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第2章 与人类息息相关的化学

从刀耕火种的原始社会到高度发达的现代社会,从中国古老的四大发明到欧洲的蒸汽、电力时代,从探索宇宙的卫星到人类日常的吃、穿、住、行……这些都与化学息息相关。人类发展史上的跃变和前进,化学就相当于催化剂,在这一过程中起到至关重要的作用。

1.化学是什么呢?

科学家给出的定义是:化学就是一门在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、变化、制备和应用的自然科学。简单的说,化学就是一门科研究物质的结构、组成、性质和变化规律的自然科学。

这门学科对我们认识和应用物质具有重要的作用。

世界是由物质组成的,化学的研究对象就是物质。化学通过对物质的分析探索,来改变社会及自然的结构形态。化学是一门年轻的富有生机且趣味性较强的自然学科,它与人类进步和社会发展的关系非常密切,它的成就是社会文明的重要标志。

化学是重要的基础科学之一,在与物理学、生物学、自然地理学、天文学等学科的相互渗透中,得到了快速的发展,同时也推动了其它学科和技术的发展。

例如,核酸化学的研究成果使今天的生物学从细胞水平提高到分子水平,建立了分子生物学;对地球、月球和其他星体的化学成分的分析,得出了元素存在的规律,发现了星际空间有简单化合物的存在,为天体演化和现代宇宙学提供了实验资源,还丰富了自然辩证法的内容。

化学也是一门以实验为基础的科学,在进行物质研究中,实验是必不可少的,只有通过科学家精细准确的实验证实后,才能得出相应的化学结构。

2.化学的历史

远古先民在与自然的抗争中,逐渐认识了火并学会了摩擦生火和钻木取火,从此人类就得到了用火的自由。

人类对火的利用标志着一次文明的飞跃,人类的生理、生活等方面得到很大的改善,同时为物质的化学变化提供了基础条件,燃烧本身就有新物质生成,属于化学变化范畴。

此后,陶器的发明与制作、玻璃的制作都是古人在长期的生产活动中,利用化学反应进行的实践活动。玻璃仪器及其器皿也是近代化学实验所必须的器材,是化学科学发展的有力工具。

同时,人们还在对自然的认识中,逐渐学会湿法冶铜和利用木炭不完全燃烧的产物一氧化碳的还原性进行冶炼金属。这些都大大推进了人类生产力的发展水平。

另外,古代的“点石成金”、“不老仙丹”和黑火药的发明也是通过化学实验进行的,这些都在客观上为化学学科的建立积累了相当丰富的经验,甚至总结出一些化学反应的规律。

当然,青铜制造和造纸术的发明,也可以说是古人合理运用化学变化进行发明创造的结晶。

从1650年到1775年,在欧洲,随着冶金工业的发展和实验室经验的积累,人们认为,可燃物能够燃烧是因为它含有燃素,燃烧的过程是可燃物中热量放出的过程,可燃物放出燃素后成为灰烬。

1723年,德国哈雷大学的医学与药理学教授施塔尔出版了教科书《化学基础》。他继承并发展了他的老师贝歇尔有关燃烧现象的解释,形成了贯穿整个化学的完整、系统的理论。《化学基础》成为燃素说的代表作。

1775年前后,化学作为一门年轻的自然科学开始蓬勃发展。拉瓦锡用定量化学实验阐述了燃烧的氧化学说,并且得出氧气在空气中的含量约为1/5,开创了定量化学时期。这一时期建立了许多跨时代的化学基本定律,道尔顿提出了原子学说,把构成物质的最小微粒提升到原子。门捷列夫发明了化学元素周期表,把所发现的元素规律排列,便于日后的研究和发现,发展了有机结构理论。所有这一切,都为现代化学的发展奠定了坚实的基础。

在化学发展的历史上,英国的波义耳第一次给元素下了一个明确的定义。他认为:“元素是构成物质的基本,它可以与其它元素相结合,形成化合物。但是,如果把元素从化合物中分离出来以后,它便不能再被分解为任何比它更简单的东西了。”

波义耳是首先将化学确立为科学的人。

人类对物质结构的认识是永无止境的。物质是由元素构成的,那么,元素又是由什么构成的呢?1803年,英国化学家道尔顿创立的原子学说,进一步解答了这个问题。随后,意大利化学家阿佛加德罗又于1811年提出了分子学说,进一步补充和发展了道尔顿的原子学说。

19世纪末,物理学上出现了三大发现:X射线、放射线和电子。这些新发现强烈地冲击了道尔顿关于原子不可分割的观念,从而打开了原子和原子核内部结构的大门,揭开了微观世界中更深层次的奥秘。

热力学等物理学理论引入化学以后,利用化学平衡和反应速度的概念,可以判断化学反应中通过改变化学条件来使化学反应向更有利于人类需求的方向进行,从而开始建立了物理化学,使化学在理论上提高到到一个新的水平。

在量子力学建立的基础上发展起来的化学键(分子中原子之间的结合力)理论,使人类进一步了解了分子结构与性能的关系,大大地促进了化学与材料科学的联系,为发展材料科学提供了理论依据。

现代化学的兴起使化学从无机化学和有机化学的基础上,发展成为多分支学科的科学,人们开始建立了以无机化学、有机化学、分析化学、物理化学和高分子化学为分支学科的化学学科。

化学是人类的翅膀,化学的迅速发展,将为人类的进步带来质的飞跃。化学不断提高和改善人类的社会生活,它将伴随人类走进更高科技的高端领域。

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