第四講 無機化學的發(fā)展.ppt

第四講無機化學發(fā)展史 化學科學是最古老和涉及范圍最廣的學科之一 積累了大量人類的知識 具有廣闊的發(fā)展前景 盡管各化學學科之間的界限不是很分明 而且各學科之間彼此交叉 由于研究方法目標和目的不同 有必要將化學進行分類 按傳統(tǒng)分類 可將化學分為四大分支 無機化學 有機化學 物理化學和分析化學 無機化學是研究無機物質的組成 性質 結構和反應的科學 它是化學中最古老的分支學科 無機物質包括所有化學元素和它們的化合物 不過大部分的碳化合物除外 除二氧化碳 一氧化碳 二硫化碳 碳酸鹽等簡單的碳化合物仍屬無機物質外 其余均屬于有機物質 無機化學的內容為化學的基本原理 化學元素的性質和相關的化學反應 迄今 化學元素已經發(fā)展為110多種 元素的起源和發(fā)現無機化學起源于古代 在人類早期歷史中 經典的實驗帶動了新材料的緩慢發(fā)展 古代文明的標志是玻璃和陶器的制造 通過減少或增加空氣的比例 可以使陶器呈現黑色或紅色 到了公元500年 不同顏色的釉面和顏色的結合已經達到爐火純青的地步 這些發(fā)展均可視為無機化學的起源 為獲取有用的信息 不妨回顧一下元素的發(fā)現歷史 我們在下表中 也許會得到某種啟發(fā) 元素的起源和發(fā)現 各元素是隨著年代時間的推移而逐步發(fā)現的 1750年之前 對 化學 發(fā)展的促進 主要為中國和印度 化學的發(fā)展十分緩慢 1750年之后 由于進行了大量有目的的研究 現代化學的基本理念已經形成 1750年至1950年 在化學的理論和技術也得到了長足的進步的同時 發(fā)現了大量的新元素 如 18世紀 氣體研究 19世紀初 活潑金屬的電解法制備 以及在5年之中對于稀有氣體的識別 1940年后的十年 發(fā)現新元素的步伐緩慢下來 因為此時已達到 沒有新的世界可以去占領 直至鈾的所有元素已經全部發(fā)現 此時 人們的研究熱點轉向超鈾元素的合成 元素的起源和發(fā)現 原始人類即能辨別自然界存在的無機物質的性質而加以利用 后來偶然發(fā)現自然物質能變化成性質不同的新物質 于是加以仿效 這就是古代化學工藝的開始 如至少在公元前6000年 中國原始人即知燒粘土制陶器 并逐漸發(fā)展為彩陶 白陶 釉陶和瓷器 公元前5000年左右 人類發(fā)現天然銅性質堅韌 用作器具不易破損 后又觀察到銅礦石如孔雀石 堿式碳酸銅 與燃熾的木炭接觸而被分解為氧化銅 進而被還原為金屬銅 經過反復觀察和試驗 終于掌握以木炭還原銅礦石的煉銅技術 以后又陸續(xù)掌握煉錫 煉鋅 煉鎳等技術 中國在春秋戰(zhàn)國時代即掌握了從鐵礦冶鐵和由鐵煉鋼的技術 公元前2世紀中國發(fā)現鐵能與銅化合物溶液反應產生銅 這個反應成為后來生產銅的方法之一 元素的起源和發(fā)現 化合物方面 在公元前17世紀的殷商時代即知食鹽 氯化鈉 是調味品 苦鹽 氫化鎂 的味苦 公元前五世紀已有琉璃 聚硅酸鹽 器皿 公元七世紀 中國即有焰硝 硝酸鉀 硫黃和木炭做成火藥的記載 明朝宋應星在1637年刊行的 天工開物 中詳細記述了中國古代手工業(yè)技術 其中有陶瓷器 銅 鋼鐵 食鹽 焰硝 石灰 紅礬 黃礬 等幾十種無機物的生產過程 由此可見 在化學科學建立前 人類已掌握了大量無機化學的知識和技術 古代的煉丹術是化學科學的先驅 煉丹術就是企圖將丹砂 硫化汞 之類藥劑變成黃金 并煉制出長生不老之丹的方術 