文档库 最新最全的文档下载
当前位置:文档库 › 第1章 绪论

第1章 绪论

第1章 绪论
第1章 绪论

第一篇知识储备

第1章绪论

【内容】

1.1 化学研究的对象

1.2 无机化学的发展趋势

1.3 学习无机化学的方法

【要求】

熟悉化学研究的对象,了解无机化学的发展趋势,掌握学习无机化学的方法。

1.1 化学研究的对象

化学是研究物质的性质、组成、结构、变化和应用的科学。世界是由物质组成的,化学则是人类用以认识和改造物质世界的主要方法和手段之一,它的成就是社会文明的重要标志。随着科学技术的飞速发展,人们逐渐认识到化学将成为使人类继续生存的关键科学,因为它对于人类的供水、食物、能源、材料、资源、环境以及健康问题至关重要。每个人的生命都要受到以化学为核心的科学成果的影响,在今天化学已经是一门满足社会需求的中心学科,无机化学是化学的基础学科。

1.1.1 化学是研究物质变化的科学

物质是不依赖于人的意识而客观存在的实实在在的东西。世界是由物质组成的,而且物质处于永恒的运动之中。一切自然科学都是以客观存在的物质世界作为它考察和研究的对象。目前人们把客观存在的物质划分为实物和场(如电磁场、引力场等)两种基本形态,化学研究的对象是实物而不是场。就物质的构造情况来说,大至天体、小到基本粒子,其间可分为若干个层次。例如包括地球在内的天体作为一个层次,组成天体的单质和化合物成为下一个层次,组成单质和化合物的原子、分子和离子又可作为再下一个层次,组成原子、分子和离子的电子、质子、中子以及其他许多基本粒子还可构成一个层次。化学研究的对象只限于原子、分子和离子这一层次上的实物,也常称为物质。物质的运动形式包括有物理运动、化学运动和生命运动等。化学研究的内容主要是化学运动即化学变化。在

化学变化过程中,分子、原子或离子因核外电子运动状态的改变而发生分解或化合,我们在研究物质化学变化的同时还应注意有关的物理变化,因为同时伴有物理变化(如光、热、电、颜色、物态等)。由于物质的化学变化与物质的化学性质有关,而物质的化学性质又同物质的组成和结构密切相关,所以物质的组成、结构和性质必然成为化学研究的内容。由于化学变化与外界条件有关,所以研究化学变化的同时还要研究变化发生的外界条件。从开始用火的原始社会到使用各种人造物质的现代社会,人类都在享用化学成果。人类的生活能够不断提高和改善,化学的贡献在其中起了重要的作用。

综上所述,化学是一门在原子、分子或离子层次上研究物质的组成、结构、性质和相互联系与变化规律及其应用的自然科学。

1.1.2 化学在人类社会发展中的作用

化学历史渊源,自从有了人类,化学便与人类结下了不解之缘。可以说从人类学会使用火,就开始了最早的化学实践活动。我们的祖先钻木取火、利用火烘烤食物、寒夜取暖、驱赶猛兽,充分利用燃烧时的发光发热现象,当时这只是一种经验的积累。后来人们开始烧制陶器、冶炼青铜器和铁器等都是化学技术的应用。正是这些应用,极大地促进了当时社会生产力的发展,成为人类进步的标志。化学知识的形成、化学的发展经历了漫长而曲折的道路。它伴随着人类社会的进步而发展,是社会发展的必然结果。而它的发展,又促进生产力的发展,推动历史的前进。

化学在人类的生产、生活和科技领域中起着十分重要的作用,几乎每一个部门领域都离不开它。当今人类社会面临的能源、粮食、环境、人口、资源等五大全球性问题中,天然能源的有效利用、新能源的开发、肥料、农药、环境保护、人口的控制、资源的合理开采与利用、人们的衣食住行都离不开化学。化学在“数、理、化、天、地、生”六门传统自然科学中是承上启下的中心科学,也是与信息、生命、材料、环境、能源、地球、空间和核科学等八大新兴科学紧密联系、交叉和渗透的一门中心科学,它在人类社会发展中具有十分重要的地位和作用。

