化学自习室移动版

化学是研究物质变化的科学

化学研究物质的组成、结构、性质、变化以及伴随这些变化发生的能量变化。它探索原子和分子是如何通过化学反应相互作用和转化的。化学连接了物理科学与生命科学，涵盖从基本粒子到复杂化合物的所有范畴。通过化学，人们可以创造新的物质，改善材料性能，提高生活质量，也能更好地理解自然界的许多现象。因此通才讲堂的第十四课是化学课。

物质的本质是什么？

物质的本质问题探讨的是物质由什么构成，以及这些构成成分如何排列和相互作用。理解物质的本质是化学和物理学的基础。这一问题的解答不仅揭示了所有物质的组成和结构，还推动了化学元素周期表的建立，有助于我们理解宇宙的基本构造和自然界的运行规律。

拉瓦锡：元素理论

物质是由基本元素组成的！

安托万·拉瓦锡，18世纪的法国化学家，被称为"近代化学之父"。拉瓦锡出生于巴黎一个富裕的家庭，接受了良好的教育，先后在大学学习法律和科学。后来成为法兰西科学院院士。在法国大革命期间，身为一名包税官的他被指控犯有税务欺诈罪，最终被送上了断头台。

拉瓦锡生在启蒙运动和法国大革命期间的法国，这是一个政治、经济和社会动荡的时期，同时也是科学探索和哲学思考兴盛的时代。化学在此时仍然处于炼金术和早期化学理论的过渡阶段。炼金术士们尝试将贱金属转化为黄金，并追求长生不老药，但大多数理论和实验都缺乏科学基础。17世纪末和18世纪初，科学家们开始注重实验和观察，逐步建立起基于实验的科学方法。

拉瓦锡提出的元素理论是现代化学的奠基石。他通过精确的实验和观察，明确了物质是由基本元素组成的。拉瓦锡提出了“元素”的概念，定义元素为“无法再分解成更简单物质的基本物质”，并编写了一份清单，列出了他所确定的33种元素。

拉瓦锡推翻了传统的燃素说。燃素说认为物质燃烧是因为释放出一种叫做“燃素”的物质，而拉瓦锡通过一系列实验证明，燃烧实际上是物质与氧气反应的过程。

拉瓦锡通过氢气在氧气中燃烧，确定了水的元素组成，证明了水不是一种单一的物质，而是由氢和氧两种元素组成的化合物。这一发现推翻了亚里士多德提出的四元素说，这个学说认为世界是由土、火、水和气四种基本元素构成的。

拉瓦锡的元素理论为化学提供了系统的科学基础，推翻了以往基于炼金术的理论，是化学从一门经验科学转变为一门现代科学的关键转折点。拉瓦锡的工作标志着化学元素周期表和现代化学分析技术的开端，对整个科学界和工业发展产生了深远的影响。

道尔顿：原子论

组成物质的最小单位是原子！

约翰·道尔顿，18至19世纪英国化学家和物理学家。道尔顿出生在英国的一个贫穷的手工编织家庭。虽然缺乏正规的教育机会，道尔顿却表现出极高的学习热情和才能，自学成才。道尔顿的科学研究涵盖了气体行为、气压和颜色视觉等领域，他对色盲也有重要贡献，实际上他本人就是色盲。

道尔顿的时代是18世纪末至19世纪初的英国，这一时期正值工业革命的高峰期，科技和工业迅速发展，对科学研究的需求和兴趣大大增加。同时，这也是启蒙运动的延续时期，科学方法和理性思考被高度重视。拉瓦锡在18世纪末的工作为化学奠定了实验基础。在这样的时代背景下，科学家们开始对物质的组成和性质进行系统的研究。

道尔顿提出了他的原子论，认为物质是由不可分的微小粒子——原子——组成的。这一理论不仅解释了元素之间的化学反应，还提供了理解物质结构的基础。

道尔顿的原子论建立在几个关键的前提上：首先，所有物质都是由极小的、不可见的原子组成的；其次，所有同种元素的原子具有相同的质量和性质，而不同元素的原子则具有不同的质量和性质；最后，化学反应是原子之间的重新排列，但原子本身在反应中既不被创造也不被消灭。

自然的最简单和最基本的粒子是那些组成纯单质的粒子，我们称之为原子。 ——道尔顿

道尔顿通过研究气体的行为和它们之间的化学反应来支持他的原子论。在他关于水的实验中，他观察到两份氢气与一份氧气结合产生水，这支持了他关于化学反应是原子重组的理论。

道尔顿的原子论对化学和物理学的发展产生了深远影响。它为化学提供了一个坚实的理论基础，解释了元素和化合物的性质以及化学反应的机制。在物理学领域，随着20世纪初量子力学和相对论的兴起，科学家们开始深入研究原子的内部结构。

