化學(xué)觀覽

夏順麗 王麗娜

[摘要] 化學(xué)是研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化和應(yīng)用的科學(xué)。本文闡述了化學(xué)的發(fā)展歷程,從化學(xué)的萌芽、中興、升華,到化學(xué)學(xué)科的分類進(jìn)行了詳細(xì)的論述。這對(duì)于我們了解化學(xué)的發(fā)展歷程,認(rèn)識(shí)化學(xué)理論體系的形成,知道其對(duì)人類社會(huì)的影響,都有及其重要的作用。

[關(guān)鍵詞] 化學(xué) 萌芽 發(fā)展 學(xué)科分類

化學(xué)是研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化和應(yīng)用的科學(xué)。世界是由物質(zhì)組成的,化學(xué)則是人類用以認(rèn)識(shí)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(xué)科,它的發(fā)展是人類社會(huì)文明的重要標(biāo)志。人類生活水平的不斷提高,化學(xué)所起的作用功不可沒。

一、化學(xué)的萌芽

原始人類從用火之時(shí)便開始了用化學(xué)方法認(rèn)識(shí)和改造天然物質(zhì)。燃燒就是一種化學(xué)現(xiàn)象。人類開始吃熟食;并逐步學(xué)會(huì)了制陶、冶煉、釀造、染色等工藝。這些由天然物質(zhì)加工改造而成的制品,成為古文明的標(biāo)志。并因此萌發(fā)了古代實(shí)用化學(xué)。

古人曾據(jù)物質(zhì)的某些性質(zhì)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分類,并提出了陰陽五行學(xué)說,認(rèn)為萬物是由金、木、水、火、土五種基本物質(zhì)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(gè)概念來解釋自然界兩種對(duì)立和相互消長的物質(zhì)勢力,認(rèn)為二者的相互作用是一切自然現(xiàn)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(fēng)、土、水四元素說和古代原子論。后來在中國出現(xiàn)了煉丹術(shù),也因此創(chuàng)造了各種實(shí)驗(yàn)方法,如研磨、混合、溶解、結(jié)晶、灼燒、熔融、升華、萃取、密封等,并逐步演化為近代化學(xué)。

二、化學(xué)的中興

16世紀(jì)開始,歐洲工業(yè)生產(chǎn)蓬勃興起,推動(dòng)了醫(yī)藥化學(xué)和冶金化學(xué)的創(chuàng)立和發(fā)展,繼而更加注重了物質(zhì)化學(xué)變化本身的研究,進(jìn)而建立了科學(xué)的氧化理論和質(zhì)量守恒定律,為化學(xué)進(jìn)一步科學(xué)化的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

19世紀(jì)初,近代原子理論突出強(qiáng)調(diào)了各種元素的原子的質(zhì)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(gè)主要區(qū)別。近代原子論使當(dāng)時(shí)的化學(xué)知識(shí)和理論得到了合理的解釋。分子假說的提出,原子分子學(xué)說的建立,為物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究奠定了基礎(chǔ)。門捷列夫發(fā)現(xiàn)元素周期律后,不僅初步形成了無機(jī)化學(xué)的體系,并且與原子分子學(xué)說一起形成了化學(xué)理論體系。

草酸和尿素的合成、苯的六元環(huán)狀結(jié)構(gòu)和碳原子四價(jià)學(xué)說的創(chuàng)立、酒石酸拆分成旋光異構(gòu)體,以及分子的不對(duì)稱性等的發(fā)現(xiàn),使得有機(jī)化學(xué)結(jié)構(gòu)理論得以建立19世紀(jì)下半葉,熱力學(xué)等物理學(xué)理論介入化學(xué)之后,不僅澄清了化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的概念,還定量的判斷了化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)轉(zhuǎn)化的方向和程度。相繼建立了溶液理論、電離理論、電化學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)理論。物理化學(xué)的誕生,把化學(xué)從理論上提高到一個(gè)新的水平。

三、化學(xué)的升華

由于受自然科學(xué)和其他學(xué)科發(fā)展的影響,在無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)和物理化學(xué)四大分支學(xué)科的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了新的化學(xué)分支學(xué)科。在結(jié)構(gòu)化學(xué)方面,由于電子的發(fā)現(xiàn)確立了現(xiàn)代的有核原子模型,不僅豐富和深化了對(duì)元素周期表的認(rèn)識(shí),而且還發(fā)展了分子理論。應(yīng)用量子力學(xué)研究分子結(jié)構(gòu),從而產(chǎn)生了量子化學(xué)。從氫分子結(jié)構(gòu)的研究開始,逐步揭示了化學(xué)鍵的本質(zhì),先后創(chuàng)立了價(jià)鍵理論、分子軌道理論和配位場理論。研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的譜學(xué)方法也由可見光譜、紫外光譜、紅外光譜擴(kuò)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(xué)反應(yīng)理論方面,由于對(duì)分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵認(rèn)識(shí)的提高,經(jīng)典的、統(tǒng)計(jì)的反應(yīng)理論進(jìn)一步深化,在過渡態(tài)理論建立后,逐漸向微觀的反應(yīng)理論發(fā)展,用分子軌道理論研究微觀的反應(yīng)機(jī)理,并逐漸建立了分子軌道對(duì)稱守恒定律和前線軌道理論。分子束、激光和等離子技術(shù)的應(yīng)用,使得對(duì)不穩(wěn)定化學(xué)物種的檢測和研究成為現(xiàn)實(shí),從而實(shí)現(xiàn)了化學(xué)動(dòng)力學(xué)從經(jīng)典的、統(tǒng)計(jì)的宏觀動(dòng)力學(xué)到單個(gè)分子或原子水平的微觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的升華。

