北京大学：普通化学（四）：第一章-彩

第一章 第一章 绪 绪 论 论 1.1什么是化学？ 什么是化学？ 1.2 化学的发展历程 化学的发展历程 1.3 化学大家族的构成 化学大家族的构成 1.4 化学的机会与挑战 化学的机会与挑战 1.5 课程内容安排及其他 课程内容安排及其他 化学的定义： 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、 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。 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 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 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 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。 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 化学的发展历程 ● ● 四次化学革命及元素周期律的发现 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 化学键理论的建立与发展 英国化学家波义耳英国化学家波义耳 （（1627-1691）） 化学之父 化学之父 法国化学家拉瓦锡法国化学家拉瓦锡 （（1743-1794）） 近代化学之父 近代化学之父 英国化学家道尔顿英国化学家道尔顿 （（1766-1844）） 科学原子论 科学原子论 创始人 创始人 美国化学家鲍林美国化学家鲍林 （（1901-1994）） 量子化学奠基人 量子化学奠基人 之一 之一 四次化学革命的领军人物 四次化学革命的领军人物 中世纪炼金术士工作的地方 中世纪炼金术士工作的地方 15世纪的炼金装置 世纪的炼金装置 （大英图书馆） （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，曾经说过，“炼金术实质上就是化学炼金术实质上就是化学”。但是，直到。但是，直到17世纪以前，化学世纪以前，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。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。 罗伯特·波义耳罗伯特波义耳(R. Boyle ) （（1627-1691, 英国）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。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。 他他“把化学确立为科学把化学确立为科学”(恩格斯语恩格斯语)，，被誉为被誉为“化学之父化学之父”(墓碑语墓碑语)。。 “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来，成为一门独立的科学”。。 波义耳极为崇尚实验。波义耳极为崇尚实验。“空谈毫无用途，一切来自实验空谈毫无用途，一切来自实验”。他把严密的实。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。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》怀疑派的化学家》) 一书的封面和扉页一书的封面和扉页(1661年年) 第 第 一 一 次 次 化 化 学 学 革 革 命 命 拉瓦锡在做实验，夫人做记录拉瓦锡在做实验，夫人做记录 1783年出版名著年出版名著《关于燃素的回顾》《关于燃素的回顾》，提出燃烧的氧化学说；，提出燃烧的氧化学说；1789年出版年出版 《初等化学概论》《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，揭开了困惑人类几千年的燃烧之谜，以批判统治化学界近 百年的百年的“燃素说燃素说”为标志，发动了第二次化学革命，被誉为为标志，发动了第二次化学革命，被誉为“化学中的牛顿化学中的牛顿”。。 1703年，德国化学家斯塔尔年，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世纪末到世纪末到18世纪末的世纪末的100年年 间，燃素说成为化学理论的权威。间，燃素说成为化学理论的权威。 第 第 二 二 次 次 化 化 学 学 革 革 命 命 安托万安托万-劳伦劳伦·德德·拉瓦锡拉瓦锡 Antoine-Laurent de Lavoisier 1743-1794, 法国法国 拉瓦锡的另一项重大成就是以科学元素说取代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。了传统思辨的旧元素论。 [ 中国古代的五行说中国古代的五行说(金木水火土金木水火土)；古印度的；古印度的“五大说五大说”( 地水火气空地水火气空)；；Empedocles提出的水火土气四元素说；以及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亚里士多德进一步提出的冷-热热-干干-湿四元素说湿四元素说] 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。在拉瓦锡以后的念。在拉瓦锡以后的100多年间，化学家一直把元素和单质多年间，化学家一直把元素和单质 看成是同义词看成是同义词] 首次列出了当时符合这个定义的包括首次列出了当时符合这个定义的包括33种物质的种物质的 元素表。元素表。 由于这些贡献，拉瓦锡被称为由于这些贡献，拉瓦锡被称为“近代化学之父近代化学之父”。。 拉瓦锡的周期表拉瓦锡的周期表 约翰约翰·道尔顿道尔顿, John Dalton (1766-1844, 英国英国) 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，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，原子的质量各种性质则不相同，原子的质量(而不是形状而不是形状)是元素最基本的特征；不同元素的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。质量等于其组合原子质量的和。1807年道尔顿发表年道尔顿发表“化学哲学新体系化学哲学新体系”，全面阐述，全面阐述 了化学原子论的思想。了化学原子论的思想。 [1811年，意大利物理学家阿佛加德罗年，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子－分子学说，前后经历了半个多世纪] 1803年创立科学年创立科学原子论原子论(化学原子论化学原子论)，揭示了各种化学，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。论，完成了化学领域内一次极为重大的理论综合。 [古希腊德谟克利特古希腊德谟克利特(Demo critus，，公元前公元前460-前前370)提出的原子学说提出的原子学说 ：世界万物都是由微小的、不可再分割的微粒：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，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，并无科学实验依据辨，并无科学实验依据] 第 第 三 三 次 次 化 化 学 学 革 革 命 命 Solvay Conference (1911-) 第 第 四 四 次 次 化 化 学 学 革 革 命 命 19世纪末物理学领域三项重大发现世纪末物理学领域三项重大发现(X射线射线: 1895; 放射性放射性: 1896; 电子电子: 1897)，首先揭开了物理学革命的序幕，导致了量子力，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。代化学的理论支柱。 1927年，德国物理学家年，德国物理学家W. Heitler (1904-1981)和和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。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，建立了推广到多种单质和化合物中，建立了价键理论价键理论(VBT, 亦称亦称HLSP理论理论)，阐明了共价键的方，阐明了共价键的方 向性和饱和性，此后鲍林又提出向性和饱和性，此后鲍林又提出杂化轨道理论杂化轨道理论，还提出，还提出电负性、键参数、杂化、共振、电负性、键参数、杂化、共振、 氢键氢键等概念。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《及在物质结构方面的应用，其代表作《化学键的本质》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。螺旋结构。1954年获诺贝尔化学奖，年获诺贝尔化学奖，1962年获诺贝尔和平奖。年获诺贝尔和平奖。 鲍林, Linus Pauling 1901-1994, 美国 1869年，门捷列夫和德国化学家迈尔年，门捷列夫和德国化学家迈尔(J. L. Meyet, 1830-1895)独立发现元素独立发现元素 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。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、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。一次重大的综合，成为化学的主要基石之一。 元 元 素 素 周 周 期 期 律 律 的 的 发 发 现 现 门捷列夫门捷列夫, D. I. Mendeleev 1834-1907, 俄国俄国 Zeitschrift für Chemie, 12, 405-6 (1869) 化学键理论的建立与发展历程 化学键理论的建立与发展历程 离子键理论 离子键理论 (电价理论 电价理论 )： ： 1916年，德国基尔大学理论物理学教授柯塞尔 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 发表论文 “关于原子结构和分子形成 关于原子结构和分子形成 ” *，认为稳定离子的形成， ，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 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 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 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 电子的元素的化合价。两元素原子间的结合被称为 电价键 电价键 ，现在称为 ，现在称为 离子键。 离子键。 【【1852年，英国化学家弗兰克兰年，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】化合价】 * “Molecule Formation as a Question of Atomic Structure”, Annalen der Physik, 49, 229-362 (1916). 共价键理论 共价键理论 (经典 经典 Lewis学说 学说 )： ： 1916年，美国加州大学化学教授路易斯 年，美国加州大学化学教授路易斯 (G. W. Lewis, 1875-1946)发表论 发表论 文 文 “原子和分子 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 ，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 个电子，形 成稳定结构的客观事实，提出两原子各提供 成稳定结构的客观事实，提出两原子各提供 1个或 个或 2个或 个或 3个电子作为两原子共 个电子作为两原子共 有，使每个原子都具有 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 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 两原子相互结合。这种原子间的结合称为 共价键 共价键 。 。 1923年，又出版 年，又出版 “价键和原 价键和原 子、分子的结构 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 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 合的图示法 (路易斯结构式 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 。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 在立方体的八个角上，因而称为 八隅体 八隅体 ，其论说被称为 ，其论说被称为 八隅说 八隅说 。 。 1919年美国化学家朗缪尔 年美国化学家朗缪尔 (I. Langmuir, 1881-1957)又提出一种原子间共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 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 共价键理论有时 也称为 也称为 路易斯 路易斯 -朗缪尔理论 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 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。 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 分子轨道理论 (MO理论 理论 )： ： 1928年，美国科学家莫利肯 年，美国科学家莫利肯 (R. S. Mulliken, 1896-1986)和德国科学家洪 和德国科学家洪 特 特 (F. Hund, 1896-1997)等人首先提出分子轨道理论。 等人首先提出分子轨道理论。 1929年，经加拿大科 年，经加拿大科 学家赫兹伯格 学家赫兹伯格 (G. Herzberg)和英国科学家伦纳德 和英国科学家伦纳德 -琼斯 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 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。 线性组合分子轨道法的基础。 