化学概论绪论课件

普通化学

（化学概论）

GeneralChemistry第一章绪论

什么是化学

化学的发展历程

化学大家族的构成

化学的机会与挑战

课程内容安排及其它化学的定义：化学是一门在原子、分子层次上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的科学。化学是研究包括原子、分子、分子片、超分子等各种物质的不同层次与复杂程度的聚集态的合成和制备、反应和转化，分离和分析，结构和形态，化学物理性能和生物与生理活性及其规律和应用的科学。化学是创造新物质的分子科学化学的发展历程●四次化学革命及元素周期律的发现●化学键理论的建立与发展四次化学革命的领军人物：英国化学家波义耳（1627-1691）波义耳是站在古代化学和近代化学的交叉点上，继往开来的伟大人物。他“把化学确立为科学”(恩格斯语)，被誉为“化学之父”。“化学不是为了炼金，也不是为了治病，它应当从炼金术和医学中分离出来，成为一门独立的科学”。波义耳极为崇尚实验。“空谈毫无用途，一切来自实验”。他把严密的实验方法引入化学研究，使化学成为一门实验科学。（波义耳首先制备石蕊试液作为酸碱指示剂，用加石灰生成白色沉淀来鉴别硫酸，用加硝酸银成白色沉淀鉴别盐酸等）法国化学家拉瓦锡（1743-1794）1783年出版名著《关于燃素的回顾》，提出燃烧的氧化学说；1789年出版《初等化学概论》，揭开了困惑人类几千年的燃烧之谜，以批判统治化学界近百年的“燃素说”为标志，发动了第二次化学革命，被誉为“化学中的牛顿”。(燃素说是化学史上解释物体燃烧的一种学说，产生于17世纪。这种观点认为，燃烧是一种分解过程，物质燃烧时释放出一种叫做"燃素"的东西，是古代化学的最后形态)拉瓦锡的另一项重大成就是以科学元素说取代了传统思辨的旧元素论。拉瓦锡首次给元素下了一个科学和清晰的定义：“元素是用任何方法都不能再分解的简单物质”。首次列出了当时符合这个定义的包括33种物质元素表。由于这些贡献，拉瓦锡被称为“近代化学之父”。英国化学家道尔顿（1766-1844）1803年创立科学原子论(化学原子论)，揭示了各种化学定律、化学现象的内在联系，成为说明化学现象的统一理论，完成了化学领域内一次极为重大的理论综合。元素是由非常微小的、看不见的、不可再分割的原子组成；原子既不能创造，不能毁灭，也不能转变，所以在一切化学反应中都保持自己原有的性质；同一种元素的原子其形状、质量及各种性质都相同，不同元素的原子的形状、质量及各种性质则不相同，原子的质量(而不是形状)是元素最基本的特征；不同元素的原子以简单的数目比例相结合，形成化合物。化合物的原子称为复杂原子，它的质量等于其组合原子质量的和。1807年道尔顿发表“化学哲学新体系”，全面阐述了化学原子论的思想。科学原子论创始人元素周期律的发现1869年，门捷列夫和德国化学家迈尔(J.L.Ｍｅｙｅｒ,1830-1895)独立发现元素周期律。二者都是在编写教科书过程中完成这一重大发现的。迈尔对元素性质研究偏重于物理性质，而门捷列夫则更多地着眼于元素的化学性质。元素周期律的发现在化学发展史上具有划时代的意义，它把看起来孤立的杂乱无章的化学元素知识，纳入到一个严整的自然体系之中，揭示了自然界一最基本的规律，使化学研究进入了系统化阶段，使化学发展史上继原子论之后一次重大的综合，成为化学的主要基石之一。化学键理论的建立与发展历程离子键理论(电价理论)：1916年，德国基尔大学理论物理学教授柯塞尔(W.Kossel,1888-1956)发表论文“关于原子结构和分子形成”的论文，认为稳定离子的形成，是由原子获得或失去电子，以便达到惰性气体原子的电子结构的趋势而形成阴阳离子，阴离子和阳离子之间由库仑引力而相互吸引形成化学键。他用正电价表示丢失电子的元素的化合价，用负电价表示获得电子的元素的化合价。两元素原子间的结合被称为电价键，现在称为离子键。价键理论(VB(valencebond)理论，电子配对理论)：1927年德国物理学家海特勒(W.Heitler,1904-1981)和伦敦(F.W.London,1900-1954)首先把量子力学应用到分子结构中，建立和求解了氢分子的薛定格方程，揭示了氢分子中每个原子共用一对电子形成化学键的本质，指出只有自旋相反的未成对电子才能形成共价键。1930年，美国化学家鲍林(L.Pauling,1901-1994)和德国物理学家斯莱特(J.C.Slater,1900-1976)把海特勒和伦敦的电子对成键理论推广到多种单质和化合物中，从而形成了现代价键理论(VB理论，亦称HLSP理论)。该理论阐了共价键的方向性和饱和性，指出了由于原子轨道重叠方式不同而形成的σ和π键这两种基本共价键类型。1931年，为解释甲烷分子的空间构型，鲍林斯莱特又根据波函数叠加原理，提出了杂化轨道理论。作为价键理论的重要补充，较满意地解释了共价多原子分子的空间构型。1931-1933年，为了合理处理用路易斯结构难以描述的分子，鲍林又提出了共振概念。价键理论将量子力学的原理和化学的直观经验紧密结合，在经典化学中引入了量子力学理论和一系列的新概念，如杂化、共振、σ键、π键、电负、电子配对等，对当时化学键理论的发展起了重要作用。分子轨道理论(MO(molecularorbital)理论)：1928年，美国科学家莫利肯(R.S.Mulliken,1896-1986)和德国科学家洪特(F.Hund,1896-1997)等人首先提出分子轨道理论。1929年，经加拿大科学家赫兹伯格(G.Herzberg)和英国科学家伦纳德-琼斯(J.E.Lennard-Jones,1894-1954)的进一步研究，开始用于解决化学键问题，从而奠定了原子轨道线性组合分子轨道法的基础。1931年，德国化学家休克尔(E.Huckel,1896-1980)加以发展，开始广泛用于讨论共轭有机分子的结构和性质，并获得很大成功，日益得到化学界的重视。分子轨道理论的出发点是分子的整体性，重视分子中电子的运动状况，以分子轨道的概念来克服价键理论中强调电子配对所造成的分子电子波函数难于进行数学运算的缺点。莫利肯把原子轨道线性组合成分子轨道，可用数学计算并程序化。分子轨道法处理分子结构的结果与分子光谱数据吻合，因此50年代开始，价键理论逐渐被分子轨道理论所替代。因莫利肯用量子力学创立了化学结构分子轨道理论，阐明了分子的共价键本质和电子结构，1966年荣获诺贝尔化学奖。作为分子轨道理论的重要发展，1952年，日本化学家福井谦一(FukuiKenichi,1918-1998)提出了“前线轨道理论”。其基本观点是：分子的许多性质是由最高占据轨道和最低未占轨道决定的，即给电子分子中的能量最高占分子轨道(HOMO)和受电子分子中能量最低未占分子轨道(LUMO)在化学反应中起主导作用。该理论成为研究分子动态化学反应的新起点。1965年，美国有机化学家伍德沃德(R.B.Woodward,1917-1979)与量子化学家霍夫曼(R.Hoffman,1937-)以前线轨道理论为工具讨论了稠环反应的立体化学选择定则，从动态角度来判断和预言化学反应的方向、难易程度产物的立体构型等，把量子力学由静态发展到动态，从而提出了“分子轨道对称守恒原理”，又称“伍德沃德－霍夫曼规则”。被认为是认识化学反应发展史上的一个里程碑。霍夫曼的分子轨道对称守恒原理和福井谦一的前线轨道理论共获1981诺贝尔化学奖。晶体场理论：1929年，物理学家贝特(H.Bethe,1906-2005,1967年诺贝尔物理奖）和范弗雷克（J.H.vanVleck,1899-1980,1977年诺贝尔物理奖)提出晶体场理论，用于解释配合物中过渡金属离子在晶体场中的能级分裂。该理论认为配合物的中心离子与周围配位体的相互作用和离子晶体中正负离子间的作用一样，是纯粹的静电作用。晶体场理论在说明配合物磁性和颜色等方面，优于价键理论。但由于只从静电作用模型来考虑问题，不能解释为什么会有强弱配位体场之分，且难以说明分裂能大小变化的次序。配位场理论(LFT)：1952年，欧格尔(L.E.Orgel)把晶体场理论与分子轨道理论相结合，不仅考虑中心离子与配位体之间的静电效应，也考虑它们之间所生成的价键分子轨道的性质，把轨道能级分裂看成是静电作用和生成共价键分轨道的综合结果，建立了配位场理论(Ligand-FieldTheory)。从化学键和量子化学理论的发展来看，化学家花了半个世纪左右的时间，由浅入深地认识分子的本质及其相互作用的基本原理，从而让人们进入分子的理性设计的高层次领域，创造新的功能分子。这是20世纪化学的一个重大突破化学大家族的构成

