化学

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  化学汉语拼音:Huaxue;英语:Chemistry),研究物质的性质、组成、结构、变化以及与物质变化过程相伴随的能量转变的科学。化学是最古老的自然科学之一,从开始用火的原始社会,到使用各种人造物质的现代社会,人类都在享用化学成果。在促进社会发展和提高人类生活质量方面,化学是最有成效的科学之一。

  化学是一门重要的基础科学,虽然和物理学生物学天文学学科的视角和研究方法不尽相同,但是它们之间实际上是相通的。例如,核酸化学的研究结果使生物学由细胞水平提高到分子水平,形成了分子生物学;对地球月球和其他天体的化学成分的研究中有关化学元素分布的规律及星际空间简单化合物的发现,为天体演化论和现代宇宙学的形成和发展提供了重要的事实基础,同时也促成了地球化学宇宙化学的诞生。

概述

  从原始人类用火之时开始,人类也就开始了从化学变化中认识和改造天然物质的漫长历程,如逐步学会了制陶、冶铜、炼铁,后来又学会了酿造、印染等。由天然物质加工改造而成的制品,已成为人类古代文明的标志。在大量实践的基础上,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,并企图追溯其本源及变化规律。公元前4世纪或更早,中国学者提出阴阳五行学说,认为万物是由金、木、水、火、土五种基本物质组合而成,而五行则是由阴阳二气相互作用而成的。并试图用“阴阳”来解释自然界存在的相互对立又互相消长的现象,认为它是一切自然变化的根源,它也是中国炼丹术的理论基础。前4世纪,古希腊学者也提出过与此类似的风、火、土、水四元素说和古代原子论。这些朴素的元素思想,可视为物质结构及变化理论的萌芽。到了前2世纪的秦汉时代,中国炼丹术已颇为盛行,于公元7世纪前后传入阿拉伯国家,与古希腊哲学相融合而形成阿拉伯炼金术。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。英文中化学一词(chemistry)的词根chem,即来源于中世纪的拉丁文炼金术(alchemia)。

  炼丹(金)家们深信物质能够通过“性质”的加和而转化,因而试图在炼丹炉中炼制金银或长生不老之药。在将各类物质分别搭配烧炼的实验中,设计了多种专用的器皿诸如坩埚、升华器、蒸馏器、研钵等,并创造了多种实验方法,如研磨、混合、溶解、结晶、灼烧、熔融、升华等。不少器皿和方法虽然历经改进和演变,在今天的化学实验室中仍然保留着它们的痕迹。对某些物质的性质,特别是相互反应的性能的分类研究,积累了大量经验和事实材料。炼丹家们在实验过程中发明了火药,发现了若干元素(如汞、锌、砷、锑、磷等),制成了某些合金(如黄铜、白铜),还制出了许多高纯度的化合物(如明矾等)。

  16世纪开始,欧洲工业生产的兴起,推动了医药化学冶金化学的创立和发展,使炼金术转向生活实际,更加重视对物质化学变化本身的研究。在化学元素的科学概念建立之后,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化合量定律,为近代化学的发展奠定了基础。

  19世纪初,建立了近代原子论,突出强调元素的原子质量是元素最基本的特征。质量概念的引入,是近代原子论和古代原子论的主要区别,从而使得当时的化学知识和理论得到了合理的解释,并成为能够说明化学基本现象的统一理论。分子学说的提出和得到广泛承认之后,建立了原子分子学说,为物质结构的研究奠定了基础。19世纪中叶元素周期律的发现,不仅初步形成了无机化学的体系,而且和原子分子学说一起成为化学的理论体系。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,经典的化学分析方法也有了自己的体系。草酸尿素的合成、原子价概念的提出、苯的六元环结构和碳价键四面体等学说的创立、酒石酸旋光异构体的拆分,以及分子的不对称性等的发现,导致了有机化学结构理论的建立,使人们对分子本质的认识愈益深入,并奠定了有机化学的基础。

