2|工程化学 发展的简单的社会化学模式 0.2.2化学促进材料的发展 0.2.2.1陶瓷的产生和发展 人们在漫长的用火实践中 ,发现火坑周围原本可塑性很强的黏土往往被烧得十分坚硬 即使泡在水里也不会变软和变形。由此得到启示，人们逐渐有意识地把黏土捣碎，用水调 匀，逐担成型（比打制石器容易得多），再以火培格，经村不斯实我，终干堂据了挡粗路 器的技术。随着制陶技术的发展，对原料配方的改进，烧出的陶器硬度更大，吸水率更低且 表面光滑明亮，这就是釉层，随着釉层的出现，窑温的提高和白色瓷土的采用，瓷器就产生 了。陶瓷生产的发展，为人们造房定居创造了条件，使人类告别了岩洞和穴居，使城镇得以 兴起。考古发现，在距今五六千年的中国古代仰留文化时期，就有了烧制精美的陶器，在距 今三千多年的古埃及，就制成了玻璃器皿。直到今天，我们还在使用“秦砖汉瓦” 0.2.2.2金属的治陈 陶瓷工艺的改进发展获得了1000多摄氏度的高温，为金属冶炼工艺的发展作了充分的 准备。六七千年前，古人发现某些“石头”经火煅烧后可得到坚硬而且可以铸造的材料，最 早发现的是铜、锡、铅等。出土文物显示，距今3600年前，我国的铜冶炼技术已相当成熟， 最初使用的是火法炼铜，以木炭为燃料加热冶炼孔雀石，最初得到的是天然铜一红铜。后 来人们为了降低铸造温度，提高硬度，加人了另一金属 锡，便得到了功能更好的青铜， 青铜被广泛用来制造工具、武器及生活用品，成了一个时代的象征，这就是历史上的青铜器 时代，人类社会也由原始社会进人了奴隶社会。 炼铜的原料在自然界较少，限制了青铜的进一步使用，但在冶炼过程中，能够得到 1000℃的高温，人们把另一种矿石（铁矿）与木炭装在陶制容器中，利用木炭不完全燃烧产 生的一氧化碳将铁矿石还原为铁，这就是炼铁，由于铁矿石比孔雀石多得多，铸铁制品非常 坚硬，铁的治炼得以讯速发援，铁制工具取代了青铜工具并得到了更加广泛的使用，牛产获 得迅速发展，生产关系随之变革，人类逐渐进入封建社会 0.2.3炼丹术和炼金术对化学的发展 我国是炼丹术出现最早的国家，到汉武帝时，在帝王的支持下炼丹术盛行。炼丹术的初 表是为了求得长生不老之药，但从现代化学的观点来看，当时的炼丹活动主要是将汞、铅和 硫等物在炼丹炉中烧制成含汞或铅的化合物，即所谓的仙丹。 公元？~9世纪，相当于我国的隋唐时期，中国的炼丹术传入阿拉伯，并通过阿拉伯传 入欧洲许多国家，现在的化学一词“chemistry”就是由阿拉伯语中炼金术一词“alkimiya'” 演化而来的。由于受亚里士多德(Aristotle)“一种元素能变成另一种元素”学说的误导 许多人试图将普通金属治炼成黄金，因此进行了大量的化学实践活动，其内容涉及矿物冶 炼、金属成分分析、无机盐制备等。当然，炼金术士的愿望是不会实现的 但这种旷日持久，范围极广的炼金、炼丹活动，在客观上极大地丰富了人类对金属、对 矿物乃至对整个物质世界的认识，为人们积累了大量的实践经验，对后来化学学科的建立起 到了重要的作用。 0.2.4医药化学 到了我国明代，著名医药学家李时珍在他的巨著《本草纲目》中记载的药物达1892种。 其中包括无机药物266种，该书还对这些药物进行了较系统的分类。特别值得一提的是，该书 记载着一些较为复杂的无机药物的加工制作过程，有的可算得上是典型的无机合成反应， 15、16世纪以后，欧洲进入了文艺复兴时期，自然科学受其影响也出现了一批革新的