门捷列夫：元素周期表

分类元素，预测元素！

迪米特里·门捷列夫，19世纪俄罗斯化学家，以创建现代元素周期表而闻名。门捷列夫出生在西伯利亚的一个教师家庭。尽管家庭经济状况不佳，但门捷列夫通过不懈努力完成了学业，并在圣彼得堡大学获得了学位。门捷列夫一生致力于教育和科研，为化学的发展做出了巨大贡献。

门捷列夫的时代是19世纪后半叶的俄罗斯，这是俄罗斯历史上由封建制向现代工业国家转变的关键时期。在这一时期，俄罗斯经历了巨大的社会、经济和政治变革，科学和教育改革也是这一过程的一部分。在化学领域，许多新元素被发现，然而其性质和相互关系仍不清晰。化学家们急需一种方法来整理和理解这些元素。

门捷列夫的周期表基于元素的原子质量进行排序，并根据元素的化学性质分组。他注意到，某些化学性质每隔一定数量的元素就会重复出现。这种模式揭示了元素之间深层次的关联，使得周期表不仅是一个分类工具，而且是预测化学反应和元素性质的强大工具。

元素的性质与它们的原子质量有简单的周期关系。 ——门捷列夫

例如，门捷列夫预测了几种元素的存在及其属性，这些元素包括镓和锗。门捷列夫根据已知元素的特性预测了这些元素的原子质量、密度以及化学和物理性质。当这些元素在后来被发现时，它们的实际属性与门捷列夫的预测非常接近，这极大地证实了他周期表的有效性和预测能力。

门捷列夫的元素周期表使得化学家们能够预测未知元素的存在和性质，加速了新元素的发现和研究。元素周期表不仅是化学领域的里程碑，也是19世纪科学进步的象征。

化学键的本质是什么？

化学键是连接原子或离子的强烈相互作用力，使它们形成稳定的化学物质。理解化学键的本质是化学研究的核心，因为它解释了物质的形成过程和稳定性。化学键理论帮助科学家预测和解释物质的结构、性质和反应行为。

路易斯：共价键理论

两个原子共用电子对！

吉尔伯特·路易斯，19至20世纪美国化学家。他出生于马萨诸塞州，年轻时便展现出非凡的科学天赋。路易斯在哈佛大学获得博士学位，随后在麻省理工学院和加利福尼亚大学伯克利分校任教，期间他发表了大量重要的化学研究。

20世纪初期是物理化学迅速发展的时期。此前，化学键的本质仍然是一个模糊不清的问题。然而，随着电子的发现和量子力学的兴起，化学家们开始意识到电子在化学键形成中的关键作用。

路易斯提出，共价键是由2个原子共用的1对电子组成。他引入了“路易斯结构”（或路易斯点结构），用点表示分子中的电子，以简明直观的方式展示了分子中的键和孤电子对。路易斯认为，原子通过共享电子对来满足各自的电子需求，从而达到稳定的电子构型。

路易斯通过共价键理论解释了水分子的结构。水分子由一个氧原子和两个氢原子组成。根据路易斯结构，氧原子通过共享两个电子对与两个氢原子形成共价键。

路易斯结构也可以用于解释氯气分子的形成。氯气分子由两个氯原子组成，每个氯原子需要一个额外的电子来完成其外层电子壳。通过共享一个电子对，两个氯原子形成一个共价键，从而稳定了分子结构。

路易斯结构进一步应用于解释有机分子的结构，如甲烷。甲烷分子由一个碳原子和四个氢原子组成。根据路易斯结构，碳原子通过共享四对电子与四个氢原子形成四个共价键。

路易斯的共价键理论使科学家们能够更好地预测和解释分子结构和化学反应，推动了有机化学、无机化学和物理化学的发展。

鲍林：杂化轨道理论

解释分子的几何结构！

莱纳斯·鲍林，美国人，20世纪最具影响力的化学家之一。鲍林出生于俄勒冈州，自幼展现出对科学的浓厚兴趣。他在俄勒冈州立大学获得学士学位，随后在加利福尼亚理工学院完成博士学位。在他的职业生涯中，鲍林在化学、物理学和生物学等多个领域做出了重大贡献。