  19世纪下半叶,热力学等理论融入化学之后,不仅概括了有关化学平衡反应速率的概念,并且形成了对化学反应中物质转化方向和条件的热力学判据。继而建立了溶液理论电离学说电化学化学动力学的基础理论。物理化学的诞生,使化学理论提高到了一个新水平。19世纪末,X射线电子和元素放射性的发现,以及以此为基础而形成的结构分析技术,为化学在20世纪的重大进展创造了条件。

研究内容、方法和特点

  化学是一门建立在实验基础之上的科学。但是在化学研究中,实验与理论方法一直是相互依赖、彼此促进的两个方面。进入20世纪以后,自然科学中其他学科的迅速发展,以及大量科学技术和方法的出现与不断更新,加上社会生产与科学技术不断提出的物质需求,化学学科面临着空前未有的挑战和迅速发展的机会。在有关物质组成、结构、反应、合成和测试等方面的研究都有了长足的进步,在理论方面也取得了许多重要成果,并在无机化学分析化学有机化学物理化学高分子化学五大分支学科的基础上产生了许多新的化学分支学科。近代物理学的理论和技术、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。

结构化学

  在结构化学方面,由电子的发现开始而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律的认识,而且推动了分子理论的发展。量子力学原理和方法在分子结构理论中的应用,产生了量子化学。研究从氢分子结构开始,逐步深化,先后创立了以量子(波动)力学为基础的价键理论分子轨道理论配位场理论,化学反应理论也随之深入到微观体系。X射线衍射理论和方法的应用和发展,使得直接并精确地测定包括复杂物质在内的晶体结构成为可能。测定化学立体结构的衍射方法,有X射线衍射电子衍射中子衍射等方法,所积累的数据经过校核后已经分别建成标准结构数据库。研究分子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、电子自旋(顺磁)共振谱、光电子能谱射线共振光谱穆斯堡尔谱质谱等,随着数值方法的不断进步,特别是在电子计算机有了强大的数据存储和处理功能之后,谱学方法已经成为研究和确定固态物质、溶液和分子结构的强有力的手段。可调谐激光、超短脉冲激光及其他短脉冲技术的发明和应用,促进了具有时间分辨功能的谱学方法的发展,并已成为研究或实时跟踪物质变化过程的有效手段。如时间分辨率达到飞秒(10-15秒)时,就可以获得在电子转移或质子转移初期所形成的过渡态或中间体的结构与能量状态方面的确切信息,从而对化学反应过程可以“一览无余”。电子显微镜的放大倍数不断提高之后,已经有可能直接观察分子的形貌,从而确切地知道稳态分子内原子的几何排列。以扫描隧道显微技术为代表的微观显微学和相关技术的发展,不但可以通过探针直接“触摸”原子,还可以在基体上推动原子或分子,构成图形或原子分子簇,以及构建某种器件。这一发展,促进了纳米技术的诞生。用原子按照组成和结构来构建具有设定功能的分子的设想,将由此得以实现。

化学元素概念的深化和充实

  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核裂变的实现、氘的发现、中子正电子及其他基本粒子的发现,使人类对元素的认识深入到亚原子层次,并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,而且改变了人们的宇宙观。作为20世纪的时代标志,人类开始掌握和利用核能。放射化学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。元素周期表中的元素不断扩充,21世纪初已填充到114号元素,为验证元素稳定岛假说提供了重要的事实依据。与此同时,和现代宇宙学相依存的元素起源学说及和元素演化学说密切相关的核素年龄测定等工作,都使得元素概念在不断地补充和更新之中。

化学热力学和热化学

  化学热力学仍然是现代物理化学的基本内容,自由能判据和熵判据仍然是研究化学或物理化学过程是否具有可逆性以及过程方向时的重要理论工具。由于数值方法的应用,物理化学研究的对象已扩展到非理想体系、多平衡态体系、远离平衡态的工业过程以及复杂的生命过程。对弹性体、固体、分子簇集体等的研究,促进了有关材料与技术的进步。量热技术的进步和发展,使得热力学数据更为精确,并已建成大量热力学数据库。热化学方法与技术在高新技术及生命科学等领域中得到了广泛的应用。

