化学发展史 - 泰兴市第二高级中学.doc

进一步了解化学前 言（Preface）随着化学科学的发展,化学与人类的关系越来越密切，化学已经深入到人们生活的各个领域。人们已经习惯于化学所带给我们的一切。许多人对化学学科究竟如何与我们的日常生活密切联系，并不了解。比如石油价格为何会受到各国的关注，为何国际石油价格的涨跌会导致股市发生波动？农产品的品种和数量的增长都与化学有怎样的联系？环境污染为何会在近十年的焦点问题？环境问题如何产生、又将如何解决？超市里琳琅满目的商品又有多少与化学有着联系、有着怎样的联系？对中学生有必要进行一些化学科普教育。为此组织编写了这本小册子。旨在让中学生对化学发展简史、化学与工业、农业、环境、能源、食品、化学与人体健康等的联系有一些简略的认识。提高科学素养当然需要更多的课外阅读。本册本希望能带大家全面了解化学，限于篇幅不能详尽。最好它能起到抛砖引玉的作用，希望它能激发大家的兴趣，引导大家进行更多的科普书籍的阅读。编者09-9-15 目录（Content）前言- ( 1 )化 学 发 展 史- 朱 剑 ( 3 )化学与工业- 夏 勇 ( 9 )化学与农业- 戴大春 ( 12 )化学与国防- 张 峰 ( 15 )化学与自然资源- 张桂风 ( 20 )化学与环境- 纪向东 ( 26 )化学与能源- 马 琴 ( 31 )化学与材料- 殷 涛 ( 36 )化学与食品- 杨小江 ( 43 )化学与人体健康- 吴成林 ( 47 )第一章 化 学 发 展 史自从有了人类，化学便与人类结下了不解之缘。钻木取火，用火烧煮食物，烧制陶器，冶炼青铜器和铁器，都是化学技术的应用。正是这些应用，极大地促进了当时社会生产力的发展，成为人类进步的标志。今天，化学作为一门基础学科，在科学技术和社会生活的方方面面正起着越来越大的作用。从古至今，伴随着人类社会的进步，化学历史的发展经历了哪些时期呢？一、化学发展经历的五个时期1.远古混沌时期。人类刚刚诞生的久远年代到公元前1500年以前，在这段漫长的历程中人类从择木而居、钻木取火到最终建立起国家与社会，由蛮浑无知到开始发展制陶、冶金、酿酒、染色等工艺。那是一个巫术与宗教的时代，人们对自然充满敬畏与恐慌。他们主要在实践中摸索生存，化学具体的基本知识还没有形成，人们的思想处于一种蒙混的状态。中国人可以以青铜为戈，埃及人使用纸草，而希腊的一些贤哲开始思考世界由原子构成这便是化学的萌芽时期。2.炼金术士与丹药的时代。大概从公元前1500年到公元1650年，这是一个充满了魔幻色彩的传奇时代。炼金术士和炼丹术士们在皇宫、教堂、自己的家里以及深山老林的烟熏火燎中，为求得长生不老的仙丹，为求得荣华富贵的黄金，开始了最早的化学实验。记载、总结炼丹术的书籍，在中国、阿拉伯、埃及、希腊都有不少。这一时期积累了许多物质间的化学变化，为化学的进一步发展准备了丰富的素材。这是化学史上令我们惊叹的雄浑的一幕。后来，炼丹术、炼金术几经盛衰，使人们更多地看到了它荒唐的一面。化学方法转而在医药和冶金方面得到了正当发挥。在欧洲文艺复兴时期，出版了一些有关化学的书籍，第一次有了“化学”这个名词。英语的chemistry起源于alchemy，即炼金术。chemist至今还保留着两个相关的含义：化学家和药剂师。这些可以说是化学脱胎于炼金术和制药业的文化遗迹了。3.燃素化学时期。从1650年到1775年，术士们换上皇家院士的袍子，丹炉被烧制良好的玻璃器皿取代，化学家成为他们新的称呼。随着冶金工业和实验室经验的积累，他们开始总结一些规律，鹅毛笔蘸着墨汁在羊皮卷上写下：“燃物能够燃烧是因为它含有燃素，燃烧的过程是可燃物中燃素放出的过程，可燃物放出燃素后成为灰烬。”这个时期化学开始渗入到工程军事各个领域，黑火药走上历史的舞台，钢炮轰开一扇扇原来由骑士们把守的坚实城门。4.化学的理性时代。1775年前后，拉瓦锡用定量化学实验阐述了燃烧的氧化学说，开创了定量化学时期。数学以及自然科学各个学科的飞速发展使得这门以实验为主披着神秘主义色彩的玄妙“科学”开始真正具有作为科学的理性素养。这一时期建立了不少化学基本定律，提出了原子学说，发现了元素周期律，发展了有机结构理论。所有这一切都为现代化学的发展奠定了坚实的基础。5.科学相互渗透时期，既现代化学时期。二十世纪初，量子论的发展使化学和物理学有了共同的语言，解决了化学上许多悬而未决的问题；另一方面，化学又向生物学和地质学等学科渗透，使蛋白质、酶的结构问题得到逐步的解决。二、近二百年来的化学史故事这是化学得到快速发展的时期，是风云变幻英雄辈出的时期。让我们一道去体验当年化学家所经历的艰难险阻，在近代化学史峰回路转的曲折历程中不倦跋涉，领略他们拨开重重迷雾建立新理论、发现新元素、提出新方法时的无限风光。（一）燃素说的影响可燃物如炭和硫磺，燃烧以后只剩下很少的一点灰烬；致密的金属煅烧后得到的锻灰较多，但很疏松。这一切给人的印象是，随着火焰的升腾，什么东西被带走了。当冶金工业得到长足发展后，人们希望总结燃烧现象本质的愿望更加强烈了。