化学

化学是什么?化学是变化的学问。——过庆红

化学概述

化学是研究物质的性质、组成、结构、变化和应用的科学。世界是由物质组成的,化学则是人类用以认识和改造物质世界的主要方法和手段之一,它是一门历史悠久又富有活力的学科。它的成就是社会文明的重要标志。从开始用火的原始社会,到使用各种人造物质的现代社会,人类都在享用化学成果。人类的生活能够不断提高和改善,有赖于科学技术的进步,而化学的贡献在其中起了重要的作用。

化学是重要的基础科学之一,在与物理学、生物学、天文学等学科的相互渗透中,不仅本身得到了迅速的发展,同时也推动了其他学科和技术的发展。例如,核酸化学的研究结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、月球和其他天体的化学成分的分析,得出了元素分布的规律,发现了星际空间简单化合物的存在,为天体演化和现代宇宙学提供了实验数据,创建了地球化学和宇宙化学。化学的重大成就,还丰富了自然辩证法的内容,推动了唯物主义哲学思想的发展。

“化学”的来源

汉语中“化学”一词最早出现于1856年英国传教士韦廉臣(1829—1890)编的“格物探源一”书,是英语“Chemistry”一词的意译。“chemistry”来源于拉丁语“alchemy”,后者来源于阿拉伯语“al-kimiya”。关于“al-kimiya”的来源有两种说法。

一种比较普遍的说法,认为alchemy来源于古埃及。最初提到化学科学(scientia chi-miae)的是费米克(Firmicus),他在公元前4世纪前半叶写了本称为“马塞西斯”的占星术的书,且残缺不全。他在书中对化学这门科学的对象并没提什么,但它被大约3世纪末还在世的另一作者帕诺波里的佐西摩所阐明,认为xηvεIα(即chemia)指的是制造金银的工艺。在现存最古老的古埃及莎草书卷中,主要阐述了金属加工和提纯,合金制取,贵金属仿制及伪制,而在当时伪制完全被公开认可,伪金与真金同时流通。因为最初在埃及运用这种仿制法,该国名称早先为chemia,意为黑色的,来源于该国肥沃的黑土地,而炼金过程中就有一个步骤叫“黑化”。因此最可能的是seientia chemiae最初指的是埃及的科学。约于公元1000年编写词典的苏达思(suides)也把chemia定义为金银之制取。由此可见chemia不再是指一个国家的名称。阿拉伯人继承了亚历山大炼金术士的遗产,他们使用chemia(即阿拉伯语al-kimiya)作为实现金属转变的物质或介质,即哲人石的名称,或更准确地说,是作为由哲人石得到的制剂的名称。炼金术又由阿拉伯传入中世纪的欧洲,演变为“Alche-my”再由这个词衍生出chime(法语“化学”),chemie(德语“化学”)或chemis-try(英语“化学”)。直到16世纪,寻找哲人石几乎是化学研究的唯一对象。但从这一时期起,化学在两个新的和不同的途径中——冶金学和医药化学——发展起来了,从而促进了无机化学的发展。从此炼金术(Alchemy)逐渐转变为近代化学(chemistry),并经罗伯特•波义耳,第一个明确提出应把化学作为自然科学的一个分支来进行其本身的研究,确立了化学在自然科学中的地位。由此看来,“化学”一词纯属“舶来品”。

印度学者马迪哈桑1951年提出另一种说法,认为al-kimiya的词源是由中国金丹术衍生的。在阿拉伯语中al-klmi-ya的原意是炼金术,而阿拉伯的炼金术是由中国传去的。在中国炼丹家中,“还丹”和“金液”是主要的探讨对象,而“金液”在华南的福建方言中读音是“钦牙”(kimya),阿拉伯人与中国发生接触的地区正是福建。al-是阿拉伯语的冠词,al-kimiya看作是“金液学”。事实上,这个词在阿拉伯语中确是指一种能使他物成金的液体,即由哲人石得到的制剂。如果这一说法成立的话,那么“化学”一词倒是由我国传出,后来又辗转传入我国,为出口“转”内销。但这一出一入之间化学经历了由炼金术到近代化学的巨大变化。“化学”一词,在19世纪70年代由我国传入日本,取代了他们原来的音译名词“舍密”(德语chemie的音译)。

上述两种语法都说明现代化学脱胎于古代炼金术,且最终都汇集到阿拉伯化学时期,都有一定道理。随着伊斯兰教的兴起,阿拉伯人逐渐强大起来,形成了强大的阿拉伯帝国。他们继承了古希腊和亚历山大时期的科学传统,并通过与中国的交流学习了中国的炼金术知识,而且特别发展了这些知识,出现了一批阿拉伯化学家(公元8世纪),开始了化学发展的新时期。

