王华化学之美.ppt

1、化学之美 （生活之美、艺术之美） 王 华 河南大学 2014-8-28,国培计划-2014,个人简历,1983.9 1987.7 江苏师范大学化学系，化学专业，学士 1987.9 1990.7 中国科学技术大学化学系，有机化学专业，硕士 1990.7 1993.8 河南大学化学化工系，助教 1992.9 1995.7 中国科学院感光化学所，有机化学专业，博士 1993.9 1996.10 河南大学化学化工学院，讲师 1996.11 2004.10 河南大学化学化工学院，副教授 1997.8 1999.4 以色列西伯莱大学物理化学系，博士后 1999.6 2002.4 美国内布拉斯加大学林肯分校

2、化学系，博士后 2002.5 2004.5 美国德克萨斯大学奥斯汀分校化学系，博士后 2004.7 特种功能材料教育部重点实验室（河南大学） 教授、博导、校特聘教授、河南省特聘教授 学科专业：有机化学；研究方向：有机光电功能材料、有机合成,Alfred Bernhard Nobel,化学,化学之美,生活之美,艺术之美,化学改变着人类的生活,远古时代，先民们就懂得如何生火取食。在长期的生产和生活实践中，学会了造纸、烧制陶瓷、制造火药、酿酒等，成为我国古代的几大化学工艺。,摩擦生火：人类告别动物界的壮举,化学改变着人类的生活,瓷器 (china),我国陶器的烧制已有近万年的历史，而瓷器的出现也有1

3、800余年的历史。 至于陶器是怎样发明的，它可能是由于涂有粘土的篮子经过火烧，形成不易透水的容器，这种容器耐火，且能用以烧煮食物，不久之后，塑造成型并经烧制的陶器也就开始出现了,陶器 (pottery ),粘土主要成分是二氧化硅,还有氧化镁、碳酸钙和三氧化二铝。在大约900条件下,它们之间会部分进行化学反应,生成硅酸钙和硅酸铝,并融合在一起形成坚硬的陶。- 化学过程,陶器与瓷器的区别: 使用材料、烧成温度。陶器可以使用包括瓷土在内的各种矿物粘土（硅酸盐）制作，烧成温度较低，多在7001000之间，胎体基本烧结，不再遇水分解，但气孔率和吸水率较高。在显微镜下观察胎体，极少存在玻璃相莫来石（铝硅酸

4、盐）结晶体，换句话说就是没有瓷化，敲击之声较沉闷。而瓷器使用的是氧化铝含量较高的瓷土即高岭土烧制。瓷器的烧成温度至少在1100以上，胎质基本瓷化，显微观察有大量莫来石结晶体存在，气孔率和吸水率较低，敲击之声清脆。釉：覆盖在陶瓷制品表面的无色或有色的玻璃质薄层。由矿物原料（长石、石英、滑石、高岭土等）和化工原料（无机盐）按一定比例配合，经过研磨制成釉浆，施于坯体。,铸造-1：青铜器时代（公元前21世纪公元前9世纪，鼎盛于夏.商.周）,铜的熔点是1083.4度,黄铜矿石,孔雀石,化学改变着人类的生活,铸造-2：铁器时代（公元前2世纪到公元19世纪）,铁的熔点是1534.8度,铁矿石,氧化铁 + 焦

5、炭 金属铁,化学改变着人类的生活,化学改变着人类的生活,酿酒 5000多年历史,酿酒：利用微生物发酵生产含一定浓度酒精饮料的过程。 粮食：米、面、杂粮（主要成分：淀粉） 经米曲霉发酵降解（糖化过程）产生低聚糖与单糖（葡萄糖与果糖）再经酵母菌酶催化氧化过程产生乙醇（酒精），后经蒸馏工序获得白酒。,化学改变着人类的生活,粮食：米、面、杂粮（主要成分：淀粉） 经发酵降解产生低聚糖与单糖（葡萄糖与果糖）再经酶催化氧化过程产生乙醇（酒精），进一步被氧化就可以产生乙酸（醋酸）。食用醋：2-9%乙酸,酿醋 3000多年历史,化学改变着人类的生活,传统生产中以大豆为主；大豆（蛋白质）经发酵降解 产生多肽 经酶

