化學(xué)學(xué)科的發(fā)展、現(xiàn)狀與未來課件

1、24 七月 20221化學(xué)學(xué)科的發(fā)展、現(xiàn)狀與未來1 化學(xué)學(xué)科發(fā)展的簡單回顧 遠(yuǎn)古的化學(xué)實用技術(shù) 如：冶金、火藥、造紙等。 近代化學(xué)基本理論的建立 如：質(zhì)量守恒定律、燃燒學(xué)說、阿佛加德羅定律、原子論、分子論、電離學(xué)說、酸堿理論等。 現(xiàn)代化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論和合成化學(xué) 如：雜化軌道理論（VB法）、分子軌道理論（MO法）、配位場理論、逆合成、手性合成、綠色化學(xué)、組合化學(xué)、分子設(shè)計等。 未來的化學(xué)綜合學(xué)科發(fā)展的科學(xué) 如：深入研究原子組合分子的方法和技巧;研究分子以上層次的現(xiàn)象;與其他學(xué)科滲透、交叉聯(lián)合;科學(xué)技術(shù)生產(chǎn)、必須創(chuàng)新、理論與實驗并駕齊驅(qū)、學(xué)科界限越來越模糊等。21661年 波義耳在其著名論文“懷疑

2、派的化學(xué)家”中提出 “元素”的概念，從而化學(xué)被確定為一門學(xué)科。1803年 道爾頓提出原子論。1811年 阿伏加德羅提出了“分子”的概念。1860年 康尼查羅提出了原子-分子論。1870年 門捷列夫發(fā)現(xiàn)了元素周期律，奠定了化學(xué)學(xué)科的 理論基礎(chǔ)。19世紀(jì)末 化學(xué)的重要分支（二級學(xué)科）分析化學(xué)、無機(jī)化 學(xué)、有機(jī)化學(xué)和物理化學(xué)相繼建立，這種分工大 大推動了化學(xué)研究的深化。20世紀(jì) 量子力學(xué)的誕生，近鄰學(xué)科特別是物理學(xué)、生物學(xué) 和數(shù)學(xué)的發(fā)展，以及各種新的實驗技術(shù)及精密儀 器的發(fā)明和計算機(jī)的出現(xiàn)，使化學(xué)學(xué)科得到迅猛 的發(fā)展。 化學(xué)理論發(fā)展的重要軌跡 31.1 20世紀(jì)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重大突破 (1)放射

3、性和鈾裂變的重大發(fā)現(xiàn) 1903年居里夫婦因發(fā)現(xiàn)了放射性比鈾強(qiáng)400倍的釙，以及放射性比鈾強(qiáng)200多萬倍的鐳為此而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。 1911年為表彰居里夫人在發(fā)現(xiàn)釙和鐳、開拓放射化學(xué)新領(lǐng)域以及發(fā)展放射性元素的應(yīng)用方面的貢獻(xiàn)，居里夫人被授予了諾貝爾化學(xué)獎 1908年盧瑟福因從事關(guān)于元素衰變和放射性物質(zhì)的研究,提出了原子的有核結(jié)構(gòu)模型和放射性元素的衰變理論而獲得了的諾貝爾化學(xué)獎。1935年約里奧-居里夫婦因第一次用人工方法創(chuàng)造出放射性元素而榮獲了的諾貝爾化學(xué)獎。 1938年費米因人工合成了60種新的放射性元素而獲得了的諾貝爾物理學(xué)獎。1944年哈恩因發(fā)現(xiàn)了核裂變現(xiàn)象而獲得了諾貝爾化學(xué)獎.194

4、2年費米領(lǐng)導(dǎo)下成功的建造了第一座原子反應(yīng)堆。1945年美國在日本投下了原子彈。4(2)化學(xué)鍵和現(xiàn)代量子化學(xué)理論的建立 鮑林在化學(xué)鍵本質(zhì)研究和應(yīng)用化學(xué)鍵理論來闡明物質(zhì)結(jié)構(gòu)而獲1945年諾貝爾化學(xué)獎。經(jīng)許多化學(xué)家近半個世紀(jì)的努力，現(xiàn)代量子化學(xué)理論不斷發(fā)展和完善，化學(xué)進(jìn)入實驗和理論計算并重的時代?；瘜W(xué)家們由淺入深，認(rèn)識分子的本質(zhì)及其相互作用的基本原理，從而讓人們進(jìn)入分子的理性設(shè)計的高層次領(lǐng)域。 1.1 20世紀(jì)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重大突破 5(3)創(chuàng)造新物質(zhì)合成化學(xué) 近百年來化學(xué)家(特別是有機(jī)化學(xué)家)已經(jīng)設(shè)計和合成了數(shù)千萬個化合物，幾乎又創(chuàng)造了一個新的自然界；同時還發(fā)現(xiàn)了大量的新反應(yīng)、新試劑、新方法和

