范文一:化学的发展史
化学的发展史
姓名:宋叶娟 学号:2010080638
单位:四川师范大学本科
摘要 化学的历史渊源,不管是过去、现在还是未来,人类社会的发展都离不开化学,化学与人类生活息息相关。物理学的革命,给化学带来了新时期的曙光,使化学的研究深入到探索原子、分子、晶体内部结构的新阶段。在现代社会,化学与其他学科的关系越来越紧密,化学理论和分析方法也日益完善,随着一些新概念的出现,化学出现了多个分支,形成了不同的分析领域。
关键词 化学家 化学史 发展 时期
正文
化学的历史悠久,从远古时代它就已经存在了,比如古代的砖木取火,燃烧秸秆,染坊的燃料无一不是运用了化学,到现在也是,生活中处处是化学,我们身边的每一件东西都是,比如我们的书本,衣服等等,装修的油漆,一些其他的涂料,我们吃的东西里都有很多元素, 有一些物质致癌。有一些有益健康,那化学的发展史又是如何发展的呢?、让我们来学习一下。
化学的发展大概可分为五个时期
1】化学萌芽时期
2】炼丹、冶金和医药化学时期
3】确立化学时期
4】现代化学:有机化学 无机化学 物理化学 分析化学
5】今日化学; 计算机与化学 生物与化学 新材料与化学 能源与化学 环境与化学
那下边我们来一一解释各个时期的发展,首先来看第一个时期:
(一)化学的萌芽时期
化学的历史渊源非常古老,可以说从人类学会使用火,就开始了最早的化学实践活动。火是人类的第一个化学发现。火也是最常见、最普通的一种化学现象,是一种发光发热的氧化反应。
从远古时代直至今天,人类的每一步前进都离不开化学。人类都是在实践经验的直接启发下经过长期摸索而来的最早的化学工艺,但还没有形成化学知识,只是化学的萌芽时期。
(二)炼丹、冶金和医药化学时期
17世纪以前的化学史称为古代化学时期。这一时期经历了实用化学、炼丹和炼金、医药化学和冶金化学等时期。早起化学知识来源于人类的生产和生活实践。同时在人类对自然界万物的本原探索过程中,诞生了古代朴素的元素观。古代化学具有实用和经验的特点,但尚未形成一定规模的理论体系,是化学的萌芽时期。
在约公元前2 世纪开始产生了炼丹术或炼金术,进而推动化学从萌芽期发展到了炼金术。古代皇帝为求得长生不老的仙丹或象征富贵的黄金,炼丹家和炼金术士们开始了最早的化学实验。当时出现的“化学”一词,其含义便是“炼金术”。炼金术的出现就逐步推动古代化学从实用性的化学工艺活动,转入到带有一定探索性的准实验性质的物质转变活动,使萌芽期实用性的化学得到发展,并为近代化学科学的诞生创造了有利条件。
到了16世纪以后,一些炼金术士开始制造医药,用以治疗人们的疾病。这推动了化学发展进入到了新的医药化学时期,它标志着古代的化学从炼金术向科学化学过渡的开始。同时,德国和英国都在大力发展矿冶业,以适应资本主义生产发展的需要,这就推动了一些化学家从事于冶金的实践。炼丹术和冶金术是化学的原始形式。炼丹和冶金对化学的发展做出了一定的贡献。
同时也促进化学、医药化学的发展,迎来了近代化学的诞生。
(三)确立化学时期
远在公元前5世纪,希腊哲学家提出了朴素的原子学说。1661年,罗伯特·波义耳在《怀疑派化学家》文中提出了元素概念,其定义是具有相同核电荷数的同一类原子的总称。
1703年,德国化学家施塔尔提出了“燃素学说”。施塔尔认为,火是一各由无数细小而活泼的微粒构成的物质实体。由这种微粒构成的火的元素称为“燃素”。1777年,拉瓦锡于提出了科学的燃烧学说-氧化学说,彻底推翻了“燃素学说”。开创了定量化学时期,使化学沿着正确的轨道发展。1803年,英国化学家道尔顿提出了近代原子学说,标志着近代化学发展的开始。
接着在1811年意大利科学家阿伏加德罗提出分子概念,确立了分子理论。
俄国化学家门捷列夫发现元素周期律,德国化学家李比希和维勒发展了有机结构理论,这些都使化学成为一门系统的科学,也为现代化学的发展奠定了基础。这一时期,不仅从科学实践上,还从思想上为近代化学的发展做了准备,这一时期成为近代化学的孕育时期。
(四)现代化学
这一时期是化学史上又一次革命和飞跃的时代。物理学的革命,给化学带来了新时期的曙光,使化学的研究深入到探索原子、分子、晶体内部结构的新阶段。现代化学主要包括以下几个方面:
1.无机化学
无机化学是化学学科的起始。人类早期的冶铁、冶金、炼丹等都是与无机化学相关的活动。19世纪中叶形成的元素周期律为现代无机化学奠定了基础。20世纪以来,由于化学工业及其他相关产业的兴起,无机化学又有了更广阔的舞台。在近50年中,人们对于新理论,新材料,高产出和低污染等的追求,促进了无机化学的发展。新兴的无机化学领域有无机材料化学、生物无机化学、理论无机化学等。这些新兴领域的出现,使传统的无机化学再次焕发出勃勃生机。
2.有机化学
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,已经认识了一些有机化合物的性质。后来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。
在有机化学运用方面,随着电子计算机的引入,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。核磁共振谱仪、x 射线结构分析、电子衍射光谱分析等已能用于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。
3.物理化学
物理化学是在1877年形成的学科。到20世纪初时,物理化学以化学热力学的蓬勃发展为其特征。吉布斯对多相平衡体系的研究、范托夫对化学平衡的研究、阿伦尼乌斯提出电离学说、能斯特的热定理等都对化学热力学的重要贡献。
现代电子学、高真空和计算机等技术的突飞猛进,不但使物理化学的传统实验方法和测量技术的准确度、精密度和时间分辨率有很大提高,而且还出现了许多新的谱学技术。物理化学的研究对象开始进入各种激发态的研究领域。
4.分析化学
分析化学在古代冶炼、酿造等工艺的发展过程中得到了高度的发展,那个时期是与鉴定、分析、制作过程的控制等手段密切联系在一起的。炼丹术、炼金术等都可视为分析化学的前驱。18世纪的瑞典化学家贝格曼可称为无机定性、定量分析的奠基人。
