化学

 
化学:盐酸同氨发生化学反应生成氯化铵
化学:盐酸同氨发生化学反应生成氯化铵
 化学(英语:Chemistry),研究物质的组成、结构、性质及其变化规律和其应用、制备,以及物质间相互作用关系的科学。化学研究的对象涉及物质之间的相互关系,物质和能量之间的关联。传统的化学常常都是关于两种物质接触、变化,即化学反应,或者是一种物质变成另一种物质的过程。这些变化有时会需要使用电磁波,有时化学都不一定要关于物质之间的反应。  “化学”一词,若单从字面解释就是“变化的科学”之意。化学如同物理学皆为自然科学的基础科学。很多人称化学为“中心科学”(Central science),因为化学为部分科学学门的核心,如材料科学纳米科技、生物化学等。研究化学的学者称为化学家。在化学家的概念中一切物质都是由原子或比原子更细小的物质组成,如电子中子质子。一堆原子结合以后可以成为各种其他物质,如分子离子或者晶体。  当代化学已发展出许多不同的学科,通常每一位化学家只专精于其中一、两门。在中学课程中的化学,化学家称为“普通化学”(General Chemistry)。普通化学是化学的导论。普通化学课程提供初学者入门简单的概念,相较于专业学科领域而言,并不甚深入和精确,但普通化学提供化学家直观、图像化的思维方式。即使是专业化学家,仍用这些简单概念来解释和思考一些复杂的知识。

名称及来历

化学实验
化学实验
  “化学”一词最早出现在1857年墨海书馆出版的期刊《六合丛谈》。伟烈亚力提及王韬在其日记中记载了从戴德生处听闻的“化学”一词。[1][2]  一般公认中文中的“化学”一词是徐寿翻译英国人的书《化学鉴原》一书时发明的。  “化学”一词被介绍到日本,取代了原先日语中的译法“舍密”。  英语中的“化学”(chemistry)一字的语源有多种说法。一种说法认为是由“炼金术”(alchemy)得名的。英语中“alchemy”一词源于古法语的“alkemie”和阿拉伯语的“al-kimia”,意为“形态变化的学问”(the art of transformation)。阿拉伯语中的“kimia”一字则源于希腊语。另一种说法认为英语中的“chemistry”一字源自埃及语中的“kēme”一字,意思是“土”(earth)。

化学的萌芽

  古时候,原始人类为了他们的生存,在与自然界的种种灾难进行抗争中,发现和利用了火。原始人类从用火之时开始,由野蛮进入文明,同时也就开始了用化学方法认识和改造天然物质。燃烧就是一种化学现象。(火的发现和利用,改善了人类生存的条件,并使人类变得聪明而强大。)掌握了火以后,人类开始食用熟食;继而人类又陆续发现了一些物质的变化,如发现在翠绿色的孔雀石等铜矿石上面燃烧炭火,会有红色的铜生成。这样,人类在逐步了解和利用这些物质的变化的过程中,制得了对人类具有使用价值的产品。人类逐步学会了制陶、冶炼;以后又懂得了酿造、染色等等。这些有天然物质加工改造而成的制品,成为古代文明的标志。在这些生产实践的基础上,萌发了古代化学知识。  古人曾根据物质的某些性质对物质进行分类,并企图追溯其本原及其变化规律。公元前4世纪或更早,中国提出了阴阳五行学说,认为万物是由金、木、水、火、土五种基本物质组合而成的,而五行则是由阴阳二气相互作用而成的。此说法是朴素的唯物主义自然观,用“阴阳”这个概念来解释自然界两种对立和相互消长的物质势力,认为二者的相互作用是一切自然现象变化的根源。此说为中国炼丹术的理论基础之一。  公元前4世纪,希腊也提出了与五行学说类似的火、风、土、水四元素说和古代原子论。这些朴素的元素思想,即为物质结构及其变化理论的萌芽。后来在中国出现了炼丹术,到了公元前2世纪的秦汉时代,炼丹术以颇为盛行,大致在公元7世纪传到阿拉伯国家,与古希腊哲学相融合而形成阿拉伯炼丹术,阿拉伯炼金术于中世纪传入欧洲,形成欧洲炼金术,后逐步演进为近代的化学。  炼丹术的指导思想是深信物质能转化,试图在炼丹炉中人工合成金银或修炼长生不老之药。他们有目的的将各类物质搭配烧炼,进行实验。为此涉及了研究物质变化用的各类器皿,如升华器、蒸馏器、研钵等,也创造了各种实验方法,如研磨、混合、溶解、洁净、灼烧、熔融、升华、密封等。  与此同时,进一步分类研究了各种物质的性质,特别是相互反应的性能。这些都为近代化学的产生奠定了基础,许多器具和方法经过改进后,仍然在今天的化学实验中沿用。炼丹家在实验过程中发明了火药,发现了若干元素,制成了某些合金,还制出和提纯了许多化合物,这些成果我们至今仍在利用。

