第一節(jié)　現(xiàn)代化學(xué)概述

攻克科學(xué)堡壘，就像打仗一樣，總會(huì)有人犧牲，有人受傷，我要為科學(xué)而獻(xiàn)身。

——羅蒙諾索夫（前蘇聯(lián)）

化學(xué)是一門(mén)重要的基礎(chǔ)學(xué)科，它主要研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；物質(zhì)在各種不同聚集下、在分子與原子水平上的變化和反應(yīng)規(guī)律及其結(jié)構(gòu)和各種性質(zhì)之間的關(guān)系；物質(zhì)在變化和反應(yīng)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化、能量關(guān)系和各種性質(zhì)的影響；根據(jù)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系，如何合成出各種需要的化學(xué)的物質(zhì)?；瘜W(xué)來(lái)源于煉金術(shù)和化學(xué)工藝，開(kāi)始于17世紀(jì)英國(guó)的波義耳。

（一）化學(xué)史上的三次重大突破

第一次是1808年英國(guó)化學(xué)家道爾頓提出原子學(xué)說(shuō)，合理地解釋了當(dāng)時(shí)的一些化學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律，精確地闡明了化學(xué)變化是原子間的化合與分解，從此結(jié)束了化學(xué)的神秘性。不同元素代表不同原子；分子是由原子在空間按一定方式或結(jié)構(gòu)結(jié)合而成的；分子的結(jié)構(gòu)直接決定其性能；分子進(jìn)一步聚集成物體。

第二次是1869年俄國(guó)化學(xué)家門(mén)捷列夫在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，找到了物質(zhì)之間相互變化的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了著名的化學(xué)元素周期律，從而預(yù)示新元素的發(fā)現(xiàn)，指導(dǎo)化學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)等研究工作的進(jìn)展。

第三次大突破是化學(xué)鍵理論的研究。1916年德國(guó)化學(xué)家柯賽爾（A.Kossel，1888～1956年）和美國(guó)化學(xué)家路易斯（G.N.Lewis，1875～1946年）創(chuàng)立了經(jīng)典的電價(jià)理論和共價(jià)理論。從1927年量子力學(xué)應(yīng)用于化學(xué)開(kāi)始化學(xué)鍵理論發(fā)展很快，已建立起比較完整的體系，成為化學(xué)的重要基礎(chǔ)理論——現(xiàn)代化學(xué)鍵理論。它將揭示物質(zhì)的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)之間的本質(zhì)聯(lián)系，為研制新材料，探索新能源，研究生命現(xiàn)象，模擬生命體內(nèi)的化學(xué)變化等各方面提供充實(shí)的理論依據(jù)。美國(guó)杰出的化學(xué)家兩次獲得諾貝爾獎(jiǎng)的鮑林（L.C.Pauling，1901～1994年）指出：“化學(xué)鍵理論是化學(xué)家手中的金鑰匙”。

（二）現(xiàn)代化學(xué)的主要分支

現(xiàn)代化學(xué)通過(guò)研究電子在分子、原子中的分布和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，更深刻地提示了物質(zhì)的性質(zhì)和化學(xué)變化，導(dǎo)致了一系列新興分支學(xué)科和邊緣學(xué)科的形成。主要有四個(gè)分支，它們是無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)和物理化學(xué)。

（1）無(wú)機(jī)化學(xué)

18世紀(jì)70年代，瑞典化學(xué)家舍勒（C.W.Scheele，1742～1786年）和英國(guó)化學(xué)家普利斯特列（J.Priestley，1733～1804年）分別發(fā)現(xiàn)并制得了氧氣；法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫最早用天平作為研究化學(xué)的工具，1774年提出元素概念推翻了燃素學(xué)說(shuō)；1748年俄國(guó)物理學(xué)家、化學(xué)家羅蒙諾索夫（M.Lomonosov，1711～1765年）建立了質(zhì)量守恒定律。

道爾頓于1803年提出原子學(xué)說(shuō)，指出：

①化學(xué)元素由微小的不可分、不生不滅的原子組成。

②不同原子屬性不同，其質(zhì)量是特征性質(zhì)。

③不同元素的原子以簡(jiǎn)單比例結(jié)合形成“復(fù)雜原子”，其質(zhì)量為所含各原子質(zhì)量之和。

1811年意大利科學(xué)家阿佛加德羅提出了分子的概念。在0℃、壓強(qiáng)為760mmHg時(shí)，1摩爾任何氣體的體積都接近于22.4升，人們由此換算出：1摩爾任何物質(zhì)都含有6.02205×l0²³個(gè)分子，這一常數(shù)被人們命名為阿佛加德羅常數(shù)。

1869年2月，俄國(guó)化學(xué)家門(mén)捷列夫?qū)?dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的63種元素列成元素周期表，并留下一些空格，預(yù)示著這些元素的性質(zhì)。在元素周期表的指導(dǎo)下，人們“按圖索驥”找出了這些元素。元素周期律的發(fā)現(xiàn)，把原來(lái)認(rèn)為是彼此孤立的各種元素的大量知識(shí)綜合起來(lái)，形成統(tǒng)一的體系，奠定了現(xiàn)代化學(xué)的基礎(chǔ)。

圖5-1　貝采里烏斯

化學(xué)元素符號(hào)的首倡者為貝采里烏斯（J.J.Berzelius，1779～1848年）他提出，用化學(xué)元素的拉丁文名表示元素。如果第一個(gè)字母相同，就用前兩個(gè)字母加以區(qū)別。例如：Na與Ne、Ca與Cd、Au與A1……

（2）有機(jī)化學(xué)