1723年，德国哈雷大学的医学与药理学教授施塔尔出版了教科书化学基础。他继承并发展了他的老师贝歇尔有关燃烧现象的解释，形成了贯穿整个化学的完整、系统的理论。化学基础是燃素说的代表作。施塔尔认为燃素存在于一切可燃物中，在燃烧过程中释放出来，同时发光发热。燃烧是分解过程：可燃物=灰烬+燃素金属=锻灰+燃素如果将金属锻灰和木炭混合加热，锻灰就吸收木炭中的燃素，重新变为金属，同时木炭失去燃素变为灰烬。木炭、油脂、蜡都是富含燃素的物质，燃烧起来非常猛烈，而且燃烧后只剩下很少的灰烬；石头、草木灰、黄金不能燃烧，是因为它们不含燃素。酒精是燃素与水的结合物，酒精燃烧时失去燃素，便只剩下了水。空气是带走燃素的必需媒介物。燃素和空气结合，充塞于天地之间。植物从空气中吸收燃素，动物又从植物中获得燃素。所以动植物易燃。富含燃素的硫磺和白磷燃烧时，燃素逸去，变成了硫酸和磷酸。硫酸与富含燃素的松节油共煮，磷酸（当时指P2O5）与木炭密闭加热，便会重新夺得燃素生成硫磺和白磷。而金属和酸反应时，金属失去燃素生成氢气，氢气极富燃素。铁、锌等金属溶于胆矾（CuSO4.5H2O）溶液置换出铜，是燃素转移到铜中的结果。燃素说尽管错误，但它把大量的化学事实统一在一个概念之下，解释了冶金过程中的化学反应。燃素说流行的一百多年间，化学家为了解释各种现象，做了大量的实验，积累了丰富的感性材料。特别是燃素说认为化学反应是一种物质转移到另一种物质的过程，化学反应中物质守恒，这些观点奠定了近、现代化学思维的基础。我们现在学习的置换反应，是物质间相互交换成分的过程；氧化还原反应是电子得失的过程；而有机化学中的取代反应是有机物某一结构位置的原子或原子团被其它原子或原子团替换的过程。这些思想方法与燃素说多么相似。（二）舍勒和普里斯特里发现氧气的制法令后人尊敬的瑞典化学家舍勒的职业是药剂师chemist，他长期在小镇彻平的药房工作，生活贫困。白天，他在药房为病人配制各种药剂。一有时间，他就钻进他的实验室忙碌起来。有一次，后院传来一声爆鸣，店主和顾客还在惊诧之中，舍勒满脸是灰地跑来，兴奋地拉着店主去看他新合成的化合物，忘记了一切。对这样的店员，店主是又爱又气，但从来不想辞退他，因为舍勒是这个城市最好的药剂师。到了晚上，舍勒可以自由支配时间，他更加专心致志地投入到他的实验研究中。对于当时能见到的化学书籍里的实验，他都重做一遍。他所做的大量艰苦的实验，使他合成了许多新化合物，例如氧气、氯气、焦酒石酸、锰酸盐、高锰酸盐、尿酸、硫化氢、升汞（氯化汞）、钼酸、乳酸、乙醚等等，他研究了不少物质的性质和成分，发现了白钨矿等。至今还在使用的绿色颜料舍勒绿（Scheelesgreen），就是舍勒发明的亚砷酸氢铜（CuHAsO3）。如此之多的研究成果在十八世纪是绝无仅有的，但舍勒只发表了其中的一小部分。直到1942年舍勒诞生二百周年的时候，他的全部实验记录、日记和书信才经过整理正式出版，共有八卷之多。其中舍勒与当时不少化学家的通信引人注目。通信中有十分宝贵的想法和实验过程，起到了互相交流和启发的作用。法国化学家拉瓦锡对舍勒十分推崇，使得舍勒在法国的声誉比在瑞典国内还高。在舍勒与大学教师甘恩的通信中，人们发现，由于舍勒发现了骨灰里有磷，启发甘恩后来证明了骨头里面含有磷。在这之前，人们只知道尿里有磷。1775年2月4日，33岁的舍勒当选为瑞典科学院院士。这时店主人已经去世，舍勒继承了药店，在他简陋的实验室里继续科学实验。由于经常彻夜工作，加上寒冷和有害气体的侵蚀，舍勒得了哮喘病。他依然不顾危险经常品尝各种物质的味道他要掌握物质各方面的性质。他品尝氢氰酸的时候，还不知道氢氰酸有剧毒。1786年5月21日，为化学的进步辛劳了一生的舍勒不幸去世，终年只有44岁。舍勒发现氧气的两种制法是在1773年。第一种方法是分别将KNO3、Mg(NO3)2、Ag2CO3、HgCO3、HgO加热分解放出氧气：2KNO3=2KNO2+O22 Mg(NO3)2 = 2MgO+4NO2+O22Ag2CO3=4Ag+2CO2+O22HgCO3=2Hg+2CO2+O22HgO=2Hg+O2第二种方法是将软锰矿（MnO2）与浓硫酸共热产生氧气：2MnO2+2H2SO4（浓）= 2MnSO4+2H2O+O2舍勒研究了氧气的性质，他发现可燃物在这种气体中燃烧更为剧烈，燃烧后这种气体便消失了，因而他把氧气叫做“火气”。舍勒是燃素说的信奉者，他认为燃烧是空气中的“火气”与可燃物中的燃素结合的过程，火焰是“火气”与燃素相结合形成的化合物。他将他的发现和观点写成论空气和火的化学。这篇论文拖延了4年直到1777年才发表。而英国化学家普里斯特里在1774年发现氧气后，很快就发表了论文。普里斯特里始终坚信燃素说，甚至在拉瓦锡用他们发现的氧气做实验，推翻了燃素说之后依然故我。他将氧气叫做“脱燃素气”。他写到：“我把老鼠放在脱燃素气里，发现它们过得非常舒服后，我自己受了好奇心的驱使，又亲自加以实验，我想读者是不会觉得惊异的。