近来分析化学中的新技术有激光在分析化学中的应用、流动注射法等。分析化学有极高的实用价值,对人类的物质文明做出了重要贡献,广泛应用于化学工业、能源、医药、临床化验、环境保护等领域。
由于化学键的电子理论和量子力学的诞生、电子技术和计算机技术的兴起,化学研究在理论上和实验技术上都获得了新的手段,使这门学科飞跃发展。现在一般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、无机化学等五大类。
(五)今日化学
近年来,化学与其他学科的关系越来越紧密,化学理论和分析方法也日益完善,随着一些新概念的出现,化学出现了多个分支,形成了不同的分析领域,运用比较广泛的有:
1.计算机与化学
借助于计算机技术的发展,大大提高了用量子力学处理问题的能力,量子力学的应用研究也蓬勃发展起来了。化学技术的改革,正在继续向着高灵敏度、高分辨率、快速、自动的
方向发展。
2.生物与化学
化学研究扩展到生命研究的领域后,在蛋白质和核酸两大类生命基础物质的研究中,取得了重大突破。化学是一门基础学科,它与社会多方面的需要有关,要为全人类的衣、食、住、行,要为日益减少和稀缺的材料提供替代用品。开发能源、保护环境等都要靠化学作为强有力的助手。
3.新材料与化学
在21世纪,材料和能源、信息是构成社会文明和国民经济的三大支柱,材料化学是从化学的角度研究材料设计、制备、组成、结构等的一门学科。它既是材料科学的一个重要分支,又是化学学科的一个组成部分。随着国民经济的迅速发展以及材料科学和化学科学领域的不断进展,作为新兴学科的材料化学发展日新月异。
4.能源与化学
能源是人类赖以生存与发展的基础。能源工业在很大程度上依赖于化学过程,能源消费的90%以上依靠化学技术。未来可再生能源的开发离不开以化学为核心的技术的发展。
5.环境与化学
目前,人类环境问题、能源资源问题摆在化学的面前,要求化学全力以赴加以解决:运用现代仪器技术和现代化学理论协调控制化学反应速率的因子,开辟合成反应的新途径,寻找新材料,降低反应过程中能量的损耗,提高反应效率。
(六)结论
化学是研究物质的组成、结构、性质、以及变化规律的科学。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。
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,得到了迅速的发展,也推动了其他学科和技术的发展。
参考文献
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[3] 吴守玉 高兴华主编. 《化学史图册》. 高等教育出版社,1993
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[6] 柴勇. 中学生数理化报,2006,7:166-167.
[7] 江玉安. 化学教育,2009,7:74-76
范文二:化学的奇妙发展史
化学的奇妙发展史
——应化102 王欢
学号 2010014647
在遥远的古代,人们还不懂什么是化学的时候就已经在使用并发展它了。那究竟什么才是话学呢?从人类学会使用火,就开始了最早的化学实践活动。祖先利用钻木取火,将食物烘烤至熟,利用火的热寒夜取暖,利用火的光驱赶猛兽。当然,这还只是一种经验的积累。化学知识的形成与发展漫长而又曲折。在这过程中,有着大量的先驱者、科学家为化学事业做出了巨大的贡献。
在最早的化学萌芽时期,也就是从远古到公元前1500年,人类创造了各种陶瓷,在那时的工艺还很简单,仅仅是在熊熊烈火上由黏土制造出陶瓷。人类还学会从矿石中烧出金属,学会从谷物中酿造出酒,学会给丝麻染色等最原始的简单工艺。而这些都是在实践经验的直接启示下经过长期的探索得来的最早的化学工艺,但还没有形成化学知识,知识化学的萌芽时期。
早期,出现了一批妄想用炼金术得到黄金的人,并贪图能通过炼丹得到长生不老药。虽然,他们在炼制的过程中失败了,但在探索“点石成金”的方法过程中,实现了用人工方法是物质间进行相互的转变,积累了许多物质发生化学变化的条件和现象。随着他们的失败,人们看到了荒唐的一面,并将化学方法正确应用于医学和冶金方面。此后,西方盛行炼金术,从廉价的矿物种提炼出稀有的金属,而这些金属业在很大程度上改变了整个社会的工业设置,并大大提高了劳动力的作业水平。在古代文明中,铅、锡和铁的应用要晚于铜、青铜和黄金的使用。铁和铜的冶炼在很大程度上改变了世界。人们利用铜和铁制作了很多生活用品。自此,人们的生活变得更加丰富多彩起来。此后的几百年,中国也陆续的利用这些天然的矿石提炼出了许多金属,并将其应用于现实生活中。
古时候没有电话,更没有电脑。于是,他们发明了纸和印刷术。这对于当时通讯很不方便的古人来说是多么伟大的发明。作为造纸原料的植物纤维素,是一种天然的高分子,为了制得较纯的纤维素,必须使用化学及机械方法,除去其他杂质,使纤维素大分子帚化,再制成浆液,因此,纸的发明是用化学方法制得较纯的纤维素高分子的一项重要成就。新的发现一旦出现,就会加入到文明技术的进程中,促进古代社会科学的发展,并为其积累大量的经验。在造纸技术之后的
又一伟大发明就是印刷术的产生。他们的结合,让当时的学问得到了大范围的扩展和交融,并使得很多古时候的文化都被记录下来,并一代一代传承下来。这可以说是化学发展的又一新的阶段。
在化学的发展史上值得一提的是燃素化学时期。在这个阶段,随着冶金工业和实验室经验的积累,人们总结感性知识,进行化学变化的理论研究是化学成为自然科学的一个分支。随后,化学又借燃素从炼金术中解放出来。尽管,当时的人们对燃素的认识有所偏差——他们认为可燃物可以燃烧是因为其物质内含有燃素,燃烧过程是可燃物中燃素放出的过程。在这一时期,他们做了大量的实验来解释说明各种现象,并从中发现多种气体的存在,积累了更多关于物质转化的新知识,其中包括重要的物质守恒。他们认为化学反应式一种物质转移到另一种物质的过程。这些观点学说为近代化学奠定了科学实践的基础和思想上的准备。而中国发明的火药更是一项伟大的创造。火药的使用为整个世界带来了烟花,同时也带来了战争,是世界的布局发生了巨大的变化,形成了今日的格局。并未各个国家的军事防卫做出了贡献。这一时期可谓是近代化学的孕育时期。
