近代化學的突破和化學發展的前沿科普第一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五我國有了青銅器；春秋晚期能煉鐵；戰國晚期能煉鋼；唐代；有了火藥。十八世紀七十年代，瑞典化學家舍勒和英國化學家普利斯里分別發現并制得了氧氣；法國化學家錫最早用天平和為研究化學的工具，并推翻了燃素學說；英國化學家卡文迪許。雷利等陸續從空氣中發現了惰性氣體。1748年俄國化學家羅蒙諾索夫建立了質量守恒定律。1808年英國科學家道爾頓提出了近代原子學說。

第二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五1811年意大利科學家阿佛加德羅提出了分子的概念。二十世紀奧地利和德國物理學家泡利。洪特分別提出了核外電子排布的“泡利不相容原理”、“洪特規則”。1869年俄國化學家門捷列夫發現了元素周期律。

十九世紀荷蘭物理學家范德華首先研究了分子間作用力。1888年法國化學家勒沙特列提出了化學平衡移動原理。第六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五十九世紀英國物理學家丁達爾和植物學家布朗分別提出了膠體的“丁達爾現象”、“布朗運動”。1828年；德國化學家維勒第一次證明有機物可用普通的無機物制得。1890年德國化學家凱庫蔓提出了苯分子的結構式。1911年英國的盧瑟福提出原子核模型（1908年因其在研究元素核衰變和原子結構上的成就榮獲諾貝爾化學獎）1962年加拿大的巴特來合成了第一個惰氣化合物（XePtF6）第十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五中國化學史上的“世界第一”

第十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五公元前100年中國發明造紙術。公元105年東漢蔡倫總結并推廣了紙技術，而歐洲人還在用羊皮抄書呢！公元700…800年唐朝孫思邈在《伏硫磺法》中歸早記載了黑火藥的三組分（硝酸鉀、硫磺和木炭）。火藥于13世紀傳入阿拉伯，14世紀才傳入歐洲。公元前200…后400年中國煉丹術興起。魏伯陽的《周易參同契》和葛洪的《抱撲子》記錄了汞、鉛、金、硫等元素和數十藥物的性狀與配制。公元750年中國煉丹太傳入阿拉伯。第十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五公元800年唐朝茅華是世界上第一們發現氧氣的人。他比英國的普利斯特里（1774年）和瑞典的舍勒（1773年）氧氣約早1000年。

我國是“纖維之王”…蠶絲的故鄉。公元前2000年中國己經養蠶。公元200年養蠶技術傳入日本。公元前600年中國已掌握冶鐵技術，比歐洲早1900多年。公元前200年，中國煉出了球墨鑄鐵，比英美領先2000年。

第十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五1000多年前中國就能煉鋅，早于歐洲400年。公元前2000年中國已會熔鑄紅銅。公元前1700年中國已開始冶鑄青銅。公元900多年我國的膽水浸銅法是世界上最早的濕法冶金技術（置換法）。1700多年前，中國已能煉鉛及銅鉛合金。公元前8000…6000年中國已制造陶器。公元200年中國比較成熟地掌握了制瓷技術。第二十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五3000多年前我國已利用天然染料染色。我國是世界上最早發現漆料和制作漆器的國家，約有7000年歷史。公元前4000…3000年中國已會釀造酒。公元前1000年我國已掌握制曲技術，比歐洲的“淀粉發酵法”制造酒精早2000多年。

3000多年前，我們祖先發現石油。古書載“澤中有火”即指地下流出石油溢到水面而燃燒。宋朝沈括所著《夢溪筆談》第一次記載石油的用途，并預言：“此物必大行于世”。第二十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五世界上最早開發和利用天然氣的是中國的四川省邛和陜西省鴻門兩地。我國祖先很早開始使用木炭和石炭（又叫黑炭，即煤），而歐洲人16世紀才開始利用煤。1939年，中國化工專家侯德榜提出“聯合制堿法”，1939年侯德榜完成了世界上第一部純堿工業專著《制堿》。

1965年，我國在世界上第一個用人工的方法合成活性蛋白質…結晶牛胰島素。(由于署名原因，諾貝爾化學獎與國人擦肩而過)

