人類生活化學FudanUniversityChemistryandHumankindCopyright@byFudanUniversityChemistryandHumankindFudanUniversity-wshen@-65642401

沈偉

(化學西樓530)

/網絡課堂用戶名：chemhuman

!!!E-Mail2ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversity要求：看一部電影：Aninconvenienttruth作一次報告：5min課堂演講看一遍教材：化學與人類寫一篇報告：溫室氣體的減排與固定ChemistryandHumankindFudanUniversityWhatisChemistry?“CentralScience”

thefundamentalscienceofmatterstructure,composition,andtransformationssolvingpressingproblemsfacingoursocietytodaynewandbettermaterials,worldwidefoodshortages,dwindlingenergyresources,environmentalproblems,andmedicalissuesForeword

ChemistryandHumankindFudanUniversity化學——環境污染的“替罪羊”

現在，公眾對化學存在著一種很深的誤解，認為化學就是帶來環境污染的罪魁禍首，甚至歧視化學、厭惡化學，產生了“恐化學癥”(chemophobis)，似乎有化學就不會有“綠色”，“化學”已經被許多人所誤解為“污染”同義詞。在日常生活中，某些所謂“綠色食品”的廣告經常聲稱“本產品絕不含有任何化學元素(化學品)”，或許他們是一些“化學盲”，可以原諒。即使在科技發達的美國，報刊也有類似荒唐的報道。然而，當眾口鑠金的威力使赫赫有名的杜邦公司也不得不讓步地從宣傳口號“BetterLifethroughChemistry”中把“Chemistry”去掉時，不幸的“化學人”必須認識到：化學(化學人)已經成為環境污染的“替罪羊”。

不可否認，化學、化學工業在某些場合給環境帶來污染，但公眾采取的是“一葉障目”的做法。事實上，化學的歷史貢獻是不容抹殺的：在解決糧食生產以養活人類的世界性問題上，如果沒有哈伯的合成氨化學固氮法，世界總人口由本世紀初的十幾億到現在的六十億以上是不可能的；同樣，在延長人類壽命的世界性問題上，如果沒有磺胺藥、青霉素、鏈霉素等許多藥物的化學制藥方法，人的預期壽命的空前提高也是不可能的。

其實，作為知識本身而言，化學只不過告訴人們，哪些物質對人類有益，哪些對人類有害，如何操作全在于人類自己。但是，人們只在利用化學吃飽、醫好、穿好等等之余卻記住了哪些是有害的，從而將人類自身偶爾的操作之錯遷怒于化學。中國古代有一個醫生和君王的故事，醫生因為告訴君王腦部有疾病，君王不但不同意治療反而殺了醫生，原因是醫生告訴了他真相。于今，化學家們因從事化學、告訴人們化學物質的真相而同樣蒙冤。ChemistryandHumankindFudanUniversity化學盲---化學人的真正對手

雖然目前綠色化學的發展正蒸蒸日上，但其對洗清化學和化學家們的不白之冤還是不夠的。或許，Nobel化學獎獲得者洛德·霍夫曼(RoaldHoffmann)在化學科普名著《相同與不同》(TheSameandnottheSame)中關于消滅“化學盲”的教育名言，指出了化學人的真正對手：“……化學課程要確保最核心的內容。當然要吸引人，激發人的興趣與好奇心。課程要針對非理科學生，針對有見識的公民，而不是針對專門人才。新的化學家，改造世界的優秀人才，將產生于這些年輕人。我堅信這一美好的前景。他們做他們能勝任的工作，做化學家要做的工作。但這有一個前提，那就是要教育他們的朋友和鄰居。這些人中，99.9%都不是化學工作者。”

因此，作為一個真正的化學家，他不僅應在學科領域去突破，而且應在化學宣傳領域去努力。從某種意義上講，后者更為重要，因為它能使99.9%都不是化學工作者的人理解化學人的工作。但遺憾的是，許多化學工作者興趣僅在于前者，即使是在學校這樣的主要宣傳陣地，許多化學家們工作的主要目的也只是發表學科研究論文以獲取他個人的職稱和工資。

盡管如此，由于環境問題是一個綜合性的問題，因此即使綠色化學家們在學科與化學教育方面作出了努力，他們也只能“潔身自好”和消除人們對化學的誤解，并非解決問題的關鍵，真正解決環境問題還依賴于全人類的反思。ChemistryandHumankindFudanUniversity1982-1985350Scientists1986唐有琪盧嘉錫OpportunitiesinChemistry官方提要:“很多社會需要,包括那些決定我們生活質量和經濟實力等方面,都要求化學來解決”ChemistryandHumankindFudanUniversity為什么要學一點化學1.重要性－糧食、能源、保護和改善人類賴以生存的環境2.提高生活質量3.判斷力4.對專業的幫助5.提供可借鑒的方法

