第四讲 无机化学的发展.ppt

第四讲无机化学发展史 化学科学是最古老和涉及范围最广的学科之一 积累了大量人类的知识 具有广阔的发展前景 尽管各化学学科之间的界限不是很分明 而且各学科之间彼此交叉 由于研究方法目标和目的不同 有必要将化学进行分类 按传统分类 可将化学分为四大分支 无机化学 有机化学 物理化学和分析化学 无机化学是研究无机物质的组成 性质 结构和反应的科学 它是化学中最古老的分支学科 无机物质包括所有化学元素和它们的化合物 不过大部分的碳化合物除外 除二氧化碳 一氧化碳 二硫化碳 碳酸盐等简单的碳化合物仍属无机物质外 其余均属于有机物质 无机化学的内容为化学的基本原理 化学元素的性质和相关的化学反应 迄今 化学元素已经发展为110多种 元素的起源和发现无机化学起源于古代 在人类早期历史中 经典的实验带动了新材料的缓慢发展 古代文明的标志是玻璃和陶器的制造 通过减少或增加空气的比例 可以使陶器呈现黑色或红色 到了公元500年 不同颜色的釉面和颜色的结合已经达到炉火纯青的地步 这些发展均可视为无机化学的起源 为获取有用的信息 不妨回顾一下元素的发现历史 我们在下表中 也许会得到某种启发 元素的起源和发现 各元素是随着年代时间的推移而逐步发现的 1750年之前 对 化学 发展的促进 主要为中国和印度 化学的发展十分缓慢 1750年之后 由于进行了大量有目的的研究 现代化学的基本理念已经形成 1750年至1950年 在化学的理论和技术也得到了长足的进步的同时 发现了大量的新元素 如 18世纪 气体研究 19世纪初 活泼金属的电解法制备 以及在5年之中对于稀有气体的识别 1940年后的十年 发现新元素的步伐缓慢下来 因为此时已达到 没有新的世界可以去占领 直至铀的所有元素已经全部发现 此时 人们的研究热点转向超铀元素的合成 元素的起源和发现 原始人类即能辨别自然界存在的无机物质的性质而加以利用 后来偶然发现自然物质能变化成性质不同的新物质 于是加以仿效 这就是古代化学工艺的开始 如至少在公元前6000年 中国原始人即知烧粘土制陶器 并逐渐发展为彩陶 白陶 釉陶和瓷器 公元前5000年左右 人类发现天然铜性质坚韧 用作器具不易破损 后又观察到铜矿石如孔雀石 碱式碳酸铜 与燃炽的木炭接触而被分解为氧化铜 进而被还原为金属铜 经过反复观察和试验 终于掌握以木炭还原铜矿石的炼铜技术 以后又陆续掌握炼锡 炼锌 炼镍等技术 中国在春秋战国时代即掌握了从铁矿冶铁和由铁炼钢的技术 公元前2世纪中国发现铁能与铜化合物溶液反应产生铜 这个反应成为后来生产铜的方法之一 元素的起源和发现 化合物方面 在公元前17世纪的殷商时代即知食盐 氯化钠 是调味品 苦盐 氢化镁 的味苦 公元前五世纪已有琉璃 聚硅酸盐 器皿 公元七世纪 中国即有焰硝 硝酸钾 硫黄和木炭做成火药的记载 明朝宋应星在1637年刊行的 天工开物 中详细记述了中国古代手工业技术 其中有陶瓷器 铜 钢铁 食盐 焰硝 石灰 红矾 黄矾 等几十种无机物的生产过程 由此可见 在化学科学建立前 人类已掌握了大量无机化学的知识和技术 古代的炼丹术是化学科学的先驱 炼丹术就是企图将丹砂 硫化汞 之类药剂变成黄金 并炼制出长生不老之丹的方术 中国金丹术始于公元前2 3世纪的秦汉时代 元素的起源和发现 公元142年中国金丹家魏伯阳所著的 周易参同契 是世界上最古的论述金丹术的书 约在360年有葛洪著的 抱朴子 这两本书记载了60多种无机物和它们的许多变化 约在公元8世纪 欧洲金丹术兴起 后来欧洲的金丹术逐渐演进为近代的化学科学 而中国的金丹术则未能进一步演进 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 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 由于最初化学所研究的多为无机物 所以近代无机化学的建立就标志着近代化学的创始 建立近代化学贡献最大的化学家有三人 即英国的玻意耳 法国的拉瓦锡和英国的道尔顿 元素的起源和发现 