化学发展至今，从波义耳时代算起已有近400年历史。已根深叶茂，形成许多学科分支。一般把化学称为一级学科，其分支学科称为二级学科。按研究对象或研究目的不同，可将化学分为：无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、高分子化学、化学工程、化学生物学等二级学科。二级学科以下还可细分为三级学科。如电化学是物理化学的分支学科等。有机化学研究碳氢化合物及其衍生物的化学分支，也有人称为“碳的化学”。1806年，贝采里乌斯(J.J.Berzelius,1779-1848,瑞典)把成分元素很少，主要是由C,H,O,N组成的物质作为有机化合物的特征，并认为有机物是来自生物有机体的化合物，只能由生命力来完成(生命力论)，人工合成是可能的。他最早提倡把有机化合物的研究领域称为有机化学。1828年，维勒(F.Wöhler,1800-1882)首次用无机物合成了有机物——尿素，打破了无机和有机界的绝对界限，动摇了所谓的“生命力论”，开辟了有机合成的新领域。1830年，李比希(J.F.vonLiebig,1803-1873,德国）在前人工作基础上，发展了有机化学的定量分析方法，将有机物与氧化铜一起燃烧，然后精确测定生成物的各种元素的含量，推知有机物的元素结构，大大推进了有机化学的发展。1858年，凯库勒(F.A.KeKule,1829-1896,德国)率先将原子价理论应用于解释有机化合物的结构，提出碳四价的观点和碳链学说。1861年，凯库勒编写“有机化学教程”一书，将有机化学定义为“碳化合物的化学”。1865年，凯库勒发现苯环结构，成为化学结构理论发展史上的一项辉煌成就。当前有机化学的主要研究领域：(1)有机合成化学(2)金属有机化学和有机催化(3)天然产物有机化学(4)物理有机化学(研究有机分子结构与性能的关系，有机化学反应机理及用理论计算化学的方法来理解、预见和发现新的有机化学现象)(5)生物有机化学等分析化学