中國金丹術始于公元前2 3世紀的秦漢時代 元素的起源和發(fā)現 公元142年中國金丹家魏伯陽所著的 周易參同契 是世界上最古的論述金丹術的書 約在360年有葛洪著的 抱樸子 這兩本書記載了60多種無機物和它們的許多變化 約在公元8世紀 歐洲金丹術興起 后來歐洲的金丹術逐漸演進為近代的化學科學 而中國的金丹術則未能進一步演進 金丹家關于無機物變化的知識主要從實驗中得來 他們設計制造了加熱爐 反應室 蒸餾器 研磨器等實驗用具 金丹家所追求的目的雖屬荒誕 但所使用的操作方法和積累的感性知識 卻成為化學科學的前驅 由于最初化學所研究的多為無機物 所以近代無機化學的建立就標志著近代化學的創(chuàng)始 建立近代化學貢獻最大的化學家有三人 即英國的玻意耳 法國的拉瓦錫和英國的道爾頓 元素的起源和發(fā)現 玻意耳在化學方面進行過很多實驗 如磷 氫的制備 金屬在酸中的溶解以及硫 氫等物的燃燒 他從實驗結果闡述了元素和化合物的區(qū)別 提出元素是一種不能分出其他物質的物質 這些新概念和新觀點 把化學這門科學的研究引上了正確的路線 對建立近代化學作出了卓越的貢獻 拉瓦錫采用天平作為研究物質變化的重要工具 進行了硫 磷的燃燒 錫 汞等金屬在空氣中加熱的定量實驗 確立了物質的燃燒是氧化作用的正確概念 推翻了盛行百年之久的燃素說 拉瓦錫在大量定量實驗的基礎上 于1774年提出質量守恒定律 即在化學變化中 物質的質量不變 1789年 在他所著的 化學概要 中 提出第一個化學元素分類表和新的化學命名法 并運用正確的定量觀點 敘述當時的化學知識 從而奠定了近代化學的基礎 由于拉瓦錫的提倡 天平開始普遍應用于化合物組成和變化的研究 元素的起源和發(fā)現 1799年 法國化學家普魯斯特歸納化合物組成測定的結果 提出定比定律 即每個化合物中各組分元素的重量 皆有一定比例 結合質量守恒定律 1803年道爾頓提出原子學說 宣布一切元素都是由不能再分割 不能毀滅的稱為原子的微粒所組成 并從這個學說引伸出倍比定律 即如果兩種元素化合成幾種不同的化合物 則在這些化合物中 與一定重量的甲元素化合的乙元素的重量必互成簡單的整數比 這個推論得到定量實驗結果的充分印證 原子學說建立后 化學這門科學開始宣告成立 19世紀30年代 已知的元素已達60多種 俄國化學家門捷列夫研究了這些元素的性質 在1869年提出元素周期律 元素的性質隨著元素原子量的增加呈周期性的變化 元素的起源和發(fā)現 這個定律揭示了化學元素的自然系統(tǒng)分類 元素周期表就是根據周期律將化學元素按周期和族類排列的 周期律對于無機化學的研究 應用起了極為重要的作用 目前已知的元素共109種 其中94種存在于自然界 15種是人造的 代表化學元素的符號大都是拉丁文名稱縮寫 中文名稱有些是中國自古以來就熟知的元素 如金 鋁 銅 鐵 錫 硫 砷 磷等 有些是由外文音譯的 如鈉 錳 鈾 氦等 也有按意新創(chuàng)的 如氫 輕的氣 溴 臭的水 鉑 白色的金 同時也是外文名字的譯音 等 周期律對化學的發(fā)展起著重大的推動作用 根據周期律 門捷列夫曾預言當時尚未發(fā)現的元素的存在和性質 周期律還指導了對元素及其化合物性質的系統(tǒng)研究 成為現代物質結構理論發(fā)展的基礎 系統(tǒng)無機化學一般就是指按周期分類對元素及其化合物的性質 結構及其反應所進行的敘述和討論 元素的起源和發(fā)現 19世紀末的一系列發(fā)現 