公元2000年,其总产量会大大超过各种金属总产量之和。若按使用材料的种类来划分时代,人 类已经历了石器时代、铜器时代、铁器时代,现在可谓已步入高分子时代。聚乙烯和聚氯乙烯 是高分子材料中2个最大的品种,虽然生产工艺比较成熟,但其中也还有许多很有价值的研究 课题。近年高效催化聚乙烯合成已具工业规模.每生产100kg聚乙烯只需用.5g这种催化剂 丽鸬通僕化剂圳需200g)若能使聚乙烯分子排列更为整齐、其强度可望超过钢材。定问聚 合、绐合聚合、模較聚合等聚合方法的出现,不断制造出各种特殊性能的高分子材料,如 半导体高分子材料、光敏高分子材料、液铝高分子、吸水性纤维、耐热性橡胶、耐高温高强 度的塑料等生物高分子材料也正在迅速发展,假牙、人造肾、人造血管等都已用十临床。高 分ξ药物的特点是可以停留在人体特定部位,挖制排放而延长药性。高分子兰体都是些不很 复杂的小分子有机化合物,所以早期它归属于有机化学范畴,由于内容的不断丰富和发展,现 已形成独立的分支学科。 4.分析化学 化学是一门定量的科学。不论是有机化合物还是无机化合物的研究都需要定量地分析化 合物的组成和结构,分析化学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,故往往被划归为物理化学的研究范畴。分析有机物与分析无机物的要求和方法不甚桕同 般而言,化学容量分析、原子发射光谱、原子吸收光谱、可见分光光度以及电化学分析等 分析方法都比较适用于无机物的分析而色谱、红外光谱、核磁共振等方法则比较适用于冇机 物的分析,以化学反应为基础的分析方法称为化学分析法,该法已有100多年历史,是分析化 学的基础例如各种容量滴定方法均属典型的化学分析法。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这种方法是从本世纪中叶逐渐发展起来的,如原子光 谱、极谱、色谱、质谱等现已成为常规分析手段、仪器分析法具有快速、灵敏等特点,但在进 行仪器分析之前一般都要用化学方法对样品进行预处理,并往往要用化学法的测定结果作为 相对标准。化学分析法与仪器分析法相辅相成现代分析化学正向快速、准确、微量、微区、表 面、自动化等方向发展 分析化学应用面甚广,在工丿“旦不仅原料和成品都要分析监测,生产过程也要监控;对 进出口商品要检验,对运动员要做兴奋剂检测等。 5.物理化学 物理化学是化学学科的基础理论部分。物理化学的主要内容大致包括化学热力学、化学动 力学和结构化学3个方面。化学热力学的基本原理是化学各分支学科的普遍基础,它研究化学 反应发生的方向和程度,热化学、电化学、溶液化学、胶体化学都是化学热力学的组成部分 化学动力学研充化学反应的速率和机理。分子束和激光技术的应用,已使化学动力学的研究由 宏观转入微况阶段。闪光光解技术的时间分辨率是10至10-秒,故利用这一技术就可以直 接观测到化学反应最基本的动态历程。催化剂及催化动力学的研究也可归于化学动力学的范 踌现代化学工业中有8%的化学过程要用到催化技术,各种高效催化剂的研制以及催化机理 的探讨仍是当今化学家们感兴趣的重要课题结构化学研究原子、分子水平的微观结构以及这 种结构和物质宏观性质的相互关系。近代电子技术、计算机、微波技术等的发展为测定晶体结 构、分f铛构及物质表面结构提供了有力的手段,如X射线衍射光谐、中子衍射能谱、电子 射能、分子光谱、光电子能谱、顺磁共振谱和核磁共振谱等都是测定物质结构的重要方 沄:在5年代要花费2一3年时间方能测定的…个晶体结构,现在只需几天就能完成被测定的
分子量大于10的蛋白质的复杂结构已有20多种。与生物化学有关的结构化学越来越受重视 由于超高真空技术的发展而产生的光电子能谱,使我们有可能研究在物体表面几层原子范围 内的结构与组成情况。表面科学的研究被公认为当今科学技术发展的生长点之一,它与冶金 石油化工、新材料、新器件的研究都有密切关系结构化学另一重要领域称为量子化学。量子 化学以量子力学原理为基础,通过求解“波动方程”来探讨各类化学键的本质及原子与分子 中电子运动与核运动的状态,从而对许多基本的化学问题提供理论上的阐明。结构化学的研究 成果对化学其他各分支学科的影响H益加深,并推动着整个化学学科的发展。分子设计学正在 孕育之中。 在深入研究各类物质的性质及其变化规律的过程中,化学逐渐发展成为若干化学分支学 科.但在探索具体课题时这些分支学科又相互联系相互渗透例如物理化学的研究常以某些无 机或有机化合物的合成作为起点,而在进行这些工作时又必定要借助于分析化学的准确测定 结果、以指示合成「作中原料、中间体与产物的组成和结构,这一切自然也不能离开化学热 力学、化学动力学与结构化学的理论指导。