化学的中兴

 
化学实验仪器
化学实验仪器
 16世纪开始,欧洲工业生产蓬勃兴起,推动了医药化学和冶金化学的创立和发展,使炼金术转向生活和实际应用,继而更加注意物质化学变化本身的研究。在元素的科学概念建立后,通过对燃烧现象的精密实验研究,建立了科学的氧化理论和质量守恒定律,随后又建立了定比定律、倍比定律和化合量定律,为化学进一步科学的发展奠定了基础。  19世纪初,建立了近代原子论,突出地强调了各种元素的原子的质量为其最基本的特征,其中量的概念的引入,是与古代原子论的一个主要区别。近代原子论使当时的化学知识和理论得到了合理的解释,成为说明化学现象的统一理论。分子假说提出了,建立了原子分子学说,为物质结构的研究奠定了基础。门捷列夫发现元素周期律后,不仅初步形成了无机化学的体系,并且与原子分子学说一起形成化学理论体系。  通过对矿物的分析,发现了许多新元素,加上对原子分子学说的实验验证,经典性的化学分析方法也有了自己的体系。草酸和尿素的合成、原子价概念的产生、苯的六环结构和碳价键四面体等学说的创立、酒石酸拆分成旋光异构体,以及分子的不对称性等等的发现,导致有机化学结构理论的建立,使人们对分子本质的认识更加深入,并奠定了有机化学的基础。  19世纪下半叶,热力学等物理学理论以入化学之后,不仅澄清了化学平衡和反应速率的概念,而且可以定量地判断化学反应中物质转化的方向和条件。相继建立了溶液理论、电离理论、电化学和化学动力学的理论基础。物理化学的诞生,把化学从理论上提高到一个新的水平。  二十世纪的化学是一门建立在实验基础上的科学,实验与理论一直是化学研究中相互依赖、彼此促进的两个方面。进入20世纪以后,由于受到自然科学其他学科发展的影响,并广泛地应用了当代科学的理论、技术和方法,化学在认识物质的组成、结构、合成和测试等方面都有了长足的进展,而且在理论方面取得了许多重要成果。在无机化学、分析化学、有机化学和物理化学四大分支学科的基础上产生了新的化学分支学科。  近代物理的理论和技术、数学方法及计算机技术在化学中的应用,对现代化学的发展起了很大的推动作用。19世纪末,电子、X射线和放射性的发现为化学在20世纪的重大进展创造了条件。  在结构化学方面,由于电子的发现开始并确立的现代的有核原子模型,不仅丰富和深化了对元素周期表的认识,而且发展了分子理论。应用量子力学研究分子结构,产生了量子化学。  从氢分子结构的研究开始,逐步揭示了化学键的本质,先后创立了价键理论、分子轨道理论和佩位场理论。化学反应理论也随着深入到微观境界。应用X射线作为研究物质结构的新分析手段,可以洞察物质的晶体化学结构。测定化学立体结构的衍射方法,有X射线衍射、电子衍射和中子衍射等方法。其中以X射线衍射法的应用所积累的精密分子立体结构信息最多。  研究物质结构的谱学方法也由可见光谱、紫外光谱、红外光谱扩展到核磁共振谱、电子自选共振谱、光电子能谱、射线共振光谱、穆斯堡尔谱等,与计算机联用后,积累大量物质结构与性能相关的资料,正由经验向理论发展。电子显微镜放大倍数不断提高,人们以可直接观察分子的结构。  经典的元素学说由于放射性的发现而产生深刻的变革。从放射性衰变理论的创立、同位素的发现到人工核反应和核裂变的实现、氘的发现、中子和正电子及其它基本粒子的发现,不仅是人类的认识深入到亚原子层次,而且创立了相应的实验方法和理论;不仅实现了古代炼丹家转变元素的思想,而且改变了人的宇宙观。  作为20世纪的时代标志,人类开始掌握和使用核能。放射化学和核化学等分支学科相继产生,并迅速发展;同位素地质学、同位素宇宙化学等交叉学科接踵诞生。元素周期表扩充了,以有109号元素,并且正在探索超重元素以验证元素“稳定岛假说”。