玻意耳在化学方面进行过很多实验 如磷 氢的制备 金属在酸中的溶解以及硫 氢等物的燃烧 他从实验结果阐述了元素和化合物的区别 提出元素是一种不能分出其他物质的物质 这些新概念和新观点 把化学这门科学的研究引上了正确的路线 对建立近代化学作出了卓越的贡献 拉瓦锡采用天平作为研究物质变化的重要工具 进行了硫 磷的燃烧 锡 汞等金属在空气中加热的定量实验 确立了物质的燃烧是氧化作用的正确概念 推翻了盛行百年之久的燃素说 拉瓦锡在大量定量实验的基础上 于1774年提出质量守恒定律 即在化学变化中 物质的质量不变 1789年 在他所著的 化学概要 中 提出第一个化学元素分类表和新的化学命名法 并运用正确的定量观点 叙述当时的化学知识 从而奠定了近代化学的基础 由于拉瓦锡的提倡 天平开始普遍应用于化合物组成和变化的研究 元素的起源和发现 1799年 法国化学家普鲁斯特归纳化合物组成测定的结果 提出定比定律 即每个化合物中各组分元素的重量 皆有一定比例 结合质量守恒定律 1803年道尔顿提出原子学说 宣布一切元素都是由不能再分割 不能毁灭的称为原子的微粒所组成 并从这个学说引伸出倍比定律 即如果两种元素化合成几种不同的化合物 则在这些化合物中 与一定重量的甲元素化合的乙元素的重量必互成简单的整数比 这个推论得到定量实验结果的充分印证 原子学说建立后 化学这门科学开始宣告成立 19世纪30年代 已知的元素已达60多种 俄国化学家门捷列夫研究了这些元素的性质 在1869年提出元素周期律 元素的性质随着元素原子量的增加呈周期性的变化 元素的起源和发现 这个定律揭示了化学元素的自然系统分类 元素周期表就是根据周期律将化学元素按周期和族类排列的 周期律对于无机化学的研究 应用起了极为重要的作用 目前已知的元素共109种 其中94种存在于自然界 15种是人造的 代表化学元素的符号大都是拉丁文名称缩写 中文名称有些是中国自古以来就熟知的元素 如金 铝 铜 铁 锡 硫 砷 磷等 有些是由外文音译的 如钠 锰 铀 氦等 也有按意新创的 如氢 轻的气 溴 臭的水 铂 白色的金 同时也是外文名字的译音 等 周期律对化学的发展起着重大的推动作用 根据周期律 门捷列夫曾预言当时尚未发现的元素的存在和性质 周期律还指导了对元素及其化合物性质的系统研究 成为现代物质结构理论发展的基础 系统无机化学一般就是指按周期分类对元素及其化合物的性质 结构及其反应所进行的叙述和讨论 元素的起源和发现 19世纪末的一系列发现 开创了现代无机化学 1895年伦琴发现X射线 1896年贝克勒尔发现铀的放射性 1897年汤姆逊发现电子 1898年 居里夫妇发现钋和镭的放射性 20世纪初卢瑟福和玻尔提出原子是由原子核和电子所组成的结构模型 改变了道尔顿原子学说的原子不可再分的观念 1916年科塞尔提出电价键理论 路易斯提出共价键理论 圆满地解释了元素的原子价和化合物的结构等问题 1924年 德布罗意提出电子等物质微粒具有波粒二象性的理论 1926年 薛定谔建立微粒运动的波动方程 次年 海特勒和伦敦应用量子力学处理氢分子 证明在氢分子中的两个氢核间 电子几率密度有显著的集中 从而提出了化学键的现代观点 此后 经过几方面的工作 发展成为化学键的价键理论 分子轨道理论和配位场理论 这三个基本理论是现代无机化学的理论基础 元素的起源和发现 无机化学学科是随着元素发现而逐步发展起来的 因而可以说 在科学发展进程中 无机化学是化学学科的鼻祖 并且 许多基于无机化学方面的工作 导致化学基础理论的形成 最基础的理论之一是物质的量的计算 可以通过不同的途径合成出组成相同的化合物 如氧化物的制备途径 1 金属在空气中加热 2 碳酸盐加热分解 3 从溶液中沉淀得到氢氧化物 加热脱水等 在以上一系列变化中 不管途径如何 得到产物的分子式不变 要符合道尔顿原子理论的 组成恒定 法则 而且 在各变化过程中 可以准确计算各物质的量 无机化学的发展历史 在19世纪的前50年 不仅发现了半数以上的元素 而且进行了这些元素简单化合物性质的研究 如 1800年左右 