5、新理論。1912年格林尼亞因發(fā)明格林尼亞試劑，開創(chuàng)了有機(jī)金屬化合物在各種官能團(tuán)反應(yīng)中的新領(lǐng)域而獲諾貝爾化學(xué)獎。現(xiàn)代有機(jī)合成化學(xué)是經(jīng)過20世紀(jì)近100年的研究、探索發(fā)展到今天已可以合成像海葵毒素(Polytoxin)這樣復(fù)雜的有機(jī)分子(具有64個手性中心的7個骨架內(nèi)雙鍵的分子，存在27121021個異構(gòu)體)。 1.1 20世紀(jì)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重大突破 6?？舅氐姆肿咏Y(jié)構(gòu)分子式為C129H223N3O54 有64個不對稱碳和7個骨架內(nèi)雙鍵, 異構(gòu)體數(shù)目多達(dá)271個有機(jī)合成杰 作1989年美國哈佛大學(xué)Kishi宣布全合成64個手性中心21021個同分異構(gòu)體7 VB12分子結(jié)構(gòu)R.B.Woodwa

6、rd 合成1965年獲Nobel化學(xué)獎有機(jī)合成杰 作8藥物合成抗生素隨即篩選 分子設(shè)計920世紀(jì)合成化學(xué)的輝煌成就10(4)高分子科學(xué)的建立和發(fā)展20世紀(jì)的人類社會文明的標(biāo)志之一是合成材料的出現(xiàn)。1953年H.Staudinger因提出了高分子這個概念，創(chuàng)立了高分子鏈型學(xué)說建立了高分子粘度與分子量之間的定量關(guān)系，從而獲得了的諾貝爾化學(xué)獎。1963年Ziegler和Natta因發(fā)現(xiàn)了配位聚合反應(yīng)和實現(xiàn)了丙烯的定向聚合而共獲了諾貝爾化學(xué)獎。 1974年Flory因在高分子性質(zhì)方面的成就也獲得了諾貝爾化學(xué)獎。三大傳統(tǒng)合成材料塑料 橡膠 纖維新型功能材料 光電材料 信息儲存材料 光導(dǎo)纖維 超導(dǎo) 1.1

7、 20世紀(jì)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重大突破 11(5)化學(xué)動力學(xué)與分子反應(yīng)動態(tài)學(xué)的發(fā)展 揭示化學(xué)反應(yīng)的歷程和研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與其反應(yīng)能力之間的關(guān)系，是控制化學(xué)反應(yīng)過程的需要。1956年由前蘇聯(lián)的謝苗諾夫和英國的欣歇爾伍德在化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)速度和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)方面的開創(chuàng)性研究而獲諾貝爾化學(xué)獎。同時研究快速反應(yīng)的技術(shù)得到發(fā)展，現(xiàn)在可以研究十億分之一秒內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。美籍華人化學(xué)家李遠(yuǎn)哲及美國化學(xué)家赫希巴赫首先研制成功能獲得各種態(tài)信息的交叉分子束實驗裝置，從微觀角度來認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)，發(fā)展了分子反應(yīng)動態(tài)學(xué)，亦稱態(tài)-態(tài)化學(xué)，對化學(xué)反應(yīng)的基本原理做出了重要突破。(榮獲1986年諾貝爾化學(xué)獎)。 1.1 20世紀(jì)化學(xué)學(xué)

8、科基礎(chǔ)研究的重大突破 12關(guān)于化學(xué)反應(yīng)的歷程的重要研究成果1956年Semenov和Hinchelwood在化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)速度和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)方面的開創(chuàng)性研究獲得了諾貝爾化學(xué)獎。1967年Eigen Porter和Norrish因發(fā)展了閃光光解法技術(shù)用于研究發(fā)生在十億分之一秒內(nèi)的快速化學(xué)反應(yīng)，對快速反應(yīng)動力學(xué)研究作出了重大貢獻(xiàn)，三人共獲了諾貝爾化學(xué)獎。1986年李遠(yuǎn)哲、Herschbach和Polany因發(fā)明了獲得各種態(tài)信息的交叉分子束技術(shù)，并利用該技術(shù)F+H2的反應(yīng)動力學(xué)（態(tài)態(tài)化學(xué)），對化學(xué)反應(yīng)的基本原理作出了重要貢獻(xiàn)，為此共獲了諾貝爾化學(xué)獎。1999年Zewail因利用飛秒光譜技術(shù)研究過渡態(tài)

9、的成就獲諾貝爾化學(xué)獎。13飛秒化學(xué)飛秒化學(xué)是研究在極小的時間內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的過程和機(jī)理。這一領(lǐng)域涉及的時間間隔短至約千萬億分之一秒，即1飛秒。 1 s(s,秒)=103ms(毫秒)=109ns(納秒)1015 fs (femtosecond飛秒)飛秒化學(xué)的技術(shù)基礎(chǔ)飛秒激光。不同波長的激光可以選擇性地激發(fā)和檢測不同的分子，或者同一分子的不同內(nèi)部能量狀態(tài)，或量子態(tài)分布。從分子的角度來說，化學(xué)反應(yīng)的本身就是分子體系的波函數(shù)隨時間的變化，在勢能面上運動的過程。實驗上，通過觀察在不同時刻體系的性質(zhì)，就可以得到這種演化的圖像，從而理解反應(yīng)的具體動力學(xué)過程。由于分子內(nèi)部、化學(xué)反應(yīng)過程中及凝聚相中分子間相互作用過