鲍林的职业生涯发展于20世纪中叶，这是科学特别是化学和物理学飞速发展的时期。这一时代见证了量子力学的建立和固化，这些新的科学理论为描述原子和分子的结构与反应开辟了新的途径。同时，这也是冷战时期，科学研究常常与政治紧密相关，特别是在核武器和核能利用方面。

鲍林的杂化轨道理论将量子力学应用于化学，解释了分子中的键角和键长。他提出，原子的轨道可以通过杂化形成新的轨道，这些杂化轨道具有特定的形状和方向，从而解释了分子的几何结构。

甲烷（CH4）是杂化轨道理论的经典案例。在甲烷分子中，碳原子的一个2s轨道和三个2p轨道通过杂化形成四个sp3杂化轨道。这些杂化轨道以四面体的方式排列，每个轨道与一个氢原子形成共价键。鲍林的理论精确地解释了甲烷的四面体结构和等长的C-H键，这在经典化学中是无法解释的。

通过将量子力学应用于化学，鲍林不仅为理解化学键的本质提供了新的视角，还为分子结构的研究奠定了基础。轨道杂化理论使科学家们能够更好地预测和解释分子的几何形状和化学反应。

洪特：分子轨道理论

电子在整个分子中分布！

弗里德里希·洪特，20世纪德国著名的物理学家和化学家。洪特出生于德国，早年就表现出对科学的浓厚兴趣。他在著名物理学家玻恩指导下获博士学位。随后在多个知名研究机构工作，包括莱比锡大学和哥廷根大学。

20世纪初期是物理学和化学发生巨大变革的时期。量子力学的发展为科学家提供了新的工具和理论框架来理解物质的微观结构。

洪特的分子轨道理论提出，分子中的电子不是局限于两个原子之间，而是在整个分子中分布，形成分子轨道。分子轨道理论与价键理论通常只是从两个方面去看同一个问题，常常会得到相同的结论。价键理论对于分子定态的性质（键长，键角等）的解释和分子轨道理论相近，而分子轨道理论在研究和电子激发相关的性质时（分子颜色，光电子能谱等）更为有效。

氧分子（O₂）的磁性是分子轨道理论的经典案例。根据洪特的理论，氧分子的分子轨道配置显示出两个未成对的电子。这解释了氧分子的顺磁性（即氧分子被磁场吸引的性质）。这种现象无法通过传统的价键理论解释，但分子轨道理论提供了清晰的解释。

苯（C₆H₆）分子的稳定性也可以通过分子轨道理论来解释。洪特的理论显示，苯分子中的电子分布在六个碳原子的整个环上，形成所谓的“π电子云”。这些电子在整个分子中自由移动，使得苯具有异常的稳定性和对称性，这是传统化学键理论难以解释的。

洪特的分子轨道理论使科学家们能够更好地预测和解释分子的几何形状、电子分布和化学反应，推动了有机化学、无机化学和物理化学的发展。

化学反应的机制是什么？

化学反应的机制描述了反应物转变为生成物的具体过程。了解化学反应的机制能够解释和预测反应速率、产物分布和反应条件的影响。

拉瓦锡：质量守恒定律

化学反应只是物质的重新组合！

安托万·拉瓦锡，18世纪的法国化学家，被称为"近代化学之父"。拉瓦锡出生于巴黎一个富裕的家庭，接受了良好的教育，先后在大学学习法律和科学。后来成为法兰西科学院院士。在法国大革命期间，身为一名包税官的他被指控犯有税务欺诈罪，最终被送上了断头台。

拉瓦锡生在启蒙运动和法国大革命期间的法国，这是一个政治、经济和社会动荡的时期，同时也是科学探索和哲学思考兴盛的时代。化学在此时仍然处于炼金术和早期化学理论的过渡阶段。炼金术士们尝试将贱金属转化为黄金，并追求长生不老药，但大多数理论和实验都缺乏科学基础。17世纪末和18世纪初，科学家们开始注重实验和观察，逐步建立起基于实验的科学方法。

拉瓦锡提出了质量守恒定律，即在一个封闭系统中，无论化学反应如何进行，系统的总质量保持不变。

在自然界的实验室中，没有东西会消失，没有东西会从无中产生。 ——拉瓦锡

拉瓦锡通过一系列精确的实验，证明在化学反应中，反应物的总质量等于生成物的总质量。表明化学反应只是物质的重新排列和组合，而不会有质量的损失或增益。

拉瓦锡通过多个实验验证了质量守恒定律，其中最著名的是他关于氧化过程的研究。例如，在燃烧实验中，拉瓦锡仔细测量了金属在空气中加热后的质量增加，他发现金属质量的增加等于从空气中消耗掉的氧气的质量。