紧接着的是定量化学时期。在这个阶段,出现了许多伟大的科学家,他们提出了很多有关于化学的学说及假设。如:拉瓦锡利用定量化学实验提出了化学的氧化学说,开创了定量化学时期,并纠正了燃素学说中的错误观点,使化学沿着正确的轨道行驶。而后,在19世纪初,英国化学家道尔顿提出了近代原子学说。紧着意大利科学家阿伏伽德罗提出了分子概念。在他们的基础上,利用原子—分子论来研究化学,化学才真正的独立的成为一门科学。在这段期间,还建立了不少化学基本定律,如:俄国化学家门捷列夫发现了元素周期律,德国化学家李比希和维勒发展了有机结构理论,这些都是的化学成为一门系统的科学,并为现代化学的发展奠定了理论和实践的基础。
从20世纪初开始,是现代化学时期,这是一个科学相互渗透的时期。在20世纪初,物理学快速发展,涌现了大批各种物理测试手段,促进了溶液理论、物质结构、催化剂等领域的研究发展。尤其是两字理论的发展,是化学和物理学有了更多的交流与渗透,科学家们相互借鉴彼此的实验方法,解决了化学上许多为解决的问题。物理化学、结构化学等理论也得到了逐步完善。于此同时,化学还
向生物学和地质学等学科展开了渗透,是过去难以解决的蛋白质,酶等结构问题得到了深入的研究,生物化学等科学也得到了快速的发展。
直至今日,化学已经发展成为一门非常系统明确的科学。 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。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四个分支。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,出现了崭新的面貌。现在把化学内容一般分为生物化学、有机化学、高分子化学、应用化学和化学工程学、物理化学、无机化学等五大类共80项,实际包括了七大分支学科。
化学在时间的年轮里逐步成形,其发展过程中有曲折,有错误,但整体仍是沿着正确的发展轨道行驶,进而形成如今完整的化学体系。实践永无止境,科技创新永无止境,而21世纪的化学也将在这个繁盛的时代创下辉煌的成绩,愿我们的化学发展的越来越好!!
参考:
《化学的发展史》
《化学的昨天、今天和明天》
范文三:配位化学的发展史
2011年第2期 化 学 教 育 75
化学史与化学史教育
配位化学的发展史
*
汪丰云 顾家山 王晓锋 杨林霞
(安徽师范大学化学与材料科学学院 芜湖 241000)
摘要 自从1893年瑞士化学家维尔纳创立配位化学已来, 配位化学理论得到不断发展, 逐渐完善。经过化学家们100多年的努力, 由传统经典的配合物, 发展到今天的配位超分子化合物, 并显示出结构和功能上的优越特性, 成为现代无机化学的一个发展方向。
关键词 配位化学 晶体工程 配位超分子化学自从1893年瑞士化学家维尔纳(Werner) 在德国 Journal of I norgan ic Che m istry 上发表了题为 对于无机化合物结构的贡献 的配位化学方面的第一
[1]
篇经典著作之后, 原本作为无机化学分支的配位化学发展极为迅速, 并始终处于无机化学研究的主流。配位化学的发展打破了传统的有机化学和无机化学之间的界限, 在众多配合物中金属离子和有机配体形成的配合物以其花样繁多的价键形式和空间结构, 在化学键理论发展、配合物性能等多样性方面引起了人们广泛的研究兴趣。1 经典配位化学的产生和发展
[2]
配合物的记载在很早就有, 国外文献最早记录的配合物 普鲁士蓝(Pr ussi a n B lue ) 是在1704
III II
年, 其化学结构是Fe 4[Fe (CN ) 6]3, 距今已有300年历史了。我国 诗经 记载 缟衣茹藘 , 茹藘在阪 , 实际上是二羟基蒽醌和铝钙离子生成红色配合物(比普鲁士蓝发现早2000多年) 。最早关于配合物的研究是1798年法国塔索尔特(Tassert) 关于黄色氯化钴([Co (NH 3) 6]C l 3) 的研究, 他在CoC l 2溶液中加入NH 3 H 2O 后没有得到Co (OH) 3, 而是得到了桔黄色结晶, 起初认为是一种复合物(CoC l 3 6NH 3), 但他在该桔黄色结晶的溶液中加
3+
碱后得不到NH 3, 也检查不出Co 离子的存在, 可
3+
见Co 与NH 3是紧密结合在一起的, 而加Ag NO 3
-后却得到了AgC l 沉淀, 证明C l 是游离的。塔索尔特的报道使一些化学家开始研究这类化合物, 因为当时的原子价理论不能解释这类化合物, 故称之为复杂化合物, 即络合物。在此后的100多年里, 人们用测定摩尔电导的方法研究这类物质的性质, 从而推导出每个化合物分子中所含的离子数。这一时期, 许多实验事实的积累为配位化学奠定了实验基础, 但理论上一直无法解释。直到1893年, 瑞士苏黎世大学年轻的化学家维尔纳(Werner), 提出了现在常称之为维尔纳配位理论的学说。维尔纳的配位理论奠定了配位化学的理论基础, 真正意义的配位化学从此得以建立。他因而获得了1913年的诺贝尔化学奖, 也成了配位化学的奠基人。但是, 维尔纳的理论对于主价和副价的本质仍然无法解释。
1923年, 英国化学家西奇维克(S i d g w ick) 提出
有效原子序数法则(EAN ), 揭示了中心原子电子数与配位数之间的关系, 如果配合物的有效原子序数等于中心原子同一周期的稀有气体原子的序数, 则该配合物是稳定的。该法则只能解释部分配合物的实验事实, 也有许多例外, 因此不是一个普遍的法则。
1940年, 美国化学家鲍林(Pauling) 提出了著名的价键理论(VB T ), 配合物成键本质才基本清楚。价键理论概念明确、模型具体, 与化学键概念相一致, 易为人们所接受, 能反映配合物的大致面貌, 能说明配合物的某些性质。但是价键理论也存在缺
