第2章 什么的化学和化学的什么

2.1 什么的化学

2.1.1 无机化学

无机化学是研究无机化合物的组成、结构、性质、互相转变规律及应用的科学。“无机”两字来源于早年认为这些化合物是无生命物质中提取和制得的。现在从化合物的组成和结构上分成两大类：有机化合物和无机化合物。将碳氢化合物及其衍生物称为有机化合物，其他都归入无机化合物，包括单质、简单的含碳化合物（如一氧化碳、二氧化碳、碳酸盐、碳化物等）和各种元素间形成的化合物。生命物体中包含有大量的无机物，例如人体中水占60%—70%，水是无机物。随着无机化学研究范围不断扩展并与其他学科交叉、渗透，形成了元素化学、无机合成化学、配位化学、有机金属化学、生物无机化学、无机固体化学、原子簇化合物化学、超分子化学等次级学科。无机化学的研究对资源的开发利用、环境保护、新材料的开发、生命科学的研究等都具有重大意义。下面以元素化学、锂化学和稀土元素化学为例加以说明。

1．元素化学

元素化学是按元素周期表中元素的排列，分族或对某些个别元素进行研究的化学。例如碱金属元素化学是研究锂、钠、钾、铷、铯和钫等六个元素的通性及每个元素的特性的化学。由于同族元素有许多相似之处，联系在一起讨论，容易理解它们的结构和性质的规律。这族金属元素单质的熔点和沸点都较低，都是电的良导体，都可溶于液氨。它们外层价电子都排布在s轨道上，成为ns1（n=2,3,4,5,6,7），都容易丢失1个电子成一价正离子，都是强还原剂，化学性质活泼，容易和卤素、水和氧气等进行化学反应。由于随着周期数n加大，原子半径加大，电离能依次降低，原子的电负性也依次减小，化学活泼性增大，金属性增强。一价正离子M+（M表示金属）的离子半径随n的增大而加大，在分离时，可选择孔穴大小不同的冠醚进行络合分离，提取含量较稀少的锂、铷和铯，作为贵重的特种材料，提供给新兴的产业部门使用。

2．锂化学

锂（Li）是最轻的碱金属，水溶液中Li+/Li电极的标准电势为-3.04 V。故锂电池质量轻、电压高，自放电少，低温性能较好，比较理想，已制成各种电池、蓄电池、热电池等。锂电池已成为绿色无碳排放的主要车用能源。将锂和碘（I）组成一种固体电解质电池，负极为金属锂，正极为碘加聚（2-乙烯基吡啶），电解质为固态的LiI。LiI的电导率很低（室温下约10-7S/cm），在电池制作时并不加入，它是Li与碘发生反应后在原位产生的，故LiI层极薄，足以维持一定的电流。因该电池是固态的，无气、液泄漏等问题，寿命长达十余年，安全、可靠，特别适用于心脏起搏器作电源，早已商品化。随着信息产业和航空、航天事业的发展，制造锂电池、锂合金所涉及的锂化学，吸引着人们的关注。

3．稀土元素化学

稀土元素包括15个镧系元素：镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nb）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu）以及钪（Sc）和钇（Y）共17个第3（3B）族元素。化学家和物理学家共同测定镧系元素价层电子结构为4f0～145d0—16s2，钪为3d1 4s2，钇为4d15s2。原子电子组态的相似性，使它们（钷除外）在光、电、磁的物理性质有着共同的特点，成为制作各类材料的宝贵物品。现今信息产业、航空航天工业以及许多涉及高科技的产业都需要含有稀土元素制作的材料和元器件。例如，高速铁路所用钢轨，要加入稀土金属提高它的机械性能和抗腐蚀性能；航空航天所用的轻质合金，需添加少量稀土元素，增加机械强度和抗疲劳性能；稀土永磁材料是重要的功能材料，广泛地用于能源、交通、家电、信息、医疗和机械各种行业。纯粹的单一稀土元素，广泛用于光、电、磁相关领域的产品，如电视机、激光器、控制器等元器件中，电视屏幕上的红色荧光粉，常用铕和钇的氧化物制得，它发光效率高、性能稳定；铽和铈用以制造绿色荧光粉。镝灯具有亮度大、色泽好、体积小、电弧稳定等特点，用于电影和印刷等照明光源。掺铒的激光器，激光波长范围窄、光强高，性能优良，应用于光纤通讯。稀土元素在化学工业中是重要的催化剂，用于化工生产中的许多反应，在汽车尾气净化处理的装置中，加入铈可使尾气中的一氧化碳和氧化氮的含量减少。