现代社会中的三大支柱产业,能源、信息和材料都与无机化学的基础研究密切相关,如太阳能的高效开发需有高效率的太阳能集光和转换装置作基础。高能蓄电池、燃料电池的应用也需特殊的固体材料。信息的产生、转化、存储、调

制、传输、传感、处理和显示都要有相应的固体物质作为材料和器件,而这些都是固体无机化学中的新材料的研究内容。而生物无机的基础研究方向直接与生命过程相关,它主要探讨人体中的微量金属离子与蛋白质的配位作用以及金属酶的活性对生物功能的影响和在生命过程中的作用。

化学作为一门核心、实用、创造性科学,已经为人类认识物质世界和人类的文明进步做出了巨大的贡献。面对生命科学、材料科学、信息科学等其它学科迅猛发展的挑战和人类对认识和改造自然提出的新要求,化学在不断开拓新的研究领域和思路的同时,不断地创造出新的物质以满足人民的物质文化生活,造福人类。在《美国化学文摘》上登录的天然和人工合成的分子和化合物的数目已从1900年的55万种,增加到1999年底的2340万种。没有别的科学能象化学那样制造出如此众多的新分子、新物质。当前,资源的有效开发利用、环境保护与治理、社会和经济的可持续发展、能源问题、生命科学、人口与健康和人类安全、高新材料的开发和应用等向化学科学工作者提出一系列重大的挑战性难题,迫切需要化学家在更深更高层次上进行化学的基础和应用基础研究,发现和创造出新的理论、方法和手段,并从学科自身发展和为国家目标服务两个方面不断提出新的思路和战略设想,以适应21世纪科学发展的需求。

纳米化学和分子纳米技术越来越受到世界的关注。无机材料化学的发展使人们对纳米物质本性的认识有了深入了解的可能,这将对发现新的纳米材料,开发具有特殊性能的纳米材料,如纳米磁性材料、纳米陶瓷材料、纳米催化剂、纳米信息材料、纳米润滑材料等,以及开辟新的应用途径起到巨大的推动作用。

绿色化学的主体思想是采用无毒、无害的原料和溶剂,新化学反应达到选择性高,生产环境友好的产品,并且经济合理。绿色化学是与生态环境协调发展的、更高境界的化学,它要求化学家重新考虑化学问题,从源头上消除任何污染。

化学是重要的基础科学之一,在与物理学、生物学、自然地理学天文学等学科的相互渗透中,得到了迅速的发展,也推动了其他学科和技术的发展。例如,核酸化学的研究成果使今天的生物学从细胞水平提高到分子水平,建立了分子生物学;对地球、月球和其他星体的化学成分的分析,得出了元素分布的规律,发现了星际空间有简单化合物的存在,为天体演化和现代宇宙学提供了实验数据,还丰富了自然辩证法的内容。

1.1.3 化学的二级学科

化学的二级学科有哪些?化学研究的范围极其广阔,按研究的对象或研究的目的不同,可将化学分为无机化学、有机化学、高分子化学、分析化学和物理化学等五大分支学科。

1.无机化学

在众多的学科分支中,无机化学是化学科学中最早形成的学科,也是最基础的学科。这一分支的形成是以19世纪60年代元素周期律的发现为标志的。在无机化学形成为一门独立的化学分支学科以前,可以说一部化学发展史也就是无机化学发展史。由于人类社会生产中对冶金和采矿的需要,通过矿物的分析、分离和提炼,发现了许多新元素。到19世纪中叶,各元素有了统一公认的原子量。到1869年人们虽然已积累了63种元素及其化合物的化学物理性质的丰富资料,但这些资料仍然零散而缺乏系统,各种不同元素间的内在联系,仍然是当时化学家十分关心的问题。

