、電池、微弧氧化、電氧化、電還原重點(diǎn)開發(fā)電力能源、材料防護(hù)、電化學(xué)傳感器等。研究各種化學(xué)物質(zhì)，受到各種頻率光線照射之后的化學(xué)反應(yīng)變化。 光化學(xué) 光化學(xué)合成:光化學(xué)反應(yīng)作為合成化合物的手段 可以得到其它方法難以得到的新穎結(jié)構(gòu)化合物光化學(xué)反應(yīng)、光化學(xué)合成、光催化等。 光化學(xué)反應(yīng)裝置：一是反應(yīng)溶液圍繞著光源的裝置；二是光源圍繞著反應(yīng)溶液的裝置。S 是配合物離子、金屬離子或半導(dǎo)體光照產(chǎn)生的空穴；A- 是配合物離子或半導(dǎo)體的光照產(chǎn)生的電子。第一個(gè)反應(yīng)主要是光致產(chǎn)生強(qiáng)氧化劑和還原劑的過(guò)程；第二，三個(gè)反應(yīng)是其后的對(duì)水的氧化還原反應(yīng)。研究化學(xué)物質(zhì)藥理作用。研究藥物的組

6、成、結(jié)構(gòu)、效能及機(jī)理。開發(fā)新型藥物。藥物使用的安全性問(wèn)題。開發(fā)藥物化學(xué)相關(guān)的器械。藥物化學(xué) 研究不同的次原子粒子怎樣組合在一起，形成一個(gè)原子核，及研究一個(gè)原子核中的物質(zhì)如何變化。 核化學(xué) 核性質(zhì)；核結(jié)構(gòu)；核轉(zhuǎn)變；核轉(zhuǎn)變化學(xué)效應(yīng)核化學(xué)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域如：利用中子活化分析，可準(zhǔn)確地測(cè)定樣品中50種以上元素含量，靈敏度很高;該法已廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、地學(xué)、宇宙化學(xué)、考古學(xué)和法醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。核化學(xué)武器有巨大威力，可用導(dǎo)彈、火箭、飛機(jī)、火炮等。 研究那些參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)屬于或帶有放射性同位素的化學(xué)反應(yīng)的一門學(xué)科。例如，采用碘的放射性同位素 標(biāo)記各種蛋白質(zhì)或激素，利用放射免疫分析

7、技術(shù)，檢測(cè)血清中物質(zhì)的濃度。 放射化學(xué) 對(duì)地球大氣層及其他星球大氣層化學(xué)問(wèn)題的研究。微量氣體包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)、氟氯烴類(CFCS)、臭氧(O3)等，氣溶膠主要包括硫酸鹽(SO42-)/硝酸鹽(NO32-)、沙塵/礦塵、黑碳/有機(jī)碳?xì)馊苣z、海鹽等大氣化學(xué) 研究共價(jià)鍵以外各種化學(xué)鍵，例如氫鍵、范德華力 、疏水效應(yīng)的運(yùn)作。 超分子化學(xué) 不同分子之間因彼此的弱相互作用而形成的一種新物質(zhì)，這類物質(zhì)由分子組成，彼此之間不是共價(jià)鍵結(jié)合，稱為超分子。 研究和解決材料制備與合成、性能與結(jié)構(gòu)分析、材料使用、材料保護(hù)、材料成分相關(guān)的化學(xué)科學(xué)與技術(shù)；研究和開發(fā)新型功能材料；探

8、索材料合成與處理的化學(xué)方法；材料及化合物的檢測(cè)技術(shù)等。材料化學(xué) 研究高分子化合物的合成、化學(xué)反應(yīng)、物理化學(xué)、物理、加工成型、應(yīng)用等方面的一門學(xué)科。高分子化學(xué) 地球化學(xué) 石油化學(xué) 環(huán)境化學(xué) 綠色化學(xué) 二、新世紀(jì)的化學(xué)發(fā)展2.1 化學(xué)界存在的困惑 2.2 化學(xué)分支學(xué)科重組 2.3 化學(xué)與其它學(xué)科的交叉 2.4 化學(xué)未來(lái)新發(fā)展的契機(jī) 2.5 化學(xué)科學(xué)與人類安全 2.6 二十一世紀(jì)化學(xué)學(xué)科發(fā)展的方向 2.1 化學(xué)界存在的困惑在化學(xué)家繼續(xù)抱著創(chuàng)造新物質(zhì)、新材料為人類生存和生存質(zhì)量的提高作出新的貢獻(xiàn)的時(shí)候，他們卻感覺(jué)化學(xué)的作用和地位似乎被淡化了，似乎化學(xué)作為核心科學(xué)的地位不再?？陀^和主觀原因： 客觀上：

