化学与社会-02课件

1、卞 江北京大学化学与分子工程学院2011年1月11日化学与社会未名湖畔的百年学院1910年4月30日，北京大学的前身京师大学堂设立格致科化学门，标志着化学教育和化学学科在中国诞生。在过去100年里，虽历经坎坷，但北京大学化学学科一直保持着在国内的领先地位，并正迅速迈向世界一流化学教育和学术机构的行列。2中国大学化学专业排名（2009）排名等级学校1A+北京大学2A+南京大学3A+吉林大学4A+浙江大学武书连主编，挑大学 选专业2009高考志愿填报指南，中国统计出版社出版，20083评师网化学及化工教育排名（2009）排名学校院系1北京大学化学与分子工程学院2兰州大学化学化工学院3南开大学化学学

2、院4吉林大学化学学院5大连理工大学化工学院6山东大学化学与化工学院7清华大学化学工程系8四川大学化学学院9中山大学化学与化学工程学院10北京化工大学化学工程学院网址：/servlet/do?action=doTop2009Specialty&cid=2 4中国化学学科排名（2007）学校代码学校名称排名评分10001北京大学19510055南开大学19510284南京大学39210246复旦大学48910358中国科技大学48910183吉林大学68710486武汉大学78510335浙江大学88410558中山大学88410384厦门大学1083资料来源：教育部学位中心5北大化学学科在世界上

3、的排名在过去3年里，北京大学化学学科论文被引用次数的排名在全球大学排行榜上迅速攀升。35名2010年7Contents引言：化学印象什么是化学？从魔法到科学：化学简史化学：人类文明发展的里程碑化学：面向未来8“不含化学物质”一个销售家具的店家宣称某鞋架“不含任何化学物质”。（/product/Index.shtml?productId=122542 ）一则美容知识介绍中要求：“尽量使用不含化学物质和泡沫较少的浴液去除死皮”。（/ssjk/200811/t20081118_967591_1.htm）某介绍韩国食品的网站称：“好丽友手指饼干是韩国首款不含化学物质的饼干”。（/b627932/d96

4、430935.htm）10“一个被成功埋没的学科”2001年5月24日，英国著名科学杂志Nature发表题为“A discipline buried by success”的编者按1，指出化学学科深受公众误解，而化学家却不屑于宣传化学对人类发展的所作出的重要贡献。文章指出，化学领域的广阔和多样性，使得化学成为众多科学分支的基础，但却一定程度上模糊了化学自身的形象。化学的核心目标理解分子的结构和功能以及分子间相互作用是科学领域中最核心的问题，但在科学界之外却罕为人知。1 Nature 411, 399 (2001).112011：联合国国际化学年2008年12月31日，第63届联大通过决议，将2

5、011年定为“国际化学年”（IYC），以纪念化学学科所取得的卓越成就以及对人类文明的突出贡献。2011年正值国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的前身国际化学会联盟（IACS）成立100周年，也适逢女科学家居里夫人获得诺贝尔化学奖100周年。 2011年1月6日，Nature杂志以专刊形式纪念世界化学年。在这一期的编者按1中指出：“The biggest impact of the IYC should not be on chemists, but those who are not (or not yet) chemists.”1 Nature 469, 1 (2011).121. 什么

6、是化学？化学 = 变化 + 科学14为什么要学习化学？15中国国家战略目标（2010）2010年9月8日，温家宝总理主持召开国务院常务会议，审议并原则通过国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定，其中提及七个产业领域：节能环保新一代信息技术生物高端装备制造新能源新材料新能源汽车17化学王国的版图五个基础分支无机化学有机化学分析化学物理化学高分子化学新的综合材料化学生物化学计算化学环境化学能源化学从基础到应用从科学到技术182. 从魔法到科学：化学简史化学的源头 远古神秘主义与宗教、哲学以及科学的其他分支一样，化学起源于人类探索未知世界奥秘的原始追求。魔法石是西方炼金术的标志物之一19东方炼

