現(xiàn)代化進展與中學(xué)化學(xué)

現(xiàn)代化學(xué)進展與中學(xué)化學(xué)2013年10月21日張志國副教授zhangzg@1自覺、主動、積極參與收集、閱讀相關(guān)資料研究性學(xué)習(xí)本課程的學(xué)習(xí)要求《現(xiàn)代化學(xué)與中學(xué)化學(xué)——中學(xué)化學(xué)現(xiàn)代內(nèi)容研究與設(shè)計》主編：王明召出版社：北京師范大學(xué)出版社出版時間：2011年6月1日推薦書籍3《化學(xué)進展叢書》推薦書籍4本課程的主要內(nèi)容一、化學(xué)與生命二、化學(xué)與能源三、化學(xué)與材料四、化學(xué)與環(huán)境五、化學(xué)與生活六、對中學(xué)化學(xué)教育的思考5徐光憲:如沒有發(fā)明合成氨、合成尿素和第一、第二、

第三代新農(nóng)藥的技術(shù)，世界糧食產(chǎn)量至少要

減半，60億人口中的30億就會因饑餓而死亡。

合成氨技術(shù)是哈勃(Haber)在1909年發(fā)明，在1918年因而獲得諾貝爾化學(xué)獎。人們把哈勃的合成氨技術(shù)評為20世紀(jì)最重要的發(fā)明。一、化學(xué)與生命藥物化學(xué)在過去對人類健康有哪些貢獻?沒有發(fā)明合成各種抗生素和大量新藥物的技術(shù)，人類平均壽命要縮短25年。

1900年在美國出生的一名男子的期望壽命只有47歲，但是上世紀(jì)末出生的美國男子的期望壽命大約是75。這個難以置信的進步相當(dāng)程度上要歸功于藥物化學(xué)家的貢獻。其中最重要的例子是抗菌素的開發(fā)。一、化學(xué)與生命青霉素使人類平均壽命延長了約十年20世紀(jì)人類的期望壽命大大延長，這在相當(dāng)程度上得益于化學(xué)家一方面協(xié)助實現(xiàn)了諸如青霉素類抗菌素的化工規(guī)模的批量生產(chǎn)，有人估計，僅青霉素一個藥物的使用便使人類的平均壽命延長了大約10年。弗萊明

錢恩

他們于1945年共同獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎一、化學(xué)與生命弗洛里與原子彈、雷達并稱為第二次世界大戰(zhàn)中的三大發(fā)明！1939年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎授予多馬克

二十世紀(jì)三十年代以前，發(fā)生細菌感染經(jīng)常是致命的。當(dāng)時，化學(xué)們合成了許多化工產(chǎn)品如染料，包括磺胺類產(chǎn)品。

德國科學(xué)家GerhardDomagk采用各種新的方法制備這些化學(xué)產(chǎn)品，期望它們能有殺菌功能，1932年發(fā)現(xiàn)了紅棕色染料——Prontosil(百浪多息——偶氮磺胺：世界上第一種商品化的合成抗菌藥)。

一、化學(xué)與生命GerhardDomagk人類已經(jīng)清楚磺胺能殺菌同時對人無毒的原因人和細菌的生物化學(xué)是不同的。細菌要制造基本的維生素——葉酸，而磺胺能夠阻礙細菌中制造葉酸的酶；沒有葉酸，細菌不能存活。人體內(nèi)沒有這種酶，我們可從食物中獲取葉酸。從某種意義上來看，因為人在生物化學(xué)方面的缺陷(我們不能制造一種重要的維生素,但是我們可以從食物中得到它)，反而使人得到安全。一、化學(xué)與生命Randomscreeningvsrationaldrugdesign

發(fā)現(xiàn)磺胺藥物的過程稱做隨機篩選過程。稱之為隨機，是因為不存在任何合乎邏輯的理由，可以期望一種衣用染料會是一種選擇性的殺菌劑。Randomscreeningisstillusedextensivelytoday.

但是，如果有了更多的生物化學(xué)信息，藥物化學(xué)家也越來越多地用另一種稱之為合理藥物設(shè)計的方法，用以設(shè)計和制造具有所期望的生物效應(yīng)的特殊分子。一、化學(xué)與生命紫杉醇:由紫杉樹皮及針葉提取到全合成

紫杉醇(Taxol)是從太平洋紅豆杉中分離出來的化合物，1971年報道了其結(jié)構(gòu)。該化合物于1992年被美國食品和藥品管理局(FDA)批準(zhǔn)為抗乳腺癌和抗卵巢癌的藥物。紫杉醇在紅豆杉樹皮中含量很低，又表現(xiàn)出獨特的抗癌機制?？梢圆挥米仙紭淦ぃ闷溽樔~作原料合成。Nicolaou小組和Holton小組于1994年率先報道了其全合成。一、化學(xué)與生命有的人看到已經(jīng)發(fā)生的事情，問：“為什么會這樣?”

