《化学与人类文明》PPT课件.ppt

授课教师：王 杰 Tel: 85968981 E-mail: 浙江大学理学院化学系 无机与材料化学研究所 化 学 与 人类 文 明 绪 论 一、化学的研究对象及任务 1.研究对象：化学是在原子、分子层次 上，研究物质的性质、组 成、结构、能量变化和应 用的科学。 2.课程性质：化学是建立在实验基础上的 科学。是一门中心的、实用 的和创造性的科学。它涉及 存在于自然界的物质，以及 由化学家创造的新物质；它 也涉及自然界的变化，还有 那些由化学家发明创造的新 变化。 无机化学：元素化学；无机合成化学；无机固体 化学；配位化学；生物无机化学；有 机金属化学 等。 有机化学：天然有机；一般有机；有机合成；金 属和非金属有机；物理有机；生物有 机，有机分析。 物理化学：化学热力学；结构化学；化学动力学 以及热、光、电、磁、等离子体、胶 体、表面化学等。 分析化学：分离和富集；化学分析（定性与定量 分析）；仪器以及新技术分析（色、 波、能、磁共振谱等）。 高分子化学：天然高分子；高分子合成；高分子 物理化学；高聚物应用；高分子物理 等。 核化学和放射化学：放射性元素化学；放射分析 化学；辐射化学；同位素化学；核化 学等。 生物化学：一般生物（代谢、酶类）；微生物； 植物；免疫；发酵和生物工程；食 物；禽畜营养；肥料等。 其 他：环境化学、地球化学、海洋化学、 大气化学、宇宙化学、星际化学 、 以及化学工程等。 4.学科任务：一方面，为生产和技术 部门提供尽可能多的新物质、新材 料；另一方面，在与其他自然科学 相互渗透的进程中不断产生新学科 ，并向探索生命科学和宇宙起源的 方向发展。 二、化学学科的形成与发展 首先，化学来源于实践 火是人类改变物质结 构的第一种手段 人类使用火的时间至 少在一百四十二万年前 我们祖先用火的历史是极其悠 久的。在一百八十万年以前，云 南元谋人遗址和山西芮城西候度 遗址中，发现有大量的炭屑、烧 过的哺乳动物的骨骼。据考古学 家的分析研究，认为这都是人类 用火遗迹的证明。 50万年前北京人已经使用天然火 恩格斯说：“火第一次是人支配了一种自然力 ，从而最终把人和动物界分开”。 托马斯库恩 ：“火的使用不仅仅是人和所有其它动物一目了然 的区别。火是人类发现的第一个如何去使用的能源 ，这种能源不是通过人体内的食物和空气所能转化 的。在更新纪的早期，他们不用火就制造了精美的 工具和哺育后代；在更新纪的中期，他们仅会用火 在洞口取暖；在更新纪的晚期，火使他们成了高效 率的动物；在该纪的最后八千年里，他们发现了火 的更多用途，并且烧掉了前所未有的大量燃料。火 已成了他们迅速掌握大自然、征服大自然、部分的 毁坏土地及解决他们现存问题的关键”。 利用火可以烧制陶器 同美索不达米亚、埃 及一样，中国是世界上 最早制作陶器的国家之 一。 随着制陶技术的逐渐成熟，为金属的冶炼（冶铜、炼铁） 、铸造提供了必要的条件（包括冶炼和铸造所需要的高温技术 、耐火材料和造型材料等等）。大约在公元前4000 2000年间 ，人类开始进入奴隶社会时，人们也开始从使用石制工具过渡 到使用金属劳动工具，即从石器时代跨入了金属时代。 人类最早发现的金属是金和铜。金主要作为饰物使 用。纯铜虽然很有用，但是硬度不够，还不能完全代 替石器。经过年的摸索，铜器制造技术发生了 一次飞跃，这次飞跃使人类告别了石器时代。 大约公元前年，生活在美索不达米亚平原南部的 苏美尔人发现，在熔化的铜液中加入少量锡或铅，或同时加 入少量锡和铅，可以大大改善铜的性能，它比纯铜硬度高， 而且色泽更加光亮，做出的工具和武器更加锋利耐用。这种 合金叫做青铜。 进入金属时代，原始的狩猎经济开始让位给农业和 畜牧业，手工业也开始出现。带来的是酿造、鞣革以 及漂染等行业。 这些由天然物质加工改造而成的制品 ，成为古代文明的标志。在这些生产实 践的基础上，萌发了古代化学知识。当 时从事这些劳动的手工业者们就是最早 的实用化学家，也是最早的化学工程师 ；当时的制陶、金属冶炼、酿造等等也 就是最早的化学工业。 化学的第二个来源可以追溯到 古希腊的哲学家们，他们并不从 事实验，而仅仅从事脑力劳动。 他们曾根据物质的某些性质对物 质进行分类，并企图追溯其本源 及其变化规律。 泰勒斯（公元前640-546）认为水是万物之源。把 水蒸发，它就变成空气；而把水（海水）蒸发干之 后，剩下的是土。 阿那克西米尼（Anaximens，公元前588-525）认为 空气是万物之源。 赫拉克利特（Heracleitus，公元前540-480）认为火 是一切事物的初始元素。 恩培多克勒 Empedocles 生卒：前492 前 432年 。据说最后他是跳进爱特拿的火山口而死的， 为的要证明自己是神。 恩培多克勒把前人的学说加以综合，提出了物质的四 元素学说，即火、空气、水和土。按照他的意见，这四 种元素都是物质的，而且有爱和恨的性质，因此它们或 者化合在一起，或者互相排斥或互相消灭（火与水）， 他认为水、火、土和空气为四个独立的元素，每一个自 身是均匀的，是无始无终的，不能彼此变换，但四个可 以各异比例相混合以生成各种物质。 亚里士多德（Aristotle，公元前384-322）的元素 性质学说具有重大意义。 