化学的定义: 第一章绪论 化学是一门在原子、分子层次上研究物质的组成 结构、性质及其变化规律的科学 1.1什么是化学 化学是研究包括原子、分子、分子片、超分子等各种 12化学的发展历程 的不同层次与复杂程度的聚集态的合成和制备、反应和 13化学大家族的构成 分高和分 构和形态,化学物理性能和生物与生 14化学的机会与挑战 性及其规律和应用的科学 15课程内容安排及其他 化学是创造新物质的分子科学 化学变化的三大特征 化学的发展历程 化学变化是质变化学变化是旧化学破坏和新化学形成的 过程,其实质是化学的新改组 2)化学变化是定量的变化化学变化涉及原子外电子的工新组 合,而原子并不发生变化。因此在化学变化前后,争与反应的 ●四次化学革命及元囊周期律的发现 元种类不会变化。由于原子外电子的总微未变,所以化学变 化前后物质的总质量不变,即服从质量守恒定律,而且参与反应 的各种物质之间有确定的计量关系 ●化学键理论的遮立与发展 3化学变化伴险着能量变化由于各种化学的能不同,所以 当化学发生改组时,必然伴险着能量的变化,伴险着体系与环 境的能量变换 化学之父 的炼金装置 近代化学之父化京 大英图书馆) 化零的起蛋录罩许可以造到到中世纪的盒术。鲁节大的化学家幸比希 创始人 1873)曾经说过,“蜡盒术实质上就是化掌。但是,测17世纪以前,化学 量子化学其“人 几谈不上是门啊学墓金求、冶盒术和圆黄化学对近代化学的产生,的有 四次化学革命的领军人物 无河怀瓶的贡就但它们的研究目的多于实用性飘,因哥还不能歌为科学
1 第一章 绪 论 1.1 什么是化学？ 1.2 化学的发展历程 1.3 化学大家族的构成 1.4 化学的机会与挑战 1.5 课程内容安排及其他 化学的定义： 化学是一门在原子、分子层次上研究物质的组成、 结构、性质及其变化规律的科学。 化学是研究包括原子、分子、分子片、超分子等各种 物质的不同层次与复杂程度的聚集态的合成和制备、反应和 转化，分离和分析，结构和形态，化学物理性能和生物与生 理活性及其规律和应用的科学。 化学是创造新物质的分子科学 ● 化学变化的三大特征 1) 化学变化是质变 —— 化学变化是旧化学键破坏和新化学键形成的 过程，其实质是化学键的重新改组。 2) 化学变化是定量的变化——化学变化涉及原子核外电子的重新组 合，而原子核并不发生变化。因此在化学变化前后，参与反应的 元素种类不会变化。由于原子核外电子的总数未变，所以化学变 化前后物质的总质量不变，即服从质量守恒定律，而且参与反应 的各种物质之间有确定的计量关系。 3) 化学变化伴随着能量变化——由于各种化学键的键能不同，所以 当化学键发生改组时，必然伴随着能量的变化，伴随着体系与环 境的能量交换。 化学的发展历程 ● 四次化学革命及元素周期律的发现 ● 化学键理论的建立与发展 英国化学家波义耳 （1627-1691） 化学之父 法国化学家拉瓦锡 （1743-1794） 近代化学之父 英国化学家道尔顿 （1766-1844） 科学原子论 创始人 美国化学家鲍林 （1901-1994） 量子化学奠基人 四次化学革命的领军人物 之一 中世纪炼金术士工作的地方 15世纪的炼金装置 （大英图书馆） 化学的起源最早或许可以追溯到中世纪的炼金术。德国伟大的化学家李比希 (1803-1873)曾经说过，“炼金术实质上就是化学”。但是，直到17世纪以前，化学 几乎谈不上是一门科学。炼金术、冶金术和医药化学对近代化学的产生，的确有 无可怀疑的贡献，但它们的研究目的多属于实用性质，因而还不能称为科学
次化学革 命罗伯旋文耳RBgk) The Sceptical Chym 次化学革命 安托万劳伦瓦 拉瓦解在做实险,夹人做记录 1627.1691,英■) 1743-1794簧国 耳是站在古代化学和近代化学的变交叉点上,能往开来的大人 783年出版名音《关于黛的国》,提出常情的氧化说;1789年出 他“把化学确立为学(新看),被为“化学之画 《初等化学论》,舞开了圆服人典几千年的烟之键,以批判能油化学界近 化掌不是为了前盒,也不是为了病,它应当从金术和医学中分高出 百年的说为标志,动了算二次化命普为化学中的牛氨 来,R为一门独立的啊学 波义耳为尚验,“请毫无用地,一切来自实,他招严密的实 中都含有任何 学变化都是物体歌收就晶囊过■,从7世家则8配末的100年 方法引入化学新究使化学为一门实验料学 同,鼎囊说成为化论的权成 房一项大成献是队科擊元素说取代 1803年创立科学暴子论化学原子论,提示了备化学 定、化学录康的内在系,成为说化学录像的能一 论,完成了化学氨内一次概为大的通论愉食 中国古代的五行说盒水水火土h古印度的五大能 地水火: Empedock出的水火土气四元激:以 地子 士多是一多出冷蠡干蛋风元说1 了一个和精南的义 歌讹学革命 理衡的聊 n前量个教予是上 元囊是用任何方法不再分解的单着质 元囊是由非常微小的、看不见的、不可再分制的尿子姐成:最于不能制遭 意在丝工幅以前的100多年同,化单家一直旭元和单度 首次列出了画时符合这个定义的包括3弹验质的 食,那成化食恤。