高中化學必修一 引言 邵贊華

1、邵贊華引 言化學化學與其它學科形成的邊緣學科化學藥 學生物學土壤學磁 學農(nóng) 學地質學海洋學營養(yǎng)學環(huán)境學醫(yī) 學材料學天體學宇宙化學材料化學環(huán)境化學藥物化學營養(yǎng)化學地質化學海洋化學磁化學農(nóng)業(yè)化學土壤化學醫(yī)用化學生物化學化學與生活緊密相關 400噸自主創(chuàng)新、具有知識產(chǎn)權的國產(chǎn)Q460鋼材，撐起了“鳥巢”的鐵骨鋼筋,它在受力強度達到460兆帕時才會發(fā)生塑性變形 . “水立方”外層膜采用ETFE材料，質地輕巧，但強度卻超乎想象，充氣后可經(jīng)得住汽車軋過去；膜的延展性非常好，耐火性、耐熱性都很明顯。并且表面基本上不沾灰塵. “祥云”火炬采用高品質鋁合金自由曲面延展成型，立體蝕紋雕刻，雙色氧化著色，金屬表面高

2、觸感橡膠漆噴涂等多種創(chuàng)新工藝，使北京奧運會火炬綻放出更加璀璨的光芒 。獨特的“雙火頭”設計更讓“祥云”經(jīng)歷風雨的洗禮，并登上世界之巔。 據(jù)有關資料統(tǒng)計，新藥物、抗生素的發(fā)明使人類平均壽命增加了25年。一些常見的高分子材料高分子尼龍粉末有機玻璃聚丙烯高分子人造血管聚四氟乙烯聚乙烯PVC管材塑料泡沫合成橡膠的用途信息材料液晶材料光導纖維硅芯片記憶合金材料低溫下的超導技術生物陶瓷普通干電池 蓄電池 銅鋅原電池太陽能電池清華展示氫能環(huán)保大巴化學Chemistry化學是一門研究物質的組成、結構、性質以及變化規(guī)律的科學?；瘜W是將環(huán)境對人類現(xiàn)代生活的影響降到最低的學科。物質環(huán)境實用技術近代化學現(xiàn)代化學(冶金

3、、火藥、造紙)(原子-分子學說)(物質結構理論)(metallurgypowderpaper making)(Atom-molecule theory)(substance structure theory)中國時代歐洲時代美國時代化學的發(fā)展歷程煉丹術煉金術Alchemy：煉丹術，煉金術Chemistry：化學第一階段：實用技術化學的發(fā)展史 故鄉(xiāng)版權所有 Copyright 2000DNA分子結構示意圖結晶牛胰島素(crystalline bovine insulin) 兩個最小的漢字（Chinese characters）我國人工合成葉綠素結構示意圖納米碳管半導體芯片富勒烯硅器時代 碳器時代

4、 合成新材料 光導纖維簡稱光纖，是一種能高質量傳導光的玻璃纖維。如果將許多根經(jīng)過技術處理的光纖繞在一起，就得到我們常說的光纜。 光導纖維傳導光的能力非常強，利用光纜通信，能同時傳輸大量信息。例如，一條光纜通路可同時容納十億人通話，也可同時傳送多套電視節(jié)目。光纖的抗干擾性能好，不發(fā)生電輻射，通信質量高，能防竊聽。光纜的質量小而且細，耐腐蝕，鋪設也很方便，因此是非常好的通信材料。目前，許多國家已使用光纜作為長途通信的干線。我國也開始生產(chǎn)光導纖維，并在部分城市和地區(qū)投入使用。隨著時代的進步和科學的發(fā)展，光纖通信必將大為普及。 光導纖維 超 導 體 的 應 用 航 天互 連 網(wǎng)交 通能 源 2006年

