大学化学-化学原理

1、化学原理（1）,1,绪论,Introduction,为什么本专业要学习化学原理（1）课程？, 明确开设本课程的意义并掌握基础理论 了解化学在社会发展中的作用与地位 开阔视野，拓宽知识面，完善知识体系,2,一、开设本课程的意义,化学作为一门重要的基础学科，它在自然科学中具有重要的地位。 Pimentel G.C. 美 在化学中的机会-今天和明天一书中指出，“化学是一门中心科学，它与社会发展各方面的需要都有密切关系。” 世界是由物质组成的。所有物质，大至星球小至微生物，都是由为数不多的化学元素以原子、分子、离子的形态组成的。,3, 物理变化：不产生新物质，只是改变了物质的状态 例如水的结冰，碘的升

2、华。 化学变化：一些物质转化为性质不同的另一些物质 例如煤的燃烧，其实质是将碳转变为二氧化碳气体。物质的组成和结合方式都发生了改变，生成的新物质表现出与原物质完全不同的物理性质和化学性质。,只要仔细观察一下周围的世界，就会发现形形色色的物质都处于变化之中。按照物质变化的特点，大致可分为两种类型：,化学是一门以研究物质的化学变化为主的科学，在原子、分子的层次上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律。,4, 化学已经成为人类认识物质自然界，改造物质自然界，并从物质和自然界的相互作用得到进步的一种极为重要的武器，人类的生活密切地依赖化学。 但科学是双刃剑，经过 100 多年的工业大发展之后，人们才渐

3、渐明白：天然资源的滥采和化学品的滥用已经反过来影响人类的安全。三废的治理和利用，寻找净化环境的方法和对污染情况的监测，都是现今化学工作者的重要任务，绿色化学是化学发展的总的指导思想。 能源危机也是困扰人类发展的一大难题，开发和利用新能源，特别是清洁而又取之不尽的能源是化学工作者们奋斗的目标，核能、氢能、太阳能、燃料电池、生物物质能源、利用海水盐差发电等是 21 世纪化学的前沿性课题。 材料科学创造了生产和生活的物质基础。如高分子材料造就了合成纤维、轮胎、塑料制品；荧光物质的发现产生了电视、半导体与信息产业等。 今后需要进一步研究和开发具有特殊光、电、磁及催化性能的新材料。,5,2011. 8.

4、 28 江苏卫视非诚勿扰节目上，一位拥有生物化学博士学位的男嘉宾陈晨用自己的专业知识解读爱情的发展过程： “放电期”：当遇到心动异性的时候，人体内会分泌一种神经兴奋剂 “苯基乙胺”； 热恋期：人体内会分泌“多巴胺” ，给人甜蜜、幸福的感觉。但其浓度高峰最多仅能维持 4-5 年，所以甜蜜的感觉最多也仅有4-5 年，建议谈恋爱不宜太久； 结婚后：体内会分泌“内啡肽”，用安逸、平和来填补激情，维持婚姻的长久发展； 发生婚外恋时：体内分泌的苯基乙胺多于内啡肽。 那么，这些激素都是什么物质？通过什么机制对人体产生这些作用呢？,爱情是大脑中的一种 “化学鸡尾酒” ，由化学物质多巴胺、苯乙胺、后叶催产素（由

5、脑下垂体分泌的一种激素，与人体天然产生的 “鸦片” 内啡肽有协同作用，启动依恋他人的愿望）组成，时间长了，人体会对这三种物质产生抗体。 爱情的保鲜期是在恋爱的第 4-5 个年头，因为苯乙胺的分泌水平会逐渐下降。,6,苯基乙胺：,苯乙胺结构简式中文名称：2-苯乙胺；2-苯基乙胺。,英文名称：Phenethylamine；2-Phenylethylamine；Benzene ethanamine；-Phenylethylamine； 1-Amino-2-phenyle,分子式：C8H11N；C6H5CH2CH2NH2；分子量：121.18,7,当一个人遇到所爱的人时，体内便会迅速产生大量的苯乙胺物

6、质，眼神里会流露出勾人心魄的秋波；能使若悬河的演说家呆若木鸡；使木讷寡言者像诗人一样出口成章；没有力气的人，竟也能将一百多斤重的情人一口气抱到三楼。又据生化专家们测定，此时双方的血液中苯乙胺的含量比平时高出 2 5 倍之多。 科学家还发现苯乙胺等物质，不但人体会自然而然地合成、释放，而且不少食物、苹果中也有极丰富的含量，巧克力或含巧克力的食品中，都含有苯乙胺；此外还有莴苣、人参、核桃仁、什果类、枸杞子、枣类等。 专家们建议：如果你失恋了，血液中的苯乙胺含量就会降低。长此以往，便会百病缠身，你应该想方设法，来排解失恋的烦恼，如唱歌、跳舞、听音乐、听相声、找朋友谈心，以激发自己多产生苯乙胺，从而改