6、催化降解 产生多种氨基酸，其中谷氨酸钠（即味精）- 酱油,酿酱油 1800多年历史 （北魏）,化学改变着人类的生活,做豆腐,汉朝炼丹家淮南王刘安发明（2100年历史） 熟豆浆经点卤：盐卤（氯化镁）、石膏（硫酸钙）以凝固成豆腐花 （蛋白变性过程），其后经木板压制形成水豆腐,化学改变着人类的生活,蔡伦（东汉）造纸（105年）,造纸术的传播：阿拉伯人俘虏中国造纸工匠 公元751年，唐朝大将高仙芝率军与阿拉伯帝国将军沙利会战于今哈萨克斯坦的江布尔。唐军战败, 部分造纸工匠被阿拉伯军队俘虏。他们传授造纸技术，并建立了阿拉伯帝国第一个生产麻纸的造纸场。后传播至欧洲。,蔡伦是我国“四大发明”中造纸术的改进者

7、，“影响人类历史进程的100名人”、“人类有史以来最佳发明家”之一。 东汉永元四年（92），蔡伦任尚方令后，利用供职之便，常到乡间作坊察看，见蚕妇缫丝漂絮后，竹簟上尚留下一层短毛丝絮，揭下似缣帛，可以用来书写。从而得到启发，便收集树皮、废麻、破布、旧鱼网等原料，在宫廷作坊施以锉、煮、浸、捣、抄等法，试用植物纤维造纸，终于造出植物纤维纸。元兴元年（105），他将造纸过程、方法写成奏章，连同造出来的植物纤维纸，呈报汉和帝，和帝大加赞赏，蔡伦造纸术很快传开。,炼丹术 （始于周秦）,炼丹术：近代化学的先驱,葛洪(公元284364年)，东晋道教学者、著名炼丹家、医药学家 原料：金、水银、铅、铜、硫磺、丹

8、砂、雄黄（AsS2），还有矿石与名贵药材,HgS(丹砂) + O2(空气) = Hg(水银) + SO2(二氧化硫) Hg(水银) + S(硫磺) = HgS(丹砂),加热,炼丹材料,黄金：具有百炼不消和永不腐朽的性质。可使人长生不老，但黄金含有毒性， 不能单独服用。炼丹术士们便把它和其他药物合在一起，祛除其毒性， 炼成可以服用的金丹。汞（水银）：具有活泼多变的性质。把它和其他金属合炼。例如，与铅合炼成 铅汞丹，与硫合炼成丹砂等。铅：具有活泼多变的性质，而且与其他物质化合后，它还能产生红、白、黄、 黑等各种不同的颜色。炼丹术士炼制出来的一些所谓白银，其中的主要 成分就是铅。铜：由于它的颜色最接

9、近金，炼丹术士们经常用它来炼制金丹。硫磺：炼丹术士们经常用它来点化贱金属成贵金属，如金、银、铜、铁、铅等丹砂，即硫化汞：它色泽鲜艳，质地坚硬，具有阳性。它常和金、铜、铅等 金属合炼，是炼丹常用的原材料。雄黄，即二硫化砷；雌黄，即硫化亚 砷，它们具有活泼多变的性质，而且颜色与黄金相似，且有驱邪杀毒功 效。炼丹术士们用它来炼制金丹，而炼金术士们则用它来点化金银。其他原材料：如磁石、硝石、矾石、滑石、长石、石棉、云母、铅母、砒霜、 盐、石灰、醋、酒等矿物类的药材，以及灵芝、茯苓、五倍子、覆盆子 天南星、皂荚、朱草、菟丝、鸡血藤等植物类的药材。,火药 （孙思邈 . 唐） 四大发明之一,火药,火药原理：

10、 S + 2KNO3 + 3C = K2S + 3CO2+ N2 硫磺 硝石 木碳 硫化钾 二氧化碳 氮气,烟花、鞭炮,火药用途：烟花（鞭炮）、火器,公元1126年，李纲守开封时，就是用霹雳炮击退金兵的围攻。金史对震天雷有这样的描述：“火药发作，声如雷震，热力达半亩之上，人与牛皮皆碎并无迹，甲铁皆透”。,军事：火器,火药：飞天梦想,“万户”（明） 飞天梦想,47枚火箭助推，风筝（降落伞）,月球：“万户撞击坑” 直径52公里，位于月球背面南纬9.8度、西经138.8度区域 （二十世纪七十年代，国际天文联合会）,近代化学（17-19世纪）为什么没有出现在中国？,为什么近代化学没有出现在中国？ 1）