2+
陷, 比如只能定性解释配合物某些性质, 对Cu 配合物的解释有些勉强, 只讨论配合物的基态性质, 对激发态无法解释。
1929年贝特(Bethe) 和1932年范弗里克(V an V leck) 的提出了晶体场理论(CFT ) 。这个理论是在静电理论的基础上考虑了中心原子的轨道在配体静电场中的分裂, 后来这个理论得到了很大的发展。但是, 晶体场理论认为配位键完全具有离子键性质而无共价键成分, 因此模型过于简单, 不能解释电子云伸展效应。
1935年, 范弗里克把分子轨道理论(MOT)用于配合物化学键的研究中, 补充了晶体场理论的不足, 因此将分子轨道理论和晶体场理论相互配合起来处理配合物, 称为配位场理论(LFT) 。配位场理论认为金属所有的原子轨道以及配位体的轨道在成键中处于相同的地位。由于配位场理论既保留了晶体场理论的具体模型而使计算简捷, 又吸收了分子轨道理论, 因而在配合物的结构和性质方面得到了广泛
[3]
的应用。
事实上, 配位化学的蓬勃发展是在量子理论、价键理论、分子轨道理论等的确立以后。1951年W ilkinsen 和Fisher 合成出二茂铁夹心化合物, 突破了传统配位化学的概念, 并带动了金属有机化学的迅猛发展, 从而获得1973年的诺贝尔奖。1953年齐格勒和纳塔(Zieg ler-Natta) 催化剂的发现极大地推动了烯烃聚合, 特别是立体选择性聚合反应及其相关聚合物合成、性质方面的研究, 高效率、高选择性过渡金属配合物催化剂研究得到进一步发展; 从而获得了1963年的诺贝尔化学奖。到了20世纪
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76 化 学 教 育 2011年第2期
60年代德国化学家艾根(M E igen) 和英国化学家波特(G Porter) 提出了溶液中金属配合物的生成机理而获得了1967年的诺贝尔化学奖。目前已有20多位科学家因从事与配位化学有关的研究而获得诺贝尔奖。随后, 配位聚合物、分子簇合物等超分子化合物的出现, 配位化学出现了蓬勃发展的局面。2 配位超分子化学
传统理论认为配合物是由配体和中心离子组成, 配体是能够给出孤对电子或一定数目不定域电子构成的离子(或分子), 中心离子是具有接受孤对电子或不定域电子的空位的原子(或离子), 它们由配位键按一定组成和空间构型而形成的。后来新发现的配合物与传统的理论, 有不吻合之处。例如环
+
聚醚腔体中包入-NH 3; 多铵大环中嵌入无机酸根、羧酸根; 环糊精中装人中性C 5H 5M n (CO ) 3
[4]
等, 从中已找不到能给出孤对电子或不定域电子的配体, 也没有能接收孤对电子或不定域电子的中心原子, 根本谈不上配位键, 显然配位化学的范围大大发展了。
C ra m 从大环配位化学角度把现代配合物定义为主客体配合物, 也就是与中心原子相应的部分叫做客体, 与配体相应的叫做主体。Lehn 强调分子之间的相互作用 超分子作用, 叫做配位超分子化学, 又被称作广义配位化学, 与中心原子相应的部分被叫做底物, 与配体相应的则称作受体。不论是配合物分子内的配体间弱相互作用, 还是分子间的配体间弱相互作用都是由配位化合物形成超分子体系的重要基础。事实上, 超分子体系所具有的独特有序结构正是以其组份分子间的非共价键弱相互作用为基础的。Lehn 等人在超分子化学领域中的杰出工作, 使得配位化学的研究范围大为扩展, 为今后的配位化学开拓了一个富有活力的广阔前景。因此, 徐光宪院士指出, 21世纪的配位化学是研究广义配体与广义中心原子结合的 配位分子片 , 及由分子片组成的单核、多核配合物、簇合物、功能复合配合物及其组装器件、超分子、Lock and Key 复合物, 一维、二维、三维配位空腔及其组装器件等的合成和反应, 制备、剪裁和组装, 分离和分析, 结构和构象, 粒度和形貌, 物理和化学性能, 各种功能性质, 生理和生物活性及其输运和调控的作用机制, 以及上述各方面的规律, 相互关系和应用的化学。简言之, 配位
[5]
化学是研究具有广义配位作用的泛分子的化学。
配位超分子化学(Supra m o lecu lar Coo r d i n ation), 通过配合物构筑超分子化合物己经逐渐成为超分子化学、晶体工程(C r ystal Eng i n eering) 研究领域的新热点。配位超分子化学的研究包括两个方面, 一方面金属与配体相互作用构筑丰富多样的具有零维、一维、二维、三维结构的超分子合成子, 另一方面以各种超分子作用力构筑具有丰富拓扑结构和复杂镶嵌程度的新颖结构的配位超分子化合物。因此, 超分子化学的产生和发展不但扩充了配位化学的内涵, 也为未来的配位化学的发展注入了新的活力和配位聚合物(Coordi n ation Po ly m ers), 这一术语由R Robson 于20世纪80年代发表在 美国化学会志 上的文章中首次明确提出。它是配位超分子化学研究的一个重要内容, 由过渡金属和有机配体自组装而形成, 由于配位聚合物溶解度小, 又很难获得好的晶体, 因而限制了它们的发展。但人们通过在体系中引入易溶的基团, 较好地克服了合成方面的困难, 促进了这类化合物的迅速发展。由配位键、氢键、阳离子- 相互作用、 - 相互作用或静电作用等设计所得到的配位聚合物, 因自身结构、有机配体易功能化和功能性金属离子的引入, 在非线性光学、电致发光、分子磁体、催化、分子识别等方面拥有巨大的应用潜力。所以, 配位聚合物作为新型的功能性分子材料已经受到各个领域的研究人员的重视。比如, 具有与分子筛相类似的孔道拓扑结构的大孔道或孔穴的配位聚合物, 可作为配合物微孔材料; 作为非线性光学材料的配位聚合物的研究; 分子磁体的配位聚合物的设计合成; 具有手性拆分和催化功能的配位聚合物的合成; 作为复合分子材料的配位聚合物, 配位聚合物具有多种良好的性能, 如:光、电、磁、手性等, 再加上本身就具有的孔特征以及特有的良好的可裁性和易功能化的特性, 使设计合成两种或多种性能相结合的配位聚合物复合材料成为可能。