10、程是在非常短的時間里發(fā)生的，比如說，化學(xué)反應(yīng)過渡態(tài)的壽命一般只有幾十飛秒，所以必須在飛秒的時間尺度上對化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行檢測。也就是說，要象照相一樣，要用足夠短的“快門”，來捕捉分子運動和變化的瞬間行為的信息。14(6)分析科學(xué)的發(fā)展 20世紀(jì)70年代，生命科學(xué)、信息科學(xué)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使分析化學(xué)進(jìn)入了嶄新階段，它不只限于測定物質(zhì)的組成和含量，而要對物質(zhì)的狀態(tài)(氧化還原態(tài)、各種結(jié)合態(tài)、結(jié)晶態(tài))、結(jié)構(gòu)(一維、二維、三維空間分布)、微區(qū)、薄層和表面的組成與結(jié)構(gòu)以及化學(xué)行為和生物活性等做出瞬時追蹤，無損和在線監(jiān)測等分析及過程控制，甚至要求直接觀察原子和分子的形態(tài)與排列。分析化學(xué)成為一門儀器裝置和測

11、量的科學(xué)。 1990年開始的人類基因組計劃(HGP)中，由于DNA測序技術(shù)不斷推陳出新，從板凝膠電泳到凝膠毛細(xì)管電泳、線性高分子溶液毛細(xì)管電泳、到陣列毛細(xì)管電泳，直至全基因組鳥槍測序技術(shù)。終于使人類基因組計劃提前到2001年完成。分析化學(xué)在推進(jìn)人們弄清環(huán)境和生命有關(guān)的化學(xué)問題中起著關(guān)鍵作用。 1.1 20世紀(jì)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重大突破 光譜：原子吸收、原子發(fā)射 波譜：紅外光譜、紫外光譜 核磁共振、質(zhì)譜 能譜：電子能譜 色譜：氣相色譜、液相色譜 X-射線衍射：單晶、粉末15(7)生命科學(xué) 生物小分子化學(xué)，蛋白質(zhì)化學(xué)核酸化學(xué)，糖化學(xué)蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)：一級結(jié)構(gòu), 二級結(jié)構(gòu), 三級結(jié)構(gòu), 四級結(jié)構(gòu)氨基

12、酸序列分析儀酶的化學(xué)酶催化的機(jī)理化學(xué)模擬生物合成與生物轉(zhuǎn)化核酸的化學(xué)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)（Watson-Crick獲1962年諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎)堿基配對原則DNA的復(fù)制基因表達(dá)遺傳密碼的發(fā)現(xiàn)中心法則1.1 20世紀(jì)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重大突破 1620世紀(jì)初開始生物小分子（如糖、血紅素、葉綠素、維生素等）的化學(xué)結(jié)構(gòu)與合成研究就多次獲諾貝爾化學(xué)獎1955年首次合成多肽激素催產(chǎn)素和加壓素，獲1955年諾貝爾化學(xué)獎；1960年成功地測定了鯨肌紅旦白和馬血紅蛋白的空間結(jié)構(gòu)，獲1962年諾貝爾化學(xué)獎；1980年P(guān).Berg、F.Sanger和W.Gilbert因在DNA分裂和重組、DNA測序以及現(xiàn)代

13、基因工程學(xué)方面的杰出貢獻(xiàn)而共獲諾貝爾化學(xué)獎。1982年A.Klug因發(fā)明“象重組“技術(shù)和揭示病毒和細(xì)胞內(nèi)遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)而獲得諾貝爾化學(xué)獎。 1993年M.Smith因發(fā)明寡核苷酸定點誘變法以及K.B.Mullis因發(fā)明多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)對基因工程的貢獻(xiàn)而共獲諾貝爾化學(xué)獎。 化學(xué)在生命科學(xué)領(lǐng)域的重要研究成果17DNA18蛋白酶的一種胰蛋白酶的結(jié)構(gòu)和排列順序示意圖 19 1965年9月，我國科學(xué)家汪猷帥上百位化學(xué)工作者經(jīng)過6年多堅持不懈的努力，獲得了人工全合成牛胰島素晶體。這是世界上第一個人工合成的蛋白質(zhì)。兩條肽鏈:A鏈21個氨基酸殘基,B鏈30個殘基,分子量5700道爾頓,1953年確定全部化學(xué)

14、結(jié)構(gòu). 1965年我國的人工合成牛胰島素201.2 20世紀(jì)化學(xué)工業(yè)的大發(fā)展 (1)石油化工成為支柱產(chǎn)業(yè) 20世紀(jì)30年代催化劑進(jìn)入石油化工，催化動力學(xué)的發(fā)展及催化劑的作用使石油的各種餾分成為各種不同用途的化工產(chǎn)品，石油化工迅速發(fā)展，已成為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占重要地位的工業(yè)領(lǐng)域。世界化工總產(chǎn)值中80以上的產(chǎn)品與石油化工有關(guān)。 21(2)三大合成材料時代 20世紀(jì)前半葉，由于基礎(chǔ)化學(xué)中的高分子化學(xué)的興起和發(fā)展，逐步形成了塑料、纖維、橡膠三大合成材料工業(yè)。到20世紀(jì)末，世界年產(chǎn)合成橡膠能力已1200萬噸，合成纖維達(dá)1500萬噸，合成塑料已超過6000萬噸。以塑料為主體的三大合成材料，以體積計算其世界總