我卻夢想從未有過的事物，然后追問：“為什么不能這樣?”

——蕭伯納

愛爾蘭劇作家一步化學(xué)合成反應(yīng)，如同棋手的一步棋！一、化學(xué)與生命天然產(chǎn)物合成進入”藝術(shù)期”Woodward一段經(jīng)常被引用的話:“有機合成中有激動、有探險、也有挑戰(zhàn)，也可包含著偉大的藝術(shù)，僅這些已足以令人贊嘆…..”.一、化學(xué)與生命從天然植物藥物到現(xiàn)代化學(xué)藥物

——人類與瘧疾的抗?fàn)帲何鞣结t(yī)藥的光輝實例與中國故事

瘧疾是最嚴(yán)重的傳染病之一，全球每年有2億-3億感染者，死亡200萬-300萬。1995年蒿甲醚被WHO(世界健康組織)列入國際藥典，這是我國第一個被國際公認的獨創(chuàng)新藥。2001年，世界衛(wèi)生組織向惡性瘧疾流行的所有國家推薦以青蒿素為基礎(chǔ)的聯(lián)合療法。一、化學(xué)與生命15公元前2700年，中國的古典醫(yī)書《黃帝內(nèi)經(jīng)》描述了瘧疾(瘴氣)的相關(guān)癥狀：發(fā)熱、寒顫、出汗退熱等。公元前4世紀(jì)，瘧疾廣為希臘人所知;印度古代醫(yī)學(xué)經(jīng)典《蘇斯魯塔集》認為，瘧疾的發(fā)熱病癥與某種昆蟲的叮咬有關(guān)。中國古代稱瘧疾為“瘴氣”,意大利語稱瘧疾為“malaria”,意思是“壞空氣”,表明中西方對這種疾病有相似的認識。一、化學(xué)與生命1617世紀(jì)時，印第安人開始用一種樹皮治療瘧疾。這種樹就是金雞納樹。1826年法國化學(xué)家皮埃爾·佩爾蒂埃(PierrePelletier)和約瑟夫卡文頓(JosephCaventou)從金雞納樹皮中提取出奎寧。1907年，德國化學(xué)家P拉比推導(dǎo)出奎寧的化學(xué)結(jié)構(gòu)式。從金雞納(cinchona)到奎寧，從提取到合成：西方科學(xué)致力于解開植物治瘧的秘密一、化學(xué)與生命17中國的青蒿比西方的金雞納早得多青蒿（黃花蒿）在中國民間又稱作臭蒿和苦蒿，屬菊科一年生草本植物。公元前2世紀(jì)，中國先秦醫(yī)方書《五十二病方》已經(jīng)對植物青蒿有所記載；公元前340年，東晉的葛洪在《肘后備急方》中，首次描述了青蒿的退熱功能；李時珍的《本草綱目》則說它能“治瘧疾寒熱”。一、化學(xué)與生命182011年屠呦呦教授獲得了“拉斯克獎”中的臨床醫(yī)學(xué)獎。頒獎詞：此為獎勵她發(fā)現(xiàn)青蒿素藥物，救治了全球，特別是發(fā)展中國家的成千上萬瘧疾患者！《詩經(jīng)》：“呦呦鹿鳴，食野之蒿”一、化學(xué)與生命19現(xiàn)今的能源狀態(tài)二、化學(xué)與能源20二、化學(xué)與能源21二、化學(xué)與能源221、能源之母——太陽能二、化學(xué)與能源23太陽能的優(yōu)點：不產(chǎn)生的有害氣體和廢渣，不污染環(huán)境，被稱作“干凈能源”。使用方便、安全。成本低廉，可以再生。二、化學(xué)與能源24二、化學(xué)與能源A、對可見光的利用25二、化學(xué)與能源染料敏化太陽能電池功能高分子太陽能電池?zé)o機太陽能電池硅太陽能電池26染料敏化太陽能電池樣機二、化學(xué)與能源27太陽能電池的發(fā)展方向材料與器件結(jié)構(gòu)的研究與開發(fā)各種太陽能電池材料研究雜質(zhì)與缺陷的轉(zhuǎn)換效率及穩(wěn)定性影響使用薄膜技術(shù)和剝離技術(shù)。大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)跟蹤與聚光儲電及并網(wǎng)發(fā)電結(jié)合并網(wǎng)發(fā)電以建成多個兆瓦級的電站，~100MW規(guī)模太陽能熱發(fā)電站與建筑物結(jié)合架設(shè)太陽電池組件日本：1994-2000年2萬套屋頂光伏系統(tǒng)185MW；七萬屋頂計劃280MW美國：1997~2010年百萬屋頂計劃3025MW發(fā)電成本6美分集成在建筑材料上曲線形屋頂瓦、垂直幕墻、窗用玻璃二、化學(xué)與能源28B、對紅外線的利用光熱轉(zhuǎn)換，即把太陽能直接轉(zhuǎn)變成熱能。熱利用分為：低溫?zé)崂谩⒅袦責(zé)崂煤透邷責(zé)崂?。二、化學(xué)與能源29C、對紫外線的利用二、化學(xué)與能源30