化食的原于称为复杂原子,它的 和。1807年尔氨发 由于这些黄,批瓦都称为近代化学之父 拉瓦的周期康 以老素大,最为,分子 前历了个多 世配来通学大《射最18%5:放射 第 幽生,量子力学在化学实晓成了量子化学,成为乳 s和Fw. Londe 比化 的肩爱,和凉解 学 子于到论有了令人 0.1976.量子力学了 血分子成暴 广到多单质和化食中,冀了价看论vB亦H论,了共价站方 性和和性,此后林又绸出杂化道论,还出电夤性、能就、森化、我 最大的化掌之 用,代菲作《化》T 构。1934物在入生输大分于究提出了蛋白默分子多的 2
2 罗伯特·波义耳 (R. Boyle ) （1627-1691, 英国） 波义耳是站在古代化学和近代化学的交叉点上，继往开来的伟大人物。 他“把化学确立为科学”(恩格斯语)，被誉为“化学之父”(墓碑语)。 “化学不是为了炼金，也不是为了治病，它应当从炼金术和医学中分离出 来，成为一门独立的科学”。 波义耳极为崇尚实验。“空谈毫无用途，一切来自实验”。他把严密的实 验方法引入化学研究，使化学成为一门实验科学。 《The Sceptical Chymist》(《怀疑派的化学家》) 一书的封面和扉页 (1661年) 第 一 次 化 学 革 命 拉瓦锡在做实验，夫人做记录 1783年出版名著《关于燃素的回顾》，提出燃烧的氧化学说；1789年出版 《初等化学概论》，揭开了困惑人类几千年的燃烧之谜，以批判统治化学界近 百年的“燃素说”为标志，发动了第二次化学革命，被誉为“化学中的牛顿”。 1703年，德国化学家斯塔尔(G. E. Stahl, 1660-1734)提出完整系统的燃素说。认为火 是由无数细小而活波的微粒构成的物质实体，即燃素。一切可燃物中都含有燃素，任何 与燃烧有关的化学变化都是物体吸收或释放燃素的过程。从17世纪末到18世纪末的100年 间，燃素说成为化学理论的权威。 第 二 次 化 学 革 命 安托万-劳伦·德·拉瓦锡 Antoine-Laurent de Lavoisier 1743-1794, 法国 拉瓦锡的另一项重大成就是以科学元素说取代 了传统思辨的旧元素论。 [ 中国古代的五行说(金木水火土)；古印度的“五大说”( 地水火气空)；Empedocles提出的水火土气四元素说；以及 亚里士多德进一步提出的冷-热-干-湿四元素说 ] 拉瓦锡首次给元素下了一个科学和清晰的定义 ：“元素是用任何方法都不能再分解的简单物质”。 [ 实际上并不算是真正科学的元素概念，而是单质的概 念。在拉瓦锡以后的100多年间，化学家一直把元素和单质 看成是同义词 ] 首次列出了当时符合这个定义的包括33种物质的 元素表。 由于这些贡献，拉瓦锡被称为“近代化学之父”。 拉瓦锡的周期表 约翰·道尔顿, John Dalton (1766-1844, 英国) 元素是由非常微小的、看不见的、不可再分割的原子组成；原子既不能创造 ，不能毁灭，也不能转变，所以在一切化学反应中都保持自己原有的性质；同一 种元素的原子其形状、质量及各种性质都相同，不同元素的原子的形状、质量及 各种性质则不相同，原子的质量(而不是形状)是元素最基本的特征；不同元素的 原子以简单的数目比例相结合，形成化合物。化合物的原子称为复杂原子，它的 质量等于其组合原子质量的和。1807年道尔顿发表“化学哲学新体系”，全面阐述 了化学原子论的思想。 [1811年，意大利物理学家阿佛加德罗(1776-1856)提出分子假说。最初一直受到冷落，后经意大利 化学家康尼采罗(S. Cannizzaeo, 1826-1910)等的努力，才获得科学界的普遍承认，最后形成统一的原 子－分子学说，前后经历了半个多世纪] 1803年创立科学原子论(化学原子论)，揭示了各种化学 定律、化学现象的内在联系，成为说明化学现象的统一理 论，完成了化学领域内一次极为重大的理论综合。 [古希腊德谟克利特(Demo critus，公元前460-前370)提出的原子学说 ：世界万物都是由微小的、不可再分割的微粒——原子组成。原子永恒 存在，永不毁灭。无限多的原子在虚空中不断运动，并相互猛烈碰撞， 于是发生旋转而形成天地间各种物质，产生各种自然现象。原子和虚空 构成了整个茫茫宇宙。古代朴素的原子学说实际上只不过是一种哲学思 辨，并无科学实验依据] 第 三 次 化 学 革 命 Solvay Conference (1911-) 第 四 次 化 学 革 命 19世纪末物理学领域三项重大发现(X射线: 1895; 放射性: 1896; 电子: 1897)，首先揭开了物理学革命的序幕，导致了量子力 学的诞生。量子力学在化学领域的实践形成了量子化学，成为现 代化学的理论支柱。 1927年，德国物理学家W. Heitler (1904-1981)和F. W. London (1900-1954)受量子力学处理氢原子获得成功的启发，建立和求解 了氢分子的薛定谔方程，开创了利用量子力学原理在化学中应用 的先例，建立了化学键的新概念，使共享电子对理论有了令人信 服的理论基础，成为量子化学诞生的重要标志。 1930年，鲍林和德国物理学家J. C. Slater (1900-1976)把量子力学处理氢分子的成果 推广到多种单质和化合物中，建立了价键理论(VBT, 亦称HLSP理论)，阐明了共价键的方 向性和饱和性，此后鲍林又提出杂化轨道理论，还提出电负性、键参数、杂化、共振、 氢键等概念。 鲍林是现代最伟大的化学家之一，他对化学的最大贡献是关于化学键本质的研究以 及在物质结构方面的应用，其代表作《化学键的本质》[The Nature of the Chemical Bond, Cornell Univ. Press, Ithaca New York, 1939]至今仍是一部权威性著作。他是现代结构化 学的奠基人，并把化学结构理论引入生物大分子结构研究，提出了蛋白质分子多肽链的 螺旋结构。1954年获诺贝尔化学奖，1962年获诺贝尔和平奖。 鲍林, Linus Pauling 1901-1994, 美国
化学键理论的建立与发展历程 元素周期律的发现 916年,鲁国基尔大学理论物理学教柯喜尔(W. Kossel,1888 发来论文关于原子站构和分子形成”·认为稳定高子的形成, 门列夫D. L Mendeleev zeitschriftfirChemtie,12.4056(1869 便达到情性气体原子的电子结构的趋勢 341907, 阴阳高子,阴高子和阳离子之间由库仑引力而相互吸引形成化 869年,门列和临国化学豪迈尔(. L Meve1830-185激发元囊 骗,他用正电价袭宗要失电子的元囊的化合价,用负电价囊示得 周期律。二奢是在写教和书过中亮成这量大发现的迈尔对元童性质的 研究子理性面门魏列夫则更多地着限于元的化啦性质 商子临元的化合价,元原子间的雄命被为价观在为 周御的发观在化学发晨史上具有划时代的义它心看起来氯立的 852年,英国化学家弗兰克兰 E. Frankland,1825-189提每种元囊形成化食 总是和一定敢目的其它元蚋原子章国帽合,氯出了原子价微念,也 最本的律,使化学研完入了承能化阶股,使化学发史上能子论之后又 次大的给食,成为化学的主石之一。 价管遥论B還论,电子配对遥论 927年御国物理学家高特勒W. Heitler,19041981)和伦敦(FW. London, 1916年,美国加州大学化学教,暗晶斯(G.W. Lewis,18751%6发豪论 用到分子构中立和求解了氯分子的薛定 文佩子和分子”,同排依量情性气体氯外原子最外层电子具有8个电,形 播示了氯分子中每个原子共用一对电子形成化学的本质,指出只有 成稳宠构的客观事实,提出商于餐提供1个成个3个电子作为雨子共 相反的未成对电 有使每个原子都具有电子的礁定站构,共有电子与两原子相互服引而使 1930年,美国化学本的林( Pauling. I'9 两康子相工结食。种原子闻的合称为共价。1923年,又出殿“价和原 子、分的结构一书系能属述了他的价理论,并提出了描述这种共价 中,从而形成了现代价理论VB 合的围示法高晶斯站构式)。路晶斯的这种原子和分子型是将外电子排列 了共价的方向性和饱和性,指出了由于原子轨道量憂方式不同而形成 在立方体的八个角上,因而称为八隔体,其论说教称为八说。 