7、丹术东晋葛洪(284 - 363)著抱朴子内篇“丹砂烧之成水银，积变又还成丹砂。”抱朴子内篇金丹 HgS(s) + O2(g) = Hg(l) + SO2(g) Hg(l) + S(s) = HgS(s)20Al-kimiya （炼金术）阿拉伯术士为古代化学发展做出了突出贡献“Chemistry as a science was almost created by the Muslims; for in this field, where the Greeks (so far as we know) were confined to industrial experience and vagu

8、e hypothesis, the Saracens introduced precise observation, controlled experiment, and careful records. ”Will Durant in The Age of Faith21西方炼金术 “最初化学想把贱金属变为黄金，虽然它没有实现这个目标，但是它却完成了更伟大的工作。”爱默生 (Ralph Waldo Emerson, 1803-1883)美国作家、哲学家哈利波特与魔法石22近代化学的建立Lavoisier的贡献物质守恒定律。推翻燃素说（phlogiston），建立新的燃烧理论。命名氧（oxyg

9、en）和氢（hydrogen）。Antoine Lavoisier (拉瓦锡) 1743-1794, 法国化学家24镭的发现：原子结构的建立居里夫人发现放射性元素-钋和镭(1898)现代原子结构理论建立于一系列实验发现的基础之上。其中，原子放射性的发现彻底颠覆了Dalton原子论中“原子不可再分”的思想。 “在所有的著名人物当中，玛丽亚居里的名字是永远也不会褪色的一个。”爱因斯坦25超越分子（Beyond Molecules）莱恩（1939- ）Jean-Marie Lehn1987年Nobel化学奖“Chemistry is a bridge between physics and biol

10、ogy. It tries explain how complexity arose from particulate matter.”Jean-Marie Lehn 27化学的中心目标炼金术时代的目标有两个：点石成金和长生不老药。现代化学的目标仍然是两个：为社会创造财富和为人类健康服务当一个学科把自身的目标与人类社会的目标紧密联系在一起时，这个学科必然会动力充沛，蓬勃发展。28化学的精神Gilbert Newton Lewis1875-1946美国化学家和教育家 “I have attempted to give you a glimpse.of what there may be of s

11、oul in chemistry. But it may have been in vain. Perchance the chemist is already damned and the guardian the blackest. But if the chemist has lost his soul, he will not have lost his courage and as he descends into the inferno, sees the rows of glowing furnaces and sniffs the homey fumes of brimston

12、e, he will call out: Asmodeus, hand me a test-tube.”Gilbert Newton Lewis 293. 化学：人类社会发展的里程碑化学从孕育时期到蓬勃发展，与人类社会的发展息息相关。一些与化学有关的重要科技进步包括：冶金技术火药人工合成氨合成高分子复合材料纳米科技30实例一：药物合成维生素B12，又名氰钴维生素，是所有维生素中具有最复杂结构的一种。Co（III）位于咕啉（corrin）环中间（与4个N配位），并与二甲苯咪唑（的N）配位。第6个配体可以是氰基（-CN）、羟基（-OH）和甲基等。B12的食物来源包括动物的肝、心、肾、肉制品、蛋、奶

13、等。缺乏B12会导致贫血症。维生素B1231维生素B12的合成 伍德沃德Robert Burns Woodward, 1917-1979美国有机化学家获1965年Nobel化学奖“for his outstanding achievements in the art of organic synthesis”从1960年代初开始，美国化学家Woodward与瑞士化学家Albert Eschenmoser合作，开始进行维生素B12的全合成。该工作于1973年最终完成，前后历时近10年时间。参加该项工作的研究生和博士后前后将近100人。维生素B12的合成步骤超过100步。该工作是化学合成的一个奇迹

14、和一座重要里程碑。32疟疾与抗疟药的发展疟疾（瘴气）据WHO统计，全世界有10亿人居住在疟疾流行地区，至少有35亿人感染疟疾，每年约有13百万人死于疟疾，其中多数为妇女和儿童。疟疾通过蚊虫叮咬传染。疟原虫侵入人类宿主的血红细胞，产生发烧、贫血、发冷（打摆子）等症状。严重时导致昏迷和死亡。世界疟疾流行地区分布（Science 2010, 328, 849）33奎宁的发现与合成奎宁（金鸡纳霜）17世纪初，欧洲殖民者发现南美金鸡纳树的树皮萃取液具有预防疾病的效果。1920年，两位法国化学家从金鸡纳树皮中提取得到有效药物成分 奎宁。1944年，Woodward和他的博士后William von Doe