1931年，德国化学家休克尔 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 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。 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 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 ，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， 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 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。 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 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， 价键本质和电子结构， 1966年荣获诺贝尔化学奖。 年荣获诺贝尔化学奖。 作为分子轨道理论的重要发展， 作为分子轨道理论的重要发展， 1952年，日本化学家福井谦一 年，日本化学家福井谦一 (Fukui Kenichi, 1918-1998)提出了 提出了 “前线轨道理论 前线轨道理论 ”。其基本观点是：分子的许多性 。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 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 占分子轨道 (HOMO)和受电子分子中能量最低未占分子轨道 和受电子分子中能量最低未占分子轨道 (LUMO)在化学 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。 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 年，美国有机化学家伍德沃德 (R. B. Woodward,1917-1979)与量子 与量子 化学家霍夫曼 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 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 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 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 分子轨道 对称守恒原理 对称守恒原理 ”，又称 ，又称 “伍德沃德－霍夫曼规则 伍德沃德－霍夫曼规则 ”。被认为是认识化学反应发 。被认为是认识化学反应发 展史上的一个里程碑。 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年年 诺贝尔化学奖。 诺贝尔化学奖。 近年来，该领域又有了新的发展。美国化学家科恩 近年来，该领域又有了新的发展。美国化学家科恩 (W. Kohn)发展 发展 了 了 电子密度泛函理论 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 ，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。 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 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。 化了程序，减少了计算量。 英国化学家波普尔 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， 发展了一系列量子化学计算方法， 如 如 NDDO(忽略双原子微分重叠 忽略双原子微分重叠 )， ， CNDO(全略微分重叠 全略微分重叠 )， ， INDO(间略 间略 微分重叠 微分重叠 )等，并采用高斯函数解决了哈特里 等，并采用高斯函数解决了哈特里 -福克 福克 -罗特汉方程计算的关 罗特汉方程计算的关 键障碍，做出了量子化学计算软件包 键障碍，做出了量子化学计算软件包 Gaussian-70到 到 Gaussian-98。 。 可计 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 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。 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。 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 配位场理论 (LFT)： ： 1952年，欧格尔 年，欧格尔 (L. E. Orgel)把晶体场理论与分子轨道理论相结合， 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 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 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 轨道的综合结果，建立了 配位场理论 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 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， 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 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 。这是 20世纪化学的一个重大突破。 世纪化学的一个重大突破。 化学大家族的构成 化学大家族的构成 化学发展至今，从波义耳时代算起已有 化学发展至今，从波义耳时代算起已有 350年历史。已根深叶 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 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。 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 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 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。 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 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。 的分支学科等。 ?无机化学 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。 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。 