有機(jī)化學(xué)是研究有機(jī)化合物（碳?xì)浠衔锛捌溲苌铮┑目茖W(xué)。

貝采里烏斯還是“電化二元論”的提出者。他發(fā)現(xiàn)了“同分異構(gòu)”現(xiàn)象并首先提出了“催化”概念。他首先使用“有機(jī)化學(xué)”概念并認(rèn)為他的“電化二元論”對(duì)有機(jī)化合物也適用。有機(jī)化學(xué)之父當(dāng)是德國(guó)的李比希（L.V.Liebig，1803～1873年），他創(chuàng)立了有機(jī)基團(tuán)理論和有機(jī)酸理論。1828年德國(guó)化學(xué)家維勒用蒸發(fā)氰酸銨溶液制得尿素，第一次證明有機(jī)物可用普通的無(wú)機(jī)物制得。1834年法國(guó)杜馬（J.B.A.Dumas，1800～1884年）建立了取代反應(yīng)理論。1874年荷蘭范德霍夫（J.H.Van＇tHoff，1852～1911年）和勒貝爾同時(shí)分別提出碳原子的四面體構(gòu)型學(xué)說(shuō)。1890年德國(guó)化學(xué)家凱庫(kù)勒（V.S.A.Kekule，1829～1896年）提出了苯分子的結(jié)構(gòu)式。

（3）分析化學(xué)

分析化學(xué)是研究物質(zhì)化學(xué)組成的分析方法及有關(guān)理論。按其分析對(duì)象可分為有機(jī)分析和無(wú)機(jī)分析。按其測(cè)定原理和操作方法的不同可分為化學(xué)分析和儀器分析兩大類(lèi)?；瘜W(xué)分析包括重量分析和容量分析。儀器分析包括光譜分析法、原子吸收分光光度法、分子吸收分光光度法、熒光分析法、電化學(xué)分析法及色譜分析法。

圖5-2　本生

海德?tīng)柋ご髮W(xué)化學(xué)教授本生是（R.W.Bunsen，1811～1899年）一位杰出的化學(xué)分析專(zhuān)家。他完成了好多種偉大的發(fā)現(xiàn)，發(fā)明過(guò)好多種有價(jià)值的儀器和試驗(yàn)裝置。本生最大的發(fā)現(xiàn)，乃是他“發(fā)現(xiàn)”了基爾霍夫。本生和基爾霍夫認(rèn)為，光譜分析法能夠測(cè)定天體和地球上物質(zhì)的化學(xué)組成，還能夠用來(lái)發(fā)現(xiàn)地殼中含量非常少的新元素。他們首先分析了當(dāng)時(shí)已知元素的光譜，給各種元素做了光譜檔案。這就像人的指紋，各不相同。

（4）物理化學(xué)

物理化學(xué)是從化學(xué)和物理學(xué)的聯(lián)系入手研究化學(xué)變化的學(xué)科。

化學(xué)和物理學(xué)的聯(lián)系，如果把拉瓦錫時(shí)代算做第一期，本生時(shí)代列為第二期的話(huà)，那么到范德霍夫時(shí)代則可以說(shuō)是第三期的開(kāi)始。到第三期時(shí)，物理化學(xué)已經(jīng)具備了科學(xué)體系。

奧斯特瓦爾德和范德霍夫應(yīng)該共享物理化學(xué)創(chuàng)建者的榮譽(yù)。1887年出版了經(jīng)典式的標(biāo)準(zhǔn)教科書(shū)并創(chuàng)辦了專(zhuān)業(yè)刊物《物理化學(xué)雜志》。所謂經(jīng)典式的標(biāo)準(zhǔn)教科書(shū)是指奧斯特瓦爾德撰寫(xiě)的《化學(xué)總論教科書(shū)》，是由上、下兩卷（后改訂為三卷）組成的巨著，上卷是關(guān)于化學(xué)量的理論，下卷是關(guān)于親和力的理論。這是一部系統(tǒng)地概括了過(guò)去的有關(guān)成果，指出了物理化學(xué)的研究方法和范圍，以及將來(lái)的發(fā)展方向的標(biāo)準(zhǔn)著作。范德霍夫在阿姆斯特丹建立了學(xué)派，奧斯特瓦爾德在萊比錫培養(yǎng)了大批專(zhuān)家，雙方并列為這門(mén)新興科學(xué)的兩大中心，可以認(rèn)為是這個(gè)時(shí)代的創(chuàng)舉。

物理化學(xué)有四個(gè)分支。

①化學(xué)熱力學(xué)：主要研究物質(zhì)系統(tǒng)在各種條件的物理和化學(xué)變化中所伴隨的能量變化，從而對(duì)化學(xué)反應(yīng)的方向和進(jìn)行的程度作出判斷。美國(guó)吉布斯引出了化學(xué)勢(shì)概念，導(dǎo)出了相平衡的基本定律。1888年法國(guó)化學(xué)家勒沙特列提出了化學(xué)平衡移動(dòng)原理。

②量子化學(xué)：主要是研究分子中有關(guān)化學(xué)鍵的問(wèn)題，根據(jù)量子力學(xué)的基本方程——薛定諤方程，來(lái)計(jì)算分子內(nèi)電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

③化學(xué)動(dòng)力學(xué)：研究濃度、壓力、溫度、催化劑等對(duì)反應(yīng)速率的影響。

④結(jié)構(gòu)化學(xué)：研究晶體和其他化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及各種化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。

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【思考題】

1.化學(xué)發(fā)展過(guò)程中的幾次重大突破是什么？

2.物理化學(xué)有哪幾個(gè)分支？