高中化学：中学化学与现代化学前沿

中学化学与现代化学前沿教学内容第一章新奇化合物与新方法第二章新材料与化学第三章生命科学与化学第四章环境科学与化学化学发展的标志时间分辨

飞秒级

10-15s空间分辨

原子级

10-10m检测限

分子级

10-23mol[10-22s--1018s(100亿年)][10-18m--1026m(100亿光年)]从定性到定量，从宏观到微观，从体相到表象，从静态到动态。化学物理学信息科学数学天文学地学生命科学材料科学环境科学化学是自然科学中一门承上启下的中心科学膜材料ETFE-----聚氟乙烯[C2H2F2]n化学是促进交叉学科兴起的中心学科(a)生物化学与化学生物学生命过程中的基础物质——蛋白质、核酸、糖和一些激素分子等，通过20世纪的研究已相继确定了它们的结构，并通过化学和生物方法可以进行合成。但这些基础物质如何配合起来产生生命现象和生命活动，则需进一步研究。现今这方面的研究途径大体上是从化学出发，模拟生命过程，合成生物功能分子及其类似物，组装成模型生物功能结构等等。

化学学科发展的现状

化学是促进交叉学科兴起的中心学科(b)材料化学

材料、能源和信息构成现代文明的三大支柱。材料科学的发展十分迅速，它是物理、化学、数学、生物、工程等一级学科交叉而产生的新的学科领域。材料化学处于核心地位，它具有十分鲜明的应用目的，是人类进行生产的最根本的物质基础，也是人类衣、住、行及日常生活用品的原料。特别是许多纳米级材料在电、光、磁、力学以至生物学等方面的性质发生了突变，这种变异开拓了一门新兴的交叉学科——纳米化学。纳米材料已成为高新技术的重要研究领域，纳米科学技术将成为21世纪关键的高新技术之一，而合成与研究纳米材料是纳米化学的主要任务。

化学学科发展的现状

化学是促进交叉学科兴起的中心学科(c)环境化学环境化学是研究环境中物质相互作用的学科。包括研究天然物质、生物物质和合成化学物质在环境介质(大气、水体、土壤、生物)中的存在，化学特性、行为和效应，并在此基础上研究其控制的化学原理和方法。环境化学的研究任务包括分析检测环境介质中存在的有害物质，跟踪它们的来源以及在环境介质中的环境化学行为，了解有害物质对生物和人体产生不良影响的规律，因此又推动了环境分析化学、大气环境化学、水环境化学、土壤环境化学、元素化学循环、环境计算化学等三级学科的发展。

化学学科发展的现状化学是一门社会需要的中心科学化学衣食住行能源材料医药国防环保日用品第一章新奇化合物与新方法1.1

新化合物1989年高考试题登录新化合物1000万种1996~1999每年登录新化合物超过100万1999年底登录的化合物总数为2340万种2001年3月：3013万种2003年3月：4683万种第一章新奇化合物与新方法在CAS登记的新物质呈指数增长12,000newsubstancesareaddedeachday.Date08/7/201017:54:34EST

Count

54,036,591organicandinorganicsubstances

61,973,647

sequencesCASRN

1229166-13-5

isthemostrecentCASRegistryNumber/cgi-bin/cas/regreport.pl1.2

新结构1999年发现O4分子呈四边形结构二氧化碳有了原子晶体

1.3

新方法

合成金刚石的新方法20世纪50年代高温高压石墨转化为金刚石.20世纪80年代微波炉中烃分解为金刚石.20世纪90年代CCl4+Na得到金刚石微晶.21世纪的期望——合成各种美丽色泽的宝石级金刚石。微波加热特征对流Superheating通常加热微波加热特征比较1.4新物种

只含氮的第三个化学物种第一个只含氮的化学物种是N2，发现于18世纪(1772年)。第二个只含氮的化学物种是N3-,合成于19世纪(1890年)。1999年合成了第三个只含氮的化学物种N5+稀有气体化合物增添新成员赫尔辛基大学最近报道了HArF的合成。