共价型,1931年,为解甲分于的空闻构豆,林和 做数加原理,提出了杂化轨道增论。作为价還论的 1919年美国化学家尔( L. Langmuir,1881-1957又出一种原子闻共 较满意地解了共价多原子分子的空构型 用电子对可以不是来自两原子,而是由一个原子单独提供的共价论有时 11933年,为了食還处理用略晶斯结构难以描述的分子,能沐又提出 也事为晶斯朝尔理论a 了共量标念 作为化学的经典电子通论,电价理论和共价理论在化学理论发展 创论将量力学的原理和化学的观经验紧密蜻合,在经典化学中 史上起测了往开来的作用 引了量子力学论和一系列的新微念,如杂化、共氯、、x、电负性 等,对当时化学论的发展起了重要作用 分子轨道理论(MO理论 作为分于轨道论的发晨,1952年,日本化学家福井谦(F 28年,莫国学家其利背(RS. Mulliken,18961986和兽国学家洪 :Hu1697)趣人黄先提出分子轨谴论,19年,经加章大斜 1918-1998)提出了“前轨道论”,其观点是:分的许多性 家兹伯情(G. Herzberg和英国科学取伦的兽琼斯(J.E 质是由最高占轨道和量低未占轨道决定的 电子分子中的能量最高被 1s41954的透一步研克,开始用于解决化学输问,从而萬定了原子轨道 年,国化学取休克尔 E HuckeL I8%6 反应中起主导作用该理论成为研究分于动态化学反应的新起点 40加以发晨开始广泛用于讨论典有机分子的神和性并款得很 大就功,日盖得测化学界的量视 196年,美国有机化学家伍锦沃(RB. Woodward1917-1979与量子 化学家暑夫曼R. Hoffman,193以前轨道论为工具讨论了周环反应的 分轨道辑论的出搜点是分子的体性,量分子中电于的运动状况 立体化学选择定则 角度来判断和预言化学反应的方向、难昌度和 ,以分轨道的念来克服价管理论中强调电于配对所造成的分子电子 画难于进行最学运算的缺点。真利肯把子轨道线性组合成分轨道 叫动态,从而提出了“分 用败学计算井序化,分子轨道法处理分子雄构的結果与分子光舞 对幕守恒原理,又称伍沃鲁一夫曼规则,被认为是认识化学反应发 合,因此50年代开始,价還论渐被分子轨道還论所代 中上的一个程碑 因利背用量子力学创立了化学结构分子轨道论,舞啊了分的共 翟夫曼的分子轨道对称守恒原理和福井谦一的前轨道理论共获198 价质和电子构,1966年荣获谐贝尔化学奖 谐贝尔化学奖
3 1869年，门捷列夫和德国化学家迈尔(J. L. Meyet, 1830-1895)独立发现元素 周期律。二者都是在编写教科书过程中完成这一重大发现的。迈尔对元素性质的 研究偏重于物理性质，而门捷列夫则更多地着眼于元素的化学性质。 元素周期律的发现在化学发展史上具有划时代的意义，它把看起来孤立的、 杂乱无章的化学元素知识，纳入到一个严整的自然体系之中，揭示了自然界一条 最基本的规律，使化学研究进入了系统化阶段，使化学发展史上继原子论之后又 一次重大的综合，成为化学的主要基石之一。 元 素 周 期 律 的 发 现 门捷列夫, D. I. Mendeleev 1834-1907, 俄国 Zeitschrift für Chemie, 12, 405-6 (1869) 化学键理论的建立与发展历程 离子键理论 (电价理论)： 1916年，德国基尔大学理论物理学教授柯塞尔(W. Kossel, 1888- 1956)发表论文“关于原子结构和分子形成” *，认为稳定离子的形成， 是由原子获得或失去电子，以便达到惰性气体原子的电子结构的趋势 而形成阴阳离子，阴离子和阳离子之间由库仑引力而相互吸引形成化 学键。他用正电价表示丢失电子的元素的化合价，用负电价表示获得 电子的元素的化合价。两元素原子间的结合被称为电价键，现在称为 离子键。 【1852年，英国化学家弗兰克兰 (E. Frankland, 1825-1899) 根据每种元素形成化合物 时，总是和一定数目的其它元素的原子或基团相结合，提出了原子价的概念，也称 化合价】 * “Molecule Formation as a Question of Atomic Structure”, Annalen der Physik, 49, 229-362 (1916). 