人们经过探索研究 发现了NCl3的强爆炸性质和HF的强腐蚀性 而那时 尽管牛奶和血液研究被普遍重视 直至1820年 也只有少数的有机化合物为人们所知 更谈不上有机化学理论的发展了 到了19世纪中期 是有机化学的光谱研究的热点时期 而在1900年左右 物理化学方面的探索成为新的研究高潮 相比而言 将近一个世纪 人们忽略了无机化学的研究 随后 元素周期表形成 放射化学开展 非水溶剂和过渡金属化合物研究等 标志着现代无机化学阶段的开始 无机化学的发展历史 1930年 现代无机化学成为人们新的研究热点 典型的代表研究为 变形的价键理论 乙硼烷的氢桥键 硅的研究 过渡金属配合物化学 非水溶剂 放射化学 同时 发展了现代无机化学的理论 并应用于解决化学中的疑难问 这些理论包括 建立于波动性质之上的基本粒子发现和原子结构 衍生出现代无机化学的价键理论和分子结构理论 以及过渡金属配合物中的晶体场理论等 无机化学的发展历史 以上研究奠定了现代无机化学的基础 并拓宽了现代无机化学的领域 鉴于人们对于理论和实验科学体系的研究要求和新材料的生产应用需求 以及对从前研究甚少的元素性质的了解渴望 刺激无机化学研究进入了一个崭新的时代 近代发展始于1950年 此时 对于原子能量的研究 集中于过渡金属元素和镧系元素 发现了Zr 锆 和Hf 铪 的化学性质的相似性和中子吸收性质的不同 电子工业和随之而来的计算机行业的发展 促进了为人鲜知的半导体材料 Ga Ge In和Se 的发展 另外一个显著特点是 在相关行业中造就了大批人才 包括科学家和技术人员 无机化学的发展历史 在过去的近50年中 人们对于新方法 新理论 新领域 如金属在生物体系的发展 新材料 新催化剂 高产出和低污染等的追求 强力促进了无机化学的发展 以致于在周期表中非稳定的Tc 锝 也被发现可用于医药之中 除了特别不稳定的元素 人们的追求遍布了整个周期表中的每一种元素 这些元素的性质均有据可查 随着无机化学的迅速发展 它也成为人们所感兴趣的学习和工作的学科 但未能解决所有的问题 如此 要求学科的内容随着新的发现而不断改进 无机化学的发展历史 如 惰性气体 的概念已经为人们普遍接受 随着1962年第一个氙的化合物的出现 引起轰动 以致于在两年之内 有接近上百篇文章进行此方面的报道 同时 将 惰性气体 改为 稀有气体 超导体临界温度从5K提高到23K的过程是十分漫长的 另一个激动人心的例子 是1986年临界温度为40K的超导体的报道 在临界温度以下 超导体的电阻为零 这种超导体的是一种复合氧化物 含有铜 稀土和碱土元素 高温超导体引起轰动的原因是它本身有望应用于各种电器设备 1990年 发现了C60 围绕着它的发现 人们对合成方法进行了大量研究 之后 又有大量有关利用C60为原料进行合成的报道 无机化学的近代发展 我国的化学发展史渊源流长 距今一万年的新石器时代我们的祖先已会制作陶器 后来还在世界上率先制作了瓷器 到了清代康熙时的素三彩 五彩 雍正 乾隆时的粉彩 珐琅彩更是大放异彩 名传海外 殷代时已有高超的青铜器熔炼技艺 春秋时期冶铁技术也迅速兴起 不仅较早炼出了生铁而且是世界最早的炼钢国之一 同时 对金 银等金属也开始应用 并有了鎏金技术 我国的无机化学发展史 炼丹术 炼金术时期我国唐代发明了黑火药 随着元朝蒙古铁骑西征传入阿拉伯地区及欧洲 东汉炼丹家魏伯阳所著的 周易同契 是世界现存最早的炼丹术专著 东晋葛洪专著的 抱朴子内篇 更是集汉魏以来炼丹术之大成 记载有很多丹药配方 炼丹设备和化学变化 明代李时珍的 本草纲目 载有药物1892种 明末清初宋应星所著 天工开物 是16世纪世界罕见的化学工艺百科全书 17世纪传入日本 18世纪传入欧洲 成为世界科学名著 如上所述 我国作为四大文明古国之一 早已有了丰富的经验 化学知识和技艺 但是 由于种种原因 我国的科技发展似乎存在一个历史断层 近代化学的知识 理论却是在19世纪中叶从欧洲传进来的 我国的无机化学发展史 1855年时还出版了英国人合信所编的 博物新编 第一集 最早介绍了西方的近代化学知识 其后 