我自己实验时，是用玻璃吸管从放满这种气体的大瓶里吸取的。当时我的肺部所得的感觉，和平时吸入普通空气一样；但自从吸过这种气体以后，经过好长时间，身心一直觉得十分轻快舒畅。有谁能说这种气体将来不会变成通用品呢？不过现在只有两只老鼠和我，才有享受呼吸这种气体的权利罢了。”普里斯特里一生的大部分时间是在英国的利兹作牧师，业余爱好化学。1773年他结识了著名的美国科学家兼政治家富兰克林，他们后来成了经常书信往来的好朋友。普里斯特里受到好朋友多方的启发和鼓励。他在化学、电学、自然哲学、神学四个方面都有很多著述。1774年普里斯特里到欧洲大陆参观旅行。在巴黎，他与拉瓦锡交换了好多化学方面的看法。正直的普里斯特里同情法国大革命，曾在英国公开做了几次演讲。英国一批反对法国大革命的人烧毁了他的住宅和实验室。普里斯特里于1794年他六十一岁的时候不得已移居美国，在宾夕法尼亚大学任化学教授。美国化学会认为他是美国最早研究化学的学者之一。他住过的房子现在已建成纪念馆，以他的名字命名的普里斯特里奖章已成为美国化学界的最高荣誉。（三）拉瓦锡和他的天平燃素说的推翻者，法国化学家拉瓦锡原来是学法律的。1763年，他20岁的时候就取得了法律学士学位，并且获得律师开业证书。他的父亲是一位律师，家里很富有。所以拉瓦锡不急于当律师，而是对植物学发生了兴趣。经常上山采集标本使他对气象学也产生了兴趣。后来，拉瓦锡在他的老师，地质学家葛太德的建议下，师从巴黎有名的鲁伊勒教授学习化学。拉瓦锡的第一篇化学论文是关于石膏成分的研究。他用硫酸和石灰合成了石膏。当他加热石膏时放出了水蒸气。拉瓦锡用天平仔细测定了不同温度下石膏失去水蒸气的质量。从此，他的老师鲁伊勒就开始使用“结晶水”这个名词了。这次成功使拉瓦锡开始经常使用天平，并总结出了质量守恒定律。质量守恒定律成为他的信念，成为他进行定量实验、思维和计算的基础。例如他曾经应用这一思想，把糖转变为酒精的发酵过程表示为下面的等式：葡萄糖 = 碳酸（CO2）+ 酒精这正是现代化学方程式的雏形。用等号而不用箭头表示变化过程，表明了他守恒的思想。拉瓦锡为了进一步阐明这种表达方式的深刻含义，又具体地写到：“我可以设想，把参加发酵的物质和发酵后的生成物列成一个代数式。再逐个假定方程式中的某一项是未知数，然后分别通过实验，逐个算出它们的值。这样以来，就可以用计算来检验我们的实验，再用实验来验证我们的计算。我经常卓有成效地用这种方法修正实验的初步结果，使我能通过正确的途径重新进行实验，直到获得成功。”早在拉瓦锡出生之时，多才多艺的俄罗斯科学家罗蒙诺索夫就提出了质量守恒定律，他当时称之为“物质不灭定律”，其中含有更多的哲学意蕴。但由于“物质不灭定律”缺乏丰富的实验根据，特别是当时俄罗斯的科学还很落后，西欧对沙俄的科学成果不重视，“物质不灭定律”没有得到广泛的传播。1772年秋天，拉瓦锡照习惯称量了一定质量的白磷使之燃烧，冷却后又称量了燃烧产物P2O5的质量，发现质量增加了！他又燃烧硫磺，同样发现燃烧产物的质量大于硫磺的质量。他想这一定是什么气体被白磷和硫磺吸收了。他于是又做了更细致的实验：将白磷放在水银面上，扣上一个钟罩，钟罩里留有一部分空气。加热水银到40时白磷就迅速燃烧，之后水银面上升。拉瓦锡描述道：“这表明部分空气被消耗，剩下的空气不能使白磷燃烧，并可使燃烧着的蜡烛熄灭；1盎司的白磷大约可得到2.7盎司的白色粉末（P2O5，应该是2.3盎司）。增加的重量和所消耗的1/5容积的空气重量接近相同。”燃素说认为燃烧是分解过程，燃烧产物应该比可燃物质量轻。而拉瓦锡实验的结果却是截然相反。他把实验结果写成论文交给法国科学院。从此他做了很多实验来证明燃素说的错误。在1773年2月，他在实验记录本上写到：“我所做的实验使物理和化学发生了根本的变化。”他将“新化学”命名为“反燃素化学”。1774年，拉瓦锡做了焙烧锡和铅的实验。他将称量后的金属分别放入大小不等的曲颈瓶中，密封后再称量金属和瓶的质量，然后充分加热。冷却后再次称量金属和瓶的质量，发现没有变化。打开瓶口，有空气进入，这一次质量增加了，显然增加量是进入的空气的质量（设为A）。他再次打开瓶口取出金属锻灰（在容积小的瓶中还有剩余的金属）称量，发现增加的质量正和进入瓶中的空气的质量相同（即也为A）。这表明锻灰是金属与空气的化合物。拉瓦锡进一步想，如果设法从金属锻灰中直接分离出空气来，就更能说明问题。他曾经试图分解铁锻灰（即铁锈），但实验没有成功。拉瓦锡制得氧气之后，到了这年的10月，普里斯特里访问巴黎。在欢迎宴会上他谈到“从红色沉淀（HgO）和铅丹（Pb3O4）可得到脱燃素气”。对于正在无奈中的拉瓦锡来说，这条信息是很直接的启发。11月，拉瓦锡加热红色的汞灰制得了氧气。在舍勒的启发下，拉瓦锡甚至制造了火车头大小的加热装置，其中心是聚光镜。平台下面是六个大轮子，以便跟着太阳随时转动。1775年，拉瓦锡的实验中心已从分解金属锻灰转移到了对氧气的研究。他发现燃烧时增加的质量恰好是氧气减少的质量。