1、2022年8月1日星期一化学学科的发展、现状化学学科的发展、现状与未来与未来1 化学学科发展的简单回顾化学学科发展的简单回顾 远古的化学远古的化学实用技术实用技术 如：冶金、火药、造纸等。近代化学近代化学基本理论的建立基本理论的建立 如：质量守恒定律、燃烧学说、阿佛加德罗定律、原子论、分子论、电离学说、酸碱理论等。现代化学现代化学物质结构理论和合成化学物质结构理论和合成化学 如：杂化轨道理论（如：杂化轨道理论（VB法）、分子轨道理论（法）、分子轨道理论（MO法）、配位场理论、法）、配位场理论、逆合成、手性合成、绿色化学、组合化学、分子设计等。逆合成、手性合成、绿色化学、组合化学、分子设计等。未
2、来的化学未来的化学综合学科发展的科学综合学科发展的科学 如：深入研究原子组合分子的方法和技巧如：深入研究原子组合分子的方法和技巧;研究分子以上层次的现研究分子以上层次的现象象;与其他学科渗透、交叉联合与其他学科渗透、交叉联合;科学科学技术技术生产、必须创新、理论生产、必须创新、理论与实验并驾齐驱、学科界限越来越模糊等。与实验并驾齐驱、学科界限越来越模糊等。16611661年年 波义耳在其著名论文波义耳在其著名论文“怀疑派的化学家怀疑派的化学家”中提出中提出 “元素元素”的概念，从而化学被确定为一门学科。的概念，从而化学被确定为一门学科。18031803年年 道尔顿提出道尔顿提出原子论原子论。1
3、8111811年年 阿伏加德罗提出了阿伏加德罗提出了“分子分子”的概念。的概念。18601860年年 康尼查罗提出了康尼查罗提出了原子原子-分子论分子论。18701870年年 门捷列夫发现了门捷列夫发现了元素周期律元素周期律，奠定了化学学科的，奠定了化学学科的 理论基础。理论基础。1919世纪末世纪末 化学的重要分支（二级学科）化学的重要分支（二级学科）分析化学、无机化分析化学、无机化 学、有机化学学、有机化学和和物理化学物理化学相继建立，这种分工大相继建立，这种分工大 大推动了化学研究的深化。大推动了化学研究的深化。2020世纪世纪 量子力学量子力学的诞生，近邻学科特别是物理学、生物学的诞生
4、，近邻学科特别是物理学、生物学 和数学的发展，以及各种新的实验技术及精密仪和数学的发展，以及各种新的实验技术及精密仪 器的发明和计算机的出现，使化学学科得器的发明和计算机的出现，使化学学科得到迅猛到迅猛 的发展。的发展。化学理论发展的重要轨迹化学理论发展的重要轨迹 1.1 20世纪化学学科基础研究的重大突破世纪化学学科基础研究的重大突破(1)放射性和铀裂变的重大发现放射性和铀裂变的重大发现 l1903年居里夫妇因发现了放射性比铀强年居里夫妇因发现了放射性比铀强400倍的钋，以及放射性比铀强倍的钋，以及放射性比铀强200多万倍的镭为此而获得了诺贝尔物理学奖。多万倍的镭为此而获得了诺贝尔物理学奖。
5、l 1911年为表彰居里夫人在发现钋和镭、开拓放射化学新领域以及发展放射年为表彰居里夫人在发现钋和镭、开拓放射化学新领域以及发展放射性元素的应用方面的贡献，居里夫人被授予了诺贝尔化学奖性元素的应用方面的贡献，居里夫人被授予了诺贝尔化学奖l 1908年卢瑟福因从事关于元素衰变和放射性物质的研究年卢瑟福因从事关于元素衰变和放射性物质的研究,提出了原子的有核提出了原子的有核结构模型和放射性元素的衰变理论而获得了的诺贝尔化学奖。结构模型和放射性元素的衰变理论而获得了的诺贝尔化学奖。l1935年约里奥年约里奥-居里夫妇因第一次用人工方法创造出放射性元素而荣获了的居里夫妇因第一次用人工方法创造出放射性元素
6、而荣获了的诺贝尔化学奖。诺贝尔化学奖。l 1938年费米因人工合成了年费米因人工合成了60种新的放射性元素而获得了的诺贝尔物理学奖。种新的放射性元素而获得了的诺贝尔物理学奖。l1944年哈恩因发现了核裂变现象而获得了诺贝尔化学奖年哈恩因发现了核裂变现象而获得了诺贝尔化学奖.l1942年费米领导下成功的建造了第一座原子反应堆。年费米领导下成功的建造了第一座原子反应堆。l1945年美国在日本投下了原子弹。年美国在日本投下了原子弹。(2)化学键和现代量子化学理论的建立化学键和现代量子化学理论的建立 鲍林在化学键本质研究和应用鲍林在化学键本质研究和应用化学键理论化学键理论来阐明物来阐明物质结构而获质结