化学早期发展历史

原始人类从用火之时开始,由野蛮进入文明,同时也就开始了用化学方法认识和改造天然物质。火──燃烧──就是一种化学现象。掌握了火以后,人类开始熟食;逐步学会了制陶、冶铜、炼铁;以后,又懂得了酿造、染色等等。这些由天然物质加工改造而成的制品,成为古代文明的标志。在这些生产实践的基础上,萌发了古代化学知识。

古人曾根据物质的某些性质对物质进行分类,并企图追溯其本源及其变化规律。公元前4世纪或更早,中国提出了阴阳五行学说,认为万物是由金、木、水、火、土五种基本物质组合而成,而五行则是由阴阳二气相互作用而成的。此说为朴素的唯物主义自然观,用“阴阳“这个概念来解释自然界两种对立和互相消长的物质势力,认为二者的相互作用是一切自然现象变化的根源。此说为中国炼丹术的理论基础之一。公元前4世纪,希腊也提出与五行学说类似的火、风、土、水四元素说和古代原子论。这些朴素的元素思想,即为物质结构及变化理论的萌芽。后来在中国出现了炼丹术,到了公元前2世纪的秦汉时代,炼丹术已颇为盛行,大致在公元7世纪传到阿拉伯国家,与古希腊哲学相融合而形成阿拉伯炼金术,阿拉伯炼金术于中世纪传入欧洲,形成欧洲炼金术,后逐步演进为近代的化学。英文中化学一字(chemistry)的字根chem,即来源于中世纪的拉丁文炼金术(alchemia)。

炼丹术的指导思想是深信物质能转化,试图在炼丹炉中夺造化之功,人工合成金银或修炼长生不老之药,有目的地将各类物质搭配烧炼,进行实验。为此设计了研究物质变化用的各种器皿,如升华器、蒸馏器、研钵等,也创造了各种实验方法,如研磨、混合、溶解、结晶、灼烧、熔融、升华、密封等。与此同时,进一步分类研究了各种物质的性质,特别是相互反应的性能。这些都为近代化学的产生奠定了基础,许多器具和方法经过改造后仍然在今天的化学实验室中沿用。炼丹家在实验过程中发明了火药,发现了若干元素(如汞、锌、砷、锑、磷等),制成了某些合金(如黄铜、白铜),还制出和提纯了许多化合物,如明矾等。这些成果我们至今仍在利用。

16世纪开始,欧洲工业生产蓬勃兴起,推动了医药化学和冶金化学的创立和发展,使炼金术转向生活和实际,更进而注意对物质化学变化本身的研究。在元素的科学概念建立之后,通过对燃烧现象的精密实验研究,建立了科学的氧化理论和反应中质量守恒定律,随后又建立了定比定律、倍比定律和化合量定律,为化学进一步科学地发展奠定了基础。

19世纪初,建立了近代原子论,突出地强调了各种元素的原子的质量为其最基本的特征,其中量的概念的引入,是与古代原子论的一个主要区别。近代原子论使当时的化学知识和理论得到了合理的解释,成为说明化学现象的统一理论。分子假说提出后,建立了原子分子学说,为物质结构的研究奠定了基础。元素周期律发现后,不仅初步形成了无机化学的体系,并且与原子分子学说一起形成化学理论体系。通过对矿物的分析,已经发现了许多新元素,加上对原子分子学说的实验验证,经典的化学分析方法也有了自己的体系。草酸和尿素(即脲)的合成、原子价概念的产生、苯的六元环结构和碳价键四面体等学说的创立、酒石酸拆分成旋光异构体,以及分子的不对称性等等的发现,导致有机化学结构理论的建立,使人们对分子本质的认识愈益深入,并奠定了有机化学的基础。

19世纪下半叶,热力学等物理学理论引入化学之后,不仅澄清了化学平衡和反应速率的概念,而且可以定量地判断化学反应中物质转化的方向和条件。相继建立了溶液理论、电离学说、电化学和化学动力学的基础理论。物理化学的诞生,把化学从理论上提高到一个新水平。

化学近代发展趋势

化学是一门建立在实验基础上的科学。在化学研究中实验与理论两方面一直是相互依赖、彼此促进的。进入20世纪以后,由于受到自然科学其他学科和社会生产迅速发展的影响,并广泛地应用了当代科学的理论、技术和方法,化学学科不论在认识物质的组成、结构、反应、合成和测试等方面都有了长足的进展,而且在理论方面取得了许多重要成果。在无机化学、分析化学、有机化学和物理化学四大分支学科的基础上产生了新的化学分支学科。