0.绪论3 科学家，炼金术进入了一个新的研究方向，即所谓“医药化学”。这一时期，一些医生不再 相信炼金术中由普通金属制贵金属的说法，而是研究用化学方法制成药剂来医病，取得了很 多成果，涉及许多无机物和一些有机物的制备和性质。医药化学的发展进一步丰富了人们的 化学知识 0.2.5现代化学的建立和发展 0.2.5.1原子论的建立 到了18世纪中期至19世纪前期，欧洲出现了一批著名的化学先驱人物，如罗蒙诺素夫 (M.B.J1 OMOHOCOB,1711一1765)、波义耳(R.Boyle,1627一1691)、普利斯特莱 (J.Priestley,1733-1804)、拉瓦锡(A.Lavoisier,1733-1804)和道尔顿（小.Dalton. 1766一1844)等。由于他们采用了精细严密的科学方法和衡量仪器，借助于数学工具，发现 了许多化学上的基本定律，如质量守恒定律、物质的定组成定律等等，终于建立了“原子 说”、“分子说”等。这些重要规律是现代化学的基础。道尔顿发表原子论文并附了第一张原 子量表是在1803年，我们不妨把1803年作为现代化学的开始。从此，化学有了正确、坚实 的基础，真正成了一门科学 0.2.5.2元素周期律的发现 在原子论理论的指导下，从18世纪中叶到19世纪中叶的大约一百年间，新元素不断被 发现。到了1869年，人们已经知道了63种元素，而且对元素单质及其化合物的性质也积累 了相当主富的济料，然而这些资料杂乱无意，缺乏系统性。在这种情况下，迫使人们思考这 样的问题：地球上究竟有多少种元素？各种元素之间有什么关系或规律？针对这些问题，化 学家们依照元素的性质进行分类、对比、归纳和总结，逐渐认识了元素性质的周期性变化规 律。1869年，俄国化学家门捷列夫在欧洲多国化学家研究的基础上发表了他的第一张元素 周期律表，并且明确指出：“按照相对原子质量大小排列起来的元素，在性质上呈现明显的 周期性”，后来的一次次科学发现（特别是新元素的发现）证实了元素周期律的正确性，对 后人的化学研究工作有很好的指导作用。 0.2.5.3原子结构理论和化学键理论的建立 门捷列夫虽然创立了元素周期律，但其中的内在原因他并不清楚。19世纪末，物理学中 电子、放射性和X射线等重大发现，打开了原子和原子核的大门，使化学家通过研究电子在分 子、原子中的分布和运动规律，更深刻地认识了化学的本质。原先摆在化学家面前的一些疑难 问题都迎刃而解。如玻尔的核外电子轨道及后来的量子力学很好地解释了原子光谱问题；核外 由子排布的固烟性解释了元素周期律：韵林的价排理论（包括杂化轨道理论）及后来的分子轨 道理论解释了分子的形成、分子的几何构型和稳定性等关系分子性质的问题。 在结构理论的指导下，按照结构和性质的关系，人们能够按照需要的性质来“按图索 ”或“量体裁衣”式地大量合成各种物质，物质（以C登记为准）的数量呈几何级数般 地增加。现在还以每年100万种的速度增加。如表01所列。 表0120世纪新分子和新材料的增长情况 年份 已知化合物数量 年份 已知化合物数量 1900 55万种 198 785万利 1945 110万种，大约45年翻一倍 1990 1057.6万种，大约10年翻一倍 1970 273万种，大约25年韩，倍 1990 超过2000万种 1975 414.8万种 2012 6494余万种 1980 593万种，大约10年朝一倍
4工程化学 0.2.5.4现代化学新领城 (1)飞秒化学大多数化学反应，即使是一些我们非常熟悉的化学反应，也只知道反应 物与产物，其内在机理并非都清楚，中间好像经过了一个“黑箱”。因为大多数化学反应并 非是单 一步骤的反应，而是由多个单一步骤串联或并联而成的，其中有些步骤进行的速率很 快，某些中间产物即过渡态物质的存在不到1皮秒(1012s),要研究这类分子反应动力学 需要飞秒(10-15s)级的时间分辨率 飞秒化学就是研究以飞秒(10-5s)作为时间尺度的 超快化学反应过程的一门分支学科，具有美国和埃及双重国籍的化学家泽维东数授，使用韬 短激光技术记录反应过程，如同使用高速摄影机一般，把即使只发生在短短的“一刹那”的 反应步骤“全程拍下”， “化作永恒”。随着反应过渡态这个“黑箱”的打开，从反应物经过 过渡态到产物的全过程的图画就展现了出来，化学反应的机理也就昭然若揭了。如光合作用 的反应机理被揭开，按此机理对农副产品进行大规模的工厂化生产，不但可很轻松地解决粮 食、棉花问题，同时也解决了温室气体问题。