诺贝尔化学奖百年史话第二章无机化学

Chemistry is sometimes called the central science because it bridges other natural sciences, including physics, geology and biology.
化学
• 化学是自然科学的一种，在 分子、原子层次上研究物质 的组成、性质、结构与变化 规律；创造新物质的科学。
1.稀有气体的发现
惰性气体的活性
• 在加拿大工作的英国年轻化学家巴特列特 （N．Bartlett）一直从事无机氟化学的研究。
• 1962年，巴特列特首先用PtF6与等摩尔氧气 在室温条件下混合反应，得到了一种深红色 固体： O2+PtF6→O2PtF6 六氟合铂酸氧
这是人类第一次制得O+2的盐。 将PtF6的蒸气与等摩尔的氙混合：
该方法由于腐蚀严重，使得氟气的 成本很高，每制得1g的氟气，须消 耗5-6g的铂，代价十分昂贵
2.制备最活泼的非金属单质—氟
• 1925年，Lebeou及Damiens使熔融 KF.3HF（熔点65.8℃）作电解质， 镍作阳极制氟。
• 1942年，G.H.Cady使用分子式为 KF.2HF的电解质，阳极材料为镍 或碳的电解槽制得F2。电解温度 控制在80-100℃，称之为中温法。
1.稀有气体的发现
• 拉姆塞从小喜欢大自然，极善音律，爱读书也爱收藏书， 而且很喜欢学习外语。
• 14岁时被格拉斯哥学院破格录取为大学生。 • 1870年，大学毕业去德国海德堡拜本生为师继续学习。 • 由本生推荐到蒂宾很大学继续深造，获博士学位。 • 1872一1880年问，拉姆塞在格拉斯哥学院任教职 • 1880年被布里斯托尔学院聘为化学教授 • 1882年任该学院院长 • 1888年被选为英国皇家学会会员 • 1895年获戴维奖章，同年还被选为法国科学院院士 • 1911年担任英国科学促进协会主席。
第二章 无机化学
本章内容
2.1 稀有气体的发现 2.2 制备最活泼的非金属单质——氟 2.3 α、β、γ射线与蜕变理论 2.4 放射化学的鼻祖 2.5 氚和重水的发现 2.6 发现人工放射性元素 2.7 元素发现史上的奇才 2.8 无机氧化还原反应机理 2.9 足球分子——富勒烯
Chemistry
• 1874年到巴黎药学院台赫伦教授的实 验室工作，1877年才获得理学士学位， 后来又取得了高级药剂师的资格。
2.制备最活泼的非金属单质—氟
• 1529年阿格里柯拉利用萤石 （氟化钙）作为熔矿的熔剂。
• 1670年，施万哈德家族利用 萤石与硫酸的反应所产生的 气体能腐蚀玻璃。
• 1768年马格拉夫德对萤石进 行了研究，萤石并不是一种 硫酸盐。
• 1894年拉姆塞和瑞利宣布发现了一 种惰性气体，定名为氩（Argon）， 即“懒惰的气体”。
1.稀有气体的发现
• 氩气保护气：焊接精密零件或活泼金属、制造半导 体晶体管；原子能反应堆的核燃料钚机械加工；电 灯泡里充氩气。
• 飞艇及气球都采用氦气替代氢气。 • 氖灯：机场、港口、水陆交通线的灯标上。 • 霓虹灯：灯管里充入氖、氩、氦、水银蒸气的混合
• Chemistry is a branch of physical science that studies the composition, structure, properties and change of matter.
• Chemistry includes topics such as the properties of individual atoms, how atoms form chemical bonds to create chemical compounds, the interactions of substances through intermolecular forces that give matter its general properties, and the interactions between substances through chemical reactions to form different substances.
