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文檔簡介

DevelopmentofChemistryChapter1化學發(fā)展第1章1/50

(3)了解當代化學發(fā)展及趨勢。

(1)了解化學發(fā)展史。

(2)了解化學分支學科形成與發(fā)展。

本章教學要求2/50本章內(nèi)容1.1從經(jīng)驗到科學(從古代~19世紀)

1.2分支學科形成與發(fā)展(19世紀至今)

1.3當代化學發(fā)展(20世紀后半葉至今)

3/501.1從經(jīng)驗到科學1.1.1古代化學實踐

時間:上古時期(公元前三、四千年)~18世紀;歷經(jīng)五、六千年?;顒樱褐铺?、金屬冶煉、釀造、制藥等。特點:(1)積累了大量實踐經(jīng)驗知識。(2)沒有理論指導,含有自發(fā)性、盲目性。4/502金屬冶煉

中國、埃及、西南亞等國:公元三千多年前煉銅(銅器時代);公元前一千年前煉鐵(鐵器時代);金、銀、錫、汞等金屬冶煉。意義:認識了銅、鐵、金、銀等其它金屬性質(zhì)及其冶煉技術。5/503釀造、染色和油漆

中國釀酒、釀醋;古埃及和古羅馬麥酒、葡萄酒(包括發(fā)酵技術、酶催化反應)中國古代染絲技術;古代埃及為亞麻布染色(包括染料著色技術)中國古代漆器技術(利用天然物質(zhì)制做防腐涂層技術)

6/504造紙、火藥

中國:公元2世紀,蔡倫改進、發(fā)展了造紙技術并組織規(guī)模生產(chǎn)中國:唐末宋初,制造黑火藥(其主要成份是硝酸鉀、硫磺和木炭混合物。)7/505煉丹術和煉金術

中國:始于秦漢直到唐宋,煉丹術(將汞、鉛、硫等物在煉丹爐中燒制成含汞或鉛化合物,即所謂仙丹)。

阿拉伯國家及歐洲國家:中國煉丹術傳到阿拉伯演變成煉金術后傳到歐洲(試圖將普通金屬冶煉成黃金)

結果:造成迷信、反科學行為,以失敗告終。

意義:豐富了人類對金屬、對礦物乃至對整個物質(zhì)世界認識。8/506醫(yī)藥化學

中國:明代李時珍《本草綱目》;歐洲:15、16世紀“醫(yī)藥化學”。意義:制藥方法包括眾多無極、有機反應,豐富了無機物和有機物化學知識。9/501.1.2近代化學建立與發(fā)展元素概念提出

中國古代“五行說”:金、木、火、水、土五種基本元素。古希臘亞里士多德(Aristotle)四元素說:“水、土、火、氣”四種元素;且認為元素能夠互變(影響歐洲多年)。英國波義耳(Boyle)元素概念(1661年):“我所指元素,就是某種不由任何其它物體組成原始和簡單物質(zhì),或是完全沒有混雜物質(zhì),它們是一些基本成份,一切被稱為真正混合物都是由這些成份直接混合而成,而且最終仍分解為這些成份?!保ㄏ喈斢诂F(xiàn)在說單質(zhì),使人們思想從束縛中解脫出來。)。10/50科學燃燒學說確實立古代觀點:火是一個元素。17世紀:德國化學家貝歇爾(Becher)和施塔爾(Stahl)提出了所謂“燃素說”:火是由元素細小而活潑微粒組成物質(zhì)實體。18世紀:法國化學家拉瓦錫(Lavoisier)“燃燒概論”:總結自己和前人化學試驗結果,說明“燃燒”是因為有氧氣存在,從而建立了科學氧學說。