開創(chuàng)了現代無機化學 1895年倫琴發(fā)現X射線 1896年貝克勒爾發(fā)現鈾的放射性 1897年湯姆遜發(fā)現電子 1898年 居里夫婦發(fā)現釙和鐳的放射性 20世紀初盧瑟福和玻爾提出原子是由原子核和電子所組成的結構模型 改變了道爾頓原子學說的原子不可再分的觀念 1916年科塞爾提出電價鍵理論 路易斯提出共價鍵理論 圓滿地解釋了元素的原子價和化合物的結構等問題 1924年 德布羅意提出電子等物質微粒具有波粒二象性的理論 1926年 薛定諤建立微粒運動的波動方程 次年 海特勒和倫敦應用量子力學處理氫分子 證明在氫分子中的兩個氫核間 電子幾率密度有顯著的集中 從而提出了化學鍵的現代觀點 此后 經過幾方面的工作 發(fā)展成為化學鍵的價鍵理論 分子軌道理論和配位場理論 這三個基本理論是現代無機化學的理論基礎 元素的起源和發(fā)現 無機化學學科是隨著元素發(fā)現而逐步發(fā)展起來的 因而可以說 在科學發(fā)展進程中 無機化學是化學學科的鼻祖 并且 許多基于無機化學方面的工作 導致化學基礎理論的形成 最基礎的理論之一是物質的量的計算 可以通過不同的途徑合成出組成相同的化合物 如氧化物的制備途徑 1 金屬在空氣中加熱 2 碳酸鹽加熱分解 3 從溶液中沉淀得到氫氧化物 加熱脫水等 在以上一系列變化中 不管途徑如何 得到產物的分子式不變 要符合道爾頓原子理論的 組成恒定 法則 而且 在各變化過程中 可以準確計算各物質的量 無機化學的發(fā)展歷史 在19世紀的前50年 不僅發(fā)現了半數以上的元素 而且進行了這些元素簡單化合物性質的研究 如 1800年左右 人們經過探索研究 發(fā)現了NCl3的強爆炸性質和HF的強腐蝕性 而那時 盡管牛奶和血液研究被普遍重視 直至1820年 也只有少數的有機化合物為人們所知 更談不上有機化學理論的發(fā)展了 到了19世紀中期 是有機化學的光譜研究的熱點時期 而在1900年左右 物理化學方面的探索成為新的研究高潮 相比而言 將近一個世紀 人們忽略了無機化學的研究 隨后 元素周期表形成 放射化學開展 非水溶劑和過渡金屬化合物研究等 標志著現代無機化學階段的開始 無機化學的發(fā)展歷史 1930年 現代無機化學成為人們新的研究熱點 典型的代表研究為 變形的價鍵理論 乙硼烷的氫橋鍵 硅的研究 過渡金屬配合物化學 非水溶劑 放射化學 同時 發(fā)展了現代無機化學的理論 并應用于解決化學中的疑難問 這些理論包括 建立于波動性質之上的基本粒子發(fā)現和原子結構 衍生出現代無機化學的價鍵理論和分子結構理論 以及過渡金屬配合物中的晶體場理論等 無機化學的發(fā)展歷史 以上研究奠定了現代無機化學的基礎 并拓寬了現代無機化學的領域 鑒于人們對于理論和實驗科學體系的研究要求和新材料的生產應用需求 以及對從前研究甚少的元素性質的了解渴望 刺激無機化學研究進入了一個嶄新的時代 近代發(fā)展始于1950年 此時 對于原子能量的研究 集中于過渡金屬元素和鑭系元素 發(fā)現了Zr 鋯 和Hf 鉿 的化學性質的相似性和中子吸收性質的不同 電子工業(yè)和隨之而來的計算機行業(yè)的發(fā)展 促進了為人鮮知的半導體材料 Ga Ge In和Se 的發(fā)展 另外一個顯著特點是 在相關行業(yè)中造就了大批人才 包括科學家和技術人員 無機化學的發(fā)展歷史 在過去的近50年中 人們對于新方法 新理論 新領域 