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： 当前主要研究领域： (1) 固体化学及功能材料 固体化学及功能材料 (2) 配位化学及分子材料和器件 配位化学及分子材料和器件 (3) 生物无机化学 生物无机化学 (4) 团簇及原子簇化学 团簇及原子簇化学 (5) 无机纳米材料及器件 无机纳米材料及器件 (6) 稀土化学及功能材料 稀土化学及功能材料 (7) 核化学和放射化学 核化学和放射化学 (8) 物理无机化学，等。 物理无机化学，等。 ?有机化学 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“碳的化学碳的化学”。。 1806年，贝采里乌斯年，贝采里乌斯(J. J. Berzelius, 1779-1848, 瑞典瑞典)把成分元素很少，主要是把成分元素很少，主要是 由由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化合物，只能由生命力来完成(生命力论生命力论)，人工合成是不可能的。他最早提倡把有，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。机化合物的研究领域称为有机化学。 1828年，维勒年，维勒(F. W?hler, 1800-1882)首次用无机物合成了有机物首次用无机物合成了有机物——尿素，打尿素，打 破了无机和有机界的绝对界限，动摇了所谓的破了无机和有机界的绝对界限，动摇了所谓的“生命力论生命力论”，开辟了有机合成的新领，开辟了有机合成的新领 域。域。 1830年，李比希年，李比希(J. F. von Liebig, 1803-1873, 德国德国））在前人工作基础上，发展在前人工作基础上，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。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，凯库勒年，凯库勒(F. A. KeKule, 1829-1896, 德国德国)率先将原子价理论应用于解释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。有机化合物的结构，提出碳四价的观点和碳链学说。1861年，凯库勒编写年，凯库勒编写“有机化有机化 学教程学教程”一书，将有机化学定义为一书，将有机化学定义为“碳化合物的化学碳化合物的化学”。。1865年，凯库勒发现苯环结年，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。构，成为化学结构理论发展史上的一项辉煌成就。 维勒维勒 Friedrich W?hler (1800-1882, 德国德国) 尿素合成人尿素合成人 李比希李比希 Justus von Liebig (1803-1873, 德国德国) 有机化学之父有机化学之父 凯库勒凯库勒 Friedrich August KeKule (1829-1896, 德国德国) 苯环结构发现者苯环结构发现者 当前有机化学的主要研究领域： 当前有机化学的主要研究领域： (1) 有机合成化学 有机合成化学 (2) 金属有机化学和有机催化 金属有机化学和有机催化 (3) 天然产物有机化学 天然产物有机化学 (4) 物理有机化学 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 生物有机化学 , 等等。 等等。 ?分析化学 分析化学 测量和表征物质的组成和结构的分支学科。 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。 主要包括成分分析和结构分析两个方面。 结构分析 结构分析 更多地涉及物 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 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 析方法称为 化学分析法 化学分析法 ，是分析化学的基础；利用特定仪器并以物质 ，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 的物理化学性质为基础的分析方法称为 仪器分析法 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 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 化等方向发展 (real time, in situ, in vivo)。 。 主要内容包括： 主要内容包括： (1) 光谱分析； 光谱分析； (2) 电化学分析； 电化学分析； (3) 色谱分析 色谱分析 (4) 质谱分析； 质谱分析； (5) 核磁共振 核磁共振 ； ； (6) 表面分析 表面分析 (7) 放射化学分析 放射化学分析 ; (8) 单分子 单分子 (原子 原子 )检测； 检测； (9) 生化分析，等等 生化分析，等等 ?物理化学 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 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。 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 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 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。 系规律、化学过程机理及其控制的研究。 主要内容包括： 主要内容包括： (1) 化学热力学 化学热力学 (2) 化学动力学 化学动力学 (3) 结构化学 结构化学 (4) 量子化学 量子化学 (5) 电化学 电化学 (6) 催化化学 催化化学 (7) 胶体化学 胶体化学 , 等等 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，奥斯特瓦尔一起，共同奠定了现代化学的基础。同年，奥斯特瓦尔 德创办德创办《《物理化学杂志》物理化学杂志》(Zeitschrift für physikalische Chemie)，，标志着物理化学学标志着物理化学学 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”。。 物 物 理 理 化 化 学 学 三 三 剑 剑 客 客 阿仑尼乌斯阿仑尼乌斯 Svante A. Arrhenius (1859-1927, 瑞典瑞典) 电离理论创立者电离理论创立者 Nobel Prize in Chem. 1903 奥斯瓦尔德奥斯瓦尔德 Wilhelm Ostwald (1853-1932, 德国德国) 物理化学之父物理化学之父 Nobel Prize in Chem. 1909 范特霍夫范特霍夫 Jacobus H. van’t Hoff (1852-1911, 荷兰荷兰) Nobel Prize in Chem. 1901 ?高分子化学 高分子化学 研究链状大分子的合成、大分子的链结构 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 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。 材料的成型及应用。 