“可燃冰”的主要成分是甲烷與水分子，學(xué)名為“天然氣水合物”，又稱“籠形包合物”，分子結(jié)構(gòu)式為：CH4·H2O。天然氣水合物是在一定條件（合適的溫度、壓力、氣體飽和度、水的鹽度、PH值等）下，由氣體或揮發(fā)性液體與水相互作用過程中形成的白色固態(tài)結(jié)晶物質(zhì)，外觀像冰。2、可燃冰——未來的新能源二、化學(xué)與能源31開采是柄“雙刃劍”

天然“可燃冰”埋藏于海底的巖石中，和石油、天然氣相比，它不易開采和運輸，世界上至今還沒有完美的開采方案。中國科學(xué)院院士、中國地球物理學(xué)會理事汪集在一份資料上認為，首先是開采這種水合物會給生態(tài)造成一系列嚴(yán)重問題。二、化學(xué)與能源32已建成核電項目

6個在建核電項目

10個擬建核電項目

27個3、魔鬼與天使——核能二、化學(xué)與能源33在建設(shè)中的中國快堆下一代核電站——“快堆”（魔爐）“燃料”越燒越多的“魔爐”天然鈾資源的利用率：熱堆：1%~2%；快堆：60%-~70%；利用率可以增加35~60倍！二、化學(xué)與能源34蓄電池1905年,第一個蓄電池用于汽車照明;1914年,第一次將啟動型蓄電池用于汽車;1922年,第一個BOSCH摩托車用蓄電池出現(xiàn)在摩托車上;1926年,第一臺蓄電池充電器問世;1927年以后,Bosch公司開發(fā)出汽車用蓄電池。干電池4、化學(xué)電池——實用的能源1887年,英國人赫勒森(WilhelmHellesen)發(fā)明了最早的干電池。2011年我國干電池行業(yè)的資產(chǎn)總額為880.91億元，實現(xiàn)銷售收入965.15億元!二、化學(xué)與能源35鋰電池鎳氫電池（高壓鎳氫電池）二、化學(xué)與能源36燃料電池二、化學(xué)與能源375、環(huán)境友好------氫能源氫能經(jīng)濟的背景大氣中二氧化碳逐年增加，地球不斷變暖，生態(tài)環(huán)境惡化，自然災(zāi)害頻發(fā)，造成的損失逐年增加。化石能源儲量有限，消耗加快。能源結(jié)構(gòu)單一，過渡依賴化石能源。經(jīng)濟增長、環(huán)境保護和社會發(fā)展的壓力。氫：儲量大，分布廣，清潔無污染！二、化學(xué)與能源38氫能社會構(gòu)想終端用戶再生能源制氫天然氣制氫燃料電池工廠CO2處理加氫站電廠二、化學(xué)與能源39氫氣的儲存類型典型技術(shù)體積密度重量密度(wt)備注物理方法液態(tài)氫71/37g/l~5%20K,能耗大高壓氫39/24g/l~3.3%RT,70MPa大比表吸附劑~1%80K納米碳管<2%可逆存放量化學(xué)方法金屬氫化物>100g/l<2%可實用速度吸\放氫量有機液體~50g/l~7%苯理論量其他含氫物質(zhì)63/22g/l>4%30%NaBH4溶液二、化學(xué)與能源40硼氫化合物貯氫硼氫化物氫含量wt%研究者formulareactionLiBH418.213.5Zuteletal.NaBH410.510.5MillenniumCelletal.NH3BH319.519.5Wolfetal.NH4BH424.524.5Unstable>-20℃Al(BH4)316.8PotentialchemicalsubstanceforH2storageMg(BH4)214.8LiAlH2(BH4)215.2二、化學(xué)與能源41B99N99C186nanotubesBN納米結(jié)構(gòu)貯氫二、化學(xué)與能源42三、化學(xué)與材料材料發(fā)展歷史人類文明的發(fā)展史就是一部利用材料、制造材料和創(chuàng)造材料的歷史。在人類社會的發(fā)展和進步過程中，材料是一個帶有時代和文明標(biāo)志的基礎(chǔ)。43天然材料陶瓷青銅鐵鋼有色金屬高分子材料新型材料材料發(fā)展的歷史演進三、化學(xué)與材料44什么是新型材料？主要有什么特點？新型材料:通常是指對現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)進步和國民經(jīng)濟發(fā)展以及提高綜合國力有重大推動作用的最新發(fā)展或正在發(fā)展的材料。這些材料和傳統(tǒng)材料相比具有優(yōu)異的性能和特定的功能，是發(fā)展信息、航天、生物、能源等高技術(shù)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。三、化學(xué)與材料45為什么要發(fā)展新型材料？新型材料能夠促使生產(chǎn)力得到極大的提高，推動人類社會的發(fā)展新型材料是現(xiàn)代國民經(jīng)濟各行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)新型材料是國防現(xiàn)代化的保證新型材料是科技進步的關(guān)鍵