5、諾貝爾化學獎 得主：羅杰科恩伯格（美） （ Roger D. Kornberg） 成就：真核轉錄的分子基礎近幾年的諾貝爾化學獎 科恩伯格成為第一個成功地將脫氧核糖核酸（DNA）的復制過程捕捉未來的科學家，評委會稱他的獲獎真正體現(xiàn)了諾貝 爾遺言中所說 的“授予一項非常重要的化學發(fā)現(xiàn)”。基因中遺 傳信息的轉錄和復制是地球上所有生物生存和發(fā)展必然經(jīng)歷的過程，科恩伯格教授有關真核轉錄的研究,第一次將基因的這一轉錄過程細致地描述下來，使了解基因的轉錄過程成為可能。了解基因轉錄在醫(yī)學研究中起著決定性的作用，例如可以對致病基因進行干預，也可以創(chuàng)造新的抗生素。目前，基因轉錄的技術廣泛應用在基因研究的實驗室中。

6、對于所有生命來說，轉錄都是必需的?？贫鞑駥@一機制的詳細描述，正是阿爾弗雷德諾貝爾在其遺囑中所提到的“最重要的化學發(fā)現(xiàn)?！?瑞典皇家科學院在頒獎文告中稱，為了讓我們的人體能夠應用存儲在基因里的信息，首先要進行信息備份并傳送至細胞的外層，這一備份信息被用作生產(chǎn)蛋白質的指示，正是蛋白質輪流構建了生物和生物體的運行。這種信息備份的過程被稱作轉錄。羅杰科恩伯格是首位在分子基礎上展示真核(這種生物體的細胞有成形的細胞核)轉錄過程是如何運行的科學家。包括我們在內(nèi)的哺乳動物都可歸入這一生物群?？贫鞑竦呢暙I是他制作了詳細的檢晶儀圖片，形容了真核細胞轉錄 的整個運傳情況。 2007年諾貝爾化學獎 得主：格哈

7、德埃特爾（德） (Gerhard Ertl) 成就：表面化學的突破性研究 1936年出生于德國的Bad Cannstadt。1965年于德國慕尼黑工業(yè)大學獲得物理化學博士學位?，F(xiàn)為德國馬普弗利茲-哈伯研究所的退休教授。2007年諾貝爾化學獎表彰的是表面化學的突破性研究。這個領域對化工產(chǎn)業(yè)影響巨大，物質接觸表面發(fā)生的化學反應對工業(yè)生產(chǎn)運作至關重要。同時，表面化學研究有助于我們理解各種不同的過程，比如為何鐵會生銹，燃料電池如何發(fā)揮作用以及我們汽車中加入的催化劑如何工作。表面化學研究甚至可以解釋臭氧層的破壞。此外，半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與表面化學研究也是息息相關。得利于半導體行業(yè)的發(fā)展，表面化學從20世紀

8、60年代開始Gerhard Ertl是最初覺察到這種新技術潛力的科學家之一。通過逐步的實驗研究，他為表面化學開創(chuàng)了一種新的研究方法，即怎樣用不同的實驗步驟來描繪出一個完整的表面反應畫面。這種方法需要高真空的實驗裝備，目的是用來觀測單層原子和分子在金屬等材料極純表面上發(fā)生的行為。只有這樣，才能測定到底哪種元素能夠進入系統(tǒng)，而污染會損害所有的測量。正因如此，成功實驗這一方法需要高度的精確性，以及將許多不同的實驗技巧結合起來的能力。 Gerhard Ertl開創(chuàng)了一種全新的實驗學派， 證明了即使在如此高難度的領域也可以得到可靠的結果。他的遠見卓識為現(xiàn)代表面化學研究奠定了基礎。他的方法論不僅僅被應用于

9、學術研究，還包括化學過程相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。尤其值得一提的是，Gerhard Ertl開發(fā)的人造肥料制造方法不僅僅基于他對哈伯博施法（Haber-Bosch process，用氫和從空氣中提取的氮來直接合成人造肥料中包含的氨）的研究，他同時利用鐵的表面作為催化劑。這一成果帶來了難以估量的經(jīng)濟效益，因為通常作物對氮的利用率十分有限。此外，Ertl還研究了一氧化碳在鉑表面催化下的氧化反應，現(xiàn)在汽車中利用催化劑實現(xiàn)一氧化碳的清潔排放正是基于該項研究的成果。 Gerhard Ertl 2008年諾貝爾化學獎 得主：下村修（日） 馬丁沙爾菲（美） 錢永健（美籍華人） 成就：綠色熒光蛋白2008年諾貝爾化學獎