亚里士多德认为四元素不是物质的实体，而只 是某些性质的体现者或某些性质之和。 与此同时，在古希腊，还 产生了物质微粒结构的学说。 这一学说的创始人被认为是留 基帕和他的学生德模克利特。 他们认为：一切物质都是由最小的、不可分 的微粒原子组成的。德模克利特论述原子道： “宇宙的要素是原子和虚空，其他一切只是想象 中存在的东西。原子不受任何能使之发生改变的 外力影响，原子的不变性是由于硬度。原子 是没有性质的各式各样的小物体，而虚空则是一 些空的地方，使原子在其中不断上下运动；或者 一某种方式纠结在一起，或者互相碰撞，弹回， 在这种结合中互相分开又碰到一起。这样原子就 生成其他一些复杂物体，还有我们的身体，我们 的状态。我们的感觉”。 公元前4世纪（相当于春秋战国时 期）或更早，中国提出了阴阳五行学说 ，认为万物是由金、木、水、火、土五 种基本物质组合而成，而五行则是由阴 阳二气相互作用而成的。此说为朴素的 唯物主义自然观，用“阴阳”这个概念来 揭示自然界两种对立和互相消长的物质 势力势认为二者的相互作用是一切自然 现象变化的根源。此说为中国炼丹术的 理论基础之一。 朴素的元素思想，即为物质结构及 变化理论的萌芽。后来在中国出现了炼 丹术，到了公元前2世纪的秦汉时代，炼 丹术已颇为盛行，大致在公元7世纪传到 阿拉伯国家，与古希腊哲学相融合而形 成阿拉伯炼金术，阿拉伯炼金术于中世 纪传入欧洲，形成欧洲炼金术，后逐渐 演进为近代的化学。英文种化学一字（ chemistry）的字根chem，即来源于中 世纪的拉丁文炼金术（alchemia）。 葛洪（283343/363 ）东晋道士，道教学者，炼 丹家，医学家。字稚川，自号抱朴子，丹阳句容（今 属江苏省）人。 此外，中国还相继发明了造纸、 制瓷和火药。 阿拉伯人学会制硫酸、硝酸、王 水、碱和氯化铵等。 至13世纪，已发现碳、金、铜、 银、铁、锡 、锑、汞、铅和砷元素。 十五世纪，德国的瓦伦泰恩提 出金属的“三原素”说，认为金属是 由硫、汞、盐三原素所组成，其中 硫是指颜色，硬度，亲和力，可燃 性；汞指光泽，蒸发性，熔解性， 延展性；盐指凝固性，耐火性等。 十六世纪，化学从金丹时期 逐步进入制药时期，中国以明代 (1596年)李时珍的本草纲目 为标志，西方以瑞士的帕拉塞尔 苏斯为代表，毒剂已用作药物。 帕拉塞尔苏斯企图把医学和炼金术结合起来成 为一种新的医学化学科学或当时称之为医疗化学。 帕拉塞尔苏斯给炼金术下的定义是：把天然的原料 转变成对人类有益的成品的科学。 1661年，化学之父波义耳发表怀疑派化 学家，批判点金术的“元素”观，提出元素定义，“ 把化学确立为科学”，并将当时的定性试验归纳为一 个系统，开始了化学分析。 英国化学家和物理学家罗伯特波义耳（1627 1691年），1627年1月25日，生于爱尔兰的利兹莫尔 堡。1691年，波义耳在伦敦去世，享年六十四岁。 “现在我把元素理解为那 些原始的、简单的、一点也没有 掺杂的物体。元素不能由其它物 体构成，也不能彼此相互形成。 元素是直接构成称为完全混合的 物体的组成的物体分解时最后所 得的最简单的物体。” 德国化学家贝歇尔于 1669 年，提出可燃物至少 含有两种成分，一部分留下，为坚实要素，一部分放 出，为可燃要素，这是燃素说的萌芽 德国普鲁士王的御医、化学家施塔尔总结了燃烧 中的各种现象及各家的观点之后，于1703年更系统地 阐述、发挥了燃素学说。 按照燃素说，火是由无数细小而活泼的微粒构成 的物质实体。这种火的微粒既能同其他元素结合而形 成化合物，也能以游离方式存在。大量游离的火微粒 聚集在一起就形成明显的火焰，它弥散于大气之中便 给人以热的感觉，由这种火微粒构成的火的元素就是 “燃素”。 1777年，近代化学之父法国的拉瓦锡提出燃 烧的氧化学说，指出物质只能在含氧的空气中进行燃 烧，燃烧物重量的增加与空气中失去的氧相等，从而 推翻了全部的燃素说，并正式确立质量守恒原理。 法国化学家拉瓦锡（Lavoisier,A.L.）1743年8月 26日出生于法国巴黎富裕的律师家庭。他岁丧母， 在姨母照料下生活，岁进入当时巴黎著名的马沙兰 学校，以后升入法政大学，1763年获法学学士学位， 并取得律师资格。他的家庭希望他继承父业，然而他对 天文、数学、植物、矿物、化学等自然科学却有深厚的 兴趣。 1765年法国科学院以重奖征求一种使巴 黎路灯既明亮又经济的设计议案岁的拉 瓦锡勇敢地参加了竞赛。他的设计被评为优 秀方案，荣获国王颁发的金质奖章。这项活 动给年轻的拉瓦锡以极大的鼓励，使他决心 投入科学研究的事业。由于他不断地获得研 究成果，展示了出众的才华，于1768年受命 为法国皇家科学院的副会员，年后成为 名正式会员之一，又任年科学院的秘 书长，实际上是科学院的负责人。 拉瓦锡的成就 拉瓦锡对化学的第一个贡献便是从试验的角度 验证并总结了质量守恒定律。拉瓦锡用硫酸和石灰 合成了石膏，当他加热石膏时放出了水蒸气。拉瓦 锡用天平仔细称量了不同温度下石膏失去水蒸气的 质量。他的导师鲁伊勒把失去水蒸气称为“结晶水” ，从此就多了一个化学名词结晶水。这次意外 的成功使拉瓦锡养成了经常使用天平的习惯。由此 ，他总结出质量守恒定律，并成为他进行实验、思 维和计算的基础。 