《無(wú)機(jī)化學(xué)》PPT課件

,王稼國(guó) 博士（北京大學(xué)）、副教授 辦公室（答疑處）：4-107 電話：88373021 Email： 溫州大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院,無(wú)機(jī)化學(xué)課程概況,上下兩學(xué)期，上學(xué)期48學(xué)時(shí)，下學(xué)期52學(xué)時(shí)，共100學(xué)時(shí)。 考試方式：閉卷考試。 成績(jī)?cè)u(píng)定：平時(shí)作業(yè)占10%，期中考試20%，期末考試70%。 理論部分包括三大結(jié)構(gòu)、四大平衡和熱學(xué)基礎(chǔ)；元素部分覆蓋整個(gè)元素周期表。,緒論,了解化學(xué)的重要性及其發(fā)展 了解無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)方法,什么是化學(xué)?,Chemistry = Chem is try (化學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)) 化學(xué)是在原子、離子和分子水平研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與變化規(guī)律的科學(xué)。 Scale (Level) （尺度, 層次）: Atomic scale, Molecular scale, Supermolecular scale (crystal) Assemble forces(聚集力）：Van der waals force(范德華力), Chemical bond(化學(xué)鍵) Composition(組成）, Structure（結(jié)構(gòu)）, Properties（性質(zhì)）, Reaction（反應(yīng)）, Separation（分離） (Purification 純化),化學(xué)21世紀(jì)核心學(xué)科,20世紀(jì)的100年中，化學(xué)合成和分離了2285萬(wàn)種新化合物，取得了空前輝煌的成就。20世紀(jì)的化學(xué)是以指數(shù)函數(shù)的加速度向前發(fā)展的，但未獲得社會(huì)應(yīng)有的認(rèn)同。 1900年 55萬(wàn)種 1945年110萬(wàn)種，45年翻一番 1970年236萬(wàn)種，25年翻一番 1999年底2340萬(wàn)種，30年翻10番 以指數(shù)函數(shù)的加速度向前發(fā)展，沒(méi)有一門(mén)其它科學(xué)能像化學(xué)那樣，創(chuàng)造出如此眾多的新物質(zhì)。,20世紀(jì)發(fā)明了七大技術(shù)，最重要的是信息技術(shù)、化學(xué)合成技術(shù)和生物技術(shù),報(bào)刊上常說(shuō)20世紀(jì)發(fā)明了六大技術(shù)： (1) 信息技術(shù) (2) 生物技術(shù) (3) 核科學(xué)和核武器技術(shù) (4) 航空航天和導(dǎo)彈技術(shù) (5) 激光技術(shù) (6) 納米技術(shù) 但卻很少有人提到包括新藥物、新材料、高分子、化肥和農(nóng)藥的化學(xué)合成和分離技術(shù)。,化學(xué)合成及分離技術(shù)至關(guān)重要,上述六大技術(shù)如果缺少一、二個(gè)，人類照樣生存。 沒(méi)有發(fā)明合成氨、合成尿素和新農(nóng)藥的技術(shù)，世界糧食產(chǎn)量至少要減半，60億人口有30億要餓死! 沒(méi)有發(fā)明合成各種抗生素和大量新藥物的技術(shù)，人類平均壽命要縮短25年! 沒(méi)有發(fā)明合成纖維、合成橡膠、合成塑料的技術(shù)，人類生活要受到很大影響。 沒(méi)有合成大量新分子和新材料的化學(xué)工業(yè)技術(shù)，上述六大技術(shù)根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。這些都是無(wú)可爭(zhēng)辯的事實(shí)。,但化學(xué)和化工界非常謙虛，從來(lái)不提抗議。我們應(yīng)該理直氣壯地大力宣傳20世紀(jì)發(fā)明了七大技術(shù)，即化學(xué)合成（包括分離）技術(shù)和上述六大技術(shù)。這七大技術(shù)發(fā)明可以按照人類需要的迫切性，和由它們衍生的產(chǎn)業(yè)規(guī)模及其對(duì)世界經(jīng)濟(jì)影響的大小來(lái)排序：,(1) 從人類對(duì)七大技術(shù)發(fā)明的需要迫切性來(lái)看，化學(xué)合成和分離技術(shù)應(yīng)當(dāng)排名第一.已如前述，因?yàn)樗侨祟惿娴慕^對(duì)需要，沒(méi)有它世界上一半的人口要餓死。