我国在世界上蕴藏稀土元素最为丰富，经化学家的努力，提高了冶炼和分离的技术，我国已成为生产混合稀土元素和单一稀土元素的大国，其中徐光宪教授发明的串级萃取分离稀土元素的工艺，为高效地从混合稀土元素中分离出单一稀土元素作出重大贡献。随着高新技术高速发展，许多热点问题都涉及和稀土元素相关的材料，为稀土元素化学的发展提供了重大的机遇。有关稀土金属化学的进一步讨论，请参看2.2.2节。

化学是什么？化学是充分利用祖国蕴藏的资源，将它开发、分离、提纯，为祖国的现代化建设提供宝贵的材料。

2.1.2 有机化学

有机化学是研究有机化合物的来源、合成方法、组成、结构、性能、应用及有关理论的一门基础学科。

有机化合物简称有机物，指碳氢化合物及其衍生物。早期已知的有机物都是从生物体得到的，认为有机物只有在生物的细胞中受“生命力”的作用才能产生出来，对有机物的产生带有神秘的色彩。自1828年人工合成尿素后，有机合成得到迅速发展，“生命力”的观点逐渐失去影响，有机物和无机物之间的界线也随之消失。但历史上和习惯上沿用的“有机”这个名词，仍广泛地在化学中使用。在已知的由制备和分离所得的化合物品种中，有机化合物约占90%。据地球化学测算元素丰度得知，碳在地壳中的含量按质量计只占0.027%，数量很少，况且其中的99.7%以煤、甲烷和碳酸盐的形式存在，0.2%在大气中以二氧化碳和甲烷出现，剩余不到0.1%的碳构成地球上全部生命物种的主要物质基础，即有机化合物。碳能以很少的数量构成种类达数千万种的有机化合物，关键在于碳原子间能形成丰富多彩的化学键。由于单质的成键规律，在一定的程度上由这些元素所形成的化合物中得到继承。根据碳的三种晶态异构体的结构特征和成键规律，可将有机化合物分成三族，如下表所示。

脂肪族化合物通式RX中，R是脂肪烃基团，其中除饱和脂肪烃基团外，还包括烯和炔等不饱和脂肪烃基团，X为置换H原子的各种基团。它的典型代表是烷烃（CnH2n+2），它的结构特征是由四面体取向成键的碳原子连接而成。芳香族化合物通式ArX, Ar为芳香烃基团，X为置换H原子的各种基团。它的典型代表是苯（C6H6），它的结构特征是由多个按平面三角形成键的碳原子相互形成离域键，使它具有芳香性。球碳族化合物通式为FuX, Fu为球碳基团，X为加成于球面上和包合在球体内部的各种基团。它的典型代表是含C60基团的化合物。球碳基团的结构特征是由球面形成键的碳原子组成三维封闭的多面体。另外球碳分子和其他试剂反应产生的各种开口多面体化合物，也属球碳化合物。

有机化学包括天然产物化学、有机合成化学、物理有机化学、元素有机化学、高分子化学、有机分析化学、生物有机化学、燃料化学等。有机化学与人的物质生活、工农业生产、医药卫生有密切关系，对药物、农药、染料、香料、炸药、食品与营养素、高分子材料、高能燃料、石油与煤化学、日用品化学、农副产品利用等的发展起了奠定基础的作用，对发展经济、改善生活有极其重要的意义。复杂生命现象的研究对象主要是有机分子，因此有机化学的深入研究也为研究生物活性物质与解决生命科学的课题提供必要的基础与条件。