1777年9月5日，拉瓦锡向法国科学 院提交了划时代的燃烧概论，系统 地阐述了燃烧的氧化学说，将燃素说倒 立的化学正立过来。这本书后来被翻译 成多国语言，逐渐扫清了燃素说的影响 。化学自此切断与古代炼丹术的联系， 揭掉神秘和臆测的面纱，取而代之的是 科学实验和定量研究。化学由此也进入 定量化学（即近代化学）时期。 拉瓦锡对化学的第三大贡献是否定 了古典的四元素说和三原素说，建立了 以科学实验为基础的化学元素的概念：“ 如果元素表示构成物质的最简单组分， 那么目前我们可能难以判断什么是元素 ；如果相反，我们把元素与目前化学分 析最后达到的极限概念联系起来，那么 ，我们现在用任何方法都不能再加以分 解的一切物质，对我们来说，就算是元 素了。” 1789年，化学的元素出版， 对元素进行分类，分为气、酸、金、 土四大类，并将“热”和“光”列在无机 界二十三种元素之中 。 1790年左右，提出有机基团论， 认为基团由一群元素结合在一起，作 用象单个元素，它可以单独存在。 1799年，法国分析化学家普鲁斯特发现化合物 分子的定比（定组成）定律，指出一个化合物的组 成不因其制备方法不同而改变。 19世纪初（1803），由约翰道尔顿建立了近代原 子论，突出强调了各种元素的原子的质量为其最基本的 特征，其中量的概念的引入，是与古代原子论的一个主 要区别。近代原子论使当时的化学知识和理论得到了合 理的解释，成为说明化学现象的统一理论。分子假说提 出后，建立了原子分子学说，为物质结构的研究奠定了 基础。 1807年，道尔顿发现倍比定律，即当相同之两元 素可生成两种或两种以上的化会物时，若其中一元素 之重量恒定，则其余一元素在各化合物 中之相对重量 有简单倍数之比。并用氢作为比较标准。 瑞典的化学大师贝采里乌斯用了近二十年的时间 ，在极其简陋的实验室里测定了大约两千种化合物的 化合量，并据此在18141826年的12年里连续发表了 三张原子量表，所列元素多达49种。其中大部分原子 量已接近现代原子量数值，这在当时的历史条件下是 极其难能可贵的。 1869年，俄国化学家门捷列夫发现元素周期律后 ，不仅初步形成了无机化学的体系，并且与原子分子 学说一起形成化学理论体系。 与此同时，许多化学家通过对矿物的分析， 发现了许多新元素，加上对原子分子学说的实验 验证，经典的化学分析方法也有了自己的体系。 草酸和尿素的合成、原子价概念的产生、苯的六 元环结构和碳价键四面体等学说的创立、酒石酸拆分 成旋光异构体，以及分子的不对称性等等的发现，导 致有机化学结构理论的建立，使人们对分子本质的认 识愈益深入，并奠定了有机化学的基础 19世纪下半叶，热力学等物理学理论引入化学之 后，不仅澄清了化学平衡和反应速率的概念，而且可 以定量地判断化学反应中物质转化的方向和条件。相 继建立了溶液理论、电离学说、电化学和化学动力学 的基础理论。物理化学的诞生，把化学从理论上提高 到一个新水平。 进入20世纪，又陆续形成了 高分子化学、核化学和放射化学 、生物化学、环境化学、地球化 学、海洋化学、大气化学以及宇 宙化学、星际化学等等。 中国的近代化学 我国系统地介绍近代化学的基 础知识大约始于19世纪60年代。， 由中国近代化学的先驱者徐寿和 傅兰雅，翻译了西方近代化学书籍 的工作，编辑了化学材料中西名 目表，其中许多化学名词沿用至 今。 京师同文馆成立于1861年，1866年开设化学 课。隶属于总理各国事务衙门 。 徐寿，字雪邨，清嘉庆二十三年正月二十二日（ 年月日）出生于江苏无锡钱桥社岗。 1875年徐寿和傅兰雅在上海创建了格致书院。 张子高，原名张准，字子高，又名张芷皋， 年月日出生于湖北省枝江县董市镇 。 化学家和化学教育家。中国化学史研究的开拓者之 一。 侯德榜，名启荣，号致本，著名科学家，杰出的 化学家、化工专家， 年月日生于福建 省闽侯县 。 王璡，字季梁，祖籍浙江省黄岩县。 年月日出生于福建闽侯县。分析化学家、教育 家。是我国近代分析化学和中国科学史研究的先驱 者之一。 李寿恒，字乔年，年月日出生在 江苏省宜兴县（今宜兴）。化学工程学家、教育家。 他创办了我国第一个化学工程系 三、化学的地位和重要性 1.化学是人类赖以解决食品问题的重要学科之一 2.化学对能源的开发利用起着不可忽视的作用 3.信息技术的高速发展离不开化学的大力支持 4.化学是提高人类生存质量的有效保障 5.化学是材料科学发展的基础 四、化学与人类文明课程的 教学目的 1.1 原子论演化的历程 原子论学说的起源 古典的原子论 近代的原子论 现代的原子论 第一章 化学科学的基石 元素、原子和分子 原子论学说的起源 关于原子论，罗马时期最杰出的地理学家-斯特拉 波（Strabon，约公元前64- 23，）认为腓尼基人墨柯 （Mochos）是古代的“原子观念”的创始者，但关于他 的事，什么也不知道，所以通常一致认为关于原子的 思考始自古希腊人。 希腊哲学家阿那克萨哥拉（Anaxagoras，公元前 498-428）曾说过：物体是无限可分的并保持其特性， 金子有金子的小“种子”构成，肉有小肉构成，但心并 不是由小的心构成，而是由小肉块构成的心的肌肉构 成的。这还不是原子，而是趋向原子的一个阶段。 