现代化学与中学化学课件.ppt
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- 现代 化学 中学化学 课件
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1、现代化学现代化学与与中学化学中学化学南京师范大学化学与环境科学学院南京师范大学化学与环境科学学院龚正元龚正元本课程的主要内容o 现代化学发展对中学化学的影响现代化学发展对中学化学的影响o 化学思想与化学方法化学思想与化学方法o 化学与环境科学化学与环境科学o 化学与能源科学化学与能源科学o 化学与材料科学化学与材料科学o 化学与生产和生活的联系化学与生产和生活的联系o 中学化学疑难问题解析中学化学疑难问题解析本课程的学习要求o 自觉、主动、积极参与自觉、主动、积极参与o 阅读相关资料阅读相关资料o 认真完成作业认真完成作业o 研究性学习研究性学习o第一讲现代化学发展对中学第一讲现代化学发展对中
2、学化学课程的影响化学课程的影响一、化学学科的成就和地位一、化学学科的成就和地位o 1.化学学科的地位化学学科的地位o 早在早在1985年,美国学者年,美国学者G.C.皮门特尔指出:皮门特尔指出:“化化学是一门中心科学学是一门中心科学,它与社会多方面的需要有关。,它与社会多方面的需要有关。化学的基础研究则将有助于我们的后代赖以满足演化学的基础研究则将有助于我们的后代赖以满足演化中的需要,赖以解决许多难以预期的问题。化中的需要,赖以解决许多难以预期的问题。”o (1)化学是一门承上启下的中心科学。化学是一门承上启下的中心科学。科学可按科学可按照它的研究对象由简单到复杂的程度分为照它的研究对象由简单
3、到复杂的程度分为上游、中上游、中游和下游。游和下游。数学、物理学是上游,化学是中游,生数学、物理学是上游,化学是中游,生命、材料、环境等朝阳科学是下游。化学是中心科命、材料、环境等朝阳科学是下游。化学是中心科学,是从上游到下游的必经之地。学,是从上游到下游的必经之地。o (2)化学又是一门社会迫切需要的中心科学化学又是一门社会迫切需要的中心科学,与我,与我们的衣、食、住(建材、家具)、行(汽车、道路)们的衣、食、住(建材、家具)、行(汽车、道路)都有非常紧密的联系。都有非常紧密的联系。o (3)化学是与信息、生命、材料、环境、能源、地化学是与信息、生命、材料、环境、能源、地球、空间和核科学等八
4、大朝阳科学(球、空间和核科学等八大朝阳科学(sun-rise sciences)都有紧密的联系、交叉和渗透的中心都有紧密的联系、交叉和渗透的中心科学。科学。o 今天,在人类社会发展过程中迫切需要解决的几个今天,在人类社会发展过程中迫切需要解决的几个重大问题:重大问题:环境、粮食、能源、生命进化环境、粮食、能源、生命进化等,都需等,都需要化学的参与。要化学的参与。 2.20世纪化学的重大成就o 在在2020世纪的世纪的100100年中,化学与化工取得了空前辉煌年中,化学与化工取得了空前辉煌的成就。的成就。 “ “空前辉煌空前辉煌” ” 数字数字2 2852 285万。万。19001900年在年在
5、Chemical Chemical Abstracts(CAAbstracts(CA) )上登录的从天然产物中分上登录的从天然产物中分离出来的和人工合成的已知化合物只有离出来的和人工合成的已知化合物只有5555万种。化万种。化学是以指数函数的形式向前发展的。学是以指数函数的形式向前发展的。o 但但“化学家太谦虚化学家太谦虚”(这句话是(这句话是NatureNature杂志在杂志在20012001年的评论中说的),不会向社会宣传化学与化工对年的评论中说的),不会向社会宣传化学与化工对社会的重要贡献。因此社会的重要贡献。因此2020世纪化学取得的辉煌成就,世纪化学取得的辉煌成就,并未获得社会应有的