泽维尔用飞秒光谱打开了研究化学反应过渡态 的大门，给化学和相关学科带来了一场革命，但里面还有许多未知的、重要的和有趣的问题 有待化学家们去深人研究。 (2)超分子化学长期以来，人们认为保持物质性质的最小微粒是分子，分子是原子间 通过化学键结合在一起的集团。但在实际的应用功能体系中总是研究众多分子的聚集体，它 们通过定向的分子间相互作用可以呈现出单个分子所不具有的特性。就像砖块能构筑形形色 色的建筑群一样，按照分子组装的思想，成千上万种分子能被设计组装出更多的具有各种性 能的超分子体系。例如众多单个中性分子本身并不表现出电性能，但它们在按一定的方式有 序地发生电荷转移后，就可能呈现导电或超导性。另一方面，我们熟知的很多体系中的分子 只有采取一定的几何方式取向和排列，并在电子能量匹配下才能在外界光电作用下，发挥 定的信息存储、传递和交换功能。 超分子体系中分子间的相互作用力是强度较微弱的分子间力或氢键，也称弱相互作用 力，因此，超分子化学可定义为分子间弱相互作用和分子组装的化学。弱相互作用力要形成 稳定的复合物，即超分子，只有当主体和客体分子在空间的位置取得某种构象，以保持较多 的弱作用和较多的结合点协调时，分子间才能形成较强结合力或选择性。因此分子间相互作 用是形成高度选择性识别、反应、传递、调节以及发生在生物过程中的基础。大自然把生物 分子安排得如此有序：DNA链组成右手双螺旋，蛋白质链形成a螺旋、B折叠和B转角 酶和底物、抗体和抗原的结合均显示出这种分子识别互补性。超分子化学与生命科学、材料 科学和信息科学有着密切的关系，必将成为21世纪优先发展的研究方向 《3】组合化学每种新药的产牛。常常要经过一个繁琐和元长的合成和筛洗过程。由于 对所谓的构效关系的了解往往非常粗浅，所以在设计药物分子时，由于存在着许多尚不确定 的因素，不得不同时把类似物和衍生物一并考虑在内，然后进行逐一的筛选。为了提供足够 的供筛选的对象，往往要合成多达上千个基本相似但组成不同的化合物，尽管其中包含着大 量的“无效劳动”。这样，从设计药物到动物试验，生理毒理试验，临床试验，一般要十几 年或更长的时间，许多医药化学家毕其一生也只能做出一两种可用药物。 组合化学的出现大大加速了化合物的合成与筛选速度。组合化学最早称为同步多组合 成，传统的方法一次只得到一批产物，而组合方法由于同时使用”个单元和另外m个单元 反应，得到所有组合的混合物，通过先进的分离鉴别手段，得到n×m批产物。有人做过这 样的统计：1个化学家用组合化学方法2一6周的工作量，就需要10个化学家用传统化学方 法花费一年的时间来完成。由此，组合化学的出现是药物合成化学上的一次革新，是近年来 药物领域的最显著的进步之一。由于具有简便、快速、高效和易于自动化等特点，组合化学
0.绪论5 已迅速扩展到材料合成领域、催化学科以及蓬勃发展的芯片技术中。 0.3化学在国民经济中的作用 将物质发生的化学变化的客观规律运用于工农业生产的化学工业，与国民经济各部门 尖端科学技术各个领域和人民日常生活都有着密切的关系，可以说化学工业在国民经济中起 到了支撑的作用 0.3.1化学与能源 随着我国工业生产的不断发展，能源已成了进一步发展的瓶颈。化学虽不能直接产生能 源，但能够改变能源形式，更有效、更环保地使用能源。如石油炼制中轻组分（炼油厂火 炬)的回收利用，重油裂解催化重整成汽油，煤变油技术，用单晶硅收集太阳能，研究燃料 电池使燃料的效率从直接燃烧的30%一40%提高到90%等。对于主要燃料为煤炭，石油近 一半需进口的中国，煤的液化和气化尤为重婴。目前，全因已有三十余家煤化企业投巨资发 展煤变油生产，并已取得较好效益，为缓解高价石油进口做了很好的尝试。 0.3.2化学与农业 在人力和畜力时代，一个农民生产的粮食只够4个人吃；在机械化时代，一个农民可养 活7个人：到了化学工业发达的化学时代，由于化学工业提供了大量的化肥、农药、塑料薄 膜、排灌胶管和植物生长激素，加上使农业增产的其他因素，一·个农民可养活六七十个人。 