第二十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五七十年代，中國獨創無氰電鍍新工藝取代有毒的氰法電鍍，是世界電鍍史上的創舉。1977年我國在山東發現了迄今為止的世界上最大的金剛石…常林鉆石。全世界海鹽產量5000萬噸，其中我國生產1300多萬噸，居世界第一。早在3000多年前，我國就采用海水煮鹽了，是世界上制鹽最早的國家。世界上已知的140多種有用礦，我國都有。是世界上冶煉礦產最早的國家。第二十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第二十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五二十世紀化學的回顧第二十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五諾貝爾化學獎情況從1901年到1999年總計91屆，因戰爭等原因停發8次學科交叉性很強，有許多非化學家獲得化學獎，同時也有許多化學家獲得其它獎年齡最大者83歲，最小的35歲，平均55.5歲，研究成果或者重大發現通常在授獎之前10~20年做出的有機32項，物化26項，無機14項，生化11項，分析6項，高分子4項第二十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五化學基礎研究的五大突破放射性和鈾裂變1g鈾裂變能量=2.5t標準煤燃燒1903年居里夫婦獲Nobel物理獎（打開了原子物理學的大門）1911年居里夫人獲得Nobel化學獎（發現釙、鐳）1908年盧瑟福（英）獲Nobel化學獎（元素嬗變和放射性物質的化學研究）1935年約里奧-居里夫婦獲得Nobel化學獎（發現人工放射元素）1938年費米（意）獲得Nobel物理獎（創造新元素）1944年哈恩（德）獲得Nobel化學獎（發現重核裂變）

兩門學科相互推動才有了突飛猛進的發展，放射性的發現才有了原子物理學以致量子力學和整個微觀世界的研究，物理學關于原子結構和量子論的理論研究才使得化學開始真正成為一門現代意義上的科學，而不單純是實驗室的工作。物理學研究原子結構而化學研究原子的組合，是整個二十世紀科學史的主流。第二十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五化學基礎研究的五大突破化學鍵和現代量子化學理論1954年鮑林（美）獲的Nobel化學獎（化學鍵本質研究和利用化學鍵理論闡明物質結構方面的貢獻——這項工作對于沃森-克里克發現DNA雙螺旋結構至關重要，并開拓了分子生物學的研究；1962年又因支持進步事業積極維護世界和平反對戰爭獲得Nobel和平獎）1966年莫里肯R.S.Mulliken獲得Nobel化學獎（用量子力學創立了化學結構的分子軌道理論，闡明了分子的共價鍵本質和電子結構）1981年福井謙一（日）霍夫曼（美）共享Nobel化學獎（52年提出的前線軌道理論，分子軌道對稱守恒原理——2004年另一位日本科學家因為在高分辨質譜研究生物大分子結構方面的貢獻獲獎，其工作開創于六十年代，幾乎沒有發表文章）1988年科恩（美）波普爾（英）共享Nobel化學獎（量子化學領域）

由于這些化學理論的發展使人們能夠真正開始分子設計去創造新的功能分子（如藥物和新材料的設計、性質預測等）第二十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五化學基礎研究的五大突破創造新分子新結構——合成化學1912年格林尼亞（V.Grignard）獲的Nobel化學獎（發明格氏試劑從而開創了有機金屬在各種官能團反應的新領域）1928年A.Windaus合成甾體類生物分子獲獎1937年W.N.Haworth合成抗壞血栓Vc獲獎1947年R.Robinson合成生物堿類分子獲獎1950年狄爾斯-阿爾德獲得Nobel化學獎（1928年發現的Diels-Alder雙烯合成反應）1955年VoduVigneand合成多肽類分子獲獎1963年德國的齊格勒和意大利的納塔分享Nobel化學獎（Ziegler-Natta催化劑用于有機金屬催化烯烴定向聚合，實現了乙烯的常壓聚合和丙烯的定向有規聚合）1965年R.B.Woodward合成了奎寧、可的松、葉綠素、膽固醇等一系列生物分子而獲獎1973年英國G.Wilkinson和德國E.O.Fischer合成了用作高分子合成催化劑的茂金屬化合物對金屬有機化學和配位化學的貢獻獲獎1979年H.C.Brown（美）和G.Wittig（德）因分別發展了硼有機化合物和Wittig反應共享Nobel化學獎1984年R.BMerrifield發明固相多肽合成法對有機合成方法學的貢獻獲獎1990年E.J.Corey（哈佛大學）提出了“逆合成分析法”促進了有機合成化學的快速發展而獲獎第二十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五化學基礎研究的五大突破高分子科學和材料1953年德國H.Staudinger因在高分子化學領域的開創性工作獲獎（1920年提出高分子概念，創立聚合物分子結構學說，并隨后發展了很多內容，但未被承認和重視，隨著三大合成高分子材料的生產應用的發展，33年后才得到承認）1963年德國的齊格勒和意大利的納塔分享Nobel化學獎（Ziegler-Natta催化劑用于有機金屬催化烯烴定向聚合，實現了乙烯的常壓聚合和丙烯的定向有規聚合）1974年Flory在研究高分子性質方面的卓越成就，為發展高分子理論作出的巨大貢獻而獲獎第三十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五化學基礎研究的五大突破化學動力學與分子反應動態學1956年前蘇聯化學家謝苗諾夫N.Semenov和英國S.Hinchelwood在化學反應機理、反應速度和鏈式反應的貢獻獲獎1967年德國埃根Eigen用馳豫法研究快速反應，英國G.Porter和R.G.W.Norrish用閃光分解法研究快速反應動力學分享獎項1986年李遠哲、Herschach和J.G.Polany發展交叉分子束技術、紅外線化學發光法對微觀反應動力學的研究獲獎1999年Zewail用飛秒激光技術研究超快化學反應過程和過渡態而獲獎第三十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五在化學基礎研究推動下的