共价键理论 (经典Lewis学说)： 1916年，美国加州大学化学教授路易斯 (G. W. Lewis, 1875-1946)发表论 文“原子和分子”，同样依据惰性气体除氦外原子最外层电子具有8个电子，形 成稳定结构的客观事实，提出两原子各提供1个或2个或3个电子作为两原子共 有，使每个原子都具有8电子的稳定结构，共有电子与两原子核相互吸引而使 两原子相互结合。这种原子间的结合称为共价键。1923年，又出版“价键和原 子、分子的结构”一书，系统阐述了他的价键理论，并提出了描述这种共价结 合的图示法(路易斯结构式)。路易斯的这种原子和分子模型是将核外电子排列 在立方体的八个角上，因而称为八隅体，其论说被称为八隅说。 1919年美国化学家朗缪尔 (I. Langmuir, 1881-1957)又提出一种原子间共 用电子对可以不是来自两原子，而是由一个原子单独提供的(共价键理论有时 也称为路易斯-朗缪尔理论)。 作为化学键的经典电子理论，电价理论和共价键理论在化学键理论发展 史上起到了继往开来的作用。 价键理论 (VB理论，电子配对理论)： 1927年德国物理学家海特勒(W. Heitler, 1904-1981)和伦敦(F. W. London, 1900-1954)首先把量子力学应用到分子结构中，建立和求解了氢分子的薛定谔 方程，揭示了氢分子中每个原子共用一对电子形成化学键的本质，指出只有 自旋相反的未成对电子才能形成共价键。 1930年，美国化学家鲍林(L. Pauling, 1901-1994)和德国物理学家斯莱特 (J. C. Slater, 1900-1976)把海特勒和伦敦的电子对成键理论推广到多种单质和 化合物中，从而形成了现代价键理论(VB理论，亦称HLSP理论)。该理论阐明 了共价键的方向性和饱和性，指出了由于原子轨道重叠方式不同而形成的σ键 和π键这两种基本共价键类型。1931年，为解释甲烷分子的空间构型，鲍林和 斯莱特又根据波函数叠加原理，提出了杂化轨道理论。作为价键理论的重要 补充，较满意地解释了共价多原子分子的空间构型。 1931-1933年，为了合理处理用路易斯结构难以描述的分子，鲍林又提出 了共振概念。 价键理论将量子力学的原理和化学的直观经验紧密结合，在经典化学中 引入了量子力学理论和一系列的新概念，如杂化、共振、σ键、π键、电负性 、电子配对等，对当时化学键理论的发展起了重要作用。 分子轨道理论(MO理论)： 1928年，美国科学家莫利肯(R. S. Mulliken, 1896-1986)和德国科学家洪 特(F. Hund, 1896-1997)等人首先提出分子轨道理论。1929年，经加拿大科 学家赫兹伯格(G. Herzberg)和英国科学家伦纳德-琼斯(J. E. Lennard-Jones, 1894-1954)的进一步研究，开始用于解决化学键问题，从而奠定了原子轨道 线性组合分子轨道法的基础。1931年，德国化学家休克尔(E. Huckel, 1896- 1980)加以发展，开始广泛用于讨论共轭有机分子的结构和性质，并获得很 大成功，日益得到化学界的重视。 分子轨道理论的出发点是分子的整体性，重视分子中电子的运动状况 ，以分子轨道的概念来克服价键理论中强调电子配对所造成的分子电子波 函数难于进行数学运算的缺点。莫利肯把原子轨道线性组合成分子轨道， 可用数学计算并程序化。分子轨道法处理分子结构的结果与分子光谱数据 吻合，因此50年代开始，价键理论逐渐被分子轨道理论所替代。 因莫利肯用量子力学创立了化学结构分子轨道理论，阐明了分子的共 价键本质和电子结构，1966年荣获诺贝尔化学奖。 作为分子轨道理论的重要发展，1952年，日本化学家福井谦一(Fukui Kenichi, 1918-1998)提出了“前线轨道理论”。其基本观点是：分子的许多性 质是由最高占据轨道和最低未占轨道决定的，即给电子分子中的能量最高被 占分子轨道(HOMO)和受电子分子中能量最低未占分子轨道(LUMO)在化学 反应中起主导作用。该理论成为研究分子动态化学反应的新起点。 1965年，美国有机化学家伍德沃德(R. B. Woodward,1917-1979)与量子 化学家霍夫曼(R. Hoffman, 1937-)以前线轨道理论为工具讨论了周环反应的 立体化学选择定则，从动态角度来判断和预言化学反应的方向、难易程度和 产物的立体构型等，把量子力学由静态发展到动态，从而提出了“分子轨道 对称守恒原理”，又称“伍德沃德－霍夫曼规则”。被认为是认识化学反应发 展史上的一个里程碑。 霍夫曼的分子轨道对称守恒原理和福井谦一的前线轨道理论共获1981年 诺贝尔化学奖