测量和表征物质的组成和结构的分支学科。主要包括成分分析和结构分析两个方面。结构分析更多地涉及物理内容，故往往划归为物理化学的研究范畴。以化学反应为基础的析方法称为化学分析法，是分析化学的基础；利用特定仪器并以物的物理化学性质为基础的分析方法称为仪器分析法。现代分析化学正向快速、准确、灵敏、微量、微区、表面、自动化等方向发展(realtime,insitu,invivo)。主要内容包括：(1)光谱分析；(2)电化学分析；(3)色谱分析(4)质谱分析；(5)核磁共振；(6)表面分析(7)放射化学分析;(8)单分子(原子)检测；(9)生化分析等物理化学三剑客1887年，阿仑尼乌斯提出电解质电离理论。该理论与法拉第电解定律(1834)、门捷列夫元素周期律(1869)一起，共同奠定了现代化学的基础。同年，奥斯特瓦尔德创办《物理化学杂志》(ZeitschriftfürphysikalischeChemie)，标志着物理化学学科的建立。阿仑尼乌斯、奥斯特瓦尔德和范特霍夫被称为“物理化学三剑客”。高分子化学研究链状大分子的合成、大分子的链结构和聚集态结构，以及大分子聚合物作为高分子材料的成型及应用。主要内容包括：(1)高分子合成化学(2)高分子物理(3)功能高分子及器件(4)高分子加工与成型(5)高分子高级结构、尺度与性能的关系(6)通用高分子材料及合成高分子的原料化学学科在其发展过程中还与其它学科交叉结合而形成各种新兴学科。例如：(1)生物化学(2)材料化学(3)放射化学(4)应用化学(5)激光化学(6)地质化学(7)环境化学(8)计算化学(9)能源化学(10)绿色化学(11)化学信息学(12)纳米化学(13)化学生物学化学的机会与挑战当前化学发展的总趋势宏观微观(纳米化学、单分子化学)静态动态(飞秒化学)定性定量(超微量分析)体相表相(表面、界面分析技术，SPM技术等)描述理论分子器件等当前化学的主要任务和发展动向开发最佳的化学过程(原子经济反应、绿色化学)以社会需要为导向，寻找和设计最佳的化合物和材料发展分析测试新方法化学研究的六个发展趋势1、不同学科之间的交叉和融合(1)生命科学中的基本化学问题(2)材料科学中的基本化学问题(3)可持续发展的基本化学问题(绿色化学、环境化学、能源化学)2、理论和实验更加密切结合3、更加重视尺度效应(分子以上层次、尺度效应和多尺度问题)4、合成化学的新方法5、造成污染的传统化学向绿色化学的转变6、新实验方法的建立和方法学研究化学的四大难题化学的第一根本规律——化学反应理论和定律化学的第二根本规律——结构和性能的定量关系纳米尺度的基本规律活分子演化的基本规律“普通化学”课程内容安排第一章绪论(1学时)第二章气体(1学时)第三章液体(1学时)第四章水、溶液和胶体(3学时)第五章化学热力学基础与化学平衡(4学时)第六章化学反应速率与化学动力学的初步概念(3学时)第七章酸碱平衡(5学时)第八章沉淀溶解平衡(2学时)第九章氧化还原及电化学基础(6学时)第十章原子结构与元素周期表(5学时)第十一章化学键、分子和晶体结构(9学时)第十