7、构而获19451945年诺贝尔化学奖。经许多化学家近半个年诺贝尔化学奖。经许多化学家近半个世纪的努力，现代量子化学理论不断发展和完善，化学世纪的努力，现代量子化学理论不断发展和完善，化学进入进入实验和理论计算并重实验和理论计算并重的时代。化学家们由浅入深，的时代。化学家们由浅入深，认识分子的本质及其相互作用的基本原理，从而让人们认识分子的本质及其相互作用的基本原理，从而让人们进入进入分子的理性设计分子的理性设计的高层次领域。的高层次领域。1.1 20世纪化学学科基础研究的重大突破世纪化学学科基础研究的重大突破(3)创造新物质创造新物质合成化学合成化学 近百年来化学家近百年来化学家(特别是有机化
8、学家特别是有机化学家)已经设计和合成已经设计和合成了数千万个化合物，几乎又创造了一个新的自然界；同了数千万个化合物，几乎又创造了一个新的自然界；同时还发现了大量的时还发现了大量的新反应、新试剂、新方法和新理论新反应、新试剂、新方法和新理论。19121912年格林尼亚因发明年格林尼亚因发明格林尼亚试剂格林尼亚试剂，开创了，开创了有机金属有机金属化合物化合物在各种官能团反应中的新领域而获诺贝尔化学奖。在各种官能团反应中的新领域而获诺贝尔化学奖。现代有机合成化学是经过现代有机合成化学是经过2020世纪近世纪近100100年的研究、探索发年的研究、探索发展到今天已可以合成像展到今天已可以合成像海葵毒素
9、海葵毒素(Polytoxin)(Polytoxin)这样复杂的有这样复杂的有机分子机分子(具有具有6464个手性中心个手性中心的的7 7个骨架内双键个骨架内双键的分子，存在的分子，存在2 271712210102121个异构体个异构体)。1.1 20世纪化学学科基础研究的重大突破世纪化学学科基础研究的重大突破 OOHOHOHOHHOHOOHMeH2NOHOOOOHOHOHOHHOOOHOHOHOOHHOHOOHOHMeOHOHOHOOHOHOHHOOHOOMeMeMeOHOHOHHOOHOOHOHHOOHOHOHMeMeOHNHOHNOOH海葵毒素的分子结构海葵毒素的分子结构分子式为分子式为C
10、129H223N3O54 有有64个不对称碳和个不对称碳和7个骨架内个骨架内双键双键,异构体数目多达异构体数目多达271个个有机合成有机合成杰杰 作作1989年美国哈佛大学年美国哈佛大学Kishi宣布全合成宣布全合成64个手性个手性中心中心21021个同分异个同分异构体构体NNNNC NC oC H3C H3C H3H2N O CC O N H2C O N H2C O N H2C H3C H3H2N O CC H3HH2N O CC H3C H3ON HNNC H3C H3OH OO HOPOOC H3O-+VB12分子结构分子结构R.B.Woodward 合成合成1965年获年获Nobel化
11、学奖化学奖有机合成有机合成杰杰 作作药物合成抗生素NHNHSCO2HOCH2COPenicillin GNHNHSCO2HOCHCOH2NAmpicillinNHNHSCO2HOCHCOH2NHOAmoxicillin随即筛选随即筛选 分子设计分子设计(4)高分子科学的建立和发展高分子科学的建立和发展2020世纪的人类社会文明的标志之一是世纪的人类社会文明的标志之一是合成材料合成材料的出现。的出现。p1953年年H.Staudinger因提出了高分子这个概念，创立了高分子因提出了高分子这个概念，创立了高分子链型学说建立了高分子粘度与分子量之间的定量关系，从而获得链型学说建立了高分子粘度与分子量
12、之间的定量关系，从而获得了的诺贝尔化学奖。了的诺贝尔化学奖。p1963年年Ziegler和和Natta因发现了配位聚合反应和实现了丙烯的定因发现了配位聚合反应和实现了丙烯的定向聚合而共获了诺贝尔化学奖。向聚合而共获了诺贝尔化学奖。p 1974年年Flory因在高分子性质方面的成就也获得了诺贝尔化学奖。因在高分子性质方面的成就也获得了诺贝尔化学奖。三大传统合成材料三大传统合成材料塑料塑料 橡胶橡胶 纤维纤维新型功能材料新型功能材料 光电材料光电材料 信息储存材料信息储存材料 光导纤维光导纤维 超导超导 1.1 20世纪化学学科基础研究的重大突破世纪化学学科基础研究的重大突破(5)化学动力学与分子
13、反应动态学的发展化学动力学与分子反应动态学的发展 揭示揭示化学反应的历程化学反应的历程和研究和研究物质的结构与其反应能物质的结构与其反应能力之间的关系力之间的关系，是控制化学反应过程的需要。，是控制化学反应过程的需要。19561956年由年由前苏联的谢苗诺夫和英国的欣歇尔伍德在前苏联的谢苗诺夫和英国的欣歇尔伍德在化学反应机理化学反应机理、反应速度反应速度和和链式反应链式反应方面的开创性研究而获诺贝尔化学方面的开创性研究而获诺贝尔化学奖。同时研究快速反应的技术得到发展，现在可以研究奖。同时研究快速反应的技术得到发展，现在可以研究十亿分之一秒内发生的化学反应。美籍华人化学家李远十亿分之一秒内发生的