主要内容包括： 主要内容包括： (1) 高分子合成化学 高分子合成化学 (2) 高分子物理 高分子物理 (3) 功能高分子及器件 功能高分子及器件 (4) 高分子加工与成型 高分子加工与成型 (5) 高分子高级结构、尺度与性能的关系 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 通用高分子材料及合成高分子的原料 Hermann Staudinger (1881-1965, 东德东德) Nobel Prize in Chem. 1953 “for his discoveries in the field of macromolecular chemistry” 三大高分子合成材料 三大高分子合成材料 ——合成橡胶、合成塑料、合成纤维 合成橡胶、合成塑料、合成纤维 1912-1926年间，德国化学家施陶丁格年间，德国化学家施陶丁格(H. Staudinger, 1881-1965））通过大量实通过大量实 验提出橡胶的化学结构假说，认为高分子化合物是由低分子单体通过化学键连接聚验提出橡胶的化学结构假说，认为高分子化合物是由低分子单体通过化学键连接聚 合而成。为了证实合而成。为了证实“高分子理论高分子理论”，，1927年他通过测定高分子稀溶液的粘度，验证了年他通过测定高分子稀溶液的粘度，验证了 高分子化合物具有巨大的分子量，从而开辟了高分子化学新领域，奠定了高分子合高分子化合物具有巨大的分子量，从而开辟了高分子化学新领域，奠定了高分子合 成工业蓬勃发展的理论基础。成工业蓬勃发展的理论基础。 第一种人工合成的塑料是酚醛塑料，俗名电木，它是由苯酚和甲醛聚合起来，第一种人工合成的塑料是酚醛塑料，俗名电木，它是由苯酚和甲醛聚合起来， 再加入木粉等填充料制成，再加入木粉等填充料制成，1910年开始生产。年开始生产。 1912年，德国首先生产出合成橡胶。它是以和异戊二烯结构相似的二丁二烯为年，德国首先生产出合成橡胶。它是以和异戊二烯结构相似的二丁二烯为 单体聚合而成，人称甲基橡胶。单体聚合而成，人称甲基橡胶。 1935年，英国首先实现了聚乙烯塑料的工业生产。年，英国首先实现了聚乙烯塑料的工业生产。 1935年，美国化学家卡罗瑟斯年，美国化学家卡罗瑟斯(W. H. Carothers, 1896-1937, DuPont)用己二胺与用己二胺与 己二酸反应，制得聚酰胺纤维，取名己二酸反应，制得聚酰胺纤维，取名“Nylon”，，并于并于1938年实现工业化生产。年实现工业化生产。 1940年，英国的温费尔德年，英国的温费尔德(J. R. Whinfield)等化学家，用对苯二甲酸和乙二醇为等化学家，用对苯二甲酸和乙二醇为 原料，合成了聚酯纤维原料，合成了聚酯纤维(涤纶涤纶)。。 ?化学工程 化学工程 化学通过化学工程产生巨大的工业价值和经济意义。从一 化学通过化学工程产生巨大的工业价值和经济意义。从一 个化学反应在实验室获得样品到中试放大，最后进入工业化生产 个化学反应在实验室获得样品到中试放大，最后进入工业化生产 ，是化学工程所要研究的全部过程。 ，是化学工程所要研究的全部过程。 主要内容包括： 主要内容包括： (1) 化工过程的多尺度效应 化工过程的多尺度效应 (2) 化学反应 化学反应 -催化 催化 -反应器 反应器 (3) 非传统反应工程 非传统反应工程 (4) 生化反应工程 生化反应工程 (5) 绿色化工过程及工艺 绿色化工过程及工艺 (6) 反应、传质、传能、分离等过程的理论及模拟，等等 反应、传质、传能、分离等过程的理论及模拟，等等 化学学科在其发展过程中还与其它学科交叉结合而形成各种 化学学科在其发展过程中还与其它学科交叉结合而形成各种 新兴学科。例如： 新兴学科。例如： (1) 生物化学 生物化学 (2) 材料化学 材料化学 (3) 放射化学 放射化学 (4) 应用化学 应用化学 (5) 激光化学 激光化学 (6) 地质化学 地质化学 (7) 环境化学 环境化学 (8) 计算化学 计算化学 (9) 能源化学 能源化学 (10) 绿色化学 绿色化学 (11) 化学信息学 化学信息学 (12) 纳米化学 纳米化学 (13) 化学生物学 化学生物学 化学的机会与挑战 化学的机会与挑战 ● ● 当前化学的主要任务和发展动向 当前化学的主要任务和发展动向 开发最佳的化学过程 开发最佳的化学过程 (原子经济反应、绿色化学 原子经济反应、绿色化学 ) 以社会需要为导向，寻找和设计最佳的化合物和材料 以社会需要为导向，寻找和设计最佳的化合物和材料 发展分析测试新方法 发展分析测试新方法 ● ● 当前化学发展的总趋势 当前化学发展的总趋势 宏观 宏观 微观 微观 (纳米化学、单分子化学 纳米化学、单分子化学 ) 静态 静态 动态 动态 (飞秒化学 飞秒化学 ) 定性 定性 定量 定量 (超微量分析 超微量分析 ) 体相 体相 表相 表相 (表面、界面分析技术， 表面、界面分析技术， SPM技术等 技术等 ) 描述 描述 理论 理论 分子 分子 器件，等。 器件，等。 ● ● 化学研究的六个发展趋势 化学研究的六个发展趋势 1、不同学科之间的交叉和融合 、不同学科之间的交叉和融合 (1) 生命科学中的基本化学问题 生命科学中的基本化学问题 (2) 材料科学中的基本化学问题 材料科学中的基本化学问题 (3) 可持续发展的基本化学问题 可持续发展的基本化学问题 (绿色化学、环境化学、能源化学 绿色化学、环境化学、能源化学 ) 2、理论和实验更加密切结合 、理论和实验更加密切结合 3、更加重视尺度效应 、更加重视尺度效应 (分子以上层次、尺度效应和多尺度问题 分子以上层次、尺度效应和多尺度问题 ) 4、合成化学的新方法 、合成化学的新方法 5、造成污染的传统化学向绿色化学的转变 、造成污染的传统化学向绿色化学的转变 6、新实验方法的建立和方法学研究 、新实验方法的建立和方法学研究 ● ● 21世纪化学的四大难题 世纪化学的四大难题 化学的第一根本规律 化学的第一根本规律 ——化学反应理论和定律 化学反应理论和定律 化学的第二根本规律 化学的第二根本规律 ——结构和性能的定量关系 结构和性能的定量关系 纳米尺度的基本规律 纳米尺度的基本规律 活分子演化的基本规律 活分子演化的基本规律 表 表 1 历届诺贝尔化学奖获奖简况 历届诺贝尔化学奖获奖简况 * the discovery of ubiquitin- mediated protein degradation 58 68 79 以色列以色列 以色列以色列 美国美国 Aaron Ciechanover Avram Hershko Irwin Rose 2004 获奖成就获奖成就 获奖时获奖时 年龄年龄(岁岁) 国籍国籍获奖者获奖者得奖年份得奖年份 * http://nobelprize.org/chemistry/ their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three- dimensional structure of biological macromolecules in solution. 85 43 64 美国美国 日本日本 瑞士瑞士 John B.Fenn Koichi Tanaka Kurt Wüthrich 2002 discoveries concerning channels in cell membranes: the discovery of water channels, structural and mechanistic studies of ion channels. 54 47 美国美国 美国美国 Peter Agre Roderick Mackinnon 2003 获奖成就获奖成就 获奖时获奖时 年龄年龄(岁岁) 国籍国籍获奖者获奖者得奖年份得奖年份 for the discovery and development of conductive polymers. for the discovery and development of conductive polymers. for the discovery and development of conductive polymers. 