生物有机化学是应用有机化学的理论和方法研究生命现象的化学本质，是当前非常活跃的前沿领域。它的主要研究对象是核酸、蛋白质和多糖三类生物大分子以及参与生命过程的其他有机分子，它们是维持生命运转的最重要基础物质。生物有机化学研究的前景广阔无比，粗略地归纳一下重要的有下列几个方面：

（1）从生物体中分离、提取得到的生物大分子化合物的序列分析和鉴定、测定结构和构象，了解它的性质和功能。

（2）从生物体中得到的有机小分子的组成、结构和性能，并进行人工合成及其应用的研究。特别注意含量很低而活性很高的那些物种。

（3）生物膜化学和信息传递的分子的化学。

（4）生物催化的机理及体系模拟的化学。

（5）光合作用中的化学问题。

2.1.3 分析化学

分析化学是研究分析方法及相关原理的学科，根据化学和物理学的原理，应用各种方法和仪器，用以鉴别和测定物质的化学组成、结构、存在形式及有关组分的含量等，即对物质进行表征和测量的科学。按其任务可分为定性分析、定量分析和结构分析。定性分析是确定组成物质的各组分“是什么”，定量分析是确定物质中被测组分“有多少”，结构分析是确定物质各组分的结合方式及其对物质化学性质的影响。按分析方法分为化学分析和仪器分析。

化学分析是指利用化学反应和它的计量关系来确定被测物质的组成和含量的一类分析方法，测定时需使用化学试剂、天平和一些玻璃器皿，它是分析化学的基础。20世纪40—50年代以来，由于物理学和电子学的发展，促进了仪器分析的快速发展，使分析化学从以化学分析为主的经典分析化学转变为以仪器分析为主的现代分析化学。

仪器分析是现代分析化学的重要组成部分。使用比较复杂或特殊的仪器设备，通过测量能表征物质的某些物理或物理化学性质的参数及其变化，来确定物质的组成、成分含量及化学结构等的一类分析方法。包括光学分析、电化学分析、色谱分析、热分析、放射化学分析以及质谱法和能谱法。仪器分析的产生为分析化学带来了革命性的变化，它具有下面的优点：

（1）灵敏度高，样品用量由化学分析的mL、mg级降低到仪器分析的μL、μg量级，适用于微量、痕量和超痕量成分的测定。

（2）选择性好，很多仪器分析方法可以通过选择或调整测定的条件，使共存的组分在测定时不产生干扰、不必分离除去。

（3）操作简便、分析速度快、易于实现自动化，进行在线测定，便于及时反映和指导生产操作。在仪器分析化学中，化学传感器十分重要。

化学传感器是模仿人类感觉器官的人造仪器。它根据需要制造出对某些化学物种敏感，并能将其浓度转换为电信号进行检测，类似于人的嗅觉和味觉器官。例如一氧化碳传感器可检测居室或车间中一氧化碳的浓度，其检测灵敏度可低至百万分之几，远低于空气中允许存在的一氧化碳的浓度。人的鼻子等器官不能感受到一氧化碳的存在，常出现中毒或爆炸现象，但制造并安装探测一氧化碳传感器可以有效地防止一氧化碳中毒的发生。同样，制造和安装探测易爆的H2、CH4等的传感器，可以减少爆炸事故的发生。

在医治疾病时，迅速测定血液和尿液中糖的浓度的化学传感器，了解人体血液或尿液中的糖含量，对医生诊断疾病大有帮助。

2.1.4 物理化学

物理化学是化学中一个内容十分广泛的分支学科，它以物理学的原理和实验技术为基础，研究化学体系所遵循的规律的学科，是化学的理论基础，有时又称它为理论化学。物理化学的内容大体上可分为三个方面：

1．化学热力学

化学热力学是将物理学中的热力学基本原理，用于化学体系研究宏观平衡态的性质及规律。物理学中热力学所依据的基本规律是热力学第零定律、热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律。从这些定律出发，用数学方法加以演绎推论，结合热化学数据用以解决化学体系发生的化学变化和物理变化的方向和进行的限度问题。根据体系的物态和性质，它又有若干分支学科：热力学、电化学、溶液化学、胶体与表面化学等。