14、化学反应。美籍华人化学家李远哲及美国化学家赫希巴赫首先研制成功能获得各种态信哲及美国化学家赫希巴赫首先研制成功能获得各种态信息的息的交叉分子束交叉分子束实验装置，从微观角度来认识化学反应，实验装置，从微观角度来认识化学反应，发展了发展了分子反应动态学分子反应动态学，亦称态，亦称态-态化学，对化学反应的态化学，对化学反应的基本原理做出了重要突破。基本原理做出了重要突破。(荣获荣获19861986年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖)。1.1 20世纪化学学科基础研究的重大突破世纪化学学科基础研究的重大突破 关于化学反应的历程的重要研究成果关于化学反应的历程的重要研究成果u1956年年Semenov和和H
15、inchelwood在化学反应机理、反应速度和在化学反应机理、反应速度和链式反应方面的开创性研究获得了诺贝尔化学奖。链式反应方面的开创性研究获得了诺贝尔化学奖。u1967年年Eigen Porter和和Norrish因发展了闪光光解法技术用于因发展了闪光光解法技术用于研究发生在十亿分之一秒内的快速化学反应，对快速反应动力研究发生在十亿分之一秒内的快速化学反应，对快速反应动力学研究作出了重大贡献，三人共获了诺贝尔化学奖。学研究作出了重大贡献，三人共获了诺贝尔化学奖。u1986年李远哲、年李远哲、Herschbach和和Polany因发明了获得各种态信因发明了获得各种态信息的交叉分子束技术，并利用
16、该技术息的交叉分子束技术，并利用该技术F+H2的反应动力学（态的反应动力学（态态化学），对化学反应的基本原理作出了重要贡献，为此共态化学），对化学反应的基本原理作出了重要贡献，为此共获了诺贝尔化学奖。获了诺贝尔化学奖。u1999年年Zewail因利用飞秒光谱技术研究过渡态的成就获诺贝因利用飞秒光谱技术研究过渡态的成就获诺贝尔化学奖。尔化学奖。飞秒化学飞秒化学p飞秒化学是研究在极小的时间内化学反应的过程和机理。飞秒化学是研究在极小的时间内化学反应的过程和机理。这一领域涉及的时间间隔短至约千万亿分之一秒，即这一领域涉及的时间间隔短至约千万亿分之一秒，即1飞秒。飞秒。1 s(s,秒秒)=103ms(
17、毫秒毫秒)=109ns(纳秒纳秒)1015 fs(femtosecond飞飞秒秒)p飞秒化学的技术基础飞秒化学的技术基础飞秒激光。不同波长的激光可以选择飞秒激光。不同波长的激光可以选择性地激发和检测不同的分子，或者同一分子的不同内部能量状态，性地激发和检测不同的分子，或者同一分子的不同内部能量状态，或量子态分布。或量子态分布。p从分子的角度来说，化学反应的本身就是分子体系的波函数随从分子的角度来说，化学反应的本身就是分子体系的波函数随时间的变化，在势能面上运动的过程。实验上，通过观察在不同时间的变化，在势能面上运动的过程。实验上，通过观察在不同时刻体系的性质，就可以得到这种演化的图像，从而理解
18、反应的时刻体系的性质，就可以得到这种演化的图像，从而理解反应的具体动力学过程。由于分子内部、化学反应过程中及凝聚相中分具体动力学过程。由于分子内部、化学反应过程中及凝聚相中分子间相互作用过程是在非常短的时间里发生的，比如说，化学反子间相互作用过程是在非常短的时间里发生的，比如说，化学反应过渡态的寿命一般只有几十飞秒，所以必须在飞秒的时间尺度应过渡态的寿命一般只有几十飞秒，所以必须在飞秒的时间尺度上对化学反应过程进行检测。也就是说，要象照相一样，要用足上对化学反应过程进行检测。也就是说，要象照相一样，要用足够短的够短的“快门快门”，来捕捉分子运动和变化的瞬间行为的信息。，来捕捉分子运动和变化的瞬
19、间行为的信息。(6)分析科学的发展分析科学的发展 2020世纪世纪7070年代，生命科学、信息科学和计算机技术的发展，年代，生命科学、信息科学和计算机技术的发展，使分析化学进入了崭新阶段，它不只限于测定物质的组成和含使分析化学进入了崭新阶段，它不只限于测定物质的组成和含量，而要对量，而要对物质的状态物质的状态(氧化还原态、各种结合态、结晶态氧化还原态、各种结合态、结晶态)、结构结构(一维、二维、三维空间分布一维、二维、三维空间分布)、微区、薄层和表面的组成与、微区、薄层和表面的组成与结构以及结构以及化学行为化学行为和和生物活性生物活性等做出瞬时追踪，等做出瞬时追踪，无损无损和和在线监在线监测测