近年来,嵌领娘又有了新的发展。美国化学家科W. 1929年,曾理学取贝特( H. Bethe,1906-2005,1967年错贝尔理奖)和 了电子密度泛画還论,始分子性质的计算开了 戴弗克( H. van Vleck,189190,197年贝尔物理奖展出最体婚理 非筒并志的多电子体系,其 换定该体系 说用于解事合物中过金属高子在晶体场中的能分该论认为 排把过去单个电子的波画败变成电子曹度的 合输的中心高子与周圆配位体的相互作用和高子晶体中正负商子间的作 化了程序减少了计算量 样,是纯的静电作用。体场理论在说明配食磁性和颜色等方国 英国化学家放普尔(JA.Popl)发晨了一系列量子化学 于价魔论,但曲于只从静电作用模型来考问照不能解为什么 编弧啊配位体场之分,且难以说啊分飄能大小变化的次序 如NDDO包双原子微分叠),CNDO全分置 限分叠薄,并采用高斯画邮决了特里福克罗特汉 司,做出了量子化学计算教件包 Gaussian70到 Gaussia 算分子体系的能量、分子的平性质、过态和反应径 光性质等,使化学进入了实验和理论计算井置的新时代 1998年两位料学家获得诺风尔化学奖 University 配位场理论(LFT 化学大家族的构成 952年,欧格尔EOre)把晶体场理论与分子轨道理论相给合, 不仅考中心膏子与位体之闻的静电效应,也考邮它们之间所生成的共 化学发晨至今从被义耳时代算起巳有350年历史。已根深叶 价分子轨道的性把轨道能最分看成是静电作用和生成共价分子 鹿,形成许多学科分支,一般把化学称为一氨学科,其分支学料 轨道的综合站果,立了配位场還论( Ligand-Field Theory) 咖为二级学科 从化学和量子化学理论的发晨来看,化学家花了半个世纪左 按研究对象或研究目的不同,可将化学分为:无机化学、有 机化学、分析化学、物化学、高分子化学、化学工程、化学生 右的时间,由没入深地认识分子的本质及其相互作用的基本原理 物学等二级学料 从而让人们进入分子的理性设计的高层次领域,创造新的功能分子 二级学科以下还可细分为三级学料。如位化学是无机化学 v南机化学 无机化学 研究气化食验及其生物的化学分支,也有人称“最的化学” 最古老的化学分支,旱期的化学研究基本属于无机化学范。 1806年,贝果星鸟斯. J Berzelius,17791848,请鼻成 福少,主是 研究无机兽的组成、结构、性质和无机化学反应与过翟的化学 化命值,只能由生命力来亮成生命力论,人工合成是不可售的他最罩提招有 当前主研究领: 机化食曾的新完氨地为有机化学 18年,能 F. wohler:180182首次用无机物合成了有机合成的新领 无机和有机界的绝对界限,动招了所的生命力论”,开降了 (2)配位化学及分子材料和叠件 1830年,辛比希F. von Liebig,180-1873,—口)在前人工作上晨 )团及原子旗化学 (5无机纳米材料及件 的含量,批知有机兽的元构,大大进了有机化学的发晨。 土化学及功能材料 (7)核化学和放射化学 章看书,将有机化学定义为化合销的化擊,1865年邮现苹环 物理无机化学, 成为化学构理论晨史上的一项造成就
4 近年来，该领域又有了新的发展。美国化学家科恩(W. Kohn)发展 了电子密度泛函理论，给分子性质的计算开辟了新途径。他提出基态是 非简并态的多电子体系，其电子密度决定该体系基态的一切物理性质。 这样把过去单个电子的波函数变成电子密度的概念来进行计算，大大简 化了程序，减少了计算量。 英国化学家波普尔(J. A. Pople)发展了一系列量子化学计算方法， 如NDDO(忽略双原子微分重叠)，CNDO(全略微分重叠)，INDO(间略 微分重叠)等，并采用高斯函数解决了哈特里-福克-罗特汉方程计算的关 键障碍，做出了量子化学计算软件包Gaussian-70到Gaussian-98。可计 算分子体系的能量、分子的平衡性质、过渡态和反应途径、分子的电磁 光性质等，使化学进入了实验和理论计算并重的新时代。 1998年两位科学家获得诺贝尔化学奖。 晶体场理论： 1929年，物理学家贝特(H. Bethe, 1906-2005, 1967年诺贝尔物理奖）和 范弗雷克（J. H. van Vleck, 1899-1980, 1977年诺贝尔物理奖)提出晶体场理 论，用于解释配合物中过渡金属离子在晶体场中的能级分裂。