化學觀覽

夏順麗 王麗娜

[摘要] 化學是研究物質的組成、結構、性質、變化和應用的科學。本文闡述了化學的發展歷程,從化學的萌芽、中興、升華,到化學學科的分類進行了詳細的論述。這對于我們了解化學的發展歷程,認識化學理論體系的形成,知道其對人類社會的影響,都有及其重要的作用。

[關鍵詞] 化學 萌芽 發展 學科分類

化學是研究物質的組成、結構、性質、變化和應用的科學。世界是由物質組成的,化學則是人類用以認識和改造世界的主要方法和手段之一,它是一門歷史悠久而又富有活力的學科,它的發展是人類社會文明的重要標志。人類生活水平的不斷提高,化學所起的作用功不可沒。

一、化學的萌芽

原始人類從用火之時便開始了用化學方法認識和改造天然物質。燃燒就是一種化學現象。人類開始吃熟食;并逐步學會了制陶、冶煉、釀造、染色等工藝。這些由天然物質加工改造而成的制品,成為古文明的標志。并因此萌發了古代實用化學。

古人曾據物質的某些性質對物質進行分類,并提出了陰陽五行學說,認為萬物是由金、木、水、火、土五種基本物質組合而成的,而五行則是由陰陽二氣相互作用而成的。用“陰陽”這個概念來解釋自然界兩種對立和相互消長的物質勢力,認為二者的相互作用是一切自然現象變化的根源。此說法是樸素的唯物主義自然觀。希臘也提出了火、風、土、水四元素說和古代原子論。后來在中國出現了煉丹術,也因此創造了各種實驗方法,如研磨、混合、溶解、結晶、灼燒、熔融、升華、萃取、密封等,并逐步演化為近代化學。

二、化學的中興

16世紀開始,歐洲工業生產蓬勃興起,推動了醫藥化學和冶金化學的創立和發展,繼而更加注重了物質化學變化本身的研究,進而建立了科學的氧化理論和質量守恒定律,為化學進一步科學化的發展奠定了基礎。

19世紀初,近代原子理論突出強調了各種元素的原子的質量為其最基本的特征,其中量的概念的引入,是與古代原子論的一個主要區別。近代原子論使當時的化學知識和理論得到了合理的解釋。分子假說的提出,原子分子學說的建立,為物質結構的研究奠定了基礎。門捷列夫發現元素周期律后,不僅初步形成了無機化學的體系,并且與原子分子學說一起形成了化學理論體系。

草酸和尿素的合成、苯的六元環狀結構和碳原子四價學說的創立、酒石酸拆分成旋光異構體,以及分子的不對稱性等的發現,使得有機化學結構理論得以建立19世紀下半葉,熱力學等物理學理論介入化學之后,不僅澄清了化學平衡和反應速率的概念,還定量的判斷了化學反應中物質轉化的方向和程度。相繼建立了溶液理論、電離理論、電化學和化學動力學理論。物理化學的誕生,把化學從理論上提高到一個新的水平。

三、化學的升華

由于受自然科學和其他學科發展的影響,在無機化學、分析化學、有機化學和物理化學四大分支學科的基礎上產生了新的化學分支學科。在結構化學方面,由于電子的發現確立了現代的有核原子模型,不僅豐富和深化了對元素周期表的認識,而且還發展了分子理論。應用量子力學研究分子結構,從而產生了量子化學。從氫分子結構的研究開始,逐步揭示了化學鍵的本質,先后創立了價鍵理論、分子軌道理論和配位場理論。研究物質結構的譜學方法也由可見光譜、紫外光譜、紅外光譜擴展到核磁共振譜、電子自選共振譜、光電子能譜、射線共振光譜、穆斯堡爾譜等。

在化學反應理論方面,由于對分子結構和化學鍵認識的提高,經典的、統計的反應理論進一步深化,在過渡態理論建立后,逐漸向微觀的反應理論發展,用分子軌道理論研究微觀的反應機理,并逐漸建立了分子軌道對稱守恒定律和前線軌道理論。分子束、激光和等離子技術的應用,使得對不穩定化學物種的檢測和研究成為現實,從而實現了化學動力學從經典的、統計的宏觀動力學到單個分子或原子水平的微觀反應動力學的升華。

分析方法和手段是化學研究中經常使用的。一方面,分析方法的靈敏度不斷提高,從常量組分分析發展到微量、痕量組分分析;另一方面,許多新的分析方法,可深入到結構分析、構象測定、同位素測定、各種活潑中間體(如自由基、離子基、卡賓、氮賓、卡拜等)的直接測定,甚至到對短壽命亞穩態分子的檢測。分離技術也在不斷革新,如離子交換、膜技術、色譜法等。

物質合成是化學研究的目的之一。在無機合成方面,首先是氨的合成。氨的合成不僅開創了無機合成工業,而且帶動了催化化學,發展了化學熱力學和反應動力學。后來相繼合成的有紅寶石、人造水晶、硼氫化合物、金剛石、半導體、超導材料和二茂鐵等配位化合物。

在電子技術、核工業、航天技術等現代工業技術的推動下,各種超純物質、新型化合物和特殊需要的材料的生產技術都得到了較快發展。稀有氣體化合物的成功合成又向化學家提出了新的挑戰,需要對零族元素的化學性質重新加以研究和認識。無機化學在與有機化學、生物化學、物理化學等學科的相互滲透中產生了有機金屬化學、生物無機化學、無機固體化學等新興學科。

酚醛樹脂的合成,開辟了高分子科學領域。20世紀30年代聚酰胺纖維的合成,使得高分子的概念得到廣泛的確認。各種高分子材料合成和應用,為現代工農業、交通運輸、醫療衛生、軍事技術,以及人們的衣食住用行各方面,提供了多種性能優異而成本較低的重要材料,成為現代物質文明的重要標志。20世紀是有機合成的黃金時代?；瘜W的分離手段和結構分析方法已經有了很大發展,許多天然有機化合物的結構問題紛紛獲得圓滿解決,同時還發現了許多新的重要的有機反應和專一性有機試劑,在此基礎上,精細有機合成,特別是在不對稱合成方面取得了很大進展。一方面,合成了各種有特種結構和特種性能的有機化合物;另一方面,合成了從不穩定的自由基到有生物活性的蛋白質、核糖核酸等生命基礎物質。有機化學家還合成了結構復雜的天然有機物和特效藥物。所有這些成就對促進高分子學科的發展起到了巨大的推動作用,為合成有高度生物活性的物質,解決有生命物質的合成問題,提供了有利條件。

20世紀以來,化學發展的趨勢可以歸納為:由宏觀向微觀、由定性向定量、由穩定態向亞穩定態發展,由經驗上升到理論并應用于實踐。

四、化學學科的分類

化學在發展過程中,依照所研究的分子類別和研究手段、目的、任務的不同,從傳統的無機化學、有機化學、物理化學和分析化學四個基礎分支過渡到無機化學、有機化學、物理化學、生物化學、高分子化學、應用化學和化學工程學等七大分支學科。還有與化學有關的邊緣學科,如地球化學、海洋化學、大氣化學、環境化學、宇宙化學、星際化學等。

化學的發展體現在兩方面:一方面,為生產和技術部門提供盡可能多的新物質、新材料;另一方面,在與其它自然科學相互滲透的進程中不斷產生新學科,并向探索生命科學和宇宙起源的方向發展。

參考文獻:

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[2]謝協忠.水分析化學.河海大學出版社,2003.

[3]董敬芳.無機化學.化學工業出版社,2002.

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