通识大学化学绪论

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ShanghaiJiaoTongUniversity大学化学CA901上海交通大学化学化工学院大学化学教研室2014年2月27日ShanghaiJiaoTongUniversity教材陈虹锦主编《化学与生活》2013年10月第一版高等教育出版社1\nShanghaiJiaoTongUniversity绪论化学的昨天、今天和明天什么是化学？化学的今天和明天化学的昨天大学化学课程的学习内容与安排1什么是化学？ShanghaiJiaoTongUniversity化学是一门在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性能、应用及物质相互之间转化规律的科学是自然科学的基础学科之一。Chemistry:theCentralScience,9eCW2\n化学研究的层次ShanghaiJiaoTongUniversity——21世纪的化学是研究泛分子的科学泛分子的十个层次：•原子层次；•分子片层次；•结构单元层次；•分子层次；•超分子层次；•高分子层次；•生物分子层次；•纳米分子和纳米聚集体层次；•原子和分子的宏观聚集体层次；•复杂分子体系及其组装体的层次。2化学的今天和明天ShanghaiJiaoTongUniversity服装五彩缤纷的生活需要什么?染料清洁能源美味可口的食物需要什么?优美环境清洁剂安全温馨的家需要什么?塑钢窗户油漆清新洁净的世界需要什么?涂料食品添加剂调料3\nShanghaiJiaoTongUniversity我们身边的化学世界上速度最快的泳衣ShanghaiJiaoTongUniversity——SPEEDOLZRRACER系列泳衣•独有的LZRPULSE特殊尼龙纤维，具有超轻、低阻、防水和速干的特性•过超声波粘合结合成型，世界上第一款全粘合无缝泳衣。•基底纤维内嵌的LZRPANELS使阻力降到极低，完美的流线型。•轻薄，具有与皮肤类似的不易吸水、不易透水的防水特性。•对水的摩擦阻力小4\nShanghaiJiaoTongUniversity•2003年3月26日，在伊拉克的英国皇家海军陆战队战士埃里克·沃尔德曼头盔连中四枪；•此头盔是这次英军专门为战争打造的，其外层和普通头盔没什么区别，里料则采用的是一种名叫“凯夫拉尔”的特制纤维；•该纤维硬度比普通钢铁高40%。化学无处不在之-食ShanghaiJiaoTongUniversity天然气VS煤气，哪个更好？对比内容天然气煤气成分CHCOH42分子量,16比空气稍低kg/m3密度,oC0.71670.48-0.71爆炸极限空气中体积含量达到5.3-14.0%空气中体积含量达到4.5％-40％燃烧热,3587712000-24000kJ/m3城市用煤气中一氧化碳的含量约占甲烷浓度高于80％，人会因缺氧10~30％。若吸入含5‰以上一氧窒息；当空气中甲烷达20~30％，化碳的空气时，就会引起重度的中毒性因窒息作用会引起头痛，脉搏加毒症状，如昏迷、肺水肿、脑水肿、快，呼吸量增加，注意力减退，呼吸困难或不规则、心律失常、在细小肌肉运动失调等。短时间内休克甚至死亡。5\n化学无处不在之-食ShanghaiJiaoTongUniversity天然气VS煤气，哪个更好？污染物夏天冬天种类天然气煤气天然气煤气可吸入颗粒,0.140.170.240.20mg/m3多环芳香烃,1.32.012.816.2ng/m3CO,%7.16.510.810.9SO,%0.100.110.040.742NO,%0.640.380.870.232厨房里燃烧天然气和煤气产生的污染物含量ShanghaiJiaoTongUniversity化学无处不在之-食味精的演化：味精：C5H8NO4Na谷氨酸钠1908年日本池田教授对海带进行化学分析发现的，糖和氮肥细菌发酵制得。