书城教材教辅中学理科课程资源-追溯化学发展
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第16章 无机化学(1)

现代化学部分

回首化学发展的历程,从史前的实用技术阶段到以原子—分子论为代表的近代化学阶段,以至以现代科学技术为基础、物质结构理论为代表的现代化学阶段,化学对人类发展所起的重要作用一直是没有改变的。

早期的化学只是一门实用技术,在这一方面我国长期处于世界的领先地位。我国的四大发明有两项是化学的成就,我国的烧瓷技术世界闻名。精美的青铜制品世上罕见,以上这些对世界人类的进步起到了重要的推动作用。

在对药物化学和冶金化学的广泛探究下产生的原子—分子学说,使化学从实用技术跨入了科学之门。此后,人们又发现了大量元素,同时揭示了物质世界的根本性规律——元素周期律。现代物质结构理论的建立,使物质世界的秘密进一步揭开,合成物质大量出现,这标志着化学迈入了一个新的殿堂——化学发展的现代部分。

化学理论的发展又进一步促进了应用化学的发展;化学与其他学科之间的渗透,促进了材料、能源等科学的发展。化石能源是有限的,提高燃烧效率,开发新能源需要化学;保护人类居住的环境需要化学;提高农作物产量,解决吃饭问题需要化学;维护人体健康更离不开化学。我们不难看出在社会发展中,化学所起的作用是其他学科无法取代的。

化学发展到现代部分,为了满足人类的不同需求,而有了的分支,出现了以研究无机物为主的无机化学,以研究有机物为主的有机化学以及物理化学和分析化学四个分支。

到了20世纪20年代后,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、无机固体化学、配位化学、生物无机化学、有机金属化学等

有机化学:天有机化学、一般有机化学、有机合成化学、金属和非金属有机化学、物力有机化学、生物有机化学、有机分析化学。

物理化学:化学热力学、结构化学、化学动力学、分门物理化学。

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。

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。

其他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、绿色化学、宇宙化学、星际化学等。

现在化学的研究水平更向微观层次发展,出现了更细致的分支。学习化学发展的历史,目的在于了解科技的巨大作用的同时,了解他它目前的状况,以为我们以后的研究起到基础的作用。所以我们将要从介绍现代化学的各个分支,来解读化学,追寻化学。

无机化学主要研究无机物的组成、性质、结构和反应。无机化学的研究范围极其广阔,且因化学科学开始时的研究对象多为无机物,所以近代无机化学的建立,实际上标志着近代化学的创立。化学中最重要的一些概念和规律,如元素、化合、分解、定比定律和元素周期律等,大都是在无机化学早期发展过程中发现和形成的。从化学的发展过程来看,无机化学是化学的基础。一些其他化学分支学科是在这一基础上分化出去和成长起来的。

早期的无机化学研究重点是分门别类地耕耘周期表。重点放在各种无机化合物的提取、制备、化学性质、应用和宏观规律的建立上。自第二次世界大战以后,由于原子能技术、计算机与通讯技术等的发展,大大推动了无机化学的发展。无机化学的现代化始于化学键理论的建立和新的物理方法的出现。使无机化学的研究能够将物质的宏观性质和反应与其微观结构相联系。到了20世纪50年代初,国际上无机化学进入蓬勃发展时期。其标志之一是二茂铁的合成及其结构的确定。从而进入所谓无机化学的“复兴”时期。出现了很多新概念、新理论、新反应、新方法和新型结构的化合物。

无机化学的衰落和兴起

从1900年到第二次世界大战爆发止,无机化学一直处于萧条状态。许多人认为无机化学缺乏系统性,既不严谨又缺乏逻辑性,无机化学家们所做的也不过是对一些毫不联系的事实的呆板无味的研究;像J·W·密勒的《无机及理论化学综论》和盖墨林—克劳特的《无机化学手册》之类的著作,也只是许多冗长资料的汇总集;在周期表用作统一图表的同时,各个元素的性质却相当无规律,以致降低了周期表作为日常工具的价值。

维尔纳的贡献本应成为无机化学家们重振旗鼓的转折点,但在他的一生中这些贡献却未带来那种影响。一方面,他的贡献涉及范围太广,使许多人误认为没有什么要做的事情了;另一方面,配位化合物的复杂性质使得其他一些人感到,无法用一种重大的系统方法来处理它们。这种态度在电子概念提出以前,由于解释主副价时所引起的问题而变得严重了。缺乏一种完善的化学成键理论,成为了无机化学家是一个极为不利的障碍。有机化学家处理的是大量只含有限数目元素的化合物,因而在处理这些分子的结构时获得了很大成功。而无机化学家处理的是含有各种各样元素的化合物,因而要提出一种有用的结构理论是极其困难的。

用X线衍射技术来研究晶体结构,这为无机化学家提供了一种重要工具,但是大量的工作需要进行衍射图谱的数学分析,因此这种技术也只限于较简单的化合物。只是由于采用了高速电子计算机才使得进行络合物的广泛结构分析变得实际可行。

化合的电子概念在无机化合的作用研究中取得了很大进展,特别是在把鲍林和其他人的量子力学原理应用于化学问题时更是这样。例如,19世纪50年代法拉第就测定了磁化率,但磁化现象却是在把量子力学用于将磁化率和未成对电子数联系起来之后才得到满意的理论解释的。

20世纪30年代,无机化学又重新引起了人们的关注,但真正显示这一化学领域的重要性的却是战时问题所带来的刺激。原子核能的发展提出了一些有关许多元素的性质问题。这些问题是通过曼哈顿工程所进行的深入研究解决的。

第二次世界大战以来,大学和工业方面对无机化学的兴趣并没减退。大战前,大多数化学家所受的无机化学训练并不比在大学普通化学入门课中所受的训练多,目前则需要高等无机化学课程。这些课程涉及结构概念(成键、立体化学)和反应(产物、热力学、动力学)方面的内容。

20世纪30年代,研究工作者们开始和传统化合物一样考虑不常见氧化态和未知氧化态元素的化合物。他们证实,氧化态为1和0的过渡元素相当普遍。维尔纳及其同事对过渡元素与水、氨和胺以及与氯离子、氰离子和硫氰离子形成的配位络合物进行了广泛的研究。后来的工作者成功地制备了这些元素与乙烯、环戊二烯和苯那样一些配体所形成的络合物以及金属夹心化合物。这些元素所形成的螯合物使人们深入了解了像叶绿素和血红蛋白那样一些天然物质的性质,并提出了一种在软化水和除去工业用液体中有害离子方面具有实用价值的键合形式。

1900年以后,各种极少为人所知的元素的化学开始受到相当大的注意。有人已对无机态硅和与有机基团化合的硅做了许多工作。斯托克、施莱辛格和其他人集中研究了硅和硼的氢化物;对氟及其化合物也进行了广泛研究。放射性同位素的出现刺激了无机化学研究。利用放射性同位素和氘那样的稳定同位素可以进行结构、平衡过程和反应机理的研究。

当前无机化学的发展有两个明显趋势。一是在广度上拓宽,在化学科学范围内与有机化学相互渗透,形成元素有机化学、金属有机化学;与物理化学大面积交叉而形成物理无机化学;在化学学科之外,与材料科学结合,形成固体无机化学和固体材料化学;向生物化学渗透形成生物无机化学。因此,与数十年前相比较,无机化学学科面目已大为改观。另一个特点是深度上的推进。在无机化学研究中现在广泛采用物理学和物理化学的实验手段和方法,深入到原子、分子和分子聚集体等层次去弄清物质的结构及其与性能的关系,化学反应的微观历程和宏观化学规律的微观依据。