近代物理的理论和技术、数学方法及计算机技术在化学中的应用,对现代化学的发展起了很大的推动作用。19世纪末,电子、X射线和放射性的发现为化学在20世纪的重大进展创造了条件。

在结构化学方面,由电子的发现开始而确立的现代的有核原子模型,不仅丰富和深化了对周期律的认识,而且发展了分子理论。应用量子力学研究分子结构,产生了量子化学。从氢分子结构的研究开始,逐步揭示化学键的本质,先后创立了价键理论、分子轨道理论和配位场理论。化学反应理论也随着深入到微观境界。应用 X射线作为研究物质结构的新分析手段,便可洞察物质的晶体化学结构。测定化学立体结构的衍射方法,有X射线衍射、电子衍射和中子衍射等方法。其中以 X射线衍射法的应用所积累的精密分子立体结构信息最多。研究物质结构的谱学方法也由可见光谱、紫外光谱、红外光谱扩展到核磁共振谱、电子自旋共振谱、光电子能谱、射线共振光谱、穆斯堡尔谱等,与电子计算机联用后,积累大量物质结构与性能相关的资料,正由经验向理论发展。电子显微镜放大倍数不断提高,人们已可直接观察分子的结构。

经典的元素学说由于放射性的发现而产生深刻的变革。从放射性衰变理论的创立、同位素的发现到人工核反应和核裂变的实现、氘的发现、中子和正电子及其他基本粒子的发现,不仅使人类的认识深入到亚原子层次,而且创立了相应的实验方法和理论;不仅实现了古代炼丹家转变元素的思想,而且改变了人的宇宙观。作为20世纪的时代标志,人类开始掌握和利用核能。放射化学和核化学等分支学科相继产生,并迅速发展;同位素地质学、同位素宇宙化学等交叉学科接踵诞生。元素周期表扩充了,已有109号元素,并且正在探索超重元素以验证元素“稳定岛”的假说。与现代宇宙学相依存的元素起源学说和与演化学说密切相关的核素年龄测定等工作,都在不断补充和更新元素的观念。

在化学反应理论方面,由于对分子结构和化学键的认识的提高,经典的、统计的反应理论已进一步深化,在过渡态理论建立后,逐渐向微观的反应理论发展,用分子轨道理论研究微观的反应机理,并逐步建立了分子轨道对称守恒原理和前线轨道理论。分子束、激光和等离子技术的应用,使得对不稳定化学物种的检测和研究成为现实,从而化学动力学已有可能从经典的、统计的宏观动力学深入到单个分子或原子水平的微观反应动力学。计算机技术的发展,使得分子电子结构和化学反应的量子化学计算、化学统计、化学模式识别,以及大规模数据的处理和综合等方面,都得到较大的进展,有的已经逐步进入化学教育之中。关于催化作用的研究,已提出了各种模型和理论,从无机催化进入有机催化和生物催化,已开始从分子微观结构和尺寸的角度和生物物理有机化学的角度,来研究酶类的作用和酶类的结构与其功能的关系。

分析方法和手段是化学研究的基本方法和手段。一方面,经典的成分和组成分析方法仍在不断改进,分析灵敏度从常量发展到微量、超微量、痕量;另一方面,发展出许多新的分析方法,可深入到进行结构分析,构象测定,同位素测定,各种活泼中间体如自由基(包括双基和多基)、离子基、卡宾、氮宾、卡拜等的直接测定,以及对短寿命亚稳态分子的检测等。分离手段也不断革新,离子交换、膜技术,特别是各种色谱法得到了迅速的发展。为了适应现代科学研究和工业生产的需要和满足灵敏、精确、高速的要求,各种分析仪器,如质谱仪、极谱仪、色谱仪的应用和微机化、自动化,及其与其他重要谱仪的联用,得到迅速发展和完善。现代航天技术的发展和对各行星成分的遥控分析,反映出分析技术的现代化水平。

合成各种物质,是化学研究的主要目的之一。在无机合成方面,首先合成的是氨。氨的合成不仅开创了无机合成工业,而且带动了催化化学,发展了化学热力学和反应动力学。后来相继合成的有红宝石、人造水晶、硼氢化合物、金刚石、半导体、超导材料和二茂铁等配位化合物。在电子技术、核工业、航天技术等现代工业技术的推动下,各种超纯物质、新型化合物和特殊需要的材料的生产技术都得到较大发展。稀有气体化合物的合成成功又向化学家提出了新的挑战,需要对零族元素的化学重新加以研究。无机化学在与有机化学、生物化学、物理学等学科相互渗透中产生了有机金属化学、生物无机化学、无机固体化学等新兴学科。

