《化学知识地》word版.doc

化学知识地图化学魅力：无中生有，变幻无穷，变中有定。一，无机化学无机化学，是研究元素、单质和无机化合物的来源、制备、结构、性质、变化和应用的一门化学分支。对于矿物资源的综合利用，近代技术中无机原材料及功能材料的生产和研究等都具有重大的意义。已形成无机合成、元素化学、配位化学、有机金属化学、无机固体化学、生物无机化学和同位素化学等领域。金丹家所追求的目的虽属荒诞，但所使用的操作方法和积累的感性知识，却成为化学科学的前驱。金丹家关于无机物变化的知识主要从实验中得来。他们设计制造了加热炉、反应室、蒸馏器、研磨器等实验用具。无机化学在成立之初，其知识内容已有四类，即事实、概念、定律和学说。用感官直接观察事物所得的材料，称为事实；对于事物的具体特征加以分析、比较、综合和概括得到概念，如元素、化合物、化合、化分、氧化、还原、原子等皆是无机化学最初明确的概念；组合相应的概念以概括相同的事实则成定律，例如，不同元素化合成各种各样的化合物，总结它们的定量关系得出质量守恒、定比、倍比等定律；建立新概念以说明有关的定律，该新概念又经实验证明为正确的，即成学说。例如，原子学说可以说明当时已成立的有关元素化合重量关系的各定律。化学知识的这种派生关系表明它们之间的内在联系。定律综合事实，学说解释并贯串定律，从而把整个化学内容组织成为一个有系统的科学知识。人们认为近代化学是在道尔顿创立原子学说之后建立起来的，因为该学说把当时的化学内容进行了科学系统化。系统的化学知识是按照科学方法进行研究的。科学方法主要分为三步：搜集事实搜集的方法有观察和实验。实验是控制条件下的观察。化学研究特别重视实验，因为自然界的化学变化现象都很复杂，直接观察不易得到事物的本质。例如，铁生锈是常见的化学变化，若不控制发生作用的条件，如水气、氧、二氧化碳、空气中的杂质和温度等就不易了解所起的反应和所形成的产物。无论观察或实验，所搜集的事实必须切实准确。化学实验中的各种操作，如沉淀、过滤、灼烧、称重、蒸馏、滴定、结晶、萃取等等，都是在控制条件下获得正确可靠事实知识的实验手段。正确知识的获得，既要靠熟练的技术，也要靠精密的仪器，近代化学是由天平的应用开始的。通过对每一现象的测量，并用数字表示，才算对此现象有了确切知识。建立定律。古代化学工艺和金丹术积累的化学知识虽然很多，但不能称为科学。要知识成为科学，必须将搜集到的大量事实加以分析比较，去粗取精，由此及彼地将类似的事实归纳成为定律。例如普鲁斯特注意化合物的成分，他分析了大量的、采自世界各地的、天然的和人工合成的多种化合物，经过八年的努力后发现每一种化合物的组成都是完全相同的，于是归纳这类事实，提出定比定律。道尔顿由表及里地提出物质由原子构成的概念，创立原子学说，解释了关于元素化合和化合物变化的重量关系的各个定律，并使之连贯起来，从而将化学知识按其形成的层次组织成为一门系统的科学。由于各学科的深入发展和学科间的相互渗透，形成许多跨学科的新的研究领域。无机化学与其他学科结合而形成的新兴研究领域很多，例如生物无机化学就是无机化学与生物化学结合的边缘学科。现代物理实验方法如：X射线、中子衍射、电子衍射、磁共振、光谱、质谱、色谱等方法的应用，使无机物的研究由宏观深入到微观，从而将元素及其化合物的性质和反应同结构联系起来，形成现代无机化学。现代无机化学就是应用现代物理技术及物质微观结构的观点来研究和阐述化学元素及其所有无机化合物的组成、性能、结构和反应的科学。无机化学的发展趋向主要是新型化合物的合成和应用，以及新研究领域的开辟和建立。二，有机化学无机化学只是化学反应中的冰山一角，化学反应主要以有机为主。