与现代宇宙学相依存的元素起源学说和与演化学说密切相关的核素年龄测定等工作,都在不断补充和更新元素的观念。  在化学反应理论方面,由于对分子结构和化学键的认识的提高,经典的、统计的反应理论以进一步深化,在过渡态理论建立后,逐渐向微观的反应理论发展,用分子轨道理论研究微观的反应机理,并逐渐建立了分子轨道对称守恒定律和前线轨道理论。分子束、激光和等离子技术的应用,使得对不稳定化学物种的检测和研究成为现实,从而化学动力学已有可能从经典的、统计的宏观动力学深入到单个分子或原子水平的微观反应动力学。  计算机技术的发展,使得分子、电子结构和化学反映的量子化学计算、化学统计、化学模式识别,以及大规模术技的处理和综合等方面,都得到较大的进展,有的已经逐步进入化学教育之中。关于催化作用的研究,以提出了各种模型和理论,从无机催化进入有机催化和僧物催化,开始从分子微观结构和尺寸的角度核生物物理有机化学的角度,来研究酶类的作用和酶类的结构与其功能的关系。  分析方法和手段是化学研究的基本方法和手段。一方面,经典的成分和组成分析方法仍在不断改进,分析灵敏度从常量发展到微量、超微量、痕量;另一方面,发展初许多新的分析方法,可深入到进行结构分析,构象测定,同位素测定,各种活泼中间体如自由基、离子基、卡宾、氮宾、卡拜等的直接测定,以及对短寿命亚稳态分子的检测等。分离技术也不断革新,离子交换、膜技术、色谱法等等。  合成各种物质,是化学研究的目的之一。在无机合成方面,首先合成的是氨。氨的合成不仅开创了无机合成工业,而且带动了催化化学,发展了化学热力学和反应动力学。后来相继合成的有红宝石、人造水晶、硼氢化合物、金刚石、半导体、超导材料和二茂铁等配位化合物。  在电子技术、核工业、航天技术等现代工业技术的推动下,各种超纯物质、新型化合物和特殊需要的材料的生产技术都得到了较大发展。稀有气体化合物的合成成功又向化学家提出了新的挑战,需要对零族元素的化学性质重新加以研究。无机化学在与有机化学、生物化学、物理化学等学科相互渗透中产生了有机金属化学、生物无机化学、无机固体化学等新兴学科。  酚醛树脂的合成,开辟了高分子科学领域。20世纪30年代聚酰胺纤维的合成,使高分子的概念得到广泛的确认。后来,高分子的合成、结构和性能研究、应用三方面保持互相配合和促进,使高分子化学得以迅速发展。  各种高分子材料合成和应用,为现代工农业、交通运输、医疗卫生、军事技术,以及人们衣食住行各方面,提供了多种性能优异而成本较低的重要材料,成为现代物质文明的重要标志。高分子工业发展为化学工业的重要支柱。  20世纪是有机合成的黄金时代。化学的分离手段和结构分析方法已经有了很大发展,许多天然有机化合物的结构问题纷纷获得圆满解决,还发现了许多新的重要的有机反应和专一性有机试剂,在此基础上,精细有机合成,特别是在不对称合成方面取得了很大进展。  一方面,合成了各种有特种结构和特种性能的有机化合物;另一方面,合成了从不稳定的自由基到有生物活性的蛋白质、核酸等生命基础物质。有机化学家还合成了有复杂结构的天然有机化合物和有特效的药物。这些成就对促进科学的发展起了巨大的作用;为合成有高度生物活性的物质,并与其他学科协同解决有生命物质的合成问题及解决前生命物质的化学问题等,提供了有利的条件。  20世纪以来,化学发展的趋势可以归纳为:有宏观向微观、有定性向定量、有稳定态向亚稳定态发展,由经验逐渐上升到理论,再用于指导设计和开创新的研究。一方面,为生产和技术部门提供尽可能多的新物质、新材料;另一方面,在与其它自然科学相互渗透的进程中不断产生新学科,并向探索生命科学和宇宙起源的方向发展。

