近代化学的突破和化学发展的前沿科普ppt课件

古代和近代古代和近代化学史掠影化学史掠影1.我国有了青铜器；春秋晚期能炼铁；战国晚期能炼钢；唐代；有了火药。2.十八世纪七十年代，瑞典化学家舍勒和英国化学家普利斯里分别发现并制得了氧气；法国化学家锡最早用天平和为研究化学的工具，并推翻了燃素学说；英国化学家卡文迪许。雷利等陆续从空气中发现了惰性气体。3.1748年俄国化学家罗蒙诺索夫建立了质量守恒定律。4.1808年英国科学家道尔顿提出了近代原子学说。5.1811年意大利科学家阿佛加德罗提出了分子的概念。6.二十世纪奥地利和德国物理学家泡利。洪特分别提出了核外电子排布的“泡利不相容原理”、“洪特规则”。7.1869年俄国化学家门捷列夫发现了元素周期律。8.十九世纪荷兰物理学家范德华首先研究了分子间作用力。9.1888年法国化学家勒沙特列提出了化学平衡移动原理。10.十九世纪英国物理学家丁达尔和植物学家布朗分别提出了胶体的“丁达尔现象”、“布朗运动”。11.1828年；德国化学家维勒第一次证明有机物可用普通的无机物制得。12.1890年德国化学家凯库蔓提出了苯分子的结构式。1911年英国的卢瑟福提出原子核模型（1908年因其在研究元素核衰变和原子结构上的成就荣获诺贝尔化学奖）1962年加拿大的巴特来合成了第一个惰气化合物（XePtF6）中国化学史上的中国化学史上的“世界第一世界第一”v公元前100年中国发明造纸术。公元105年东汉蔡伦总结并推广了纸技术，而欧洲人还在用羊皮抄书呢！v公元700800年唐朝孙思邈在伏硫磺法中归早记载了黑火药的三组分（硝酸钾、硫磺和木炭）。火药于13 世纪传入阿拉伯，14世纪才传入欧洲。v公元前200后400年中国炼丹术兴起。魏伯阳的周易参同契和葛洪的抱扑子记录了汞、铅、金、硫等元素和数十药物的性状与配制。公元750年中国炼丹太传入阿拉伯。v公元800年唐朝茅华是世界上第一们发现氧气的人。他比英国的普利斯特里（1774年）和瑞典的舍勒（1773年）氧气约早1000年。v我国是“纤维之王”蚕丝的故乡。公元前2000年 中国己经养蚕。公元200年养蚕技术传入日本。v公元前600年中国已掌握冶铁技术，比欧洲早1900多年。公元前200年，中国炼出了球墨铸铁，比英美领先2000年。v1000多年前中国就能炼锌，早于欧洲400年。v公元前2000年中国已会熔铸红铜。公元前1700年中国已开始冶铸青铜。公元900多年我国的胆水浸铜法是世界上最早的湿法冶金技术（置换法）。v1700多年前，中国已能炼铅及铜铅合金。v公元前80006000年中国已制造陶器。公元200年中国比较成熟地掌握了制瓷技术。v3000多年前我国已利用天然染料染色。我国是世界上最早发现漆料和制作漆器的国家，约有7000年历史。v公元前40003000年中国已会酿造酒。公元前1000年我国已掌握制曲技术，比欧洲的“淀粉发酵法”制造酒精早2000多年。v3000多年前，我们祖先发现石油。古书载“泽中有火”即指地下流出石油溢到水面而燃烧。宋朝沈括 所著梦溪笔谈第一次记载石油的用途，并预言：“此物必大行于世”。v世界上最早开发和利用天然气的是中国的四川省邛和陕西省鸿门两地。v我国祖先很早开始使用木炭和石炭（又叫黑炭，即煤），而欧洲人16世纪才开始利用煤。v1939年，中国化工专家侯德榜提出“联合制碱法”，1939年侯德榜完成了世界上第一部纯碱工业专著制碱。v1965年，我国在世界 上第一个用人工的方法合成活性蛋白质结晶牛胰岛素。(由于署名原因，诺贝尔化学奖与国人擦肩而过)v七十年代，中国独创无氰电镀新工艺取代有毒的氰法电镀，是世界电镀史上的创举。v1977年我国在山东发现了迄今为止的世界上最大的金刚石常林钻石。v全世界海盐产量5000万吨，其中我国生产1300多万吨，居世界第一。