申重要的是，石油化工发展以后，生产了大量的合成材料，可以节省大面积的耕地，较好地 解决了人多地少的矛盾。例如，生产1万吨合成纤维，相当于30万亩棉田所产的棉花；建 设1万吨人造羊毛工厂（腈纶），相当于250万只羊所产的羊毛，而放牧这些羊群需要牧草 地1亿多亩。可见在当今世界人口增加很多，而耕地面积日益减少的情况下，化学对农业的 重要性 我闲化肥产量居世界前一位，在我闲农业幽产中有40%是依常化肥的作用。农药生产 近百万吨， 些高残留农药如六六六、滴滴涕已经停产，高效、低残留农药不断增加，特别 是无公害的生物农药及利用生物间相克作用而发展起来的生物防治技术近几年发展很快，逐 渐适应了我国农作物防治病虫害的需要 0.3.3化学与材料 1】化工产品可以代替天然物质和补充天然物质的不足化学工业特别是石油化工提用 的三大合成材料，其有质轻、易加工、耐磨损、耐腐蚀等优良性能，广泛应用于许多特殊领 域，为其他物质所不及。世界合成橡胶的年产量已超过天然橡胶产量一倍多；世界化学纤维 的年产量也已经与天然纤维的产量持平世界塑料的年产量已近亿吨，在生产和生活及其他 领域起到了重要作用。轻、纺织工业原材料已经越来越多地采用化学合成的九法生产。许多 原来是以农产品为原料的轻、纺织工业产品，诸如呢绒布匹、皮革皮毛、洗涤用品等，现已 经可以用合成材料代替，并且还大量生产出性能相似甚至更好的适应多种用途的产品。 (2)大量合成材料在国民经济其他部门的应用化学合成材料不仅代替和补充天然物质 的不足，还制造了大量自然界里没有的而又需要的特殊性能的材料，不仅支持了国民经济建 设，也支持促进了其他学科的发展。如光导纤维使通信发生了革命性变化，使电话、有线电 视的普及变成可能；单晶硅的大量生产使清洁能源一太阳能的使用迅速增加；形状记忆材 料做的卫星天线使现在的卫星通信和卫星定位变得百姓都能享受；高温超导材料的使用能使 磁悬浮列车更节能，跑得更快，使发由热效率更高，输电损耗更小：储氨料使环保的氢能
6工程化学 汽车成为可能；各种复合材料的使用使得飞机的重量变轻，载货更多，飞得更远。 0.3.4化学与环境科学 化学在带给人们大量有用物质的同时，也产生了大量的副产物，即废渣、废液、废气， 俗称三废，环境污染影响人们的身体健康。煤的燃料发电产生的大量二氧化碳引起全球温度 升高的温室效应，产生的二氧化硫引起了酸雨；冰箱和空调制冷剂氟里昂破坏了大气臭氧 层，引起臭氧层空洞，若无臭氧层，大量紫外线直接射到地面，就会给地球生命带来灾难性 的后果：大量汽车排出的废气引起光化学污染，使人呼吸困难：化工厂的废液排人水体，引 起了大量地表水其至地下水的严重污垫，我国80%的地表水被污染，被污垫水不仅区重影 响人们的健康，还严重影响生态平衡各种废旧塑料的随意丢弃，形成了“白色污染”，甚 至是“白色恐怖”. 虽然三废如此恶劣，但我们也不能不使用化学制品，三废的处理，大部分还是要用化学 的方法解决。如用二氧化碳在催化下与氢气生成甲醇，燃煤中的二氧化硫用来制硫酸：用绿 色制冷剂代替氟里昂；化工厂的废液经过严格处理，有时还能通过化学方法变废为宝，如有 毒的重金属离子通过沉淀反应或配位反应回收，有机物通过萃取或其他方法提取有用的原 料；用易降解的玉米塑料代替难降解塑料。总之，化学是解决环境问题的重要途径。 0.4化学学科的体系 随着化学研究不断深化和领域的不断扩大，化学产生了许多分支。按研究内容或方法的 不同可把化学分为四大分支，无机化学以研究无机物和无机反应规律为主，研究有机化合物 性质和有机物反应的分支为有机化学，分析化学是对各种物质进行分析、分离、鉴定的实验 科学，物理化学是用数学和物理方法来研究物质性质和反应规律的学科。化学与其他学科的 不断融合，产生了许多新的分支，如与生物学的融合产生了生物化学，与环境学交叉产生了 环境化学，与海洋学的交汇产生了海洋化学等等，化学的分支已有几百门乃至上千门。工程 化学是在普通化学、物理化学、结构化学、高分子化学、材料化学和环境化学等学科基础上 发展起来的一门实用科学