沒有材料科學(xué)的發(fā)展，沒有新材料的出現(xiàn)，就不會有高新技術(shù)產(chǎn)品的出現(xiàn)，也就失去了人類社會進步的物質(zhì)基礎(chǔ)。三、化學(xué)與材料46新型材料有那些種類？納米材料超導(dǎo)材料形狀記憶合金梯度功能材料非晶態(tài)合金材料信息材料新能源材料光學(xué)材料新型高分子材料新型無機非金屬材料智能材料磁性材料生物醫(yī)用材料環(huán)境材料航空材料三、化學(xué)與材料47新材料化學(xué)科學(xué)新材料的研究主要有以下幾個方面：復(fù)合型材料新型能源材料可生物降解高分子材料有機物體系膜分離及膜材料的研究生物材料化學(xué)三、化學(xué)與材料48管中窺豹——從假牙制作史看材料發(fā)展史第一代鑲牙材料就采用了人或動物的牙齒河馬牙齒象牙牛牙三、化學(xué)與材料49第二代假牙是金屬假牙三、化學(xué)與材料50第三代是以陶瓷為代表的無機非金屬材料三、化學(xué)與材料5120世紀(jì)前材料進步主要依靠人們經(jīng)驗積累和技巧，發(fā)展緩慢在于人們還沒能對材料在科學(xué)上有深刻的認識和理解，缺乏科學(xué)對材料發(fā)展的指導(dǎo)。20世紀(jì)科學(xué)突破成功揭示了微觀世界的基本規(guī)律，加速了人們對聲、光、電、磁、熱現(xiàn)象以及材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認識，這既促使多種新材料的誕生，也開辟了一系列重大科學(xué)技術(shù)突破?？茖W(xué)引導(dǎo)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展推動的雙重作用，誕生各種各樣的新材料，構(gòu)成21世紀(jì)人類文明的基礎(chǔ)。材料發(fā)展歷史小結(jié)三、化學(xué)與材料52四、化學(xué)與環(huán)境535354四、化學(xué)與環(huán)境54四、化學(xué)與環(huán)境5556四、化學(xué)與環(huán)境公元前707年到1935年，共發(fā)生蝗災(zāi)769次,即每3-5年一次。山東蝗災(zāi)曾使大量災(zāi)民遷移到大連。1845-1849年，因土豆病害絕收150萬愛爾蘭人遷移到美國。第一次世界大戰(zhàn)因軍中虱子導(dǎo)致4000萬人患斑疹傷寒，500萬人死亡。蚊蟲造成瘧疾流行。四、化學(xué)與環(huán)境571990年，美國國會通過了“防止污染法案”，明確提出了防止污染這一概念。它包括廢棄物的清除、處理、回收、減少和杜絕污染源。其中“杜絕污染源”代表了預(yù)防污染這一概念的最終目標(biāo)。1991年，“綠色化學(xué)”由美國化學(xué)會首次提出，并成為美國環(huán)保局的中心口號，從而確立了綠色化學(xué)的重要地位。綠色化學(xué)的誕生四、化學(xué)與環(huán)境58綠色化學(xué)又稱環(huán)境無害化學(xué)或環(huán)境友好化學(xué)或清潔化學(xué)，即是利用新的工藝和方法，減少或消除有害物質(zhì)的使用，避免有害產(chǎn)物、副產(chǎn)物的產(chǎn)生，實現(xiàn)“零排放”，從而保護人類健康、社會安全和生態(tài)環(huán)境的化學(xué)。