有机化学，又称为碳化合物的化学，是研究有机化合物的结构、性质、制备的学科，是化学中极重要的一个分支。有机化合物和无机化合物之间没有绝对的分界。有机化学之所以成为化学中的一个独立学科，是因为有机化合物确有其内在的联系和特性。位于周期表当中的碳元素，一般是通过与别的元素的原子共用外层电子而达到稳定的电子构型的(即形成共价键)。这种共价键的结合方式决定了有机化合物的特性。大多数有机化合物由碳、氢、氮、氧几种元素构成，少数还含有卤素和硫、磷、氮等元素。因而大多数有机化合物具有熔点较低、可以燃烧、易溶于有机溶剂等性质，这与无机化合物的性质有很大不同。在含多个碳原子的有机化合物分子中，碳原子互相结合形成分子的骨架，别的元素的原子就连接在该骨架上。在元素周期表中，没有一种别的元素能像碳那样以多种方式彼此牢固地结合。由碳原子形成的分子骨架有多种形式，有直链、支链、环状等。在有机化学发展的初期，有机化学工业的主要原料是动、植物体，有机化学主要研究从动、植物体中分离有机化合物。天然有机化学主要研究天然有机化合物的组成、合成、结构和性能。有机合成方面主要研究从较简单的化合物或元素经化学反应合成有机化合物。19世纪30年代合成了尿素；40年代合成了乙酸。随后陆续合成了葡萄糖酸、柠檬酸、琥珀酸、苹果酸等一系列有机酸；19世纪后半叶合成了多种染料；20世纪40年代合成了DDT和有机磷杀虫剂、有机硫杀菌剂、除草剂等农药；20世纪初，合成了606药剂，3040年代，合成了一千多种磺胺类化合物，其中有些可用作药物。物理有机化学是定量地研究有机化合物结构、反应性和反应机理的学科，进而为有机合成提供理论指导。它是在价键的电子学说的基础上，引用了现代物理学、物理化学的新进展和量子力学理论而发展起来的。20世纪2030年代，通过反应机理的研究，建立了有机化学的新体系；50年代的构象分析和哈米特方程开始半定量估算反应性与结构的关系；60年代出现了分子轨道对称守恒原理和前线轨道理论。有机分析即有机化合物的定性和定量分析。19世纪30年代建立了碳、氢定量分析法；90年代建立了氮的定量分析法；有机化合物中各种元素的常量分析法在19世纪末基本上已经齐全；20世纪20年代建立了有机微量定量分析法；70年代出现了自动化分析仪器。由于科学和技术的发展，有机化学与各个学科互相渗透，形成了许多分支边缘学科。比如生物有机化学、物理有机化学、量子有机化学、海洋有机化学等。有机化学研究手段的发展经历了从手工操作到自动化、计算机化，从常量到超微量的过程。20世纪40年代前，用传统的蒸馏、结晶、升华等方法来纯化产品，用化学降解和衍生物制备的方法测定结构。后来，各种色谱法、电泳技术的应用，特别是高压液相色谱的应用改变了分离技术的面貌。各种光谱、能谱技术的使用，使有机化学家能够研究分子内部的运动，使结构测定手段发生了革命性的变化。电子计算机的引入，使有机化合物的分离、分析方法向自动化、超微量化方向又前进了一大步。带傅里叶变换技术的核磁共振谱和红外光谱又为反应动力学、反应机理的研究提供了新的手段。这些仪器和x射线结构分析、电子衍射光谱分析，已能测定微克级样品的化学结构。用电子计算机设计合成路线的研究也已取得某些进展。未来有机化学的发展首先是研究能源和资源的开发利用问题。迄今我们使用的大部分能源和资源，如煤、天然气、石油、动植物和微生物，都是太阳能的化学贮存形式。今后一些学科的重要课题是更直接、更有效地利用太阳能。对光合作用做更深入的研究和有效的利用，是植物生理学、生物化学和有机化学的共同课题。有机化学可以用光化学反应生成高能有机化合物，加以贮存；必要时则利用其逆反应，释放出能量。另一个开发资源的目标是在有机金属化合物的作用下固定二氧化碳，以产生无穷尽的有机化合物。