15、產(chǎn)量已超過全部金屬的產(chǎn)量，所以有人稱20世紀(jì)為聚合物時代。 1.2 20世紀(jì)化學(xué)工業(yè)的大發(fā)展 22(3)化肥（農(nóng)藥）工業(yè)的巨大作用 20世紀(jì)面臨人口大幅度增長和糧食需求迅速增加的局面。在解決這一困難中，化肥起了重要作用。其中氮肥的生產(chǎn)關(guān)鍵問題是如何利用大氣中的氮大規(guī)模合成肥料。1909年德國化學(xué)家哈伯用鋨作催化劑成功地建立了每小時產(chǎn)生80克氨的實驗裝置。哈伯因此而榮獲1918年諾貝爾化學(xué)獎。1931年德國博施建成第一個用鐵催化劑的合成氨工廠日產(chǎn)量為30噸。(榮獲1931年諾貝爾化學(xué)獎)。60多年來，不斷對合成氨工藝進(jìn)行改進(jìn)并引入現(xiàn)代化工技術(shù)。我國是農(nóng)業(yè)大國，肥料是增產(chǎn)的關(guān)鍵措施。目前已達(dá)年產(chǎn)2

16、000萬噸的規(guī)模，占世界第二位。 1.2 20世紀(jì)化學(xué)工業(yè)的大發(fā)展 23(4)醫(yī)藥工業(yè)的大發(fā)展 20世紀(jì)人類壽命顯著延長，70歲以上的老人比例顯著提高，估計20世紀(jì)人類平均壽命增加30歲左右。人類壽命延長的原因之一是醫(yī)療條件的改善，其中針對人類常見病、多發(fā)病的新藥的研制成功是關(guān)鍵因素。醫(yī)藥工業(yè)的發(fā)展與化學(xué)緊密相關(guān)。化學(xué)合成藥在醫(yī)學(xué)工業(yè)中占主導(dǎo)地位。磺胺藥是第二次世界大戰(zhàn)前惟一有效的抗細(xì)菌感染的藥物。Domagk因此而在1939年榮獲諾貝爾生理及醫(yī)藥獎?；前奉愃幬锏膯柺罉?biāo)志著化學(xué)療法方面的一大突破。第二次世界大戰(zhàn)后，磺胺藥逐漸讓位于治療效果更好的抗生素類藥，如青霉素、四環(huán)素、紅霉素、氯霉素、頭孢

17、菌素等。目前世界藥物市場的年銷售量約為3000億美元，在世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有舉足輕重的作用。 1.2 20世紀(jì)化學(xué)工業(yè)的大發(fā)展 24 美國90年代化學(xué)工業(yè)產(chǎn)值約占30，化學(xué)品出口占總出口的30，位居世界第二位。 美國的調(diào)查報告“化學(xué)中的機(jī)會”指出，化學(xué)工業(yè)在國際市場上要保持競爭力，主要看作為基礎(chǔ)學(xué)科的化學(xué)能否保持領(lǐng)先地位。可見，沒有基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展為后盾，國民經(jīng)濟(jì)、高新技術(shù)的發(fā)展是不可能的?；瘜W(xué)工業(yè)已成為某些國家的支柱產(chǎn)業(yè)25化學(xué)從原子分子水平研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應(yīng)用的科學(xué)。 化學(xué)教科書2 化學(xué)學(xué)科的內(nèi)涵及地位作用化學(xué)為總管物質(zhì)在原子、分子層次上變化之科學(xué)。 唐有祺 化學(xué)是一門試圖了解物質(zhì)的

18、性質(zhì)和物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的科學(xué)，它涉及存在于自然界的物質(zhì)（如地球上的礦物、空氣中的氣體、海洋里的水和鹽、動物體內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)），以及由人類創(chuàng)造的新物質(zhì)，它涉及自然界的變化（如因閃電而著火的樹木、與生命有關(guān)的化學(xué)變化），還有那些由化學(xué)家發(fā)明和創(chuàng)造的新變化。 Ronald Breslow 2.1 化學(xué)學(xué)科的定義與內(nèi)涵26徐光憲.化學(xué)學(xué)科進(jìn)展M,北京:化工出版社,2005:12一維定義X定義化學(xué)是研究X對象的科學(xué)X泛分子，包括10個層次：原子;分子片; 分子; 超分子; 高分子; 生物分子; 納米分子; 原子和分子的宏觀聚集體; 復(fù)雜分子體系和自組裝分子二維定義XY定義化學(xué)是研究X對象的Y內(nèi)容的科學(xué)Y合成和