鸡精：C10H11O8N4PNa2肌苷酸钠20世纪60年代制得，鲜度是味精40倍，由淀粉糖化发酵制得。特鲜味精：C10H12O8N5PNa2鸟苷酸钠20世纪80年代制得，鲜度是味精的160倍。甲基呋喃肌苷酸：C15H18O9N4P鲜度是味精的600多倍。6\n三聚氰胺事件的启示ShanghaiJiaoTongUniversity三聚氰胺结构式三聚氰酸互变异构三聚氰胺与三聚氰酸结合示意图ShanghaiJiaoTongUniversity三聚氰胺分析仪GC/MS三聚氰胺干蛋白原来添加0.1μg/ml三聚氰胺及其同类物标准品的层析图147\nShanghaiJiaoTongUniversity化学无处不在之-食•化学对健康和生命的贡献（药物化学）1900年，美国平均寿命为49岁，1976年为73岁，2000年79岁1995年上海市民平均预期寿命为76.02岁，2006年上海市民平均预期寿命80.13岁；2010年达到82.13岁；2012年2月4日公布，上海女性平均期望寿命为84.44岁，达到世界发达国家平均水平（新华网）原因：生活质量提高（营养、生活和工作的环境）医疗条件的改善（化学合成药的研制成功）ShanghaiJiaoTongUniversity1932年德国Domagk发现一种染料白浪多息可有效地治疗受细菌致命感染的实验动物。磺胺新药。GerhardDomagk化学对健康的重要贡献——消毒剂TheNobelTheNobel和麻醉剂PrizeinPhysiologyorMedicine19398\n化学无处不在之-行ShanghaiJiaoTongUniversity•化学与国防B-2隐形战略轰炸机每架造价高达22亿美元。机身采用翼身融合、无尾翼的飞翼构形，机翼前缘交接于机头处，机翼后缘呈锯齿形。机身机翼大量采用石墨-碳纤维复合材料、蜂窝状结构，表面有吸波涂层，发电机的喷口置于机翼上方。化学无处不在之-与其他学科交叉渗透ShanghaiJiaoTongUniversityHHOHNNNHNNHNH3CO胸腺嘧啶（T）腺嘌呤（A）HHNHON1953年《Nature》N杂志发表了NHNNFrancisCrickFrancisCrick和HJamesWatson文OH章，1962年诺贝H胞嘧啶（C）鸟嘌呤（G）尔生理学或医学奖DNA双螺旋结构9\n化学无处不在之-与其他学科交叉渗透ShanghaiJiaoTongUniversity信息科学超大规模集成电路，制造工艺的60%以上是化学的应用：如4Mb的动态随机存取和存储器芯片制造工艺，有164个工艺步骤，其中有118个依据化学，包括化学合成、化学加工、化学处理等。集成电路的发展ShanghaiJiaoTongUniversity1943年，英国，第一台电子计算机“巨人”1946年，美国，“恩尼亚克”，每秒千次计算1948年，发明了半导体晶体管1958年，半导体表面技术出现了突破，在半导体表面可形成晶体管。硅即可是电子元件，又可成为电流的通路1971年，Intel公司制成CPU芯片10\nShanghaiJiaoTongUniversity芯片的制造－微电子技术的关键摩尔定律：集成电路（IC）上可容纳的晶体管数目，约每隔12个月（1975年摩尔将12个月更改为18个月）便会增加一倍，性能也将提升一倍，当价格不变时；或者说，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔12个月翻两倍以上。信息技术中的化学材料ShanghaiJiaoTongUniversity11\nShanghaiJiaoTongUniversity3化学的昨天商代3.1古代化学(15世纪以前)(1)实用和自然哲学时期(～公元前后)100万年前，原始社会，火的利用；公元前3000年左右，奴隶社会，以实用化学工艺为特征：埃及：炼铁、鞣制皮革、提取药物香料、制造陶器公元前2500-2000年，中国铜的冶炼技术，殷代青铜器公元前一世纪，中国发明了造纸术3化学的昨天ShanghaiJiaoTongUniversity3.1古代化学宇宙的结构？