这几方面的研究均已取得一些初步结果。其次是研究和开发新型有机催化剂，使它们能够模拟酶的高速高效和温和的反应方式。这方面的研究已经开始，今后会有更大的发展。20世纪60年代末，开始了有机合成的计算机辅助设计研究。今后有机合成路线的设计、有机化合物结构的测定等必将更趋系统化、逻辑化。三，物理化学物理化学是在物理和化学两大学科基础上发展起来的。它以丰富的化学现象和体系为对象,大量采纳物理学的理论成就与实验技术,探索、归纳和研究化学的基本规律和理论,构成化学科学的理论基础。物理化学的水平在相当大程度上反映了化学发展的深度。不过，化学应当提出自己的理论，不应一味依赖物理学。物理化学由化学热力学、化学动力学和结构化学三大部分组成。物理化学的主要理论支柱是热力学、统计力学和量子力学三大部分。热力学和量子力学分别适用于宏观和微观系统，统计力学则为二者的桥梁。原则上用统计力学方法能通过个分子、原子的微观数据来推断或计算物质的宏观现象。一般公认的物理化学的研究内容大致可以概括为三个方面：化学体系的宏观平衡性质。以热力学的三个基本定律为理论基础，研究宏观化学体系在气态、液态、固态、溶解态以及高分散状态的平衡物理化学性质及其规律性。在这一情况下，时间不是一个变量。属于这方面的物理化学分支学科有化学热力学。溶液、胶体和表面化学。化学体系的微观结构和性质。以量子理论为理论基础，研究原子和分子的结构，物体的体相中原子和分子的空间结构、表面相的结构，以及结构与物性的规律性。属于这方面的物理化学分支学科有结构化学和量子化学。化学体系的动态性质。研究由于化学或物理因素的扰动而引起体系中发生的化学变化过程的速率和变化机理。在这一情况下，时间是重要的变量。属于这方面的物理化学分支学科有化学动力学、催化、光化学和电化学。随着人们科学知识的不断积累,科学认识的日益深化和现代科学技术,如新谱学方法、分子束和激光技术、巨型计算机和先进计算方法等的应用,使物理化学的理论与实验研究均进入一个崭新的发展阶段。现代物理化学发展的明显趋势和特点是,从宏观到微观,从体相到表面,从静态到动态等。目前物理化学已在一定程度上能指导实践,并在实践中不断得到丰富和发展。四，分析化学分析化学是关于研究物质的组成、含量、结构和形态等化学信息的分析方法及理论的一门科学，是化学的一个重要分支。分析化学有极高的实用价值，对人类的物质文明做出了重要贡献，广泛的应用于地质普查、矿产勘探、冶金、化学工业、能源、农业、医药、临床化验、环境保护、商品检验、考古分析、法医刑侦鉴定等领域。主要任务分析化学的主要任务是鉴定物质的化学组成(元素、离子、官能团、或化合物)、测定物质的有关组分的含量、确定物质的结构(化学结构、晶体结构、空间分布)和存在形态(价态、配位态、结晶态)及其与物质性质之间的关系等。分析化学的任务：有什么?有多少?什么形态?(1)确定物质的化学组成-定性分析(2)测量各组成的含量-定量分析(3)表征物质的化学结构、形态、能态-结构分析、形态分析、能态分析(4)表征组成、含量、结构、形态、能态的动力学特征-动态分析分析化学主要任务是研究下列问题：物质中有哪些元素和(或)基团(定性分析)；每种成分的数量或物质纯度如何(定量分析)；物质中原子彼此如何联结而成分子和在空间如何排列(结构和立体分析)。研究对象从单质到复杂的混合物和大分子化合物，从无机物到有机物，从低分子量到高分子量(如10原子质量单位)。样品可以是气态、液态和固态。称样重量可由100克以上以至毫克以下。1931年E.威森伯格提出的残渣测定，只取10微克样品，便属于超微量分析。所用仪器从试管直到高级仪器(附自动化设备并用电子计算机程序控制、记录和储存)。