以前认为可燃物燃烧时吸收了一部分空气，其实是吸收了氧气，与氧气化合，即氧化。这就是推翻了燃素说的燃烧的氧化理论。与此同时，拉瓦锡还用动物实验，研究了呼吸作用，认为“是氧气在动物体内与碳化合，生成二氧化碳的同时放出热来。这和在实验室中燃烧有机物的情况完全一样。”这就解答了体温的来源问题。空气中既然含有1/4的氧气（数据来自原文），就应该含有其余的气体，拉瓦锡将它称为“碳气”。研究了空气的组成后，拉瓦锡总结道：“大气中不是全部空气都是可以呼吸的；金属焙烧时，与金属化合的那部分空气是合乎卫生的，最适宜呼吸的；剩下的部分是一种碳气，不能维持动物的呼吸，也不能助燃。”他把燃烧与呼吸统一了起来，也结束了空气是一种纯净物质的错误见解。1777年，拉瓦锡明确地讥讽和批判了燃素说：“化学家从燃素说只能得出模糊的要素，它十分不确定，因此可以用来任意地解释各种事物。有时这一要素是有重量的，有时又没有重量；有时它是自由之火，有时又说它与土素相化合成火；有时说它能通过容器壁的微孔，有时又说它不能透过；它能同时用来解释碱性和非碱性、透明性和非透明性、有颜色和无色。它真是只变色虫，每时每刻都在改变它的面貌。”这年的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。化学自此切断了与古代炼丹术的联系，揭掉了神秘和臆测的面纱，代之以科学的实验和定量的研究。化学进入了定量化学（即近代化学）时期。所以我们说拉瓦锡是近代化学的奠基者。舍勒和普里斯特里先于拉瓦锡发现氧气，但由于他们思维不够广阔，更多地只是关心具体物质的性质，没有能冲破燃素说的束缚。与真理擦肩而过是很遗憾的。拉瓦锡对化学的另一大贡献是否定了古希腊哲学家的四元素说和三要素说，辨证地阐述了建立在科学实验基础上的化学元素的概念：“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。”在1789年出版的历时四年写就的化学概要里，拉瓦锡列出了第一张元素一览表，元素被分为四大类：1.简单物质，普遍存在于动物、植物、矿物界，可以看作是物质元素：光、热、氧、氮、氢。2.简单的非金属物质，其氧化物为酸：硫、磷、碳、盐酸素、氟酸素、硼酸素。3.简单的金属物质，被氧化后生成可以中和酸的盐基：锑、银、铋、钴、铜、锡、铁、锰、汞、钼、镍、金、铂、铅、钨、锌。4.简单物质，能成盐的土质：石灰、镁土、钡土、铝土、硅土。拉瓦锡对燃素说和其它陈腐观点的讥讽和批判是无情和激烈的。这使他在创建科学勋绩的同时得罪了一大批同时代和老一辈的科学家。在影响世界历史的一百位人物中，在许多有关历史、科学史、化学史的书籍中，作者都对拉瓦锡总是突出自己的人格特点进行低调的描述和评价，指责他在化学概要里没有提起舍勒和普里斯特里对他的启示和帮助。但我们得看到，拉瓦锡确实具有非凡的科学洞察力和勇往直前的无畏精神。虽然不是他最先发现氧气的制法，但他通过制取氧气分析了空气的组成，建立了燃烧的氧化学说。氧气因此不同于其它气体，被赋予非凡的科学意义。拉瓦锡十分勤奋，每天六点起床，从六点到八点进行实验研究，八点到下午七点从事火药局长或法国科学院院士的工作，七点到晚上十点，又专心从事他的科学研究。星期天不休息，专门进行一整天的实验工作。拉瓦锡28岁结婚时，他的妻子只有14岁。他们一生没有孩子，但生活非常愉快。她帮助拉瓦锡实验，经常陪伴在他身边。在拉瓦锡的著作里，有很多插图都是他的妻子画的。1789年法国大革命爆发，三年后拉瓦锡被解除了火药局长的职务。1793年11月，国民议会下令逮捕旧王朝的包税官。拉瓦锡由于曾经担任过包税官而自首入狱。极左派马拉曾与拉瓦锡有过激烈的科学争论，心存嫉恨，便诬陷拉瓦锡与法国的敌人有来往，犯有叛国罪，于1794年5月8日把他送上了断头台。对此，当时科学界的很多人感到非常惋惜。著名的法籍意大利数学家拉格朗日痛心地说：“他们可以一瞬间把他的头割下，而他那样的头脑一百年也许长不出一个来。”这时，拉瓦锡正当壮年，是51岁。第二章 化学与工业化学是人类进步的关键！人类在远古时代就已经掌握了一些化学实用技术。制陶技术大约发明于一万年前的新石器时代早期。约在公元前3000年人类进入青铜时代。冶铁技术也在随后得到发展。化学实用技术的发展极大地推动了人类社会的向前发展。化学与近现代工业更是有着密切而重要的关系。化工产品越来越多地进入了我们的生活。化工产业在国民经济中占据着举足轻重的作用。主要的石油输出国的石油产量常常引发各国股市大的动荡。侧面说明了化学工业在现代工业中的比重。一、化学工业的发展18世纪欧洲的产业革命，促进了以酸碱制造技术为代表的近代化学工业的产生。19世纪是无机化学工业和有机合成工业兴起和繁荣的时期。1740年英国医生瓦尔特（J.Ward）将硫磺和硝石的混合物放在铁容器内加热，将生成的气体导入一个大玻璃瓶内，用水吸收制得硫酸。他用这种方法在伦敦附近建立了第一个硫酸厂。1727年英国牧师黑尔斯（S.Hales）将硫酸和氯化铵作用得到一种气体，1772年英国化学家普里斯特里收集了这种气体制成盐酸。