我国商末（约公元前1140年），易经——八卦，五行公元前五世纪，安培多克尔(Empedocles)提出宇宙是由水、火、气、土“四原质”构成的。公元前400年德谟克利特提出朴素的原子论。公元前四世纪，亚里斯多德(Aristotle)提出冷、热、干、湿的“四原性”学说12\n3化学的昨天ShanghaiJiaoTongUniversityImmortalPhilosopherofAntiquityAristotlePlato384-322B.C.427-347B.C.3化学的昨天ShanghaiJiaoTongUniversity3.1古代化学亚里斯多德认为把火“原性”取出或放入，热干“原质”就可以相互转化；空土气湿冷该哲学思想支配了水人们达两千年之久，使化学走上了炼金、四原说示意图炼丹的歧途。13\n3化学的昨天ShanghaiJiaoTongUniversity3.1古代化学(2)炼金术、炼丹术时期(公元前后～公元1500年)封建社会，中国道家化学炼丹（Pb3O4、HgS）公元二世纪，东汉魏伯阳，世界最早炼丹术文献公元四世纪，东晋葛洪，炼丹术发现了反应的可逆性（HSHgS←→HPHg;Pbb3O4←→Pb）金属间的取代（Fe和Cu盐）化学走入了歧途——积累化学知识，提高实验技术3化学的昨天ShanghaiJiaoTongUniversity3.1古代化学(3)医化学时期(公元1500～1700年)16世纪初，欧洲资本主义工业的发展迫使化学走上正路炼金术改革，化学方法制成药剂（无机物）明代李时珍《本草纲目》明代宋应星著有《天工开物》(1639年)，总结了我国的工业技术海尔蒙特的“柳树实验”------水是原始物质14\n3化学的昨天ShanghaiJiaoTongUniversity3.1古代化学(4)燃素说时期(公元1700～1774年)英国的波义尔(Boyle)提出各种物质的微粒都是由基本粒子的不同聚集体构成的。认为火是由火微粒构成。1700年，德国的施塔尔(()Stahl)提出“燃素说”，清除了“原性”学说。法国拉瓦锡(Lavoisier)的燃烧的氧学说，近代化学由此萌芽。3化学的昨天ShanghaiJiaoTongUniversity3.2近代化学的创立近代化学归功于天平的使用，定量阶段1748年，罗蒙诺索夫的质量不灭定律1774年，拉瓦锡(Lavoisier)的氧化理论18世纪末，普劳斯特(Proust)的定比定律1803年，道尔顿(Dalton)倍比定律、当量定律、原子学说、相对原子量概念1808年，盖.吕萨克(Gay-Lussac)的气体反应体积定律1811年，阿佛加德罗(Avogadro)定律和分子概念1869年门捷列夫的元素周期律15\nShanghaiJiaoTongUniversityJohnDalton(1766-1844)HeproposedtheAtomicTheoryin1803:(1)allmatterwascomposedofsmallindivisibleparticlestermedatoms(2)t(2)atomsofagivenelementpossessuniquecharacteristicsandweight(3)threetypesofatomsexist:simple(elements),compound(simplemolecules),andcomplex(complexmolecules).ShanghaiJiaoTongUniversityDimitriMendeleevDraftforfirstversionofMendeleev'speriodictable(17February1869).16\nShanghaiJiaoTongUniversity3.3化学学科的分支及其形成1化学的分支无机化学分析化学四大基础化学有机化学物理化学化学与其他学科交叉形成多种边缘学科：生物无机化学、环境化学、农业化学、材料化学、地球化学、储层化学、放射化学、计算化学、高分子化学等。