分析化学以化学基本理论和实验技术为基础，并吸收物理、生物、统计、电子计算机、自动化等方面的知识以充实本身的内容，从而解决科学、技术所提出的各种分析问题。分析化学包括化学分析、仪器分析两部分。化学分析是基础，仪器分析是目前的发展方向。化学分析包括滴定分析和重量分析等，它是根据物质的化学性质来测定物质的组成及相对含量。仪器分析的方法很多，它是根据物质的物理性质或物质的物理化学性质来测定物质的组成及相对含量。仪器分析根据测定的方法原理不同，可分为电化学分析、光学分析、色谱分析、其他分析法等4大类。如右图。分析方法的分类按方法的原理可分：化学分析和仪器分析。凡主要利用化学原理进行分析的方法称为化学分析法；而主要利用物理学原理进行分析的方法则称为仪器分析法。当然这两者的界限难以截然划清，也有介乎二者之间的方法。仪器一般指大型仪器，如核磁共振仪(见核磁共振谱)、X射线荧光仪(见X射线荧光光谱分析法)、X射线衍射仪、质谱仪(见质谱法)、电子能谱仪等。原子发射光谱法和原子吸收光谱法基本上采用湿法预处理，然后在相应仪器中测定，可认为是介于二者之间的方法，也可看作是化学法与仪器法的联合使用。不能认为用到仪器就是仪器分析。例如，重量分析开始于用天平称量样品，末一步再用天平称沉淀重量。天平是物理仪器,称量是物理过程,但重量分析却是公认的典型化学分析法，原因是重量分析主要靠欲测离子与沉淀剂作用而定量析出沉淀。至于经典法一词，专指重量分析法和容量分析。其范围远狭于化学法。所以经典法仅是化学分析法的一部分，而不是全部。按样品性质可粗分为无机分析和有机分析两大类。天然产物和工业制品中的无机物，如岩石、矿物、陶瓷、钢铁、合金、矿物酸、烧碱等的分析属无机分析；石油、染料、塑料、食品、合成药物、中草药等的分析属有机分析。简言之，凡碳氢化合物及其衍生物的分析属有机分析，而除上述物质外的分析统属无机分析。不过，无机物中有时夹杂一些有机物质，而有机物也含有无机物质。例如，河水、海水中含有有机物，有些锰矿夹杂有机物，煤含有灰分，石油含有以络合物形式存在的金属，纸张中有无机填充物等。这类物品既用到无机分析，也用到有机分析。还有一些方法对无机物质和有机物质同样有效，如气相色谱法便是其中之一。样品中一氧化碳、二氧化碳、氢、氮、氧、甲烷、乙烯、水气等在同一柱中，在选择的条件下可逐一分离或分组分离。奥萨特气体分析器也是如此，只是分离的原理不同。痕量分析是指样品所含的量极为微少。一般，在样品中含量多的为主要成分,含量少的为次要成分。E.B.桑德尔认为含量在1%0.01%的为次要成分。有人认为在10%0.01%的为次要成分。含量在万分之一(0.01%)以下称为痕量。痕量分析的动向趋于测定愈来愈低的含量，因此出现了超痕量分析，即含量接近或低于一般痕量下限。这名称只是定性的。分析方法的理想条件选择性最高，以至具有专一性,即干扰极少,这样就可以减轻或省略分离步骤；精密度和准确度最高；灵敏度最高，从而少量或痕量组分即可检定和测定；测定范围最广，大量和痕量均能测定；能测定的元素种类和物种最多；方法简便，即最易操作而不需高度技巧；经济实惠，即要求费用少而收益大。但汇集所有优点于一法是办不到的，例如，在重量分析中,如要提高准确度,需要延长分析时间(如用重沉淀法纯化沉淀)。因为化学法测定原子量要求准确到十万分之一，所以最费时间。公元前3世纪,阿基米德在解决叙拉古王喜朗二世的金冕的纯度问题时，即利用了金、银密度之差。这是无伤损分析之先驱。分析方法要力求简便，不仅野外工作(诸如地质普查、化学探矿、环境监测、土壤检测等)需要简便、有效的化学分析方法，室内例行分析工作也如此。