纯碱制造方法在19世纪得到发展，20世纪初得到完善。1921年侯得榜对原先的纯碱制造工艺进行重大修改，1926年产出我国第。一批质量合格的“红三角”牌纯碱，标志着我国民族化学工业的崛起。1842年在英国建立了最早的化学肥料工厂，开始进行过磷酸肥料的生产。19世纪50年代开始氮肥、磷肥、钾肥的生产技术都有了很大的发展，这是19世纪化工技术的又一重大成果。 20世纪化学工业的发展主要是有机化学工业迅猛发展。合成塑料，合成橡胶、合成纤维大量问世。化学合成技术的发展使得新材料不断问世为其它行业的发展作出了巨大贡献。1935年美国杜邦公司发表以己二胺与己二酸缩聚而成高分子聚酰胺，即尼龙-66，并于1938年工业化，即大家所熟知的尼龙袜，但是却不知当时二次大战后期美军使用的降落伞就是这尼龙-66做的。40年代乙烯类单体的自由基引发聚合发展很快，实现工业化的包括聚氯乙烯（PVC），聚苯乙烯（PS）和有机玻璃（PM-MA）等，这是合成高分子蓬勃发展的时期。进入50年代，从石油裂解而得的-烯烃主要包括乙烯与丙烯，分别由德国人Ziegler（齐格勒）与意国人Natta（纳塔）发明用金属络合催化剂聚合而成聚乙烯即低压聚乙烯与聚丙烯，前者1952年工业化，后者1957年工业化，这是高分子化学的历史性发展，。1951年英帝国化学工业公司开发了丙烯直接水化法制异丙醇。1952年美国田纳西州的伊斯特曼公司丙烯转化成正丁醇和异丁醇的混合物，并实现工业化。1953年加拿大的萨文干公司使丙烯转化为丙酮，并实现工业化。1958年美国联合碳化物公司首先找到了用粘胶人造丝制取具有较高机械性能的碳纤维的工业生产方法，这是碳纤维发展的一个突破，使碳纤维开始了真正的实际应用。60年代，人工合成水晶进入工业化生产，近年来又有了较大的发展，研究出了一些新工艺。1955年本迪（Fundy）等人用镍等金属为催化剂，使用2000和7万个大气压下设备，使石墨转化为金刚石试制成功。美国通用电气公司与1957年、瑞典通用电气公司于1962年投入工业生产。由于要飞往月球而出现耐高温高分子的研究热。其结果主要分为二大类，一类是芳香聚酰胺例如间苯二胺与间苯二酰氯缩聚得到的高分子叫Nomex，当时作为太空服原料。以如对苯二胺与对苯二酰氯缩聚得到高分子又叫Kevlar，属于 耐高温的高分子液晶，现在用于超音速飞机的复合材料中。另一类是杂环高分子，例如聚芳亚酰胺（PI）和作为高温粘合剂的聚苯并咪唑（Polybenyimidazole PBI）为现在的宇航飞行所需材料打下了基础。二、化学工业的现状化学工业在上世纪的快速发展，使得人们的生活水平生活质量得到显著的改善。近一二十年来由于化工产业所带来的环境问题日益严重，当代全球突出的十大环境问题;大气污染、臭氧层破坏、全球变暖、海洋污染、淡水资源紧张和污染、土地退化和沙漠化、森林锐减、生物多样性减少、环境公害、有毒化学品和危险废物，其中至少有7个直接与化学和化工产品的化学物质污染有关，化学的发展面临着巨大的挑战。 解决污染问题已刻不容缓。起初解决的诸多办法基本以减少接触为基础，也就是说以治理为主， 1990年美国国会率先通过了污染预防法案，明确提出污染预防这一新概念，将废物的源头削减、循环回收利用和处理、处置三者结合起来，形成特有的一种绿色意识，加之化学面临的挑战，很快便出现了绿色化学这一新概念，这是化学发展史的一个重要理程碑。解决已有的污染重要的方法也是化学方法。化学工业的分布也出现了很大的变化，早先的重要化学工业大都集中在发达国家。其产品的高附加值使得这些国家在其中获取了巨额的利润。现在科技含量高的化工产业也仍然是在这些国家。许多化工产业特别是一些基础化工在向第三世界国家转移。这些基础化工为发展中国家带来了一定的经济效益，也增加了很大的环境负担。科学技术的发展使得由科学技术生产的周期缩短。化学工业发展速度更快了。化学工业产品应用领域也更广了。具有光学、电学、磁学等新性能的材料也得到了迅速发展。医药、化装品、保健品、食品添加剂等等领域不断有新的产品研制成功。三、化学工业的前景 有机高分子领域将继续是未来化工研究的重要环节。高分子的概念将彻底改变。高分子决不是不易控制的长短不齐的分子所组成，而是均匀高分子所组成。再就是高分子性能以及加工应用，都将因为是精密高分子而出现全新的数据、全新的性能与加工方法与用途。未来化工技术的发展将突击创新。化学与生物学的交叉将在未来的化工技术创新中扮演重要角色，生物化工的兴起和发展，将逐渐取代石油化工，甚至煤化工的地位，从而出现一个生物化工时期。生物化工技术使得我们可以生产出更多更全的人工食物，制造出更安全、更有效的药物；生物化工技术使得化学工业成为绿色工业，化工生产经济而洁净，由化工生产造成的空气、土地和水的污染将消失。生物技术属于高技术，是知识经济时代的中心技术之一，对传统化工结构的调整和改组，对化学工业在国家和全球经济中的地位确立将产生重大影响，甚至影响到人类的生存方式。