ShanghaiJiaoTongUniversity3.3化学学科的分支及其形成2化学分支的形成无机化学无机化学：除去碳氢化合物和其大多数衍生物外，无机化学是对所有元素和它们的化合物及反应进行实验研究和理论解释的科学。最初的化学是无机化学。如：青铜、陶瓷、彩陶、点金术、炼丹术、黑火药等；以Meyer、门捷列夫——元素周期律为标志，标志现代无机化学形成17\n3.3化学学科的分支及其形成ShanghaiJiaoTongUniversity2化学分支的形成分析化学：分析化学的三大领域：含量的测定、成分的分析、结构的表征。分析天平的使用——定量概念的建立——高新仪器的发明和使用。ShanghaiJiaoTongUniversity贝采里乌斯：原子量的测定；电荷的概念(二元论)；分析天平的使用和定量分析的建立；分析化学之父贝采里乌斯测定JönsJakob原子量使用的天平Berzelius18\n3.3化学学科的分支及其形成ShanghaiJiaoTongUniversity2化学分支的形成有机化学十九世纪初，李比希(g(Liebig))，分析了大量的有机化合物1824年，德国化学家维勒(Wöhler)成功合成了尿素1834年，法国的杜马(Dumas)，系统定量地研究了卤化反应，提出了“取代学说”1842年，日拉尔提出了有机化合物同系列的概念弗兰克兰的原子价学说凯库勒的原子链学说，1865年，提出苯的环状结构学说有机立体化学的兴起，有机结构理论的发展十九世纪后半期，有机化学飞速发展3.3化学学科的分支及其形成ShanghaiJiaoTongUniversity2化学分支的形成物理化学物理化学是从物质的物理现象和化学现象的联系入手来探求化学变化规律的一门科学物理化学的创立和建设：1)气体理论和溶液理论的建立2)热化学与化学热力学的发展3)电化学的建立和发展4)化学动力学的发展5)结构化学的产生和发展19\n3.3化学学科的分支及其形成ShanghaiJiaoTongUniversity2化学分支的形成高分子化学天然高分子材料：蛋白质，淀粉；棉、麻、丝、毛天然橡胶的硫化(1839年)；硝化纤维(1868年)；粘胶纤维(1893-1898年)合成高分子材料：塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂1909年，酚醛树脂工业化1920年，Staudinger首先提出高分子的概念，获1953年诺贝尔奖Flory提出高分子理论，获1974年诺贝尔奖4化学的研究方法ShanghaiJiaoTongUniversityStepsintheScientificMethod20\nShanghaiJiaoTongUniversity课程特点突出基本概念和思想；突出化学学科发展和研究的方法；突出展示化学在生活中的踪迹；突出化学原理在社会的各个层面的应用及其重要性。教学环节和成绩构成ShanghaiJiaoTongUniversity小作业（作业本）+课堂成绩15%大作业（网上交）10%大作业交流（课堂）15%课堂讨论10%考试50%21\n关于大作业（10%）ShanghaiJiaoTongUniversity1.分组：5-6人一组，每个组分配一个主题2.每人都围绕所分配的主题做ppt，第一主题第五周星期四（3月27日）前交老师邮箱，其他组按顺序顺延一周交，最迟第13周星期日（5月10日）交3.ppt要求：16-20页，象化学作业，写明作者，有备注。与书上内容对应的，可以按照书上顺序4.主题见后页。关于大作业交流ShanghaiJiaoTongUniversity（15%）1.召集人组织大家把本组全部ppt总结成为一个，提前一周交老师邮箱，全组同学必须认真讨论，准备讲课2.宣讲时间约1节课3.第6周，4月3日，第一主题同学开始讲，每周一组22\nShanghaiJiaoTongUniversity关于课堂讨论（10%）1.