10、由日本科學家下村修、美國科學家馬丁沙爾菲和美籍華裔科學家錢永健獲得，是因為他們發(fā)現(xiàn)和研究綠色熒光蛋白（GFP）方面做出重大貢獻。今年的諾貝爾化學獎用于獎勵對GFP的原始發(fā)現(xiàn)及系列的重要發(fā)展，綠色熒光蛋白是研究當今生物學的重要標示工具，發(fā)光標記有助科學家能夠觀察蛋白的運動、位置以及相互作用，借助GFP的“指南針”作用，科學家已經(jīng)研究出監(jiān)控神經(jīng)細胞生長過程的方法，實時觀測細胞分子的活動。華裔科學家錢永健祖籍浙江，1952年出生于紐約的著名“科學世家”，是中國導彈之父錢學森的堂侄，現(xiàn)當選美國科學院院士和醫(yī)學院院士，至今已有七位華人獲得諾貝爾科學獎。 綠色熒光蛋白(GFP)（蛋白質編號1gfl），是從

11、一種生活在北太平洋寒冷水域的水母體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的。這種水母體內(nèi)含有一種生物發(fā)光蛋白質aequorin，它本身發(fā)藍光。GFP能把這種光轉變成綠色，也就是當水母容光煥發(fā)的時候我們實際看到的顏色。GFP的純?nèi)芤涸诘湫偷氖夜庀鲁庶S色，但是當被拿到戶外的陽光下時，它會發(fā)出鮮綠的顏色。這種蛋白質從陽光中吸收紫外光，然后以能量較低的綠光形式發(fā)射出來。綠色熒光蛋白質可以幫助科學家了解細胞如何工作，這種神奇的蛋白質是當代生物化學研究的最為重要的工具之一。 利用綠色熒光蛋白，研究人員可以使用多種技術來跟蹤動物器官的工作機理?？梢愿櫚┘毎痛竽X細胞的組織活動。這些都給人類帶來了不可估量的作用，為人類解決醫(yī)學難題提供了寶

12、貴的信息。因為它能夠使我們直接看到細胞內(nèi)部的運動情況。你只需要用紫外光去照射，這時所有的GFP都將發(fā)出鮮艷的綠色。比如，你可以把它連接到一種病毒上。然后，隨著病毒在宿主體內(nèi)不斷擴散，你就可以通過跟蹤發(fā)出的綠光來觀察病毒的擴散途徑；或者你把它接合到一種蛋白質上并通過顯微鏡觀察它在細胞內(nèi)部的移動。 含有熒光蛋白的水母 GFP自己的發(fā)色團 具有熒光蛋白的昆蟲 跟蹤綠光觀察病毒的擴散途徑 跟蹤大腦細胞的活動 含有綠色熒光蛋白的兔子 2009年諾貝爾化學獎 得主：文卡特拉曼拉馬克里西南（美） 托馬斯施泰茨（美） 阿達約納特（以色列） 成就：對核糖體的突破研究 兩名美國科學家和一名以色列女科學家10月7日

13、因對細胞內(nèi)的“蛋白質制造工廠”核糖體的結構和功能的研究成果卓著而獲得今年的諾貝爾化學獎，這也是1964年以來首次有女科學家摘得諾貝爾化學獎桂冠。 瑞典皇家科學院常任秘書貢諾厄奎斯特7日在斯德哥爾摩宣讀了獲獎者名單。他說，美國科學家文卡特拉曼拉馬克里希南、托馬斯施泰茨和以色列女科學家阿達約納特分別采用射線晶體學方法，繪制出核糖體的三維模型，不僅讓我們知曉了核糖體的“外貌”，而且在原子層面上揭示了核糖體功能的機理。 厄奎斯特說，認識核糖體內(nèi)在工作的機理，對于科學理解生命非常重要。現(xiàn)在，這些模型已被用于研發(fā)新的抗生素，幫助減輕人類的病痛，拯救生命等方面。 約納特在接受媒體現(xiàn)場電話連線采訪時表示，獲悉

