化学与社会第一章

化学与社会化学化工学院（微结构国家实验室，唐仲英楼 C612）郑和O公共邮箱： huaxue成绩评定成绩评定平时平时 30分分期末考试期末考试 40分分读书报告读书报告 30分分作业作业 (15分分 )；出勤；出勤 (15分分 )自选与化学有关专题自选与化学有关专题或或平时平时 40分分 (每次每次 10份，达份，达 4次无成绩）次无成绩）期末考试期末考试 60分分研研 究究 内内 容容u化学研究什么？化学研究什么？u化学学科的发展方向与化学研究中的机遇化学学科的发展方向与化学研究中的机遇u化学与环境化学与环境u化学与材料化学与材料u化学与农业化学与农业u化学与生命化学与生命u化学与现代文明化学与现代文明u纳米专题纳米专题第一章 序论一、化学研究什麽？1 化学研究的对象单质：指由同种元素的原子组成的物质，如单质：指由同种元素的原子组成的物质，如 氧氧气气 (O2)和氮气和氮气 (N2)； 金金 (Au)、 铂铂 (Pt)、 银银 (Ag)、 铜铜 (Cu)、 铁铁 (Fe)、 铝铝 (Al)、 锌锌 (Zn)和和 锡锡 (Sn)等等 化合物：指由不同种元素的原子组成的物质化合物：指由不同种元素的原子组成的物质，如盐酸，如盐酸 (HCl)， 氢氧化纳氢氧化纳 (NaOH)， 碳酸碳酸钙钙 (CaCO3)机械运动机械运动 : 位置的移动位置的移动物理运动物理运动 ：蜡烛燃烧由固：蜡烛燃烧由固 态变为液态。态变为液态。化学运动化学运动 ： 蜡烛燃烧变蜡烛燃烧变CO2生物运动生物运动 ：花开花落：花开花落物质运动形式物质运动形式化学运动：化学运动：物质间的物质间的 化学变化化学变化 。 本质是原子、分子、离本质是原子、分子、离子或核外电子运动状态的改变子或核外电子运动状态的改变 。伴随化学变。伴随化学变化的发生也常产生物理变化，如光、电、热化的发生也常产生物理变化，如光、电、热的变化的变化 .铁生锈 水结冰草燃烧盐溶于水指出那些是化学变化 ?物质发生化学变化后，它的组成会发生变化物质发生化学变化后，它的组成会发生变化。研究化学变化时，常对物质的组成、结构、性。研究化学变化时，常对物质的组成、结构、性质、发生变化所需的外界条件及变化规律等进行质、发生变化所需的外界条件及变化规律等进行研究。研究。解决化学变化能否发生、进行程度如何及有解决化学变化能否发生、进行程度如何及有哪些影响因素等问题，能为社会生产实践提供理哪些影响因素等问题，能为社会生产实践提供理论指导。论指导。热力学研究结果表明氢气热力学研究结果表明氢气 (H2)与氧气与氧气 (O2)可可以发生化学反应生成水以发生化学反应生成水 （ H2O） 。 但事实上正常但事实上正常条件下，空气中的氧气和氢气能稳定存在而并不条件下，空气中的氧气和氢气能稳定存在而并不生成水。动力学研究显示这是因为二者反应速度生成水。动力学研究显示这是因为二者反应速度很慢，很慢， 106亿年才生成亿年才生成 0.15% 的水。因此若想实现的水。因此若想实现该反应，就必须研究影响该反应的各种因素该反应，就必须研究影响该反应的各种因素 ,如催如催化剂等。化剂等。 化学是一门在原子、分子和离子层次化学是一门在原子、分子和离子层次上研究物质的组成、结构、性质等变上研究物质的组成、结构、性质等变化条件及规律的科学。亦即是研究物化条件及规律的科学。亦即是研究物质变化的科学质变化的科学 。化学的定义化学的定义2 化学研究的目的化学研究的目的 认识自然，改造自然，造福认识自然，改造自然，造福人类人类3 出于对自然界物质的好奇，人们很早就知出于对自然界物质的好奇，人们很早就知道如何从自然界分离出某些化学物质，例如从道如何从自然界分离出某些化学物质，例如从花卉中提取颜料来染布和作画。同时，人类很花卉中提取颜料来染布和作画。同时，人类很早也认识到通过化学变化来制造新物质，最早早也认识到通过化学变化来制造新物质，最早的可能是肥皂和活性炭。