辩证法的创始人、埃利亚学派的首领芝诺（约 公元前490年公元前425年）认为：物质是连续的，因 为宇宙充满了物质，所以没有运动。 公元前五世纪，春秋末年的墨子经下中，提 出物质最小单位是“端”及物质变化的“五行无常胜”的 观点。 中国战国时，庄子一书中记载有公孙龙提出 的 “一尺之棰，日取其半，万世不竭”的物质无限可分 的观点。 公孙龙的年代，胡适据吕氏春秋所记公孙龙劝 燕昭王偃兵，与赵惠文王论偃兵及战国策所记公 孙龙劝平原君勿受封之事，考定为生于公元前325前 250年间，卒于公元前250年前后（中国哲学史大纲 第207页）。 亚里士多德认为留基帕(Leucippus，公元前500- 440 )是原子学说的真正的创始者。但他的所有著作都 已散失。 亚里士多德说留基帕同埃利亚学派有过像下面这 样的辩论： 埃利亚学派：没有虚空，就没有运 动； 因为没有虚空， 所以就没有运动。 留 基 帕：没有虚空，就没有运 动；因为有运动，所 以有虚空。 亚里士多德说：“留基帕认为他 的理论和感觉是协调的，因为他说 ：严格来说，实在就是绝对的充实 ，但充实并非一个（不可分的整体 ）。恰恰相反，它们有无限多个，因 为太小，所以看不见。这种无限的多 在虚空中运动（因为虚空是存在的） ；它们的联合，造成事物的产生，它 们的分离，造成事物的灭亡。” 古典的原子论 原子唯物论的创立者德谟克里特继承了原子学 说并加以发展。他是一位古代最有名的最敏锐的思想 家，不幸，他的著作除了一些残篇以外均已散失。 他认为宇宙空间中除了原子和虚空之外，什么都 没有。原子一直存在于宇宙之中，它们不能被从无中 创生，也不能被消灭，任何变化都是它们引起的结合 和分离。 原子在数量上是无限的，在形式上是多样的。在 原子的下落运动中，较快和较大的撞击着较小的，产 生侧向运动和旋转运动，从而形成万物并发生着变化 。 伊壁鸠鲁（Epicurus, 公元前341270年）进一步 肯定了原子学说并坚定地认为原子有重量。但他并不 认为原子的运动受各种自然法则的支配。诸原子通过 真空垂直地落下，在不确定时间和不确定的地点发生 “偏斜”从而彼此发生碰撞。这种为伊壁鸠鲁的论敌大 加嘲笑的“偏斜”，有点像现代的测不准理论， 伊壁鸠鲁唯一著名的弟子卢克莱修（Titus Lucretius Carus ，约公元前98公元前55）认为，一切 物质皆由原子组成，无不能生有，有也不能变成无；原 子具有一定的形状、重量，永远处于运动之中，原子结 合的多样性构成物质的多样性，物质的消失不是物质的 消灭，而只是构成物质的原子的分离；原子是永恒的， 宇宙是无限的，是变化和发展着的。 1650年，法国的博学思想家 P.伽桑第(1592-1655)向学术界推 介古希腊原子论哲学，使得原子 论广为传播，也标志着原子学说 的复兴。以牛顿为代表的大多数 科学家都表示支持这种哲学。 近代的原子论 当时,意大利物理学家托利拆利已经用实验证明了 真空可以存在，伽桑第认为原子正是在这种真空中运 动。他用原子的形状和大小说明物质的各种性质：如 热是由微小的圆形原子引起的；冷是带有锋厉棱角的 角锥形原子产生的，所以严寒使人产生刺痛感等等。 波义耳也有类似的观点，他认为构成自然界的 材料是一些细小密集、用物理方法不可分割粒子。 粒子结合成更大的粒子团，是参加化学反应的基本 单位，其大小和形状决定物质的物理性质。 牛顿认为，物质是由一些很小的微粒组成，这些微 粒通过某种力量彼此吸引，当粒子直接接触时，这种力 特别强；粒子间距离小时这种力可以使粒子进行化学反 应；粒子间的距离较大时，这种力则失去作用。 1789年,柏林大學的化學與礦物學教授英國人威廉息 金斯（Higgins，1763-1825）在燃素論與反燃素論觀點 的比較一書中闡述了自己的原子論概念，並宣佈他贊同 拉瓦錫的新觀點。此外，他依據元素的終極粒子具有一定 重量，在化合物中仍然保持不變，因此他推出了定比定律 和倍比定律。按照他的設想，一些元素例如氮等能與另一 元素的不同數目原子相化合。 一直到约翰道尔顿赋予化学元素的原子以固定的 且各不相同的重量以后，原子学说对化学才是富有成效 的。 1803年9月6日，道尔顿在他笔记中写下了原子论的 要点： 1. 原子是组成化学元素的、非常微小的、不可再分 割的物质微粒。在化学反应中原子保持其本来的性质。 2.同一种元素的所有原子的质量以及其他性质完全相 同。不同元素的原子具有不同的质量以及其他性质。原 子的质量是每一种元素的原子的最根本特征。 3.有简单数值比的元素的原子结合时，原子之间就发 生化学反应而生成化合物。化合物的原子称为复杂原子 。 4.一种元素的原子与另一种元素的原子化合时，他们 之间成简单的数值比。 道尔顿认为同种物质的原子，其形状、大小、质量 都是相同的；不同物质的原子，其形状、大小、质量都 是不同的。他写到：“我认为不同气体之质点的大小必 然各异。因为一体积氮与一体积氧化合，则生成二体积 的氧化氮，此二体积中氧化氮的原子总数，不能多于一 体积氧或氮所含有的原子数。因此，氧化氮原子必较氧 、氮原子为大。”在这段话中隐含着化学反应中原子不 能再分的观点。 19世纪末，放射性、电子以及X射线的发现， 向道尔顿“原子不可再分”的思想提出了挑战。