绪论
世界是由物质构成的,物质是不断变化的。化学就是研究物质化学变化的自然科学分支,它是人类用以认识和改造物质世界的主要方法和手段之一,它的成就大大地改善了人类的生存质量,推动了科学进步,成为社会文明的重要标志。
0.1.1化学的研究对象及其在社会发展和科学进步中的作用
1.化学的研究对象与分支
化学,顾名思义,是指“变化的科学”。它的经典定义是:在原子、分子层次上研究物质的组成、结构、性质与变化规律的科学。
随着科学技术的发展,化学的研究对象也在不断扩展。进入21世纪,化学的研究对象已经从原来的原子、分子层次扩展到超分子层次(如包裹C6。的环糊精分子)、高分子层次、生物分子层次、纳米分子和纳米聚集体层次(如碳纳米管(原子和分子的宏习题聚集体层次(如固、液、气体,溶液,胶体,熔融体等(复杂分子体系、分子器件(如分子芯片、分子开关(分子机器(如分子马达(宏习题组装器件(如燃料电池)等。因此,中国科学院院士、北京大学徐光宪教授又把化学称为是研究泛分子的科学。
化学的魅力在于可以创造出种类繁多、性质各异的新物质。据统计,人类从天然产物中分离和用人工方法合成的化合物的种类总数1900年为55万种,1945年达到110万种1970年达到236.7万种1999年达到2340万种,2003年达到4500万种①,这些化合物绝大多数是人工合成的。到目前为止,化学家已经创造出约5500万种新物质"。难怪著名化学家、诺贝尔化学奖获得者伍德沃德(Woodward,美)曾说:“化学家在老的自然界旁边又建立起了一个新的自然界”③。
在自然科学中,化学属于一级学科,它的下面又分5个二级学科:无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、高分子化学。
现代科学研究有一个显著的特点,即新理论、新发明的产生,新的工程技术的出现,经常是在学科的边缘或交叉点上,化学研究也不例外。化学与其他学科相互渗透产生了许多重要的交叉学科,如生物化学、环境化学、材料化学、地球化学、能源化学、药物化学、计算化学、化学物理、海洋化学、大气化学、食品化学等。
2.化学的作用
在现今社会中,只要一提起化学,很多人就会把温室效应、臭氧层空洞、酸雨、大气污染、水污染这些环境问题归咎于化学"实际上,这些环境问题的产生,有的是人类当时对某些化学品的性质及对环境的潜在影响认识不足造成的,有的是人们过分追求经济效益忽视环境保护造成的"不管是哪种原因,从本质上讲,都是人们没有正确地运用化学变化的基本规律造成的"也就是说,化学本身并没有错,把环境问题归咎于化学是不公正的"事实上,化学在推动社会发展和科学进步的过程中一直都发挥着巨大的作用。
首先,化学的发展为满足人类生存、提高生存质量和保障生存安全提供了坚实的物质基础。例如,合成氨技术的发明,使全世界粮食产量增加了1倍以上,30亿人口免于饿死;许多新药物的发明和诊断方法的建立,使人类在20世纪能够战胜和消灭某些疾病,人均寿命延长了25年。化学创造的许多功能材料,用以制造高速交通工具、高效计算机、通信设备、家用电器和生活用具,大大提高了人们的生活质量。
其次,作为自然科学三大基石之一的化学学科,同时还在其他自然科学学科的发展过程中起着重要的作用。化学的前身——古代的炼金术带动了药学的发展,而近代化学的发展更是促进了材料科学、环境科学及生命科学等相关学科的进步,化学学科一直在相关学科的发展中起着牵头的作用。正如美国化学家皮门特尔(Pimentel)在《化学中的机会——今天和明天》一书中指出的“化学是一门中心科学,它与社会发展各方面的需要都有密切的关系”。
0.1.2无机化学及其研究前沿
无机化学是研究无机物质的组成、结构、反应、性质和应用的学科,它是化学学科中历史最悠久的分支学科。
无机化学的研究对象非常广泛,涉及元素周期表中的所有元素。无机化学从分子、团簇、纳米、介习题①、体相等多层次、多尺度上研究物质的组成和结构,以及物质的反应与组装,探索物质的性质和功能。
目前国际上无机化学研究的前沿领域主要有以下几个方面②。