11、封建体制：重文轻理，社会地位迥异（文为官，理为匠），群体差异。 2）东方哲学：重实效轻机理，如中医 3）传承：传男不传女、师傅传徒弟、口述相传 4）社会、朝代动荡：技术失传。 如铸造（剑：汉朝之前；铜镜：战国.唐为顶峰） 5）道教的神秘主义、封建迷信：炼丹需在人迹罕到、有神仙来往的名山胜地 讲究风水、时辰等宗教因素，欠缺细致的过程观察 6）技术层面：没有玻璃这样的实验器具（阿拉伯人发明了玻璃）,中国的炼丹术、火药经印度、阿拉伯传入欧洲，后产生“燃素学说”、 “定量化学”、原子-分子概念、元素周期表等，最终形成了近代化学。,吴王夫差剑 （2500年）,越王勾践剑 （2500年）,玻璃,我国发现玻

12、璃已有3000多年的历史，西周出现琉璃后，由于琉璃原料的珍贵,被誉为五大名器之首(琉璃、金银、玉翠、陶瓷、青铜),琉璃工艺品远比玉石、黄金更为贵重。 由于适用性强、成本低廉的陶瓷业高度发达，严重影响了我国琉璃的发展。清代由于引进了西方的先进工艺与人才，使国内玻璃制造技术得到很大提高，形成我国的玻璃产业。,钠钙玻璃：以二氧化硅含量为主，还含有15%的氧化钠和16%的氧化钙，其成本低廉。600C以上可以软化，易成型，适宜大规模生产，其产量占实用玻璃的90%。可生产玻璃瓶罐、平板玻璃、器皿、灯泡等。,化学中的玻璃仪器,炼丹炉,化学工业：国民经济中的第二产业,污染与防治：1）工艺改进； 2）环保意识与

13、措施；3）法制,石油化工,陆地开采,近海开采,石油冶炼,原油,石油化工,防腐 铺路,火力发电燃料,原油,石油黑色黄金，战争的源泉,化学改变了人类的生活,化学衣食住行,粮食：化肥、农药,衣服：化纤、染色,衣,食,住,住房：建筑装饰材料、家具,出行：交通工具的材质、动力燃料等,行,化学改变了人类的生活,化学中心学科,材料学如高分子材料,医药学西药,航天太阳能的利用,军事国防炸药,化学已不可逆转地改变着人类的生活：创造着生活美,化学之美：化学的艺术魅力,原子,分子,细胞,生物体,非生物体,自然界,化学,背景知识：原子与分子的概念,原子 (Atom)：在化学变化中不可再分的基本微粒，是构成 化学元素的

14、基本单元。,分子 (Molecule)：能单独存在、并保持纯物质的化学性质的 最小粒子。 分子的尺寸：10-10 米, 比方：水分子与乒乓球，乒乓球与地球 原子组成了分子，即分子是由原子组成的。,七巧板,26个字母,单词,文章,什么是化学？,化学的本质：构成物质分子的化学键的形成与断裂。 化学是一门研究分子结构（骨架）变化的艺术，如同搭积木。 化学是研究物质的组成、结构、性质以及变化规律的科学。,醋酸 + 乙醇 乙酸乙酯（香料）,酸催化,红球：氧；黑球：碳；白球：氢,化学之美,化学之美：来源于分子结构（骨架）的艺术之美 对称之美,镜像之美,螺旋之美,自然界与人类文明中到处存在对称之美,一、对称

15、之美,对称：指物体或图形在某种变换（例如绕直线轴的旋转、中心点旋转）条件下，其相同部分间有规律重复的现象。 对称分类：轴对称、中心对称、镜像对称等。 轴对称图形：指在平面内沿一条直线折叠，直线两旁的部分能够完全重合的图形。轴对称又称为左右对称。,对称元素,对称轴,对称中心,对称面,对称元素,对称之美 - 雪花,雪花,对称之美 蝴蝶,蝴蝶,对称之美 - 动物与人,对称之美 艺术作品,对称之美 - 古今建筑,化学之美 - 对称之美,为什么自然界如此偏爱对称？可以从微观分子层面去寻求可能的答案 从分子层面到宏观物质层面去理解对称之美。,晶体 碳的同素异形体 稠环芳香化合物的分子结构,（I）化学中晶体