实 际上，近代的原子结构理论是建立在电子的发现 和放射性的各种事实的基础上的。 1858年，普吕柯尔想到将磁铁靠近“真空”管， 看看放电会 发生什么情况。普吕柯尔是一位德国数 学家，拓扑学家，在他的后期生涯中成为 波恩大学 的一位物理学教授。他对磁与气体放电间的关系发生 了兴趣。 当普吕柯尔将磁铁放近他制造的真空管时，他注 意到放电的一些偏转。在1859年，他报道说 在玻璃管 中靠近阴极的地方看见了亮绿色磷光，可以用磁铁使 磷光斑改变位置。然而，因为 他的真空度太低而不能 作进一步的研究。 普吕柯尔首先发现了低压下气体放电所产生的阴 极射线。接着，希托夫(1869) 克鲁克斯(1876) J.J 汤姆逊等都对它进行研究。 普吕克尔早期的学生希托夫在1869年发现，如果 把各种形状的固体放在阴极和发萤光的玻璃壁之间， 物体的影子就明显地映在管壁上，他由此推断射线是 直线传播的。 1871年德国物理学家哥尔德斯坦（EGoldstein） 观察到，这种射线与阴极所用材料无关，而且还能引 起化学反应。他把普吕克尔发现的这种射线命名为“ 阴极射线”。 1876年，英国皇家学会会员化学家兼物理学家 威廉克鲁克斯开始了阴极射线的试验研究 。 克鲁克斯认为:“由此可见，阴极射线根本不是光线， 而是一种带电的原子。否则，它们怎么会受到磁场的影响 呢? ” 由此，对阴极射线的本质有了两种完全不同的概念 ，德国物理学家认为阴极射线像普通的光线一样是以太 中的波动，以克鲁克斯为代表的在英国物理学家中流行 另一种观点，认为阴极射线是由阴极发射的带负电的粒 子所组成。 1889年德国物理学家勒纳（Philipp Lenard ）受老 师赫兹(Heinrich Hertz )教授的启发:阴极射线能够穿过 置于放电管内的金属筒。做了一个特制的玻璃放电管 ，管子末端用铝片封口，他发现阴极射线能够穿过铝 片继续在管外的空气中行进。实验表明，从铝窗发出 的射线和放电管内的射线具有相同的性质，即它们都 能激发荧光，都可被磁铁偏转等等。 有关阴极射线的谜引起了著名的卡文迪什试验室 主任汤姆逊（Joseph John Thomson，1856-1940）的 浓厚兴趣。 他认为更重要的是应该设法测出阴极射线中那些原 子的质量。 Thomson的阴极射线实验 汤姆逊实验证明了每个阴极射线粒子的荷 质比都是一样的 汤姆逊巧妙地将电场和磁场结合起来，首先测出了阴极射 线的速度，并进一步测量出了阴极射线中带负电的“原子”所携 带的电荷量和它的质量的比值，称为“荷质比”。并利用英国物 理学家威尔逊（Charles Thomson Rees Wilson）发明的云室， 最终确定了阴极射线粒子“电子”的存在。 电子的发现动摇了原子不可再分的千古定论，使人们立即产生 了原子中必然还有其它粒子的想法。因为物质的分子或原子都呈中 性，既然在原子中发现了带负电的电子，说明原子内部一定还有一 部分带正电的粒子。这种认识正是物质世界自身的对立统一法则在 人们头脑中的反映，人们用这种认识去构思原子世界的图像，产生 了几种原子结构模型：1904年，汤姆逊根据元素化学性质的周期性 ，反复推敲出了一个“葡萄干蛋糕式”的原子模型。他认为，原子里 带正电的部分是均匀地分布在整个原子球体之中的，而带负电的电 子则在这个球体之中运动，就像一块蛋糕里夹着一些葡萄干一样。 1906年，卢瑟夫为了验证老师汤姆逊的模型而进 行了著名的粒子散射实验，并建立了一个有核原子结 构模型,这个模型就像一个微型的“太阳系”：原子核象 太阳 ,电子则象行星。 Rutherford的粒子散射实验 Rutherford的有核原子模型 原子中有一个极小的核，它几 乎集中了原子全部质量 带有正电荷，有电子在核外运 动，是一个相对永恒的体系 Rutherford有核原子模型的缺陷 电子不断发射能量，自身能量会不断减少，电子运 动的轨道半径也将逐渐缩小，电子很快就会落在原子 核上，即有核原子模型所表示的原子是一个不稳定的 体系。 电子自身能量逐渐减少，电子绕核旋转的频率也电子自身能量逐渐减少，电子绕核旋转的频率也 要逐渐地改变。根据经典电磁理论，辐射电磁波的要逐渐地改变。根据经典电磁理论，辐射电磁波的 频率将随着旋转频率的改变而逐渐变化，因而原子频率将随着旋转频率的改变而逐渐变化，因而原子 发射的光谱应是连续光谱。发射的光谱应是连续光谱。 事实上，原子是稳定存在的而且原子光谱不是连事实上，原子是稳定存在的而且原子光谱不是连 续光谱而是线状光谱。这些矛盾是经典理论所不能续光谱而是线状光谱。这些矛盾是经典理论所不能 解释的。解释的。 氢原子光谱实验 氢光谱各谱线与轨道能级的关系 不连续的线状光谱，呈多条特征谱线 从红外到紫外，谱线间距离越来越小，即波 长愈短，能量亦愈高 矛盾集中到或是经典理论有问题，或是卢瑟福假设 的模型错了。正当卢瑟福苦苦思索的时候，玻尔鉴于原 子光谱的不连续性和量子假说的成就，敏锐地找到了突 破口，认识到普朗克的量子概念可能和物质的原子结构 问题有决定性的关系。他创造性地把能量量子化的条件 加到卢瑟福的原子模型上。 1900年，普朗克为了克服经典物理学对黑体辐射 现象解释上的困难，创立了物质辐射（或吸收）的能 量只能是某一最小能量单位（能量量子）的整数倍的 假说，即量子假说。