C&EN2000Aug28Nature406,874(2000)首例氩化合物27K以下可稳定存在这是该大学继合成一系列HXY（HXeH,HXeCl,HXeBr,HXeI,HXeCN,HXeNC,HKrCl,andHKrCN）以及HXeSH等稀有气体新型化合物之后的又一重要成果。证据:红外图谱吸收峰的数据的量子力学计算结果.为合成氖和氦的化合物带来希望.稀有气体化合物[AuXe4][Sb2F7]2感冒病毒五

自组装与超分子1999年美国犹他大学合成了一个自组装十二面体超分子化学式为:C2000H2300N60P120S60O200F180Pt60分子量达61955直径达7.5nm相当于小蛋白尺寸.是迄今得到的最大非生物高分子.从多官能团内核出发，通过支化基元逐步重复生长,形成具有高度支化结构的树枝状三维大分子。树形大分子的介绍Fig.3.Shape-selectiveolefinepoxidationusingdendrimerswithamanganese(iii)porphyrincoreascatalystsP.Bhyrappa,J.K.Young,J.S.Moore,K.S.Suslick.J.MolCatalA.

1996,113.109催化剂方面的应用Fig.4.Epoxidationresultsfortheintermolecularmixtureofalkenes.Theratiosoftheepoxidesarenormalizedwithrespecttocorresponding[Mn(TPP)]+values.Errorsareestimatedat(5%relative.第二章新材料研究中的化学前沿

2.1材料发展简史石器时代高分子时代陶器时代青铜时代铁器时代陶瓷时代复合材料时代人类发展的历史证明，材料是社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。可分为以下几个时代：2.1.1

材料发展简史—石器时代新石器时代—1万年前，人类对石头进行加工孟津妯娌新石器时代聚落遗址金坛三星村新石器时代遗址

旧石器时代—早在100万年以前，人类开始以石头做工具2.1.2材料发展简史—陶器时代彩陶釉陶

新石器后期，人类发明了用粘土成型，再火烧固化而制成陶器，从而进入陶器时代。目前考古发现的陶器，在亚洲有中国江西省万年县大源乡仙人洞的陶器和日本最早的绳纹陶（公元前8000年左右）；在欧洲，在希腊半岛发现的陶瓷约在公元前6000至5000年；在美洲大陆，已发现的陶器约在公元前6000年前左右。陶器时代是人类文明史上的重要飞跃，陶器的发明不仅成为这一阶段的最重要的物质文明的创造，同时也成为这一时期最重要的生产工具。2.1.3材料发展简史—青铜时代

烧制陶器过程中还原出金属铜和锡，创造了炼铜技术，生产出各种青铜器物，进入了青铜时代。古希腊大约在公元前3000年以前，埃及是公元前2500年前，中国是夏代（公元前2000年左右），欧洲是公元前1800年前后进入青铜器时代。这是人类大量利用金属的开始，是人类文明发展的重要里程碑。长沙战国凹形铁锄湖北当阳宋代铁塔沧州铁狮2.1.4材料发展简史—铁器时代

人们开始使用铁来制造工具和武器的时代。冶炼青铜的基础上逐渐掌握了冶炼铁的技术之后，铁器时代就到来了。世界上最早是小亚细亚的赫梯人在公元前1400年左右，古希腊和古罗马开始普遍使用在公元前1000年。中国最早在春秋战国－晋国（大致公元前700年），铁器的广泛使用，使人类的工具制造进入了一个全新的领域，生产力得到极大的提高。铁器的使用，导致了世界上一些民族从原始社会发展到奴隶社会，也推动了一些民族脱离奴隶制的枷锁而进入封建社会。2.2.超导材料1911年荷兰物理学家昂尼斯（H.K.Onnes1853—1926）发现，汞在Tc=4.2K时，其电阻率ρ→0，汞的这种现象称为“超导现象”。Tc称为“转变温度”1913年获诺贝尔物理学奖汞的电阻率二、超导的应用前景低损耗电能传输由超导材料制成的输电线可用于长距离的直流输电。磁悬浮列车利用超导体的抗磁性，可以把列车悬浮在轨道上，车速可达到500公里以上。制成无摩擦轴承，从而大大提高轴承的转速，达到每分钟数十万转。中国超导研究2001年初，西南交通大学超导技术研究所研制成功世界上第一台载人高温超导磁悬浮试验车“世纪号”。4月，340米铋系高温超导线在清华大学应用超导研究中心研制成功，并于年末建成第一条铋系高温超导线材生产线。5月，北京有色金属研究总院研制成功我国第一个两英寸直径双面超导薄膜，打破了国外对这项尖端技术的封锁。7月，香港科技大学宣布成功开发出全球最细的纳米超导线。超导技术正越来越向实用化迈进。可以预料，正像光纤的发明催生出崭新的信息时代，高温超导材料也必将带来电力工业史上划时代的革命。

