1现代化学发展及其对中学化学的影响

现代化学与中学化学龚正元（13776627065）[e-mail]本课程的主要内容现代化学发展对中学化学的影响化学与健康化学与环境化学与能源化学与材料化学与生产和生活的联系中学化学疑难问题解析本课程的学习要求自觉、主动、积极参与收集、阅读相关资料认真完成作业研究性学习考核方法第一讲现代化学发展及其对中学化学课程的影响一、化学学科的成就和地位1.化学学科的地位早在1985年，美国学者G.C.皮门特尔指出：“化学是一门中心科学，它与社会多方面的需要有关。化学的基础研究则将有助于我们的后代赖以满足演化中的需要，赖以解决许多难以预期的问题。”（1）化学是一门承上启下的中心科学。科学可按照它的研究对象由简单到复杂的程度分为上游、中游和下游。数学、物理学是上游，化学是中游，生命、材料、环境等朝阳科学是下游。化学是中心科学，是从上游到下游的必经之地。(2)化学又是一门社会迫切需要的中心科学，与我们的衣、食、住（建材、家具）、行（汽车、道路）都有非常紧密的联系。(3)化学是与信息、生命、材料、环境、能源、地球、空间和核科学等八大朝阳科学（sun-risesciences)都有紧密的联系、交叉和渗透的中心科学。今天，在人类社会发展过程中迫切需要解决的几个重大问题：环境、粮食、能源、生命进化等，都需要化学的参与。2.20世纪化学的重大成就在20世纪的100年中，化学与化工取得了空前辉煌的成就。“空前辉煌”数字（3771万，2001）。1900年在ChemicalAbstracts(CA)上登录的从天然产物中分离出来的和人工合成的已知化合物只有55万种。化学是以指数函数的形式向前发展的。新分子和新材料的飞速增长年份已知化合物数目（万）1900551945110（大约45年加倍）1970236.7（大约25年加倍）1975414.81980593（大约10年加倍）198578519901057.6（大约10年加倍）1999200020013771但“化学家太谦虚”（这句话是Nature杂志在2001年的评论中说的），不会向社会宣传化学与化工对社会的重要贡献。因此20世纪化学取得的辉煌成就，并未获得社会应有的认可。生物化学——分子生物学固体化学——凝聚态物理中心科学？“伴娘科学”？2.20世纪化学的重大成就报刊上常说20世纪发明了六大技术:1.包括无线电、半导体、芯片、集成电路、计算机、通讯和网络等的信息技术；2.基因重组、克隆和生物芯片等生物技术；3.核科学和核武器技术；4.航空航天和导弹技术；5.激光技术；6.纳米技术。但却很少有人提到包括新药物、新材料、高分子、化肥和农药的化学合成（包括分离）技术。上述六大技术如果缺少一两个，人类照样生存。但如果没有发明合成氨、合成尿素和合成新农药的技术，世界粮食产量至少要减半，60亿人口中的30亿就会饿死。没有发明合成各种抗生素和大量新药物的技术，人类平均寿命要缩短25年。没有发明合成纤维、合成橡胶、合成塑料的技术，人类生活要受到很大影响。没有合成大量新分子和新材料的化学工业技术，上述六大技术根本无法实现。二、现代化学发展的趋势分析1.新世纪的化学科学主要研究的物质层次化学是什么？化学的传统定义：研究物质的组成、结构、性能和变化规律的科学。或者：化学是研究分子的科学。现代化学定义：研究原子、分子片、分子、超分子、生物大分子到分子的各种不同尺度和不同复杂程度的聚集态的合成反应、分离和分析、结构形态、物理性能和生物活性及其规律和应用的科学。新世纪化学主要研究的物质层次（1）原子层次的化学：核化学、放射化学、同位素化学、元素化学、单原子操纵和检测化学等。（2）分子片层次的化学：原子只有一百多种，但是分子数已达三千多万种，因此，在原子和分子之间引入一个新层次“分子片”。（3）分子层次的化学：三千多多万种化合物（分子），通常分为无机、有机和高分子化合物，但是近些年合成的金属有机化合物、元素有机化合物、原子簇化合物、金属酶、金属硫蛋白等等，已不能适应传统非分类方法，新世纪将研究分子结构类型和结构方式。