什么是有机化学、无机化学和动力化学?

什么是有机化学、无机化学和动力化学?
什么是有机化学、无机化学和动力化学?

什么是有机化学、无机化学和动力化学?
无机化学
无机化学是研究无机物质的组成、性质、结构和反应的科学,它是化学中最古老的分支学科.无机物质包括所有化学元素和它们的化合物,不过大部分的碳化合物除外.(除二氧化碳、一氧化碳、二硫化碳、碳酸盐等简单的碳化合物仍属无机物质外,其余均属于有机物质.）
过去认为无机物质即无生命的物质,如岩石、土壤,矿物、水等；而有机物质则是由有生命的动物和植物产生,如蛋白质、油脂、淀粉、纤维素、尿素等.1828年德意志化学家维勒从无机物氰酸铵制得尿素,从而破除了有机物只能由生命力产生的迷信,明确了这两类物质都是由化学力结合而成.现在这两类物质是按上述组分不同而划分的.
无机化学发展简史
原始人类即能辨别自然界存在的无机物质的性质而加以利用.后来偶然发现自然物质能变化成性质不同的新物质,于是加以仿效,这就是古代化学工艺的开始.
如至少在公元前6000年,中国原始人即知烧粘土制陶器,并逐渐发展为彩陶、白陶,釉陶和瓷器.公元前5000年左右,人类发现天然铜性质坚韧,用作器具不易破损.后又观察到铜矿石如孔雀石 (碱式碳酸铜)与燃炽的木炭接触而被分解为氧化铜,进而被还原为金属铜,经过反复观察和试验,终于掌握以木炭还原铜矿石的炼铜技术.以后又陆续掌握炼锡、炼锌、炼镍等技术.中国在春秋战国时代即掌握了从铁矿冶铁和由铁炼钢的技术,公元前2世纪中国发现铁能与铜化合物溶液反应产生铜,这个反应成为后来生产铜的方法之一.
化合物方面,在公元前17世纪的殷商时代即知食盐(氧化钠)是调味品,苦盐(氢化镁)的味苦.公元前五世纪已有琉璃(聚硅酸盐)器皿.公元七世纪,中国即有焰硝(硝酸钾)、硫黄和木炭做成火药的记载.明朝宋应星在1637年刊行的《天工开物》中详细记述了中国古代手工业技术,其中有陶瓷器、铜、钢铁、食盐、焰硝、石灰、红黄矾、等几十种无机物的生产过程.由此可见,在化学科学建立前,人类已掌握了大量无机化学的知识和技术.
古代的炼丹术是化学科学的先驱,炼丹术就是企图将丹砂(硫化汞)之类药剂变成黄金,并炼制出长生不老之丹的方术.中国金丹术始于公元前2、3世纪的秦汉时代.公元142年中国金丹家魏伯阳所著的《周易参同契》是世界上最古的论述金丹术的书,约在360年有葛洪著的《抱朴子》,这两本书记载了60多种无机物和它们的许多变化.约在公元8世纪,欧洲金丹术兴起,后来欧洲的金丹术逐渐演进为近代的化学科学,而中国的金丹术则未能进一步演进.
金丹家关于无机物变化的知识主要从实验中得来.他们设计制造了加热炉、反应室、蒸馏器、研磨器等实验用具.金丹家所追求的目的虽属荒诞,但所使用的操作方法和积累的感性知识,却成为化学科学的前驱.
由于最初化学所研究的多为无机物,所以近代无机化学的建立就标志着近代化学的创始.建立近代化学贡献最大的化学家有三人,即英国的玻意耳、法国的拉瓦锡和英国的道尔顿.
玻意耳在化学方面进行过很多实验,如磷、氢的制备,金属在酸中的溶解以及硫、氢等物的燃烧.他从实验结果阐述了元素和化合物的区别,提出元素是一种不能分出其他物质的物质.这些新概念和新观点,把化学这门科学的研究引上了正确的路线,对建立近代化学作出了卓越的贡献.
