化學概論第一講課件

1、化學科學與技術作業(yè)：做好聽課記錄，下課時上交！ 請用A4規(guī)格紙書寫。只有化學才能創(chuàng)造新物質！本課程包括三個專題講座：第一講 化學概況第二講 化學與能源第三講 納米材料化學科學社論：讓化學成為真正的“中心科學”化學是解決能源問題、疾病治療問題的原動力。公眾心目中，物理學才是科學的代表；最近，生物學也加入其中。奇怪的是，化學總是無法“見人”。利用二氧化碳制造生命這一類問題，明顯是和物理學與生物學緊密相連的，但答案卻屬于化學的范疇。一、化學概況1.1 化學的定義 研究變化的科學。 研究物質的性質、組成、結構、變化，以及物質間相互作用關系的科學。 “中心科學”，為部分科學學類的核心 。1.2 化學研究

2、的主要內容物理化學作為一門學科是從1877年德國化學家奧斯特瓦爾德和荷蘭化學家范托夫創(chuàng)刊的物理化學雜志開始的。 從物理角度分析化學原理。 關注分子如何形成結構、動態(tài)變化、分子光譜原理、平衡態(tài)，涉及的熱力學、動力學、量子化學、統(tǒng)計力學等重要物理領域。 物理變化往往導致化學變化。物理化學物理化學研究三個方面： 化學體系的宏觀平衡性質: 以熱力學三個基本定律為基礎，研究宏觀化學體系在氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、溶解態(tài)以及高分散狀態(tài)的平衡物理化學性質及其規(guī)律性。 化學體系的微觀結構和性質: 以量子理論為基礎，研究原子和分子的結構、表面相的結構，結構與物性的規(guī)律性。 化學體系的動態(tài)性質: 研究由于化學或物理因素的

3、擾動而引起體系中化學變化的速率和變化機理。有化學動力學、催化、光化學和電化學。研究碳、氫、氧、氮、硫等元素組成的化合物的化學。主要研究有機化合物的合成途徑和方法，結構和物理性質。有機合成和新反應途徑的開發(fā)，對于藥物，天然物，生物和材料高分子的開發(fā)，都是極為重要的，對于化學工業(yè)有極大的影響。 有機化學 有機化合物以外元素的化學領域；研究化合物的合成途徑和方法，結構和物理性質，最常見的分子體系為金屬簇合物。有機和無機化學領域常有交疊，甚至有密不可分的趨勢。有機金屬化學就是一門結合有機和無機領域的化學。 無機化學 運用非實驗的推算來解釋或預測化合物的各種現(xiàn)象。主要包括量子化學。 理論化學 量子力學計

4、算化學 (計算機代碼在化學中的應用) 分子模擬 (分子結構模型化的方法） 分子動力學 （模擬原子和分子的集合的運動） 分子力學 （模擬分子內及分子間相互作用勢能面） 數(shù)學化學 （使用純數(shù)學方法討論及預測分子結構。 理論反應動力學 對與反應化合物相關的動態(tài)體系及其相應的微分方程的理論研究。 吉林大學理論化學計算國家重點實驗室 提供各種簡約的計算方法，來預測并輔助實驗結果的推斷。實用性上已有諾貝爾獎的肯定，如1998年獲諾貝爾化學獎的密度泛函方法。 計算化學 以熱力學的觀點來研究化學的，以焓、熵等狀態(tài)函數(shù)來描述和預言化學物質穩(wěn)定性和化學反應發(fā)生的結果。 熱化學 研究各種因為電力推動而發(fā)生的化學作用

5、或者產生電力的化學過程。電化學 電解、電鍍、電池、微弧氧化、電氧化、電還原重點開發(fā)電力能源、材料防護、電化學傳感器等。研究各種化學物質，受到各種頻率光線照射之后的化學反應變化。 光化學 光化學合成:光化學反應作為合成化合物的手段 可以得到其它方法難以得到的新穎結構化合物光化學反應、光化學合成、光催化等。 光化學反應裝置：一是反應溶液圍繞著光源的裝置；二是光源圍繞著反應溶液的裝置。S 是配合物離子、金屬離子或半導體光照產生的空穴；A- 是配合物離子或半導體的光照產生的電子。第一個反應主要是光致產生強氧化劑和還原劑的過程；第二，三個反應是其后的對水的氧化還原反應。研究化學物質藥理作用。研究藥物的組

6、成、結構、效能及機理。開發(fā)新型藥物。藥物使用的安全性問題。開發(fā)藥物化學相關的器械。藥物化學 研究不同的次原子粒子怎樣組合在一起，形成一個原子核，及研究一個原子核中的物質如何變化。 核化學 核性質；核結構；核轉變；核轉變化學效應核化學廣泛應用于各個領域如：利用中子活化分析，可準確地測定樣品中50種以上元素含量，靈敏度很高;該法已廣泛應用于材料科學、環(huán)境科學、生物學、醫(yī)學、地學、宇宙化學、考古學和法醫(yī)學等領域。核化學武器有巨大威力，可用導彈、火箭、飛機、火炮等。 研究那些參與化學反應的物質屬于或帶有放射性同位素的化學反應的一門學科。例如，采用碘的放射性同位素 標記各種蛋白質或激素，利用放射免疫分析