上海常导磁悬浮列车上海磁悬浮列车运行大约30公里的路程，设计时速可达430公里/小时，单向运行时间大约8分钟，年最大客运量为1.5亿人次。从技术性能上看，上海磁悬浮列车达到了世界一流水平。该工程总耗资89亿元，其中银行贷款50亿元，每年的利息大约是3亿元。以现在的票价50元计，即便单程日均客流量8000人次，每天收入也就40万元，每年收入约1.5亿元。目前，美国正在研制地下真空磁悬浮超音速列车。这种神奇的“行星列车”设计最高时速为2.25万公里，2.3纳米材料

1955Femann设想按意愿排列原子，制造机器；70年代，提出纳米技术构想；80年代IBM观察原子排列状态；1991制出纳米管；93年，我国用STM“写”出“中国”二字。它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，包括量子力学、物理、化学、分子生物学、材料料学、信息科学、机械学等学科。纳米科学技术被认为是世纪之交出现的一项高科技术。华为手机纳米芯片2018年以来，华为在芯片方面更取得了突飞猛进的发展。2018年8月，麒麟980发布，成为全球首个采用7nm工艺制程的移动处理器芯片，更创下6项世界纪录；2019年1月，全球首个采用7nm工艺制程、同时支持NSA/SA双模的5G基带芯片巴龙5000亮相，华为一跃成为继高通之后，第二个拥有5G基带芯片的公司，更成为世界上个首个有能力生产NSA/SA双模的5G基带芯片公司；2019年2月，推出首个全球首个5G基站芯片（天罡芯）片，降低了5G基站安装难度和费用。日前，华为更推出了全球第四款采用7nm工艺制程的芯片——麒麟810，由此华为也成为全球唯一一家同时拥有三款7nm芯片的公司。CO-manIBM公司用Xe写的IBM日本用Xe写的原子1993中国用电子探针移走硅形成的图案3.3.3纳米技术展示纳米针尖纳米电动机分子电动机纳米皇冠荷叶表面结构的研究发现其表面的微米/纳米结构与表面植物蜡的协同作用是引起自清洁性的关键.

世界最小的剪刀，右边是电脑绘图，左边为艺术家的想象图07.3.25讯：日本科学家日前制造出了目前世界上最小的分子剪刀，仅3纳米长。一开一合都要用光来控制。研究者表示，这种高科技剪刀可用于帮助操纵身体内的基因、蛋白质和分子等。

纳米科学技术进行纳米级微加工——表面刻蚀600nm石墨表面上刻蚀2.4纳米管1985年C60等球碳1991年管碳(碳纳米管)波意耳(Boyel)怀疑派化学家1661年确立元素概念.碳纳米管上吸附氧Oxygenmolecules(green)adsorbedoncarbonnanotubescausechangesinelectronicproperties,Zettiandcoworkershavefound.©1999KeithBradley把碳纳米管用作转子的纳米马达图像

RIBBONSINTORINGS

UniquecrystalgrowthprocessleadstoseamlessZnOnanoringstructure

LORDY!IT'SARINGThissingle-crystalZnOnanoringstandsoutinathicketofnanobelts.Ithasadiameterof3µm,awidthof300nm,andathicknessof10nm.

Z.L.WANGRESEARCHGROUP[Science,303,1348(2004)].