如金屬在生物體系的發(fā)展 新材料 新催化劑 高產出和低污染等的追求 強力促進了無機化學的發(fā)展 以致于在周期表中非穩(wěn)定的Tc 锝 也被發(fā)現可用于醫(yī)藥之中 除了特別不穩(wěn)定的元素 人們的追求遍布了整個周期表中的每一種元素 這些元素的性質均有據可查 隨著無機化學的迅速發(fā)展 它也成為人們所感興趣的學習和工作的學科 但未能解決所有的問題 如此 要求學科的內容隨著新的發(fā)現而不斷改進 無機化學的發(fā)展歷史 如 惰性氣體 的概念已經為人們普遍接受 隨著1962年第一個氙的化合物的出現 引起轟動 以致于在兩年之內 有接近上百篇文章進行此方面的報道 同時 將 惰性氣體 改為 稀有氣體 超導體臨界溫度從5K提高到23K的過程是十分漫長的 另一個激動人心的例子 是1986年臨界溫度為40K的超導體的報道 在臨界溫度以下 超導體的電阻為零 這種超導體的是一種復合氧化物 含有銅 稀土和堿土元素 高溫超導體引起轟動的原因是它本身有望應用于各種電器設備 1990年 發(fā)現了C60 圍繞著它的發(fā)現 人們對合成方法進行了大量研究 之后 又有大量有關利用C60為原料進行合成的報道 無機化學的近代發(fā)展 我國的化學發(fā)展史淵源流長 距今一萬年的新石器時代我們的祖先已會制作陶器 后來還在世界上率先制作了瓷器 到了清代康熙時的素三彩 五彩 雍正 乾隆時的粉彩 琺瑯彩更是大放異彩 名傳海外 殷代時已有高超的青銅器熔煉技藝 春秋時期冶鐵技術也迅速興起 不僅較早煉出了生鐵而且是世界最早的煉鋼國之一 同時 對金 銀等金屬也開始應用 并有了鎏金技術 我國的無機化學發(fā)展史 煉丹術 煉金術時期我國唐代發(fā)明了黑火藥 隨著元朝蒙古鐵騎西征傳入阿拉伯地區(qū)及歐洲 東漢煉丹家魏伯陽所著的 周易同契 是世界現存最早的煉丹術專著 東晉葛洪專著的 抱樸子內篇 更是集漢魏以來煉丹術之大成 記載有很多丹藥配方 煉丹設備和化學變化 明代李時珍的 本草綱目 載有藥物1892種 明末清初宋應星所著 天工開物 是16世紀世界罕見的化學工藝百科全書 17世紀傳入日本 18世紀傳入歐洲 成為世界科學名著 如上所述 我國作為四大文明古國之一 早已有了豐富的經驗 化學知識和技藝 但是 由于種種原因 我國的科技發(fā)展似乎存在一個歷史斷層 近代化學的知識 理論卻是在19世紀中葉從歐洲傳進來的 我國的無機化學發(fā)展史 1855年時還出版了英國人合信所編的 博物新編 第一集 最早介紹了西方的近代化學知識 其后 我國近代化學的啟蒙者徐壽等人先后譯出多部化學著作 例如 化學鑒原 概述化學基本原理和重要的元素性質 化學鑒原續(xù)編 有機化學 化學鑒原補編 無機化學 化學考質 定性分析 化學求數 定量分析 物質遇熱改易記 物理化學初步知識 我國的無機化學發(fā)展史 1903年清政府開始允許國人出國留學并有少量公派名額 民國初年中國繼續(xù)向西方派出少量留學生 這些學人回國后興辦化學教育 成立中國化學會 籌辦化學刊物 籌辦化學工廠 成為我國現代化學學科的開拓者和化學工業(yè)的先驅者 如侯德榜 張子高 莊長恭 曾昭掄 黃鳴龍 楊石先等化學界老前輩 1949年新中國成立后 大批熱愛祖國的化學家 留學生紛紛歸國 成為我國現代化學各分支學科的帶頭人 奠基者 我國的無機化學發(fā)展史 我國無機合成是從鹽堿化工開始的 