20、等分析及过程控制，甚至要求等分析及过程控制，甚至要求直接观察原子和分子的形态与直接观察原子和分子的形态与排列排列。分析化学成为一门仪器装置和测量的科学。分析化学成为一门仪器装置和测量的科学。1990 1990年开始的人类基因组计划年开始的人类基因组计划(HGP)(HGP)中，由于中，由于DNADNA测序技测序技术不断推陈出新，从术不断推陈出新，从板凝胶板凝胶电泳到电泳到凝胶毛细管凝胶毛细管电泳、电泳、线性高分线性高分子溶液毛细管子溶液毛细管电泳、到电泳、到阵列毛细管阵列毛细管电泳，直至电泳，直至全基因组鸟枪全基因组鸟枪测测序技术。终于使人类基因组计划提前到序技术。终于使人类基因组计划提前到20
21、012001年完成。分析化学年完成。分析化学在推进人们弄清环境和生命有关的化学问题中起着关键作用。在推进人们弄清环境和生命有关的化学问题中起着关键作用。1.1 20世纪化学学科基础研究的重大突破世纪化学学科基础研究的重大突破(7)生命科学生命科学 生物小分子化学，蛋白质化学生物小分子化学，蛋白质化学核酸化学，糖化学核酸化学，糖化学蛋白质的化学结构：一级结构结构：一级结构,二级结构二级结构,三级结构三级结构,四级结构四级结构氨基酸序列分析仪氨基酸序列分析仪酶的化学p酶催化的机理酶催化的机理p化学模拟化学模拟p生物合成与生物转化生物合成与生物转化核酸的化学pDNA双螺旋结构的发现双螺旋结构的发现（
22、Watson-Crick获获1962年诺年诺贝尔医学或生理学奖贝尔医学或生理学奖)p碱基配对原则碱基配对原则pDNA的复制的复制p基因表达基因表达p遗传密码的发现遗传密码的发现p中心法则中心法则1.1 20世纪化学学科基础研究的重大突破世纪化学学科基础研究的重大突破 p20世纪初开始生物小分子（如糖、血红素、叶绿素、维生素等）的化学结构与合成研究就多次获诺贝尔化学奖p1955年首次合成多肽激素催产素和加压素，获1955年诺贝尔化学奖；p1960年成功地测定了鲸肌红旦白和马血红蛋白的空间结构，获1962年诺贝尔化学奖；p1980年P.Berg、F.Sanger和W.Gilbert因在DNA分裂和
23、重组、DNA测序以及现代基因工程学方面的杰出贡献而共获诺贝尔化学奖。p1982年A.Klug因发明“象重组“技术和揭示病毒和细胞内遗传物质的结构而获得诺贝尔化学奖。p 1993年M.Smith因发明寡核苷酸定点诱变法以及K.B.Mullis因发明多聚酶链式反应技术对基因工程的贡献而共获诺贝尔化学奖。化学在生命科学领域的重要研究成果化学在生命科学领域的重要研究成果DNA蛋白酶的一种蛋白酶的一种胰蛋白酶的结构和胰蛋白酶的结构和排列顺序示意图排列顺序示意图 1965年年9月，我国科学家汪猷帅月，我国科学家汪猷帅上百位化学工作者经过上百位化学工作者经过6年多坚持不懈的努力年多坚持不懈的努力，获得了人工
24、全合成牛胰岛素晶体。这是世界上第一个人工合成的蛋白质。，获得了人工全合成牛胰岛素晶体。这是世界上第一个人工合成的蛋白质。两条肽链两条肽链:A:A链链2121个氨基酸残基个氨基酸残基,B,B链链3030个残基个残基,分子量分子量57005700道尔顿道尔顿,1953,1953年确定全部化学结构年确定全部化学结构.人工合成牛胰岛素1.2 20世纪化学工业的大发展世纪化学工业的大发展(1)(1)石油化工成为支柱产业石油化工成为支柱产业 2020世纪世纪3030年代催化剂进入石油化工，年代催化剂进入石油化工，催化动力学催化动力学的的发展及发展及催化剂催化剂的作用使石油的的作用使石油的各种馏分各种馏分成
25、为各种不同用成为各种不同用途的化工产品，石油化工迅速发展，已成为世界经济发途的化工产品，石油化工迅速发展，已成为世界经济发展中占重要地位的工业领域。展中占重要地位的工业领域。世界化工总产值中世界化工总产值中8080以以上的产品与石油化工有关上的产品与石油化工有关。(2)(2)三大合成材料时代三大合成材料时代 2020世纪前半叶，由于基础化学中的高分子化学的兴世纪前半叶，由于基础化学中的高分子化学的兴起和发展，逐步形成了起和发展，逐步形成了塑料、纤维、橡胶塑料、纤维、橡胶三大合成材料三大合成材料工业。到工业。到2020世纪末，世界年产合成橡胶能力已世纪末，世界年产合成橡胶能力已12001200万