1.无机合成化学
无机合成化学最重要的任务是创造新的无机物质和弄清楚它们的结构,它涵盖传统的无机合成化学和现代制备化学及组装科学,为化学学科及相关学科的持续性发展提供驱动力。研究热点主要集中在以下几个方面:
(1)无机合成新方法、新路线、新技术、新概念的提出与发展。
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随着现代科学技术的进步,发展可用于合成复杂和特殊结构与性能无机物的新方法和新技术显得彳N常重要,包括高通量组合化学方法、环境友好的绿色无机合成、极端条件下或外场(光、磁场)诱导下的无机合成、非水溶剂体系和反应离子热合成、无机光化学和化学成。
(2)以功能为导向,在多尺度开展结构可控设计、定向合成、制备和剪裁。
(3)无机自组装合成的研究。
自组装是指在适当条件下没有外部干预时,基本组装单元(分子、纳米材料、微米或更大尺度的物质)发生自聚集或有序排列,从而形成一个稳定、具有一定规则几何外形结构的过程。自组装合成是以分子水平构筑功能材料的一种新方法,目前在无机超分子晶体合成、新型微孔及功能MOF?材料的合成、新型介孔材料的合成、功能插层材料的合成、有机-无机杂化材料的合成、功能纳米材料的合成、特殊结构及复合结构材料的合成中都有重要的应用。
(4)对复杂无机体系反应过程与机制的深入理解。
(5)无机固体材料、功能配合物、原子团簇化合物的设计合成、组装与功能化。
2.无机材料化学
无机材料化学是研究无机材料制备、组成、结构、功能及其应用的一门学科,当前的研究热点主要有:
(1)金属、氧化物结构敏感催化材料。结构敏感材料是一类光、电、磁性能对原子的空间排列变化敏感的晶体材料,许多金属、氧化物结构敏感催化材料在催化反应中表现出很高的活性和选择性。
(2)高效能源材料。包括锂离子电池材料、高容量储氢材料、质子交换膜燃料电池材料、薄膜太阳能电池材料、热电材料(可以将热能和电能直接进行转换)等。
(3)非线性光学晶体材料。用于激光器中,是激光变频、激光调制、光折变晶体记忆和存储技术必不可少的材料。
(4)分子筛及多孔材料。包括多孔碳材料、多孔半导体材料、多孔主客体材料、多级孔材料等,这些材料在石油化工、吸附与分离、储能、催化等领域具有广泛的应用。
(5)稀土化合物功能材料。包括稀土永磁材料、稀土磁致伸缩材料、稀土磁致冷材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化材料、稀土陶瓷材料等,它们广泛应用于各类科技。
(6)无机-有机杂化材料。无机材料具有电子结构多样性、高强度、高硬度及光、热化学稳定等特征,有机分子材料具有分子和能带结构可以进行人工设计、光电转换效率高、响应速度快及分子柔性等特点,实施无机-有机材料的功能复合能得到性能更优异的杂化材料,在能源、信息储存、传递、隐身、生物、医学及仿生等领域呈现出诱人的应用前景。
(7)先进碳材料。富勒烯、碳纳米管、石墨烯等碳基纳米材料因其具有特殊的结构和性质,在很多领域(如生命科学、催化、传感器、磁共振成像、锂电池等)具有重要的潜在应用景。
3.生物无机化学
生物无机化学研究生命体系内金属离子、无机小分子和矿物的化合状态、结构和转化等过程的化学机理,阐明无机离子、分子和分子有序聚集体在生命过程中的功能和意义,发现和研究能够显示或调控生命过程的金属化合物探针,具有治疗、诊断和预防疾病的金属和无机药物,进而研究生命体系和无机自然环境的相互作用,探索生物分子和生命体系的起源和进化规律。
生物体绝非过去人们想象中的单纯有机体。事实上,生物体中有很多种金属元素,其中一些与酶有关,它们对于生命过程起着极为重要的作用。例如,血红素中铁的含量直接影响氧的传输与消耗,叶绿素中的镁影响植物对光的吸收与转化,人体中钙离子的多少会影响肌肉的收缩等。药物化学家据此研发出一系列无机药物,如抗肿瘤的铂配合物、钌配合物、卟啉金配合物,抗糖尿病的钒化合物,治疗急性早幼粒型白血病的砷化合物,治疗贫血的铁化合物等。