早在3000多年前，我国就采用海水煮盐了，是世界上制 盐最早的国家。v世界上已知的140多种有用矿，我国都有。是世界上冶炼矿产最早的国家。二十世纪化学的回顾诺贝尔化学奖情况v从1901年到1999年总计91届，因战争等原因停发8次v学科交叉性很强，有许多非化学家获得化学奖，同时也有许多化学家获得其它奖v年龄最大者83岁，最小的35岁，平均55.5岁，研究成果或者重大发现通常在授奖之前1020年做出的v有机32项，物化26项，无机14项，生化11项，分析6项，高分子4项化学基础研究的五大突破v放射性和铀裂变1g铀裂变能量铀裂变能量=2.5t标准煤燃烧标准煤燃烧1903年居里夫妇获Nobel物理奖（打开了原子物理学的大门）1911年居里夫人获得Nobel化学奖（发现钋、镭）1908年卢瑟福（英）获Nobel化学奖（元素嬗变和放射性物质的化学研究）1935年约里奥-居里夫妇获得Nobel化学奖（发现人工放射元素）1938年费米（意）获得Nobel物理奖（创造新元素）1944年哈恩（德）获得Nobel化学奖（发现重核裂变）两门学科相互推动才有了突飞猛进的发展，放射性的发现才有了原子物理学以致量子力学和整个微观世界的研究，物理学关于原子结构和量子论的理论研究才使得化学开始真正成为一门现代意义上的科学，而不单纯是实验室的工作。物理学研究原子结构而化学研究原子的组合，是整个二十世纪科学史的主流。化学基础研究的五大突破v化学键和现代量子化学理论1954年鲍林（美）获的Nobel化学奖（化学键本质研究和利用化学键理论阐明物质结构方面的贡献这项工作对于沃森-克里克发现DNA双螺旋结构至关重要，并开拓了分子生物学的研究；1962年又因支持进步事业积极维护世界和平反对战争获得Nobel和平奖）1966年莫里肯R.S.Mulliken获得Nobel化学奖（用量子力学创立了化学结构的分子轨道理论，阐明了分子的共价键本质和电子结构）1981年福井谦一（日）霍夫曼（美）共享Nobel化学奖（52年提出的前线轨道理论，分子轨道对称守恒原理2004年另一位日本科学家因为在高分辨质谱研究生物大分子结构方面的贡献获奖，其工作开创于六十年代，几乎没有发表文章）1988年科恩（美）波普尔（英）共享Nobel化学奖（量子化学领域）由于这些化学理论的发展使人们能够真正开始分子设计去创造新的功能分子（如药物和新材料的设计、性质预测等）化学基础研究的五大突破v创造新分子新结构合成化学1912年格林尼亚（V.Grignard）获的Nobel化学奖（发明格氏试剂从而开创了有机金属在各种官能团反应的新领域）1928年A.Windaus合成甾体类生物分子获奖1937年W.N.Haworth合成抗坏血栓Vc获奖1947年R.Robinson合成生物碱类分子获奖1950年狄尔斯-阿尔德获得Nobel化学奖（1928年发现的Diels-Alder双烯合成反应）1955年Vodu Vigneand合成多肽类分子获奖1963年德国的齐格勒和意大利的纳塔分享Nobel化学奖（Ziegler-Natta催化剂用于有机金属催化烯烃定向聚合，实现了乙烯的常压聚合和丙烯的定向有规聚合）1965年R.B.Woodward合成了奎宁、可的松、叶绿素、胆固醇等一系列生物分子而获奖1973年英国G.Wilkinson和德国E.O.Fischer合成了用作高分子合成催化剂的茂金属化合物对金属有机化学和配位化学的贡献获奖1979年H.C.Brown（美）和G.Wittig（德）因分别发展了硼有机化合物和Wittig反应共享Nobel化学奖1984年R.B