化學工業的發展石油化工；催化劑使石油裂化重整成為現實并大量生產各種產品（依據餾分的成分和沸點不同命名為石油氣、石油醚、汽油、溶劑油、航空煤油、煤油、柴油、重油-瀝青）三大合成材料；Carothers發明了世界上第一個合成纖維尼龍-66，J.A.Nieuwland和R.T.Collins發明了世界上第一個合成橡膠氯丁橡膠，美國杜邦公司首先使其工業化合成氨工業；1909年德國化學家F.Haber實現了合成氨并在1918年獲得NObel化學獎，德國BASF公司實現了工業化Bosh領導的科研小組改進了Haber的方法獲得1931年的Nobel化學獎醫藥工業；1932年德國科學家內科醫生G.Domagk發現磺胺類藥物有抗細菌感染的能力，并獲得1939年Nobel生理及醫藥獎，并由此引起化學合成藥物的熱潮第三十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五二十一世紀化學的展望第三十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五學科交叉與熱點研究領域生命科學1953年Nature雜志發表了Watson-Crick用X-ray結構分析確定的DNA雙螺旋分子模型，1962年榮獲Nobel生理及醫藥獎。1963年完成了完整的密碼子表（核酸堿基序列決定細胞功能的蛋白質）使生命科學有了真正的發展。需要化學家研究的領域：發現并研究新的生物活性分子DNA序列雖然測定已經解決，人類基因組（HumanGenomeProject，HGP）計劃也已經完成，但其功能和作用還幾乎屬于空白酶結構和催化功能的關系研究通過化學方法合成生物活性分子并模擬生命過程和生命體系的合成第三十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五學科交叉與熱點研究領域材料科學沒有化學就沒有材料科學，是化學與物理的完美結合沒有化學就沒有材料，尤其就沒有新的功能材料美國科學家AFHeeger，AGMacdiarmid和日本科學家HShirakawa因為發現聚乙炔（Polyacetylene）的導電性而獲得2000年諾貝爾化學獎，此后又合成了一系列導電高分子材料（結構見下圖）其他如液晶電視（被動顯像）、電致發光顯示屏（主動顯像）、光纖、鋰電池、鎳氫電池、壓電陶瓷等等第三十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第三十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五學科交叉與熱點研究領域環境化學1995年Nobel化學獎授予M.Molina（墨西哥）、S.Rowland（美）、P.Gutzen（荷蘭），因為他們提出了平流層臭氧破壞的化學機制。并且直接導致了南極臭氧洞的發現和《蒙特利爾議定書》的簽訂環境分析化學。沒有分析化學家就沒有現代的環境科學大氣環境化學水環境化學土壤環境化學元素化學循環化學污染控制環境計算化學第三十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五學科交叉與熱點研究領域綠色化學污染和廢棄物大都來自化學并且極為迅速的消耗不可再生資源GreenChemistry的核心就是要利用化學原理從源頭消除污染。綠色化學是指化學反應和過程以“原子經濟性”為基本原則，即在獲得新物質的化學反應中充分利用參與反應的每個原料原子實現“零排放”。改造或創新化學反應過程，能源和潔凈煤化學技術，資源再生和循環利用，綜合利用的綠色化學生化工程例如：PS聚苯乙烯泡沫生產中用二氧化碳代替氟氯烴、煤電廠采用等離子除硫技術防止二氧化硫排放產生酸雨，等等。第三十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五學科交叉與熱點研究領域能源化學氫能源——利用催化劑或微生物光分解水，已經在實驗室中實現但是尚不能工業化燃料電池——正負電極采用惰性多孔材料制成，貯存氧氣和可燃性氣體，通過化學反應直接將化學能轉變成電能，其效率可達到80%，實驗室樣品已經問世生物質能源太陽能電池第三十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五學科交叉與熱點研究領域計算化學量子化學數學化學（含化學計量學、拓撲結構等）藥物設計與對接分子設計與分子模擬第四十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五學科交叉與熱點研究領域納米化學制備技術功能開發第四十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五學科交叉與熱點研究領域手性藥物和手性技術實例反應停（孕婦鎮靜劑）R構型無鎮靜作用卻有強烈的致畸性；乙胺丁醇（抗結核藥物）SS構型有效RR構型導致失明；氯霉素RR構型抗菌性SS構型幾乎無活性；心得安（普萘洛爾，心臟病藥物）S構型活性R構型抑制性欲；萘必洛爾（+）構型治療高血壓（-）構型導致血管舒張；酮基布洛芬S構型抗炎R構型防治牙周病1992年FDA規定必須說明對映體的情況。