我国近代化学的启蒙者徐寿等人先后译出多部化学著作 例如 化学鉴原 概述化学基本原理和重要的元素性质 化学鉴原续编 有机化学 化学鉴原补编 无机化学 化学考质 定性分析 化学求数 定量分析 物质遇热改易记 物理化学初步知识 我国的无机化学发展史 1903年清政府开始允许国人出国留学并有少量公派名额 民国初年中国继续向西方派出少量留学生 这些学人回国后兴办化学教育 成立中国化学会 筹办化学刊物 筹办化学工厂 成为我国现代化学学科的开拓者和化学工业的先驱者 如侯德榜 张子高 庄长恭 曾昭抡 黄鸣龙 杨石先等化学界老前辈 1949年新中国成立后 大批热爱祖国的化学家 留学生纷纷归国 成为我国现代化学各分支学科的带头人 奠基者 我国的无机化学发展史 我国无机合成是从盐碱化工开始的 1921年我杰出的化学家兼化学工程师侯德榜与化工实业家范旭东创建了当时亚洲最大的天津永利碱厂 1949年新中国成立后清华大学高崇熙创办了我国最大的化学试剂生产基地 1964 1967年我国先后进行了原子弹和氢弹的爆炸试验 表明我国核化学 核化工技术达到国际水平 1957年南开大学申泮文教授在我国首次合成了金属氢化物并陆续生产出LiH NaH CaH2 LiAlH4 NaBH4 在我国稀有元素化学家复旦大学顾翼东和盐湖化学奠基人柳大纲分别带领下 我国稀有元素和盐湖化学的研究成绩卓著 另外 目前我国在各种晶体生长方法 人造金刚石合成技术方面已接近国际水平 我国的无机化学发展史 在无机化学方面 由几位化学家的业绩是必须载入史册的 首先是南京大学戴安邦教授 他在配位化学 胶体化学 催化动力学 多酸多碱化学领域的研究硕果累累 发表论文400篇 1957年他主编了我国第一部高等学校无机化学通用教材 无机化学教程 几十年来培育出一批批的化学高级人才 在我国化学界享有崇高声誉 在结构理论方面 卢家锡 唐敖庆 唐有祺 徐光宪等著名教授都做出了突出贡献 饮誉海内外 在稳定同位素化学研究方面 张青莲教授是世界上首次测出碳同位素丰度的科学家 我国的无机化学发展史 八十年代以来 在改革开放的形势下 我国无机化学学科得到迅速发展 除了原来研究基础较好的几个分支学科领域如配位化学 钨钼多酸化学 稀土元素化学和溶液热力学等做了更深入工作外 还开辟了一系列过去只初步涉足或尚无人问津的新领域 如固体无机化学 金属有机化学 原子簇化学 大环化学 生物无机化学 物理无机化学等 建立了开放性的重点实验室 南京大学 配位化学实验室 北京大学 稀土材料化学及应用实验室 长春应用化学研究所 稀土化学和物理实验室 以及吉林大学 高压水热法合成实验室 做出了一批国际水平的成果 但是从总体上看 与世界先进国家水平相比仍有一定差距 我国的无机化学发展史 无机化学是在原子和分子层次上研究无机物的组成 性质 结构和反应的科学 从化学发展史看 无机化学史化学科学的基础和母体 其它化学分支大都是从其中分化 衍生 生长起来的 我国的无机化学发展史 当前无机化学的发展有两个明显的趋势 一是在广度上的拓宽 二是深度上的推进 为此我国无机化学学科发展战略研究组的专家们提出 我国无机化学基础研究所 中期战略目标应该是在若干已经有较好基础的研究方向上逐步深入发展 形成自己的特色 接近或达到世界先进水平 有重点的发展一些新的的国际前沿急促研究领域 在材料科学和生命科学这两个当代重要领域取得突出研究成果 以便逐渐提高我国无机化学整体水平 力争在国际上占有一席之地 无机化学的发展趋势 原始人类即能辨别自然界存在的无机物质的性质而加以利用 后来偶然发现自然物质能变化成性质不同的新物质 于是加以仿效 这就是古代化学工艺的开始 如至少在公元前6000年 中国原始人即知烧粘土制陶器 并逐渐发展为彩陶 白陶 釉陶和瓷器 公元前5000年左右 人类发现天然铜性质坚韧 用作器具不易破损 后又观察到铜矿石如孔雀石 碱式碳酸铜 与燃炽的木炭接触而被分解为氧化铜 进而被还原为金属铜 经过反复观察和试验 终于掌握以木炭还原铜矿石的炼铜技术 以后又陆续掌握炼锡 炼锌 炼镍等技术 中国在春秋战国时代即掌握了从