14、這一消息時她非常高興，她從來沒想到自己能獲此殊榮。她說，雖然自己的研究成果在生命科學中很重要，但仍有 許多未解之謎等待科學家 們繼續(xù)尋找答案。 2010諾貝爾化學獎 得主：理查德赫克（美） 根岸英一、鈴木章（日） 成就：鈀催化交叉偶聯(lián)反應 理查德赫克（Richard F.Herk） 20世紀80年代末，在加勒比海33米的深處，潛水員們 發(fā)現(xiàn)了一種生物海生海綿Discodermia dissoluta。這些小生物看起來很原始：沒有眼睛、嘴巴、胃和骨骼，而且不能移動。然而，正是這種不能逃離敵人的能力讓它們成為自然界的化學大師。它們有非凡的能力產(chǎn)生大且復雜的有毒化學分子，保護自己免受敵人侵擾。 研究

15、人員發(fā)現(xiàn)，海綿產(chǎn)生的毒性大分子有治病能力：它們能像抗菌素、抗病毒或抗炎癥藥物一樣發(fā)揮作用。實驗室測試顯示：二氟亞甲基（Discodermia）能停止試管中癌細胞的生長。這真是激動人心！ 然而，如果沒有今年諾貝爾化學獎獲得者們的工作，海綿的故事可能就到此為止了，因為藥物的開發(fā)不可能僅僅依賴于采自加勒比海深海處的少量海綿。 瑞典皇家科學院在頒獎詞中說，借助工具手冊上的赫克反應、根岸反應和鈴木反應，化學家們合成出海綿，根岸反應則是這個合成中的中心步驟。其他的科學家優(yōu)化了這個過程，獲得足夠量的海綿，開始了對人類癌癥治療的臨床試驗。 碳碳相聯(lián)的碳基是生命化學的基礎，生命體內(nèi)所有的組織和器官是由或多或少的

16、碳基骨架構成，這對化學家來說是很重要的，以至在近一個世紀的時間內(nèi)，有關碳基的研究獲得了6次諾貝爾獎,它們是1912年的格利雅反應、1950年的狄爾斯阿爾德反應、1979年的維帝希反應、2005年的烯烴反應，以及今年的赫克反應、根岸反應和鈴木反應。 碳基非常穩(wěn)定，化學家的任務則是削弱這種聯(lián)接，讓碳原子更容易和別的碳原子發(fā)生反應。1912年，法國化學家維克多格林尼雅發(fā)現(xiàn)，將兩個碳原子放在鎂原子上，碳基鍵會被消弱，碳原子因此更容易和別的碳原子發(fā)生反應，這個反應被稱為格利雅反應，化學家們可以用它來合成簡單的有機分子了。 50多年后，美國化學家理查德赫克著手研究這個問題，這源于工業(yè)界的激發(fā)。20世紀50

17、年代，德國瓦克化學集團開始用鈀原子作為媒介，將乙烯輸送到乙醛上，生產(chǎn)用于油漆和醋酸等的化工原料。當世界各地的化學工業(yè)界對瓦克過程的成功產(chǎn)生深厚興趣時，理查德赫克正在美國特拉華州的一個化學公司工作，他開始嘗試用鈀作為催化劑的實驗，在削弱碳基鍵的同時讓它們更精確地產(chǎn)生反應。根岸英一一個世紀的努力 1968年，赫克在美國化學會期刊上發(fā)表一系列論文，介紹了將鈀作 為核心成分引導碳原子組合在一起的新化學反應，但這種方法的缺點是要用 到昂貴的鈀鹽。日本化學家溝呂木努（Tsutomu Mizoroki）對赫克的方法進行了改進，新方法被稱為赫克或溝呂木努赫克反應。不幸的是，溝呂木努因癌癥在1980年去世。 在