19、反應(yīng)、制備、剪裁和組裝、分離和分析、結(jié)構(gòu)和構(gòu)象、粒度和形貌、物理和化學(xué)性質(zhì)、生理和生物活性、運輸和調(diào)控作用機(jī)制等個方面的規(guī)律、相互關(guān)系和應(yīng)用 三維定義XYZ定義化學(xué)是用Z方法研究X對象的Y內(nèi)容的科學(xué)Z實驗，理論和計算機(jī)模擬四維定義XYZW定義化學(xué)是用Z方法研究X對象的Y內(nèi)容以達(dá)到W目的的科學(xué)W認(rèn)識世界，改造自然和保護(hù)世界分子片是指組成分子的碎片272.2 化學(xué)學(xué)科在科學(xué)發(fā)展中的地位R.Breslow (1997)Chemistry Today and TomorrowThe Central,Useful and Creative Science化學(xué)的今天和明天化學(xué)是一門中心的、實用的和創(chuàng)造性的

20、科學(xué)28 從早晨開始，我們在用化學(xué)品建造的住宅中醒來，家具是部分地用化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代材料制作的，我們使用化學(xué)家們設(shè)計的肥皂和牙膏并穿上由合成纖維和合成染料制成的衣服，即使天然纖維（如羊毛或棉花）也是經(jīng)化學(xué)品處理過并染色的。這樣可以改進(jìn)它們的性能。 為了保鮮起見，食品要被包裝和冷藏起來，而這些食品要么用化肥、除草劑和農(nóng)藥使之生長；要么家畜類需獸醫(yī)藥來防??；要么需加入維生素后食用；甚至我們購買的天然食品，如牛奶，也必須經(jīng)過化學(xué)檢驗后方可食用。 我們的交通工具汽車、火車、飛機(jī)在很大程度上依靠化學(xué)工業(yè)的產(chǎn)品；晨報是用化學(xué)家們制造的油墨在用化學(xué)方法制造的紙上印刷的；用于說明事物的照片要用化學(xué)家們制造的

21、膠卷和膠片；日常生活中的金屬制品都是用經(jīng)過以化學(xué)為基礎(chǔ)的冶煉轉(zhuǎn)化為金屬或合金后制造的，為了保護(hù)它們還要涂上油漆。 化妝品是由化學(xué)家制造和檢驗過的；警察和軍人用的武器也都依靠化學(xué)。事實上，在我們的日常生活中很難找出一種不依靠化學(xué)和化學(xué)家?guī)椭圃斐鰜淼漠a(chǎn)品。化學(xué)的今天和明天 R.Breslow（1997年）29第1章 化學(xué)是一門中心的、實用的和創(chuàng)造性的科學(xué)11什么是化學(xué)2化學(xué)家做什么13早期的化學(xué)有些什么14為什么化學(xué)家成這門學(xué)科為“中心科學(xué)”15是什么是化學(xué)成為“使用的科學(xué)”和創(chuàng)造性的科學(xué)16那些是化學(xué)的基本原理17化學(xué)領(lǐng)域有多大關(guān)于未來第2章 健康和生命的化學(xué)21藥物化學(xué)在過去對人類健康有哪

22、些貢獻(xiàn)22藥物化學(xué)家是怎樣設(shè)計或發(fā)現(xiàn)新藥的23藥物化學(xué)家現(xiàn)在忙于什么24化學(xué)家對了解生命的本質(zhì)有什么貢獻(xiàn)？光和作用化學(xué)簡介25化學(xué)在分子生物學(xué)和生物技術(shù)中的作用是什么關(guān)于未來第3章 再談化學(xué)是一門使用的科學(xué)31化學(xué)在住房和陳設(shè)品方面起什么作用32化學(xué)在穿著方面起什么作用33化學(xué)和運輸?shù)年P(guān)系怎樣34哈是如何改進(jìn)事物供應(yīng)的35化學(xué)和國防的關(guān)系怎樣36化學(xué)和執(zhí)法方面的關(guān)系怎樣37化學(xué)對生活的質(zhì)量作出了哪些貢獻(xiàn)關(guān)于未來第4章化學(xué)與環(huán)境41我們能否有一個建立在先進(jìn)技術(shù)上的現(xiàn)代社會，而這些技術(shù)不會無休止地污染地球42工業(yè)能否干凈地制造化學(xué)產(chǎn)品43在解決從核能發(fā)電廠排放出放射性廢棄物的問題上，化學(xué)家們能作什

23、么貢獻(xiàn)44人類日常生活回造成什么樣的污染45我們能否控制蟲害而不危害有用的動物46我們則樣能保證新合成的哈制品不會破壞環(huán)境，或沒有不良的生物效應(yīng)不是所有的不良化學(xué)效應(yīng)都是致命的關(guān)于未來第5章 計算機(jī)與化學(xué)電子學(xué)的革命51現(xiàn)代的電子學(xué)革命誕生了計算機(jī)，化學(xué)對此有和貢獻(xiàn)52什么是計算化學(xué)53計算化學(xué)則樣幫助我們測定蛋白質(zhì)的形成關(guān)于未來 電子材料計算化學(xué)第6章 在生物體和工業(yè)中的催化作用61催化劑能扮演什么樣的角色62作為生命催化劑的酶是何物63酶催化生物反映時，能加速多少？又如何進(jìn)行選擇64維生素能起生物催化作用嗎65酶的作用知多少66對酶的認(rèn)識是否有住與新藥的設(shè)計67汽車用的故態(tài)金屬催化劑是則樣

