化学发展史

从16世纪开始，欧洲工业生产蓬勃发展，促进了药物化学和冶金化学的建立和发展，把炼金术变成了生活和实际应用，进而更加重视物质化学变化本身的研究。元素的科学概念确立后，通过对燃烧现象的精确实验研究，建立了科学的氧化理论和质量守恒定律，进而建立了恒比定律、倍比定律和化合量定律，为化学的进一步科学发展奠定了基础。1775左右，拉瓦锡用定量化学实验阐述了燃烧的氧化理论，开创了定量化学时期，使化学沿着正确的轨道发展。19世纪初，英国化学家道尔顿提出了现代原子论，强调各种元素的原子质量是其最基本的特征，量的概念的引入是与古代原子论的一大区别。现代原子论使当时的化学知识和理论得到合理解释，成为解释化学现象的统一理论。接着，意大利科学家阿沃·伽德罗提出了分子的概念。自从原子和分子理论被用来研究化学，化学才真正被确立为一门科学。在这一时期，许多化学基本定律得以建立。俄罗斯化学家门捷列夫发现了元素周期律，德国化学家尤斯图斯·冯·李比希和维勒发展了有机结构理论，使化学成为一门系统科学，为现代化学的发展奠定了基础。通过对矿物的分析，发现了许多新元素，加上原子分子理论的实验验证，经典的化学分析方法自成体系。草酸和尿素的合成，化合价概念的产生，苯的六环结构和碳价键四面体的建立，酒石酸拆分成旋光异构体，分子不对称的发现，导致了有机化学结构理论的建立，加深了人们对分子本质的认识，奠定了有机化学的基础。19世纪下半叶，化学中引入热力学等物理理论后，不仅明确了化学平衡和反应速率的概念，而且可以定量判断化学反应中物质转化的方向和条件。溶液理论、电离理论、电化学和化学动力学的理论基础相继建立。物理化学的诞生从理论上把化学提高到了一个新的水平。20世纪的化学是一门以实验为基础的科学。实验和理论一直是化学研究中相互依赖、相互促进的方面。进入20世纪后，受自然科学其他学科发展的影响，广泛应用当代科学的理论、技术和方法，化学在认识物质的组成、结构、合成和测试等方面取得了很大进展，在理论上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的基础上，出现了一门新的化学分支。现代物理理论和技术、数学方法和计算机技术在化学中的应用极大地促进了现代化学的发展。19年底，电子、X射线、放射性的发现，为20世纪化学的大进步创造了条件。在结构化学中，电子的发现所建立的现代有核原子模型不仅丰富和深化了对元素周期表的认识，而且发展了分子理论。量子力学在分子结构研究中的应用导致了量子化学的产生。从研究氢的分子结构开始，化学键的本质逐渐被揭示，先后建立了价键理论、分子轨道理论和势场理论。化学反应理论也深入到微观领域。使用X射线作为一种新的分析方法来研究物质的结构，可以提供对物质的晶体化学结构的洞察力。确定化学三维结构的方法有X射线衍射法、电子衍射法和中子衍射法。其中，X射线衍射方法的应用积累了最多的精确分子立体结构信息。研究物质结构的光谱方法也从可见光谱、紫外光谱、红外光谱扩展到核磁共振谱、电子可选振动谱、光电子谱、X射线振动谱、穆斯堡尔谱等。与计算机结合后，积累了大量与物质结构和性能相关的材料，正在从经验向理论发展。随着电子显微镜放大倍数的不断提高，人们可以直接观察到分子的结构。由于放射性的发现，元素的经典理论发生了深刻的变化。从放射性衰变理论的建立、同位素的发现到人工核反应和核裂变的实现、氘、中子、正电子等基本粒子的发现，不仅人类的认识深入到亚原子层面，而且相应的实验方法和理论也建立起来；它不仅实现了古代炼金术士改变元素的想法，也改变了人们的世界观。作为20世纪的标志，人类开始掌握和利用核能。放射化学和核化学相继出现并迅速发展。