1871年,俄国人门捷列夫在前人工作的基础上公布了元素周期表,总结了元素周期律,并以此为基础修正了某些原子的原子量,并预言了15种新元素,这些均被陆续证实。周期律的发现,将自然界形形色色的化学元素结合为有内在联系的统一整体,奠定了现代无机化学的基础。今天,从元素周期系来发现和合成新化合物仍是化学科学的重要工作。

20世纪40年代末,由于原子能工业、半导体材料电子工业、宇航、激光等新兴工业的兴起,对具有特殊电、磁、光、热或力性能的新型无机材料的需求日益增加,从而建立了大规模的无机新材料体系;另一方面,随着结构理论(化学键理论、配合物)的发展、现代物理方法的引入和无机化学与其他学科的相互渗透,产生了一系列的边缘学科,无机化学又取得了新的发展。从70年代以来,随着能源、催化及生化等研究领域的出现和发展,无机化学无论在实践还是在理论方面都取的了新的突破。当今在无机化学中最活跃的领域有无机材料化学、生物无机化学、有机金属化学三个方面。

2.有机化学

“有机化学”这一名词于1806年首次由贝采利乌斯提出。当时是作为“无机化学”的对立物而命名的。19世纪初,许多化学家相信,在生物体

内由于存在所谓“生命力”,才能产生有机化合物,而在实验室里是不能由无机化合物合成的。有机化学是研究碳氢化合物及其衍生物的化学分支,也有人认为有机化学就是碳的化学。目前已知的有机化合物就有千万种之多,而每年又合成数以万计的新物种。因此,有机化学是化学研究中最庞大的领域,它与医药、农药、染料、日用化工等方面的关系特别密切。有机化合物和无机化合物之间没有绝对的分界。有机化学之所以成为化学中的一个独立学科,是因为有机化合物确有其内在的联系和特性。

3. 高分子化学

高分子化学是研究高分子化合物(简称高分子)的合成、化学反应、物理变化、物理加工成型、应用等方面的一门新兴的综合性学科。我们人类实际上从一开始出现就与高分子有密切关系,自然界的动植物包括人体本身,就是以高分子为主要成分而构成的,人类也利用高分子原料来制造生产工具和生活资料。人类的主要食物如淀粉、蛋白质等,也都是高分子。只是到了工业上大量合成高分子并得到重要应用以后,这些人工合成的化合物才取得高分子化合物这个名称。合成高分子的历史不过八十年。高分子化学真正成为一门科学,还不过六十多年,发展非常迅速。目前,它的内容已超出化学范围,因此,现在常用高分子科学这一名词(或简称为高分子学)来更合逻辑地称呼这门学科。狭义的高分子化学,则是指高分子合成和高分子化学反应。

高分子单体都是一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,逐渐形成了独立的学科。

4. 分析化学

分析化学是研究获取物质化学组成和结构信息的分析方法及相关理论的科学,是化学学科的一个重要分支。其主要任务是研究下列问题:①物质中有哪些元素、离子、官能团、或化合物组成(定性分析);②每种成分的数量或物质纯度如何(定量分析);③物质中原子彼此如何连结而成分子和在空间如何排列(结构和立体分析);④各物质性质之间的关系。研究对象从单质到复杂的混合物和大分子化合物,从无机物到有机物,从低分子量到高分子量。样品可以是气态、液态和固态。

现代分析化学广泛应用于生产中原料和成品的分析检测、生产过程监控、兴

奋剂检测、性别检测、酒后架车检测、物质代谢、基因工程等等。近来分析化学中的新技术有激光在分析化学中的应用、流动注射法、场流分级等。分析化学有极高的实用价值,对人类的物质文明作出了重要贡献,广泛的应用于地质普查、矿产勘探、冶金、化学工业、能源、农业、医药、临床化验、环境保护、商品检验、考古分析、法医刑侦鉴定等领域。