6、认可。并未获得社会应有的认可。2.20世纪化学的重大成就o 20世纪发明的七大技术中最重要的是信息技术、世纪发明的七大技术中最重要的是信息技术、化学合成技术和生物技术化学合成技术和生物技术o 报刊上常说报刊上常说20世纪发明了六大技术世纪发明了六大技术:o 1.包括无线电、半导体、芯片、集成电路、计算机、包括无线电、半导体、芯片、集成电路、计算机、通讯和网络等的信息技术;通讯和网络等的信息技术;o 2.基因重组、克隆和生物芯片等生物技术;基因重组、克隆和生物芯片等生物技术;o 3.核科学和核武器技术;核科学和核武器技术;o 4.航空航天和导弹技术;航空航天和导弹技术;o 5.激光技术;激光技术
7、;o 6.纳米技术。纳米技术。o 但却很少有人提到包括新药物、新材料、高分子、但却很少有人提到包括新药物、新材料、高分子、化肥和农药的化学合成(包括分离)技术。化肥和农药的化学合成(包括分离)技术。o 上述六大技术如果缺少一两个,人类照样生存。但上述六大技术如果缺少一两个,人类照样生存。但如没有发明合成氨、合成尿素和第一、第二、第三如没有发明合成氨、合成尿素和第一、第二、第三代新农药的技术,世界粮食产量至少要减半,代新农药的技术,世界粮食产量至少要减半,6060亿亿人口中的人口中的3030亿就会饿死亿就会饿死。没有发明合成各种抗生素。没有发明合成各种抗生素和大量新药物的技术,和大量新药物的技术
8、,人类平均寿命要缩短人类平均寿命要缩短2525年年。没有发明合成纤维、合成橡胶、合成塑料的技术,没有发明合成纤维、合成橡胶、合成塑料的技术,人类生活要受到很大影响。没有合成大量新分子和人类生活要受到很大影响。没有合成大量新分子和新材料的化学工业技术,上述六大技术根本无法实新材料的化学工业技术,上述六大技术根本无法实现。现。二、现代化学发展的趋势分析o 1.新世纪的化学科学主要研究的物质层次新世纪的化学科学主要研究的物质层次o 化学是什么?化学是什么?o 化学的传统定义化学的传统定义:研究物质的组成、结构、性能和:研究物质的组成、结构、性能和变化规律的科学。或者:化学是研究分子的科学。变化规律的
9、科学。或者:化学是研究分子的科学。o 现代化学定义现代化学定义:研究原子、分子片、分子、超分子、研究原子、分子片、分子、超分子、生物大分子到分子的各种不同尺度和不同复杂程度生物大分子到分子的各种不同尺度和不同复杂程度的聚集态的合成反应、分离和分析、结构形态、物的聚集态的合成反应、分离和分析、结构形态、物理性能和生物活性及其规律和应用的科学。理性能和生物活性及其规律和应用的科学。新世纪化学主要研究的物质层次o (1)原子层次的化学原子层次的化学:核化学、放射化学、同位核化学、放射化学、同位素化学、元素化学、单原子操纵和检测化学等。素化学、元素化学、单原子操纵和检测化学等。o (2)分子片层次的化
10、学分子片层次的化学:原子只有一百多种,但原子只有一百多种,但是分子数已达是分子数已达3000万种,因此,在原子和分子之万种,因此,在原子和分子之间引入一个新层次间引入一个新层次“分子片分子片”。o (3)分子层次的化学分子层次的化学:3000多万种化合物(分多万种化合物(分子),通常分为无机、有机和高分子化合物,但是子),通常分为无机、有机和高分子化合物,但是近些年合成的金属有机化合物、元素近些年合成的金属有机化合物、元素o 有机化合物、原子簇化合物、金属酶、金属硫有机化合物、原子簇化合物、金属酶、金属硫蛋白等等,已不能适应传统非分类方法,新世蛋白等等,已不能适应传统非分类方法,新世纪将研究分
11、子结构类型和结构方式。纪将研究分子结构类型和结构方式。o (4)超分子层次的化学)超分子层次的化学:受体和给体的化学、:受体和给体的化学、锁和钥匙的化学、分子间的非共价作用力、范锁和钥匙的化学、分子间的非共价作用力、范德华引力、各种不同类型的氢键、亲水与疏水德华引力、各种不同类型的氢键、亲水与疏水基团及其相互作用、分子的堆积、组装、位阻基团及其相互作用、分子的堆积、组装、位阻及包括各种空间效应等。及包括各种空间效应等。o (5)生物分子层次的化学生物分子层次的化学:生物化学、分子生物化学、分子生物学、化学生物学、酶化学、脑化学、神经生物学、化学生物学、酶化学、脑化学、神经化学、基团化学、生命调