拉瓦锡采用天平作为研究物质变化的重要工具,进行了硫、磷的燃烧,锡、汞等金属在空气中加热的定量实验,确立了物质的燃烧是氧化作用的正确概念,推翻了盛行百年之久的燃素说.拉瓦锡在大量定量实验的基础上,于1774年提出质量守恒定律,即在化学变化中,物质的质量不变.1789年,在他所著的《化学概要》中,提出第一个化学元素分类表和新的化学命名法,并运用正确的定量观点,叙述当时的化学知识,从而奠定了近代化学的基础.由于拉瓦锡的提倡,天平开始普遍应用于化合物组成和变化的研究.
1799年,法国化学家普鲁斯特归纳化合物组成测定的结果,提出定比定律,即每个化合物各组分元素的重量皆有一定比例.结合质量守恒定律,1803年道尔顿提出原子学说,宣布一切元素都是由不能再分割、不能毁灭的称为原子的微粒所组成.并从这个学说引伸出倍比定律,即如果两种元素化合成几种不同的化合物,则在这些化合物中,与一定重量的甲元素化合的乙元素的重量必互成简单的整数比.这个推论得到定量实验结果的充分印证.原子学说建立后,化学这门科学开始宣告成立.
19世纪30年代,已知的元素已达60多种,俄国化学家门捷列夫研究了这些元素的性质,在1869年提出元素周期律：元素的性质随着元素原子量的增加呈周期性的变化.这个定律揭示了化学元素的自然系统分类.元素周期表就是根据周期律将化学元素按周期和族类排列的,周期律对于无机化学的研究、应用起了极为重要的作用.
目前已知的元素共109种,其中94种存在于自然界,15种是人造的.代表化学元素的符号大都是拉丁文名称缩写.中文名称有些是中国自古以来就熟知的元素,如金、铝、铜、铁、锡、硫、砷、磷等；有些是由外文音译的,如钠、锰、铀、氦等；也有按意新创的,如氢(轻的气)、溴(臭的水)、铂(白色的金,同时也是外文名字的译音)等.
周期律对化学的发展起着重大的推动作用.根据周期律,门捷列夫曾预言当时尚未发现的元素的存在和性质.周期律还指导了对元素及其化合物性质的系统研究,成为现代物质结构理论发展的基础.系统无机化学一般就是指按周期分类对元素及其化合物的性质、结构及其反应所进行的叙述和讨论.
19世纪末的一系列发现,开创了现代无机化学；1895年伦琴发现 X射线；1896年贝克勒尔发现铀的放射性；1897年汤姆逊发现电子；1898年,居里夫妇发现钋和镭的放射性.20世纪初卢瑟福和玻尔提出原子是由原子核和电子所组成的结构模型,改变了道尔顿原子学说的原子不可再分的观念.
1916年科塞尔提出电价键理论,路易斯提出共价键理论,圆满地解释了元素的原子价和化合物的结构等问题.1924年,德布罗意提出电子等物质微粒具有波粒二象性的理论；1926年,薛定谔建立微粒运动的波动方程；次年,海特勒和伦敦应用量子力学处理氢分子,证明在氢分子中的两个氢核间,电子几率密度有显著的集中,从而提出了化学键的现代观点.
此后,经过几方面的工作,发展成为化学键的价键理论、分子轨道理论和配位场理论.这三个基本理论是现代无机化学的理论基础.
无机化学的研究内容
无机化学在成立之初,其知识内容已有四类,即事实、概念、定律和学说.
用感官直接观察事物所得的材料,称为事实；对于事物的具体特征加以分析、比较、综合和概括得到概念,如元素、化合物、化合、化分、氧化、还原、原子等皆是无机化学最初明确的概念；组合相应的概念以概括相同的事实则成定律,例如,不同元素化合成各种各样的化合物,总结它们的定量关系得出质量守恒、定比、倍比等定律；建立新概念以说明有关的定律,该新概念又经实验证明为正确的,即成学说.例如,原子学说可以说明当时已成立的有关元素化合重量关系的各定律.