Merrifield发明固相多肽合成法对有机合成方法学的贡献获奖1990年E.J.Corey（哈佛大学）提出了“逆合成分析法”促进了有机合成化学的快速发展而获奖化学基础研究的五大突破v高分子科学和材料1953年德国H.Staudinger因在高分子化学领域的开创性工作获奖（1920年提出高分子概念，创立聚合物分子结构学说，并随后发展了很多内容，但未被承认和重视，随着三大合成高分子材料的生产应用的发展，33年后才得到承认）1963年德国的齐格勒和意大利的纳塔分享Nobel化学奖（Ziegler-Natta催化剂用于有机金属催化烯烃定向聚合，实现了乙烯的常压聚合和丙烯的定向有规聚合）1974年Flory在研究高分子性质方面的卓越成就，为发展高分子理论作出的巨大贡献而获奖化学基础研究的五大突破v化学动力学与分子反应动态学1956年前苏联化学家谢苗诺夫N.Semenov和英国S.Hinchelwood在化学反应机理、反应速度和链式反应的贡献获奖1967年德国埃根Eigen用驰豫法研究快速反应，英国G.Porter和 R.G.W.Norrish用闪光分解法研究快速反应动力学分享奖项 1986年李远哲、Herschach和J.G.Polany发展交叉分子束技术、红外线化学发光法对微观反应动力学的研究获奖1999年Zewail用飞秒激光技术研究超快化学反应过程和过渡态而获奖在化学基础研究推动下的在化学基础研究推动下的化学工业的发展化学工业的发展vv石油化工；石油化工；催化剂使石油裂化重整成为现实并大量生产各种产品（依据馏分的催化剂使石油裂化重整成为现实并大量生产各种产品（依据馏分的成分和沸点不同命名为石油气、石油醚、汽油、溶剂油、航空煤油、成分和沸点不同命名为石油气、石油醚、汽油、溶剂油、航空煤油、煤油、柴油、重油煤油、柴油、重油-沥青）沥青）vv三大合成材料三大合成材料；CarothersCarothers发明了世界上第一个合成纤维尼龙发明了世界上第一个合成纤维尼龙-66-66，J.A.NieuwlandJ.A.Nieuwland和和R.T.CollinsR.T.Collins发明了世界上第一个合成橡胶氯丁橡胶，美国杜邦公发明了世界上第一个合成橡胶氯丁橡胶，美国杜邦公司首先使其工业化司首先使其工业化vv合成氨工业；合成氨工业；19091909年德国化学家年德国化学家F.HaberF.Haber实现了合成氨并在实现了合成氨并在19181918年获得年获得NObelNObel化化学奖，德国学奖，德国BASFBASF公司实现了工业化公司实现了工业化BoshBosh领导的科研小组改进了领导的科研小组改进了HaberHaber的方法获得的方法获得19311931年的年的NobelNobel化学奖化学奖vv医药工业；医药工业；19321932年德国科学家内科医生年德国科学家内科医生G.DomagkG.Domagk发现磺胺类药物有抗细菌感发现磺胺类药物有抗细菌感染的能力，并获得染的能力，并获得19391939年年NobelNobel生理及医药奖，并由此引起化学合生理及医药奖，并由此引起化学合成药物的热潮成药物的热潮二十一世纪化学的展望学科交叉与热点研究领域v生命科学1953年Nature杂志发表了Watson-Crick用X-ray结构分析确定的DNA双螺旋分子模型，1962年荣获Nobel生理及医药奖。1963年完成了完整的密码子表（核酸碱基序列决定细胞功能的蛋白质）使生命科学有了真正的发展。需要化学家研究的领域：1.发现并研究新的生物活性分子2.DNA序列虽然测定已经解决，人类基因组（Human Genome Project，HGP）计划也已经完成，但其功能和作用还几乎属于空白3.酶结构和催化功能的关系研究4.