的可能是肥皂和活性炭。从化学元素概念的提出、氧化学说的建立从化学元素概念的提出、氧化学说的建立、元素周期律的发现、由无机化合物合成有机、元素周期律的发现、由无机化合物合成有机化合物（尿素），为人类文明的进步带来飞跃化合物（尿素），为人类文明的进步带来飞跃。 化学化学 研究的各项成果研究的各项成果 为人类认识自然和改造为人类认识自然和改造自然及社会的发展和进步起了非常重要作用自然及社会的发展和进步起了非常重要作用 。化学研究围绕保证人类的生存、提高人类化学研究围绕保证人类的生存、提高人类生活质量和延长人类寿命的目标一直在做不懈生活质量和延长人类寿命的目标一直在做不懈的努力。的努力。 如化学研究在解决人类的如化学研究在解决人类的 衣、食、住衣、食、住、行、能源短缺、合理使用自然资源及环境保、行、能源短缺、合理使用自然资源及环境保护等难题方面和合成新材料、新药物及探明生护等难题方面和合成新材料、新药物及探明生命过程中的化学奥秘方面曾经而且还将继续做命过程中的化学奥秘方面曾经而且还将继续做出巨大的贡献出巨大的贡献 。化学研究发展到今天从来就没有脱离过为化学研究发展到今天从来就没有脱离过为人类造福和使人类生活得更美好的长期而远大人类造福和使人类生活得更美好的长期而远大的目标。的目标。 二、化学学科的发展方向与化学研究中的机遇二、化学学科的发展方向与化学研究中的机遇近代化学时期近代化学时期 （ 从十七世纪中叶到十九世纪末）：从十七世纪中叶到十九世纪末）： 化化学作为一门独立的学科的形成和发展时期。学作为一门独立的学科的形成和发展时期。 元素论的诞元素论的诞生标志着化学学科的确立；从燃素说到氧化学说的建立生标志着化学学科的确立；从燃素说到氧化学说的建立，化学计量定律的确立、原子，化学计量定律的确立、原子 -分子学说的建立、及元分子学说的建立、及元素周期律的发现。科学实验的兴起和化学工业的蓬勃发素周期律的发现。科学实验的兴起和化学工业的蓬勃发展，促进了化学史上一系列的发现和发明。化学的分支展，促进了化学史上一系列的发现和发明。化学的分支学科也迅速发展。学科也迅速发展。1.化学发展简史化学发展简史古代化学时期（十七世纪以前）：古代化学时期（十七世纪以前）： 制陶、玻璃制造、炼制陶、玻璃制造、炼铜和铁、造纸和火药、炼丹和炼金、医药化学和冶金化学等铜和铁、造纸和火药、炼丹和炼金、医药化学和冶金化学等的萌芽期。这一时期的化学特点是注重实用性，化学知识是的萌芽期。这一时期的化学特点是注重实用性，化学知识是经验性和零散性的。经验性和零散性的。u 现代化学（十九世纪末，二十世纪初）：现代化学（十九世纪末，二十世纪初）： X-射线射线、 放射性、电子的发现。化学的研究深入到探索放射性、电子的发现。化学的研究深入到探索原子、分子、晶体的内部结构。量子力学的建立原子、分子、晶体的内部结构。量子力学的建立全面揭示了元素周期律的本质。化学研究从宏观全面揭示了元素周期律的本质。化学研究从宏观实验和经验归纳转为从微观领域的演绎和推理来实验和经验归纳转为从微观领域的演绎和推理来阐明物质及其变化本质。经历了从宏观到微观、阐明物质及其变化本质。经历了从宏观到微观、从静态到动态的认识过程，建立了崭新的化学理从静态到动态的认识过程，建立了崭新的化学理论体系，化学与其它学科的研究和发展也相互渗论体系，化学与其它学科的研究和发展也相互渗透、相互促进。透、相互促进。现代化学有三个突出的特点：现代化学有三个突出的特点：（ 1）多学科的综合性和）多学科的综合性和相互渗透；（相互渗透；（ 2）新的实）新的实验手段的普遍应用；验手段的普遍应用； (3) 理论与实验相结合。理论与实验相结合。