无机化学绪论

无机化学绪论

§1. 化学是一门中心的、实用的和创造性科学

一.什么是化学？

化学是一门试图了解物质的性质和物质发生反应的科学。

物质包括: 自然界存在的一切物质---地球的矿物, 空气中的气体, 海洋中的水和盐; 动植物体内找到的化学物质; 人类创造的新物质.

变化包括: 因闪电而着火的树木; 与生命相关的变化和由化学家发明和创造的新变化.

二化学家的工作

1. 研究自然界, 并试图了解它

2. 创造自然界不存在的新物质, 完成化学变化的新途径

三早期的化学

出于对自然界物质的好奇心, 人们很早就在从自然界分离出纯化学物质方面获得成功, 如: 从花卉和某些昆虫提取染料, 用于作画和染布. 直至19世纪初, 化学家才搞清这些染料的详细化学结构. 人类很早就通过化学反应, 创造出新物质. 最早的当属活性碳和肥皂.

木材加热, 失去水分活性炭

此过程中，由C, H, O 彼此键合的纤维素发生了化学变化, 使氢和氧断裂下来, 生成水而失去, 剩下的碳成为活性炭. 而逆过程不能发生。

脂肪酸 + 碱加热肥皂(脂肪酸盐)

肥皂是非天然产物, 是偶然发现的. 人们用火加热食物, 脂肪滴到木材燃烧后的灰烬(含有一些碱), 而得到肥皂。比活性炭的发现更早。有了早期的随机发现, 人们开始有意识的将物质放在一起加热, 看看会有什么结果发生。最早的合金: 青铜 (约公元前3600年)

Cu + Sn 加热青铜

青铜: 制造工具和武器的主要原料. 造就了青铜时代

铁矿 + 木炭加热 CO + Fe

铁的冶炼, 创造了铁器时代。除了Pt, Au, Ag 等金属可以天然单质存在外, 大多数金属均以类似方法得到, 当然可以得到Cu 和 Sn (温度较低)。古埃及人在公元前1400年就将矿物混合加热, 制造出玻璃。

四化学是中心科学

化学与许多其它科学领域相关, 这些领域包括: 农业, 电子学, 药学, 生物学, 环境科学, 计算机科学, 工程学, 地质学, 物理学, 冶金学等。很多其它相关领域, 化学都起到重要作用。化学家的任务: 制造新药, 保障人类的健康; 生产用于制造住所、衣服和交通的材料; 发明提高和保证粮食供应的新方法, 保障人类的衣食住行。

化学在人类由古代穴居人的野蛮生活进化到现在这样一个文明世界的变化过程中, 起到了"中心"的作用, 使我们不仅可以和自然处于和谐之中, 而且可

以使我们和自己的愿望相吻合。化学家涉足的工业领域如下图：

五化学是实用性和创造性科学

探索自然, 为找出过去并不知道的而且具有实用性的化学物质, 这一过程, 即是为应用而进行的创造. 因而“实用性”和“创造性”是密切相关的。化学家曾从事大量的动植物体中化学物质的分离、提纯和结构测定(创造), 并应用于人们的生产和生活之中(实用). 此类工作目前仍在大量进行。现在, 人们已经开始开展从海洋生物体内分离、提取和提纯化合物, 这些化合物的分离和结构确定, 也体现出化学的创造性。通常, 我们不可能从动植物体中分离得到大量新的药物, 因为这种做法不但破坏性极强, 而且造价昂贵. 取而代之, 化学家用其它简单

化合物, 通过化学合成, 制备出新发现的化合物. 达到大量提供临床应用目的。

有时, 天然化合物的结构可以通过创造性的化学合成而改变, 进而考察性

质方面的改善。大自然并非是世外乐园, 这里有为生存而进行的凶猛战斗。昆虫为生存而吃植物, 有些植物可释放出可以驱赶这些昆虫的化学物质, 同时, 可

通过这种化学物质的气味, 通知附近的同类植物, 有不速之客进犯, 则同类植

物也会释放出这种化学物质. 如此, 达到保护自己和种群的目的. 人们则可以

研究这种化合物的结构, 合成出来, 用于保护我们的农作物. 昆虫也用化学物

质作为求偶时的联络信号. 当我们知道得知是何种化合物后, 就可以人工合成, 用来诱杀, 控制有害昆虫的繁殖。

生物可产生强烈的抗生素, 防止和治疗细菌的侵害; 人们同样可以模仿生物, 合成出这样的抗生素, 用于预防和治疗由细菌感染而引起的疾病。大自然是我们的好老师。

化学中最具有创造性的工作是设计和创造新的分子. 古代炼丹家一生致力

于“加热和振荡”各种混合物, 梦想将铅变成黄金. 它们梦想虽然破灭了, 但却创造了不少有趣的新方法和新物质, 把自己造就成化学家。

§2.无机化学概述

一化学学科的分类

化学科学是最古老和涉及范围最广的学科之一，积累了大量人类的知识, 具有广阔的发展前景。尽管

各化学学科之间的界限不是很分明, 而且各学科之间彼此交叉, 由于研究方法目标和目的不同, 有必要将

化学进行分类。按传统分类, 可将化学分为四大分支: 无机化学, 有机化学, 物理化学和分析化学。

无机化学的内容为化学的基本原理, 化学元素的性质和相关的化学反应. 迄今, 化学元素已经发展为110多种。有一个重要元素, 即为碳 C，构成了化学的另外一个重要分支: 有机化学. 有机和无机的结合, 衍生出有机元素化学或称为金属有机化学. 主要研究有机化合物与金属之间以 C-M 形成的化合物. 此外, 部分碳化学, 包括碳的氧化物, 含氧离子或碳化物等, 属于无机化学研究范畴. 当然, 这里不存在严格的界线, 也无人试图去严格规定这种界线。

详细研究化学的能量变化, 反应机理, 键能, 分子的聚合, 发生的表面和界面的反应等, 可以归属为物理化学。同样, 物理化学和其它化学学科也没有严格的区分界线, 并且许多令人振奋的研究成果往往出现在和其它化学学科的交叉点上。无机化学在与学科交错部位, 同样功不可没. 这些交叉学科包括: 地球化学, 无机生物化学, 材料科学和冶金学(Metallurgy)。分析化学: 包括定性分析和定量测定, 仪器分析等, 是进行化学研究的基础。

二元素的起源和发现

无机化学起源于古代. 在人类早期历史中, 经典的实验带动了新材料的缓慢发展. 古代文明的标志是玻璃和陶器的制造. 通过减少或增加空气的比例, 可以使陶器呈现黑色或红色, 到了公元500年, 不同颜色的釉面和颜色的结合已经达到炉火纯青的地步. 这些发展均可视为无机化学的起源。为获取有用的信息, 不妨回顾一下元素的发现历史。

我们在下表中, 也许会得到某种启发。

各元素是随着年代时间的推移而逐步发现的。1750年之前，对"化学"发展的促进, 主要为中国和印度. 化学的发展十分缓慢。1750年之后, 由于进行了大量有目的的研究, 现代化学的基本理念已经形成。1750年至1950年, 在化学的理论和技术也得到了长足的进步的同时, 发现了大量的新元素. 如: 18世纪, 气体研究;19世纪初, 活泼金属的电解法制备; 以及在5年之中对于稀有气体的识别; 1940年的十年, 发现