化学知识的这种派生关系表明它们之间的内在联系.定律综合事实,学说解释并贯串定律,从而把整个化学内容组织成为一个有系统的科学知识.人们认为近代化学是在道尔顿创立原子学说之后建立起来的,因为该学说把当时的化学内容进行了科学系统化.
系统的化学知识是按照科学方法进行研究的.科学方法主要分为三步：
搜集事实 搜集的方法有观察和实验.实验是控制条件下的观察.化学研究特别重视实验,因为自然界的化学变化现象都很复杂,直接观察不易得到事物的本质.例如,铁生锈是常见的化学变化,若不控制发生作用的条件,如水气、氧、二氧化碳、空气中的杂质和温度等就不易了解所起的反应和所形成的产物.
无论观察或实验,所搜集的事实必须切实准确.化学实验中的各种操作,如沉淀、过滤、灼烧、称重、蒸馏、滴定、结晶、萃取等等,都是在控制条件下获得正确可靠事实知识的实验手段.正确知识的获得,既要靠熟练的技术,也要靠精密的仪器,近代化学是由天平的应用开始的.通过对每一现象的测量,并用数字表示,才算对此现象有了确切知识.
建立定律 古代化学工艺和金丹术积累的化学知识虽然很多,但不能称为科学.要知识成为科学,必须将搜集到的大量事实加以分析比较,去粗取精,由此及彼地将类似的事实归纳成为定律.例如普鲁斯特注意化合物的成分,他分析了大量的、采自世界各地的、天然的和人工合成的多种化合物,经过八年的努力后发现每一种化合物的组成都是完全相同的,于是归纳这类事实,提出定比定律.
创立学说 化学定律虽比事实为少,但为数仍多,而且各自分立,互不相关.化学家要求理解各定律的意义及其相互关系.道尔顿由表及里地提出物质由原子构成的概念,创立原子学说,解释了关于元素化合和化合物变化的重量关系的各个定律,并使之连贯起来,从而将化学知识按其形成的层次组织成为一门系统的科学.
由于各学科的深入发展和学科间的相互渗透,形成许多跨学科的新的研究领域.无机化学与其他学科结合而形成的新兴研究领域很多,例如生物无机化学就是无机化学与生物化学结合的边缘学科.
现代物理实验方法如：X射线、中子衍射、电子衍射、磁共振、光谱、质谱、色谱等方法的应用,使无机物的研究由宏观深入到微观,从而将元素及其化合物的性质和反应同结构联系起来,形成现代无机化学.现代无机化学就是应用现代物理技术及物质微观结构的观点来研究和阐述化学元素及其所有无机化合物的组成、性能、结构和反应的科学.无机化学的发展趋向主要是新型化合物的合成和应用,以及新研究领域的开辟和建立.
有机化学
有机化学是研究有机化合物的来源、制备、结构、性质、应用以及有关理论的科学,又称碳化合物的化学.
有机化学的发展简史
“有机化学”这一名词于1806年首次由贝采利乌斯提出.当时是作为“无机化学”的对立物而命名的.19世纪初,许多化学家相信,在生物体内由于存在所谓“生命力”,才能产生有机化合物,而在实验室里是不能由无机化合物合成的.
1824年,德国化学家维勒从氰经水解制得草酸；1828年他无意中用加热的方法又使氰酸铵转化为尿素.氰和氰酸铵都是无机化合物,而草酸和尿素都是有机化合物.维勒的实验结果给予“生命力”学说第一次冲击.此后,乙酸等有机化合物相继由碳、氢等元素合成,“生命力”学说才逐渐被人们抛弃.
由于合成方法的改进和发展,越来越多的有机化合物不断地在实验室中合成出来,其中,绝大部分是在与生物体内迥然不同的条件下台成出来的.“生命力”学说渐渐被抛弃了, “有机化学”这一名词却沿用至今.
从19世纪初到1858年提出价键概念之前是有机化学的萌芽时期.在这个时期,已经分离出许多有机化合物,制备了一些衍生物,并对它们作了定性描述.