会发光的巴基球纯粹的C60分子以及它的许多衍生物会猝灭光子。然而，美国加州大学最近在C60环上接上6个四氢吡咯环(图上)，得到具有Th点群对称性的球碳衍生物与聚乙烯咔唑（PVK——Polyvinylcarbazole）以及联萘口恶二唑（BND，Bis-naphthyloxadiazole）的复合物通以电流会像发光二极管（图下）一样发出白光。2.5奇特的巴基球纳米机器人

采用纳米大分子：“生物部件”与小分子无机物晶体结构组合，采用纳米电子学控制装配成纳米机器人，将会给人类医学科技带来深刻的革命，使现在许多的疑难病症得到解决。2005年中国十大科技进展新闻——6

中国科学家成功实现首次单分子自旋态控制。中国科学技术大学科研人员利用低温超高真空扫描隧道显微镜，巧妙地对吸附于金属表面的钴酞菁分子进行“单分子手术”，成功实现了单分子自旋态的控制。这是世界上首次实现了单个分子内部的化学反应，并利用局域的化学反应来改变和控制分子的物理性质，从而实现重要的物理效应，为单分子功能器件的制备提供了一个极为重要的新方法，揭示了单分子科学研究的广阔前景。2006年世界十大科技进展新闻——4最小发电机问世

美国佐治亚理工学院教授王中林等成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机——纳米发电机（长４纳米）

。这一成果发表在《科学》杂志上。纳米发电机在生物医学、军事、无线通信和无线传感方面都将有广泛的重要应用。2018年中国十大科技进展新闻——9科学家首次揭示水合离子微观结构

北京大学江颖和中科院王恩哥院士领衔的一支联合研究团队利用自主研发的高精度显微镜，首次获得水合离子的原子级图像,并发现其输运的“幻数效应”，未来在离子电池、海水淡化以及生命科学相关领域等有重要应用前景。该成果5月14日于《自然》杂志在线发表。2019年世界十大科技进展新闻——5科学家合成世界首个含18个碳原子的纯碳环

2019年8月15日，《科学》杂志发表了牛津大学化学系与IBM苏黎世研究实验室合作的一项成果，他们合成了世界上第一个完全由碳原子构成的环状分子——C18，其中的18个碳原子通过交替的单键和叁键连接而成，早期研究发现C18环分子具有半导体特性，这意味着类似的碳直链结构可能成为分子级别的电子元件。研究团队下一步将对得到的C18分子继续进行包括稳定性在内的基础性质研究。第三章生命科学中的化学前沿生命的元素ⅠAⅡAⅤBⅥBⅦBⅧBⅧBⅧBⅠBⅡBⅢAⅣAⅤAⅥBⅦB

H*

BC*N*O*F

Na*Mg*SiP*S*Cl*K*Ca*V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Se

Br

Mo

Sn

I

*宏量元素

微量元素HOC在磷酸酯键中C和N在碱基中P大沟小沟34Å3.4Å10ÅA(adenine):腺嘌呤G(guanine):鸟嘌呤C(cytosine):胞嘧啶T(thymine):胸腺嘧啶1953，Watson和Crick提出基因工程DNA双螺旋结构及图解细胞工程细胞工程(cellengineering)将一种生物细胞中的全套遗传信息整个地转入另一种生物细胞,从而改变其细胞的遗传性，创造出新的生物类型.细胞融合