目前, 聚合物的研究主要集中在合成具有新颖结构的配位聚合物, 并通过对其结构特点的分析, 探讨其结构及其功能的关系, 进而开发它们潜在的功能, 并最终使其功能化。影响配位聚合物结构的因素有很多, 其中最主要的影响是配体和金属离子(或叫受体和底物), 总体结构可由配体分子的几何形状和金属离子的配位性质加以预测, 其它影响因素会对配合物的结构起着细微的影响。从这一点出发, 选择合适的配体作为合成材料就显得尤为重要, 不同的有机分子结构、化学和物理性能直接影响到目标产物的结构和性质。多功能复合材料的设计和开发领域具有巨大的发展潜力以及诱人的发展前景, 因而带动了相关领域研究的迅速发展。
1989年, 澳大利亚的Robson 教授在
[6]
J A C S 上发表了有关配位聚合物的第一篇论文。接着1994年日本的Fu jita 发现Cd 同4, 4 -连吡啶反应形成的聚合物[Cd (bpy ) 2]
[7]
(NO 3) 2, 具有很好的催化活性。1995年, 美国的M oore 教授在 N ature 上报道了Ag 与2, 4, 6-三
[8]
(对氰基苯基乙炔基) 苯形成的三维网状聚合物, 它具有生物活性, 能够促进细胞增大。2007年An -[9]
thony E Vaughn 在Ange w (德国 应用化学 ) 上发表了A c is-D i o x i d o U rany :l F l u x i o na l Carboxy late Acti v ation fr o m a Reversi b le C oordina ti o n Po l y m er 。这些研究使得配位超分子化学得到了长足的发展。3 晶体工程
研究配位超分子化学的一个重要研究内容就是晶体工程, 晶体工程是在20世纪60年代Schm i d t 最
[10]
2011年第2期 化 学 教 育 77
代对于这个概念的研究出现了间断。到了80年代随着实验技术的提高, 科学家们在分子间相互作用方面进行了更广泛和深入的研究。正是基于对这些相互作用的研究, 到了90年代把晶体看作超分子物质也是顺理成章的事情了。而晶体的研究更具吸引力, 成为研究超分子化学的一个主流课题。至今, 晶体工程己成为超分子合成的一种重要形式, 其严格的合成方法和技巧成为固态超分子合成的需要, 更加引起人们广泛的关注和研究。
超分子化学家利用各种方法发现了许多配位超分子化合物。但在溶液中, 超分子体系的结构仍难以精确地测定和表征。分子晶体可以看成是无数个分子, 通过严格的周期性自组装而形成的具有宏观尺度的超分子整体。其结构可以通过单晶X 射线衍射精确测定, 并可以通过大量的晶体结构数据分析得到分子间的相互作用的规律, 为配位超分子化合物的建筑打下坚实的基础。因此, 固体结构可以作为溶液体系的一个模型, 配位固体超分子则是晶体工程学的一个重要组成部分。为了分析晶体中分子间相互作用的细节, 可以理想地使用超分子合成子和构筑基元来简化分子间识别的特征。分子晶体可以理解为利用分子即构筑基元作为节点, 分子间相互作用即超分子合成子作为节点间的连接方式共同构筑的网络结构。
晶体工程就是根据分子堆积和分子间的相互作用, 将超分子化学的原理、方法以及控制分子间作用的策略用于晶体, 以设计和制备出奇特新颖, 种类繁多, 具有特定的物理性质和化学性质的新晶体。这些相互作用包括原子间的共价键、配体和金属中心的配位作用、离子间的库仑作用力, 以及电中性分子之间的非共价相互作用等。非共价作用(弱相互作用) 包括传统的O -H O 和N -H O 氢键, 堆积以及疏水相互作用等比较强的分子间作用, 还扩展到了许多弱的甚至鲜为人知的相互作用, 例如O -H , C -H 以及涉及到含杂原子如卤素、氧族和金属原子间的弱相互作用。在自然界中, 精美复杂结构是由成千上万的构筑单元形成的, 这些单元间大多数是通过氢键连接而形成的。氢键作用, 在基本的生物遗传信息的表达与传递过程中以及在超分子领域中通过分子自组装构筑复杂的超分子结构起到至关重要的作用。但是, 近年来, 通过配位键控制分子排列方式成为氢键定位模式的重要替代方式, 这是由于配位键本身具有方向性, 可以对配
体分子的排列进行控制, 更重要的是要调整这些分子的取向只需变换作为取向中心的金属离子, 这样控制分子排列方式就变得更加容易。由于配位键和氢键具有一定的方向性和适中的强度, 它们共同对分子排列进行控制, 成为在晶体工程中对分子排列进行控制的两种重要的手段, 可以通过形成配位多面体或配位聚合物来实现这一目的。
从宏观角度上看, 随着晶体工程理论研究的不断深化及其在分子识别、分子材料和分子器件的研究与开发中日益广泛的应用, 晶体工程已成为设计组装各种光、电、磁、离子交换、催化等新型功能材料的主要合成策略。晶体工程涉及分子或化学基团在晶体内的行为、晶体的设计和结构与功能的控制。晶体结构的预测是在探索固体状态下, 分子的排列状态与材料的预期功能之间的关系过程中形成的一个独立分支, 是实现从分子到材料的一条重要途径。所以说, 作为连接超分子化学和材料化学的桥梁, 晶体工程是一个边缘学科, 涉及到有机化学、无机化学、有机金属化学、热化学、结晶学和晶体生长等诸多传统的领域, 已成为化学学科中的一个热门的领域。
总而言之, 配位化学已成为当代化学的前沿领域之一, 它的内涵不断丰富, 外延不断扩展。配合物既有无机化合物分子的坚硬性, 又有有机化合物分子的结构多样性, 而且还可能会出现无机化合物和有机化合物中均没有的新特性。其新奇的特殊性能在生产实际中获得了重大的应用, 花样繁多的价键理论及奇特的空间结构引起了结构化学家和理论化学家的关注, 它和物理化学、有机化学、生物化学、固体化学和环境化学相互渗透使其成为贯通众多学科的交叉点。
参 考 文 献
[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]