26、吨，万吨，合成纤维达合成纤维达15001500万吨，合成塑料已超过万吨，合成塑料已超过60006000万吨。以塑料万吨。以塑料为主体的三大合成材料，以体积计算其世界总产量已超为主体的三大合成材料，以体积计算其世界总产量已超过全部金属的产量，所以有人称过全部金属的产量，所以有人称2020世纪为聚合物时代。世纪为聚合物时代。1.2 20世纪化学工业的大发展世纪化学工业的大发展(3)(3)化肥（农药）工业的巨大作用化肥（农药）工业的巨大作用 2020世纪面临人口大幅度增长和粮食需求迅速增加的世纪面临人口大幅度增长和粮食需求迅速增加的局面。在解决这一困难中，化肥起了重要作用。其中局面。在解决这一困难中
27、，化肥起了重要作用。其中氮氮肥肥的生产关键问题是如何利用大气中的氮大规模合成肥的生产关键问题是如何利用大气中的氮大规模合成肥料。料。19091909年德国化学家哈伯用锇作催化剂成功地建立了年德国化学家哈伯用锇作催化剂成功地建立了每小时产生每小时产生8080克氨的实验装置。哈伯因此而荣获克氨的实验装置。哈伯因此而荣获19181918年诺年诺贝尔化学奖。贝尔化学奖。19311931年德国博施建成第一个用铁催化剂的年德国博施建成第一个用铁催化剂的合成氨合成氨工厂日产量为工厂日产量为3030吨。吨。(荣获荣获19311931年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖)。6060多年来，不断对合成氨工艺进行改进并引入
28、现代化工多年来，不断对合成氨工艺进行改进并引入现代化工技术。我国是农业大国，肥料是增产的关键措施。目前技术。我国是农业大国，肥料是增产的关键措施。目前已达年产已达年产20002000万吨的规模，占世界第二位。万吨的规模，占世界第二位。1.2 20世纪化学工业的大发展世纪化学工业的大发展(4)(4)医药工业的大发展医药工业的大发展 2020世纪人类寿命显著延长，世纪人类寿命显著延长，7070岁以上的老人比例显岁以上的老人比例显著提高，估计著提高，估计2020世纪人类平均寿命增加世纪人类平均寿命增加3030岁左右。人类岁左右。人类寿命延长的原因之一是医疗条件的改善，其中针对人类寿命延长的原因之一是
29、医疗条件的改善，其中针对人类常见病、多发病的新药的研制成功是关键因素。医药工常见病、多发病的新药的研制成功是关键因素。医药工业的发展与化学紧密相关。化学合成药在医学工业中占业的发展与化学紧密相关。化学合成药在医学工业中占主导地位。磺胺药是第二次世界大战前惟一有效的抗细主导地位。磺胺药是第二次世界大战前惟一有效的抗细菌感染的药物。菌感染的药物。DomagkDomagk因此而在因此而在19391939年荣获诺贝尔生理年荣获诺贝尔生理及医药奖。及医药奖。磺胺类药物的问世标志着化学疗法方面的一磺胺类药物的问世标志着化学疗法方面的一大突破大突破。第二次世界大战后，磺胺药逐渐让位于治疗效。第二次世界大战后
30、，磺胺药逐渐让位于治疗效果更好的抗生素类药，如青霉素、四环素、红霉素、氯果更好的抗生素类药，如青霉素、四环素、红霉素、氯霉素、头孢菌素等。目前世界药物市场的年销售量约为霉素、头孢菌素等。目前世界药物市场的年销售量约为30003000亿美元，在世界经济发展中有举足轻重的作用。亿美元，在世界经济发展中有举足轻重的作用。1.2 20世纪化学工业的大发展世纪化学工业的大发展 美国美国9090年代化学工业产值约占年代化学工业产值约占3030，化学品出口占总出，化学品出口占总出口的口的3030，位居世界第二位。，位居世界第二位。美国的调查报告美国的调查报告“化学中的机会化学中的机会”指出，化学工业在国指出
31、，化学工业在国际市场上要保持竞争力，主要看作为基础学科的化学能否保际市场上要保持竞争力，主要看作为基础学科的化学能否保持领先地位。可见，没有基础学科的发展为后盾，国民经济、持领先地位。可见，没有基础学科的发展为后盾，国民经济、高新技术的发展是不可能的。高新技术的发展是不可能的。化学工业已成为某些国家的支柱产业化学工业已成为某些国家的支柱产业u化学从原子分子水平研究物质的组成、结构、性质及应化学从原子分子水平研究物质的组成、结构、性质及应用的科学。用的科学。化学教科书化学教科书2 化学学科的内涵及地位作用化学学科的内涵及地位作用u化学为总管物质在原子、分子层次上变化之科学。化学为总管物质在原子、