64 73 64 美国美国 新西兰新西兰 日本日本 Alan J.Heeger Alan G.Macdiarmid Hideki Shirakawa 2000 for their work on chirally catalysed hydrogenation reactions. for their work on chirally catalysed hydrogenation reactions. for his work on chirally catalysed oxidation reactions. 84 63 60 美国美国 日本日本 美国美国 William S. Knowles Ryoji Noyori K.Barry Sharpless 2001 获奖成就获奖成就 获奖时获奖时 年龄年龄(岁岁) 国籍国籍获奖者获奖者得奖年份得奖年份 碳正离子化学的研究碳正离子化学的研究 67 美国美国 G.A.Olah1994 研究大气环境化学，特别是臭氧的形研究大气环境化学，特别是臭氧的形 成和分解研究方面作出的贡献成和分解研究方面作出的贡献 52 68 62 墨西哥墨西哥 美国美国 荷兰荷兰 M.Molina S.Rowland P.Crutzen 1995 发现发现 60 C 58 53 57 美国美国 美国美国 英国英国 R.F.Curl R.E.Smalley H.W.Kroto 1996 发现了维持细胞中钠离子和钾离子浓发现了维持细胞中钠离子和钾离子浓 度平衡的酶，并阐明其作用机理度平衡的酶，并阐明其作用机理 发现了能量分子三磷酸腺苷的形成过发现了能量分子三磷酸腺苷的形成过 程程 79 79 56 丹麦丹麦 美国美国 英国英国 J.Skou P.Boyer J.Walker 1997 发展了电子密度泛函理论发展了电子密度泛函理论 发展了量子化学计算方法发展了量子化学计算方法 75 73 美国美国 英国英国 W.Kohn J.A.Pople 1998 飞秒激光技术研究超快化学反应过程飞秒激光技术研究超快化学反应过程 和过渡态和过渡态 53 美国美国 A.H.Zewail1999 获奖成就获奖成就 获奖时获奖时 年龄年龄(岁岁) 国籍国籍获奖者获奖者得奖年份得奖年份 获奖成就获奖成就 获奖时获奖时 年龄年龄(岁岁) 国籍国籍获奖者获奖者得奖年份得奖年份 寡聚核苷酸定点诱变法对基因工寡聚核苷酸定点诱变法对基因工 程的贡献程的贡献 多聚酶链式反应技术对基因工程多聚酶链式反应技术对基因工程 的贡献的贡献 61 48 加拿大加拿大 美国美国 M.Smith K.B.Mullis 1993 开创主开创主-客体化学，超分子化学，客体化学，超分子化学， 冠醚化学等新领域冠醚化学等新领域 83 68 48 美国美国 美国美国 法国法国 C.J.Pedersen D.J.Cram J-M.Lehn 1987 测定了细菌光合反应中心膜蛋白测定了细菌光合反应中心膜蛋白- 色素复合体的三维结构，为光化色素复合体的三维结构，为光化 学反应作出的贡献学反应作出的贡献 45 40 51 德国德国 德国德国 德国德国 J.Deisenhoger H.Michel R.Huber 1988 Ribozyme(核糖核酸酶核糖核酸酶)的发现的发现41 50 美国美国 美国美国 T.Cech S.Altman 1989 有机合成的逆合成分析法有机合成的逆合成分析法 62 美国美国 E.J.Corey1990 高分辨核磁共振谱法的发展高分辨核磁共振谱法的发展 58 瑞士瑞士 R.R.Ernst1991 电子转移反应理论电子转移反应理论 69 美国美国 R.A.Marcus1992 获奖成就获奖成就 获奖时获奖时 年龄年龄(岁岁) 国籍国籍获奖者获奖者得奖年份得奖年份 发展了交叉分子束技术，红外线化发展了交叉分子束技术，红外线化 学发光方法，对微观反应动力学研学发光方法，对微观反应动力学研 究作出的贡献究作出的贡献 50 54 55 美籍华人美籍华人 美国美国 加拿大加拿大 李远哲李远哲 D.R.Herschbach J.Polanyi 1986 DNA分裂和重组研究，确定分裂和重组研究，确定DNA内内 核苷酸排列顺序的方法，开创了现核苷酸排列顺序的方法，开创了现 代基因工程学代基因工程学 54 62 48 美国美国 英国英国 美国美国 P.Berg F.Sanger W.Gilbert 1980 提出前线轨道理论提出前线轨道理论 提出分子轨道对称守恒原理提出分子轨道对称守恒原理 63 44 日本日本 美国美国 Kenich Fukui R.Hoffmann 1981 创造了创造了“象重组象重组”技术，提示了病毒技术，提示了病毒 和细胞内重要遗传物质的结构和细胞内重要遗传物质的结构 56 英国英国 A.Klug1982 在金属配位化合物电子转移反应机在金属配位化合物电子转移反应机 理研究中作出的贡献理研究中作出的贡献 68 美籍加拿大美籍加拿大 人人 H.Taube1983 发明了固相多肽合成法发明了固相多肽合成法 63 美国美国 R.B.Merrifield1984 发明了发明了X-射线衍射确定晶体结构的射线衍射确定晶体结构的 直接计算方法，为分子晶体的结构直接计算方法，为分子晶体的结构 测定方法作出的贡献测定方法作出的贡献 68 67 美国美国 美国美国 H.A.Hauptman J.Karle 1985 获奖成就获奖成就 获奖时获奖时 年龄年龄(岁岁) 国籍国籍获奖者获奖者得奖年份得奖年份 在有机合成中发展了有机硼、有在有机合成中发展了有机硼、有 机磷试剂和反应机磷试剂和反应 67 82 美国美国 德国德国 H.C.Brown G.Wittig 1979 研究二茂铁结构，发展金属有机研究二茂铁结构，发展金属有机 化学和配合物化学化学和配合物化学 52 45 英国英国 德国德国 G.Wilkinson E.O.Fischer 1973 高分子物理化学理论和实验方面高分子物理化学理论和实验方面 的基础研究的基础研究 64 美国美国 P.J.Flory1974 酶催化学反应的立体化学研究酶催化学反应的立体化学研究 有机分子和反应的立体化学研究有机分子和反应的立体化学研究 58 69 英国英国 瑞士瑞士 J.W.Cornforth V.Prelog 1975 有机硼化合物的结构研究，发展有机硼化合物的结构研究，发展 分子结构学说和有机硼化学分子结构学说和有机硼化学 57 美国美国 W.N.Lipscomb, Jr. 1976 研究非平衡的不可逆过程热力学，研究非平衡的不可逆过程热力学， 提出了耗散结构理论提出了耗散结构理论 60 比利时比利时 I.Prigogine1977 用化学渗透理论研究生物能的转用化学渗透理论研究生物能的转 换换 58 英国英国 P.Mitchell1978 获奖成就获奖成就 获奖时获奖时 年龄年龄(岁岁) 国籍国籍获奖者获奖者得奖年份得奖年份 研究核糖核酸酶分子结构和催化研究核糖核酸酶分子结构和催化 反应活性中心反应活性中心 56 59 61 美国美国 美国美国 美国美国 C.B.Anfinsen S.Moore W.H.Stein 1972 创立了分子轨道理论，阐明了分创立了分子轨道理论，阐明了分 子共价键本质的电子结构子共价键本质的电子结构 70 美国美国 R.S.Mulliken1966 用弛豫法、闪光光解法研究快速用弛豫法、闪光光解法研究快速 化学反应化学反应 40 70 47 德国德国 英国英国 英国英国 M.Eigen R.G.W.Norrish