氧學說意義①對燃燒現(xiàn)象給出科學解釋②否定了燃素說,使人們徹底擺脫了煉金術中關于“靈氣”、“精靈”之類迷信思想束縛,使化學研究真正建立在科學基礎上。(多數(shù)化學史學家認為拉瓦錫是近代化學科學奠基人)。11/50原子-分子理論建立1803年英國道爾頓(Dalton)提出:元素最終組成稱為簡單原子,原子是不可見,不可再分割。他們在化學改變中保持其本性不變。同一元素原子其形狀、質(zhì)量及性質(zhì)都相同,不一樣原子形狀、質(zhì)量及性質(zhì)各不相同,每一個原子原子質(zhì)量是它最基本特征;形成化合物時,不一樣元素原子以簡單百分比數(shù)結合。(很快被化學家接收。)產(chǎn)生問題:道爾頓和蓋呂薩(Gay-Lussac)爭論、人們測定原子量得不到統(tǒng)一數(shù)據(jù)等。12/50

意大利阿佛加德羅(Avogadro)提出分子概念,并把分子與原子概念區(qū)分開來:指出在游離狀態(tài)下單質(zhì)或化合物能獨立存在質(zhì)點是分子而非原子,而原子是參加化學反應最小質(zhì)點。

后經(jīng)意大利化學家坎尼扎羅(Cannizzaro)充實和完善確立了分子-原子理論。

13/501.2分支學科形成與發(fā)展

化學無機化學有機化學分析化學物理化學14/50化學與其它學科交叉滲透化學在人類由古代穴居人橫蠻生活進化到現(xiàn)在這么一個文明世界改變過程中,起到了"中心"作用,使我們不但能夠和自然處于友好之中,而且能夠使我們和自己愿望相吻合。15/501.2.1無機化學1新元素不停被發(fā)覺經(jīng)過分析和處理礦石發(fā)覺新元素:比如鉑系元素鈀、銠、鋨、銥和釕等(1803~1840)經(jīng)過電解金屬鹽類發(fā)覺新元素:比如鉀、鈉、鈣、鍶、鋇、和鎂等(1807~1825)用分光鏡觀察研究火焰顏色發(fā)覺新元素:比如銫、銣、鉈、銦等(1860~1863)(積累了大量相關無機物性質(zhì)、制備等知識)16/50元素周期律發(fā)覺大量元素、無機化合物及其性質(zhì)積累為發(fā)覺元素周期律打下了基礎(到1869年已經(jīng)發(fā)覺69種元素及大量無機化合物)。相同元素組發(fā)覺:比如(1)鋰、鈉、鉀;(2)鈣、鍶、鋇;(3)氯、溴、碘;(4)硫、硒、碲等。(1829年,德國德貝萊納D?bereiner)人們發(fā)覺原子量是元素主要特征:相同元素組不應限于三個元素;在相同元素組中,各元素原子量之差往往是8或8倍數(shù)(1850年,德國培頓科弗Pettenkofer)。17/50元素周期律誕生:

1862年,法國人尚古多(B.deChancourtiois)提出“螺旋圖”;1868年,德國邁爾(Meyer)發(fā)表“原子體積周期性圖解”;1869年,俄國門捷列夫(Mendeleev)發(fā)表“元素周期律表”。

(共同點:發(fā)覺元素性質(zhì)伴隨原子量大小呈周期性改變。)18/503無機化學發(fā)展

周期律建立之后,人們有目標地去發(fā)覺新元素及其化合物,無機化學得以快速發(fā)展。

發(fā)覺更多元素和無機物;認識更多無機物反應規(guī)律;揭示無機物結構以及結構與性質(zhì)關系;研究和開發(fā)無機物在生產(chǎn)和科學實踐中應用價值。19/501.2.2有機化學

從有機化合物提取和提純到有機物人工合成

1824年之前:從天然植物或動物中提取、分離和提純有機物:比如酒精、乳酸等;1824年:德國維勒(W?hler),首次從無機物人工合成出了有機物——尿素,打破了無機化合物和有機化合物絕對界限。1824年之后:有機合成快速發(fā)展;1965年,我國科學家在世界上首次人工合成了蛋白質(zhì)——胰島素。