32、分子层次上变化之科学。唐有祺唐有祺 u化学是一门试图了解物质的性质和物质发生反应的科学，它化学是一门试图了解物质的性质和物质发生反应的科学，它涉及存在于自然界的物质（如地球上的矿物、空气中的气体、涉及存在于自然界的物质（如地球上的矿物、空气中的气体、海洋里的水和盐、动物体内的化学物质），以及由人类创造海洋里的水和盐、动物体内的化学物质），以及由人类创造的新物质，它涉及自然界的变化（如因闪电而着火的树木、的新物质，它涉及自然界的变化（如因闪电而着火的树木、与生命有关的化学变化），还有那些由化学家发明和创造的与生命有关的化学变化），还有那些由化学家发明和创造的新变化。新变化。Ronald Bres
33、low 2.1 化学学科的定义与内涵化学学科的定义与内涵徐光宪徐光宪.化学学科进展化学学科进展M,北京北京:化工出版社化工出版社,2005:12一维定义一维定义X定义定义化学是研究化学是研究X对象的科学对象的科学X泛分子，包括泛分子，包括10个层次：原子个层次：原子;分子片分子片;分子分子;超分子超分子;高分子高分子;生物分子生物分子;纳米纳米分子分子;原子和分子的宏观聚集体原子和分子的宏观聚集体;复杂分子体复杂分子体系和自组装分子系和自组装分子二维定义二维定义XY定义定义化学是研究化学是研究X对象的对象的Y内容的内容的科学科学Y合成和反应、制备、剪裁和组装、分离和合成和反应、制备、剪裁和组装
34、、分离和分析、结构和构象、粒度和形貌、物理和化学性分析、结构和构象、粒度和形貌、物理和化学性质、生理和生物活性、运输和调控作用机制等个质、生理和生物活性、运输和调控作用机制等个方面的规律、相互关系和应用方面的规律、相互关系和应用 三维定义三维定义XYZ定义定义化学是用化学是用Z方法研究方法研究X对象的对象的Y内容的科学内容的科学Z实验，理论和计算机模拟实验，理论和计算机模拟四维定义四维定义XYZW定义定义化学是用化学是用Z方法研究方法研究X对象的对象的Y内容以达到内容以达到W目的的科学目的的科学W认识世界，改造自然和保护世界认识世界，改造自然和保护世界分子片是指组成分子的碎片2.2 化学学科在
35、科学发展中的地位化学学科在科学发展中的地位R.Breslow(1997)Chemistry Today and TomorrowThe Central,Useful and Creative Science化学的今天和明天化学是一门中心的、实用的和创造性的科学 从早晨开始，我们在用化学品建造的住宅中醒来，家具是部分从早晨开始，我们在用化学品建造的住宅中醒来，家具是部分地用化学工业生产的现代材料制作的，我们使用化学家们设计的肥地用化学工业生产的现代材料制作的，我们使用化学家们设计的肥皂和牙膏并穿上由合成纤维和合成染料制成的衣服，即使天然纤维皂和牙膏并穿上由合成纤维和合成染料制成的衣服，即使天然纤
36、维（如羊毛或棉花）也是经化学品处理过并染色的。这样可以改进它（如羊毛或棉花）也是经化学品处理过并染色的。这样可以改进它们的性能。们的性能。为了保鲜起见，食品要被包装和冷藏起来，而这些食品要么用化为了保鲜起见，食品要被包装和冷藏起来，而这些食品要么用化肥、除草剂和农药使之生长；要么家畜类需兽医药来防病；要么需肥、除草剂和农药使之生长；要么家畜类需兽医药来防病；要么需加入维生素后食用；甚至我们购买的天然食品，如牛奶，也必须经加入维生素后食用；甚至我们购买的天然食品，如牛奶，也必须经过化学检验后方可食用。过化学检验后方可食用。我们的交通工具我们的交通工具汽车、火车、飞机汽车、火车、飞机在很大程度上依
37、靠化在很大程度上依靠化学工业的产品；晨报是用化学家们制造的油墨在用化学方法制造的学工业的产品；晨报是用化学家们制造的油墨在用化学方法制造的纸上印刷的；用于说明事物的照片要用化学家们制造的胶卷和胶片；纸上印刷的；用于说明事物的照片要用化学家们制造的胶卷和胶片；日常生活中的金属制品都是用经过以化学为基础的冶炼转化为金属日常生活中的金属制品都是用经过以化学为基础的冶炼转化为金属或合金后制造的，为了保护它们还要涂上油漆。或合金后制造的，为了保护它们还要涂上油漆。化妆品是由化学家制造和检验过的；警察和军人用的武器也都依化妆品是由化学家制造和检验过的；警察和军人用的武器也都依靠化学。事实上，在我们的日常生