生物化工技术也是具有可持续性发展的技术，它对食物、能源、医药、材料和环保诸多领域的重要贡献会极大地支持全球全人类的可持续发展。化学在人类的发展中起着关键的作用。二十世纪化学工业的发展以很快的速度，改变改善着人们的生活。也是二十世纪化学工业的发展带来了严重的环境问题。绿色化学概念的提出，化学工作者的努力将污染环境的速度减慢了。但所存在的问题还需要继续作出许多的努力，来彻底消除环境污染。化学工业将走上更加科学的道路。化学科学的发展也会使化学工业有更多的分支产业，为人类的进步作出更大比重的贡献。第三章 化学与农业从19世纪中期至今，通过化学合成或加工工艺制造的的化学物质，在农业生产中已经应用了160多年。化肥工业的发展和化肥的使用、防治病虫害的化学剂的生产和使用以及农用塑料的应用，这些都显著地增加了农产品产量，减少了损失，在发展农业生产中起到了重要的不可取代的作用。本文主要介绍化学肥料、植物保护、植物激素、塑料薄膜等四部分。一、化学肥料近二十年来，世界粮食增长一倍，主要是通过提高单产而获得的。其中施肥用化肥的效果占30%40%。近年，化肥的新品种主要有复合肥料、高浓度肥料、液体肥料、长效肥料及增效剂等。肥料一般指含有氮、磷、钾三种或其中两种要素而由化学方法加工制成的化学肥料。复合含有两种要素的叫二元复合肥料，如磷酸铵、硝酸钾等。此外，也有含三要素和某些其他元素（如微量元素）的多元复合肥料。复合肥料不仅可以增进吸收效果，而且可以减少施肥次数。不少国家使用复合肥料的比重不断增加。高浓度肥料取代低浓度肥料。由于肥料的浓度大，有效成分高，体积相对减小，节省了包装及运输和施肥的费用和劳力。如含氮量高的尿素已成为氮肥的主要品种，而硫铵的产量则相对减少。高浓度的磷酸铵、重过磷酸钙等逐步代替了过磷酸钙。最近在某些国家生产一些超高浓度的肥料含有效成分达94%以上。液体肥料和长效肥料产量逐年增加。液体肥料施用方便，作物易吸收，并可根据需要，调节氮、磷、钾比例，以及加入微量元素和农药等。特别是喷灌、滴灌时，可同时施肥，节省劳力。长效肥料又称缓效肥料，这类肥料既具有普通化学肥料的速效性，同时又具有缓慢释放（或缓慢溶解）养分的特点，可以在较长的时间内不断地给作物提供养分，从而使其逐步地被利用。从提高植物对肥料的吸收利用率来说，使用长效肥料可以减少下面的损失，如由于淋失所致的养分损失，由于土壤中的化学与生物的固定所致的养分损失，氮肥由于迅速硝化、反硝化及挥发所致的氮肥损失。由于磷肥本身有一定的缓效性质，而钾肥在土壤中固定较快，因此，化肥的缓效措施主要是针对氮肥。国内外以围绕尿素与碳铵两类研究较多。研制的长效肥料有颗料尿素、缓效包膜尿素、尿素磷胺复合肥料、尿素缩合的缓效肥料、尿素与乙醛缩合的缓效肥料、长效碳铵、腐植酸类肥料等等。氮肥增效剂。土壤里的硝化和反硝化作用使氮肥损失达20%80%。为抑制硝化作用，防止氮肥的损失，可施用氮肥增效剂。氮肥增效剂能发挥肥效和延长肥效期。有的国家试验表明，在施氮量相同的田间，加施氮肥增效剂可使小麦增产40%，水稻增产10%，棉花19%，甜菜10%。当增效剂用量为氮肥含量的1%时，可使各种氮肥有效利用率提高一倍，并减少施肥次数。此外，还有施用二氧化碳肥料的，二氧化碳直接关系到植物的光合作用和有机物的合成，是光合作用产物不可缺少的来源。近年来，有的国家覆盖园艺中的黄瓜、西红柿、卷心菜等使用二氧化碳的面积已占70%，增产效果为30%左右。正在研究向作物撒施可缓慢释放二氧化碳的微粒胶囊，或在灌溉的水流中加入二氧化碳等气肥输用方法。二、植物保护重点发展高效低毒低残留农药。一些剧毒、高毒和稳定性农药正在被淘汰，对某些农药则规定了严格的使用制度。目前不少国家已经停止使用DDT，有些国家对DDT、666、艾氏剂和砷、铅、汞制剂，以及2，4，5-D除草剂也严格控制使用。1605、1059等近年来也正在被淘汰之中。为此，正在大力发展高效低毒性有机磷和氨基甲酸酯类农药。低毒有机磷农药品种最多，发展最快。这类农药在植物、动物及土壤中迅速分解成无毒物质，不会有害地累积于生物体内。目前国外比较注意发展的有机磷品种是：敌百虫、杀螟松、马拉松、倍硫磷、乐果、地亚农和灭蚜松等。氨基甲酸酯类农药的化学结构接近天然物质，容易分解消失，对人、畜毒性低，无体内积累中毒作用，在15以下效力不变，可用于防治越冬幼虫。目前国外已经合成上百种氨基甲酸酯类化合物，其中效果好、使用面广、用量大的是西维因，产量占这类农药的70%80%。推广使用低毒杀菌剂。某些铜、汞制剂对人、畜、植物有毒害作用，因此，近十多年来大力发展有机杀菌剂新品种，已部分取代铜，汞制剂。发展较快的低毒性杀菌剂有：有机磷杀菌剂，二硫代氨基甲酸酯类杀菌剂和内吸性杀菌剂。有机磷杀菌剂有稻瘟净、克瘟散、异稻瘟净和乙苯稻瘟净等。二硫代氨基甲酸酯类杀菌剂使用较多的有代森锌、代森锰、代森钠等。内吸收杀菌剂有恶嗪类、嘧啶类、苯并咪唑类，硫脲基甲酸类、吗啡啉类等。高速发展除草剂。