于1918年获得诺贝尔物理学奖金 Bohr提出的原子结构假说 原子中的电子只能在符合一定量子化条件的轨道 上绕核运动 电子在一个给定的轨道上运动时，不吸收也不放 出能量。在不同轨道上有不同能量，组成原子能 级。轨道离核愈远，能量愈高。原子所处的稳定 状态称为基态 当原子从外界获得能量时，电子可以跃迁，此时 原子的状态称为激发态 玻尔理论成功地解释了氢光谱产生的原因和规律性。 根据玻尔理论,通常情况下,氢原子的电子在特定的稳定轨 道上运动,这时它不会放出能量。因此,在通常的条件下氢 原子是不会发光的,同时氢原子也不会发生自发毁灭的现 象。但是,当氢原子受到放电等能量激发时,核外电子获得 能量从基态跃迁到激发态。处于激发态的电子极不稳定, 它会迅速地回到能量较低的轨道,并以光子的形式放出能 量。放出光子的频率大小决定于电子跃迁时两个轨道能量 之差,即 hv = E = E2 E1 E2 和E1分别表示高能级和低能级能量。由于轨道的能量 是量子化的,所以放出的光子的频率是不连续的。氢光谱 是线状光谱,其原因就在于此。 Bohr假设的成功与失败 虽然波尔假说成功的解释了氢光谱产生的原因和 规律性。但其原子模型却失败了。在精密的 分光镜 下观察氢光谱,发现每一条谱线均分裂为几条波长相 差甚微的谱线。在磁场内,各谱线还可以分裂为几条 谱线。波尔理论对这种光谱的精细结构无法解释。 同时波尔理论也不能解释多电子原子、分子和固体 的光谱。其原因在于这个理论未能完全冲破经典物理 的束缚，只是在经典力学连续性概念基础上人为加上 一些量子化条件，而没有考虑到电子的运动根本不遵 守经典物理学中的力学定律。 现代的原子论 波粒二象性 波函数与原子轨道 Pauling原子轨道的能级图 核外电子排布 二十世纪初，普朗克和爱因斯坦提出了光的量子 学说。1921年，爱因斯坦因为 “光的波粒二象性”这 一成就而获得了诺贝尔物理学奖。 1924年，德布罗意在题为量子理论研究的博士 论文中，系统地阐述了他在相波理论，提出了电子的 波粒二象性理论。并于同年11月27日在佩兰的主持下 通过了博士论文答辩。 电子的波粒二象性 m : 电子的质量 h : 普朗克常数 p : 电子的动量 v : 电子的速度 这种波称为物质波，亦称为德布罗意 波。 电子的波粒二象性 二象性是微观粒子的运动特点 电子不仅是具有一定质量、高速度的带电粒子，而 且还能呈现波动的特性 波粒二象性是微观粒子的运动特征，因而描述微粒 的运动要用量子力学 揭示光的波粒二象性的公式 两式中，左边的E和P是表征粒子性的物理量，右边 的v和是表征波动性的物理量，这两种性质通过普朗 克常数h定量的联系起来，解释了二象性的本质。 海森堡测不准原理 在经典力学中，我们能准确的同时测定一个宏观物在经典力学中，我们能准确的同时测定一个宏观物 体的体的位置位置和和动量动量 电子质量极小速度极高电子质量极小速度极高 粒子在某一方向上位置的不准确量和在此方向上粒子在某一方向上位置的不准确量和在此方向上 动量的不准确量的乘积一定大于或等于动量的不准确量的乘积一定大于或等于 波函数 E体系的总能量 V体系的势能 m粒子的质量 h普朗克常数 波函数是量子力学中描述核外电子在空间中的 运动状态的数学函数式，一定的波函数表示电子的 一种运动状态。借用经典力学中轨道的概念，把波 函数叫做原子轨道。 鲍林原子轨道的能级图 根据光谱实验的结果，提出了多电子原子中原子 轨道的近似能级图。图中的能级顺序是指价电子 层中填入电子时各能级能量的相对高低。 鲍林原子轨道的能级图 鲍林 (19011995) K L M N O P Q 核外电子排布规则 能量最低原理：多电子原子在基态时，核外电子总是 尽可能分布到能量最低的轨道。电子离核越近，能量 越低。一个原子轨道中容纳电子数目是有限的。 Pauli不相容原理： 在同一原子中，没有四个量子数(n, l , m ,ms)完全 对应相同的电子,或者说,在同一原子中没有运动状态 完全相同的电子 洪特(Hund)规则： 电子分布到能量相同的等价轨道时，总是尽先 以自旋相同的方向，单独占据能量相同的轨道。或 者说在等价轨道中，自旋相同的单电子越多，体系 就越稳定 上述科学家的工作奠定了现代原子结构理论的基 础。 实际上, 有关原子结构的研究和争论从来就没有 停止过 1913年，居里夫人在布鲁塞尔国际科学会议上 提出：原子核应由带正电的粒子和电子所构成。这 个设想能够解释放射性物质既能放出粒子又能放出 射线的事实。 1914年，卢瑟福对质子的发现促使 当时的物理学家接受原子核结构的“质子-电子“模型 。 1924年奥地利的物理学家W泡利提出的“核自 旋”的概念使“质子电子”模型受到严重的挑战。人 们转而注意1920年卢瑟福提出的设想。卢瑟福在第 二次贝克讲座中提出可能存在质量和质子相仿的中 性粒子。 1928年，德国的物理学家W玻特和他的学生H贝 尔用钋粒子轰击铍靶发现了一种具有很强穿透能力的 辐射，甚至几厘米厚的铅板都能穿透，并认为这种辐射是 射线。 约里奥居里和他的妻子伊伦居里对玻特的实 验很感兴趣，用他们的超强钋样品研究了玻特的穿透辐射 ，于1932年1月28日报告了一项意想不到的重大的观察结 果：这种辐射能使石蜡层放出质子。 