24、起作用的68為什么工業(yè)界常用的固體催化劑并不具有金屬特性？關(guān)于未來第7章 化學(xué)家怎樣創(chuàng)造新分子71化學(xué)家如何決定應(yīng)該研制什么新分子? 72化學(xué)家如何計劃未知分子的成功合成? 73在哪里進(jìn)行合成實驗? 74新化學(xué)物質(zhì)一旦被創(chuàng)造還要做些什么關(guān)于未來第8章 認(rèn)識分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)變化81化學(xué)家怎樣測定新分子的結(jié)構(gòu)? 82分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)與它們的性質(zhì)之間存在什么關(guān)系?83化學(xué)家如何測定化學(xué)反應(yīng)的歷程? 84在哪里進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)及反應(yīng)歷程的研究?30化學(xué)是承上啟下的中心學(xué)科(central science) 科學(xué)按照其研究對象由簡單到復(fù)雜分為： 上游：數(shù)學(xué)、物理學(xué)研究對象簡單，研究程度很深 中游：化學(xué) 下

25、游：生命、材料、環(huán)境研究對象復(fù)雜化學(xué)是中心科學(xué)，是從上游到下游的必經(jīng)之地，永遠(yuǎn)不會象有些人估計的那樣將要在物理學(xué)與生物學(xué)的夾縫中逐漸消亡！化學(xué)是一門中心科學(xué)徐光憲.今日化學(xué)的何去何從J,大學(xué)化學(xué),2003,18(1):1 化學(xué)是與信息、生命、材料、環(huán)境、能源、地球、空間和核科學(xué)等八大朝陽科學(xué)都有密切的聯(lián)系、交叉和滲透的中心科學(xué)。31化學(xué)是一門實用的科學(xué) 人類之衣、食、住、行和娛樂無不與化學(xué)有關(guān)。當(dāng)前一些重大的工業(yè)過程基本上都基于化學(xué)過程。世界專利發(fā)明中有20%與化學(xué)有關(guān)。發(fā)達(dá)國家從事研究與開發(fā)的科研人員中，化學(xué)與化工專家占一半左右。化工企業(yè)產(chǎn)品的更新?lián)Q代依靠化學(xué)的進(jìn)步，而化工產(chǎn)品的產(chǎn)值和出口比

26、例在國民經(jīng)濟(jì)中一直保持著領(lǐng)先地位。32化學(xué)是一門創(chuàng)造性的科學(xué) 化學(xué)家辛勤的耕耘著元素周期體系中的百余個化學(xué)元素并整理著天然產(chǎn)物，所發(fā)現(xiàn)的新化合物幾乎每10年約翻一番。隨著化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)理論及合成方法的不斷發(fā)展和完善，新化合物的增加速率已快于指數(shù)表達(dá)方式，90年代以來每年新增的化合物約有60余萬種。迄今化學(xué)家已經(jīng)擁有1900多萬種化合物，其中絕大多數(shù)是由化學(xué)家合成的?；瘜W(xué)在舊的自然界旁又建起了一個新的自然界。 R. B. Woodward33化學(xué)思想科學(xué)哲學(xué)思想的重要組成部分實驗驗證思想實驗方法來驗證和探究化學(xué)知識的思想 守恒思想：能量守恒;質(zhì)量守恒;電荷守恒/得失電子守恒動態(tài)平衡思想用平衡移動的

27、原理來分析粒子之間相互反應(yīng),系統(tǒng)了解闡釋溶解平衡、化學(xué)平衡、電離平衡、水解平衡、氧化還原平衡等多種平衡體系的本質(zhì)。量變質(zhì)變思想質(zhì)量互變規(guī)律在化學(xué)學(xué)科的應(yīng)用。例如：溫度改變，物質(zhì)狀態(tài)的改變；元素原子個數(shù)或排列方式不同，產(chǎn)生了不同的物質(zhì)（同素異形體和同分異構(gòu)體）；反應(yīng)物之間物質(zhì)的量的比例不同，產(chǎn)物不同；反應(yīng)條件的不同，產(chǎn)物不同；隨原子序數(shù)遞增，原子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)周期性的變化，元素的性質(zhì)也呈周期性的變化；定性實驗和定量實驗的相互關(guān)系等。 結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)思想物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)性質(zhì)，物質(zhì)性質(zhì)反映了物質(zhì)的結(jié)構(gòu)34化學(xué)與生物學(xué)的不同“生物學(xué)家致力于闡明自然生命的過程，而化學(xué)家則習(xí)慣于如何去調(diào)控這一過程”。 Doyle