1.稀有气体的发现
• 1868年，天文学家在太阳的光谱中发现一 条特殊的黄色谱线D3，这和早已知道的钠 元素的D1和D2两条黄色谱线不同，由此预 言在太阳中可能有一种未知元素存在。后 来将这种元素命名为“氦”。
• 1895年，美国地质学家希尔布兰德观察到 钇铀矿放在硫酸中加热会产生一种不能自 燃、也不能助燃的气体。他认为这种气体 可能是氮气或氩气，但没有继续研究。
• 为了制备出单质氟，前后 一共经历了六、七十年的 时间。不少化学家为之损 害了健康，甚至献出了自 己的生命，可以称得上化 学发展史中一段悲壮的历 程。
氟元素的单质是F2，它是一种淡黄色， 剧毒的气体。氟气的腐蚀性很强，化 学性质极为活泼，是氧化性最强的物
质之一，甚至可以和部分惰性气体在 一定条件下反应 。氟是特种塑料、橡
• 拉姆塞用钇铀矿重复了这一实验，得到少 量气体。在用光谱分析法检验，意外地发 现一条黄线和几条微弱的其他颜色的亮线。
1.稀有气体的发现
• 拉姆塞研究方法：让空气在红热的 镁上通过，让镁吸收空气中的氧和 氮。经过反复作用，原空气体积的 79/80都已被吸收，只余下1/80。
• 起初，拉姆塞认为余下的气体是氮 的一种变种，但经过精密的光谱分 析发现原来人们不知道的红色和绿 色各种谱线，经克鲁克斯分析，剩 余气体的谱线多达200余条。
物 • 荧光灯：水银和氩气，荧光物质（如卤磷酸钙）。 • 氦-氖激光器：近红外光，用于测量和通讯。 • 液态氦的沸点为-269℃，接近绝对零度（-273.15℃） • 氦气代替氮气作人造空气，供探海潜水员呼吸
1.稀有气体的发现
• 氩气经高能的宇宙射线照射后电离，人造地球卫 星计数器。
• 氪吸收X射线，可用作X射线工作时的遮光材料。 • 氙灯具有高度的紫外光辐射，可用于医疗 • 氡，衰变时放出的α粒子与铍原子核进行核反应，
自然界 已有的 元素共 109种， 其中94 种存在 于自然 界，15 种是人 造的。
无机化学
诺贝尔化学奖学科分布
研究领域 1901-1920 1921-1940 1941-1960 1961-1980 1981-2005
物理化学
6
4
4
3
4
生物化学
1
7
6
8
9
无机化学
5
2
3
1
3
有机化学
4
0
1
5
6
分析化学
Xe+PtF6→XePtF6 六氟合铂酸氙 2XePtF6+6H2O→2Xe↑+O2↑+2PtO2+12HF • XeF4、XeF2、XeF6。。。。。。
1.稀有气体的发现
• 威廉·拉姆塞(William Ramsay)，英国 化学家。
• 1852年10月2日生于苏格兰。
• 因发现氦、氖、氩、氙、氡等气态惰性 元素，并确定了它们在元素周期表中的 位置，而获得1904年诺贝尔化学奖。
• 1852年10月2日生于英国的格拉斯哥。他 的父母结婚时，都已年近四十，没想到 第二年就生下小拉姆塞。
• 拉姆塞的父母都是善良聪明的苏格兰人， 家庭幸福美满，他们努力使拉姆塞受到 良好的教育。
格拉斯哥（Glasgow）， 人口58万，是苏格兰最 大城市，英国第三大城 市。
1852.10.2-1916.7.23
1.稀有气体的发现
• 稀有气体或惰性气体是 指元素周期表上的18族 元素（IUPAC新规定， 即原来的0族）。
• 在常温常压下，它们都 是无色无味的单原子气 体，很难进行化学反应。
• 天然存在的稀有气体： 氦（He）、氖（Ne）、 氩（Ar）、氪（Kr）、 氙（Xe）和具放射性的 氡（Rn）。
Ar Argon 1894 瑞利与蓝塞发现 He Helium 1895 蓝塞与特拉弗斯发现 Kr Krypton 1898 蓝塞与特拉弗斯发现 Ne Neon 1898 蓝塞与特拉弗斯发现 Xe Xenon 1898 蓝塞与特拉弗斯发现 Rn Radon 1908 蓝塞与索迪发现
• 世界由物质组成，化学则是 人类用以认识和改造物质世 界的主要方法和手段之一。
• 历史悠久而又富有活力的学 科，它的成就是社会文明的 重要标志
• 化学中存在着化学变化和物 理变化两种变化形式。
化学
无机化学
• 无机化学是除碳氢化合物及其衍生物外，对所有元素及其 化合物的性质和它们的反应进行实验研究和理论解释的科 学，是化学学科中发展最早的一个分支学科。