分析方法和手段是化學(xué)研究中經(jīng)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(fā)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(jié)構(gòu)分析、構(gòu)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(duì)短壽命亞穩(wěn)態(tài)分子的檢測。分離技術(shù)也在不斷革新,如離子交換、膜技術(shù)、色譜法等。

物質(zhì)合成是化學(xué)研究的目的之一。在無機(jī)合成方面,首先是氨的合成。氨的合成不僅開創(chuàng)了無機(jī)合成工業(yè),而且?guī)?dòng)了催化化學(xué),發(fā)展了化學(xué)熱力學(xué)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。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(dǎo)體、超導(dǎo)材料和二茂鐵等配位化合物。

在電子技術(shù)、核工業(yè)、航天技術(shù)等現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的推動(dòng)下,各種超純物質(zhì)、新型化合物和特殊需要的材料的生產(chǎn)技術(shù)都得到了較快發(fā)展。稀有氣體化合物的成功合成又向化學(xué)家提出了新的挑戰(zhàn),需要對(duì)零族元素的化學(xué)性質(zhì)重新加以研究和認(rèn)識(shí)。無機(jī)化學(xué)在與有機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)、物理化學(xué)等學(xué)科的相互滲透中產(chǎn)生了有機(jī)金屬化學(xué)、生物無機(jī)化學(xué)、無機(jī)固體化學(xué)等新興學(xué)科。

酚醛樹脂的合成,開辟了高分子科學(xué)領(lǐng)域。20世紀(jì)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(rèn)。各種高分子材料合成和應(yīng)用,為現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事技術(shù),以及人們的衣食住用行各方面,提供了多種性能優(yōu)異而成本較低的重要材料,成為現(xiàn)代物質(zhì)文明的重要標(biāo)志。20世紀(jì)是有機(jī)合成的黃金時(shí)代。化學(xué)的分離手段和結(jié)構(gòu)分析方法已經(jīng)有了很大發(fā)展,許多天然有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)問題紛紛獲得圓滿解決,同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了許多新的重要的有機(jī)反應(yīng)和專一性有機(jī)試劑,在此基礎(chǔ)上,精細(xì)有機(jī)合成,特別是在不對(duì)稱合成方面取得了很大進(jìn)展。一方面,合成了各種有特種結(jié)構(gòu)和特種性能的有機(jī)化合物;另一方面,合成了從不穩(wěn)定的自由基到有生物活性的蛋白質(zhì)、核糖核酸等生命基礎(chǔ)物質(zhì)。有機(jī)化學(xué)家還合成了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的天然有機(jī)物和特效藥物。所有這些成就對(duì)促進(jìn)高分子學(xué)科的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用,為合成有高度生物活性的物質(zhì),解決有生命物質(zhì)的合成問題,提供了有利條件。

20世紀(jì)以來,化學(xué)發(fā)展的趨勢可以歸納為:由宏觀向微觀、由定性向定量、由穩(wěn)定態(tài)向亞穩(wěn)定態(tài)發(fā)展,由經(jīng)驗(yàn)上升到理論并應(yīng)用于實(shí)踐。

四、化學(xué)學(xué)科的分類

化學(xué)在發(fā)展過程中,依照所研究的分子類別和研究手段、目的、任務(wù)的不同,從傳統(tǒng)的無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)和分析化學(xué)四個(gè)基礎(chǔ)分支過渡到無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、生物化學(xué)、高分子化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)和化學(xué)工程學(xué)等七大分支學(xué)科。還有與化學(xué)有關(guān)的邊緣學(xué)科,如地球化學(xué)、海洋化學(xué)、大氣化學(xué)、環(huán)境化學(xué)、宇宙化學(xué)、星際化學(xué)等。

化學(xué)的發(fā)展體現(xiàn)在兩方面:一方面,為生產(chǎn)和技術(shù)部門提供盡可能多的新物質(zhì)、新材料;另一方面,在與其它自然科學(xué)相互滲透的進(jìn)程中不斷產(chǎn)生新學(xué)科,并向探索生命科學(xué)和宇宙起源的方向發(fā)展。

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