Inorganic Chemistry, 2009, 48, 5772:(NH4)2MoS4 + CuI + 4,4-Bipy + Bu4NI Mo2O2S6Cu6I2(4,4-bipy)6n中性化合物u 一级学科一级学科 : 化学化学u 二级学科二级学科 :无机化学、有机化学、分析化学、物理无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、高分子化学、环境化学及化学工程等。化学、高分子化学、环境化学及化学工程等。u 交叉边缘科学：交叉边缘科学： 生物无机化学、生物有机化学、生物无机化学、生物有机化学、物理有机化学、金属有机化学等。物理有机化学、金属有机化学等。u 按研究划分按研究划分 : 基础研究、应用研究和开发研究。基础研究、应用研究和开发研究。u 然而实际上的划分却是不易的，例如催化。然而实际上的划分却是不易的，例如催化。化学学科的分支化学学科的分支（ a） 弄清各种物质在各种状态下的组成、结构和性能等及其弄清各种物质在各种状态下的组成、结构和性能等及其相互关系（结构研究）相互关系（结构研究） 。(b) 弄清各种物质结构变化的机理细节及其结构变化的控制弄清各种物质结构变化的机理细节及其结构变化的控制方法和手段（结构变化）方法和手段（结构变化） 。（ c） 弄清各种物质化学反应的机理细节及其结构变化的控制弄清各种物质化学反应的机理细节及其结构变化的控制方法和手段（反应机理）方法和手段（反应机理） 。（ d） 根据需要能够任意设计和合成各种性能的化合物（合根据需要能够任意设计和合成各种性能的化合物（合成化学）。成化学）。 化学学科自身的使命化学学科自身的使命化学学科的发展方向既涉及本身具有普遍科学意化学学科的发展方向既涉及本身具有普遍科学意义的各项研究，又应该考虑整个社会大系统环境义的各项研究，又应该考虑整个社会大系统环境的各个角度例如国家政策、方针、社会需求、现的各个角度例如国家政策、方针、社会需求、现有的科学资源及科学实力等。除了要完成自身的有的科学资源及科学实力等。除了要完成自身的历史使命外，还肩负着促进其它自然科学与社会历史使命外，还肩负着促进其它自然科学与社会科学的发展和进步。科学的发展和进步。化学的发展与其它学科的相互关系化学的发展与其它学科的相互关系化学与生命科学化学与生命科学生命科学之谜？生命科学之谜？1.生命起源之谜。生命起源之谜。最早的生命从何而来？这个最早的生命从何而来？这个被人们称为被人们称为 “ 自然历史上最自然历史上最复杂、最难以解决的疑问复杂、最难以解决的疑问 ”，今后仍是科学研究的焦点，今后仍是科学研究的焦点，将长期吸引学者的注意。，将长期吸引学者的注意。2 大脑之谜。大脑之谜。 这个这个 “ 大自然创造大自然创造的最神秘黑箱的最神秘黑箱 ” ，有着无比，有着无比奇妙的特点。诺贝尔奖金获奇妙的特点。诺贝尔奖金获得者克里克写道：得者克里克写道： “ 你本身你本身，你的喜怒哀乐，你的记忆，你的喜怒哀乐，你的记忆，你的雄心，你的个人，你的雄心，你的个人u 感觉，你的自由意志，事实上不外乎是大量细胞及其感觉，你的自由意志，事实上不外乎是大量细胞及其 相相关分子关分子 的行为。的行为。 ” 勒维司说勒维司说 “ 你什么都不是，仅仅只是你什么都不是，仅仅只是一堆神经元一堆神经元 ” 。但这堆神经元究竟是怎样开展工作的，。但这堆神经元究竟是怎样开展工作的，至今却还知之甚少。至今却还知之甚少。3演化之谜。演化之谜。 生命是如何演化的？达尔文生命是如何演化的？达尔文 “ 物竞天译物竞天译 ” 理论对理论对此作了颇为精彩的解释，但近年来一系列发现，却使得此作了颇为精彩的解释，但近年来一系列发现，却使得这个领域重新充满疑团。例如这个领域重新充满疑团。例如 “ 寒武纪大爆炸寒武纪大爆炸 ” 就是其就是其中最具挑战性的事实，在距今中最具挑战性的事实，在距今 5亿多年前的寒武纪后期，亿多年前的寒武纪后期，在非常短促的历史时期内，地球上突然冒出了许多新的在非常短促的历史时期内，地球上突然冒出了许多新的动物类型，包括海绵动物、腔肠动物、腕足动物、节肢动物类型，包括海绵动物、腔肠动物、腕足动物、节肢动物、脊索动物等等。