7、善忧虑心情，找回欢乐的春天。,8,多巴胺（Dopamine）：,分子式 C6H3(OH)2-CH2-CH2-NH2，由脑内分泌，可影响一个人的情绪。 它正式的化学名称为 4-(2-乙胺基) 苯-1,2-二醇，简称DA。 Arvid Carlsson 确定多巴胺为脑内信息传递者的角色使他赢得了2000 年诺贝尔医学奖。多巴胺是一种神经传导物质，用来帮助细胞传送脉冲的化学物质。这种脑内分泌主要负责大脑的情欲、感觉，将兴奋及开心的信息传递，也与上瘾有关。,9,内啡肽（endorphin）：,亦称安多芬或脑内啡，是一种内成性（脑下垂体分泌）的类吗啡生物化学合成物激素。它是由脑下垂体和脊椎动物的丘脑下部

8、所分泌的氨基化合物(肽) 。它能与吗啡受体结合，产生跟吗啡、鸦片剂一样有止痛和欣快感。等同天然的镇痛剂。 英文endorphin是endomorphin 的简化写法，endo 有内在之含意，而 morphin 则为吗啡的英文名称，故 endorphin 有大脑自我制造的类吗啡物质之意。是具有吗啡样活性的神经肽的总称。 当机体有伤痛刺激时，内啡肽被释放出来以对抗疼痛。在内腓肽的激发下，人的身心处于轻松愉悦的状态中，免疫系统实力得以强化，并能顺利入梦，消除失眠症。,10,1. 化学发展历程大事记, 古代化学时期 ( 17 世纪中叶以前 ) 以实用为目的，化学知识来源于具体工艺过程的经验，包括炼丹术

9、、炼金术以及医药化学的萌芽等。, 近代化学时期(1) 1661年 玻义耳首次提出了科学的元素概念(2) 1777年 拉瓦锡提出了燃烧的氧化学学说，彻底推翻了燃素说 (3) 1811年 阿伏加德罗提出了分子假说为物质结构价键理论的研究奠定基础 (4) 1827年 道尔顿建立了原子论，强调不同元素的原子质量不同，并以简单 的比例化合成化合物(5) 1869年 门捷列夫建立了元素周期率，不仅使无机化学形成了比较完整的 体系，而且与原子分子学说相结合，形成了化学理论体系,二、现代化学的发展历史,11, 现代化学时期 (1) 19 世纪末的三大发现：X 射线、放射性和电子。打开了原子和原子核的大门，使化

10、学家能够从微观的角度和更深的层次来研究物质的性质和化学变化的根本原因； (2) 现代化学发展到现在已有百年历史，这是一个丰收期，无论在化学理论、研究方法、实验技术及应用等方面都发生了深刻的变化。,2. 现代化学学科的分支,化学的研究范围极其广泛，按其研究对象和研究目的的不同，在 20 世纪20年代，形成了传统的四大化学： 无机化学、有机化学、分析化学、 物理化学,12,无机化学 研究无机物的组成、性质、结构和反应的科学 无机物是除碳以外的其它元素及其化合物( 碳的化合物中，CO，CO2和碳酸盐也是无机物) 无机化学的形成常以1870 年前后, 门捷列夫和迈尔发现元素周期律和公布元素周期表为标志

11、。他们把当时已知的 63 种元素及其化合物的零散知识，归纳成一个统一整体。一个多世纪以来，化学研究的成果还在不断丰富和发展元素周期律，元素周期律的发现是科学史上的一个勋业。 现代无机化学在合成新材料、超导体、配合物催化剂、金属原子簇化学、稀土元素化学、核化学、生物无机化学等领域正在发挥着越来越重要的作用。 现在，无机材料化学、生物无机化学、有机金属化学是无机化学中最为活跃的一些领域。例如：在合成新材料方面，已经能合成出比头发还细的石英光导纤维。,Inorganic Chemistry,13,无机化学 研究无机物的组成、性质、结构和反应的科学 无机化学学科诺贝尔获奖历程：,Inorganic C

12、hemistry, 1904年 拉姆塞(18521916)英国化学家，1894至1910年发现并分离出空气中的惰性气体氖、氩、氪、氙，它们又称为“钝气” 1906年 莫瓦桑(18521907)法国化学家， 1886年发现并提纯了最活泼的元素氟 1913年 维尔纳(18661919)瑞士化学家，1893年提出了配位化学理论。 1934年 尤里(18931981)美国物理学家，1931年提取出了氢的同位素重氢 1985年 斯莫利、克罗托和科尔发现碳元素也可以非常稳定地以球的形状存在，他们称这些新的碳球为“富勒烯”。,14,有机化学 有机化学的结构理论和有机化合物的分类，形成于19世纪下半叶。有机化