28、 and Coray,Chemistry & Biology,1998,5,157-160)生物學(xué)家注意認(rèn)識世界，而化學(xué)家則想改造世界。 “化學(xué)家看起來比較審慎,善于分析并較多的在本學(xué)科內(nèi)獨善其身。他們將注意力集中在分子上面，他們醉心于一個多手心的中心、具有很大合成難度的分子帶來的挑戰(zhàn)，并力圖用最短的路線和最高的產(chǎn)率來得到目標(biāo)分子，通過用相對較少但巧妙的技術(shù)以獲得精確的資料。對他們來講注重蛋白質(zhì)和核酸的化學(xué)更甚于它們的生理重要性。另一方面。生物學(xué)家似乎較具有藝術(shù)性、調(diào)和性和主要用右腦思考。他們喜歡使用種類繁多卻不太精密的技術(shù)來研究細(xì)胞和器官內(nèi)的復(fù)雜現(xiàn)象。他們喜歡神秘和復(fù)雜，當(dāng)揭去面紗，顯露出分

29、子本質(zhì)時，他們中有些人則會感到失望”。 Kornberg,Chemistry & Biology,1996,3,3-53520世紀(jì)化學(xué)并未獲得社會應(yīng)有的認(rèn)同報刊上提及20世紀(jì)發(fā)明的六大技術(shù)應(yīng)為七大技術(shù)！信息技術(shù)（無線電、半導(dǎo)體、芯片、集成電路、計算機(jī)、通訊和網(wǎng)絡(luò)）生物技術(shù)（基因重組、克隆和生物芯片）核科學(xué)和核武器技術(shù)航空航天和導(dǎo)彈技術(shù)激光技術(shù)納米技術(shù)化學(xué)合成技術(shù)（新藥物、新材料、高分子、化學(xué)和農(nóng)藥）化學(xué)家缺少品牌意識，沒有在社會上樹立化學(xué)的美好品牌，甚至化學(xué)成為有毒、有害、高污染的代名詞！化學(xué)家太謙虛!上述六大技術(shù)如果缺少一兩個，人類照樣生存。但如沒有發(fā)明合成氨、合成尿素和第一、第二、第三代新

30、農(nóng)藥的技術(shù)，世界糧食產(chǎn)量至少要減半，60億人口中得30億就會餓死。沒有發(fā)明合成橡膠、合成塑料的技術(shù)，人類生活要受到很大的影響。36從人類對七大技術(shù)發(fā)明的需要迫切性來排序： 化學(xué)合成和分離技術(shù)；信息技術(shù)；生物技術(shù)；航空航天技術(shù)；核技術(shù)；納米技術(shù)；激光技術(shù) 按20世紀(jì)的七大技術(shù)發(fā)明衍生的產(chǎn)業(yè)規(guī)模及其對世界經(jīng)濟(jì)的影響來排序： 信息產(chǎn)業(yè)；化學(xué)合成；航天航空技術(shù)；核技術(shù)；生物技術(shù)；納米技術(shù)；激光技術(shù)按人類需要的迫切性和其衍生的產(chǎn)業(yè)規(guī)模排序 20世紀(jì)和21世界上半葉理應(yīng)稱為是信息和化學(xué)合成時代，21世界下半葉才能成為生物技術(shù)時代！37未來化學(xué)所面臨的重大挑戰(zhàn)環(huán)境問題人口控制與健康食品問題資源與可持續(xù)發(fā)展3

31、 21世紀(jì)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展趨勢38（1）化學(xué)的第一根本規(guī)律化學(xué)反應(yīng)理論和定律 建立精確有效而又普遍適用的化學(xué)反應(yīng)的含時多體量子理論和統(tǒng)計理論。（2）化學(xué)的第二根本規(guī)律分子結(jié)構(gòu)及其性能的定量關(guān)系 分子和分子間的非共價鍵的相互作用的本質(zhì)和規(guī)律；超分子結(jié)構(gòu)的類型，生成和調(diào)控的規(guī)律；給體-受體作用原理；進(jìn)一步完善原子價和化學(xué)鍵理論，特別是無機(jī)化學(xué)中的共價問題；生物大分子的一級結(jié)構(gòu)如何決定高級結(jié)構(gòu)？高級結(jié)構(gòu)又如何決定生物和生理活性？ 。（3）活分子運動的基本規(guī)律 充分認(rèn)識和徹底了解人類和生物體內(nèi)分子的運動規(guī)律。如在地球元素的生態(tài)循環(huán)中，植物界做了兩件偉大的事：光合作用活分子催化劑葉綠素是怎樣作用的？生物固

32、氮豆科植物的根瘤菌能打開非常穩(wěn)定的氮分子中的化學(xué)鍵，生成含氮小分子，再進(jìn)一步合成蛋白質(zhì)和核酸。 （4）納米尺度的基本規(guī)律 當(dāng)尺度在十分之幾到10nm的量級，正處于量子尺度和經(jīng)典尺度的模糊邊界中，有許多新的奇異特性和新的效應(yīng)，新的規(guī)律和重要應(yīng)用，值得理論化學(xué)家去探索研究。21世紀(jì)化學(xué)的四大難題3921世紀(jì)物理學(xué)提出了五大理論難題（1）4種作用力場的統(tǒng)一問題，相對論和量子力學(xué)的統(tǒng)一問題。（2）對稱性破缺問題。（3）占宇宙總質(zhì)量90%的暗物質(zhì)是什么的問題。（4）黑洞和類星體問題。（5）夸克禁閉問題等。21世紀(jì)的生物學(xué)也有重大難題和奮斗目標(biāo)：（1）后基因組學(xué)和人類疾病的消除。（2）蛋白質(zhì)組學(xué)。（3）腦