12、控化学、药物化学、化学、基团化学、生命调控化学、药物化学、手性化学、环境化学、生命起源认知化学等。手性化学、环境化学、生命起源认知化学等。o (6)宏观聚集态化学)宏观聚集态化学:固体化学、晶体化学、固体化学、晶体化学、非晶体化学、流体和溶液化学、等离子体化学、非晶体化学、流体和溶液化学、等离子体化学、胶体化学和界面化学等。胶体化学和界面化学等。o (7)介观聚集态化学)介观聚集态化学:纳米化学、软物质化纳米化学、软物质化学、胶体化学(胶团胶束化学和气溶胶化学)学、胶体化学(胶团胶束化学和气溶胶化学)等。等。2.新世纪化学科学的主要研究领域o (1)环境相容性化学绿色化学)环境相容性化学绿色化
13、学o 研究的核心问题:研究的核心问题:o 绿色合成技术方法和过程绿色合成技术方法和过程o 可再生资源的利用和转化中存在的一系列问可再生资源的利用和转化中存在的一系列问题的研究。题的研究。o 矿物质资源高效利用中存在的关键科学问题矿物质资源高效利用中存在的关键科学问题的研究。的研究。(2)新材料化学科学)新材料化学科学o 新材料的研究主要有以下几个方面:新材料的研究主要有以下几个方面:o 复合型材料复合型材料o 新型能源材料新型能源材料o 可生物降解高分子材料可生物降解高分子材料o 有机物体系膜分离及膜材料的研究有机物体系膜分离及膜材料的研究o 生物材料化学生物材料化学(3)化学中的生命科学)化
14、学中的生命科学o 生物超分子功能的研究生物超分子功能的研究o 模拟生物体系的自由基化学和物理有机化学模拟生物体系的自由基化学和物理有机化学研究研究o 无机化合物药用的研究无机化合物药用的研究无机药物的手性无机药物的手性选择问题、抗癌配合物的研究、利用微量金选择问题、抗癌配合物的研究、利用微量金属离子有效地预防疾病、对无机药物跨膜运属离子有效地预防疾病、对无机药物跨膜运送机制、无机药物载体和靶向药物的研究、送机制、无机药物载体和靶向药物的研究、核药物及中药复方中使用矿物的问题。核药物及中药复方中使用矿物的问题。(4)化学工程技术)化学工程技术o 从液滴反应器的尺度范围内对化学转化从液滴反应器的尺
15、度范围内对化学转化影响下的某些重要的物理现象进行研究就影响下的某些重要的物理现象进行研究就形成了化学工程。形成了化学工程。o 具有经济、环境优化性的化学过程集成智具有经济、环境优化性的化学过程集成智能方法能方法o 化学反应的原子经济化学反应的原子经济o 飞秒激光控制化学反应飞秒激光控制化学反应o 微系统(微系统(MEMS)的新型活性加工技术及)的新型活性加工技术及微流量系统的研究。微流量系统的研究。(5)农业化学科学)农业化学科学o 粮食问题的解决,除了不断发展其他领域的粮食问题的解决,除了不断发展其他领域的农业(如海洋蓝色农业、微生物白色农业等)农业(如海洋蓝色农业、微生物白色农业等)之外,
16、化肥工业是支撑农业发展不可动摇的之外,化肥工业是支撑农业发展不可动摇的基石基石o 重要研究内容:固氮工程、光合作用、长效重要研究内容:固氮工程、光合作用、长效缓释化肥等缓释化肥等o 其他重点研究领域:植物激素及生长调节物其他重点研究领域:植物激素及生长调节物质、昆虫激素及生长调节物质、昆虫信息素、质、昆虫激素及生长调节物质、昆虫信息素、生物活性发展的分离和鉴定等。生物活性发展的分离和鉴定等。(6)催化化学)催化化学o 新世纪的催化化学是新世纪的催化化学是以消除有害物质为目的以消除有害物质为目的的新的能源环保为特征的的新的能源环保为特征的催化化学催化化学o 研究各种形式的催化过程,如化学催化、生