总之，大多数动物、脊索动物等等。总之，大多数 “ 门类门类 ” 都在此时都在此时同时出现，而之前根本并不存在，之后则基本上没有增同时出现，而之前根本并不存在，之后则基本上没有增加。这一事实与加。这一事实与 “ 渐进式演化渐进式演化 ” 、 “ 系谱树系谱树 ” 等理论很等理论很难协调。此外在分子水平研究进化问题时，也发现许多难协调。此外在分子水平研究进化问题时，也发现许多难以用自然选择理论解释的事实。难以用自然选择理论解释的事实。 “ 生命如何演化生命如何演化 ” ，仍然是值得继续探索的大课题。仍然是值得继续探索的大课题。4. 地外生命之谜。地外生命之谜。 尽管直至今天还没有找到任何地外生命存尽管直至今天还没有找到任何地外生命存在的踪迹，但由于宇宙中星体太多了，要否定它几乎在的踪迹，但由于宇宙中星体太多了，要否定它几乎是不可能的事，所以寻找还必须继续进行。一旦发现是不可能的事，所以寻找还必须继续进行。一旦发现地外生命地外生命 ，由于它们所处的环境和地球截然不同，其，由于它们所处的环境和地球截然不同，其元素组成、结构方式、遗传密码、新陈代谢类型，肯元素组成、结构方式、遗传密码、新陈代谢类型，肯定与地球型生命有很大差别、研究二者的异同，必然定与地球型生命有很大差别、研究二者的异同，必然会导致生命科学的重大跃进。会导致生命科学的重大跃进。5 各种生物基因图谱的绘制。各种生物基因图谱的绘制。 每种生物都有自已一套独特的每种生物都有自已一套独特的遗传系统，包括若干染色体及排列于其上的基因。其遗传系统，包括若干染色体及排列于其上的基因。其化学基础则是化学基础则是 DNA分子，是由许多核苷酸按照严格顺分子，是由许多核苷酸按照严格顺序联接起来的长链。测定基因位置，并最终确定各个序联接起来的长链。测定基因位置，并最终确定各个核苷酸的排列顺序，是透彻了解该生物的基础工作。核苷酸的排列顺序，是透彻了解该生物的基础工作。现在科学家已经完成了对大肠杆菌、酵母菌及其它现在科学家已经完成了对大肠杆菌、酵母菌及其它 11种微生物的基因图谱工作。对于人类基因，已标识了种微生物的基因图谱工作。对于人类基因，已标识了将近一半，不过对于将近一半，不过对于 30亿个碱基对，仅只分析了约亿个碱基对，仅只分析了约6000万个，大量工作需今后继续进行。万个，大量工作需今后继续进行。 现在人们认为现在人们认为 生命的起源是通过化学途径实生命的起源是通过化学途径实现的，生命过程本身就是化学变化的表现现的，生命过程本身就是化学变化的表现 。要了。要了解生命必须先了解化学活性。生命科学的发展要解生命必须先了解化学活性。生命科学的发展要求我们在分子水平上解释生命过程，例如组成生求我们在分子水平上解释生命过程，例如组成生命的各种酶、核酸和蛋白质的分离，及其化学结命的各种酶、核酸和蛋白质的分离，及其化学结构与生物功能的关系，遗传基因的序列。构与生物功能的关系，遗传基因的序列。 应用：亲子签定应用：亲子签定传统的测血型亲子鉴定传统的测血型亲子鉴定测测 DNA亲子鉴定亲子鉴定化学与信息科学化学与信息科学 (记录、传记录、传输、存储、识别等）输、存储、识别等） 计算机的计算速度和计算机的计算速度和容量的提升及计算机容量的提升及计算机本身的发展却依赖新本身的发展却依赖新一代计算机芯片的发一代计算机芯片的发展。而计算机芯片所展。而计算机芯片所用材料又是无机或有用材料又是无机或有机化合物。机化合物。 计算机科学与计算机科学与u 化学实验手（自动化和智能化化学实验手（自动化和智能化 、文献、文献 ）u 药物及农药筛选药物及农药筛选u 量子化学的进一步发展及生物大分子的深入量子化学的进一步发展及生物大分子的深入研究研究单晶硅 砷化镓磷化铟 碳化硅锗化学与信息化学与