13、学研究碳氢化合物及其衍生物，碳原子的正四面体结构是有机化合物结构的重要基础，故有人认为有机化学就是“碳的化学”。 有机化学使煤、石油、天然气、农林牧渔产品等自然资源得到充分的综合利用，为合成染料、医药、农药、炸药等工业建立理论基础,在有机物中有些小分子如乙烯、丙烯，在一定温度、压力和有催化剂的条件下可以聚合成为分子量为几万、几十万的高分子材料，如塑料、人造纤维、人造橡胶、涂料、粘合剂等。目前高分子材料的年产量已超过 1 亿吨，其总产量大大超过各种金属总产量之和。若按使用材料的主要种类来划分时代，人类经历了石器时代、青铜器时代、铁器时代，目前正在迈向高分子时代。,Organic Chemistr

14、y,15,有机化学 有机化学学科诺贝尔获奖历程：, 1902年 费舍尔(18521919) 德国化学家，合成了近30 种糖类化合物和150 多种嘌呤化合物，为有机化学广泛应用于现代工业奠定了基础 1912年 萨巴蒂埃(18541941)法国化学家，研究有机化合物的加氢方法，使油脂中的不饱和脂肪酸加氢，变成饱和脂肪酸，为油脂工业的发展奠定了基础 1923年 温道斯(18761959)德国化学家，1927 年发现并分离出维生素D1 和D3，此后又确定了维生素D类物质的化学结构 1965年 伍德沃德(19171979)美国化学家，1942至1972年人工合成了维生素B12、四环素等多种天然有机合成物

15、 1990年 科里(1928)美国化学家，人工合成了几百种天然有机化合物，并提出了“逆合成分析原理”，使有机合成方案系统化并符合逻辑,Organic Chemistry,16,反式脂肪酸结构,17,分析化学 分析化学分支形成最早，自19 世纪初，原子量的准确测定，促进了分析化学的发展，这对原子量数据的积累和元素周期律的发现，都有很重要的作用。 研究物质中含有哪些元素和基团，每种成分的含量、物质的纯度、原子在分子中的排列等，按其分析方法可以分为化学分析法和仪器分析法。 如对运动员的兴奋剂监测中，某些违禁药物的浓度即使低到 10-13 gmL-1 也能被检测出。目前分析化学不再只限于测定物质组成和

16、含量，而要对物质的状态 (氧化-还原态、各种结合态、结晶态)、立体结构 、表面组成以及化学行为和生物活性等作出瞬时追踪，进行无损和在线监测等分析及过程控制，甚至要求直接观察到原子和分子的形态与排列。,Physical Chemistry,18,物理化学 从物质的物理现象和化学现象的联系入手，探索化学变化的基本规律，实验方法上也主要采用物理学的方法和手段。 物理化学是引用物理学知识研究物质和化学现象的边缘科学。化学反应能不能发生？如何提高这些反应的效率？ 这都是物理化学的研究内容之一， 它们具有很强的精确性和逻辑性。因此，它对于化学的进步和化工生产的发展具有指导意义。 物理化学研究的是化学反应的

17、方向和限度（化学热力学）、化学反应的速率和机理（化学动力学）以及物质的微观结构与宏观性质间的关系（结构化学）等问题，它是化学学科的理论核心。,Physical Chemistry,19,物理化学 物理化学学科诺贝尔获奖历程：, 1901年 范特霍夫(18521911)荷兰物理化学家，1875至1887年建立了化学平衡理论，并对立体化学、物理化学、化学动力学的发展作出了重大贡献 1903年 阿伦尼乌斯(18591927)瑞典物理化学家，1884年提出了电离学说，成为是现代化学的基础理论之一 1920年 能斯特(18641941)德国物理化学家，1887至1906年在电化学和热动力学方面作出了卓越

18、贡献，提出热力学第三定律 1956年 欣谢尔伍德提出了“气体爆炸理论”，谢苗诺夫发现了气体反应动力学中的“支链反应”，建立了化学连锁反应理论 1968年 翁萨格(19031976)挪威裔美国物理学家，2030 年代创立了多种热动作用之间的相互关系理论，为现代不可逆过程热力学奠定了基础,Analytical Chemistry,20,化学在现代社会中的作用和地位,21,历史故事:关于几个重要工业过程及其催化剂的开发历程,1、合成氨反应催化剂的开发：N2 3 H2 2 NH3 用途：氮肥、TNT、农药、聚丙烯晴纤维等 重要学者：Haber, Bosch, Mittasch 等 1909 年末发现 Fe3O4 Al2O3 K2O “双重促进铁催化剂” 1913 年 9 月 7 日建成10 吨/日的工业化装置 获 1918 年 (Haber) 和1931年 (Bosch) 诺贝尔化学奖,2、聚乙烯、聚丙烯的生产：齐格勒纳塔催化剂 用途：人工合成自然界并不存在的塑料，聚乙烯耐化学腐蚀、耐水耐寒，重量轻，卫生安全，易成型，还具有绝缘性。二战时被用做雷达用电绝缘物，现广泛用做薄膜、电线包皮、餐具及其它日用品。,22,历史故事:关于几个重要工业过程及其催化剂的开发历程,1953年，时任 Keiser Wilhelm 煤炭研究所所长的 Karl Z