化学动力学

  由于对分子结构和化学键认识的深化,过渡态理论建立后,经典的反应理论逐渐向微观的反应理论发展。分子轨道理论反应机理研究中的成功应用,以及所建立的分子轨道对称守恒原理前线轨道理论,就是其中一例。分子束激光等离子体技术的应用,使得对不稳定或亚稳化学物种的检测和研究达到了选态的水平,从而发展成为以单个分子或原子,甚至它们的某个能态为研究对象的微观反应动态学。计算机技术和数值方法的发展,推动了分子电子结构和化学反应动态过程的量子化学计量、化学统计、化学模式识别,以及大量数据的处理和综合等方面研究工作的进展,并对化学教育的改革和内容的更新产生了明显的影响。

  催化作用的研究,逐渐摆脱了对经验和试差等筛选方法的依赖,理论方法得到了相应的发展。视野从无机催化扩展到了有机催化和生物催化,并已开始从微观结构和尺度以及生物物理有机化学的视角,开展对酶的结构、功能和作用的研究。20世纪中后期,以茂金属催化剂为代表的智能型催化剂和手性催化剂的成就,对于高性能高分子材料和手性有机分子的不对称合成,起着强有力的推动作用。组合化学方法与催化科学和技术的联姻,形成了组合催化剂技术,从而使得发现高性能催化剂的过程变得更加迅速而有效。

分析化学与技术

  分析方法和技术仍然是化学的重要组成部分,也是开展化学研究及生产等工作的基础。经典的成分和组成分析方法仍在应用,但是随着计量与称量方法和技术的进步,分析灵敏度已从常量发展到微量、超微量、痕量。此外,物理学的进步和计算机技术的广泛应用,为化学提供了许多精密而有效的分析手段,从而可以直接进行结构分析,构象测定,同位素测定,各种活泼中间体如自由基(包括双基和多基)、离子基、卡宾、氮宾以及其他短寿命亚稳态物种的检测和测定。在分离手段方面,离子交换膜技术,特别是色谱法都有了迅速的发展。为了适应高灵敏度、高精确度和高速度的要求,各种分析仪器,如质谱仪极谱仪色谱仪和其他谱仪的联用分析技术以及数据库的建立和不断充实,辅以微机化、数值化和自动化,分析技术已经可以满足从宏观到亚微观的水平。多种能谱技术和X射线衍射结构分析技术的发展,已经可以完成从固体物质的晶体结构、相组织到表面微区元素的组成和分布以及能态的分析。对行星化学成分实施遥控分析的实现,从一个方面体现了现代分析科学与技术的水平。见分析化学

合成化学

  合成方法与技术是化学的另一个重要组成部分。根据美国《化学文摘》的登录和统计,21世纪初已经合成出来并经过校核的化合物总数已超过2,500万种,而且新化合物增长的速度仍然保持在每年百万种的水平。

  在无机合成方面,合成氨是一个能够突显出化学和社会发展间的互相促进关系的例子。氨的合成不仅为解决农业持续增产的问题作出重大贡献,也开创了现代无机合成工业的先河,并带动了催化科学与技术化学热力学反应动力学的发展。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二茂铁配位化合物。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、新型化合物和具有特定性能的功能材料的生产技术都得到较大发展。稀有气体化合物的成功合成和稀有气体化学的建立、以C60为代表的富勒烯家族的发现,表明人们对于包括主族元素在内的常见元素的认识还远未完成。此外,无机化学在与有机化学生物化学物理学等学科的联姻中催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。

  20世纪是有机合成化学的黄金时代,合成方法和特效试剂的发展,有机合成设计思想的进步,以及化合物组成结构测定技术的常规化,有力地推动了有机合成化学的发展。解决了许多天然有机化合物的结构测定和全合成问题,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生命基础物质,如胰岛素大肠杆菌脱氧核糖核酸酵母丙氨酸转移核糖核酸等。有机化学家还合成了复杂结构的天然有机化合物,如吗啡血红素叶绿素甾族激素、维生素B12和特效药物,如胂凡纳明磺胺抗生素等。这些成就对促进科学的发展、增进人类健康和寿命的延长,起了巨大作用;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。此外,理论有机化学也在此基础上获得迅速的发展,分子设计已成为合成化学家的重要理论工具。