化学学科在其发展过程中还与其他学科交叉结合币 形成各种边缘学科,如生物化学、地质化学、放射化学、星际化学以及激光化学等。 我们看到随着化学各分支学科与边缘学科的建立,化学研究的领域愈来愈专门,分工愈 来愈细,而当前化学发展的总趋势可以概括为:从宏观到微观,从静态到动态,从定性到定 量·从体相到表相·从描述到理论,许许多多有意义而实用的课题等待着化学工作者去探索 1.3化学实验的重要性 化学是门以实验为基础的科学化学实验是人们认识物质化学性质,揭示化学变化规律 和检验化学理论的基本手段。化学家在实验室模拟各种条件,细致地对实验现象进行观察比 较,并从中得出有用的结论新元素和新化合物都是在化学实验室里发现的,而化学理论则都 建立在大量实验材料的基础上例如,第A族的钪(Sc)、钇(Y)和原子序数从57至71的锕 系元素,这17种元素性质非常相似,总称为稀土元素。它们在自然界共生,稀土元素的分离是 无机化学中的大难题。自1794年 Gadolin发现钇到1947年人们从铀矿中找到钜(Pm),其同共 经历153年,从事这项工作的化学家有记载可查的就有几百位。他们所进行的分离、分析与鉴定 等碩实验工作多得难以计数。我国稀土元素储量居世界第一位,矿石品种繁多,目前国内就有 几十个单佗几千名化学工作者正在有效地进行分离提纯和开发稀土元素新用途的实验。 顺铂型配合物是目前医学临床应用较多的一类抗癌药物,这是1964年 Rosenberg在研究 铂电极周围细胞生长实验时发现的,他进而测定了这类化合物与核酸的结合形式,近20年来 又发现了一系列具有抗癌活性的金属配合物.在征服癌症的艰难道路上留下无数可贵的化学 实验数据 李远哲、D.R, Herschbach和J.C. Polanyi由于开创化学反应动力学新领域而共获1986 年诺贝尔化学奖。 Polanyi对化学反应动力学的远见卓识是以红外化学发光实验为基础的 Herschbach和李远哲由于创制了分子束碰撞仪才能准确精密地测量和分析化学反应的详细 过程。 Herschbach的设想始于60年代初,但他自己描写初期实验是“可爱的拙劣”,1967年和 李远哲合作创制了精密灵敏质谱仪,工作才有了突破被 Herschbach称之为“实验奇才”的李 远哲教授,现就职于加利福尼亚大学伯克利分校化学系,20多年来他创制多种离子束、分子東
实验仪,研究了不少较大分子的化学反应,探索了燃烧机理、大气化学等化学领域里的难题 以其精湛的实验结果而被誉为“分子東化学的实现者” 各种化工生产流程总是先在实验室进行小规模试验,然后再扩大为工业规模,而生产过 程中出现的新问题和产品质量的进一步提高,往往又需要回到实验室进行研究。 总之,不论化学科学研究还是化学工业生产都离不开实验。化学实验课是实施全面化学教 育最有效的教学形式。学习化学知识时,就应重视化学实验,掌握实验基本技能,培养从事化 学实验的素养。 强调实验的重要,并不意味着忽视理论的指导作用理论能指导实践,理论能指导学习 Mendeleev系统总结了当时三知的63种元素及其化合物的性质而发现周期律,周期律又有力 地指导人们去发现新元素,周期表至今仍是人们学习化学知识、掌握化学知识的重要工具但 周期律的发现和发展都离不开内容极其丰富的化学实验。 4回顾史实·瞻望前沿 化学可以给人以知识,化学史可以给人以智慧在学习普通化学的过程中,同时学习一点 化学史颇为有益。化学概念与化学理论的形成和发展都有它的实验依据和历史背景。在客观真 理的发展长河中,某一个阶段内人类的认识总有其相对性和局限性。因此已建立的化学理论又 需在科学与生产实践中不断地得到修正和完善学习这些历史,有助于我们对化学理论的认识 更深刻而又不僵化。对于前人的研究成果,我们既要很好继承,又不要迷信。在学习化学史的 过程中,将会了解到那些做出杰出贡献的前辈们为了化学科学的发展,曾经付出多么艰辛的 劳动。他们的成功经验与失败教训均值得我们引为鉴戒,尤其是他们那种不怕困难和百折不挠 的毅力、治学严谨和实事求是的科学态度,今日对化学工作者来说仍是值得学习的榜样。本教 材试图结合化学发展史介绍某些基本概念,供初学者借鉴。 在90年代接受教育的青年,将是21世纪的主人,他们当然不会满足于历史的回顾,更追 求前沿的瞻望。近半个世纪以来,化学以惊人的速度迅速发展。50年代初登录的已知化合物约 为200万种,到1990年初已达1000万种,191年净增200万种。人们正在从中筛选有用的新物 种。