G.Porter 1967 不可逆过程热力学研究不可逆过程热力学研究 65 美国美国 L.Onsager1968 发展分子空间构象概念分析及其发展分子空间构象概念分析及其 在化学中的应用在化学中的应用 51 72 英国英国 挪威挪威 D.H.R.Barton O.Hassel 1969 在糖生物合成中发现了糖核苷酸在糖生物合成中发现了糖核苷酸 的作用的作用 64 阿根廷阿根廷 L.F.Leloir1970 分子光谱学和自由基电子结构的分子光谱学和自由基电子结构的 研究研究 67 加拿大加拿大 G.Herzberg1971 获奖成就获奖成就 获奖时获奖时 年龄年龄(岁岁) 国籍国籍获奖者获奖者得奖年份得奖年份 在天然有机化合物的合成方面作在天然有机化合物的合成方面作 出重大贡献出重大贡献 48 美国美国 R.B.Woodward1965 发明极谱分析法发明极谱分析法 69 捷克捷克 J.Heyrovsky1959 发明发明 14 C测定地质年代的方法测定地质年代的方法52 美国美国 W.F.Libby1960 研究植物中研究植物中CO 2 进行的光合作用进行的光合作用50 美国美国 M.Calvin1961 研究蛋白质结构的杰出贡献研究蛋白质结构的杰出贡献 48 45 英国英国 英国英国 M.F.Perutz J.C.kendrew 1962 发明了发明了Ziedler-Natta催化剂，首催化剂，首 次合成了定向有规高聚物次合成了定向有规高聚物 70 60 德国德国 意大利意大利 K.Ziegler G.Natta 1963 重要生物大分子的结构测定重要生物大分子的结构测定 54 英国英国 D.C.Hodgkin1964 获奖成就获奖成就 获奖时获奖时 年龄年龄(岁岁) 国籍国籍获奖者获奖者得奖年份得奖年份 对蛋白质结构特别是胰岛素结构对蛋白质结构特别是胰岛素结构 的测定的测定 40 英国英国 F.Sanger1958 发明分配色层分析法发明分配色层分析法 42 38 英国英国 英国英国 A.J.P.Martin R.L.M.Synge 1952 高分子化学方面的杰出贡献高分子化学方面的杰出贡献 72 德国德国 H.Staudinger1953 对化学键本质的研究并用于复杂对化学键本质的研究并用于复杂 物质的结构物质的结构 53 美国美国 L.Pauling1954 对生物化学上重要含硫化合物的对生物化学上重要含硫化合物的 研究，第一次合成多肽激素研究，第一次合成多肽激素 54 美国美国 V.du Vigneand1955 对化学反应机理和链式反应的研对化学反应机理和链式反应的研 究究 59 60 英国英国 前苏联前苏联 C.N.Hinchelwood N.Semenov 1956 对核苷酸和核苷辅酶的研究对核苷酸和核苷辅酶的研究 50 英国英国 A.Todd1957 获奖成就获奖成就 获奖时获奖时 年龄年龄(岁岁) 国籍国籍获奖者获奖者得奖年份得奖年份 发现超铀元素发现超铀元素 44 39 美国美国 美国美国 E.M.Mcmillan G.Seaborg 1951 发明了饲料贮存保鲜方法，对农发明了饲料贮存保鲜方法，对农 业化学和营养化学作出贡献业化学和营养化学作出贡献 50 荷兰荷兰 A.J.Virtamen1945 发现酶的类结晶法发现酶的类结晶法 分离得到纯的酶和病毒蛋白分离得到纯的酶和病毒蛋白 55 59 42 美国美国 美国美国 美国美国 J.B.Sumner J.H.Northrop W.M.Stanley 1946 对生物活性的植物成分研究，特对生物活性的植物成分研究，特 别是生物硷研究别是生物硷研究 61 英国英国 R.Robinson1947 对电泳和吸附分析的研究，发现对电泳和吸附分析的研究，发现 了血清蛋白了血清蛋白 46 瑞典瑞典 A.W.K.Tiselius1948 对化学热力学特别是超低温下物对化学热力学特别是超低温下物 质性质的研究质性质的研究 54 美国美国 W.F.Giaugue1949 发现了双烯合成反应，即发现了双烯合成反应，即Diels- Alder反应反应 74 48 德国德国 德国德国 O.Diels K.Alder 1950 获奖成就获奖成就 获奖时获奖时 年龄年龄(岁岁) 国籍国籍获奖者获奖者得奖年份得奖年份 发现重核裂变发现重核裂变 65 德国德国 O.Hahn1944 维生素和类胡萝卜系研究维生素和类胡萝卜系研究 38 德国德国 R.Kuhn1938 性激素研究性激素研究 聚甲基多碳原子大环和多萜烯研聚甲基多碳原子大环和多萜烯研 究究 36 52 德国德国 瑞士瑞士 A.F.J.Butenandt L.Ruzicka 1939 无无 1940 无无 1941 无无 1942 利用同位素示踪研究化学反应利用同位素示踪研究化学反应 57 匈牙利匈牙利 G.Heresy1943 获奖成就获奖成就 获奖时获奖时 年龄年龄(岁岁) 国籍国籍获奖者获奖者得奖年份得奖年份 发现了糖类环状结构和合成发现了糖类环状结构和合成Vc 胡萝卜素、核黄素及维生素胡萝卜素、核黄素及维生素A和和B 2 的研究的研究 54 48 英国英国 瑞士瑞士 W.N.Haworth P.Karrer 1937 发明和发展了化学高压法发明和发展了化学高压法 57 47 德国德国 德国德国 C.Bosch F.Bergius 1931 表面化学研究表面化学研究 51 美国美国 J.Langmuir1932 无无 1933 发现重水和重氢同位素发现重水和重氢同位素 41 美国美国 H.C.Urey1934 俣成了新的人工放射性元素俣成了新的人工放射性元素 35 38 法国法国 法国法国 F.Joliot-Curie I.Joliot-Curie 1935 提出了极性分子理论，确定了分子提出了极性分子理论，确定了分子 偶极矩的测定方法偶极矩的测定方法 52 荷兰荷兰 P.Debye1936 获奖成就获奖成就 获奖时获奖时 年龄年龄(岁岁) 国籍国籍获奖者获奖者得奖年份得奖年份 血红素和叶绿素的结构研究，合血红素和叶绿素的结构研究，合 成了高铁血红素成了高铁血红素 49 德国德国 H.Fischer1930 无无 1924 对胶体化学研究的卓越贡献对胶体化学研究的卓越贡献 60 德国德国 R.Zsigmondy1925 发明超速离心机并用于高分散胶发明超速离心机并用于高分散胶 体物质研究体物质研究 42 瑞士瑞士 T.Svedberg1926 发现胆酸及其化学结构发现胆酸及其化学结构 50 德国德国 H.Wieland1927 甾醇的结构测定和维生素甾醇的结构测定和维生素D3合成合成52 法国法国 A.Windaus1928 糖的发酵和酶在发酵中作用的研糖的发酵和酶在发酵中作用的研 究究 64 56 英国英国 法国法国 A.Harden H.vonEuler- Chelpin 1929 无无 1917 获奖成就获奖成就 获奖时获奖时 年龄年龄(岁岁) 国籍国籍获奖者获奖者得奖年份得奖年份 确定有机化学微量分析方法确定有机化学微量分析方法 54 奥地利奥地利 F.Pregl1923 无无 1916 氨的合成氨的合成 50 德国德国 F.Haber1918 无无 1919 热化学研究热化学研究 56 德国德国 W.Nernst1920 对放射性化学物质的研究及对同对放射性化学物质的研究及对同 位素起源和性质的研究位素起源和性质的研究 44 英国英国 F.Soddy1921 发明了质谱仪，发现了许多非放发明了质谱仪，发现了许多非放 射性同位素及原子量的整数规则射性同位素及原子量的整数规则 45 英国英国 F.W.Aston1922 获奖成就获奖成就 获奖时获奖时 年龄年龄(岁岁) 国籍国籍获奖者获奖者得奖年份得奖年份 对叶绿素和植物色素的研究对叶绿素和植物色素的研究 