《化学概论绪论》PPT课件.ppt

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1、普 通 化 学（化 学 概 论）,General Chemistry,第一章 绪 论 什么是化学 化学的发展历程 化学大家族的构成 化学的机会与挑战 课程内容安排及其它,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、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

2、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 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,四次化学革命的领军人物：英国化学家波义耳（1627-1691）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“把化学确立为科学”(恩格斯语)，被誉为“化学之

3、父”。“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”。波义耳极为崇尚实验。“空谈毫无用途，一切来自实验”。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。（波义耳首先制备石蕊试液作为酸碱指示剂，用加石灰生成白色沉淀来鉴别硫酸，用加硝酸银成白色沉淀鉴别盐酸等）,法国化学家拉瓦锡（1743-1794）1783年出版名著关于燃素的回顾，提出燃烧的氧化学说；1789年出版初等化学概论，揭开了困惑人类几千年的燃烧之谜，以批判统治化学界近百年的“燃素说”为标志，发动了第二次化学革命，被誉为“化学中的牛顿”。(燃素说是化学史上解释物体燃烧的一种学说，产生于1

4、7世纪。这种观点认为，燃烧是一种分解过程，物质燃烧时释放出一种叫做燃素的东西，是古代化学的最后形态)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。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”。首次列出了当时符合这个定义的包括33种物质元素表。由于这些贡献，拉瓦锡被称为“近代化学之父”。,英国化学家道尔顿（1766-1844）1803年创立科学原子论(化学原子论)，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论，完成了化学领域内一次极为重大的理论综合。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

5、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、质量及各种性质则不相同，原子的质量(而不是形状)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，它的质量等于其组合原子质量的和。1807年道尔顿发表“化学哲学新体系”，全面阐述了化学原子论的思想。科学原子论创始人,美国化学家鲍林（1901-1994）19世纪末物理学领域三项重大发现（X射线:1895;放射性:1896;电子:1897)，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

6、化学，成为现代化学的理论支柱。1927年，德国物理学家W.Heitler(1904-1981)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J.C.Slater(1900-1976)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，建立了价键理论(VBT,亦称HLSP理论)，阐明了共价键的向性和饱和性，此后鲍林又提出杂化轨道理论，还提出电负性、键参数、杂化、共振、氢键

7、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及在物质结构方面的应用，其代表作化学键的本质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。1954年获诺贝尔化学奖，1962年获诺贝尔和平奖。量子化学奠基人,元素周期律的发现,1869年，门捷列夫和德国化学家迈尔(J.L.,1830-1895)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

8、大发现的。迈尔对元素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一次重大的综合，成为化学的主要基石之一。,化学键理论的建立与发展历程,离子键理论(电价理论)：1916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“关于原子结构和分子形成”的论文，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而形成阴阳离子，

9、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，用负电价表示获得电子的元素的化合价。两元素原子间的结合被称为电价键，现在称为离子键。,共价键理论(经典Lewis学说)：1916年，美国加州大学化学教授路易斯(G.W.Lewis,1875-1946)发表论文“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8个电子，形成稳定结构的客观事实，提出两原子各提供1个或2个或3个电子作为两原子共有，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两原子相互结合。这种原子间的结合称为共价键。1923年，又出版“价键和原子、分子的结构”一书，系统

10、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(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在立方体的八个角上，因而称为八隅体，其论说被称为八隅说。1919年美国化学家朗缪尔(I.Langmuir,1881-1957)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(共价键理论有时也称为路易斯-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史上起到了继往开来的作用。,价键理论(VB(valence bond)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.Londo

11、n,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格方程，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和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，鲍林斯莱特又根据波函数叠加原理，提出了

12、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、键、键、电负、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(MO(molecular orbital)理论)：1928年，美国科学家莫利肯(R.S.Mulliken,1896-1986)和德国科学家洪特(F.Hund,1896-1997)等人首先提出分子轨道理论。1929年，经加拿大科学家赫兹伯格(G.He

13、rzberg)和英国科学家伦纳德-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线性组合分子轨道法的基础。1931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，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，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5

14、0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，阐明了分子的共价键本质和电子结构，1966年荣获诺贝尔化学奖。,作为分子轨道理论的重要发展，1952年，日本化学家福井谦一(FukuiKenichi,1918-1998)提出了“前线轨道理论”。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占分子轨道(HOMO)和受电子分子中能量最低未占分子轨道(LUMO)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。1965年，美国有机化学家伍德沃德(R.B.Woodward,1917-1979)与量子化学

15、家霍夫曼(R.Hoffman,1937-)以前线轨道理论为工具讨论了稠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“分子轨道对称守恒原理”，又称“伍德沃德霍夫曼规则”。被认为是认识化学反应发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1981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(W.Kohn)发展了电子密度泛函理论，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

16、念来进行计算，大大化了程序，减少了计算量。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，如NDDO(忽略双原子微分重叠)，CNDO(全略微分重叠)，INDO(间略微分重叠)等，并采用高斯函数解决了哈特里-福克-罗特汉方程计算的键障碍，做出了量子化学计算软件包Gaussian-70到Gaussian-98。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。,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.