1921年我杰出的化學家兼化學工程師侯德榜與化工實業(yè)家范旭東創(chuàng)建了當時亞洲最大的天津永利堿廠 1949年新中國成立后清華大學高崇熙創(chuàng)辦了我國最大的化學試劑生產基地 1964 1967年我國先后進行了原子彈和氫彈的爆炸試驗 表明我國核化學 核化工技術達到國際水平 1957年南開大學申泮文教授在我國首次合成了金屬氫化物并陸續(xù)生產出LiH NaH CaH2 LiAlH4 NaBH4 在我國稀有元素化學家復旦大學顧翼東和鹽湖化學奠基人柳大綱分別帶領下 我國稀有元素和鹽湖化學的研究成績卓著 另外 目前我國在各種晶體生長方法 人造金剛石合成技術方面已接近國際水平 我國的無機化學發(fā)展史 在無機化學方面 由幾位化學家的業(yè)績是必須載入史冊的 首先是南京大學戴安邦教授 他在配位化學 膠體化學 催化動力學 多酸多堿化學領域的研究碩果累累 發(fā)表論文400篇 1957年他主編了我國第一部高等學校無機化學通用教材 無機化學教程 幾十年來培育出一批批的化學高級人才 在我國化學界享有崇高聲譽 在結構理論方面 盧家錫 唐敖慶 唐有祺 徐光憲等著名教授都做出了突出貢獻 飲譽海內外 在穩(wěn)定同位素化學研究方面 張青蓮教授是世界上首次測出碳同位素豐度的科學家 我國的無機化學發(fā)展史 八十年代以來 在改革開放的形勢下 我國無機化學學科得到迅速發(fā)展 除了原來研究基礎較好的幾個分支學科領域如配位化學 鎢鉬多酸化學 稀土元素化學和溶液熱力學等做了更深入工作外 還開辟了一系列過去只初步涉足或尚無人問津的新領域 如固體無機化學 金屬有機化學 原子簇化學 大環(huán)化學 生物無機化學 物理無機化學等 建立了開放性的重點實驗室 南京大學 配位化學實驗室 北京大學 稀土材料化學及應用實驗室 長春應用化學研究所 稀土化學和物理實驗室 以及吉林大學 高壓水熱法合成實驗室 做出了一批國際水平的成果 但是從總體上看 與世界先進國家水平相比仍有一定差距 我國的無機化學發(fā)展史 無機化學是在原子和分子層次上研究無機物的組成 性質 結構和反應的科學 從化學發(fā)展史看 無機化學史化學科學的基礎和母體 其它化學分支大都是從其中分化 衍生 生長起來的 我國的無機化學發(fā)展史 當前無機化學的發(fā)展有兩個明顯的趨勢 一是在廣度上的拓寬 二是深度上的推進 為此我國無機化學學科發(fā)展戰(zhàn)略研究組的專家們提出 我國無機化學基礎研究所 中期戰(zhàn)略目標應該是在若干已經有較好基礎的研究方向上逐步深入發(fā)展 形成自己的特色 接近或達到世界先進水平 有重點的發(fā)展一些新的的國際前沿急促研究領域 在材料科學和生命科學這兩個當代重要領域取得突出研究成果 以便逐漸提高我國無機化學整體水平 力爭在國際上占有一席之地 無機化學的發(fā)展趨勢 原始人類即能辨別自然界存在的無機物質的性質而加以利用 后來偶然發(fā)現自然物質能變化成性質不同的新物質 于是加以仿效 這就是古代化學工藝的開始 如至少在公元前6000年 中國原始人即知燒粘土制陶器 并逐漸發(fā)展為彩陶 白陶 釉陶和瓷器 公元前5000年左右 人類發(fā)現天然銅性質堅韌 用作器具不易破損 后又觀察到銅礦石如孔雀石 堿式碳酸銅 與燃熾的木炭接觸而被分解為氧化銅 進而被還原為金屬銅 經過反復觀察和試驗 終于掌握以木炭還原銅礦石的煉銅技術 以后又陸續(xù)掌握煉錫 煉鋅 煉鎳等技術 中國在春秋戰(zhàn)國時代即掌握了從