15、ring完成奎宁的全合成。疟原虫对常用抗疟药奎宁有抗药性。因此寻找新的抗疟药物是全世界医学界的当务之急。奎宁34青蒿素的发现青蒿素的历史公元4世纪，东晋葛洪肘后备急方中的“治疟病方”一节中记载：“青蒿一握，水一升渍，绞取汁，尽服之”，可治“久疟”。1960年代，中国PLA开展中草药治疗疟疾的研究。1972年，PLA军医屠呦呦从青蒿叶中提取到有效抗疟成分，命名为青蒿素。并随后发现青蒿素的结构为带有过氧基团的倍半萜内酯。中国对药物有效成分高度保密。由于青蒿素具有与奎宁类抗疟药完全不同的结构，所以可以克服疟原虫对于奎宁类药物的抗药性。2004年，WHO推荐蒿甲醚-苯芴醇复方药作为抗疟药物。青蒿素苯芴

16、醇35实例二：高分子合成天然橡胶原产南美，是巴西三叶胶的树液。1770年，欧洲殖民者将橡胶产品带回欧洲。Joseph Priestly将其命名为“rubber”，因为它能擦去铅笔的字迹。天然橡胶的主要成分是聚异戊二烯（polyisoprene），还有若干其它二烯类单体的聚合物。1876年，英国人Henry Wickham将橡胶树种带到英国。后来又经过多次努力，终于在东南亚培育成功巴西三叶胶，并且取代南美成为世界天然橡胶主要产地。天然橡胶的采集异戊二烯单体36硫化橡胶天然橡胶软而且粘，所以需要进一步加工。此外，天然橡胶含有蛋白质，会逐渐变质、发霉。受冷会变硬且脆。1839年，Goodyear在一

17、次偶然的机会发现硫化橡胶。硫化方法是加入硫黄后加热，根据硫化条件不同可以得到不同硬度的橡胶产品。硫化是在聚异戊二烯链间建立更多、更牢固的交联，提高橡胶的硬度和回弹性。Charles Goodyear1800-1860美国发明家，企业家37合成橡胶为什么需要合成橡胶？天然橡胶中含有部分杂质，且其中聚异戊二烯的构象是非均一的（包含顺式和反式）。天然橡胶的来源有限，作为战略资源必须利用化学技术突破战略封锁。天然橡胶的种类有限，不能满足实际需求。合成橡胶的发展二战爆发，日军快速推进，威胁东南亚主要橡胶产地。1941年，美国DuPont开始批量生产合成橡胶（ 氯丁橡胶）。1942年春季，日军席卷东南亚，

18、彻底切断盟军橡胶供应。384. 化学：面向未来可持续发展战略面临的若干重大挑战新能源开发环境保护超级芯片新药研发39电动汽车的发展电动汽车一般可分为三类，即纯电动汽车（PEV）、混合动力汽车（HEV）和燃料电池汽车（FCEV）。纯电动汽车一般使用铅酸蓄电池、镍镉电池或锂离子电池作为电力供应来源。世界第一辆电动汽车（1899，比利时）目前最成熟和最低廉的纯电动汽车仍然是铅酸电池车，即电瓶车。电瓶车的缺点是笨重和充电时间长，而且速度较慢。电瓶车的最高速率一般不超过100 km/h。40全电动汽车的充电旧金山街头的电动汽车充电装置41快充锂电2009年3月，英国自然杂志报道，MIT材料科学家Gerbrand Ceder研制出一种革命性锂电池（电池材料为LiFePO4），可在10秒内完成充电。他们预计，这种电池将在2、3年内开始生产。它的原理是为锂离子进出创造一个“快速通道”。通过在旧的电池材料上涂覆一种特殊涂层，就能够让锂离子快速进出电池材料，速度之快超乎想象。42比亚迪全电动四驱汽车E6BYD自主研发的E6采用锂电池为动力来源，据报道称将在2010年下半年上市销售。该电池慢充为220V民用电源；快充为3C充电，15分钟左右可充满电池80%。节