18、從公司轉到特拉華大學工作后，赫克又改進了溝呂木努的方法，他用一種名為烯烴的化合物代替格利雅試劑作為標記分子，在略微激活碳基時將它帶到鈀上，讓它更容易與其他碳原子產(chǎn)生反應，這是一種更實際和更精確的方法。如今，赫克反應是創(chuàng)建碳原子間單鍵鏈接的最重要方法之一，被用于止痛藥萘普生（naproxen）、哮喘藥孟魯司特等的大規(guī)模生產(chǎn)。 1977年，美國普渡大學化學家根岸英一在用鋅化合物替代格利雅試劑后，發(fā)現(xiàn)鋅原子不僅能將碳原子帶到鈀原子上，而且還使碳原子更不活潑，當碳原子在鈀上相遇時，它們就能更精確地發(fā)生反應。兩年后，日本北海道大學化學家鈴木章發(fā)現(xiàn)，硼原子比鋅有更好的效果，能在更低溫度用更少溶劑生產(chǎn)化合物

19、，降低了成本并減少了廢料。如今，鈴木章反應被廣泛用于商業(yè)（成千噸）農(nóng)作物殺菌劑的生產(chǎn)?！扳Z有一種神奇的物質：聯(lián)結兩種碳原子、讓它們在溫和的條件下靠近并發(fā)生反應。”諾貝爾化學獎評審委員會主席拉斯席蘭德說，“然而，直到1990年，人們才開始真正意識到這是多么偉大！之后的發(fā)展就非?？炝??！?如今，赫克反應、根岸反應和鈴木反應成為化學家們的重要工具。一個最受矚目的例子是，化學家在試管中利用鈀催化交叉偶聯(lián)反應創(chuàng)建水螅毒素（palytoxin），這種自然界生產(chǎn)的毒素于1972年首次從夏威夷的珊瑚中分離出來，它是化學中的“恐龍”：有129個碳原子、223個氫原子、3個氮原子和54個氧原子。1994年，借助于

20、鈴木反應，科學家們成功合成了這個巨型分子。 鈴木章 一樣的榮譽 美國化學家理查德赫克可能有些傷感。他獲獎后說，“這是個圓滿的結局”，話里有話。雖然他的貢獻巨大，在科技界和社會上得到的認同卻來得有些晚。他在作完這項研究后，連美國自然科學基金都沒有申請成功，一度被迫離開科學界。因他的工作在社會上的影響日益增大，后來才被邀請到處講學。最終，諾貝爾獎為他圓夢。 根岸英一對學生十分嚴厲，沒有美國學生，學生主要來自中國、日本和俄羅斯。他的學生可能有一半無法取得博士文憑。有一次，譚澤與他簽訂的合同將要到期了，試探著問下一步什么時候有可能再簽，根岸英一說，“你什么時候做完課題什么時候續(xù)簽！”研究工作何時能有頭

21、呢？譚澤只有郁悶。譚澤說，做他的學生很幸福也很不幸。從嚴格意義上講，可以認真扎實做事情，從人的承受力看，壓力太大，所以美國人不會給他做學生，一般人都很難承受他的壓力。然而，譚澤說，跟隨根岸英一的這些年受到了很多潛移默化的影響，他的一些 觀念和行動也無形地影響著自己的一生。根岸英一是真正熱愛化學的人，他對生活沒有奢侈的追求，開著兩萬元的車也很滿足，他的樂趣就是化學。因此，雖然同學中很多人都很富有，但譚澤更希望實現(xiàn)自己在科學技術方面的一些愿望。 鈴木章的科學生涯很順利，獲得了一系列榮譽。自1973年后，他不僅擔任了日 本北海道等大學的教授，還是英國威爾士大學、美國普渡大學等校的特邀教授，目前 是北海道大學的榮譽退休教授。鈴木章還贏得了眾多的科學獎項和稱號，包括1989 年的日本化學會獎等等。 盡管3位科學家遭遇不同，但對于人類社會而言，一樣都是福祉，歷史總歸自 有公論，諾獎也為他們圓了夢。作為中學生，我們肩上肩負著祖國發(fā)展的使命，使中國的經(jīng)濟、政治、文化生機勃勃。 諾貝爾獲得者是偉大的，但他們都保持一顆謙虛的心，不滿足自己一時的成功，在不斷努力、探究