除草剂的使用历史比杀虫剂、杀菌剂短，但近十年来发展很快，不少国家的销售量超过其他制剂，占第一位。除草剂发展快的主要原因是由于农业机械化程度提高，同时肥料增加也加剧了杂草危害，加上劳力缺乏。除草剂目前比较大量使用的有2,4-D，五氯酚钠、除草醚、灭草灵、敌稗、西玛津、燕麦灵等。从除草剂的发展趋势来看：要求高效、低毒、选择性强；从剂型看，微粒剂、乳剂等发展较快。激素防治虫害。人们仿照天然昆虫保幼激素，人工合成了上千种类似昆虫保幼激素的激素类似物。保幼激素类似物可用来扰乱昆虫的正常发育，使它们不能正常蜕皮而死亡；阻碍虫卵发育；促使幼虫提前蜕皮而死亡。人工合成昆虫性引诱剂可以进行害虫发生的预测预报。在田间释放过量的人工合成性引诱剂，使雄蛾无法辨认哪里有雌蛾，干扰了它们的正常交尾行为。把性引诱剂与粘胶、农药、化学绝育剂、病毒或灯光等结合使用，可以消灭大量害虫，或利用性引诱剂将害虫引向不适宜它们生活的场所，使它们自取灭亡。另外，还可将合成激素拌在害虫的食物中，以抑制害虫的卵巢发育。三、植物激素植物激素有生长素、赤霉素、细胞分裂素、乙烯和脱落酸五类。这些激素调节和控制着植物的生长和发育。由于植物体内的激素含量非常少，提取的方法也比较复杂，人们就人工模拟合成了许多植物激素类似物。它们具有植物激素相同的作用。例如，生长素的类似物萘乙酸和2,4-滴（2,4-D），细胞分裂素的类似物六苄基嘌呤，乙烯的类似物乙烯利等。脱落酸的类似物虽然合成了一些，但未广泛利用，赤霉素的类似物合成的极少。此外，还合成一些化学构造与已知的五类植物激素完全不同的物质。这些物质也有某些特殊调节和控制植物生长、发育的作用。例如，矮壮素、青鲜素等。以上这些物质一般叫做植物生长调节剂，并已在农业生产上广泛应用。四、塑料薄膜塑料薄膜用来建造温室，透光性能相当好，仅次于玻璃，在阴雨天仍能透过大量的光，特别是透过紫外线。在塑料里加入去雾剂，塑料薄膜就不会凝结水滴，保持透光性能。保温能力比玻璃强四倍，又薄又轻，成本低廉，具有一定牢度，又能用高频电焊或电烙铁加热焊接或修补。用塑料薄膜育秧，可使温度提高46以至更高，可使早稻早播10天20天，提早移栽10天以上，一般能增产2成3成。建造塑料棚育秧再可提高温度约23。还试制出红色、紫色、蓝色、绿色等各种彩色农用塑料薄膜，有的比无色塑料薄膜更能促进幼苗成长，有的塑料薄膜上打了一排排小圆孔，叫做“有孔薄膜”，透气性能较好，可防止棚内温度过高，防止秧苗徒长。有的往塑料薄膜注入玻璃纤维，制成“强化塑料薄膜”，可以大大提高强度。还有一种塑料纱，在夏天用来遮荫防暑，并隔绝害虫。在“真空充氮法”的储粮新技术中，用的农用塑料薄膜比一般的厚。此外，化学还渗透到迅速发展的分子生物学、遗传工程学中，这些学科的研究对农作物病虫害的防治，植物激素跟农作物增产的关系，创造新的生物和新的品种等方面，开辟了以前所不能想象的广阔的前景，并且有的方面已经有了重要的应用。总之，将化学知识应用到农业生产中促进农业增效，是今后化学发展的主题；同时，有效的降低化学药物使用对农业带来的危害，也是迫切需要解决的问题，希望有志与化学研究的同学认真学习，将来能为农业的开发作贡献。第四章 化学与国防 为了捍卫到家主权、领土的完整和安全，防御外来侵略和颠覆，必须实现国防现代化。旧中国遭受帝国主义列强侵略、掠夺、蹂躏的屈辱历史，充分说明具有强大国防的重要性。 国防建设离不开化学，炸药，照明弹、燃烧弹、信号弹烟幕弹等的研制和生产，需要大量的化学药品，常规武器、化学武器，核武器等，都需要化学家提供各式各样的特种材料。国防高尖端技术的突破更需要化学研究的成果。没有化学学科的发展，就不可能实现国防现代化。一、 从黑火药到炸药 黑火药是我国炼丹家在炼丹过程中发明的，在10一11世纪，我国已出现使用黑火药的武器。黑火药的一种配方为硝石，硫磺，木炭重量比为40：14：14。燃烧时发生下列反应：2KNO3 +3C+S=K2S+3CO2+N2。产生的大量气体突然膨胀就发生爆炸。 13世纪中叶，黑火药传入欧州，14世纪被用于战争，并出现了一些改进的黑火药。譬如，无硫火药(80%硝酸钾和20%木炭组成)硝酸铵火药，苦味酸盐火药等。至今，人们仍在某些场合使用各种黑火药。但是，黑火药不能完全满足人们的需要。军事和生产的需要推动人们去寻找新的炸药，化学化工的进步也为发展炸药生产提供了物质技术基础，使炸药发展进入一个新的时代。 我国古代人民发明黑火药一千余年后，瑞典化学家诺贝尔发明了用多孔硅藻土吸收硝化甘油的代拿买特(dynamit e)炸药，导致了炸药发展的革命。其后，化学学科特别是有机化学的发展，为制造炸药提供了理论指导，使人们能够认识炸药爆炸的机理，根据炸药的化学性质与爆炸性能之间的关系，去合成新的炸药。表41列出了几种炸药的组成和性能。