目前藥物80%是手性的，60%是單一對映體的。由于藥物市場的推動，使得手性合成和手性拆分得到巨大發展第四十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五世界藥物市場年銷售額4000億美元，國內大部分藥物都是仿制藥，自行設計和開發的新藥只有100余種。在各行業中屬于朝陽產業。國外開發一個新藥平均需要投入2億美元，10年時間。化學為人類進步提供了物質基礎，對于許多學科分支的發展起了帶頭作用，但是其地位和作用一直受到忽視。沒有物理學的完美，沒有生物學的神秘，原來是零散的、實驗的、經驗的和運氣的，后來的理論化也是借助于物理學的，現在又被先進儀器和計算機化。因此合成和分析兩大化學手段被認為不是科學而是技術。而在技術領域又實際上被認為是科學，因為化學的研究成果轉化為實際產品得到應用，還需要大量的開發性工作。所以化學處在了一個很尷尬的地位。實際上，沒有化學背景的人從事其他相關領域的研究，感覺非常吃力，高度很難沖上去。第四十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五21世紀的化學科學在材料、信息、生命和能源四大領域仍能發揮基礎作用。特別是功能材料和分子器件必須有雄厚的化學基礎。但是化學學科始終與其他學科相隔一層無形之物（類似于玻璃）看得見、過不去、連不起。主要表現在一些基本上還算空白的領域：超分子、生物大分子、分子聚集體、微米亞微米結構、自組裝、自聚集、與微環境系統的相互作用、極快和極慢反應過程、生物活性和生物礦化過程等這些領域雖然已經被化學家和其他相關領域的專家所認識，并且有一些世界頂級的研究小組在從事相關研究，甚至有些人已經因此獲得了Nobel獎，但實在是太膚淺，還沒有形成體系。第四十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第四十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五發展趨勢和主要問題舉例新世紀化學科學發展戰略化學界目前存在的困惑化學為人類進步提供了物質基礎，對于許多學科分支的發展起了帶頭作用，但是其地位和作用一直受到忽視。沒有物理學的完美，沒有生物學的神秘，原來是零散的、實驗的、經驗的和運氣的，后來的理論化也是借助于物理學的，現在又被先進儀器和計算機化。因此合成和分析兩大化學手段被認為不是科學而是技術。而在技術領域又實際上被認為是科學，因為化學的研究成果轉化為實際產品得到應用，還需要大量的開發性工作。所以化學處在了一個很尷尬的地位。第四十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五發展趨勢和主要問題舉例新世紀化學科學發展戰略化學學科發展與化學分支學科重組的思考傳統劃分方法：無機、分析、有機、物化、高分子整體化多層次的特性、交叉重組的趨勢新的二級學科：合成化學：合成方法學、手性合成、模版合成等分離化學：萃取化學、離子交換、色層分離等分析化學：電分析、光和波譜分析、化學計量學、在線原位分析等物理化學：化學熱力學、結構、催化、表面/界面化學、超臨界等理論化學：計算化學、量子化學、化學統計學、非線性化學等化學的最新定義：化學是主要研究從原子、分子片、分子、超分子到原子和分子的各種不同尺度和不同復雜程度的聚集態和組裝態的合成和反應、分離和分析、結構和形態、物理性能和生物活性及其規律和應用的自然科學。第四十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五發展趨勢和主要問題舉例新世紀化學科學發展戰略原始創新是化學學科發展的靈魂基礎研究是人類文明進步的動力，是科技與經濟發展的源泉和后盾，是新技術新發明的先導，也是培養人才的搖籃。基礎研究的核心在于創新，而創新就要允許失敗原始創新是科研的靈魂，而創新又不可能脫離原有研究基礎，同時也有不同的模式和水平。真正的創新是很難的，1/3000，模仿+改造我國一位古代詩人說過“詩有四種高妙。一曰理高妙，二曰意高妙，三曰想高妙，四曰自然高妙。礙而實通，曰理高妙；出自意外，曰意高妙；寫出幽微，如清澈見底，曰想高妙；非齊非怪，剝落文采，知其妙而不知其所以妙，曰自然高妙”第四十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五發展趨勢和主要問題舉例新世紀化學科學發展戰略21世紀化學學科發展的方向尋求結構多樣性的研究與功能研究結合加強復雜化學體系的研究重視化學信息學和高效計算機信息處理在化學中的應用新實驗方法的建立和方法學研究跟蹤、分析、模擬化學反應過程第四十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五發展趨勢和主要問題舉例21世紀的化學是研究泛分子的科學