因为在不损失所要求之准确度和精度的前提下，简便方法步骤少，这就意味着节省时间、人力和费用。例如，金店收购金首饰时，是将其在试金石板上划一道(科学名称是条纹)，然后从条纹的颜色来决定金的成色。这种条纹法在矿物鉴定中仍然采用。当然，该法不及火试金法或原子吸收光谱法准确，但已能达到鉴定金器之目的。又如,糖尿病人的尿糖量可用特制的含酶试纸进行检验,从试纸的颜色变化估计含糖量的多寡，其方法之简便连患者本人也会使用。另一方面，用原子吸收光谱法虽然也能间接测定尿中含糖量，但因为不经济而没有被采用。分离和富集方法虽然有不少灵敏的和选择性强(甚至专一)的方法,但是如果欲测元素的浓度接近或低于方法的测定下限,则富集仍不可避免。富集方法很多,如升华、挥发、蒸馏、泡沫浮选(见痕量富集)、吸附(用分子筛、活性炭等)、色谱法、共沉淀、共结晶、汞齐作用、选择溶解、溶剂萃取、离子交换等。在检出或测定之前，常常需要使欲测(或检出)物质与干扰物质彼此分离。重要的分离方法有蒸馏、溶剂萃取、离子交换、电渗析、沉淀、电泳等，大都与富集方法相同。富集可认为是提高浓度的分离方法。隐蔽作用(见隐蔽和解蔽)虽不是分离，但其作用使离子失去其正常性质，即令该离子以另一形式存于反应体系中。然而在分析化学中分离之目的无非使干扰离子不再干扰,因此就广义而言,隐蔽及其相反作用解蔽应包括在分离范畴中。在分析化学中采用隐蔽和解蔽作用由来已久。重量分析、光度法、极谱法中均已应用，特别在点滴试验和络合滴定法中使用得更频繁。取样和试样分解取样最重要的要求是有代表性,即取来欲分析的样品须能代表全体。均匀或容易混匀的物质取样自不成问题，气态和液态样品属于这一类。不均匀的固态物质，如矿石和煤炭等应按规定手续取样。否则，分析结果不能代表原物质，徒然浪费人力物力。野外矿石取样多由地质人员进行。所得大样在试验室中由分析人员按一定手续粉碎和缩分到小样。另一方面，有机元素燃烧法分析合成的纯样品则无此问题。样品溶熔是第二步。溶熔包括溶解和熔融，也称分解。有些样品能溶解于水、酸或混合酸、碱，以及有机溶剂中。上述办法不能溶解的，可改用熔剂熔融。熔剂可分碱性(如碳酸钠)、酸性(如硫酸氢钾)、氧化性(如过氧化钠)和还原性的(如硫代硫酸钠)。如果欲分析的成分较易挥发或熔融温度高,对坩埚腐蚀严重,则可改用烧结，即将颗粒表面部分熔化。史密斯法用氯化铵和碳酸钙(1：812)与硅酸盐岩石混合和烧结,以测定其中的碱金属便是一例。有机化合物和生物样品可采用干法或湿法灰化。干法灰化为在充分氧气存在下加热至炭化并逐渐燃烧，或在较低温度用原子氧氧化(低温灰化)。湿法灰化利用氧化性酸(如硝酸、高氯酸、浓硫酸)氧化样品。干法、湿法各有其优缺点，须视样品而定。五，结构化学结构化学首先是一门直接应用多种近代实验手段测定分子静态、动态结构和静态、动态性能的实验科学。它要从各种已知的化学物质的分子构型和运动特征中归纳出物质结构的规律性，还要从理论上说明为什么原子会结合成为分子，为什么原子按一定的量的关系结合成为数目众多的形形色色的分子，以及在分子中原子相互结合的各种作用力方式和分子中原子相对位置的立体化学特征。结构化学还说明某种元素的原子或某种基团在不同的微观化学环境中的价态、电子组态、配位特点等结构特征。另一方面，从结构化学的角度还能阐明物质的各种宏观化学性能(包括化学反应性能)和各种宏观非化学性能(包括各种物理性质和许多新技术应用中的技术性能等)与微观结构之间的关系及其规律性。在这个基础上就有可能不断地运用已知的规律性，设法合成出具有更新颖、结构特点更不寻常的新物质，在化学键理论和实验化学相结合的过程中创立新的结构化学理论。与此同时，还要不断地努力建立新的阐明物质微观结构的物理的和化学的实验方法。