通过化学方法合成生物活性分子并模拟生命过程和生命体系的合成学科交叉与热点研究领域v材料科学没有化学就没有材料科学，是化学与物理的完美结合没有化学就没有材料，尤其就没有新的功能材料美国科学家A F Heeger，A G Macdiarmid和日本科学家H Shirakawa因为发现聚乙炔（Polyacetylene）的导电性而获得2000年诺贝尔化学奖，此后又合成了一系列导电高分子材料（结构见下图）其他如液晶电视（被动显像）、电致发光显示屏（主动显像）、光纤、锂电池、镍氢电池、压电陶瓷等等学科交叉与热点研究领域v环境化学1995年Nobel化学奖授予M.Molina（墨西哥）、S.Rowland（美）、P.Gutzen（荷兰），因为他们提出了平流层臭氧破坏的化学机制。并且直接导致了南极臭氧洞的发现和蒙特利尔议定书的签订环境分析化学。没有分析化学家就没有现代的环境科学大气环境化学水环境化学土壤环境化学元素化学循环化学污染控制环境计算化学学科交叉与热点研究领域v绿色化学污染和废弃物大都来自化学并且极为迅速的消耗不可再生资源Green Chemistry的核心就是要利用化学原理从源头消除污染。绿色化学是指化学反应和过程以“原子经济性”为基本原则，即在获得新物质的化学反应中充分利用参与反应的每个原料原子实现“零排放”。改造或创新化学反应过程，能源和洁净煤化学技术，资源再生和循环利用，综合利用的绿色化学生化工程例如：PS聚苯乙烯泡沫生产中用二氧化碳代替氟氯烃、煤电厂采用等离子除硫技术防止二氧化硫排放产生酸雨，等等。学科交叉与热点研究领域v能源化学氢能源利用催化剂或微生物光分解水，已经在实验室中实现但是尚不能工业化燃料电池正负电极采用惰性多孔材料制成，贮存氧气和可燃性气体，通过化学反应直接将化学能转变成电能，其效率可达到80%，实验室样品已经问世生物质能源太阳能电池学科交叉与热点研究领域v计算化学量子化学数学化学（含化学计量学、拓扑结构等）药物设计与对接分子设计与分子模拟学科交叉与热点研究领域v纳米化学制备技术功能开发学科交叉与热点研究领域v手性药物和手性技术实例1.反应停（孕妇镇静剂）R构型无镇静作用却有强烈的致畸性；2.乙胺丁醇（抗结核药物）SS构型有效RR构型导致失明；3.氯霉素RR构型抗菌性SS构型几乎无活性；4.心得安（普萘洛尔，心脏病药物）S构型活性R构型抑制性欲；5.萘必洛尔（+）构型治疗高血压（-）构型导致血管舒张；6.酮基布洛芬S构型抗炎R构型防治牙周病1992年FDA规定必须说明对映体的情况。目前药物80%是手性的，60%是单一对映体的。由于药物市场的推动，使得手性合成和手性拆分得到巨大发展v世界药物市场年销售额4000亿美元，国内大部分药物都是仿制药，自行设计和开发的新药只有100余种。在各行业中属于朝阳产业。国外开发一个新药平均需要投入2亿美元，10年时间。v化学为人类进步提供了物质基础，对于许多学科分支的发展起了带头作用，但是其地位和作用一直受到忽视。v没有物理学的完美，没有生物学的神秘，原来是零散的、实验的、经验的和运气的，后来的理论化也是借助于物理学的，现在又被先进仪器和计算机化。v因此合成和分析两大化学手段被认为不是科学而是技术。而在技术领域又实际上被认为是科学，因为化学的研究成果转化为实际产品得到应用，还需要大量的开发性工作。所以化学处在了一个很尴尬的地位。v实际上，没有化学背景的人从事其他相关领域的研究，感觉非常吃力，高度很难冲上去。v21世纪的化学科学在材料、信息、生命和能源四大领域仍能发挥基础作用。v特别是功能材料和分子器件必须有雄厚的化学基础。v但是化学学科始终与其他学科相隔一层无形之物（类似于玻璃）看得见、过不去、连不起。v主要表现在一些基本上还算空白的领域：超分子、生物大分子、分子聚集体、微米亚微米结构、自组装、自聚集、与微环境系统的相互作用、极快和极慢反应过程、生物活性和生物矿化过程等v这些领域虽然已经被化学家和其他相关领域的专家所认识，并且有一些世界顶级的研究小组在从事相关研究，甚至有些人已经因此获得了Nobel奖，但实在是太肤浅，还没有形成体系。