酚醛树脂的合成,开辟了高分子科学领域。30年代聚酰胺纤维的合成,使高分子的概念得到广泛的确认。后来,高分子的合成、结构和性能研究、应用三方面保持互相配合和促进,使高分子化学得以迅速发展。各种高分子材料(塑料、橡胶和纤维)的合成和应用,为现代工农业、交通运输、医疗卫生、军事技术,以及人们衣食住行各方面,提供了多种性能优异而成本较低的重要材料,成为现代物质文明的重要标志。高分子工业发展为化学工业的重要支柱。

20世纪是有机合成的黄金时代。化学的分离手段和结构分析方法已经历了高度发展,许多天然有机化合物的结构问题纷纷获得圆满解决,还发现了许多新的重要的有机反应和专一性有机试剂,在此基础上,精细有机合成,特别是在不对称合成方面取得了很大进展。一方面,合成了各种有特种结构和特种性能的有机化合物;另一方面,合成了从不稳定的自由基到有生物活性的蛋白质、核酸等生命基础物质,例如胰岛素、大肠杆菌脱氧核糖核酸、酵母丙氨酸转移核糖核酸等。有机化学家还合成了复杂结构的天然有机化合物,如吗啡、血红素、叶绿素、甾族激素、维生素B12和有特效的药物,如 606、磺胺、抗生素等。这些成就对促进科学的发展、增进人类的健康和延长人类的寿命,起了巨大作用;为合成有高度生物活性的物质,并与其他学科协同解决有生命物质的合成问题及解决前生命物质的化学问题等,提供了有利的条件。

20世纪以来,化学发展的趋势可以归纳为:由宏观向微观、由定性向定量、由稳定态向亚稳态发展,由经验逐渐上升到理论,再用于指导设计和开创新的研究。一方面,为生产和技术部门提供尽可能多的新物质、新材料;另一方面,在与其他自然科学相互渗透的进程中不断产生新学科,并向探索生命科学和宇宙起源的方向发展。

化学的学科

化学在发展过程中,依照所研究的分子类别和研究手段、目的、任务的不同,派生出不同层次的许多分支学科。在20世纪20年代以前,化学传统地分为无机化学、有机化学、物理化学和分析化学等 4个分支学科。20年代以后,由于世界经济的高速发展、化学键的电子理论和量子力学的诞生、电子技术和计算机等技术的兴起,化学研究在理论上和实验技术上都获得了新的手段,导致这门学科从30年代以来飞跃发展,出现了崭新面貌。从与其他学科相互渗透的边缘领域内又有一些新的边缘学科产生。美国《化学文摘》为了适应当前的需要,把化学内容分为生物化学、有机化学、高分子化学、应用化学和化学工程学、物理化学和无机化学等 5大类共80项,实际包括了7大分支学科。

根据当今化学学科的发展以及它与天文学、物理学、数学、生物学、医学、地学等学科相互渗透的情况,化学可作如下分类:

无机化学:元素化学;无机合成化学;无机固体化学;配位化学;生物无机化学;有机金属化学等。

有机化学:天然有机化学;一般有机化学,包括链烃、环烃、芳烃、杂环等化学;有机合成化学;金属有机化学和非金属有机化学;物理有机化学;生物有机化学;有机分析化学。

物理化学:化学热力学;结构化学,包括量子化学;化学动力学,包括反应机理、催化理论、分子反应动力学;分门物理化学,包括热化学、光化学、电化学、磁化学、等离子体化学、辐射化学、胶体化学、表面化学等。

分析化学:分离和预富集;化学分析,包括定性分析和定量分析;仪器及新技术分析,包括光化学分析、电化学分析、各种色谱、波谱、磁共振谱和能谱,以及射线衍射晶体分析、结构及微区测定等。

高分子化学:天然高分子化学;高分子合成化学;高分子物理化学;高聚物应用;高分子物理等。

核化学和放射化学:放射性元素化学,包括天然和人工放射性元素化学及核燃料化学;放射分析化学;辐射化学;同位素化学;核化学,包括高能核化学和低能核化学、重离子核化学、热原子化学和奇特原子化学等。

生物化学是化学和生物学的交叉学科,内容有:一般生物化学,包括代谢;酶类;微生物化学;植物化学;免疫化学;发酵和生物工程;食物化学;禽畜营养;肥料、土壤和植物营养等。

其他与化学有关的边缘学科还有:地球化学、海洋化学、大气化学、环境化学、宇宙化学、星际化学等等。

参考文章