游效曾等. 配位化学进展. 北京:高等教育出版社, 2000罗勤慧, 沈孟长. 配位化学 南京:江苏科技出版社, 1987游效曾. 配位化合物的结构和性质 北京:科学出版社, 1992刘祁涛. 辽宁大学学报(自然科学版), 2000, 27(1):1-8徐光宪. 北京大学学报, 2002, 38(10):149-152H osk i ns B F, Robson R J Am Ch e m Soc , 1989, 111:5962Fu jitaM, Kwon Y J J Am C he m Soc , 1994, 116:1151Gardner G B , V enktara m an D, M oore J S , L ee S Nat u re, 1995, 374:792
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(ed ), W ei nh ei m :V erl ag C he m ie , 1976
触摸化学 感受魅力
2011国际化学年全国趣味化学实验设计大赛(第一轮通知)
为纪念化学学科所取得的成就以及对人类文明的贡献, 联合国将2011年定为 国际化学年 , 同时,
2011年也适值居里夫人获得诺贝尔化学奖100周年、国际纯粹与应用化学联合会成立100周年。国际化学年由联合国教科文组织(UNESCO)和国际纯粹与应用化学联合会(I U P AC ) 主导, 于2011年在全球范围内开展各类以 化学 我们的生活, 我们的未来 为主题的相关活动, 并通过这些活动, 彰显化学对科技进步、环境保护、经济发展乃至人类日常生活的重要贡献和影响, 促进公众对化学的正确认识和理解, 树立化学
范文四:配位化学的发展史
配位化学的发展史
配位化学的发展史
2011年08月23日
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铁血风云
普及科学理论,传播科学思想,倡导科学方法,融会科学精神 摘 要:自从1893年瑞士化学家维尔纳创立配位化学已来,配位化学理论得到了不断发展,逐渐完善。由传统经典的配合物,经过化学家们100多年的努力,发展到今天的配位超分子化合物,并显示出结构和功能上的优越特性,成为现代无机化学的一个发展方向。
关键词:配位化学,晶体工程,超分子配合物
自从1893年瑞士化学家Werner在德国《Journal of Inorganic
Chemistry》上发表了题为“对于无机化合物结构的贡献”的配位化学方面的第一篇经典著作之后[1],原本作为无机化学分支的配位化学发展极为迅速,并始终处于无机化学研究的主流。配位化学的发展打破了传统的有机化学和无机化学之间的界限,在众多配合物中金属离子和有机配体形成的配合物以其花样繁多的价键形式和空间结构,在化学键理论发展、配合物性能等多样性方面引起了人们广泛的研究兴趣。
1.配位化学的产生
配合物的记载在很早就有,国外文献[2]最早记录的配合物—普鲁士蓝(Prussian Blue)是在1704年;我国《诗经》记载“缟衣茹藘”,“茹藘在
阪”。茹藘-茜草,也就是茜草的根和白矾或粘土制成红色染料。二羟基蒽醌和铝钙离子生成红色配合物(比普鲁士蓝发现早2000多年);国外文献上最早记载的配位化合物是普鲁士蓝, 其化学结构是 FeIII4[FeII(CN)6]3,发现于1704年,距今已有300年历史了。最早关于配合物的研究是 1798 年法国塔索尔特(Tassert)关于黄色氯化钴([Co(NH3)6]Cl3)的研究,他在CoCl2溶液中加入NH3?H2O 后没有得到Co(OH)3,而是得到了桔黄色结晶,起初认为是一种复合物(CoCl3?6NH3),但他在该桔黄色结晶的溶液中加碱后得不到NH3,也检查不出 Co3+离子的存在,可见Co3+与NH3是紧密结合在一起的,而加AgNO3后却得到了AgCl沉淀,证明Cl-是游离的。塔索尔特的报道引起了一些化学家开始研究这类化合物,因为当时的原子价理论不能解释这类化合物,故称之为复杂化合物,即络合物。在此后的 100多年里,人们用测定摩尔电导的方法研究这类物
从而推导出每个化合物分子中所含的离子数。结果发现,有的是非离质的性质,
子型的, 如PtCl4?2NH3(现为PtCl4 (NH3)2);有的是1?1型的,如PtCl4?3NH3 (现为[PtCl3 (NH3)3]Cl);有的是1?2或2?1型的,如CrCl3?5NH3 (现为CrCl(NH3)5Cl2)和PtCl4?2KCl (现为K2 [PtCl6 ]);有的是1?3型的,如CoCl3?6NH3(现为Co(NH3)6Cl3);有的是1?4型的,如PtCl4?6NH3(现为Pt(NH3)6Cl4 )等等。这一时期,许多实验事实的积累为配位化学奠定了实验基础, 但理论上一直无法解释。直到1893年, 瑞士苏黎世大学年轻的化学家维尔纳(Werner),时年26岁, 提出了现在常称之为维尔纳配位理论的学说。维尔纳的配位理论奠定了配位化学的理论基础, 真正意义的配位化学从此得以建立。他从而获得了1913年的诺贝尔化学奖,也成了配位化学的奠基人。但是, 维尔纳的理论对于主价和副价的本质仍然无法解释。
2.经典配位理论的形成和发展
1923年,英国化学家西奇维克(Sidgwick)提出有效原子序数法则(EAN),揭示了中心原子电子数与配位数之间的关系,有效原子序数是指中心原子的电子数加上配体中配位原子给予的电子数之和,如果配合物的有效原子序数等于中心原子同一周期的稀有气体原子的序数,则该配合物是稳定的。该法则只能解释部分配合物的实验事实,也有许多例外,因此不是一个普遍的法则。由于1910年—1940年间红外光谱、紫外光谱、X 射线、电子衍射与磁学测量等许多现代研究方法应用于配合物的研究,人们才进一步了解配合物的结构。1940年,美国加里福尼亚理工学院的鲍林(Pauling)教授在他的著作《The Nature of the