化学的作用

  1.化学在保证人类的生存并不断提高人类的生活质量方面起着重要作用。如:利用化学生产化肥和农药,以增加粮食产量;利用化学合成药物,以抑制细菌和病毒,保障人体健康;利用化学开发新能源、新材料,以改善人类的生存条件;利用化学综合应用自然资源和保护环境以使人类生活得更加美好。  2. 化学是一门是实用的学科,它与数学物理等学科共同成为自然科学迅猛发展的基础。化学的核心知识已经应用于自然科学的各个区域,化学是创造自然,改造自然的强大力量的重要支柱。目前,化学家门运用化学的观点来观察和思考社会问题,用化学的知识来分析和解决社会问题,例如能源问题、粮食问题、环境问题、健康问题、资源与可持续发展等问题。  3.化学与其他学科的交叉与渗透,产生了很多边缘学科,如生物化学、地球化学、宇宙化学、海洋化学、大气化学等等,使得生物、电子、航天、激光、地质、海洋等科学技术迅猛发展。  当今,化学日益渗透到生活的各个方面,特别是与人类社会发展密切相关的重大问题。总之,化学与人类的衣、食、住、行以及能源、信息、材料、国防、环境保护、医药卫生、资源利用、等方面都有密切的联系,它是一门社会迫切需要的实用学科。

当代化学

  当代化学大致分为四大学门,各学门又有许多延伸的子学门和应用化学领域。  四大学门主要为:  物理化学 是从物理角度分析化学原理的化学学门,可谓近代化学的原理根基。物理化学家关注于分子如何形成结构、动态变化、分子光谱的根本原理,以及平衡态等基本问题,涉及热力学、动力学、量子力学、统计力学等重要物理领域。物理化学和化学物理两者差异不大,端看研究者所关注或偏向的层面而定。大体而言,物理化学为四大学门中最讲求数值精确以及理论架构严谨的学门。      分析化学 开发分析物质成分、结构的方法,使化学成分得以定性和定量,化学结构得以确定。分析化学是化学家最基础的训练之一。化学家在实验技术和基础知识上的训练,皆得力于分析化学。当代分析化学着重仪器分析,常用的分析仪器有几大类,包括原子与分子光谱仪,电化学分析仪器,核磁共振,X光,以及质谱仪。      有机化学 研究碳、氢、氧、氮、硫等元素组成的化合物的化学学门。有机化学主要研究有机化合物的合成途径和方法、机构和物理性质。由于有机化学高度的应用性和悠久的发展历史,通常被普罗大众视为当代化学的代名词。有机合成和新反应途径的开发,对于药物,天然物,生物和材料高分子的开发,都是极为重要的一环,对于化学工业有极大的影响。      无机化学 有机化合物以外元素的化学领域,研究化合物的合成途径和方法,机构和物理性质,最常见的分子体系为金属错合物。有机和无机化学领域常有交叠,甚至有密不可分的趋势。有机金属化学就是一门结合有机和无机领域的化学。  其他延展和应用的学门:  理论化学 从物理的理论去解释各种化学现象的学门。  计算化学 由于分子体系的复杂性,分子的反应,动态,结构,经常是无法完全以量子力学做计算的。因此计算化学提供各种简约的计算方法,来预测并辅助实验结果的推断。实用性上已有诺贝尔奖的肯定,如1998年获诺贝尔化学奖的密度泛函方法。  生物化学 生物化学是研究生物体内发生的化学反应和相互作用的学科,被应用于研究细胞中各组分(例如蛋白质,碳水化合物,脂类,核酸以及其他生物分子)的结构和功能。 生物化学被广泛应用于蛋白质各项化学性质的研究,特别是应用于酶促反应的研究。  热化学 是以热力学的观点来研究化学,以焓、熵等状态函数来描述和预言化学物质稳定性和化学反应发生的结果。  电化学 是研究各种因为电推动而发生的化学作用或者会在运作途中产生电力的化学作用的科学学门。生活中常见的各种电池就是电化学的研究成果。  光化学 研究各种化学物质,受到各种频率光线照射之后的化学反应变化。  药物化学 研究化学物质怎样用于药物中,从而改变药物的功效,做出医疗的作用。它其实是几个化学门派,包括有机化学、生物化学、物理化学,及几个不属于化学的科学学门,包括药理学、分子生物学和统计学的结合。  量子化学 用量子力学及其他纯理论手段解释各种化学现象。  核子化学 研究不同的次原子粒子怎样走在一起,形成一个原子核,及研究一个原子核中的物质如何变化。  放射化学 是化学的一个分支,旨在研究那些参与化学反应的物质属于或带有放射性同位素的化学反应的一门学科。例如,采用碘的放射性同位素 125I 标记各种蛋白质或激素,以便利用放射免疫分析技术,检测血清标本之中相应物质的浓度。  天文化学 研究外太空的化学物质,分析它们的成分、结构与地球上的物质有什么不同。  大气化学 是一种对地球大气层及其他星球的大气层的研究。大气化学都会研究环境变化途中发生过什么化学反应,是大气科学的一个重要分支学科。  环境化学 从化学角度研究自然环境中生物的变化。  绿色化学 研究怎样从化学角度减低污染。  资讯化学 用电脑去解决化学上的问题。  地球化学 研究地壳中各种物质的化学特性,解释它们的构造。  石油化学 从化学角度研究石油及天然气的特性及炼油技术。  高分子化学 研究比较大的分子,即是高分子,例如发泡胶怎样造出来和有些什么特性。高分子化学亦会研究怎样令很多分子结合为一粒高分子。  超分子化学 研究共价键以外各种化学键,例如氢键、范德华力 、疏水效应的运作。