居里夫妇的研究结果引起了卢瑟福实验室的密切 关注。卢瑟福的年轻学生，英国的物理学家J查德威 克（James chaelwick 1891-1974）把约里奥居里夫妇 1月18日的报告内容告诉了卢瑟福 海森伯在得知查德威克的发现后，立即提出“质子 中子”模型代替了“质子电子”的模型。这样，人类 才正确认识到原子核是由质子和中子组成的 。 一个欧洲研究小组首次成功使用阿秒激光脉冲 观测分子里的电子运动。相关研究发表在2010年6月 10日出版的自然(Nature)杂志上。 有关电子的最新研究进展 为理解化学反应，科学家必须知道分子中电子 的行为。但由于电子运动速度太快，一直以来，观 测电子始终遭遇技术瓶颈。现在，德国慕尼黑加尔 欣马普量子光学研究所下属的一个由多国成员组成 研究小组在阿秒激光脉冲的帮助下攻克了这一难题 。 20世纪80年代以来，科学家借助飞秒激 光帮助研究分子和原子（1飞秒=10-15秒）； 然而，飞秒激光可以追踪到原子和分子的运 动，却跟不上电子的运动。而1阿秒是10-18秒 ，在1阿秒内光只走不到百万分之一毫米，也 只有阿秒级激光才能“赶上”分子内的电子 。为产生这样短的激光脉冲，物理学家付出 了巨大的努力，直到2001年，研究人员才首 次成功研发出脉冲长度为250阿秒的激光脉冲 。现在，科学家终于成功用阿秒激光拍摄出 了分子内“电子运动”的系列照片。 明书评 1961年，盖尔曼根据他提出的理论预言有两个新粒 子存在，3年后这两个粒子被实验发现了，这使盖尔曼 声誉大振。接着，为了对日益增多的“基本”粒子进行分 类，并进一步深入了解基本粒子的性质，盖尔曼破天荒 地假定存在一些带有分数电荷的粒子，他称它们为“夸 克”（quark），并认为夸克共有6种。 据统计，科学家已经发现了300多种基本粒子，科学家们 把它们分成了四个大家族： （1）夸克家族。它一共包括6种不同类型的夸克，它们是 组成原子核或亚核粒子的最小微粒。 （2） 轻子家族。它一共包括6种不同类型的轻子。我们熟悉 的电子就是轻子家族的一员。 （3） 传递力的粒子家族。其中有传递强力或核力的胶子， 传递电磁力的光子和传递弱力的中间玻色子和Z粒子。 （4） 反粒子家族。它是指对于夸克和轻子中每一种粒子都有 相对应的反粒子，反粒子的特点是与原粒子的质量相同，但所 带的电荷相反。 这些基本粒子，是不是物质世 界“最基本”的微粒呢？科学家的回 答是否定的，他们还在继续探索， 不久的将来，人类的研究将进入更 小的微观世界。 1.2 元素的起源与合成 自从1803年10月21日，在曼彻斯特的“文学和哲学 学会”上，道尔顿第一次阐述了他关于原子与元素的 关系：“元素（单质）的最终粒子称为简单原子，它 们极其微小，是看不见的，是既不能创造，也不能毁 灭和不可再分割的。它们在一切化学反应中保持其本 性不变”。元素与原子的理论从此便统一在一起。 元素的起源 元素是组成物质的基本要素，因此，它的起 源与物质以及宇宙的起源是密不可分的！ 年，比利时天文学家和宇宙学家勒梅特 （ Lemaitre. Georges） ( 1894.7.17 - 1966.6.20 ) 提出，由 于宇宙一直在膨胀，所以它在过去某一时刻体积会非常 小而密度非常大，这东西被勒梅特称为宇宙蛋 。最初宇 宙的物质就集中在这个超原子的“宇宙蛋”里，在一次无 与伦比的大爆炸中分裂成无数碎片，形成了今天的宇宙 。 勒梅特 (Lemaitre, Georges .1894.7.17 - 1966.6.20 ) 比利时天 文学家和宇宙学家。他提出现代大爆炸理论。该理论认为宇宙开 始于一 个小的原始“超原子”的灾变性爆炸。第一次世界大战期间，他作 为土木工程师在比利时军队中担任炮兵军官。战后进入神学院并 于1923年接受神职，担任司铎。1923-1924年间在剑桥大学太阳 物理实验室学习，后到美国麻省理工学院学习,在那里他了解了 美国天文学家E.P.哈勃的发现和H.沙普利有关宇宙膨胀的研究。 在1927年任卢万大学天体物理学教授时,他提出宇宙大爆炸理论 ，用这一理论，星系的退行可在爱因斯坦广义相对论框架内得到 解释。 1932年勒梅特又进一步提出原始原子爆炸起源的理论。 他认为 放射性是物质的一种普遍属性，化学元素要么是放射性元素，要么 是放射性变化的产物。 铀的平均寿命是40亿年，而铀本身很可能就 是某个原始原子蜕变的产物，当然这个原始原子早已蜕变光了。所 以他说：天体演化的最简单的出发点不再是或多或少均匀的星云了 ，而应该是一个单独的原子。 1946年俄裔美国物理学家伽莫夫根据恒星热核反应理论，发 展了勒梅特的宇宙膨胀理论，提出大爆炸宇宙模型。他认为，宇 宙始于一次大爆炸，在最初几分钟内温度达到100亿度，物质仅由 质子、中子和电子组成，密度极高，它们就是“物元”。随着宇宙 不断膨胀，原始物质的温度与密度都不断下降，在100亿度以下， 中子失去了自由存在的条件，质子与中子开始聚合为氚、氘、氦 以及更重一些的元素。在最初半小时内，各种化学元素形成。当 温度下降到几千度时，气态物质逐渐形成星云，以后又凝聚成亿 万颗恒星、行星、元素乃至生命，都是在这种不断膨胀冷却的过 程中逐渐形成的。 