Chemical Bond》中提出了著名的价键理论(VBT),配合物成键本质才基本清楚。价键理论概念明确、模型具体,其假定与化学工作者所熟悉的化学键概念相一致,易为人们所接受,能反映配合物的大致面貌,说明配合物的某些性质。但是价键理论也存在以下缺陷:一是只能定性解释配合物某些性质;二是对Cu2+配合物的解释有些勉强;三是只讨论配合物的基态性质,对激发态无法解释。1929年贝特(Bethe)和1932年范弗里克(Van Vleck)的工作奠定了晶体场理论(CFT)的基础。这个理论是在静电理论的基础上考虑了中心原子的轨道在配体静电场中的分裂,后来这个理论得到了很大的发展。20世纪50年代,化学家哈特曼(H. Hartman)等人将晶体场理论用于解释配合物光谱, 欧格耳(Orgel)用于解释配合物的稳定性,都取得了很好的效果。但是,晶体场理论认为配位键完全具有离子键性质而无共价键成分, 因此模型过于简单,不能解释电子云伸展效应。
1935年,范弗里克把分子轨道理论(MOT)用于配合物化学键的研究中,补充了晶体场理论的不足, 因此将分子轨道理论和晶体场理论相互配合起来处理配合物,称为配位场理论(LFT)。配位场理论认为金属所有的 s、p、d 或f原子轨道以及配位体的轨道在成键中处于相同的地位。在考虑中心离子的价电子在有效核电荷场的中心离子势场和配位体静电场中的运动时,特别要考虑下列3种微扰作用,即金属离子中价电子间的静电作用、配位场对金属离子电子的作用和电子的自旋轨道相互作用,即使如此,要严格地求解这3项微扰所建立的量子化学薛定谔方程式也是不可能的,通常根据上述3项微扰作用的大小而分成3类方案处理。配位场作用较强时为强场方案,静电作用强时为弱场方案;第一过渡金属常采用弱场或强场方案;第二、三过渡金属常采用强场方案;而对f电子被屏蔽的稀土或锕系配合物,则宜采用自旋2轨道耦合方案。在实际应用中,只要计算时精确而完整, 则不同方案会得到相同结果。由于配位场理论既保留了晶体场理论的具体模型而使计算简捷,又吸收了分子轨道理论的统一整体,因而在配合物的结构和性质方面得到了广泛的应用。
目前三大化学键流派中,价键理论着重两个相邻原子间的相互作用,从而特别适用于定域体系;在分子轨道理论中则强调分子是一个统一的整体而未重视个别原子的成键特性,从而特别适用于离域体系;配位场理论则重于中心离子而配体只起微扰作用,因而特别适用于离子晶体和配合物[3]。
而配位化学的蓬勃发展是在量子理论、价键理论、分子轨道理论等的确立以后。1951年Wilkinsen和Fisher合成出二茂铁及夹心化合物,突破了传统配位化学的概念,并带动了金属有机化学的迅猛发展,从而获得1973年的诺贝尔奖。1953年齐格勒和纳塔(Ziegler-Natta)催化剂的发现极大地推动了烯烃聚合,特别是立体选择性聚合反应及其相关聚合物合成、性质方面的研究,高效率、高选择性过渡金属配合物催化剂研究得到进一步发展。从而获得了1963年的诺贝尔化学奖。到了20世纪60年代德国化学家艾根(M.Eigen)和英国化学家波特(G.Porter)提出了溶液中金属配合物的生成机理而获得了1967年的诺贝尔化学奖。目前已有20多位科学家因从事与配位化学有关的研究而获得诺贝尔奖。随后,配位聚合物、分子簇合物等超分子化合物的出现,配位化学出现了蓬勃发展的局面。
3.配位超分子化学的形成与发展
Lehn等在超分子化学领域中的杰出工作,使得配位化学的研究范围大为扩展,为今后的配位化学开拓了一个富有活力的广阔前景。因此,徐光宪院士指出:21世纪的配位化学是研究广义配体与广义中心原子结合的“配位分子片”,或者说是研究具有广义配位作用的超分子的化学[4]。
配位超分子化学(Supramolecular Coordination),通过配合物构筑超分子化合物己经逐渐成为超分子化学、晶体工程(Crystal Engineering)研究领域的新热点。配位超分子化学的研究包括两个方面,一方面金属与配体相互作用构筑丰富多样的具有零维、一维、二维、三维结构的超分子合成子,另一方面以各种超分子作用力构筑具有丰富拓扑构型(结构)和复杂镶嵌程度的新颖结构的配位超分子化合物。
研究配位超分子化学的一个重要研究内容就是晶体工程,晶体工程是在20世纪60年代Schmidt最早在局部化学研究中正式提出的概念[5]。到70年代对于这个概念的研究出现了间断。到了80年代随着实验技术的提高,科学家们在分子间相互作用方面进行了更广泛和深入的研究。正是基于对这些相互作用的研究,到了90年代把晶体看作超分子物质也是顺理成章的事情了。而晶体的研究更具吸引力,并成为超分子化学的一个主流课题。至今,晶体工程己
成为超分子合成的一种重要形式,其严格的合成方法和技巧成为固态超分子合成的需要,更加引起人们广泛的关注和研究。
晶体工程就是根据分子堆积和分子间的相互作用,将超分子化学的原理、方法以及控制分子间作用的策略用于晶体,以设计和制备出奇特新颖,种类繁多,具有特定的物理性质和化学性质的新晶体。这些相互作用包括原子间的共价键,配体和金属中心的配位作用,离子间的库仑吸引力和排斥力,以及电中性分子之间的非共价相互作用等。
从宏观角度上看,随着晶体工程理论研究的不断深化及其在分子识别、分子材料和分子器件的研究与开发中日益广泛的应用,晶体工程已成为设计组装各种光、电、磁、离子交换、催化等新型功能材料的主要合成策略。晶体工程涉及分子或化学基团在晶体内的行为、晶体的设计和结构与功能的控制,晶体结构的预测是在探索固体状态下,分子的排列状态与材料的预期功能之间关系过程中形成的一个独立分支,是实现从分子到材料的一条重要途径。所以说作为连接超分子化学和材料化学的桥梁,晶体工程是一个边缘学科,涉及到有机化学、无机化学、有机金属化学、热化学、结晶学和晶体生长等诸多传统的领域,已成为化学科一学中的一个相当热门的领域。
配位聚合物(Coordination Polymers),它也是晶体工程的一个分支,由过渡金属和有机配体自组装而形成,由于配位聚合物溶解度小,又很难获得好的晶体,因而限制了它们的发展。最近人们通过在体系中引入易溶的基团, 较好地克服了合成方面的困难,促进了这类化合物的迅速发展。配位聚合物具有性质独特、结构多样化、含有大量的重金属离子、不寻常的光电效应、可使用的众多的过渡金属离子等特点, 所以它们在非线性光学材料、磁性材料、超导材料及催化等诸多方面都有极好的应用前景。