43 德国德国 R.Willstatter1915 催化研究，电化学和化学反应动催化研究，电化学和化学反应动 力学的研究力学的研究 56 德国德国 W.Ostwald1909 对脂环族化合物的开创性研究对脂环族化合物的开创性研究 63 德国德国 O.Wallach1910 发现放射性元素钋和镭发现放射性元素钋和镭 44 波兰波兰 M.Curie1911 格林尼亚试剂的发明格林尼亚试剂的发明 有机化合物的催化加氢有机化合物的催化加氢 41 58 法国法国 法国法国 V.Grignard P.Sabatier 1912 金属络合物的配位理论金属络合物的配位理论 47 瑞士瑞士 A.Werner1913 精密测定了许多元素的原子量精密测定了许多元素的原子量 46 美国美国 Th.Richards1914 糖类和嘌呤化合物的合成糖类和嘌呤化合物的合成 50 德国德国 E.Fisher1902 获奖成就获奖成就 获奖时获奖时 年龄年龄(岁岁) 国籍国籍获奖者获奖者得奖年份得奖年份 元素嬗变和放射性物质的化学研元素嬗变和放射性物质的化学研 究究 37 英国英国 E.Rutherford1908 溶剂中化学动力学定律和渗透压溶剂中化学动力学定律和渗透压 定律定律 49 荷兰荷兰 J.H.Van’t Hoff1901 电离理论电离理论 44 瑞典瑞典 S.Arrhenius1903 在大气中发现惰性气体，并确定在大气中发现惰性气体，并确定 它们在元素周期表中的位置它们在元素周期表中的位置 52 英国英国 W.Ramsay1904 对有机染料和氢化芳香化合物的对有机染料和氢化芳香化合物的 研究研究 70 德国德国 A.von Baeyer1905 制备单质氟，发展了一种高温反制备单质氟，发展了一种高温反 射电炉射电炉 54 法国法国 H.Moissan1906 发酵的生物化学研究发酵的生物化学研究 47 德国德国 E.Buchner1907 “ “ 普通化学 普通化学 ” ” 课程内容安排 课程内容安排 第一章 第一章 绪 绪 论 论 (2学时 学时 ) 第二章 第二章 气体、液体和溶液 气体、液体和溶液 (4学时 学时 ) 第三章 第三章 化学热力学基础：反应方向与反应限度 化学热力学基础：反应方向与反应限度 (8学时 学时 ) 第四章 第四章 化学反应动力学基础：反应速率与反应机理 化学反应动力学基础：反应速率与反应机理 (3学时 学时 ) 第五章 第五章 酸碱平衡 酸碱平衡 (4学时 学时 ) 第六章 第六章 沉淀溶解平衡 沉淀溶解平衡 (2学时 学时 ) 第七章 第七章 氧化还原及电化学基础 氧化还原及电化学基础 (5学时 学时 ) 第八章 第八章 原子结构 原子结构 (5学时 学时 ) 第九章 第九章 分子结构 分子结构 (5学时 学时 ) 第十章 第十章 晶体结构 晶体结构 (2学时 学时 ) 第十一章 第十一章 配位化合物 配位化合物 (4学时 学时 ) 第十二章 第十二章 元素概论 元素概论 (2学时 学时 ) 第十三章 第十三章 主族元素 主族元素 (3学时 学时 ) 第十四章 第十四章 过渡元素 过渡元素 (4学时 学时 ) 第十五章 第十五章 稀土化学简介 稀土化学简介 (1学时 学时 ) ● ● 使用教材 使用教材 (1) 《普通化学原理 《普通化学原理 (第二版 第二版 )》 》 , 华彤文、杨骏英、陈景祖、刘淑 华彤文、杨骏英、陈景祖、刘淑 珍著，北京大学出版社， 珍著，北京大学出版社， 1993. ● ● 参考教材 参考教材 (1) Chemical Principles, Peter Atkins, Loretta Jones, 2 nd Ed., W. H. Freeman and Company, 2001. (2) General Chemistry - Principles and Modern Applications, 8 th Ed., P. H. Pettrucci, W. S. Harwood, F. G. Herring, Prentice Hall, 2002. (3) 《《近代化学导论近代化学导论(上下册上下册)》，申泮文主编，高等教育出版社，》，申泮文主编，高等教育出版社，2002. (4) 《大学化学原理及应用《大学化学原理及应用(上下册上下册)》，樊行雪、方国女编，化学工业出版社，》，樊行雪、方国女编，化学工业出版社， 2000. (5) 《新大学化学》，曲保中、朱炳林、周伟红主编，科学出版社，《新大学化学》，曲保中、朱炳林、周伟红主编，科学出版社，2002. (6) 《普通化学原理习题解答》，北京大学出版社，《普通化学原理习题解答》，北京大学出版社，1996. 上课时间： 上课时间： 周一下午 周一下午 7、 、 8节 节 (PM 14:40-16:30) (理教 理教 121) 周三下午 周三下午 7、 、 8节 节 (PM 14:40-16:30) (理教 理教 121) 答疑时间： 答疑时间： 周二晚上 周二晚上 7:30-10:30 (化学楼南区 化学楼南区 340室 室 ) 辅导老师： 辅导老师： 冯玮 冯玮 成绩评定方式： 成绩评定方式： (1) 期中测验 期中测验 2次 次 (4学时 学时 ) 第 第 1次 次 (10月中旬 月中旬 ) —— 15％ ％ 第 第 2次 次 (11月下旬 月下旬 ) —— 20％ ％ (2) 平时考查： 平时考查： 作业 作业 —— 10％ ％ 综合表现 综合表现 —— 5％ ％ (3) 期末考试 期末考试 —— 50％ ％ [1] 《走出混沌 《走出混沌 ——近代化学的历程》，何法信著，湖南教育出版 近代化学的历程》，何法信著，湖南教育出版 社， 社， 1998. [2] 《展望 《展望 21世纪的化学》，王佛松、王夔、陈新滋、彭旭明主编， 世纪的化学》，王佛松、王夔、陈新滋、彭旭明主编， 化学工业出版社， 化学工业出版社， 2000. [3] 《化学与社会》，唐有祺、王夔主编，高等教育出版社， 《化学与社会》，唐有祺、王夔主编，高等教育出版社， 1997. [4] 徐光宪， 徐光宪， 科学通报 科学通报 ， ， 46, 2086-2091 (2001). [5] Beyond the Molecular Frontier: Challenges for Chemistry and Chemical Engineering, Committee on Challenges for the Chemical Sciences in the 21st Century, National Research Council, USA, 2003. (http://www.nap.edu/catalog/10633.html) 第一章 第一章 参考文献 参考文献 联系方式： 联系方式： 严纯华 严纯华 : 62754179 (office) yan@pku.edu.cn 冯 冯 玮 玮 : fengweidl@pku.edu.cn 教学网址： 教学网址： http://www.chem.pku.edu.cn/chyan/普通化学原理 普通化学原理 .htm ftp: ftp://ftp.chem.pku.edu.cn/chyan/ 用户名： 用户名： chyan; 密码： 密码： 05’genchem 本章作业： 本章作业： 通过你熟悉的实例或切身体会，谈谈你对化学 通过你熟悉的实例或切身体会，谈谈你对化学 的认识。如果你继续从事化学研究，你对什么专业 的认识。如果你继续从事化学研究，你对什么专业 或课题更感兴趣？ 或课题更感兴趣？ 要求： 要求： 1000-2000字， 字， 10月 月 20日前交。 日前交。 感谢参与，欢迎赐教。 感谢参与，欢迎赐教。