17、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。,配位场理论(LFT)：1952年，欧格尔(L.E.Orgel)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

18、共价键分轨道的综合结果，建立了配位场理论(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。这是20世纪化学的一个重大突破,化学大家族的构成,化学发展至今，从波义耳时代算起已有近400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。二级学科以下还可细分为三级学科。如电化学是

19、物理化学的分支学科等。,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。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：(1)固体化学及功能材料(2)配位化学及分子材料和器件(3)生物无机化学(4)团簇及原子簇化学(5)无机纳米材料及器件(6)稀土化学及功能材料(7)核化学和放射化学(8)物理无机化学等。,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“碳的化学”。1806年，贝采里乌斯(J.J.Berzelius,1779-1848,瑞典)把成分元素很少，主要是由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化合物

20、，只能由生命力来完成(生命力论)，人工合成是可能的。他最早提倡把有机化合物的研究领域称为有机化学。1828年，维勒(F.Whler,1800-1882)首次用无机物合成了有机物尿素，打破了无机和有机界的绝对界限，动摇了所谓的“生命力论”，开辟了有机合成的新领域。1830年，李比希(J.F.von Liebig,1803-1873,德国）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(F.A.KeKule,1829-1896,德国)率先将原子价理论应用于解释有机化合物

21、的结构，提出碳四价的观点和碳链学说。1861年，凯库勒编写“有机化学教程”一书，将有机化学定义为“碳化合物的化学”。1865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。,当前有机化学的主要研究领域：(1)有机合成化学(2)金属有机化学和有机催化(3)天然产物有机化学(4)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)生物有机化学等,分析化学 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。结构分析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析方法

22、称为化学分析法，是分析化学的基础；利用特定仪器并以物的物理化学性质为基础的分析方法称为仪器分析法。现代分析化学正向快速、准确、灵敏、微量、微区、表面、自动化等方向发展(real time,in situ,in vivo)。主要内容包括：(1)光谱分析；(2)电化学分析；(3)色谱分析(4)质谱分析；(5)核磁共振；(6)表面分析(7)放射化学分析;(8)单分子(原子)检测；(9)生化分析等,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

23、规律、化学过程机理及其控制的研究。主要内容包括：(1)化学热力学(2)化学动力学(3)结构化学(4)量子化学(5)电化学(6)催化化学(7)胶体化学（8）单分子科学等,物理化学三剑客,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(1834)、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，奥斯特瓦尔德创办物理化学杂志(Zeitschrift fr physikalische Chemie)，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“物理化学三剑客”。,高分子化学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

24、为高分子材料的成型及应用。主要内容包括：(1)高分子合成化学(2)高分子物理(3)功能高分子及器件(4)高分子加工与成型(5)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,三大高分子合成材料合成橡胶、合成塑料、合成纤维1912-1926年间，德国化学家施陶丁格(H.Staudinger,1881-1965）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合而成。为了证实“高分子理论”，1927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，奠定了高分子合成工业蓬勃发展的理论基础。第一种人

25、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，1910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。1935年，美国化学家卡罗瑟斯(W.H.Carothers,1896-1937,DuPont)用己二胺己二酸反应，制得聚酰胺纤维，取名“Nylon”，并于1938年实现工业化生产。1940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原料，合成了聚酯纤维(涤纶)。,化学工程化学通过化学工程产生巨大的工业价值和经济

26、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，是化学工程所要研究的全部过程。主要内容包括：(1)化工过程的多尺度效应(2)化学反应-催化-反应器(3)非传统反应工程(4)生化反应工程(5)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,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：(1)生物化学(2)材料化学(3)放射化学(4)应用化学(5)激光化学(6)地质化学(7)环境化学(8)计算化学(9)能源化学(10)绿色化学(11)化学信息学(12)纳米化学(13)化学生物学,化学的机会与挑战,当前化学发展的总趋势宏观微观(纳米化学、

27、单分子化学)静态动态(飞秒化学)定性定量(超微量分析)体相表相(表面、界面分析技术，SPM技术等)描述理论分子器件 等当前化学的主要任务和发展动向开发最佳的化学过程(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发展分析测试新方法,化学研究的六个发展趋势1、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(2)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(绿色化学、环境化学、能源化学)2、理论和实验更加密切结合3、更加重视尺度效应(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5、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

28、究,化学的四大难题化学的第一根本规律化学反应理论和定律化学的第二根本规律结构和性能的定量关系纳米尺度的基本规律活分子演化的基本规律,“普通化学”课程内容安排,第一章绪论(1学时)第二章气体(1学时)第三章液体(1学时)第四章 水、溶液和胶体(3学时)第五章 化学热力学基础与化学平衡(4学时)第六章化学反应速率与化学动力学的初步概念(3学时)第七章酸碱平衡(5学时)第八章沉淀溶解平衡(2学时)第九章 氧化还原及电化学基础(6学时)第十章原子结构与元素周期表(5学时)第十一章化学键、分子和晶体结构(9学时)第十二章配位化合物(4学时)第十三章s区元素(1学时)第十四章p区元素(一)(3学时)第十五

29、章p区元素(二)(3学时)第十六章 d区元素(2学时)第十七章 f区元素(1学时),如何学好普通化学1）注重理解基本概念、基本理论。2）学会自学 积极预习，及时复习。积极思考，带着问题学习。3）积极实践 做题练习。4）处理好博与精的关系，处理好教材与参考书的关系。5）制作思维导图。,使用教材 普通化学原理(第三版),华彤文、陈景祖、严洪杰、王颖霞、卞江、李彦著，北京大学出版社，2005.参考教材(1)General Chemistry-Principles and Modern Applications,8th Ed.,P.H.Pettrucci,W.S.Harwood,F.G.Herring,Prentice Hall,2002.(2)Chemistry-The Central Science,8th Ed.,T.L.Brown,H.E.LeMay,Jr.,B.E.Bursten,2002,联系方式：张小岗:62516958,62514513(office)邮件地址：zhang_,