人们对这些新化合物的合成、性质、结构及其相关化学反应开展了多方面的研究,发表的 论文信息可以说是令人眼花缭乱的。1990年美国化学会主编的化学文摘( Chemical Ab stracts,简称CA)达1×10°条要及时从中取得对工作有用的参考资料,只好依靠计算机帮助 检索了。 专家们展望化学发展的动向主要有以下3个方面:(1)开发最佳的化学过程;(2)以社会 需要为导向,寻找和设计最佳的化合物和材料;(3)发展分析测试新方法,使我们的“耳目 更加灵敏可靠。例如扫描隧道显微镜(简称STM)的问世,使人类已能观察到原子在物质表面 的排列状态和表面电子行为有关的物理化学性质,STM的分辨率已达原子级(即在1×10-8 cm级)。 有的专家认为:在解决人类最关心的环境、能源、材料、保健医药、增产粮食、资源利 用等问题中,化学科学处于中心地位,可以说化学是一门中心科学。也有的专家认为:物理学 研究物质运动的基本规律.而化学则研究物质的组成、性质和制备,在近代科学发展史上两 者相辅相成,有着约定成俗的分工和合作,可以说化学和物理合在一起在自然科学中形成了 8
一个轴心。近代生物学已把生命当作化学过程来认识化学家和生物学家正在携手合作从分子 水平研究生命科学。物理和化学的全部原理和技术都将用于生物体系,在与生物学结合的过程 中,化学和物理本身也将取得新的发展。化学对材料科学的奠立和发展曾起过十分显著的积极 作用,按照材料功能的需求进行分子设计和剪裁,也是化学家们可以大有作为的领域。总之, 未来的化学工作者不仅要懂得化学,也要学习物理学、生物学、材料学等。希望我国明天的青 年化学工作者敢于立志为使我国的化学事业跻身于世界先进行列而终身奋斗,并从今天的刻 苦勤奋学习、勇于探索创新开始,在科学征途上迈出自已坚实的脚步。 课外读物 1]唐有祺“化学之继往开来”,大学化学1990(5)1 i2胡亚东“化学的进步一庆祝中国化学会戒立六十周年”.大学化学1992(6)1 [3」戴安邦“全面的化学教育和实验室教学”,大学化学1989(1)1 ]赵匡华《化学通史》,高等教套出版社,1990 [s][美]GC. Pimentel j.A. Coonrod《化学中的机会一一今天和明天》,北京大学出版社,1990 一叫以
第2章气体 2.1理想气体定律 (Ideal Gas Law) 2.2气体化合体积定律和 Avogadro假说 (Gas Law of Com bining volume and Avogadros Hypothesis 2.3气体分压定律 Claw of Partial Pressure) 2.4气体扩散定律 (law of Gas Diffusion) 2.5气体分子运动论 (The Kinetic Theory of Gases 2.6实际气体和 van der waals方程 (Real Gases and van der Waals Equation) 2.7气体摩尔体积的测定 (Dctermination of Molal Volume of 2.8分子的速率分布和能量分布 (Distribution of Molecular Speed and Energy 气体( gases)液体( liquids)和固体( solids)是物质存在的3种状态。其中气体的性质比较 简单,对它的研究最早,也最透彻。对固体的研究次之,现已形成了固体物理及固体化学等分 支。液体的性质比较复杂,人们对它的认识尚肤浅。 在化学的发展过程中,气体的研充占有相当重要的地位。例如,气态物质分子量的测定对 确定和统一原子量极其重要,而准确的原子量是发现元素周期律的关键。又如,氢光谱研究是 建立现代原子结构理论的重要实验根据之一。当今的科研、生产实际工作中也经常遇到各式各 样有关气体的问题,如化肥生产需用髙压气体氮和氢。使用Ⅹ光杌或电子显微镜都需高真空 系统(如10-3kPa),这时所涉及的是稀薄气体或低压气体。动物靠吸进氧气呼出二氧化碳气维 持生命,生命的存在不能离开氧气。化学工作者必须掌握气体的基本知识。此外,研究简单的 气态物质所得的概念对认识固体和液体也是很重要的。本章将复习中学物理和化学有关气体 的内容,并讨论与化学有关的一些气体间题。 2.1理想气体定律 温度( temperature)压力①( pressure)和体积( volume)是描述一定量气体状态的3个参 ①在普通物理学中压力与压强有明确的区别,压强是指单位面积上受到的压力但在一般化学书刊中“压力”-词即 为中学物理“压强”的概念。国家标卷计量局公布的国际单位制及使用方法》明确指出压力和压强为同义词。车书统使用 “压力”词,希读者勿混淆 10