发展趋势和主要问题举例v新世纪化学科学发展战略化学界目前存在的困惑v化学为人类进步提供了物质基础，对于许多学科分支的发展起了带头作用，但是其地位和作用一直受到忽视。v没有物理学的完美，没有生物学的神秘，原来是零散的、实验的、经验的和运气的，后来的理论化也是借助于物理学的，现在又被先进仪器和计算机化。v因此合成和分析两大化学手段被认为不是科学而是技术。而在技术领域又实际上被认为是科学，因为化学的研究成果转化为实际产品得到应用，还需要大量的开发性工作。所以化学处在了一个很尴尬的地位。发展趋势和主要问题举例v新世纪化学科学发展战略化学学科发展与化学分支学科重组的思考v传统划分方法：无机、分析、有机、物化、高分子v整体化多层次的特性、交叉重组的趋势v新的二级学科：合成化学：合成方法学、手性合成、模版合成等分离化学：萃取化学、离子交换、色层分离等分析化学：电分析、光和波谱分析、化学计量学、在线原位分析等物理化学：化学热力学、结构、催化、表面/界面化学、超临界等理论化学：计算化学、量子化学、化学统计学、非线性化学等v化学的最新定义：化学是主要研究从原子、分子片、分子、超分子到原子和分子的各种不同尺度和不同复杂程度的聚集态和组装态的合成和反应、分离和分析、结构和形态、物理性能和生物活性及其规律和应用的自然科学。发展趋势和主要问题举例v新世纪化学科学发展战略原始创新是化学学科发展的灵魂v基础研究是人类文明进步的动力，是科技与经济发展的源泉和后盾，是新技术新发明的先导，也是培养人才的摇篮。v基础研究的核心在于创新，而创新就要允许失败v原始创新是科研的灵魂，而创新又不可能脱离原有研究基础，同时也有不同的模式和水平。v真正的创新是很难的，1/3000，模仿+改造v我国一位古代诗人说过“诗有四种高妙。一曰理高妙，二曰意高妙，三曰想高妙，四曰自然高妙。碍而实通，曰理高妙；出自意外，曰意高妙；写出幽微，如清澈见底，曰想高妙；非齐非怪，剥落文采，知其妙而不知其所以妙，曰自然高妙”发展趋势和主要问题举例v新世纪化学科学发展战略21世纪化学学科发展的方向1.寻求结构多样性的研究与功能研究结合2.加强复杂化学体系的研究3.重视化学信息学和高效计算机信息处理在化学中的应用4.新实验方法的建立和方法学研究5.跟踪、分析、模拟化学反应过程发展趋势和主要问题举例v21世纪的化学是研究泛分子的科学 北京大学徐光宪院士发表在中国科学基金2002年第2期上的文章（略有改动）一门科学的定义至少有三个属性1.整体性和局部性2.发展性3.定义的多维性v21世纪化学的定义和内涵1.化学的一维定义可分为十个层次：原子、分子片、结构单元、分子、超分子、高分子、生物分子、纳米分子和纳米聚集体、原子和分子的宏观聚集体、复杂分子体系及其组装体层次发展趋势和主要问题举例v21世纪化学的定义和内涵1.化学的一维定义可分为十个层次：原子、分子片、结构单元、分子、超分子、高分子、生物分子、纳米分子和纳米聚集体、原子和分子的宏观聚集体、复杂分子体系及其组装体层次2.化学的二维定义化学是研究X对象的Y内容的科学3.化学的三维定义化学是用Z方法研究X对象的Y内容的科学4.化学的四维定义化学是用Z方法研究X对象的Y内容以达到W目的的科学发展趋势和主要问题举例v21世纪化学研究的六大趋势1.更加重视国家目标，更加重视不同学科之间的交叉融合2.理论和实验更加紧密结合3.在研究方法和手段上，更加重视尺度效应4.合成化学的新方法层出不穷5.分析化学已发展成为分析科学发展趋势和主要问题举例v21世纪化学的四大难题1.化学的第一根本定律化学反应理论和定律2.化学的第二根本定律结构和性能的定量关系3.纳米尺度的基本规律4.