——北京大學徐光憲院士發表在《中國科學基金》2002年第2期上的文章（略有改動）一門科學的定義至少有三個屬性整體性和局部性發展性定義的多維性21世紀化學的定義和內涵化學的一維定義可分為十個層次：原子、分子片、結構單元、分子、超分子、高分子、生物分子、納米分子和納米聚集體、原子和分子的宏觀聚集體、復雜分子體系及其組裝體層次第五十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五發展趨勢和主要問題舉例21世紀化學的定義和內涵化學的一維定義可分為十個層次：原子、分子片、結構單元、分子、超分子、高分子、生物分子、納米分子和納米聚集體、原子和分子的宏觀聚集體、復雜分子體系及其組裝體層次化學的二維定義化學是研究X對象的Y內容的科學化學的三維定義化學是用Z方法研究X對象的Y內容的科學化學的四維定義化學是用Z方法研究X對象的Y內容以達到W目的的科學第五十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五發展趨勢和主要問題舉例21世紀化學研究的六大趨勢更加重視國家目標，更加重視不同學科之間的交叉融合理論和實驗更加緊密結合在研究方法和手段上，更加重視尺度效應合成化學的新方法層出不窮分析化學已發展成為分析科學第五十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五發展趨勢和主要問題舉例21世紀化學的四大難題化學的第一根本定律——化學反應理論和定律化學的第二根本定律——結構和性能的定量關系納米尺度的基本規律活化分子運動的基本規律第五十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五發展趨勢和主要問題舉例20世紀化學的四大盲點無機化學中共價鍵概念被忽視化學文獻和數據的積累非常迅速，但利用這一文獻寶庫來總結規律的工作相對滯后分子周期律第五十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五發展趨勢和主要問題舉例21世紀化學的11個突破口新的合成方法學納米化學、耐米材料和分子器件，納米表面化學、高效納米催化劑設計合成及應用稀土化學能源科學中的化學問題生命和醫藥科學中的化學問題生態環境科學中的化學問題信息科學中的化學問題分析化學的十化“微型與芯片化、仿生化、在線化、實時化、原位化、在體化、智能與信息化、高靈敏化、高選擇性化、單原子化和單分子化”化工化學復雜體系中的多層次、多尺度效應及其規律和方法學研究理論化學和計算化學的基礎及應用研究化學信息學第五十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五發展趨勢和主要問題舉例分析科學20世紀80年代，曼徹斯特大學和利物浦大學首先提出了“分析科學”的概念。由于計算機科學和其他學科的引入使得分析化學取得了質的飛躍，并且在生命、環境、材料科學中的重要性日益加強。新的原理和方法、儀器制造和改進、應用領域及其重要性的擴大使得分析化學脫離化學二級學科的地位成為一門獨立的“分析科學”。準確度和靈敏度的提高、更好的精密度和選擇性、更低的基體干擾和檢測限……這些目標的追求已達到極限。必須建立新的檢測原理、改進相關的儀器和技術。目前雖然已經報道實現了單原子/單分子檢測，但是距離實用化還非常遙遠。主要研究方向：微全分析系統生物芯片（真正做到原位In-situ、活體In-vivo、實時Real-time檢測，要比目前