高分子化学

  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、应用三方面的互相配合和促进,使高分子化学得以迅速发展。合成高分子材料塑料合成橡胶合成纤维)的陆续问世和推广应用,为现代工农业、交通运输、医疗卫生、军事技术,以及人们的衣食住行等方面,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之一。以石油化工为基础,高分子化工已成为现代化学工业的重要支柱。导电高分子、形状记忆高分子、高分子电解质、高分子液晶、医用高分子和具有特殊功能的其他高分子材料的不断涌现,意味着高分子材料在高新技术的各个领域的重要性一直有增无减。

发展趋势

  化学发展的趋势可以简略地归纳为:由宏观向微观、由定性向定量、由稳定态向亚稳态发展,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,为生产和科学技术部门提供尽可能多的新物质、新材料;另一方面,在与其他自然科学相互渗透的进程中不断衍生出新的分支学科,并向模拟自然过程、探索生命科学和宇宙起源的方向发展。

  为了解决日益严峻的环境恶化、资源短缺、能源匮乏以及因人口的持续增长而进一步激化的淡水资源、粮食供应等问题,化学正面临着前所未有的机会与挑战。以实现化工生产工艺的零排放和废弃物的再利用为主要内容的绿色化学,已经成为化学发展的中心课题之一。此外,与资源、能源、信息和人类健康密切相关的研究课题,将促使化学进一步和其他科学与技术领域间的结合,使化学的视野从实验室研究扩展到整个自然界和人类的社会生活。

学科分类

  在化学发展过程中,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学科。在20世纪20年代以前,传统地分为无机化学有机化学物理化学分析化学等四个分支学科。20年代以后,由于化学键理论在量子力学基础上的进步,电子技术和计算机等技术的兴起,化学从30年代开始有了飞跃发展,在与其他学科相互渗透过程中又产生了一些新的边缘学科。美国《化学文摘》为此把化学分为生物化学有机化学高分子化学应用化学化学工程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,包括稀有气体化学稀散元素化学稀土元素化学贵金属化学等;无机合成化学无机固体化学配位化学生物无机化学有机金属化学盐湖资源化学等。

  有机化学 天然有机化学;一般有机化学,包括链烃、环烃、芳烃、杂环等化学;有机合成化学金属有机化学非金属有机化学物理有机化学生物有机化学;有机分离和分析化学。

  物理化学 化学热力学结构化学,包括量子化学化学动力学,包括反应机理催化理论分子反应动力学;分门物理化学,包括热化学光化学电化学磁化学声化学激光化学等离子体化学辐射化学胶体化学表面化学等。

  分析化学 分离和富集;化学分析,包括定性分析定量分析仪器分析,包括光(波)谱分析、色谱分析电化学分析放射化学分析热分析化学传感器和分析仪器的联用分析技术微分析系统,以及化学计量学等。

  高分子化学 天然高分子化学高分子合成(小分子的单体转变成大分子的聚合物——聚合,包括加成聚合开环聚合缩合聚合);高分子物理化学功能高分子及应用;高分子物理等。

  核化学放射化学 放射性元素化学,包括天然和人工放射性元素化学及核燃料化学;放射分析化学辐射化学同位素化学核化学,包括高能核化学低能核化学重离子核化学热原子化学奇特原子化学等。

  生物化学 化学和生物学的交叉学科,内容有:一般生物化学,包括代谢,酶类,微生物化学,植物化学,免疫化学,发酵和生物工程,食物化学,禽畜营养,肥料、土壤和植物营养等。此外,以研究小分子对生物化学过程的作用为主的化学生物学正在逐步形成。

  边缘化学学科 与化学有关的边缘学科很多,如地球化学海洋化学河口化学大气化学环境化学农业化学土壤化学宇宙化学星际化学分子工程学组合化学等。