（4）超分子层次的化学：受体和给体的化学、锁和钥匙的化学、分子间的非共价作用力、范德华引力、各种不同类型的氢键、亲水与疏水基团及其相互作用、分子的堆积、组装、位阻及包括各种空间效应等。（5）生物分子层次的化学：生物化学、分子生物学、化学生物学、酶化学、脑化学、神经化学、基团化学、生命调控化学、药物化学、手性化学、环境化学、生命起源认知化学等。（6）宏观聚集态化学：固体化学、晶体化学、非晶体化学、流体和溶液化学、等离子体化学、胶体化学和界面化学等。（7）介观聚集态化学：纳米化学、软物质化学、胶体化学（胶团－胶束化学和气溶胶化学）等。2.新世纪化学科学的主要研究领域（1）环境相容性化学－绿色化学研究的核心问题：绿色合成技术方法和过程可再生资源的利用和转化中存在的一系列问题的研究。矿物质资源高效利用中存在的关键科学问题的研究。（2）新材料化学科学新材料的研究主要有以下几个方面：复合型材料新型能源材料可生物降解高分子材料有机物体系膜分离及膜材料的研究生物材料化学（3）化学中的生命科学生物超分子功能的研究模拟生物体系的自由基化学和物理有机化学研究无机化合物药用的研究无机药物的手性选择问题、抗癌配合物的研究、利用微量金属离子有效地预防疾病、对无机药物跨膜运送机制、无机药物载体和靶向药物的研究、核药物及中药复方中使用矿物的问题。（4）化学工程技术从液滴－反应器的尺度范围内对化学转化影响下的某些重要的物理现象进行研究就形成了化学工程。具有经济、环境优化性的化学过程集成智能方法化学反应的原子经济飞秒激光控制化学反应微系统（MEMS）的新型活性加工技术及微流量系统的研究。（5）农业化学科学粮食问题的解决，除了不断发展其他领域的农业（如海洋蓝色农业、微生物白色农业等）之外，化肥工业是支撑农业发展不可动摇的基石重要研究内容：固氮工程、光合作用、长效缓释化肥等其他重点研究领域：植物激素及生长调节物质、昆虫激素及生长调节物质、昆虫信息素、生物活性发展的分离和鉴定等。（6）催化化学新世纪的催化化学是以消除有害物质为目的的新的能源环保为特征的催化化学研究各种形式的催化过程，如化学催化、生物催化、择形催化、电催化、光催化等在绿色合成中的作用。研制开发家电用环保催化剂、烹调器用自净化催化剂、光催化空气净化剂、催化燃料电池、汽车尾气净化剂等。（7）计算机化学科学一方面电子信息产业需要大量的化工原料，其中有基材、光刻胶、掺杂剂、封装材料及专用清洗剂等。另一方面，随着分子生物学的不断兴起和发展，人们发现在生物大分子之间遵循化学和生理规律发生相互作用过程中，能形成具有类似于计算机的信息传输和处理、甚至逻辑运算功能的“生物电路”，从而诞生了生物计算。计算机化学科学的另一领域是发展理论化学计算及微观过程模型的软件。3.21世纪化学科学的四大难题（1）化学反应理论建立严格的微观化学反应理论，既要从初始原理出发，又要巧妙地采取近似方法，使之能解决实际问题，包括决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应？能否生成预期的分子？需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应？如何在理论指导下控制化学反应？如何计算化学反应的速率？如何确定化学反应的途径等。（2）结构和性能的定量关系理论上说，一个分子的电子云密度可以决定它的所有性质，但实际计算很困难。要优先研究的课题：分子和分子间的非共价键的相互作用的本质和规律；超分子结构的类型、生成和调控的规律；给体－受体作用原理；生物大分子的结构以及与生物和生理活性的关系；分子自由基的稳定性和结构的关系；掺杂晶体的结构和性能的关系；如何设计合成具有人们期望的某种性能的材料？如何使宏观材料达到微观化学键的强度？（3）生命现象的化学机理研究配体小分子和受体生物大分子相互作用的机理，这是药物设计的基础。搞清楚光合作用、生物固氮作用，牛羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理。