不同类型的细胞彼此融合在一起.例:淋巴细胞与骨髓细胞融合,可筛选出杂交瘤细胞株,制成针对不同抗原的单克隆抗体.被称为“生物导弹”细胞培养

植物细胞可以象胚胎细胞那样,经离体培养再生成植株.如:T淋巴细胞(可用来直接杀死癌变细胞)在T细胞生长因子的作用下，可在体外培养.可用来进行病毒抗原的制作和疫苗的生产.3.2人类基因组计划核心:测定人类基因组(5万至10万个基因)的全部DNA序列人类基因组:30亿碱基对组成,分布在细胞核的23对染色体中.与“曼哈顿”原子弹计划,“阿波罗”登月计划并称为自然科学史上的“三计划”又称“跨世纪的曼哈顿工程”.任务:美54%,英33%,日7%,法2.8%,德2.2%,中1%中国:1999.9.1日在伦敦召开的第五次人类基因组测序战略会议上申请参与,承担3号染色体,3000万碱基对的测序.2001.3北京华大基因中心已测4200万对.3.2人类基因组计划2000.6.26国际人类基因组计划发布“人类基因组工作框架图”2001.2.12六国科学家再次发布人类基因组谱图的“基本信息”二000年六月二十六日克林顿宣布人类基因组草图绘制完成人类基因价值人类基因组谱图可帮助人们认识人类疾病形成原因,哪些基因在控制人体的发育，形成及作用.将为未来的生物产业带来一场变革.也会为商家创造巨额财富.所以,比尔.盖兹说:下一个创造更大财富的人将出现在基因领域.例:1997年Amgen公司将FKBP神经免疫因子配体转让Guiford公司,交易额达美元.3.92亿人的基因组谱图可记录一个生命的全部奥秘和隐私(如何时会生何病).根据基因图调整生活方式,活150岁不成问题,如生物钟问题攻克了,人可活500岁.最后染色体基因测序完成破译"生命之书"【Email推荐：】据新华社电美国和英国科学家06.05.18日在英国《自然》杂志网络版上发表了人类最后一个染色体——1号染色体的基因测序，解读人体基因密码的“生命之书”宣告完成。

科学家们认为，成功破译1号染色体将为研究和治疗癌症、帕金森氏症和老年痴呆症等350余种疾病提供指引。人类染色体的扫描显微图3.3生物芯片2005年中国十大科技进展新闻——能在血管中通行的“药物分子运输车”研制成功。中科院上海硅酸盐研究所研制的“纳米药物分子运输车”，直径只有200纳米，装载的药物在沿途不会泄漏，直到引导到了某一个特定的疾病靶点、在人们需要的时候才释放出来，对疾病产生治疗作用。研究人员已经成功完成用“运输车”装载消炎、止痛、抗癌药物的装载控制释放和定向传输的实验。第四章环境科学与化学人类与环境的关系全球环境与环境问题可持续发展的概念与内涵绿色化学绿色化学与中学化学教学全球环境与环境问题环境污染和生态破坏已经成了人类面临的最严重挑战。它已经威胁到人类的生存与发展。一位国家元首说过：当前环境恶化是人类面临的除核战争之外的最大危险。英国的《每日电讯报》曾作过一次民意测验，测验的结果是公众认为当今的环境恶化相当于第三次世界大战。最近据专家估算，中国目前每年由于环境污染破坏所造成的经济损失高达

亿元，相当于60个唐山大地震所造成的损失。6000污染环境的工厂拯救地球全球每年向大气中排放的二氧化碳约有230亿吨，比上世纪初增加了25%，与此同时空气中的颗粒物质、二氧化硫、一氧化碳、硫化氢等污染物也大量增加。全世界森林面积以每年约1700万公顷的速度消失，平均每天有140种生物消亡等。所有这一切都在向人类发出警示：人类在破坏地球环境的同时，也在毁灭着自己。人类只有一个地球，尊重地球就是尊重生命，拯救地球就是拯救未来！GreenChemistry

Greenchemistryinvolveschemistrythatisusedtopreventpollution,byusingchemistryinthedesignofchemicalproductsandprocessesthatreduceoreliminatetheuseandgenerationofhazardoussubstances.Greenchemistrycanalsobeknownassustainablechemistry.绿色化学又称环境无害化学(Environmentally

Benign

Chemistry)、环境友好化学(Environmentally

Friendly

Chemistry)、清洁化学(Clean

Chemistry)。绿色化学即是用化学的技术和方法去消灭或减少那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂在生产过程中的使用，同时也要在生产过程中不产生有毒有害的副产物、废物和产品。

绿色化学的特点绿色化学所研究的中心问题是使化学反应具有以下的特点：（1）采用无毒、无害的原料；（2）在无毒无害的反应条件下进行；（3）具有“原子经济性”，即反应具有高选择性，极少副产品，甚至实现零排放；（4）产品应是环境友好的。（5）满足“物美价廉”的传统标准2009福布斯中国富豪榜名单