9、自動(dòng)化合成裝置、分析儀器、各種計(jì)算機(jī)軟件大量使用，人們誤認(rèn)為分析與合成化學(xué)已經(jīng)不是科學(xué)而是技術(shù)了； 其次，物理學(xué)成為20 世紀(jì)前半葉的帶頭學(xué)科，使化學(xué)研究的理論、觀點(diǎn)和方法趨于物理化； 再次，生物科學(xué)成為帶頭學(xué)科，化學(xué)沒(méi)能及時(shí)推動(dòng)生命體系研究的突破。主觀上： 化學(xué)研究的主流仍以創(chuàng)造新分子新材料為目標(biāo); 太注重新合成方法和新結(jié)構(gòu)，對(duì)分子功能研究不夠； 太重視細(xì)微結(jié)構(gòu)，較少注意其它科學(xué)技術(shù)對(duì)化學(xué)理論、觀點(diǎn)和方法提出的大量新問(wèn)題； 在研究生物、環(huán)境、材料等問(wèn)題時(shí)缺少必要的想象力。2.2 化學(xué)學(xué)科的重組研究原子和分子的反應(yīng)和變化規(guī)律無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、分析化學(xué)原子、分子片、分子、超分子、宏觀

10、聚集態(tài)、介觀聚集態(tài)、復(fù)雜體系傳統(tǒng)化學(xué)按尺寸層次學(xué)科交叉不同學(xué)科理論、方法、思想和研究方法融入化學(xué)。如合成化學(xué)、分離化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)、理論化學(xué)、材料化學(xué)、綠色化學(xué)等?；瘜W(xué)定義：研究從原子、分子片、分子、超分子，到分子和原子不同尺度和不同聚集態(tài)和組裝態(tài)的合成和反應(yīng)，分離和分析，結(jié)構(gòu)和形態(tài)，物理性能和生物活性及其規(guī)律和應(yīng)用的自然科學(xué)。2.3 化學(xué)與其它學(xué)科的交叉化學(xué)信息學(xué)化學(xué)生物學(xué)納米化學(xué)和分子納米技術(shù) 環(huán)境化學(xué)化學(xué)中的非線性化學(xué)與物理、生物學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、納米電子學(xué)、環(huán)境科學(xué)等的交叉?；瘜W(xué)中的弱相互作用成為關(guān)注的焦點(diǎn)（1）理論化學(xué)；（2）生物活性、光、電、磁功能化合物的高選擇性合成

11、；（3）化學(xué)催化、生命體系中的化學(xué)過(guò)程及化學(xué)生物學(xué)；（4）極端條件下化學(xué)行為與人類生存相關(guān)的分析和超快速、超微量、活體分析檢測(cè)手段；(5) 分子以上層次納米化學(xué);(6）以可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)的綠色化學(xué)。2.4 化學(xué)未來(lái)新發(fā)展的契機(jī)（1）各相關(guān)科學(xué)與化學(xué)在大量問(wèn)題上相遇，相關(guān)科學(xué)家也意識(shí)到需要解決的化學(xué)問(wèn)題。（2）可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略向化學(xué)科學(xué)提出了大量化學(xué)問(wèn)題，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的需求和化學(xué)學(xué)科自身發(fā)展成為推動(dòng)21世紀(jì)化學(xué)學(xué)科發(fā)展的動(dòng)力。（3）化學(xué)在理論和方法上有了很大積累。 尤其是新材料、新能源、環(huán)保等對(duì)化學(xué)發(fā)展提出了強(qiáng)烈的需求。離開了化學(xué)、很多新科技無(wú)法實(shí)現(xiàn)2.5 化學(xué)科學(xué)與人類安全1. 研究各種物質(zhì)和能的生物效應(yīng)（正面的和負(fù)面的）的化學(xué)基礎(chǔ)，搞清楚兩面性的本質(zhì)，找出最佳利用條件。 研究開發(fā)對(duì)環(huán)境無(wú)害的化學(xué)品和生活用品。研究對(duì)環(huán)境無(wú)害的生產(chǎn)方式。3. 研究大環(huán)境和小環(huán)境（如室內(nèi)環(huán)境）中不利因素的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化和與人體的相互作用。提出優(yōu)化環(huán)境建立潔凈生活空間的途徑。 2.6 21世紀(jì)化學(xué)學(xué)科發(fā)展的方向1、尋求結(jié)構(gòu)多樣性與功能研究結(jié)合 合成化學(xué)既研究傳統(tǒng)的分子合成化學(xué)，也應(yīng)研究高級(jí)結(jié)構(gòu)，特別是高級(jí)有序結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑學(xué)；組合化學(xué)是基于與傳統(tǒng)合成思路相反的反向思維 ；發(fā)現(xiàn)和尋找新合成方法是永久課題 ；結(jié)