1951年，美国科学家尤里首先发表了元素在宇宙 间的分布数据， 1956年进一步修订后，尤里又作了一 张元素在宇宙间的分布曲线图。概括地说，宇宙间的 元素以氢为最多，其次是氦，再次为碳、氮、氧，并 且随原子量的增加而迅速减少，但到了铁时有一个突 然增多，而比铁更重的元素则又是逐渐减少。 哈罗德克莱顿尤里，美国宇宙化学家、物理学 家。1893年4月29日生于美国印第安纳州的沃克顿。二 十年代即开始研究氢的同位素氘，并因此获得1934年 诺贝尔化学奖。二战期间，因其对铀同位素分离的研 究而成为美国发展原子弹的关键人物。1952年发表 行星的起源和发展一书，首先提出了元素的起源及 其在太阳和其它行星中丰度的理论，对地球和其它行 星起源的理论研究作出了重要贡献。 1957年，由Burbidge夫妇、Fowler和Hoyle共同提出 元素起源的宇宙大爆炸理论（简称B2FH学说）。他们认 为：原始宇宙是完全由中子组成的非常炽热，非常稠密的 大火球。后来，宇宙开始膨胀并变冷，这时中子蜕变为质 子和电子。这种由中子，质子和电子组成的原始物质名叫 “太素”（Yelm）。当原始宇宙温度下降到109-1010k时，原 始物质开始结合成氘和氦（当然绝大部分还是氢），这是 原始的星际物质。 根据B2FH理论，星际物质收缩形成原始恒星时，其内部温 度升到7106K以上时，氢的核聚变开始，核反应的辐射膨胀与 恒星的引力收缩相抵制，恒星发光并进入相对稳定状态，这时 恒星内部的核聚变有质子-质子循环和碳氮循环两种。这是恒 星氢燃烧阶段，一般可稳定进行100万100亿年。我们的太阳 已进行了约46亿年，估计还将继续50亿年。这一阶段在恒星核 心生成氦，同时还有一些碳、氮、氧等元素的形成。 B2FH理论认为随着恒星的形成、演化和衰亡的过 程，在恒星的核心分阶段地生成了由轻到重的各种元素 。 宇宙学家认为：当一个星球主要由氢、氧类化学性 质不稳定的元素构成时，星球的原子核反应剧烈，这个 星球就处在天体演变的初期-恒星阶段；当一个星球中硅 、铁类化学性质稳定的元素所占比例变得较大时，原子 核反应逐渐变弱，便处在天体演变的后期-行星阶段。行 星正是由恒星演变形成的。 目前，已知的在自然界天然存在的元素只有91种 ，其它必须在实验室通过人工制备。 地球上某些元素如碳、铁、铜、金、锡、锑、汞 和铅已知并使用了数千年，其发现的日期难以确定。 1250年，德国炼丹家阿尔伯特麦格那斯（ Albertus Magnus）发现砷（As） 1669年，德国炼金家汉尼格布兰德（Hennig Brand）在尿中发现磷（P） 1739年，瑞典人乔治布兰特（Georg Brandt） 发现钴（Co） 至1937（亦说1939）年，由法国化学家马格丽特 珀雷（Marguerite Perey）在天然条件下发现迄今为 止的最后一种元素钫（Fr），累计发现元素89种。 元素的合成 1903年，英国著名的物理学家卢瑟福和化学家索 迪合作，提出了具有革命意义的元素蜕变理论放 射性的产生是由于原子本身分裂而变成另外一种元素 引起的，从而彻底推翻了道尔顿原子学说中关于元素 和原子不可分割和不可转化的概念。 1919年，卢瑟福用粒子（氦核）轰击氮靶时，从 反应中可以看到，氮核被粒子轰击后，能够生成氧的 同位素氧17和质子。成功地实现了人类有史以来第一 次人工核反应（核蜕变）。 1937年，美国人西格雷和意大利人卡罗皮瑞尔（ Carlo Perrier）在意大利，分析由伯克利的加利福尼 亚大学的回旋加速器中用氘核轰击钼元素得到的样品 时，获取新元素锝（Tc）。 1938-1940年，人工合成了锝、钷、砹3种元素，使人 类发现的元素达92种，正好填满门捷列夫周期系。1940年 ，人工合成地球上自然界中当时尚未找到的最初2种新元 素(铀后元素)镎和钚。1945-1955年，又合成了7个铀后元 素镅、锔、锫、锎、锿、镄和钔，1955年以后，则合成了 锘和铹，并初步预见到104-107号元素可能具有的某些特 征。 从1739年至今的264年间，人类平均每10年发现的 元素还不足4种，而自1937年以来，人类在天然条件下 再也没有发现过新的元素，只是通过人工的方法，合成 了约20多种在自然条件下转瞬即逝的“人造元素”。 1.3 化学元素的指南针元素周期表 元素周期律的发现 1869年，俄国化学家门捷列夫在总结前人工作和他本人大 量科学实践的基础上，提出“元素的性质随着原子量的递增而呈 现周期性的变化”的规律，这就是元素周期律。从而为化学科学 的近代发展奠定了基础。 德米特里伊万诺维奇门捷列夫生于一八三四年二月七日 俄国西伯利亚的托波尔斯克市。除完成周期律这个勋业外，还 研究过气体定律、气象学、石油工业、农业化学、无烟火药、 度量衡等。 元素周期表是化学元素周期律的具体表现，是化学元素性质 的总结，它把一百多种元素依照原子序数按周期和族类排列出来 ，使得数以百万计的化学物质及其错综复杂的化学现象的研究找 到了头绪。它不仅反映了化学元素的自然分类，同时为人类认识 自然界提供了一个重要工具。 元素周期表的变迁 1829年，德国的化学家德贝莱纳（JWDobereiner，1780 1849）首先敏锐地察觉到已知元素所表露的这种内在关系的端 倪：某三种化学性质相近的元素，