人类的大脑是用“泛分子”组装成的最精巧的计算机，彻底了解大脑的结构和功能，是多学科共同面对的难题。了解活体内信息分子的运动规律和生理调控的化学机理。如何实现从生物分子到分子生命的飞跃？如何制造活的分子，跨越从化学进化到生物进化的鸿沟？研究复杂、开放、非平衡的生命系统的热力学，耗散和混沌状态，分形现象等非线性问题（4）纳米尺度的基本规律尺度的不同，常常引起主要相互作用力的不同导致物质性能及其运动规律和原理的质的区别纳米尺度的热力学性质如金的熔点1063℃，纳米金（5－10nm）的熔化温度为330℃。银的熔点为960.3℃，而纳米银（5－10nm）为100℃。纳米磁性量子隧穿效应、量子相干效应等纳米粒子比表面很大，由此引起性质的不同。例如，纳米铂黑催化剂可使乙烯催化反应的温度从6000℃降至室温。三、高中化学课程中的现代化学内容1.物质结构知识《化学1》知道化学是在分子层面上认识物质和合成新物质的一门科学《物质结构与性质》了解晶格能的应用，知道晶格能的大小可以衡量离子晶体中离子键的强弱；举例说明分子间作用力对物质状态等方面的影响；列举含有氢键的物质，知道氢键的存在对物质性质的影响。2.化学与环境科学《化学1》通过实验认识氯、氮、硫、硅等非金属及其重要化合物在生产中的应用和对生态环境的影响。《化学2》以酸雨的防治和无磷洗涤剂的使用为例，体会化学对环境保护的意义；能说明合成新物质对人类生活的影响，讨论在化工生产中遵循“绿色化学思想”的重要性。《实验化学》树立绿色化学思想，形成环境保护的意识。《化学与生活》评价高分子材料的使用对人类生活质量和环境质量的影响；通过典型的水污染实例认识水污染造成的危害，能说出污水处理中主要的化学方法和原理；知道大气主要污染物，能说出减少大气污染物的一种及方法；认识“白色污染”的危害和防治方法；根据防治土壤污染、保护环境的要求，举例说明废水处理、垃圾和其他生活废弃物的处置方法。《化学与技术》以废旧塑料的再生利用为例，认识化学对废旧物资再生与综合利用的作用，讨论其可能的途径。3.能源科学《化学2》知道化学键的断裂和形成是化学反应中能量变化的主要原因；通过生产、生活中的实例了解化学能与热能的相互转化；举例说明化学能与电能的转化关系；认识提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性。《化学反应原理》了解化学反应中能量转化的原因，能说出常见的能量转化形式；通过查阅资料说明能源是人类生存和发展的重要基础，了解化学在解决能源危机中的重要作用，知道节约能源、提高能源利用效率的实际意义；体验化学能与电能相互转化的探究过程，了解原电池和电解池的工作原理，能写出电极反应和电池反应方程式；通过查阅资料了解常见电源种类及其工作原理，认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。4.材料科学《化学1》能列举合金材料的重要应用。《化学2》能举例说明高分子材料在生活等领域的应用。《化学与生活》列举生活中的常用材料，能通过实例认识化学在发展生活用材料中的重要作用；认识金属与合金在性能上的主要差异，知道生活中常见的合金的组成；举例说明生活中常见合成高分子材料的化学成分及其性能，评价高分子材料的使用对人类生活质量和环境质量的影响。《化学与技术》讨论社会发展和科技进步对材料的要求，认识化学对材料科学发展的促进作用；举例说明金属材料、无机非金属材料、高分子合成材料、复合材料和其他材料的特点，了解有关的生产原理；举例说明用化学方法进行金属材料表面处理的原理；收集我国现代材料研究和材料工业发展情况的资料，认识新材料的发展方向。《有机化学基础》能举例说明合成高分子的组成与结构特点，能依据简单合成高分子的结构分析其链节和单体；举例说明新型高分子材料的优异性能及其在高新技术领域中的应用。5.催化化学《化学与技术》了解催化剂的研制对促进工业生产发展的重大意