38、活中很难找出一种不依靠化学和靠化学。事实上，在我们的日常生活中很难找出一种不依靠化学和化学家帮助而制造出来的产品。化学家帮助而制造出来的产品。第第1 1章章 化学是一门中心的、实用的和创造性的科学化学是一门中心的、实用的和创造性的科学1111什么是化学什么是化学2 2化学家做什么化学家做什么1313早期的化学有些什么早期的化学有些什么1414为什么化学家成这门学科为为什么化学家成这门学科为“中心科学中心科学”1515是什么是化学成为是什么是化学成为“使用的科学使用的科学”和创造性的科学和创造性的科学1616那些是化学的基本原理那些是化学的基本原理1717化学领域有多大化学领域有多大关于未来关于
39、未来第第2 2章章 健康和生命的化学健康和生命的化学2121药物化学在过去对人类健康有哪些贡献药物化学在过去对人类健康有哪些贡献2222药物化学家是怎样设计或发现新药的药物化学家是怎样设计或发现新药的2323药物化学家现在忙于什么药物化学家现在忙于什么2424化学家对了解生命的本质有什么贡献？光和作用化学化学家对了解生命的本质有什么贡献？光和作用化学简介简介2525化学在分子生物学和生物技术中的作用是什么化学在分子生物学和生物技术中的作用是什么关于未来关于未来第第3 3章章 再谈化学是一门使用的科学再谈化学是一门使用的科学3131化学在住房和陈设品方面起什么作用化学在住房和陈设品方面起什么作用
40、3232化学在穿着方面起什么作用化学在穿着方面起什么作用3333化学和运输的关系怎样化学和运输的关系怎样3434哈是如何改进事物供应的哈是如何改进事物供应的3535化学和国防的关系怎样化学和国防的关系怎样3636化学和执法方面的关系怎样化学和执法方面的关系怎样3737化学对生活的质量作出了哪些贡献化学对生活的质量作出了哪些贡献关于未来关于未来第第4 4章化学与环境章化学与环境4141我们能否有一个建立在先进技术上的现代社会，而这我们能否有一个建立在先进技术上的现代社会，而这些技术不会无休止地污染地球些技术不会无休止地污染地球4242工业能否干净地制造化学产品工业能否干净地制造化学产品4343在
41、解决从核能发电厂排放出放射性废弃物的问题上，在解决从核能发电厂排放出放射性废弃物的问题上，化学家们能作什么贡献化学家们能作什么贡献44人类日常生活回造成什么样的污染人类日常生活回造成什么样的污染4545我们能否控制虫害而不危害有用的动物我们能否控制虫害而不危害有用的动物4646我们则样能保证新合成的哈制品不会破坏环境，或没有我们则样能保证新合成的哈制品不会破坏环境，或没有不良的生物效应不良的生物效应不是所有的不良化学效应都是致命的不是所有的不良化学效应都是致命的关于未来关于未来第第5 5章章 计算机与化学计算机与化学电子学的革命电子学的革命5151现代的电子学革命诞生了计算机，化学对此有和贡献
42、现代的电子学革命诞生了计算机，化学对此有和贡献5252什么是计算化学什么是计算化学5353计算化学则样帮助我们测定蛋白质的形成计算化学则样帮助我们测定蛋白质的形成关于未来关于未来 电子材料电子材料计算化学计算化学第第6 6章章 在生物体和工业中的催化作用在生物体和工业中的催化作用6161催化剂能扮演什么样的角色催化剂能扮演什么样的角色6262作为生命催化剂的酶是何物作为生命催化剂的酶是何物6363酶催化生物反映时，能加速多少？又如何进行选择酶催化生物反映时，能加速多少？又如何进行选择6464维生素能起生物催化作用吗维生素能起生物催化作用吗6565酶的作用知多少酶的作用知多少6666对酶的认识是
43、否有住与新药的设计对酶的认识是否有住与新药的设计6767汽车用的故态金属催化剂是则样起作用的汽车用的故态金属催化剂是则样起作用的6868为什么工业界常用的固体催化剂并不具有金属特性？为什么工业界常用的固体催化剂并不具有金属特性？关于未来关于未来第第7 7章章 化学家怎样创造新分子化学家怎样创造新分子7171化学家如何决定应该研制什么新分子化学家如何决定应该研制什么新分子?7272化学家如何计划未知分子的成功合成化学家如何计划未知分子的成功合成?7373在哪里进行合成实验在哪里进行合成实验?7474新化学物质一旦被创造还要做些什么新化学物质一旦被创造还要做些什么关于未来关于未来第第8 8章章 认
44、识分子结构和化学变化认识分子结构和化学变化8181化学家怎样测定新分子的结构化学家怎样测定新分子的结构?8282分子的精细结构与它们的性质之间存在什么关系分子的精细结构与它们的性质之间存在什么关系?8383化学家如何测定化学反应的历程化学家如何测定化学反应的历程?8484在哪里进行分子结构与性质及反应历程的研究在哪里进行分子结构与性质及反应历程的研究?化学是承上启下的中心学科(central science)科学按照其研究对象由简单到复杂分为科学按照其研究对象由简单到复杂分为：上游：数学、物理学上游：数学、物理学研究对象简单，研究程度很深研究对象简单，研究程度很深 中游：化学中游：化学 下游：