2．化学动力学

化学动力学是研究由于化学或物理因素的扰动而使体系中发生的化学变化过程的速度和变化机理。它的分支学科有：催化、分子反应动力学、光化学、分子动态物理化学和分子激发态谱学等。

3．结构化学和量子化学

结构化学是将现代物理学中建立的物理理论和实验方法（例如光谱学、光的衍射原理和技术、固体物理学和量子力学等）和化学融合在一起，用于研究原子、分子和晶体中原子和分子的空间结构、电子状态和化学键等内容，归纳出物质在原子-分子水平上的微观结构规律、微观结构和宏观性能相互联系的规律，并将所得结果应用于化学各个分支学科中，并形成多种分支学科，如：晶体化学、无机结构化学、有机结构化学、量子有机化学、量子无机化学、超分子化学等。

量子化学是将量子力学的原理和方法应用于研究化学问题的一门基础学科。量子力学是根据电子、原子和分子等微观粒子具有波粒二象性的运动特征和运动规律，遵循它们的量子化特性和统计性特征建立起来的。1929年，海特勒-伦敦首次用薛定谔方程计算最简单氢分子的能量和电子能级，获得很大的成功，这是量子化学学科的开创性工作。量子化学已成为现代物质结构理论的基础。量子化学的主要内容是通过求解微观体系的薛定谔方程，得到原子及分子中电子运动和核运动的波函数及相应的能量，揭示它们相互作用的图像及化学键的本质，解释各种图谱对应的微观结构，了解分子的稳定性及化学反应机理，说明结构和性能的关系。随着新的理论和计算技术的发展，量子化学在化学领域中的作用日益增长。量子化学是发展各个新兴的化学分支学科的重要理论基础，是指导化学家去开发和制备各类新材料的依据。

在物理化学的诸多分支学科中，下面举三个为例，说明物理化学与国计民生密切相关，也和物理学、生命科学、医药科学、材料科学、地学、冶金学等有着广泛而密切的联系。

1．电化学

电化学，涉及电流与化学反应的相互作用，以及电能与化学能的相互转化。这些效应都是通过电池来实现的，故电化学实为电池的科学。电池包括电极和电解质两部分，其基础内容相应分为电极学（电极的热力学和动力学）和电解质学（电解质的热力学和动力学）两方面。电化学的应用领域广泛，如电解、电镀、化学电源、金属腐蚀等，这些都属于电化学工业（电化工）。

2．催化

催化是催化作用的简称，是化学家以催化剂为魔杖，指挥化学反应沿着指定的途径进行，生产出所需的产品，还根据需要加速或放慢化学反应进行的速度。它已在化学的各个分支学科中广泛地应用。下面通过一些应用实例介绍催化学科的内容。无机化学家制备出铁催化剂将N2和H2合成NH3，生产价廉、物美的氮肥，使粮食丰收，惠及亿万人民。有机化学家在石油炼制过程中用催化剂将重油裂解生产出航空汽油，提高油品的价值。食品专家寻找出宝贵的酒粬作催化剂，酿造出高品位的好酒。药物学家筛选出合适的酶作催化剂以葡萄糖为原料合成出价格低廉、具有特定立体结构、适合人们服用的维生素C。可见催化作用已使化学家“化”出丰富多彩的产品。还有许多问题，例如减缓高分子材料的老化、减慢人体衰老过程、延长人体寿命等，有待催化去催它实现。

3．晶体化学

晶体化学又称结晶化学。它是晶体学和化学结合形成的交叉学科，是研究晶态物质的化学，它研究晶体的制备、组成、结构、性能和应用的科学。晶体结构具有空间点阵式的周期性结构，在晶体中原子的排列相对稳定。近一个世纪以来，科学技术的发展已为深入地、精确地研究晶体的结构提供了符合实际的理论、有效的方法和先进的仪器设备，快速而精确地测定晶体结构，为在原子水平上探讨晶体的结构、性质及其应用提供全面的微观结构数据。它涉及无机化学、有机化学、生物化学、矿物学等基础学科及相关的固体化学和材料化学，成为现代化学的重要基础，也是材料科学和生命科学深入发展的重要支柱。