该理论认为 配合物的中心离子与周围配位体的相互作用和离子晶体中正负离子间的作 用一样，是纯粹的静电作用。晶体场理论在说明配合物磁性和颜色等方面 ，优于价键理论。但由于只从静电作用模型来考虑问题，不能解释为什么 会有强弱配位体场之分，且难以说明分裂能大小变化的次序。 Hans Albrecht Bethe Cornell University John Hasbrouck van Vleck Harvard University http://nobelprize.org/ 配位场理论 (LFT)： 1952年，欧格尔(L. E. Orgel)把晶体场理论与分子轨道理论相结合， 不仅考虑中心离子与配位体之间的静电效应，也考虑它们之间所生成的共 价键分子轨道的性质，把轨道能级分裂看成是静电作用和生成共价键分子 轨道的综合结果，建立了配位场理论 (Ligand-Field Theory)。 从化学键和量子化学理论的发展来看，化学家花了半个世纪左 右的时间，由浅入深地认识分子的本质及其相互作用的基本原理， 从而让人们进入分子的理性设计的高层次领域，创造新的功能分子 。这是20世纪化学的一个重大突破。 化学大家族的构成 化学发展至今，从波义耳时代算起已有350年历史。已根深叶 茂，形成许多学科分支。一般把化学称为一级学科，其分支学科 称为二级学科。 按研究对象或研究目的不同，可将化学分为：无机化学、有 机化学、分析化学、物理化学、高分子化学、化学工程、化学生 物学等二级学科。 二级学科以下还可细分为三级学科。如配位化学是无机化学 的分支学科等。 ♥ 无机化学 最古老的化学分支，早期的化学研究基本属于无机化学范畴。 研究无机物的组成、结构、性质和无机化学反应与过程的化学。 当前主要研究领域： (1) 固体化学及功能材料 (2) 配位化学及分子材料和器件 (3) 生物无机化学 (4) 团簇及原子簇化学 (5) 无机纳米材料及器件 (6) 稀土化学及功能材料 (7) 核化学和放射化学 (8) 物理无机化学，等。 ♥ 有机化学 研究碳氢化合物及其衍生物的化学分支，也有人称为“碳的化学”。 1806年，贝采里乌斯(J. J. Berzelius, 1779-1848, 瑞典)把成分元素很少，主要是 由C,H,O,N组成的物质作为有机化合物的特征，并认为有机物是来自生物有机体的 化合物，只能由生命力来完成(生命力论)，人工合成是不可能的。他最早提倡把有 机化合物的研究领域称为有机化学。 1828年，维勒(F. Wöhler, 1800-1882)首次用无机物合成了有机物——尿素，打 破了无机和有机界的绝对界限，动摇了所谓的“生命力论”，开辟了有机合成的新领 域。 1830年，李比希(J. F. von Liebig, 1803-1873, 德国）在前人工作基础上，发展 了有机化学的定量分析方法，将有机物与氧化铜一起燃烧，然后精确测定生成物的 各种元素的含量，推知有机物的元素结构，大大推进了有机化学的发展。 1858年，凯库勒(F. A. KeKule, 1829-1896, 德国)率先将原子价理论应用于解释 有机化合物的结构，提出碳四价的观点和碳链学说。1861年，凯库勒编写“有机化 学教程”一书，将有机化学定义为“碳化合物的化学”。1865年，凯库勒发现苯环结 构，成为化学结构理论发展史上的一项辉煌成就
当前有机化学的主要研究领 (1)有机合成化学 (2)金属有机化学和有机借化 (4)物理有机化学 动 研究有机分子构与性能的关系,有机化学反应机通及用通论计算化 需需 学的方滋来邮、见和发现新的有机化零 (5)生物有机化学等等 分析化学 物理化学 测量和豪征物质的组成和结构的分支学科。 是从物质的物理现象和化学现象的联系入手,用物理学的原理 主要包括成分分析和结构分析两个方面。结构分析多地涉及物 和方法研究化学变化本规律的利学 内容,故往往划归为物理化学的研究范赚。以化学反应为础的分 属于化学学科的理论部分。研究物质体系的化学行为的 析方法称为化学分析法,是分析化学的利用特定仪并以物质 是、规律和方法的学科。