17、研究各种形式的催化过程,如化学催化、生物催化、择形催化、电催化、光催化等在绿物催化、择形催化、电催化、光催化等在绿色合成中的作用。色合成中的作用。o 研制开发家电用环保催化剂、烹调器用自净研制开发家电用环保催化剂、烹调器用自净化催化剂、光催化空气净化剂、催化燃料电化催化剂、光催化空气净化剂、催化燃料电池、汽车尾气净化剂等。池、汽车尾气净化剂等。(7)计算机化学科学)计算机化学科学o 一方面电子信息产业需要大量的化工原料,其中有一方面电子信息产业需要大量的化工原料,其中有基材、光刻胶、掺杂剂、封装材料及专用清洗剂等。基材、光刻胶、掺杂剂、封装材料及专用清洗剂等。o 另一方面,随着分子生物学的不断
18、兴起和发展,人另一方面,随着分子生物学的不断兴起和发展,人们发现在生物大分子之间遵循化学和生理规律发生们发现在生物大分子之间遵循化学和生理规律发生相互作用过程中,能形成具有类似于计算机的信息相互作用过程中,能形成具有类似于计算机的信息传输和处理、甚至逻辑运算功能的传输和处理、甚至逻辑运算功能的“生物电路生物电路”,从而诞生了生物计算。从而诞生了生物计算。o 计算机化学科学的另一领域是发展理论化学计算及计算机化学科学的另一领域是发展理论化学计算及微观过程模型的软件。微观过程模型的软件。3.21世纪化学科学的四大难题o (1)化学反应理论)化学反应理论o 建立严格的微观化学反应理论,既要从初始原建
19、立严格的微观化学反应理论,既要从初始原理出发,又要巧妙地采取近似方法,使之能解理出发,又要巧妙地采取近似方法,使之能解决实际问题,包括决定某两个或几个分子之间决实际问题,包括决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应?能否生成预期的分子?需能否发生化学反应?能否生成预期的分子?需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应?如要什么催化剂才能在温和条件下进行反应?如何在理论指导下控制化学反应?如何计算化学何在理论指导下控制化学反应?如何计算化学反应的速率?如何确定化学反应的途径等。反应的速率?如何确定化学反应的途径等。(2)结构和性能的定量关系)结构和性能的定量关系o 理论上说,一个分子的电子云密度可以
20、决定它的所理论上说,一个分子的电子云密度可以决定它的所有性质,但实际计算很困难。有性质,但实际计算很困难。o 要优先研究的课题:分子和分子间的非共价键的相要优先研究的课题:分子和分子间的非共价键的相互作用的本质和规律;超分子结构的类型、生成和互作用的本质和规律;超分子结构的类型、生成和调控的规律;给体受体作用原理;生物大分子的调控的规律;给体受体作用原理;生物大分子的结构以及与生物和生理活性的关系;分子自由基的结构以及与生物和生理活性的关系;分子自由基的稳定性和结构的关系;掺杂晶体的结构和性能的关稳定性和结构的关系;掺杂晶体的结构和性能的关系;如何设计合成具有人们期望的某种性能的材料?系;如何
21、设计合成具有人们期望的某种性能的材料?如何使宏观材料达到微观化学键的强度?如何使宏观材料达到微观化学键的强度?(3)生命现象的化学机理)生命现象的化学机理o 研究配体小分子和受体生物大分子相互作用研究配体小分子和受体生物大分子相互作用的机理,这是药物设计的基础。的机理,这是药物设计的基础。o 搞清楚光合作用、生物固氮作用,牛羊等食搞清楚光合作用、生物固氮作用,牛羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理。分子的反应机理。o 人类的大脑是用人类的大脑是用“泛分子泛分子”组装成的最精巧组装成的最精巧的计算机,彻底了解大脑的结构和功能,是的计算机
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