1989年,澳大利亚的Robson教授在《J.A.C.S.》[6]上发表了有关配位聚合物的第一篇论文。接着1994年日本的 Fujita发现 Cd同4 ,4’-连吡啶反应形成的聚合物[Cd(bpy)2]?(NO3)2[7],具有很好的催化活性。1995年,美国的Moore教授在《Nature》上报道了Ag与2 , 4 ,6-三(对氰基苯基乙炔基)苯形成的三维网状聚合物[8],它具有生物活性,能够促进细胞增大。2007年Anthony E. Vaughn在Angew[9]上发表了A cis-Dioxido Uranyl: Fluxional
Carboxylate Activation from a Reversible Coordination Polymer。等等这
些,使得配位超分子化学得到了长足的发展。
配位化学已成为当代化学的前沿领域之一,配合物既有无机化合物分
子的坚硬性,又有有机化合物分子的结构多样性,而且还可能会出现无机化合
物和有机化合物中均没有的新特性。其新奇的特殊性能在生产实际中获得了重
大的应用,花样繁多的价键理论及空间结构引起了结构化学和理论化学家的深切
关注,它和物理化学、有机化学、生物化学、固体化学和环境化学相互渗透使其
成为贯通众多学科的交叉点。
参考文献
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[2] 罗勤慧 沈孟长,配位化学[M].南京:江苏科技出版社,1987.
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[5] G. M. J. Schmidt, et al., Solid State Photochemistry, D. Ginsburg (ed.), Weinheim: Verlag Chemie, 1976.
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[8] Gardner G. B., Venkaraman D., Moore J. S., Lee S. Nature , 1995,374,792.
[9] Anthony E. Vaughn., Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 6622 –6625.
_《化学教育》2011、1
范文五:近代化学发展史的启示
反思近代化学发展史获得的启示
化学作为一门实践性和理论性都很强的科学,内在的科学性决定了它在起步、构建和发展阶段都会有诸多的理论问题和实验问题需要解决,在这些问题的解决过程中,往往同时并存很多假说和设想。由于实验方法和实验器材的局限,认识能力的不足,很容易造成化学家在一定时期集体陷入谬误之中。从对神学的崇拜到对无机物和有机物的认识以及后来的物质结构解析,化学每向前迈进一步都会付出巨 大的代价。
化学家都是在坚持自己正确学说的道路上绝不退让,哪怕是对于当时的权威和泰斗也是如此。这种在真理和谬误以及学术歧视上不断抗争的精神以及学术自由的品质,构成了化学家思维中敢于批评、反思以及正确对待权威的个性和自由的现代价值观。
许多化学家极力将化学推向生活,应用于实践,同时他们也在实践中实现了化学的突破。化学再也不是炼金士追求财富和长生的异术,真正成为了一门带来社会进步和人类文明的科学。
化学史既如实地记录了化学学科发展过程中的重要事件,又真实地展现了化学家揭示化学现象背后隐藏的规律时所付出的努力、艰辛甚至是巨大的代价,同时也记录了化学家们作出科学研究成果时所采用的科学方法所秉承的科学精神和严谨态度。
通过学习化学的发展历史,我得到了如下的启示:
一、从教学的角度
化学教师如能关注化学史内容并恰当地运用在教学中,则能很好地培养师范生的科学素养,从而取得较好的教学效果。科学家们在研究化学规律的过程中常常会发生一些有趣的故事,为此教师可以通过各种渠道收集关于科学家的趣闻轶事,并在课堂上结合教材适当地加以运用,可以激发学生的学习兴趣,由此加强对相关知识的理解和记忆。通过化学发展史,可以使学生了解到一定的科学研究方法。科学家们锲而不舍追求真理的精神,可以让学生切实感受到“真理贵在坚持”的道理。在化学发展史过程中,由于受主客观因素的影响,正确与错误、成功与失败总是交织在一起,因此,在教学过程中,应充分利用化学史资料来培养学生的科学价值观。可以让学生认识到化学技术是一把“双刃剑”,同时激励学生尊重科学、坚持真理并敢于修正错误,在学习和今后的工作中崇尚真、善、美的科学精神,并运用所学知识造福人类。
二、从化学学科的角度
化学史是人类在长期的社会实践过程中,对大自然的化学知识的系统的历史的描述。因此,化学史不是纯自然学科,而是自然科学与历史科学与历史科学相互交叉的又一门特殊的历史科学。化学史是化学的一个分支学科,与化学的其他分支学科有区别,有联系。化学的其他各分支学科,以讲授知识的理论和现状为目的,随着学科的不断发展更新其内容。化学史则不是这样的,它是从化学发展的历史角度,从纵的方向上,阐述从化学的萌芽开始,经过漫长的岁月,怎样发展
为现代化学的历史过程,即化学怎样生产、发展和繁荣起来的全过程的系统阐述。在这个漫长的历史过程中,化学的发展也是在曲折道路上前进的。它的发展受到多方面因素的制约,如社会因素、生产因素、文化因素、其他科学发展的状况以及哲学宗教思想等。
三、学习化学史的积极意义
1、掌握化学产生和发展全过程的系统历史知识,有利于培养化学人才的良好素质。
2、通过对化学史的学习,可以使学生正确理解和处理化学中实验与理论二者的辩证关系,它们是具体的历史的统一,二者相辅相成,不可偏废。
3、通过学习化学史,可以将全部化学连贯起来通盘考察其发展过程中成功与失败的原因,分析和比较各种方法的优劣寻求研究问题的方法和规律。
四、科学精神
1、科学探究的路总是曲折的,需要坚持不懈地付出。
2、科学探究的过程中要有敢于批评、反思以及正确对待权威的个性和自由的现代价值观。