33、科學(xué)。（4）生物如何進(jìn)化？生命如何起源等。21世紀(jì)物理學(xué)和生物學(xué)的難題403 21世紀(jì)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展趨勢3.1 人類社會的發(fā)展對化學(xué)的需求 (1)化學(xué)仍是解決食物和健康問題的主要學(xué)科之一化學(xué)將支撐生物學(xué)在提供優(yōu)良品種，提供轉(zhuǎn)基因生物等方面作貢獻(xiàn)化學(xué)將在設(shè)計、合成功能分子和結(jié)構(gòu)材料以及分子層次闡明和控制生物過程的機(jī)理方面，為研究開發(fā)高效安全肥料、飼料、農(nóng)藥、農(nóng)用材料、生物肥料、生物農(nóng)藥打下基礎(chǔ)利用化學(xué)和生物方法增加動植物食品的防病有效成分，提供安全的有防病作用的食品和食品添加劑，改正食品儲存加工方法，減少不安全因素，是化學(xué)研究的重要內(nèi)容 (2)化學(xué)在能源和資源的合理開發(fā)和高效安全利用起關(guān)鍵作用要

34、研究高效潔凈的轉(zhuǎn)化技術(shù)和控制低品位燃料的化學(xué)反應(yīng)（保護(hù)環(huán)境，降低成本）開發(fā)新能源，太陽能以及高效潔凈的化學(xué)電源與燃料電池等將成為21世紀(jì)的重要能源要研究重要礦產(chǎn)資源（如稀土）的分離和深加工技術(shù)以及利用 41(3)化學(xué)將繼續(xù)推動材料科學(xué)發(fā)展末來化學(xué)不僅要設(shè)計和合成分子而且要把這些分子組裝、構(gòu)筑成有特定功能的材料，從超導(dǎo)體到催化劑、藥物控釋載體、納米材料都要從分子以上層次研究材料的結(jié)構(gòu)20世紀(jì)化學(xué)模擬酶的活性中心已取得進(jìn)展，未來將會在可用于生產(chǎn)、生活和醫(yī)療的模擬酶的研究方面有突破21世紀(jì)電子技術(shù)將向更快、更小、功能更強(qiáng)的方向發(fā)展，目前大家正在致力于量子計算機(jī)、生物計算機(jī)、分子器件、生物芯片等新技術(shù)

35、，標(biāo)志著分子電子學(xué)、分子信息技術(shù)的到來，需要設(shè)計、合成各種物質(zhì)和材料. (4)化學(xué)仍是提高人類生存質(zhì)量和生存安全的有效保障通過研究各種物質(zhì)和能的生物效應(yīng)（正面和負(fù)面）的化學(xué)基礎(chǔ)特別是搞清兩面性的本質(zhì)，找出最佳利用方案研究開發(fā)對環(huán)境無害的化學(xué)品和生活用品，研究對環(huán)境無害的生產(chǎn)方式，這兩方面是綠色化學(xué)的主要內(nèi)容研究大環(huán)境和小環(huán)境（如室內(nèi)環(huán)境）中不利因素的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化和與人體的相互作用，提出優(yōu)化環(huán)境潔凈生活空間的途徑從分子水平了解病理過程，提出預(yù)警生物標(biāo)志物的檢測方法，建議預(yù)防途徑，預(yù)防疾病423.2 化學(xué)的基礎(chǔ)研究方法的發(fā)展 (1)微觀與宏觀相結(jié)合 非平衡態(tài)熱力學(xué)(普里高津，1977年諾貝爾化學(xué)獎)的貢獻(xiàn)是教給化學(xué)家一把開啟從分子層次洞察生命過程的鑰匙。迄今還需要更好的理論和方法描述實際開放系統(tǒng)(生物體、河流、大氣等)的時-空動態(tài)變化。預(yù)期未來微觀與宏觀將會更深入更廣泛的結(jié)合。 (2)靜態(tài)與動態(tài)(過程)相結(jié)合 停流技術(shù)的發(fā)展才使人們有可能研究快速反應(yīng)過程。交叉分子束實驗技術(shù)的建立使微觀反應(yīng)動力學(xué)有了重大突破。近年來單分子操作能夠用來觀察分子的動態(tài)過程，計算機(jī)能夠模擬分子間相互作用的過程。3 21世紀(jì)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展趨勢43(3)多學(xué)科的綜合 未來化學(xué)研究模式將體現(xiàn)在如下幾個方面：從實際問題中抽出化學(xué)基本問題來研究；吸收其他學(xué)科的新理論