45、生命、材料、环境下游：生命、材料、环境研究对象复杂研究对象复杂化学是中心科学，是从上游到下游的必经之地，永远不会象有些人估计的那样将要在物理学与生物学的夹缝中逐渐消亡！化学是一门中心科学化学是一门中心科学徐光宪徐光宪.今日化学的何去何从今日化学的何去何从J,大学化学大学化学,2003,18(1):1 化学是与信息、生命、材料、环境、能源、地球、空间化学是与信息、生命、材料、环境、能源、地球、空间和核科学等八大朝阳科学都有密切的联系、交叉和渗透的中和核科学等八大朝阳科学都有密切的联系、交叉和渗透的中心科学。心科学。化学是一门实用的科学化学是一门实用的科学 人类之衣、食、住、行和娱乐无不与化学有关
46、。人类之衣、食、住、行和娱乐无不与化学有关。当前一些重大的工业过程基本上都基于化学过程。当前一些重大的工业过程基本上都基于化学过程。世界专利发明中有世界专利发明中有20%与化学有关。与化学有关。发达国家从事研究与开发的科研人员中，化学与化工专家发达国家从事研究与开发的科研人员中，化学与化工专家占一半左右。占一半左右。化工企业产品的更新换代依靠化学的进步，而化工产品的化工企业产品的更新换代依靠化学的进步，而化工产品的产值和出口比例在国民经济中一直保持着领先地位产值和出口比例在国民经济中一直保持着领先地位。化学是一门创造性的科学化学是一门创造性的科学 化学家辛勤的耕耘着元素周期体系中的百余化学家辛
47、勤的耕耘着元素周期体系中的百余个化学元素并整理着天然产物，所发现的新化合个化学元素并整理着天然产物，所发现的新化合物几乎每物几乎每10年约翻一番。随着化学反应基础理论年约翻一番。随着化学反应基础理论及合成方法的不断发展和完善，新化合物的增加及合成方法的不断发展和完善，新化合物的增加速率已快于指数表达方式，速率已快于指数表达方式，90年代以来每年新增年代以来每年新增的化合物约有的化合物约有60余万种。迄今化学家已经拥有余万种。迄今化学家已经拥有1900多万种化合物，其中绝大多数是由化学家合多万种化合物，其中绝大多数是由化学家合成的。成的。化学在旧的自然界旁又建起了一个新的自然界。化学在旧的自然界
48、旁又建起了一个新的自然界。R.B.Woodward化学思想化学思想科学哲学思想的重要组成部分科学哲学思想的重要组成部分l实验验证思想实验方法来验证和探究化学知识的思想 l守恒思想：能量守恒;质量守恒;电荷守恒/得失电子守恒 l动态平衡思想用平衡移动的原理来分析粒子之间相互反应,系统了解阐释溶解平衡、化学平衡、电离平衡、水解平衡、氧化还原平衡等多种平衡体系的本质。l量变质变思想质量互变规律在化学学科的应用。例如：温度改变，物质状态的改变；元素原子个数或排列方式不同，产生了不同的物质（同素异形体和同分异构体）；反应物之间物质的量的比例不同，产物不同；反应条件的不同，产物不同；随原子序数递增，原子结
49、构呈现周期性的变化，元素的性质也呈周期性的变化；定性实验和定量实验的相互关系等。l结构决定性质思想物质结构决定物质性质，物质性质反映了物质的结构化学与生物学的不同化学与生物学的不同p“生物学家致力于阐明自然生命的过程，而化学生物学家致力于阐明自然生命的过程，而化学家则习惯于如何去调控这一过程家则习惯于如何去调控这一过程”。Doyle and Coray,Chemistry&Biology,1998,5,157-160)p生物学家注意认识世界，而化学家则想改造世界生物学家注意认识世界，而化学家则想改造世界。“化学家看起来比较审慎化学家看起来比较审慎,善于分析并较多的在本学科内独善其身。他善于分析
50、并较多的在本学科内独善其身。他们将注意力集中在分子上面，他们醉心于一个多手心的中心、具有很大们将注意力集中在分子上面，他们醉心于一个多手心的中心、具有很大合成难度的分子带来的挑战，并力图用最短的路线和最高的产率来得到合成难度的分子带来的挑战，并力图用最短的路线和最高的产率来得到目标分子，通过用相对较少但巧妙的技术以获得精确的资料。对他们来目标分子，通过用相对较少但巧妙的技术以获得精确的资料。对他们来讲注重蛋白质和核酸的化学更甚于它们的生理重要性。另一方面。生物讲注重蛋白质和核酸的化学更甚于它们的生理重要性。另一方面。生物学家似乎较具有艺术性、调和性和主要用右脑思考。他们喜欢使用种类学家似乎较具