5. 物理化学

物理化学是化学学科的基础理论部分。以物理的原理和实验技术为基础,研究化学体系的性质和行为,发现并建立化学体系的特殊规律的学科。随着科学的迅速发展和各门学科之间的相互渗透,物理化学与物理学、无机化学、有机化学在内容上存在着难以准确划分的界限,从而不断地产生新的分支学科,例如物理有机化学、生物物理化学、化学物理等。物理化学还与许多非化学的学科有着密切的联系,例如冶金学中的物理冶金实际上就是金属物理化学。物理化学大致内容包括:化学热力学、化学动力学和结构化学。

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无机或有机化合物的合成为起点,而在进行这些工作的时候又必须要借助分析化学的准确测定结果,以指示合成工作中原料、中间体与产物的组成和结构,这一切当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。

化学学科在其发展的过程中还与其他学科交叉结合而形成了各种边缘学科,如生物化学、地质化学、放射化学、星际化学以及激光化学等。随着化学各分支学科和边缘学科的建立,化学研究的发展总趋势可以概括为:从宏观到微观、从静态到动态、从定性到定量,从描述到理论。

1.2 无机化学的发展趋势

预计21世纪科学发展的特点是各学科纵横交叉解决实际问题。即化学学科的自身继续发展和与相关学科融合发展相结合;化学学科内部的传统分支继续发展和做为整体发展相结合;研究科学基本问题与解决实际问题相结合。应该说科学的发展常常出现预料不到的突破。特别是无机化学有其伟大的目标和难题,许

多科学与技术问题是需要我们去解决的。

当今化学发展的总的趋势大致是:由宏观到微观,由定性到定量,由稳定态向亚稳态,由经验上升到理论并用理论指导实践,进而开创新的研究。为适应需要,合成具有特殊性能的新材料、新物质,解决和其他自然科学互相渗透过程中所不断产生的新问题,并向探索生命科学和宇宙起源的方向发展。

1.2.1 生物无机化学

生物无机化学(bioinorganic chemistry)又称无机生物化学或生物配位化学,是在无机化学、有机化学、生物化学、医学等多种学科的交叉领域上发展起来的边缘学科,是一门年轻而又活跃的新学科,20世纪60年代以来逐步形成的。其研究对象是生物体内的金属(和少数非金属)元素及其化合物,特别是痕量金属元素和生物大分子配体形成的生物配合物,如各种金属酶、金属蛋白、金属离子通道、金属药物等。它研究各种微量元素在生物体内的行为和作用,也研究它们的结构、性质、生物活性之间的关系以及在生命环境内参与反应的机理。为便于研究,常用人工模拟的方法合成具有一定生理功能的金属配位化合物。目前已知有25种微量元素在生物体内对于氧输运、酶催化、神经信息传递等过程起重要作用,不同的微量金属在生物体内各司其职,体液内这些微量元素含量不论太多或太少都会引起生理变化或疾病。无机药物也是生物无机化学研究的一个重要方面,近年发现的具有抗癌活性的无机化合物已逐渐多于有机化合物。

生物无机化学在中国较早就有一些不同学科的研究者在如生物矿化等方面开展工作;但是作为一门学科的出现,似应以全国第一次生物无机化学会议(1984年,武汉)的召开为标志。总之,从20世纪80年代初,中国从事不同学科的化学家顺应国际上这一新学科的发展,不少人纷纷转到生物无机这块园地进行耕耘。

1.2.2 无机材料化学

无机材料化学是一门正在蓬勃兴起的新应用学科 ,其研究对象和范畴与固体化学基本相同。无机材料化学既是材料科学的一个重要组成部分,又是化学的一个分支,具有明显的交叉、边缘学科的性质。

现代科学技术的发展需要各种各样的具有特殊性能的材料。头发粗细的光导纤维可供25000人同时通话而互不干扰,这种材料的出现使通讯进入崭新阶段。光导纤维是一种用蒸气沉积法制成的硅锗氧化物纤维。

