第01章一门中心的、实用的和创造性的科学——化学

1、第一部分第一部分 化学化学受到挑战的受到挑战的中心科学中心科学 第第1章章 一门中心的、实用一门中心的、实用的和创造性的科学的和创造性的科学化学化学 第第2章章 人类十大环境危机人类十大环境危机中的化学困惑中的化学困惑绿色化学的绿色化学的兴起兴起第一章第一章一门中心的、实用的和一门中心的、实用的和创造性的科学创造性的科学化学化学 第一节第一节 化学是一门中心科学化学是一门中心科学第二节第二节 化学基础知识化学基础知识本章思考题本章思考题第一节第一节 化学是一门中心科学化学是一门中心科学一、化学与天然存在一、化学与天然存在 1、化学是什么？、化学是什么？ 化学是一门试图了解物质的性质和物质发生反

2、化学是一门试图了解物质的性质和物质发生反应的科学。应的科学。 它涉及存在于自然界的物质它涉及存在于自然界的物质地球上的矿物，地球上的矿物，空气中的气体空气中的气体 ，海洋里的水和盐，在动物身上找，海洋里的水和盐，在动物身上找到的化学物质到的化学物质以及由人类创造的新物质。以及由人类创造的新物质。 它涉及自然界的变化它涉及自然界的变化因闪电而着火的树木，因闪电而着火的树木，与生命有关的化学变化与生命有关的化学变化还有那些由化学家发明还有那些由化学家发明和创造的新变化。和创造的新变化。第一节第一节 化学是一门中心科学化学是一门中心科学一、化学与天然存在一、化学与天然存在 2、化学家干什么？、化学家

3、干什么？ 化学的历史很长。事实上，人类的化学活动可化学的历史很长。事实上，人类的化学活动可追溯到有历史记载以前的时期。追溯到有历史记载以前的时期。 化学包含着化学包含着两种不同类型两种不同类型的工作：（的工作：（1）有些化）有些化学家在研究自然界并试图学家在研究自然界并试图了解了解它；（它；（2）另一些化学）另一些化学家则在家则在创造创造自然界不存在的新物质和完成化学变化自然界不存在的新物质和完成化学变化的新途径。的新途径。 自人类出现在地球上那一刻起，这两方面的工自人类出现在地球上那一刻起，这两方面的工作就都有了，但是在作就都有了，但是在20世纪以来，它们的步伐大大世纪以来，它们的步伐大大地

4、加快了。地加快了。一、化学与天然存在一、化学与天然存在3、没有与化学物质无关的物质、没有与化学物质无关的物质 文明的进步涉及人类创造新物质以满足需要，而这些新文明的进步涉及人类创造新物质以满足需要，而这些新物质则是由天然物质转变而成的。例如，把皮革染成褐色，已物质则是由天然物质转变而成的。例如，把皮革染成褐色，已改变其化学性质。即使是烹调食物，也会改变它们的化学结构。改变其化学性质。即使是烹调食物，也会改变它们的化学结构。 这个世界上的万物都是由这个世界上的万物都是由“化学物质化学物质”构成的构成的，或者以化合物的形式存在，其中的原子以化学键联结在一起；或者以化合物的形式存在，其中的原子以化学

5、键联结在一起；或者或者在少数情况下以未与其他原子联结的形式存在，在少数情况下以未与其他原子联结的形式存在，如如氦气（氦气（He）。 没有可以称之没有可以称之“与化学物质无关与化学物质无关”的物质的物质。实际。实际上，上，“天然天然”的化学物质并不总是对人有益的的化学物质并不总是对人有益的。已知由。已知由微生物微生物和其他和其他生物生物产生的某些产生的某些天然化合物天然化合物，就属于，就属于最危最危险险的毒物之列。的毒物之列。第一节第一节 化学是一门中心科学化学是一门中心科学一、化学与天然存在一、化学与天然存在二、化学与其他学科的关系二、化学与其他学科的关系 1、化学与很多的其他科学领域有关：、