法国化学家拉瓦锡发现,有机化合物燃烧后,产生二氧化碳和水.他的研究工作为有机化合物元素定量分析奠定了基础.1830年,德国化学家李比希发展了碳、氢分析法,1833年法国化学家杜马建立了氮的分析法.这些有机定量分析法的建立使化学家能够求得一个化合物的实验式.
当时在解决有机化合物分子中各原子是如何排列和结合的问题上,遇到了很大的困难.最初,有机化学用二元说来解决有机化合物的结构问题.二元说认为一个化合物的分子可分为带正电荷的部分和带负电荷的部分,二者靠静电力结合在一起.早期的化学家根据某些化学反应认为,有机化合物分子由在反应中保持不变的基团和在反应中起变化的基团按异性电荷的静电力结合.但这个学说本身有很大的矛盾.
类型说由法国化学家热拉尔和洛朗建立.此说否认有机化合物是由带正电荷和带负电荷的基团组成,而认为有机化合物是由一些可以发生取代的母体化合物衍生的,因而可以按这些母体化合物来分类.类型说把众多有机化合物按不同类型分类,根据它们的类型不仅可以解释化合物的一些性质,而且能够预言一些新化合物.但类型说未能回答有机化合物的结构问题.
有机化合物按不同类型分类,根据它们的类型不仅可以解释化合物的一些性质,而且能够预言一些新化合物.但类型说未能回答有机化合物的结构问题.
从1858年价键学说的建立,到1916年价键的电子理论的引入,是经典有机化学时期.
1858年,德国化学家凯库勒和英国化学家库珀等提出价键的概念,并第一次用短划“-”表示“键”.他们认为有机化合物分子是由其组成的原子通过键结合而成的.由于在所有已知的化合物中,一个氢原子只能与一个别的元素的原子结合,氢就选作价的单位.一种元素的价数就是能够与这种元素的一个原子结合的氢原子的个数.凯库勒还提出,在一个分子中碳原子之间可以互相结合这一重要的概念.
1848年巴斯德分离到两种酒石酸结晶,一种半面晶向左,一种半面晶向右.前者能使平面偏振光向左旋转,后者则使之向右旋转,角度相同.在对乳酸的研究中也遇到类似现象.为此,1874年法国化学家勒贝尔和荷兰化学家范托夫分别提出一个新的概念,圆满地解释了这种异构现象.
他们认为：分子是个三维实体,碳的四个价键在空间是对称的,分别指向一个正四面体的四个顶点,碳原子则位于正四面体的中心.当碳原子与四个不同的原子或基团连接时,就产生一对异构体,它们互为实物和镜像,或左手和右手的手性关系,这一对化合物互为旋光异构体.勒贝尔和范托夫的学说,是有机化学中立体化学的基础.
1900年第一个自由基,三苯甲基自由基被发现,这是个长寿命的自由基.不稳定自由基的存在也于1929年得到了证实.
在这个时期,有机化合物在结构测定以及反应和分类方面都取得很大进展.但价键只是化学家从实践经验得出的一种概念,价键的本质尚未解决.
现代有机化学时期 在物理学家发现电子,并阐明原子结构的基础上,美国物理化学家路易斯等人于1916年提出价键的电子理论.
他们认为：各原子外层电子的相互作用是使各原子结合在一起的原因.相互作用的外层电子如从—个原了转移到另一个原子,则形成离子键；两个原子如果共用外层电子,则形成共价键.通过电子的转移或共用,使相互作用的原子的外层电子都获得惰性气体的电子构型.这样,价键的图象表示法中用来表示价键的短划“-”,实际上是两个原子共用的一对电子.
1927年以后,海特勒和伦敦等用量子力学,处理分子结构问题,建立了价键理论,为化学键提出了一个数学模型.后来马利肯用分子轨道理论处理分子结构,其结果与价键的电子理论所得的大体一致,由于计算简便,解决了许多当时不能回答的问题.
有机化学的研究内容
有机化合物和无机化合物之间没有绝对的分界.有机化学之所以成为化学中的一个独立学科,是因为有机化合物确有其内在的联系和特性.