同位素地质学、同位素宇宙化学等交叉学科相继诞生。元素周期表已经扩展到109元素，正在探索超重元素，以验证元素的“稳定岛假说”。依赖于现代宇宙学的元素起源理论和与进化论密切相关的核素测年都在不断补充和更新元素的概念。在化学反应理论方面，由于对分子结构和化学键认识的提高，经典和统计反应理论得到了进一步深化。过渡态理论建立后，逐渐发展为微观反应理论，用分子轨道理论研究微观反应机理，逐渐建立了分子轨道对称性守恒定律和前线轨道理论。随着分子束、激光和等离子体技术的应用，对不稳定化学物种的探测和研究已经成为现实，因此化学动力学已经有可能从经典的和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。随着计算机技术的发展，量子化学计算、化学统计、化学模式识别、分子的大规模技术处理与合成、电子结构和化学反应等方面取得了很大的进步，其中一些已逐渐进入化学教育。关于催化的研究，提出了各种模型和理论，从无机催化到有机催化和蒙克催化，从分子微观结构和大小的角度研究了酶的作用及其结构与功能的关系。分析方法和手段是化学研究的基本方法和手段。一方面，经典的成分和成分分析方法仍在不断改进，分析灵敏度从常量发展到微量、超微量和痕量；另一方面，在发展初期，许多新的分析方法可以深入到结构分析、构象测定、同位素测定、直接测定自由基、离子基团、卡宾、阿扎滨、西维因等各种活性中间体、检测短命亚稳态分子。分离技术也在不断创新，如离子交换、膜技术、色谱等。合成各种物质是化学研究的目的之一。在无机合成中，氨是先合成的。氨的合成不仅开创了无机合成工业，而且促进了催化化学，发展了化学热力学和反应动力学。后来陆续合成了红宝石、人工晶体、硼氢化物、金刚石、半导体、超导材料、二茂铁等配位化合物。在电子技术、核工业、航空航天技术等现代工业技术的推动下，各种超纯物质、新化合物和特殊需要材料的生产技术得到了很大发展。稀有气体化合物的成功合成对化学家提出了新的挑战，有必要重新研究零族元素的化学性质。无机化学与有机化学、生物化学、物理化学等学科相互渗透，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。随着20世纪30年代聚酰胺纤维的合成，聚合物的概念得到了广泛的认可。后来，聚合物的合成、结构和性能研究及应用不断地相互配合、相互促进，使高分子化学迅速发展。各种高分子材料的合成和应用为现代工农业、交通运输、医疗卫生、军事技术以及人们的日常生活用品提供了各种性能优异、成本低廉的重要材料，成为现代物质文明的重要标志。聚合物工业已经发展成为化学工业的重要支柱。20世纪是有机合成的黄金时代。化学分离方法和结构分析方法取得了很大进展，许多天然有机化合物的结构问题得到了圆满解决，许多新的重要有机反应和特定有机试剂被发现。在此基础上，精细有机合成，尤其是不对称合成取得了很大进展。一方面，合成了各种具有特殊结构和性质的有机化合物。另一方面，合成了生命的基本物质，从不稳定的自由基到生物活性蛋白质和核酸。有机化学家还合成了结构复杂的天然有机化合物和具有特殊功效的药物。这些成果对科学的发展起到了巨大的推动作用；为合成具有高生物活性的物质以及与其他学科合作解决生物物质的合成问题和前生物物质的化学问题提供了有利条件。20世纪以来，化学的发展趋势可以概括为:从宏观到微观，从定性到定量，从稳定到亚稳定，从经验到理论，进而用于指导设计和创新研究。一方面，为生产和技术部门提供尽可能多的新物质和新材料；另一方面，在与其他自然科学相互渗透的过程中，新的学科不断涌现，朝着探索生命科学和宇宙起源的方向发展。