它還為其余六大技術(shù)發(fā)明提供了不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)。國(guó)外傳媒把哈勃的合成氨技術(shù)(Haber Process)評(píng)為20世紀(jì)第一個(gè)重大發(fā)明，是很有道理的。,排名第二的 是信息技術(shù)，第三是生物技術(shù)，以下依次是航空航天技術(shù)，核技術(shù)，納米技術(shù)和激光技術(shù)。 合成氨技術(shù)是哈勃(Haber)在1909年發(fā)明，在1918年因而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。C.博施改進(jìn)了高壓合成氨的催化方法，又于1931年獲諾貝爾獎(jiǎng)。高分子合成技術(shù)是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的。新藥物、新材料的合成更是近50年的事。因此合成化學(xué)技術(shù)是屬于20世紀(jì)的重大發(fā)明。,(2) 從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(duì)世界經(jīng)濟(jì)的影響來(lái)看，排名次序如下：第一是信息產(chǎn)業(yè)，第二是由化學(xué)合成和分離技術(shù)衍生的石油化工、精細(xì)化工、高分子化工和藥物、農(nóng)藥工業(yè)等產(chǎn)業(yè)，以及從空氣中分離氧氣和氮?dú)?，從電解水中分離出氫氣，作為電動(dòng)汽車(chē)的燃料，為解決將來(lái)水資源缺少的海水淡化產(chǎn)業(yè)等。 第三是飛機(jī)、航天、人造衛(wèi)星及導(dǎo)彈產(chǎn)業(yè)，第四是核電站和核工業(yè)。這四個(gè)產(chǎn)業(yè)都是非常大的產(chǎn)業(yè)。其中在核產(chǎn)業(yè)中，有很大一部分是化工產(chǎn)業(yè)，如核燃料的前處理和后處理工業(yè)，重氫、重水工業(yè)、稀有元素冶煉工業(yè)等，又如信息產(chǎn)業(yè)和航空航天導(dǎo)彈衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)中，都依靠冶金、稀有元素冶煉和高分子等化學(xué)合成產(chǎn)業(yè)。,相對(duì)于前述四大產(chǎn)業(yè)而言，第五生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)、第六納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)和第七激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)這三個(gè)現(xiàn)在還是小產(chǎn)業(yè)。其中納米產(chǎn)業(yè)實(shí)際上主要是化學(xué)家發(fā)明C60等巴基球、碳納米管等衍生出來(lái)的合成化學(xué)產(chǎn)業(yè)，以及用各種方法把化學(xué)物質(zhì)制成納米尺度的合成產(chǎn)業(yè)。 所以到目前為止，在20世紀(jì)的七大發(fā)明中，人類最迫切需要的，對(duì)人們的生活和世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展影響最大的兩大發(fā)明是信息技術(shù)和化學(xué)合成技術(shù)。,4化學(xué)是一門(mén)中心學(xué)科學(xué) (1) 化學(xué)是一門(mén)承上啟下的中心科學(xué)。 (2) 化學(xué)又是一門(mén)社會(huì)迫切需要的中心科學(xué)，化學(xué)與人們的生活有非常緊密的聯(lián)系。 (3) 化學(xué)不是落日科學(xué)(Sunset Science)，也不是伴娘科學(xué)(Bridesmaid Science)，而是與信息、生命、材料、環(huán)境、能源、地球、空間和核科學(xué)等八大朝陽(yáng)科學(xué)（Sun-rise sciences）都有緊密的聯(lián)系、交叉和滲透的中心科學(xué)(Central Science)。,21世紀(jì)化學(xué)的四大難題,1、化學(xué)的第一根本規(guī)律(第一世紀(jì)難題)：建立精確有效而又普遍適用的化學(xué)反應(yīng)的含時(shí)多體量子理論和統(tǒng)計(jì)理論。 應(yīng)予首先研究的課題有： (1) 充分了解若干個(gè)重要的典型的化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理，以便設(shè)計(jì)最好的催化劑，實(shí)現(xiàn)在最溫和的條件進(jìn)行反應(yīng)，控制反應(yīng)的方向和手性合成，發(fā)現(xiàn)新的反應(yīng)類型，新的反應(yīng)試劑。 (2) 在搞清楚光合作用和生物固氮機(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)催化劑和反應(yīng)途徑，以便打斷CO2, N2等穩(wěn)定分子中的惰性化學(xué)鍵。 (3) 研究其它各種酶催化反應(yīng)的機(jī)理。酶對(duì)化學(xué)反應(yīng)的加速可達(dá)100億倍，專一性達(dá)100%。如何模擬天然酶，制造人工催化劑，是化學(xué)家面臨的重大難題。 (4) 選鍵化學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。,(2) 化學(xué)的第二根本規(guī)律-結(jié)構(gòu)和性能的定量關(guān)系 這里“結(jié)構(gòu)”和“性能”是廣義的，前者包含構(gòu)型、構(gòu)象、手性、粒度、形狀和形貌等，后者包含物理、化學(xué)和功能性質(zhì)以及生物和生理活性等。雖然W孔恩從理論上證明一個(gè)分子的電子云密度可以決定它的所有性質(zhì)，但實(shí)際計(jì)算困難很多，現(xiàn)在對(duì)結(jié)構(gòu)和性能的定量關(guān)系的了解，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。所以這是21世紀(jì)化學(xué)的第二個(gè)重大理論難題。,(3) 化學(xué)的第三世紀(jì)難題：生命現(xiàn)象的化學(xué)機(jī)理 (i) 研究配體小分子和受體生物大分子相互作用的機(jī)理，這是藥物設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 (ii) 哈佛大學(xué)化學(xué)教授Schreiber所創(chuàng)建化學(xué)遺傳學(xué) (iii) 化學(xué)生物學(xué) (iv) 搞清楚光合作用、生物固氮作用，以及牛、羊等食草動(dòng)物胃內(nèi)酶分子如何把植物纖維分解為小分子的反應(yīng)機(jī)理，為充分利用自然界豐富的植物纖維資源打下基礎(chǔ)。,(v) 人類的大腦是用“泛分子”組裝成的最精巧的計(jì)算機(jī)。如何徹底了解大腦的結(jié)構(gòu)和功能將是21世紀(jì)的腦科學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、信息和認(rèn)知科學(xué)等交叉學(xué)科共同來(lái)解決的難題。 (vi) 了解活體內(nèi)信息分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和生理調(diào)控的化學(xué)機(jī)理。 (vii) 了解從化學(xué)進(jìn)化到手性和生命起源的飛躍過(guò)程。 (viii) 如何實(shí)現(xiàn)從生物分子biomolecules到分子生命molecular life的飛躍？如何制造活的分子(Make life)，跨越從化學(xué)進(jìn)化到生物進(jìn)化的鴻溝。 (ix) 研究復(fù)雜、開(kāi)放、非平衡的生命系統(tǒng)的熱力學(xué)，耗散和混沌狀態(tài)，分形現(xiàn)象等非線形科學(xué)問(wèn)題。,(4) 化學(xué)的第四世紀(jì)難題：納米尺度的基本規(guī)律,21世紀(jì)的化學(xué)不但要認(rèn)識(shí)世界、改造世界，更要保護(hù)世界,化學(xué)家缺少品牌意識(shí)，沒(méi)有在社會(huì)上樹(shù)立化學(xué)的美好品牌?；瘜W(xué)與化工被認(rèn)為是污染源，這也是中學(xué)生不愿報(bào)考大學(xué)化學(xué)專業(yè)的原因之一。其實(shí)，造成環(huán)境污染的不僅僅是化學(xué)，更重要的是森林破壞，水土流失，沙漠化和沙塵暴，汽車(chē)尾氣排放，煤燃燒，還有微電子工業(yè)等。而分析、監(jiān)測(cè)、治理環(huán)境污染的正是化學(xué)家?；瘜W(xué)家已提出綠色化學(xué)的奮斗目標(biāo)?；瘜W(xué)家不但要認(rèn)識(shí)世界、改造世界，還要保護(hù)世界。,無(wú)機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)方法,基本理論和概念的掌握、概念的關(guān)聯(lián)是學(xué)好無(wú)機(jī)化學(xué)的前提；其中，能量和化學(xué)平衡是主線。 理論的靈活和合理應(yīng)用是學(xué)好無(wú)機(jī)化學(xué)的關(guān)鍵。特別要注意理論的適用范圍，不可亂用、濫用。 元素周期律是學(xué)好元素部分知識(shí)的核心。上下左右元素移位與性質(zhì)的變化規(guī)律須細(xì)心捕捉，求同存異。,