7、技術，檢測血清中物質的濃度。 放射化學 對地球大氣層及其他星球大氣層化學問題的研究。微量氣體包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)、氟氯烴類(CFCS)、臭氧(O3)等，氣溶膠主要包括硫酸鹽(SO42-)/硝酸鹽(NO32-)、沙塵/礦塵、黑碳/有機碳氣溶膠、海鹽等大氣化學 研究共價鍵以外各種化學鍵，例如氫鍵、范德華力 、疏水效應的運作。 超分子化學 不同分子之間因彼此的弱相互作用而形成的一種新物質，這類物質由分子組成，彼此之間不是共價鍵結合，稱為超分子。 研究和解決材料制備與合成、性能與結構分析、材料使用、材料保護、材料成分相關的化學科學與技術；研究和開發(fā)新型功能材料；探

8、索材料合成與處理的化學方法；材料及化合物的檢測技術等。材料化學 研究高分子化合物的合成、化學反應、物理化學、物理、加工成型、應用等方面的一門學科。高分子化學 地球化學 石油化學 環(huán)境化學 綠色化學 二、新世紀的化學發(fā)展2.1 化學界存在的困惑 2.2 化學分支學科重組 2.3 化學與其它學科的交叉 2.4 化學未來新發(fā)展的契機 2.5 化學科學與人類安全 2.6 二十一世紀化學學科發(fā)展的方向 2.1 化學界存在的困惑在化學家繼續(xù)抱著創(chuàng)造新物質、新材料為人類生存和生存質量的提高作出新的貢獻的時候，他們卻感覺化學的作用和地位似乎被淡化了，似乎化學作為核心科學的地位不再?？陀^和主觀原因： 客觀上：

9、自動化合成裝置、分析儀器、各種計算機軟件大量使用，人們誤認為分析與合成化學已經(jīng)不是科學而是技術了； 其次，物理學成為20 世紀前半葉的帶頭學科，使化學研究的理論、觀點和方法趨于物理化； 再次，生物科學成為帶頭學科，化學沒能及時推動生命體系研究的突破。主觀上： 化學研究的主流仍以創(chuàng)造新分子新材料為目標; 太注重新合成方法和新結構，對分子功能研究不夠； 太重視細微結構，較少注意其它科學技術對化學理論、觀點和方法提出的大量新問題； 在研究生物、環(huán)境、材料等問題時缺少必要的想象力。2.2 化學學科的重組研究原子和分子的反應和變化規(guī)律無機化學、有機化學、物理化學、分析化學原子、分子片、分子、超分子、宏觀

10、聚集態(tài)、介觀聚集態(tài)、復雜體系傳統(tǒng)化學按尺寸層次學科交叉不同學科理論、方法、思想和研究方法融入化學。如合成化學、分離化學、分析化學、物理化學、理論化學、材料化學、綠色化學等?；瘜W定義：研究從原子、分子片、分子、超分子，到分子和原子不同尺度和不同聚集態(tài)和組裝態(tài)的合成和反應，分離和分析，結構和形態(tài)，物理性能和生物活性及其規(guī)律和應用的自然科學。2.3 化學與其它學科的交叉化學信息學化學生物學納米化學和分子納米技術 環(huán)境化學化學中的非線性化學與物理、生物學、生命科學、材料科學、納米電子學、環(huán)境科學等的交叉?；瘜W中的弱相互作用成為關注的焦點（1）理論化學；（2）生物活性、光、電、磁功能化合物的高選擇性合成

11、；（3）化學催化、生命體系中的化學過程及化學生物學；（4）極端條件下化學行為與人類生存相關的分析和超快速、超微量、活體分析檢測手段；(5) 分子以上層次納米化學;(6）以可持續(xù)發(fā)展為目標的綠色化學。2.4 化學未來新發(fā)展的契機（1）各相關科學與化學在大量問題上相遇，相關科學家也意識到需要解決的化學問題。（2）可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略向化學科學提出了大量化學問題，國民經(jīng)濟的需求和化學學科自身發(fā)展成為推動21世紀化學學科發(fā)展的動力。（3）化學在理論和方法上有了很大積累。 尤其是新材料、新能源、環(huán)保等對化學發(fā)展提出了強烈的需求。離開了化學、很多新科技無法實現(xiàn)2.5 化學科學與人類安全1. 研究各種物質和能的生物效應（正面的和負面的）的化學基礎，搞清楚兩面性的本質，找出最佳利用條件。 研究開發(fā)對環(huán)境無害的化學品和生活用品。研究對環(huán)境無害的生產方式。3. 研究大環(huán)境和小環(huán)境（如室內環(huán)境）中不利因素的產生、轉化和與人體的相互作用。提出優(yōu)化環(huán)境建立潔凈生活空間的途徑。 2.6 21世紀化學學科發(fā)展的方向1、尋求結構多樣性與功能研究結合 合成化學既研究傳統(tǒng)的分子合成化學，也應研究高級結構，特別是高級有序結構的構筑學；組合化學是基于與傳統(tǒng)合成思路相反的反向思維 ；發(fā)現(xiàn)和尋找新合成方法是永久課題 ；結