位于周期表当中的碳元素,一般是通过与别的元素的原子共用外层电子而达到稳定的电子构型的.这种共价键的结合方式决定了有机化合物的特性.大多数有机化合物由碳、氢、氮、氧几种元素构成,少数还含有卤素和硫、磷等元素.因而大多数有机化合物具有熔点较低、可以燃烧、易溶于有机溶剂等性质,这与无机化合物的性质有很大不同.
在含多个碳原子的有机化合物分子中,碳原子互相结合形成分子的骨架,别的元素的原子就连接在该骨架上.在元素周期表中,没有一种别的元素能像碳那样以多种方式彼此牢固地结合.由碳原子形成的分子骨架有多种形式,有直链、支链、环状等.
在有机化学发展的初期,有机化学工业的主要原料是动、植物体,有机化学主要研究从动、植物体中分离有机化合物.
19世纪中到20世纪初,有机化学工业逐渐变为以煤焦油为主要原料.合成染料的发现,使染料、制药工业蓬勃发展,推动了对芳香族化合物和杂环化合物的研究.30年代以后,以乙炔为原料的有机合成兴起.40年代前后,有机化学工业的原料又逐渐转变为以石油和天然气为主,发展了合成橡胶、合成塑料和合成纤维工业.由于石油资源将日趋枯竭,以煤为原料的有机化学工业必将重新发展.当然,天然的动、植物和微生物体仍是重要的研究对象.
天然有机化学主要研究天然有机化合物的组成、合成、结构和性能.20世纪初至30年代,先后确定了单糖、氨基酸、核苷酸牛胆酸、胆固醇和某些萜类的结构,肽和蛋白质的组成；30～40年代,确定了一些维生素、甾族激素、多聚糖的结构,完成了一些甾族激素和维生素的结构和合成的研究；40～50年代前后,发现青霉素等一些抗生素,完成了结构测定和合成；50年代完成了某些甾族化合物和吗啡等生物碱的全合成,催产素等生物活性小肽的合成,确定了胰岛素的化学结构,发现了蛋白质的螺旋结构,DNA的双螺旋结构；60年代完成了胰岛素的全合成和低聚核苷酸的合成；70年代至80年代初,进行了前列腺素、维生素B12、昆虫信息素激素的全合成,确定了核酸和美登木素的结构并完成了它们的全合成等等.
有机合成方面主要研究从较简单的化合物或元素经化学反应合成有机化合物.19世纪30年代合成了尿素；40年代合成了乙酸.随后陆续合成了葡萄糖酸、柠檬酸、琥珀酸、苹果酸等一系列有机酸；19世纪后半叶合成了多种染料；20世纪40年代合成了滴滴涕和有机磷杀虫剂、有机硫杀菌剂、除草剂等农药；20世纪初,合成了606药剂,30～40年代,合成了一千多种磺胺类化合物,其中有些可用作药物.
物理有机化学是定量地研究有机化合物结构、反应性和反应机理的学科.它是在价键的电子学说的基础上,引用了现代物理学、物理化学的新进展和量子力学理论而发展起来的.20世纪20～30年代,通过反应机理的研究,建立了有机化学的新体系；50年代的构象分析和哈米特方程开始半定量估算反应性与结构的关系；60年代出现了分子轨道对称守恒原理和前线轨道理论.
有机分析即有机化合物的定性和定量分析.19世纪30年代建立了碳、氢定量分析法；90年代建立了氮的定量分析法；有机化合物中各种元素的常量分析法在19世纪末基本上已经齐全；20世纪20年代建立了有机微量定量分析法；70年代出现了自动化分析仪器.
由于科学和技术的发展,有机化学与各个学科互相渗透,形成了许多分支边缘学科.比如生物有机化学、物理有机化学、量子有机化学、海洋有机化学等.
有机化学的研究方法
有机化学研究手段的发展经历了从手工操作到自动化、计算机化,从常量到超微量的过程.
20世纪40年代前,用传统的蒸馏、结晶、升华等方法来纯化产品,用化学降解和衍生物制备的方法测定结构.后来,各种色谱法、电泳技术的应用,特别是高压液相色谱的应用改变了分离技术的面貌.各种光谱、能谱技术的使用,使有机化学家能够研究分子内部的运动,使结构测定手段发生了革命性的变化.