2009福布斯中国富豪榜在上海发布。由巴菲特一手“提携”的比亚迪董事长王传福以396亿元位列2009福布斯中国富豪榜第一位。毕业院校：中南大学化学系冶金物理化学专业（本科），北京有色金属研究总院（硕士）2010胡润中国百富榜

46岁的李锂及其家族以财富400亿元排名第二。主营业务是开发、生产经营原料药肝素钠--从猪小肠粘膜中提取肝素，加工形成肝素制剂。肝素是很好的抗血凝药物，用于治疗心脑血管疾病。2019福布斯中国富豪榜名单

2019福布斯中国富豪榜中陈建华、范红卫家族位列第16位。他们的公司恒力集团所属行业为化工行业。恒力集团始建于1994年5月18日，是以炼油、石化、聚酯新材料和纺织全产业链发展的国际型企业。

[1]

集团现拥有全球单体产能最大的PTA工厂之一、全球最大的超亮光丝和工业丝生产基地之一、全球最大的织造企业之一，建有国家“企业技术中心”，企业竞争力和产品品牌价值均列国际行业前列。我们为什么学化学呢？听听大佬们怎么说。。。富国之策，虽不止一端，要在开辟天然富源，促进生产建设，发达国防工业，而待举百端，皆须化学家之努力。

——戴安邦戴安邦（1901--1999）

著名无机化学家、化学教育家。中科院院士(学部委员)。我国配位化学奠基者之一。毕生致力于化学教育和科学研究，培育了中国几代人才。作为新中国的化学家，要想充分利用我们的丰富资源，首先须更清楚地了解它的化学。——傅鹰傅鹰（1902-1979）著名物理化学家、教育家，中科院院士（学部委员）。中国胶体科学的主要奠基者，中国色谱研究的先驱者之一。化学家的“元素组成”应当是C3H3。即：ClearHead(清醒的头脑)+CleverHands(灵巧的双手)+CleanHabits(洁净的习惯)。——卢嘉锡卢嘉锡（1915—2001）著名物理化学家、教育家、社会活动家，中科院院士（学部委员），第八届全国人大副委员长。在结构化学研究中有杰出贡献，提出固氮酶活性中心的结构模型，对中国原子簇化学的发展有着重要推动作用。化学是不断发明和制造对人类更有用的新物质的科学。化学科学是现代科学技术发展的重要基础学科。——徐光宪徐光宪（1920-2015）著名物理化学家，无机化学家，教育家，中国科学院院士。2008年度国家最高科学技术奖，被誉为“稀土之父”

。化学引导着发现与创造，化学是最具有创新性的一个学科，化学是唯一的一个学科，一个领域，能够合成新的物质，稳定存在新的物质。化学是带来重大发明创造的学科，支撑了人类社会可持续发展，引领了科学与技术进步。——白春礼白春礼中科院院士，中国科学院院长，发展中国家科学院院长。纳米科技专家。中国扫描隧道显微学的开拓者之一。我选读化学是因为喜欢从事客观理性的分析工作。人们总认为化学家制造污染、毒物，其实这是一个靠化学才能正常运转的世界。——任咏华任咏华中科院院士，无机化学家。香港大学化学系讲座教授兼系主任，至今保持着中国最年轻的女院士记录。化学对改造人类客观世界可以发挥很大作用，但是作为个人来讲最吸引我的就是它变化多端。当你感觉到它的变化多端，就会具有一种挑战性，如果你对发生的事情无法做出非常具体判断的时候，就会产生巨大的好奇心。——杨玉良杨玉良中国科学院院士、复旦大学前校长。中国高分子化学领域首席科学家，国家重大基础研究“攀登计划”高分子凝聚态物理基本问题专家组首席专家，主要从事高分子凝聚态物理研究。化学是自己选的，因为数理化一直是自己的拿手，而化学相对来说更为实用，可以多做点事情。——于吉红于吉红

著名无机化学家，中科院院士。吉林大学中外高层次人才引进基地—国际合作联合实验室主任。主要从事从事分子筛多孔催化材料的定向设计与合成研究化学为什么有这么大的魅力呢？有两方面：从理