2.1.5 高分子化学

高分子化学是研究高分子化合物的分离、提取、结构、性能、合成方法、反应机理及溶液性质与成型加工等的一门科学。是在有机化学、物理化学、无机化学、生物化学、物理学和力学等学科基础上发展起来的一门新兴科学。自20世纪30年代以来，随着高分子科学体系的逐步建立与发展，已为人类的生产与生活提供了一类新材料，发展起塑料、橡胶、合成纤维、涂料、胶黏剂等合成材料工业。现在高分子合成材料已涉及国家经济建设和人类生活的各种领域。在此基础上发展起的高分子化工，已成为新兴的工业部门。

高分子化合物又称聚合物、高聚物、大分子化合物，简称高分子。它是分子量在104～106甚至更高的一类化合物，由许多相同的（或不同的）单体（或称结构单元）以共价键重复连接而成。从化学结构单元组成是否相同分为均聚高分子（结构单元完全相同）和共聚高分子。前者如聚氯乙烯、聚苯乙烯等，后者如ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、丁腈橡胶、丁苯橡胶等。从来源又分为天然高分子（纤维素、蛋白质、核酸等）和合成高分子（聚乙烯、聚丙烯、聚酯等）。按分子结构单元之间的连接方式又可分为：线型高分子（即结构单元沿长的骨架线性延伸连接而成）如聚乙烯、聚酰胺等；支化高分子（即线型高分子主链中派生出一些支链，其组成的结构单元与主链相同）；交联型高分子（即分子主链之间产生化学结合，形成不溶不融网状结构）。按性能用途分为：塑料（聚乙烯、聚氯乙烯、ABS、酚醛塑料等）、橡胶（顺丁、丁苯、氯丁等橡胶）、纤维（涤纶、锦纶、腈纶、维纶等）等类。组成与结构不同的高分子其形态有液态和固态，它多为无定形态，也有部分结晶态。其溶液的黏度，比相同浓度下的小分子的黏度高得多。其物理性能随结构不同而异，它可具有刚性、柔顺性、弹性、电绝缘性、力学强度、耐热、耐寒、耐光照、耐水等各种性能，其加工性能也各不相同，用途各异且极为广泛。

2.1.6 生物化学

生物化学是研究微生物、植物、动物及人体等有机生物体的化学组成和生命过程中的化学变化规律的一门科学。主要内容包括研究生物体的化学组成；蛋白质、糖类、脂类、酶类和核酸等生物大分子以及辅酶、激素、抗生素等小分子的化学结构、性质及其生理功能；研究这些生物分子在生物体内不断转化的代谢过程以及伴随其中的能量利用和转化的规律；研究生物体生长、发育、繁殖的机制，特别是从分子水平认识遗传信息传递的规律；研究机体各种生物化学变化过程的调节机制以及代谢紊乱和遗传缺陷与人类各种疾病的关系。特别是脱氧核糖核酸（DNA）双螺旋结构的阐述、遗传密码的发现以及遗传信息传递的中心法则的确定，揭示了生物代谢、生长发育与遗传的内在联系，使生物化学成为现代生物科学的一门新兴的、最具活力的学科，标志着生命科学进入了一个新的发展时期。生物化学研究借助于化学、物理化学的原理和方法，以及包括遗传学、微生物学、细胞学、免疫学、分子生物学和生物信息学等生物学的方法。目前许多现代物理学方法，如光谱分析、X射线衍射、核磁共振、电子显微镜、同位素标记等技术的引入对生物化学研究的深入，发挥了重要作用。特别是计算机技术的应用，对大量生物信息的储存、利用、管理和开发作出特殊的贡献。最新的生物芯片技术的应用和发展，将突破原有生化研究的模式，推动生物化学的迅速发展。