20/502從有機元素分析到有機結構理論從1781年拉瓦錫(Lavoisier)開始,經(jīng)蓋-呂薩克(Gay-Lussac)、泰納(Thénard)、貝采里烏斯(Berzelius)、李比希(Liebig)等人努力,建立和完善了有機分析方法。1832年,維勒(W?hler)和李比希提出基、取代基概念。1834年杜馬(Dumas)提出取代學說。1843年日拉爾(Gerhard)提出“同系物”概念;1858年凱庫勒(Kekulé)和庫帕(Couper)提出有機物立體結構:碳四價、碳鏈、四面體構型;1865年凱庫勒(Kekulé)提出苯環(huán)狀結構模型。21/503石油有機化學發(fā)展北宋時期,沈括創(chuàng)造了用石油碳黑代替松木碳黑制造墨工藝;19世紀下半葉從石油中提煉煤油、汽油、柴油作為能源用;20世紀石油化工:裂解、聚合、重整、異構化、取代等,制備化工原料、化工產(chǎn)品;20世紀末至今:綠色石油化工。22/504高分子化學天然橡膠利用和改性(1872年以前);第一個人工合成高分子化合物-酚醛樹脂:1872年在試驗室中合成,1910年建廠正式生產(chǎn);今后,其它高分子化合物先后被合成。高分子化合物結構認識:20世紀初測得天然橡膠結構應為–CH2–C=CH–CH2–,至于它經(jīng)過何種方式

CH3形成了橡膠分子,有些人曾提出由二聚環(huán)或5-7聚環(huán)締合而成,直到1924年畢克斯明確提出天然橡膠是高分子量大分子,高分子化合物概念才被人們接收。高分子材料應用:高分子材料已經(jīng)成為國民經(jīng)濟中不可缺乏材料。包含合成塑料、合成橡膠、合成纖維等。23/501.2.3分析化學

早期化學分析

古代,冶金過程中礦物分析:外觀、焰色、晶體形狀;1685年,英國波義爾(Boyle)《礦泉博物學考查》:利用植物汁液與金屬反應、沉淀反應等作定性分析;利用溶液中反應檢驗物質(zhì):比如以硫酸檢驗鈣,以硝酸銀檢驗巖鹽和礦泉水中硫等;吹管試驗:將要化驗金屬礦樣放在一塊木炭小孔中,然后用吹管將火焰吹到它上面,使一些金屬氧化物熔化并被還原,依據(jù)這些金屬重量估算礦物中金屬含量。24/50定性系統(tǒng)分析方法產(chǎn)生

1821年,德國漢立希(Heinrich)提出初步試驗,分組檢驗概念;1829年德國羅塞(Rose)提出了一個系統(tǒng)分析圖表。利用鹽酸、硫化氫、碳酸銨、磷酸鈉等作為沉淀劑,區(qū)分各組離子是否存在;1841年,德國伏累森紐斯(Fresenius)提出了更為清楚系統(tǒng)分析方案。他把常見金屬劃分為六個組并說明了各組離子性質(zhì)不一樣。比如,第一組鉀、鈉和銨硫化物和碳酸鹽都可溶于水,氧化物水溶液使石蕊變藍;第二組鋇、鍶、鈣和鎂氧化物較難溶,其硫化物則易溶于水,其碳酸鹽、磷酸鹽難溶等。從此,系統(tǒng)定性分析方法基本成型。

25/50定量分析法確實定與發(fā)展

重量分析法:到18世紀中葉,已被用于金屬、礦物和巖石分析上。瑞典貝格曼(Bergmaen)、貝采里烏斯(Berzelius)、德國伏累森紐斯(Fresenius)對定量分析發(fā)展做出了主要貢獻。在方法上:知道了換算金屬重量方法;在技術上:制造出了高靈敏度天平以及其它重量分析儀器。容量分析法:在18、19世紀,紡織、肥皂、制堿、玻璃、食品等行業(yè)發(fā)展需要快速檢驗化學品,法國蓋呂薩克(Gay-Lussac)等對容量法產(chǎn)生和發(fā)展做出了主要貢獻。容量法主要是指各種滴定法,包含酸堿滴定、沉淀滴定、氧化還原滴定、絡合滴定等。26/50儀器分析發(fā)展