表4一l 几种炸药的组成、性能名称或俗名主要成分性 能代拿买特75%硝化甘油25%砷藻土爆炸力强安全性差苦味酸2、4、6一三硝基苯酚TNT三硝基甲苯特屈儿2、4、6一三硝基苯甲硝铵爆炸力强，爆轰感度好黑索金1，3，5一三硝基一l、3、5一三氮杂环己烷爆炸强度大，化学稳定性高，原料来源丰富 代拿买特系列炸药的最大特点是易起爆，传爆稳定，爆破成力较强，得到了广泛应用，占领炸药市场达百年之久。但是，终因敏感性太强，在制造、运输、贮存、使用时具有一定的危险等原因，推动了人们进行新的探索。液体炸药、多相混合炸药和耐热炸药的出现使炸药的发展进入了一个新阶段。 铵油炸药也称硝酸铵一一燃料炸药。它是含有94.5的球状硝酸铵和65%燃料油的混合物。这种炸药成本低，容易制造、操作安全、使用方便，一经发明，研制和应用极为活跃，不长时间就占领了工业炸药的主要市场。 浆状炸药是在饱和的硝酸盐水溶液中悬浮着未溶的硝酸盐，有机燃料和不溶性敏化剂所形成的浆状混合物，它的产生是炸药发展中具有划时代意义的创举。由于浆状炸药有许多突出优点，有取代硝化甘油炸药的趋势。 燃料空气炸药是炸药领域里的一种新的爆炸能源，所用燃料通常是挥发性的碳氧化合物。这种燃料和空气中的氧气较均匀地以适当比例混合后经引爆产生爆轰，所以称为燃料空气炸药。燃料空气炸药武器是常规武器的革新和重大发展，它使常规武器增加了以冲击被为主，以烧伤、间接破坏破片伤、窒息为辅的新武器系列。 人类生产活动和科学实验的范围不断扩大以及军事武器的发展对炸药提出了种种新的要求；在地层深部应用爆炸时，要求炸药耐深井的高温；在宇宙空间应用爆炸时，要求炸药耐经受高温低温、高真空、强辐射等作用；在导弹和飞机中使用的炸药，要适应其速度提高而造成的高温和低压，就是说，要求炸药具有高的热稳定性、高的熔点和低的蒸气压。这样就发展了一种耐热炸药。从化学结构观点看，蓝胺及其衍生物，多氨基苯的硝基衍生物等炸药的熔点较高，其中三硝基间苯二胺三硝基间苯三胺、六硝基草酰苯胺等可用作耐热炸药。 为了适应军事上的一些特殊需要，军事化学家们研制了发布命令的信号弹，夜间作战的照明弹，掩护自己打击敌人的烟幕弹。这些弹药是由燃料、氧化剂和一些特殊的添加剂所组成的(见附表42) 二、化学推进剂 现代火箭的产生、发展和化学推进剂的生产技术紧密相关，它们相互制约、相互促进。一个国家导弹、火箭卫星的技术水平，很大程度上取决于化学推进剂的生产技术。 化学推进剂由燃料和氧化剂组成，可分为液体推进剂和固体推进剂两大类。衡量推进剂的优劣主要有两个标准一是比冲的高低，二是燃烧能量的大小。 （一）、液体推进剂 由于液体燃料燃烧的理论和使用技术都比固体燃料简单，所以现代火箭是从液体推进剂开始的。从1 926年用液氧(氧化剂)和汽油(燃料)作推进剂的第一枚火箭试飞成功至今短短的几十年中，液体推进剂广泛地应用在空间运载火箭、弹道导弹运载工具，鱼雷动力装置大气层外空间的火箭、燃气发生器等中，对火箭技术的发展起了重要作用。 液氧是火箭技术上使用最早的氧化剂之一，也是目前一般中远程导弹、宇航中使用的一种主要氧化剂，它能量指标高，密度大，来源丰富，价格低廉，无毒、无腐蚀牲。美国发射“阿波罗一一16”登月飞船，所用的“土星一一5号”火箭的第一、二、三级都是用液氧作氧化剂“土星一一阿波罗”运载火箭总重量约3000吨，其中2000多吨是液氧。 可作为推进剂氧化剂的还有：液氟、硝酸，发烟硝酸，四氧化二氮，过氧化氢、五氟化氯、二氟化氧等。 用作液体推进剂的燃料主要有酒精、煤油，液氢等。酒精作为燃烧剂与液氧和过氧化氢组合，在火箭技术发展初期曾起过重要作用，如德国的V一2，美国的红石、苏联的P1导弹，都使用液氧和酒精作推进剂。酒精燃料具有燃烧温度低，能最好地溶解于水，凝固点低，来源方便，无腐蚀性等优点。 煤油热值高、原料来源广、价格便宜、毒性小无腐蚀性、易贮存处理，是一种地较好的燃烧剂。如在煤油中加入一定比例的偏二甲肼，组成油肼起动性能和燃烧稳定性都有显著改善，因而煤油在火箭推进剂中保持着特有的使用价值。液氢是现代能量最高的低温液体燃料，它热值大，反应产物热力学性质好，与各种氧化剂配对，都有较高的比冲。液氢与液氧组成的推进剂，理论比冲是已经应用的化学推进剂中最高的。已广泛应用于火箭和宇宙航行运载火箭。为了改进，提高液体推进剂的性能，在液态燃烧剂中加入少量有高燃烧热的轻金属粉末，如铝、镁、铍、锂等；或加入轻金属氢化物，如氢化锂、氢化铝、氢化铍等，使之胶态化。从理论上讲能得到比较高的比冲，这是提高比冲的有效措施。 燃烧剂中还有一些肼类燃料，包括肼、偏二甲肼等。肼具有能量高、密度大(104，、沸点高(113)、燃烧稳定，活性较大等优点，它的缺点是凝固点高，加热时易分解，有吸水性等。 （二）、固体推进剂 固体推进剂具有装载体积小、使用方便机动性大等优点，固体推进剂的发展使导弹、火箭技术进入了一个新的阶段，并有同液体推进剂并驾齐驱之势。一九八三年，我国火箭水下发射成功，标志着我国固体推进剂生产与使用的技术水平。 这里我们分类介绍几种固体推进剂。 1硝化甘油和硝化纤维类。早期使用的固体推进剂，如苏联的卡秋莎火箭炮就是用硝化甘油等物质为推进剂的火箭。二次世界大战期同美苏英，德日等国制造和使