拉瓦锡的质量守恒定律也适用于解释铁生锈的过程。当铁暴露在空气中时，会与氧气反应形成铁锈（氧化铁）。通过实验测量，发现铁锈的质量等于铁和反应中吸收的氧气的总质量。

通过确立质量守恒的概念，拉瓦锡为化学反应的定量研究提供了坚实的基础。拉瓦锡的工作不仅澄清了化学反应的本质，还为后来的化学家提供了重要的理论基础，推动了化学反应机理、元素周期表和热化学等重要科学成果的出现。

阿伦尼乌斯：反应速率理论

温度越高，化学反应速度越快！

斯万特·阿伦尼乌斯，19至20世纪瑞典著名的物理学家和化学家。他出生在瑞典一个学术家庭，父亲是一位土地测量师。阿伦尼乌斯在乌普萨拉大学学习并获得博士学位。

19世纪末和20世纪初是科学革命的重要时期，物理学和化学的交叉领域迅速发展。化学反应的机理和速率成为研究的重点，因为理解这些过程对于工业应用和理论化学具有重要意义。那个时代的科学家们已经认识到，温度、浓度和催化剂等因素会影响化学反应的速率，但缺乏系统的理论解释。

阿伦尼乌斯提出了著名的阿伦尼乌斯方程，解释了温度对化学反应速率的影响。通过这个方程，阿伦尼乌斯解释了为什么在高温下化学反应更快，因为高温提供了更多的能量，使反应物分子能够克服活化能障碍。

简单来说，阿伦尼乌斯方程就像是解释为什么在热锅上炒菜比在冷锅上快得多。锅越热，食材受热反应的速度就越快。在化学反应中，温度越高，分子的动能越大，碰撞的频率和能量越高，更容易克服反应的能量障碍，从而加速反应。

在工业化学中，阿伦尼乌斯方程被广泛用于设计和优化化学反应。例如，在氨的合成过程中，温度的控制至关重要。通过应用阿伦尼乌斯方程，化学工程师可以确定最佳的操作温度，以实现最高的反应速率和产量。

阿伦尼乌斯方程也被应用于食品科学。食品的变质过程本质上是化学反应，温度越高，反应速率越快。通过应用阿伦尼乌斯方程，科学家可以预测不同温度下食品的保质期。这一知识帮助食品行业设计更好的保存方法，延长食品的保质期，减少浪费。

通过提出阿伦尼乌斯方程，他为理解化学反应的速度和机制提供了重要的理论框架。阿伦尼乌斯的工作展示了温度在化学反应中的关键作用，推动了反应动力学的深入研究。

波兰尼：过渡态理论

化学反应过程中存在一个高能量的过渡态！

迈克尔·波兰尼，20世纪匈牙利裔英国物理化学家、经济学家和哲学家。波兰尼出生于布达佩斯，年轻时在匈牙利获得医学学位，并在德国完成博士学位。波兰尼移居英国，先是成为化学教授，然后成为曼彻斯特大学的社会科学教授。他的两个学生和一个孩子获得了诺贝尔奖。

20世纪上半叶，化学和物理学交叉领域的研究迅速发展。科学家们逐渐认识到，量子力学和热力学在解释化学反应机理中具有重要作用。然而，尽管有许多关于化学反应的实验数据，科学界仍然缺乏对化学反应路径的解释。

波兰尼提出的过渡态理论是化学动力学的重要里程碑。根据这一理论，化学反应过程中存在一个高能量的过渡态。反应物在转化为生成物的过程中，必须克服一个能量障碍，达到过渡态。反应速率取决于反应物转变为过渡态的难易程度。

简单来说，过渡态理论就像是解释一辆车要翻越一个山坡才能从一个地方到达另一个地方。车从起点出发，需要足够的动力才能爬上山坡（过渡态），然后才能顺利下坡到达终点。这个“山坡”的高度就是活化能，决定了车（反应物）需要多少能量才能完成整个旅程（化学反应）。如果山坡太高，车可能无法翻越，这就解释了为什么某些化学反应很慢或难以发生。

酶催化反应是生物化学中一个重要的应用领域。酶通过降低反应的活化能，加速生化反应。在过渡态理论的框架下，酶与底物结合形成过渡态复合物，显著降低了反应的能量障碍。这一机制解释了为什么酶在生物体内能够高效地催化各种复杂的化学反应。

通过提出过渡态理论，波兰尼为理解和预测化学反应的机制提供了重要的工具。过渡态理论帮助科学家们设计和优化反应条件，提高化学反应的效率和选择性。