量子化学是近代结构化学的主要理论基础。量子化学中的价键理论、分子轨道理论以及配位场理论等，不但能用来阐明物质分子构成和原子的空间排布等特征，而且还用来阐明微观结构和宏观性能之间的联系。由于量子化学计算方法的发展和逐步提高完善，加上高速电子计算机的应用，有关分子及其不同聚集状态的量子化学方法已有可能用于特殊材料的分子设计和制备方法的探索，把结构化学理论推向新的高度。结构化学已成为一门不但与其他化学学科联系密切，而且与生物科学、地质科学、材料科学等各学科的研究相互关联、相互配合、相互促进。由于许多与物质结构有关的化学数据库的建立，结构化学也越来越被农学家和化工工程师所重视。结构化学的研究主要有如下几个方面：新构型化合物的结构化学，尤其是原子簇结构化学和金属有机化合物的结构化学研究比较活跃。这一类研究涉及化学模拟生物固氮等在理论研究上极其重要的课题以及寻找新型高效的工业催化剂等与工农业生产息息相关的应用研究课题。在天然产物的结构化学研究中，天然药物，尤其是具有抗癌活性的有效成分的研究也有可能为人类制服癌症作出重要贡献。蛋白质的空间结构的研究仍然是一个既困难而又有重要理论意义和实际应用价值的课题。稀土元素的结构化学与中国丰富的稀土元素资源的综合利用的关系非常密切。在理论上，它与4f电子的轨道函数相关。有关的研究对于中国稀土工业的发展具有重要的意义。表面结构和表面化学反应的研究与工业生产上的非均相催化反应关系极为密切，有关的研究对于工业催化剂，尤其是合成氨等工业生产用的新型催化剂的研制具有理论指导的作用。激光光谱学和激光化学的研究，对于快速动态结构和快速化学反应动态过程等研究方法的建立有着深远的影响，并且可能导致新的结构化学研究手段的建立。激光作用下的化学反应过程更具有独特之处。结构化学的信息工程的研究能充分利用电子计算机的高速、高效率，充分发挥结构化学数据库的作用，对于新的半经验理论和新的结构化学理论的提出将有重大的影响。有关方法的建立将对于分子设计的实现起着重要的作用。六，高分子化学高分子化学是研究高分子化合物的合成、化学反应、物理化学、物理、加工成型、应用等方面的一门新兴的综合性学科。合成高分子的历史不过80年，所以高分子化学真正成为一门科学还不足六十年，但它的发展非常迅速。目前它的内容已超出化学范围，因此，现在常用高分子科学这一名词来更合逻辑地称呼这门学科。狭义的高分子化学，则是指高分子合成和高分子化学反应。人类实际上从一开始即与高分子有密切关系，自然界的动植物包括人体本身，就是以高分子为主要成分而构成的，这些高分子早已被用作原料来制造生产工具和生活资料。缩合聚合一个缩聚反应生成高分子取决于单体的官能度(单体反应基团的平均数)，官能度至少要等于2，才能生成线性高分子，官能度大于2可能生成支链或交联的高分子。缩聚反应在反应过程中要缩去某些小分子，经常是水，如聚酯及聚酰胺就是这类反应的典型产物。从化学平衡的角度看这些小分子要除去，分子量才能变得大，但是技术上很难达到。故缩聚物的分子量一般在2万，而下面要提及的加聚物的分子量一般在20万。实现缩聚的方法很多，如熔融聚合、溶液聚合、界面缩聚等。加成聚合在反应动力学上与缩合聚合完全不同，加聚反应不生成任何小分子副产物。加聚反应的单体一般是烯烃类的化合物，在引发剂的引发下发生聚合，一般的引发剂为自由基型、离子型及金属络合物等。加聚反应一般分为3个阶段：链引发、链增长、链终止阶段。缩聚和加聚的方法可分别得到两种类型的高分子，缩合型和加成型。值得提及的是缩聚反应亦可制取加聚型的高分子，反之亦然。无论是哪种类型的高分子，如果合成中包括一种单体，那么得到的高分子称之为均聚物。如果