發(fā)射光譜:18世紀下半葉~19世紀上半葉,先后發(fā)覺(或創(chuàng)造了)焰色反應(德國馬格拉夫Marggraf)-火焰光譜儀(英國塔爾波Talbot)-分光鏡制成光譜分析儀(基爾霍夫Kirchhoff和本生Bunsen)等。吸收光度法:19世紀30~40年代,人們發(fā)覺一些顯色劑可使金屬離子顯色。法國人布古厄(Bougouer1729年)和德國比爾(Beer1852年)研究工作發(fā)覺了吸收定律。27/50原子吸收分光光度法:1953年澳大利亞沃爾什(Walsh)提出了利用原子吸收光譜分光光度分析法并制作了第一臺簡易原子吸收分子光光度計。色譜法

:1861年申拜恩(Sch?nbein)和高貝爾斯萊德(Goppelsr?der)發(fā)覺,無機鹽溶液、有機染料等在濾紙上“爬行”速度是不一樣。據(jù)此人們逐步開發(fā)了氣相色譜、液相色譜等。電化學分析法:pH計、離子選擇電極、極譜分析儀等。28/501.2.4物理化學

熱化學與熱力學

1780年拉瓦錫(Lavoisier)和拉普拉斯(Laplace)用冰量熱計測量熱;1836年蓋斯(Hess)發(fā)覺“蓋斯定律”;1842年邁厄爾(Mayer)、焦耳(Joule)和格羅夫(Grove)發(fā)覺熱力學第一定律;19世紀20年代~19世紀末,卡諾(Carnot)、開爾文(Kelvin)、克勞修斯(Clausius)等人發(fā)覺并說明了熱力學第二定律;19世紀70年代,吉布斯(Gibbs)提出“熱力學勢”概念,成功地解釋了化學反應方向問題。對相平衡進行研究并提出了相律。29/50化學動力學

1800-1802年貝托雷(Berthollet)發(fā)覺反應速率與“化學質(zhì)量”相關;1850年,威廉米(Wilhemy)發(fā)覺水溶液中酸催化蔗糖轉(zhuǎn)化反應速率:-dM/dt=kM1864到1879年古德貝格(Guldberg)和瓦格(Waage)發(fā)覺對于加成反應:αA+βB+γC→…反應速率=kpα

rγ(反應速率與濃度關系);30/501889年,阿累尼烏斯(Arrhenius)提出“活化分子”、“活化能”概念,結合范霍夫(van’tHoff)公式,得出了阿累尼烏斯公式(反應速率與溫度關系);1895年諾伊斯(Noyes)提出“反應級數(shù)”概念;

1913年,博登斯(Bodenstein)提出鏈反應概念,1916年能斯特(Nernst)提出了公認鏈反應機理。

31/50電化學

1799年,伏特(Volta)創(chuàng)造電池(原電池);1834年,法拉第(Faraday)發(fā)覺電解定律;1889年,能斯特(Nernst)導出能斯特方程;1887年阿累尼烏斯(Arrhenius)提出弱電解質(zhì)電離理論;1923年德拜(Debye)和休克爾(Hükel)提出強電解質(zhì)靜電作用理論。32/501.2.5結構化學