1.2.3 金属有机化学

金属有机化学是有机化学和无机化学交叠的一门分支课程,主要讲述含金属离子的有机化合物的化学反应、合成等各种问题。金属有机化学是一门前沿学科,是研究含有碳-金属键的化学,它是化学的一个分支学科,是一门年轻的科学,是一座刚刚开始发掘的宝藏,发展及应用潜力不可估量。自20世纪60年代以来有了蓬勃的发展。它的发展打破了传统的有机化学和无机化学的界限,又与理论化学、合成化学、催化、结构化学、生物无机化学、高分子科学等交织在一起,成为近代化学前沿领域之一。过渡金属有机催化剂或试剂提供了众多的高活性和高选择性的有机合成方法,使有机合成技术提高到崭新的水平。金属有机化合物在医药、农业、工业等领域有广泛的应用。

随着研究的深入,又提出了超分子金属有机化学。超分子金属有机化学研究金属有机化学中的超分子化学现象及其特异的物理化学性质,是属于当代化学研究的前沿课题。同时首次提出中性金属有机多齿配体及其配位化学的概念,通过这种配体与中性金属化合物作用,利用给体-受体键可形成全新类型的金属-金属键化合物。总之,在新的检测手段的强力支持下,在市场需求的不断拉动下,在可持续发展的大背景下,金属有机化学将成为新世纪环保、材料、能源及人类健康等方面研究开发的热门学科,其发展应用前景不可限量。

1.3 学习无机化学的方法

1.3.1 兴趣产生动力

心理学和教学实践都表明,就大多数学生而言,其智力因素相差并不大,而导致学生学习成绩分化的一个重要原因就是由于非智力因素的发展存在较大差异。在非智力因素的动机、兴趣、情感、意志和性格等诸多因素中,兴趣有着举足轻重的作用,它也是一个人走向成才之路的一种高效能的催化剂。对于作为基础学科之一而又乏味枯燥、令学生望而却步的无机化学来说,如何培养学生学习无机化学的兴趣,激发其学习的动力呢?

美国著名的心理学家布鲁纳说:“学习的最好刺激是对学习材料的兴趣。”我国古代教育学家孔子也曾经说过:“知之者不如好之者,好之者不如乐之者。”可见学习兴趣的重要性。

学习兴趣并不是一种学习方法,但是如果离开了这一点而去谈学习方法,那岂不是无本之木,无源之水?有积极的学习态度,加之平时的刻苦努力,学习上就会屡见成绩。这样就能够不断的领略到学习带来的愉快,有一种收获般的喜悦感,这就更促使我们精神振奋,乐此不疲地去学习,越学越有兴趣,越学越有信心,如此一来就能形成一种良性循环,天长日久,学习就成了一种乐事、一种必须了。

那么如何培养学习兴趣呢?这里有两点建议。

1、正确对待学习的内容。正如道路有直有弯一样,学习的内容也有易有难。遇到容易的题的时候,不要骄傲;遇到难题的时候也不要气馁。

2、营造一个自我突出的环境。如果周围同学能做到的事我也能做到,那么我自信心就能很好的保持下去;如果我能做的事,而其他的同学不一定能做,那么我的自信心就会更加强烈了。

有了浓厚的学习兴趣,只是万里长征的第一步,还要有好的学习方法。从本课程的实际出发应从以下几个方面入手。

课前预习:在学习新课以前要先自学一遍,这样能对本节课要讲授的内容有所了解,听课时特别要注意预习时未理解的部分。

课堂认真听讲:课堂听讲十分关键。听讲时要紧跟老师的思路,积极思考,产生共鸣。听课时适当做些笔记,有利于课后复习,也有利于在课堂上集中注意力。

课后复习:课后的复习是消化和掌握所学知识的重要过程。本门课程的特点是理论性较强,有些概念比较抽象,不能企图一听就懂,一看就会。一定要通过反复自学和思考,才能逐渐加深理解并掌握其实质。