6、化学与很多的其他科学领域有关： 它对它对农业农业、电子学电子学、生物学生物学、药学药学、环境科环境科学学、计算机科学计算机科学、工程学工程学、地质学地质学、物理学物理学、冶冶金学金学，以及很多其他的领域，都有重大的贡献。，以及很多其他的领域，都有重大的贡献。第一节第一节 化学是一门中心科学化学是一门中心科学二、化学与其他学科的关系二、化学与其他学科的关系 2、化学是、化学是一门实用科学：一门实用科学：其对应的工业为其对应的工业为化学工业化学工业（这是（这是其他许多学科所其他许多学科所没有的）。没有的）。 同时，同时，工业工业化学家也在为化化学家也在为化学工业之外的许学工业之外的许多领域进行工作

7、。多领域进行工作。二、化学与其他学科的关系二、化学与其他学科的关系 / 3、化学的研、化学的研究组织很庞大究组织很庞大 小型化学企业小型化学企业工业与工程化学工业与工程化学化化 学学 史史化学教育化学教育化学文献化学文献化学技术员化学技术员化学和法律化学和法律化学保健与安全化学保健与安全化学毒物学化学毒物学分析化学分析化学计算化学计算化学无机化学无机化学专业联谊会专业联谊会生物化学生物化学生物化学技术生物化学技术石油化学石油化学地质化学地质化学有机化学有机化学农业与食品化学农业与食品化学农农 药药纤维素、造纸与纺织品纤维素、造纸与纺织品环境化学环境化学肥料与土壤化学肥料与土壤化学物理化学物理化

8、学氟氟 化化 学学药物化学药物化学高分子化学高分子化学高分子材料：科学与工程高分子材料：科学与工程胶体与表面化学胶体与表面化学核工业化学与技术核工业化学与技术商业开发与管理商业开发与管理碳水化合物化学碳水化合物化学燃料化学燃料化学橡橡 胶胶 以以美国化学会美国化学会（ACS）的分支机构为例：）的分支机构为例： 第二节第二节 化学基础知识化学基础知识 一、化学式一、化学式二、共价键与离子键二、共价键与离子键 三、同分异构、手性与药物三、同分异构、手性与药物四、化学反应式与反应方向四、化学反应式与反应方向第二节第二节 化学基础知识化学基础知识 / 一、化学式一、化学式 化学物质由分子、原子、离子等

9、组成。化学物质由分子、原子、离子等组成。用用化学式化学式表示化学物质的组成。表示化学物质的组成。例如：例如： 水水 H2O （分子，（分子，氧化物氧化物） 甲烷甲烷 CH4 （分子，化合物）（分子，化合物） 二氧化碳二氧化碳 CO2 （分子，化合物）（分子，化合物） 金刚石金刚石 C （原子，单质）（原子，单质） 氯化钠氯化钠 NaCl （离子，化合物）（离子，化合物） 第二节第二节 化学基础知识化学基础知识例如：例如： 苯苯 C6H6 （只有共价键）（只有共价键） 氯化钠氯化钠 NaCl（= NaCl ） （只有离子键）（只有离子键） 乙醇钠乙醇钠 CH3CH2ONa （除存在共价键，还有离

10、子键）（除存在共价键，还有离子键） 二、共价键与离子键二、共价键与离子键三、同分异构、手性与药物三、同分异构、手性与药物1、同分异构同分异构相同分子式，不同的结构相同分子式，不同的结构。例如：例如： 第二节第二节 化学基础知识化学基础知识2、手性异构手性异构有一个碳原子（有一个碳原子（C）连接四）连接四个不同基团引起的异构现象。个不同基团引起的异构现象。 例如：丙氨酸（人类只能利用例如：丙氨酸（人类只能利用L-丙氨酸）丙氨酸）第二节第二节 化学基础知识化学基础知识 / 三、同分异构、三、同分异构、手性与药物手性与药物3、手性意义（手性意义（1） 一种叫一种叫Thalidomide（反应停）的化