16、的对称之美,氯气 + 金属钠 氯化钠,燃烧,立方单晶,食盐,线性纳米晶体,平面纳米晶体,立方纳米晶体,晶体生长,块状晶体,块状晶体,从微观到宏观的对称之美,（I）化学中晶体的对称之美,六方晶体,三斜晶体,立方晶体,七大晶系,单斜晶体,正交晶体,四方晶体,三方晶体,（I）化学中晶体的对称之美,（II）碳的同素异形体：对称之美,煤炭,单质碳存在形式：石墨、金刚石、碳纳米管、富勒烯（C60）,石墨烯,石墨薄片,石墨基光伏电池,石墨 层状结构 铅笔,单质碳存在形式：金刚石、富勒烯（C60）、石墨、碳纳米管,金刚石 钻戒,478克拉,（II）碳的同素异形体：对称之美,金刚石的分子结构,富勒烯（C60）的

17、分子结构,须在高温高压下进行，甚至在温度20004000和压强6万12万个大气压下，这个转变速率仍然不大，还需用铬、铁和铂等作催化剂。,高温、高压,催化剂,石墨转变为金刚石 ?,巨细：0.5mm，重约0.1克拉，用于磨料：切削和地质、石油的钻井用的钻头 我国最大：3mm直径,1 克拉 = 0.2 克,（III）苯基芳香化合物：对称之美,苯,苯 萘 蒽 并四苯,线性对称,碳氢两种元素组成,苯可燃、有毒，也是一种致癌物质，但苯又是制取塑料、 橡胶、纤维、染料、去污剂、杀虫剂等的原料。,凯库勒式,平面对称,苯 芘 苝 蔻,石墨烯,石墨烯片段,（III）苯基芳香化合物：对称之美,立体（球型、棒状）对称

18、,C70,C60,（封端）碳纳米管,（III）苯基芳香化合物：对称之美,（IV）噻吩基芳香化合物：对称之美,噻吩,在上述的对称之美中还存在着一类特殊的对称关系,二、镜像之美（手性之美）,镜像之美,人实像虚,镜像对称：左右实体,镜像对称：左右一体,镜像之美,物质分子互为实物和镜象关系（象左手和右手一样）彼此不能完全重叠的特征，称为分子的手性。,三叶结,镜像之美 手性,闭合丝带,手套,脚,风扇,1848年巴斯德L.Pasteur (1822-1895)在研究酒石酸钠铵的晶体时，发现无旋光性的酒石酸钠铵是两种互为镜象不同的晶体的混合物。他用放大镜和镊子，把混合物分离：右旋的晶体与左旋的晶体。,酒石酸

19、钠铵晶体,手性的发现,四面体结构,化学中的手性之一：中心手性,(R)-1-苯基乙醇,(S)-1-苯基乙醇,中心手性,化学中的手性之二：轴手性,联苯衍生物,化学中的手性之三：螺旋手性,螺旋手性,6螺烯,右手性螺旋,左手性螺旋,手性螺旋,手性的形貌,酒石酸胺钠,晶体,螺旋丝带,手性的形貌,当用D-型的樟脑磺酸掺杂苯胺聚合，右旋的螺旋纳米纤维；若用L-型的樟脑磺酸掺杂，可获得左旋的螺旋纳米纤维。,樟脑磺酸,螺旋纤维,手性的产生,手性的产生,立体化学反应的实例：催化加氢,手性诱导因素：可获得一种手性产物 重要的应用价值：合成手性药物,手性催化剂,手性药物,手性在自然界是非常普遍的现象，作为生命活动重要基础的生物大分子，如蛋白质、多糖、核酸和酶等，几乎全是手性的，这些大分子在体内往往具有重要的生理功能。自然界中酶 对手性物种（如L-型氨基酸、手性药物等）识别 手性识别,红霉素,钥匙-锁,三、螺旋之美,在上述的镜像之美中存在着一类特殊的手性对映关系,螺旋无处不在,宇宙星云,丝瓜藤,藤缠树：右手性缠绕攀援,氨基酸是指含有氨基的羧酸。生物体内的各种蛋白质是由20种基本氨基酸构成的。除甘氨酸外均为L型氨基酸。 除甘氨酸外