活化分子运动的基本规律发展趋势和主要问题举例v20世纪化学的四大盲点1.无机化学中共价键概念被忽视2.化学文献和数据的积累非常迅速，但利用这一文献宝库来总结规律的工作相对滞后3.分子周期律发展趋势和主要问题举例v21世纪化学的11个突破口1.新的合成方法学2.纳米化学、耐米材料和分子器件，纳米表面化学、高效纳米催化剂设计合成及应用3.稀土化学4.能源科学中的化学问题5.生命和医药科学中的化学问题6.生态环境科学中的化学问题7.信息科学中的化学问题8.分析化学的十化“微型与芯片化、仿生化、在线化、实时化、原位化、在体化、智能与信息化、高灵敏化、高选择性化、单原子化和单分子化”9.化工化学复杂体系中的多层次、多尺度效应及其规律和方法学研究10.理论化学和计算化学的基础及应用研究11.化学信息学发展趋势和主要问题举例v分析科学20世纪80年代，曼彻斯特大学和利物浦大学首先提出了“分析科学”的概念。由于计算机科学和其他学科的引入使得分析化学取得了质的飞跃，并且在生命、环境、材料科学中的重要性日益加强。新的原理和方法、仪器制造和改进、应用领域及其重要性的扩大使得分析化学脱离化学二级学科的地位成为一门独立的“分析科学”。准确度和灵敏度的提高、更好的精密度和选择性、更低的基体干扰和检测限这些目标的追求已达到极限。必须建立新的检测原理、改进相关的仪器和技术。目前虽然已经报道实现了单原子/单分子检测，但是距离实用化还非常遥远。主要研究方向：1.微全分析系统2.生物芯片（真正做到原位In-situ、活体In-vivo、实时Real-time检测，要比目前实现的在线On-line困难的多，其应用范围也更大）3.传感器（如遥测特殊环境）4.计算机技术在分析科学中应用发展趋势和主要问题举例v合成化学化学的三个基本武器：1.用分析手段测定物质的组成和结构2.用合成手段制造物质3.用对于化学过程的认识去控制化学过程v合成化学家过分的孤芳自赏、注重高超的合成技巧、追求复杂分子结构的细节，而很少顾及其他学科，最终使得自己陷于孤立。v学科的交叉融合越来越模糊了界限，形成了大科学模式，必须走出纯化学的模式才能有生存的空间，努力去迎接其他学科对化学提出的挑战，才能重塑化学的地位和形象。v主要方向：1.定向合成和高选择性合成方法学的研究2.绿色合成（原子经济性、环境友好性）3.极端条件和温和条件下的合成4.具有特定功能、特殊结构的分子的合成和分子聚集体的组装5.基础理论和计算机应用发展趋势和主要问题举例v化工过程中的多尺度效应见下图化学关注原子/分子层次上的相互转化以及热力学/动力学上的可行性，但对工厂要真正实现物质转化得到符合人们要求的产品却复杂的多。化工过程的现象和过程都是非均匀的、非线性的、多尺度的。许多复杂现象发生在若干个主要的特征尺度上，对过程起控制作用的各种机制也只在某些特征尺度上发生作用。简略的可以分为四个过程和六个尺度，分别研究其内在规律；多尺度系统的突出特征是存在结构、尺度的变化，意味着结构的变化，从而引起行为过程的剧变，这是放大效应的内在机制。解决放大效应的前沿方向是利用当代非线性科学的知识进行多尺度分析。其他前沿发展方向1.化学反应-催化剂-反应器，2.非传统反应工程（超临界反应工程、反应-分离过程集成、人为非定态反应工程）、3.生化反应工程、4.绿色化学工程过程/尺度分子微米/纳米单元（颗粒、液滴、气泡）聚团设备工厂反应微观反应微孔微隙中的反应单颗粒反应动力学非均匀结构中的反应提高转化率和选择性分相分子碰撞、涨落、成核团、簇气泡、液滴、颗粒的形成团聚和合并过程多态行为和突变产品分离传递分子碰撞微孔微隙中的物质交换单元与周围物质的交换非均匀结构中的传递返混、扩散、分级热质转移流动小尺度流动线流局部非均匀结构径向和轴向非均匀分布物料传递