电子计算机的引入,使有机化合物的分离、分析方法向自动化、超微量化方向又前进了一大步.带傅里叶变换技术的核磁共振谱和红外光谱又为反应动力学、反应机理的研究提供了新的手段.这些仪器和x射线结构分析、电子衍射光谱分析,已能测定微克级样品的化学结构.用电子计算机设计合成路线的研究也已取得某些进展.
未来有机化学的发展首先是研究能源和资源的开发利用问题.迄今我们使用的大部分能源和资源,如煤、天然气、石油、动植物和微生物,都是太阳能的化学贮存形式.今后一些学科的重要课题是更直接、更有效地利用太阳能.
对光合作用做更深入的研究和有效的利用,是植物生理学、生物化学和有机化学的共同课题.有机化学可以用光化学反应生成高能有机化合物,加以贮存；必要时则利用其逆反应,释放出能量.另一个开发资源的目标是在有机金属化合物的作用下固定二氧化碳,以产生无穷尽的有.机化合物.这几方面的研究均已取得一些初步结果.
其次是研究和开发新型有机催化剂,使它们能够模拟酶的高速高效和温和的反应方式.这方面的研究已经开始,今后会有更大的发展.
20世纪60年代末,开始了有机合成的计算机辅助设计研究.今后有机合成路线的设计、有机化合物结构的测定等必将更趋系统化、逻辑化.
化学动力学
化学动力学是研究化学反映过程的速率和反应机理的物理化学分支学科,它的研究对象是物质性质随时间变化的非平衡的动态体系.时间是化学动力学的一个重要变量.
化学动力学的研究方法主要有两种.一种是唯象动力学研究方法,也称经典化学动力学研究方法,它是从化学动力学的原始实验数据——浓度与时间的关系出发,经过分析获得某些反应动力学参数——反应速率常数、活化能、指前因子等.用这些参数可以表征反应体系的速率化学动力学参数是探讨反应机理的有效数据.
20世纪前半叶,大量的研究工作都是对这些参数的测定、理论分析以及利用参数来研究反应机理.但是,反应机理的确认主要依赖于检出和分析反应中间物的能力.20世纪后期,自由基链式反应动力学研究的普遍开展,给化学动力学带来两个发展趋向：一是对元反应动力学的广泛研究；二是迫切要求建立检测活性中间物的方法,这个要求和电子学、激光技术的发展促进了快速反应动力学的发展.目前,对暂态活性中间物检测的时间分辨率已从50年代的毫秒级提高到皮秒级.
另一种是分子反应动力学研究方法.从微观的分子水平来看,一个化学反应是具有一定量子态的反应物分子问的互相碰撞,进行原子重排,产生一定量子态的产物分子以至互相分离的单次反应碰撞行为.用过渡态理论解释,它是在反应体系的超势能面上一个代表体系的质点越过反应势垒的一次行为.
原则上,如果能从量子化学理论计算出反应体系的正确的势能面,并应用力学定律计算具有代表性的点在其上的运动轨迹,就能计算反应速率和化学动力学的参数.但是,除了少数很简单的化学反应以外,量子化学的计算至今还不能得到反应体系的可靠的、完整的势能面.因此,现行的反应速率理论仍不得不借用经典统计力学的处理方法.这样的处理必须作出某种形式的平衡假设,因而使这些速率理论不适用于非常快的反应.尽管对于衡假设的适用性研究已经很多,但日前完全用非平衡态理论处理反应速率问题尚不成熟.
经典的化学动力学实验方法不能制备单一量子态的反应物,也不能检测由单次反应碰撞所产生的初生态产物.分子束(即分子散射),特别是交叉分子束方法对研究化学元反应动力学的应用,使在实验上研究单次反应碰撞成为可能.分子束实验已经获得了许多经典化学动力学无法取得的关于化学元反应的微观信息,分子反应动力学是现代化学动力学的一个前沿阵地.