化学的学科分类

  化学在发展过程中,依照所研究的分子类别和研究手段、目的、任务的不同,派生出不同层次的许多分支。在20世纪20年代以前,化学传统地分为无机化学、有机化学、物理化学和分析化学四个分支。20年代以后,由于世界经济的高速发展,化学键的电子理论和量子力学的诞生、电子技术和计算机技术的兴起,化学研究在理论上和实验技术上都获得了新的手段,导致这门学科从30年代以来飞跃发展,出现了崭新的面貌。现在把化学内容一般分为生物化学、有机化学、高分子化学、应用化学和化学工程学、物理化学、无机化学等五大类共80项,实际包括了七大分支学科。  根据当今化学学科的发展以及它与天文学、物理学、数学、生物学、医学、地学等学科相互渗透的情况,化学可作如下分类:  无机化学:元素化学、无机合成化学、无机高分子化学、无机固体化学、配位化学(即络合物化学)、同位素化学、生物无机化学、金属有机化学、金属酶化学等  有机化学:普通有机化学、有机合成化学、金属和非金属有机化学、物理有机化学、生物有机化学、有机分析化学。  物理化学:结构化学、热化学、化学热力学、化学动力学、电化学、溶液理论、流体界面化学、量子化学、催化作用及其理论等。  分析化学:化学分析、仪器和新技术分析。  高分子化学:天然高分子化学、高分子合成化学、高分子物理化学、高聚物应用、高分子物力。  核化学:放射性元素化学、放射分析化学、辐射化学、同位素化学、核化学。  生物化学:一般生物化学、酶类、微生物化学、植物化学、免疫化学、发酵和生物工程、食品化学等。  其它与化学有关的边缘学科还有:地球化学、海洋化学、大气化学、环境化学、宇宙化学、星际化学等。

2011年 “国际化学年”

  2008年12月31日 第63届联合国大会通过决议,将2011年定为“国际化学年”(International Year of Chemistry),以纪念化学学科所取得的成就以及对人类文明的贡献。联合国教科文组织及国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)负责主导这一年的纪念活动。  联合国教科文组织指出,化学对于人类认识世界和宇宙来说必不可少。2011年“国际化学年”纪念活动将彰显化学对于知识进步、环境保护和经济发展的重要贡献。  教科文组织总干事松浦晃一郎表示,化学是一门基础学科,在人类面临可持续发展的挑战之际,提高公众对于化学的认识尤其具有重要意义。化学在开发可替代能源、养活全世界日益增多的人口方面将起到主要作用,这一点是毫无疑问的。  国际纯粹与应用化学联合会表示,“国际化学年”将在全球范围内对化学科学起到促进作用。国际化联希望活动能够增加公众对于化学的欣赏和了解,提高年轻人对于科学的兴趣,培养对于化学未来发展的热情。  2011年正值国际纯粹与应用化学联合会的前身国际化学会联盟(IACS)成立100周年,也适逢女科学家居里夫人获得诺贝尔化学奖100周年。  2007年,国际纯粹与应用化学联合会决定支持将2011年定为“国际化学年”的计划。此后,联合国教科文组织建议为此通过一项决议。本周二,第63届联大通过了由埃塞俄比亚提出的这项决议草案。