11、学品（这种药品被用（反应停）的化学品（这种药品被用来减轻孕妇在妊娠期间的恶心和呕吐等症状）致使出生的婴来减轻孕妇在妊娠期间的恶心和呕吐等症状）致使出生的婴儿儿严重畸形严重畸形（缺肢或变形），于（缺肢或变形），于1961年给欧洲带来了惊恐。年给欧洲带来了惊恐。 在此期间，世界各地大约有在此期间，世界各地大约有10000名这样的婴儿出生，仅名这样的婴儿出生，仅在德国就有在德国就有5000名（因最初美国对此药的安全问题有疑义而名（因最初美国对此药的安全问题有疑义而使得该药没有进入美国市场）。使得该药没有进入美国市场）。 这个悲剧促使各国政府制定严格的这个悲剧促使各国政府制定严格的官方法律官方法律以测

12、定各种以测定各种新药造成新生儿畸形的可能性。这些被称为新药造成新生儿畸形的可能性。这些被称为“Thalidomide婴婴儿儿”的出现，使人们对合成化学物品的影响及其对人类意想的出现，使人们对合成化学物品的影响及其对人类意想不到的危害，产生了强烈的不到的危害，产生了强烈的恐惧感恐惧感。第二节第二节 化学基础知识化学基础知识 / 三、同分异构、三、同分异构、手性与药物手性与药物3、手性意义（手性意义（2） 治疗治疗帕金森症帕金森症的药物的药物多巴多巴，只有，只有S型（型（左旋左旋）对映体有效，）对映体有效，而而R型有型有严重副作用严重副作用；治疗；治疗结核病结核病的药物的药物Ethambutol，

13、只只有有SS型有效，而型有效，而RR型对映体却会型对映体却会致盲致盲。第二节第二节 化学基础知识化学基础知识 / 三、同分异构、三、同分异构、手性与药物手性与药物NHOOHNOOR- isomer 后来才发现，只有反应停的后来才发现，只有反应停的R-异构体异构体有镇静作用，而其有镇静作用，而其S-异构异构体体则是致畸的。则是致畸的。 除除“反应停反应停”外，其他一些外，其他一些医医药药也有类似的情况，如：也有类似的情况，如：NHOONOO*3、手性意义（手性意义（3）第二节第二节 化学基础知识化学基础知识 / 三、同分异构、三、同分异构、手性与药物手性与药物 另外，有些药物不同对映体的药理作用

14、另外，有些药物不同对映体的药理作用大相径庭大相径庭，如，如Propranolol的的S型对映体是一类重要的型对映体是一类重要的 -受体阻断剂受体阻断剂，而，而R型型对映体则有对映体则有避孕作用避孕作用。 因此，美国食品与医药管理局（因此，美国食品与医药管理局（FDA）1992年提出的法规年提出的法规强调，申报手性药物时必须对不同对映体的作用叙述清楚。强调，申报手性药物时必须对不同对映体的作用叙述清楚。 惨痛的惨痛的教训教训使人们对药物的手性有了深刻的认识。使人们对药物的手性有了深刻的认识。 缺乏缺乏对化学的深入了解，会导致对化学的深入了解，会导致严重灾乱严重灾乱！ 2001年，年，诺贝尔化学奖

15、诺贝尔化学奖授予美国、日本研究授予美国、日本研究手性药物手性药物的三位化学家。的三位化学家。 研究手性药物的研究手性药物的中国科学院院士中国科学院院士v2004年年12月月15日日林国强院士广州华林国强院士广州华南理工大学讲学南理工大学讲学v2004年年12月月15日林国强院士广州华南理工大学讲学日林国强院士广州华南理工大学讲学v2004年年12月月15日戴立信院士广州华南理工大学讲学日戴立信院士广州华南理工大学讲学第二节第二节 化学基础知识化学基础知识 / 四、化学反应式四、化学反应式与反应方向与反应方向1、反应物、试剂、产物、条件、反应物、试剂、产物、条件 例例1： 反应物：反应物：氢气、