酒从微观到宏观对结构与性质的关 理化学性质为甚础的分析方法称为仅分析法 素规律、化学过程机理及其控制的研究 现代分析化学正向快速、准确、灵敏、微量、微区、豪面、自动 主宴内容包括 化等方向发展 real time, In sit, IN wEVe),主内客包括 (1)化学热力学 化学动力学 (2)电化学分析 (4)量子化学 (4)质请分析 (5)核雕共摄 (5)电化学 (6)催化化学 (7放射化学分析;(8)单分子原子测 (7)胶体化学等等 v高分子化学 化 研究链状大分子的合成、大分子的链结构 和聚集态幼构,以及大分子豪合物作为高分子 材料的成型及应用 剑 主要内客包括 1)高分子合成化学 (3)功能高分子及件 4)高分子加工与成型 in Chem 1933 87年,阿仑尼乌斯摄出电解质电高增论。论与法第电解定1834 门教列夫元量果1 定了现代化学的“。网年真斯特工尔 办“化学志 Zeitschrift far physikalische Chemie,标志通化学 高分子高锻幼构、尺度与性能的关系toas (6通用高分子材料及合成高分子的原料ted 的症,网仑尼乌斯、真特工尔和范特夫为化学三剑害°
5 维勒 Friedrich Wöhler (1800-1882, 德国) 尿素合成人 李比希 Justus von Liebig (1803-1873, 德国) 有机化学之父 凯库勒 Friedrich August KeKule (1829-1896, 德国) 苯环结构发现者 当前有机化学的主要研究领域： (1) 有机合成化学 (2) 金属有机化学和有机催化 (3) 天然产物有机化学 (4) 物理有机化学 (研究有机分子结构与性能的关系，有机化学反应机理及用理论计算化 学的方法来理解、预见和发现新的有机化学现象) (5) 生物有机化学, 等等。 ♥ 分析化学 测量和表征物质的组成和结构的分支学科。 主要包括成分分析和结构分析两个方面。结构分析更多地涉及物 理内容，故往往划归为物理化学的研究范畴。以化学反应为基础的分 析方法称为化学分析法，是分析化学的基础；利用特定仪器并以物质 的物理化学性质为基础的分析方法称为仪器分析法。 现代分析化学正向快速、准确、灵敏、微量、微区、表面、自动 化等方向发展(real time, in situ, in vivo)。主要内容包括： (1) 光谱分析； (2) 电化学分析； (3) 色谱分析 (4) 质谱分析； (5) 核磁共振； (6) 表面分析 (7) 放射化学分析; (8) 单分子(原子)检测； (9) 生化分析，等等 ♥ 物理化学 是从物质的物理现象和化学现象的联系入手，用物理学的原理 和方法研究化学变化基本规律的科学。 属于化学学科的基础理论部分。研究物质体系的化学行为的 原理、规律和方法的学科。涵盖从微观到宏观对结构与性质的关 系规律、化学过程机理及其控制的研究。 主要内容包括： (1) 化学热力学 (2) 化学动力学 (3) 结构化学 (4) 量子化学 (5) 电化学 (6) 催化化学 (7) 胶体化学, 等等 1887年，阿仑尼乌斯提出电解质电离理论。该理论与法拉第电解定律(1834)、 门捷列夫元素周期律(1869)一起，共同奠定了现代化学的基础。同年，奥斯特瓦尔 德创办《物理化学杂志》(Zeitschrift für physikalische Chemie)，标志着物理化学学 科的建立。阿仑尼乌斯、奥斯特瓦尔德和范特霍夫被称为“物理化学三剑客”。 物 理 化 学 三 剑 客 阿仑尼乌斯 Svante A. Arrhenius (1859-1927, 瑞典) 电离理论创立者 Nobel Prize in Chem. 1903 奥斯瓦尔德 Wilhelm Ostwald (1853-1932, 德国) 物理化学之父 Nobel Prize in Chem. 1909 范特霍夫 Jacobus H. van’t Hoff (1852-1911, 荷兰) Nobel Prize in Chem. 1901 ♥ 高分子化学 研究链状大分子的合成、大分子的链结构 和聚集态结构，以及大分子聚合物作为高分子 材料的成型及应用。 主要内容包括： (1) 高分子合成化学 (2) 高分子物理 (3) 功能高分子及器件 (4) 高分子加工与成型 (5) 高分子高级结构、尺度与性能的关系 (6) 通用高分子材料及合成高分子的原料 Hermann Staudinger (1881-1965, 东德) Nobel Prize in Chem. 1953 “for his discoveries in the field of macromolecular chemistry