课后作业:课后完成一定量的习题有助于深入理解课堂内部,有助于培养独立思考和自学能力。每次课后,老师会布置一些习题,一定要认真解答,独立完成,按时交作业。

查阅参考书:除预习、复习、做练习外,阅读参考书是一个重要环节。也是

培养独立思考和自学能力的极好方法。

除了学好课本的内容,还必须重视无机化学实验,实验不仅能验证课本中的内容,有助于加深对所学知识的理解,而且还能锻炼大家的动手能力和实践能力。

1.3.2 实践出真知

无机化学是一门以实验为基础的自然科学,实验在无机化学教学中的作用是不容忽视的。纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。我们要特别注重无机化学实验,通过实验可以获得、验证和扩展化学知识,可以培养观察、分析、解决化学问题的能力以及形成科学的世界观和方法论。因此学习无机化学一定要重视化学实验。我们可以把基本实验作为学习和掌握无机化学的一重要“块”。这一块充分体现了化学学科的特点。含仪器、基本操作、制备、鉴别(定)、提纯、定量实验、试剂存放、事故处理等。

例如我们在学习酸的性质时,可结合教材内容,针对学生易犯的错误设计下列实验:氧化铜加水,再微微加热,不反应;氧化铜加酸,加热,反应发生,生成蓝色溶液。通过这一生动活泼的实验,学生可得到氧化铜不溶于水但溶于酸的正确结论。

1.3.3 理论指导实践

熟练掌握无机化学基础知识和基本技能是学习无机化学的关键,同时理论也是指导实践的关键。万丈高楼平地起,要学好无机化学就要熟练掌握化学的基础知识和基本技能,它是解决化学问题的前提和保证。作为无机化学关键的一“块”——实践,也必须由理论来指导,主要包括以下几块:

1.基本概念“块”。这一块包括物质组成和分类线,性质变化线,化学用语线,分散系统线,化学量线等五条知识线(或小系统)。

2.基础理论“块”。这块包括结构理论(原子结构,分子结构即化学键理论,晶体结构理论)和元素周期律,周期表线,电解质溶液(含氧化-还原理论)线,化学反应速率和化学平衡理论线。理论块是化学的灵魂。

3.元素及其化合物知识“块”。这一块是化学的基石,可划分为金属线和非金属线,统一在周期系中。

4.计算“块”。这一块纵贯化学各部分,要掌握基本类型、解题规律和解题技巧。

所以,我们要理论联系实际,培养观察和思考能力。社会实践是最好的老师,学习无机化学要求联系实际,注意观察日常生活中各种与无机化学有关的知识和信息,尤其注意用已经掌握的有限的无机化学知识来解释生活和生产实际中的一些问题。同时也要扩大阅读量,以获得更多知识,培养自学能力。

无机化学的实践性强,也有自身的理论。无机化学设有理论课和实验课,它们是一个整体,是互相补充和完善的,学习中不能偏废。

1.3.4 抓好各个学习环节

在学习无机化学的时候关键要把握好两关,一是“细”关,二是“综合分析关”。把所有学过的无机化学内容抽象出来看,无非是一些基本理论。把每部分的大致内容理清楚,搭好骨架,接下来填上血肉,然后用神经和血管把各部分连接起来,形成一个有机的整体。因为化学中琐碎的小知识点较多,所以需要反复积累,使这个知识的有机体内涵丰富。无机化学的考试注重综合能力,而这种综合能力只能通过平时训练来提高,靠考前突击意义不大。

考好无机化学,要注意平时应考能力的培养。在综合分析过程中,要狠抓“双基”,交联成网,把各种知识建立成上面我们所讲的“块”。按“块”复习训练,适当选些题做做,特别对当时做错或不会做的题,认真分析一下,查漏补缺,会有很好的效果。

相关文档