綠色化學(xué)的理想在于不再使用有毒、有害的物質(zhì)，不再產(chǎn)生廢物，不再處理廢物。始端預(yù)防，勝于終端控制！四、化學(xué)與環(huán)境基本概念59綠色化學(xué)研究的中心內(nèi)容原子經(jīng)濟性、高選擇性反應(yīng)產(chǎn)品的綠色化（環(huán)境友好的產(chǎn)品）催化劑、溶劑的綠色化原料無毒、無害可再生資源為原料美國Stanford大學(xué)的B.M.Trost教授在1991年首次提出了反應(yīng)的“原子經(jīng)濟性”新概念。即反應(yīng)中絕大多數(shù)甚至全部的反應(yīng)物原子都被引入目標(biāo)產(chǎn)物，產(chǎn)生極少甚至不產(chǎn)生副產(chǎn)物，以達到“零排放”的目的。四、化學(xué)與環(huán)境60綠色化學(xué)作為一門新的學(xué)科，經(jīng)過10多年的研究與發(fā)展，該領(lǐng)域的先驅(qū)研究者已總結(jié)出綠色化學(xué)的一些理論和原則，為綠色化學(xué)今后的研究工作奠定了基礎(chǔ)。P.T.Anstas和J.C.Waner提出的12條綠色化學(xué)原則，目前為國際化學(xué)界所公認，它既反映了綠色化學(xué)發(fā)展以來的多方面的研究工作內(nèi)容，也指明了綠色化學(xué)未來的發(fā)展方向。JohnC.WarnerPaulT.Anastas綠色化學(xué)十二條原則四、化學(xué)與環(huán)境611、污染領(lǐng)域：防止污染的產(chǎn)生優(yōu)于治理產(chǎn)生的污染。2、原子經(jīng)濟：設(shè)計的合成方法應(yīng)使生產(chǎn)過程中所采用的原料最大量地轉(zhuǎn)移到最終產(chǎn)品中。3、不那么有害的化學(xué)合成：設(shè)計合成方法時，只要可能，應(yīng)最大限度地使用產(chǎn)生無毒或毒性小的物質(zhì)。4、設(shè)計較安全的化學(xué)物質(zhì)：設(shè)計化學(xué)產(chǎn)品時應(yīng)盡量保持其功效而降低其毒性。5、較安全的溶劑和輔料：應(yīng)盡可能避免使用溶劑，分離試劑等助劑，如不可避免，也要選用無毒無害的助劑。6、設(shè)計考慮能源效率：合成方法必須考慮過程中能耗對成本與環(huán)境的影響，設(shè)法降低能耗，最好采用在常溫壓條件下的合成。四、化學(xué)與環(huán)境綠色化學(xué)十二條原則627、使用可再生原料：在經(jīng)濟合理和技術(shù)可行的前提下，應(yīng)選用可再生資源代替消耗能源。8、減少衍生物：在可能的前提下，盡量不用不必要的衍生物，如限制性基因，保護和去保護基因等。9、催化：合成方法采用高選擇性的催化劑比用化學(xué)計量助劑更優(yōu)越。10、設(shè)計考慮可降解性：化學(xué)品應(yīng)設(shè)計成使用后容易降解為無害物質(zhì)。11、對污染預(yù)防進行實時分析，分析方法應(yīng)能真正實現(xiàn)在淺檢測，在有害物質(zhì)生成前加以控制。

12、安全的化學(xué)過程：選擇化學(xué)生產(chǎn)過程的物質(zhì)，使化學(xué)意外事故（爆炸、火災(zāi)、滲透等）的危險性降低到最小程度。四、化學(xué)與環(huán)境綠色化學(xué)十二條原則63建立綠色觀念，加強環(huán)境保護意識政府：綠色政策個人：綠