每篇讲完后上一次讨论课；2.1-2人组人一组，得到1-2个本篇想一想问题，查阅资料，做成word文件，上课前发送至老师的邮箱，并在讨论课时讲解，讲解时间约5分钟ShanghaiJiaoTongUniversity讨论题，想一想例1-5许多汽车制造商正在尝试在新能源汽车中用生物质乙醇来代替化石燃料汽油，请计算乙醇的燃烧热，并与上题中的计算结果相比，讨论生物质乙醇的应用前景。23\nShanghaiJiaoTongUniversity文件名格式作业交到email信箱：chem.meili@gmail.com文件名示例：组号-姓名-学号•第1组-李梅-11111111.ppt•第1组-李梅-11111111.docShanghaiJiaoTongUniversity组别主题宣讲周次1能源篇之——电池62能源篇之——电解和腐蚀73材料篇之——金属材料84材料篇之——无机非金属材料95材料篇之——聚合物材料106生活篇之——药物、农药117生活篇之——表面活性剂及其应用128生活篇之——食品添加剂139环境篇之——大气、土壤污染1410环境篇之——水污染1524\nShanghaiJiaoTongUniversity教材知识点导读第一篇——能源篇基本概念：功、热、能量（动能、势能、热功交换当量）体系、环境、状态函数以及性质（盖斯定律）；热力学能U，热力学第一定律，等容反应热；化学反应热（焓变），热力学函数H，等压反应热，化学反应热的计算（几种方法）；化学反应热的几种计算方法（盖斯定律和标准摩尔生成热法）；S的引入，热力学第二、第三定律化学反应自发进行的判别：G的引入，吉布斯自由能变的计算方法，反应方向的判定；标准和非标准状态吉布斯自由能变的关系，浓度商（压力商）以及平衡常数ShanghaiJiaoTongUniversity教材知识点导读第一篇——能源篇平衡以及平衡的移动化学反应速率（活化能）；影响反应速率的因素；催化原理及于简单反应机理的关系（第四篇第十一章）氧化还原反应与原电池；标准电极电势；非标准状态下的电极电势的计算——能斯特方程；电解、电镀及防腐25\n教材知识点导读ShanghaiJiaoTongUniversity第二篇——材料篇原子结构：原子的组成、核外电子的运动方式、微观粒子的波粒二象性、核外电子的运动方式及波函数、描述核外电子运动的四个量子数核外电子排布和周期律、原子参数的周期性变化规律金属的通性、合金的性质金属键理论和金属性质的关系、金属键的能带理论离子键、离子晶体的特点、简单离子晶体中离子的排布方式与离子半径的关系ShanghaiJiaoTongUniversity教材知识点导读第二篇——材料篇共价键、杂化轨道理论、杂化轨道的组成与分子空间结构的关系非金属的性质和非金属材料分子间作用力聚合反应聚合物的性质与功能（聚合物的分子链、橡胶的硫化、塑料的性质）26\n教材知识点导读ShanghaiJiaoTongUniversity第三篇——生活篇有机化合物的官能团及重要性有机化合物的异构（含顺反异构）有机化学反应（烯烃的结构和亲电加成机理、芳香类化合物的亲电取代、酯化反应）皂化反应、表面活性剂的结构、性质及应用酶的催化、一级反应及其药物的代谢（能源篇讲解）配位化合物（血红蛋白的作用机理）（环境篇讲解）ShanghaiJiaoTongUniversity教材知识点导读第三篇——生活篇水的结构和性质（杂化，材料篇讲解）酸碱缓冲溶液以及缓冲原理（环境篇讲解）表面张力与润湿现象、表面活性剂的润湿和增溶作用、毛细现象水的饱和蒸气压、相对湿度水的相图、稀溶液的依数性（蒸汽压下降、沸点升高、凝固点下降、渗透压）27\n教材知识点导读ShanghaiJiaoTongUniversity第四篇——环境篇物质的量的概念，定量分析简述；酸碱理论，溶液pH计算及应用（含缓冲溶液与原理）配位化合物及其配位平衡；沉淀平衡及移动；软硬酸碱理论。ShanghaiJiaoTongUniversity课件ftp://public.sjtu.edu.cn用户名：meili密码：public28