原子結構和分子結構

1897年湯姆生(Thomson)等人發(fā)覺了電子,1913年莫斯萊(Mosley)提出了原子序數(shù)概念,同年玻爾(Bohr)提出了原子電子層結構(類似于天體運動模型)。20世紀初,氫原子光譜試驗、電子衍射試驗等造成“能級”、“波粒二象性”、“幾率波”等全新概念產(chǎn)生。1926年薛定諤(Schr?dinger)提出波動方程(稱薛定諤方程)比很好地描述了微觀粒子運動狀態(tài),(新原子軌道概念)。33/501916年,柯塞爾(Kossel)結示了離子型化合物穩(wěn)定性(離子鍵);同年,路易斯(Lewis)提出共價鍵電子理論(共用電子對)。都是到達惰性氣體原子電子層結構。1927年海特勒(Heitler)和倫敦(Londen)解氫分子薛定諤方程,對原子“共用”電子正確含義有了新認識。1931年鮑林(Pauling)和斯萊特(Slater)提出雜化軌道理論,使價鍵理論深入發(fā)展。20世紀以后,以量子力學為基礎發(fā)展起來了分子軌道理論。34/50晶體結構早期人類對晶體外形特征認識:晶體理想外形是對稱多面體。1869年伽多林用數(shù)學方法,推導出晶體外形有32種對稱類型。把晶體劃分為三個晶族、七個晶系。1895年德國人倫琴(R?ntgen)發(fā)覺了x射線。1912年夫里德里希(Friedrich)和克尼平(Knipping)得到了世界上第一張x射線衍射圖。他們以及勞厄(Laue)衍射試驗證實x射線是一個電磁波,而且還證實了晶體點陣結構。1912年英國布拉格(Bragg)、俄國伏爾夫推導出了x射線衍射方程。x衍射試驗成為人們認識晶體結構最主要工具。

35/50配合物結構18世紀人們就發(fā)覺了一些“化合物”特殊穩(wěn)定性;1893年瑞士維爾納(Werner)提出配位理論。把配合物分為“內(nèi)界”和“外界”,內(nèi)界由“中心原子(或離子)”與周圍緊密結合“配位體”組成并提出了內(nèi)界幾何構型(四面體、八面體等)。20世紀20年代英國西奇維克(Sidgwick)引入了配鍵概念,他認為配位體(L)最少有一對孤對電子,而中心離子或原子(M)含有空價電子軌道,M與L結合方式就是配位體提供弧對電子與中心離子共享而形成配位鍵L→M。30年代鮑林(Pauling)提出了較為完整價鍵理論。36/50

1929年,貝特(Bethe)和范弗雷克(vanVlack)提出了晶體場理論,把中心離子與配位體相互作用,看作像離子晶體中正、負離子間作用一樣。1952年歐格耳(Orgel)把靜電場理論和分子軌道理論結合起來,提出配位場理論。

37/501.3當代化學發(fā)展從20世紀后半葉至今化學發(fā)展一個顯著特點:與其它學科交叉滲透、相互促進,產(chǎn)生了許多交叉邊緣學科。比如金屬有機化學、物理無機化學、生物無機化學、材料化學、環(huán)境化學等等。信息技術、材料科學、環(huán)境科學、生命科學等新興學科發(fā)展離不開化學支撐和指導。38/501.3.1計算化學與分子設計

計算化學:利用量子力學原理計算機技術計算分子靜態(tài)結構和動態(tài)過程。分子設計:依據(jù)設計目標,在分子水平上設計、組建目標產(chǎn)物。已經(jīng)在藥品設計、復雜功效材料合成等方面得到應用。

39/501.3.2當代測試伎倆

物理和化學相互滲透,誕生了一些先進測試儀器,成為人們認識微觀世界有力工具。質(zhì)譜儀核磁共振儀x射線衍射儀紅外、紫外或可見譜儀激光示蹤分析……

40/501.3.3化學與材料科學

化學與材料科學滲透開發(fā)出新型材料:

電子功效材料人工合成高分子材料光導纖維耐高溫高強材料納米材料……

41/501.3.4化學與環(huán)境科學

化學與環(huán)境科學滲透環(huán)境監(jiān)測環(huán)境評價環(huán)境污染治理綠色化學42/501.3.5

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