1.稀有气体的发现
稀有气体在高压电场下发光
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ稀有气体的发现
• Helium，希腊文，意为太阳 • Neon，希腊文，意为新 • Argon，希腊文，意为懒惰者 • Krypton，希腊文，意为隐藏 • Xenon，希腊文，意为陌生 • radon，希腊文，意为发光
1.稀有气体的发现
稀有气体（rare gases，氩气（Ar, argon）在 地球大气层的含量占0.9%，胜过二氧化碳；氦 气（He, helium）在地球大气层的含量确实很 少，但在宇宙却是相当充沛，占有25%，仅次于 氢。
• 铂制的曲颈甑中蒸馏氟氢酸钾KHF2 以制取无水氟化氢。
• 铂制的U形管做电解容器；用铂铱 合金做电极，并用氯仿做冷却剂 将无水氟化氢冷却到-23℃进行电 解。
• 1886年6月26日莫瓦桑在电解氟化 氢时，在阳极部分产生了氟气。
• 分子比1:12的氟化钾和无水氟化 氢熔融液
• 莫瓦桑在研究氟的制备和氟的化 合物上卓有成就而获得1906年诺 贝尔化学奖
• ClF3与BrF3可作火箭燃料的氧化剂； • 制杀虫剂与灭火剂；
• 氟代烃可用于血液的临时代用品；
• 氟化物玻璃（含有ZrF4、BaF2、NaF）的透明 度比传统氧化物玻璃大百倍，即使在强辐射 下也不变暗，制成光导纤维比SiO2效果大百 倍；
• 1813年戴维曾经尝试利用电 解氟化物的方法制取单质氟。
萤石（Fluorite），又称氟石，氟 化钙（CaF2） ，Ca常被Y和Ce等稀 土元素替代，Fe2O3 ，SiO2和微量 的Cl，O3，He等。
世界萤石在中国，中国萤石在浙江，浙江萤石在金华，金华萤石在武义。 蕴藏量约4000万吨。
2.制备最活泼的非金属单质—氟
可用作实验室的中子源。 • 氡还可用作气体示踪剂，用于检测管道泄漏和研
究气体运动。 • 氦改善哮喘患者的呼吸 • 氙在脂质中的高溶解度成为一种麻醉剂。 • 氙，超极化核磁共振成像
2.制备最活泼的非金属单质—氟
• 在化学元素发现史上，持 续时间最长的，参加的化 学家人数相当多的，危险 很大的，莫过于元素氟的 制取了。
0
3
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应用化学
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高分子化学 0
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合计 21 31 14 16 9 3 3
(1)生物化学是获奖届数最多的领域。 (2)虽然现在的科研成果都是为实际应用服务的,但是纯粹的化学应用技术的获奖已经几乎没有了。 (3)高分子化学是新兴的领域。 (4) 化学研究有边缘化、各领域间相互交叉的发展趋势。
• 现代制氟工业一般采用中温型电 槽。为了贮存、运输安全，以氟 化物（如六氟化硫和六氟化铀等） 为最终产品。电解制氟，现制现 用。
2.制备最活泼的非金属单质—氟
• 制取UF6（g，分离出铀的同位素； • 合成氟利昂（ Freon ）等冷却剂；
• 制氟化试剂（二氟化氙等）以及金属冶炼中 的助熔剂（冰晶石等）等；
胶和冷冻机（氟氯烷）中的关键元素。
2.制备最活泼的非金属单质—氟
• 亨利·莫瓦桑于1852年9月28日出生在 巴黎，家境清寒，中途辍学。
• 二十岁时到巴黎一家药房学徒，由于 喜爱化学，在实际工作中获得了许多 化学知识，并且曾经利用自学的知识 救活过一位企图服砷自尽的人。
• 1872年他在法国自然博物馆馆长和工 艺学院教授雷米法的实验室学习化学；
惰性气体（又称钝气，inert gases），最近的 研究指出他们是可以和其他元素结合成化合物 （稀有气体化合物
贵重气体（又称贵族气体、贵气体或高贵气体， noble gases），这个称呼是源自德语的 Edelgas所翻译来的，是由雨果·埃德曼于1898 年所定名。
rare gases inert gases noble gases