16、氧气氢气、氧气 产产 物：物：水水 条条 件：件：点燃（或金属铂、室温）点燃（或金属铂、室温）计量反应式计量反应式：配平的反应式、无机反应式居多、配平的反应式、无机反应式居多、等号表示等号表示例例2： 反应物：反应物：环己烯环己烯产产 物：物：己二酸（主产物）己二酸（主产物）试试 剂：剂：高锰酸钾（突出另一个反应物）高锰酸钾（突出另一个反应物）非计量反应式非计量反应式：未配平的反应式（或有时只配未配平的反应式（或有时只配平了主反应物、主产物，也可以应用于计算）、平了主反应物、主产物，也可以应用于计算）、有机反应式居多（副产物多）、箭头表示有机反应式居多（副产物多）、箭头表示.第二节第二节 化学

17、基础知识化学基础知识 / 四、化学反应式四、化学反应式与反应方向与反应方向/ 1、反应物、试剂、产物、条件、反应物、试剂、产物、条件（1）能量能量 决定分子转变为其他分子的化学反应的原理决定分子转变为其他分子的化学反应的原理有几条。有几条。 一条原理是一条原理是如果反应的产物比起始物质如果反应的产物比起始物质更不稳定（具有更高的能量）时，这样的反应将更不稳定（具有更高的能量）时，这样的反应将不会发生。不会发生。 化学反应就像岩石会滚化学反应就像岩石会滚“下山下山”，而不会滚，而不会滚“上山上山”，到达低能量的状态。，到达低能量的状态。 第二节第二节 化学基础知识化学基础知识 / 四、化学反应式

18、四、化学反应式与反应方向与反应方向/ 2、化学反应方向、化学反应方向（2）熵变熵变 能量低不是唯一的考虑，因为能量低不是唯一的考虑，因为化学反应也会化学反应也会向着使混乱度变得最大的方向进行向着使混乱度变得最大的方向进行。化学家化学家称后者为熵。称后者为熵。一个简单的比喻是，洗一付新牌使其变得次一个简单的比喻是，洗一付新牌使其变得次序混乱，继续洗牌也不能使它重新变成有序。序混乱，继续洗牌也不能使它重新变成有序。 第二节第二节 化学基础知识化学基础知识 / 四、化学反应式四、化学反应式与反应方向与反应方向/ 2、化学反应方向、化学反应方向（3）催化剂催化剂 另一个原理是，即使反应是有利的，产物的

19、能另一个原理是，即使反应是有利的，产物的能量比起始物质低，混乱度比起始物质大，反应也不量比起始物质低，混乱度比起始物质大，反应也不一定必须进行得很快。一定必须进行得很快。 利用催化剂可以加快反应。利用催化剂可以加快反应。提示：提示：本节内容的理解，是后面学习的知识基础！本节内容的理解，是后面学习的知识基础！作业题都会吗？作业题都会吗？第二节第二节 化学基础知识化学基础知识 / 四、化学反应式四、化学反应式与反应方向与反应方向/ 2、化学反应方向、化学反应方向一、一、判断题判断题： 1、化学是一门试图了解物质的性质和物质发生反应的科学。、化学是一门试图了解物质的性质和物质发生反应的科学。2、化学的历史可追溯到有历史记载以前的时期。、化学的历史可追溯到有历史记载以前的时期。3、世界上的万物都是由、世界上的万物都是由“化学物质化学物质”构成的。构成的。4、氦（、氦（He）是单原子分子。）是单原子分子。5、地球上没有可以称之为、地球上没有可以称之为“与化学物质无关与化学物质无关”的物质。的物质。6、天然物质对人类总是有益的。、天然物质对人类总是有益的。7、天然物中没有任何化学物质。、天然物中没有任何化学物质。8、工业化学家在为化学工业之外的许多领