21世纪以来,生物无机化学的研究目标从分离体系中的金属酶/金属蛋白、金属配合物-生物大分子(核酸/蛋白质)相互作用,逐渐转向阐明活细胞体系如何在避免金属毒性的同时利用金属离子及其配合物的分子机制或化学基础,而金属酶模型体系、生物启发的无机材料和智能仿生体系也表现出非常活跃的状态。
4.有机金属化学
含有金属-碳键的一类化合物称为有机金属化合物。例如,1951年英国的威尔金森(Wilkinson)等发现了夹心化合物二茂铁[(C5H5)Fe],该分子中Fe原子位于两个平面基团C5H5之间,他因此项研究和他人一道获得1973年诺贝尔化学奖。再如,1953年德国的齐格勒(Ziegler)成功地利用三乙基招-四氯化钛作为催化剂合成了低压聚乙烯,反应机理为四氯化钛与有机招首先作用,被还原至三氯化钛,然后被烷基化而得氯化烷基钛,烯经络合在钛原子的空位而逐步聚合成长链。1955年,意大利的纳塔(Natta)用此类催化剂实现了丙烯的等规聚合,他们的研究成果为现代合成材料工业奠定了基础,因此获得了1963年诺贝尔化学奖。含有金属-碳键化合物的大量涌现使传统的有机和无机界限趋于消失。有机金属化学就是研究金属与碳成键化合物的制备、结构、反应、功能及其应用的科学。
有机金属化学对石油化工、制药、材料科学的发展起到了巨大的推动作用。它不仅为烯经聚合、医药中间体的制备、有机分子的转化、不对称合成等重要反应提供了一系列高活性和高选择性的新型催化剂,而且为分子水平上的现代配位催化理论研究提供了重要的科学依据。目前有机金属化学的研究热点主要有以下几个方面:
(1)金属-碳多重键化学。
(2)不饱和有机金属化合物的合成与反应性能研究。
(3)有机金属框架化合物的可控制备与性能研究。
(4)有机金属簇合物。
(5)有机金属分子材料及器件。
(6)有机金属催化的小分子活化反应。
0.1.3无机化学的学习方法
无机化学是大学近化学类专业的第一门化学基础课,也是其他化学课程及许多专业课程的基础。这门课程学得好与不好不仅对后续化学课程的学习有很大的影响,而且对许多专业课程的学习乃至学生综合能力的提高也会产生很大的影响。因此,首先要从主习题上给予无机化学足够的重视,坚定学好无机化学的决;^,并投入一定比例的学习时间"其次,要尽快适应大学的学习特点和节奏,找到适合自己行之有效的学习方法。大学的学习特点与中学有很大不同。一般来说,大学四年要学40多门课程,每门课程信息量都很大,难度也很高,然而讲授学时大多只有50?60,因此老师讲课不会面面倶到“手把手”地教,反复地练,而是以介绍思路和方法、讲授重点和难点为主,讲课进度非常快,教学方式大多为多媒体教学为主,课后的时间则完全由学生自己支配。针对上述特点,学生在学习无机化学这门课程时应该注意以下几个环节。
1.做好课前预习
做好预习可以对每堂课老师要讲的重点和难,存内容心中有数,容易跟上老师的讲课思路,提高听课效率。
2.集中精力听课
上课时要把主要精力放在听课上,而不是埋头记笔记。无机化学的教学方式以多媒体教学为主,学生可以事先将老师的课件打印出来,上课时认真听课,遇到难点、重点或课件上没有提到的内容可以在课件上适当补记。要注意老师对化学基本概念和基本原理的讲授,这对正确理解所学内容非常有帮助。实践证明,每当遇到具体问题不会解决时,往往是对基本概念和原理不清楚造成的。
3.课后及时复习
做好复习可以帮助学生及时消化所学内容,使所学知识成为个人知识链条中的一个有机组成部分,为进一步学习扫清障碍。大学生的课外时间比较多,如何安排完全由学生自己决定,安排得合理可以起到事半功倍的效果。当天学的内容最好当天复习,这要比周末一起复习效率高得多,而那种平时不复习,全靠考前突击的做法已经被无数次证明是非常失败的。除了当天复习之外,每学完一章还应该对本章内容进行归纳总结,理清知识脉络,把握知识结构体系。
4.充分利用答疑
由于大学化学内容多,讲授速度快,想在课堂上听懂老师讲的全部问题很不容易。对于不懂的问题,自己看书可以解决一部分,看书仍不明白的应尽快找老师答疑。
5.独立完成作业
思维能力和思维习