ChemistryandHumankindFudanUniversity日本《每日新聞》2004年12月22日文章：中國石油進口量突破1億噸

【北京?大谷麻由美】中國國家海關總署在本月21日發表的報告中指出，從2004年1月到11月，中國的石油總進口量與去年同期相比增長了35.2%，達到了1億1062萬噸。中國從1996年開始成為一個石油純進口國，但在今年，其石油進口量是第一次突破1億噸大關。現在，中國的石油進口量大約達到了日本的石油進口量的一半；而在石油的消耗量方面，中國的石油消耗量現在是僅次于美國而穩居世界第二石油消費大國的位置。在這種狀況下，中國政府越來越在以下兩個方面有了緊迫感：一是在國內制定節省能源的對策；二是絕對確保海外的能源的供應。近幾年來，中國的石油產量一直比較穩定，但增長量比較有限。而另一面，其石油的消費需求卻不斷增加。因此，預計全年的對進口石油的依賴度將會達到四成。根據國際能源機構（IEA）的統計數據，中國的石油進口量在2002年的時候位于美國、日本、韓國、印度等國家之后，處于世界第8位；但今年則很有可能僅次于美國和日本上升到世界第3位。另一方面，根據世界石油業巨頭BP（原BritishPetroleum）的統計，美國2003年的石油消費量為9億1430萬噸；中國的消費量為2億7520萬噸，超過了日本的2億4870萬噸。中國對石油的進口量和消費量比中國政府預測的還要多出一大截，在這種情況下，恐怕也會給國際原油價格帶來一些影響返回ChemistryandHumankindFudanUniversity街頭燒烤肉串吃不得

北京市環境保護局

街頭燒烤肉串大多無吸煙裝置，使用的燃料多為木柴、碳等。燒烤時，不僅燃料燃燒產生污染物，還有落在燃料中的脂肪、肉渣、調味品燃燒排放的污染物，這些物質隨煙氣排放而被吸入人體影響健康。

燒烤煙氣中的物質有一氧化碳（CO）、硫氧化物（SOX）、氮氧化物（NOX）、顆粒物、苯并（a）芘。苯并（a）芘是國際上公認的強致癌物。烤肉串攤點集中地方的煙氣中苯并（a）芘濃度很高，最高時可比國家標準高60──110倍。

由于街頭燒烤已成為城市一大公害，北京市廣大市民強烈要求取締露天燒烤，還市民一個清潔、優美的市容市貌。為此，在北京市政府采取的治理大氣污染緊急措施中規定，1998年年底以前在我市三環路內取締所有露天燒烤。

今后經營露天燒烤、煎炸食品必須在店內加工、店內銷售。凡經營此類食品的經營者要向環保部門提出申請，在保證不發生擾民隱患，且燒烤食品配有煙氣凈化裝置的前提下，環保部門才予批準。北京市環境保護宣傳教育中心返回ChemistryandHumankindFudanUniversity毒甘油事件(2007.5)《紐約時報》報道，過去二十年全球發生的大規模中毒事件中，至少有八起與有毒糖漿有關，合計有成千上萬人死亡，而紀錄顯示，在最近的四次事件中，有三次是中國生產的問題產品引起的。巴拿馬是最新的受害國家。二○○六年，當地政府官員在不知情下，把二甘醇混入二十六萬瓶傷風藥中，造成災難性後果。因服下該毒藥斃命的死亡報告達三百六十五宗。報道說，巴拿馬的中毒事件和去年稍早發生的中國齊齊哈爾第二製藥廠誤用二甘醇導致許多民眾死亡的事件，顯示中國的相關安全規定跟不上。

甘油CH2－OHCH－OHCH2－OH二甘醇HO－CH2－CH2－OHHO－CH2－CH2－OHHO－C2H4－O－C2H4－OHChemistryandHumankindFudanUniversity怎樣可以燒出好的魚湯？不粘鍋能用嗎？燒烤食品健康嗎？焰火的色彩是怎樣調制的？ChemistryandHumankindFudanUniversity化學是一門使人類生活得更美好的基礎學科Chapter1ChemistryandHumankindFudanUniversity一.化學是研究物質變化的科學宇宙天體單質和化合物原子,分子和離子電子,質子中子和其他基本粒子ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversitySpaceandtimescalesChemistryandHumankindFudanUniversity單質和化合物水是單質還是化合物ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversityTwenty-four-karatgoldisanelement

Eighteen-karatgoldisanalloy.

Fourteen-karatgoldisanalloy.18K金是化合物還是混合物?ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversity化學研究的內容:物質的化學運動,即化學變化2H2+O2=2H2O

化學是一門在原子，分子或離子層次上研究物質的組成,結構,性質等變化及其內在聯系和外界變化的科學ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversityCH4+2O2=CO2+2H2OThereactionbetweenmethaneandoxygen.ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversity

研究物質的化學變化，首先是研究物質本身的組成，結構以及它們的性質。其次是研究變化發生的一些外界條件。三是要對變化本身的規律進行研究，即反應能否發生，程度如何，有那些影響因素等等。

化學是一門研究物質變化的科學氫和氧常溫常壓下能變水嗎？ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversity化學研究的目的提供人類生存的物質條件－糧食、能源、保護和改善人類賴以生存的環境提高人類生活質量

－化學是新材料的源泉延長人類壽命

－揭示生命的奧秘和提供合成藥物ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversityTestingtheidea:Miller-Urey1953,StanleyMillerwasHaroldUrey’sstudentatUniversityofChicagoUreywas1934NobellaureatefordiscoveryofhydrogenisotopedeuteriumChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversityTheexperiment:TestflaskcontainedWater,methane,hydrogen,ammonia(notreallylikeearlyatmosphereaswenowunderstandit,butthesechemicalswerepresent)Energyprovidedbydischargelikelightning,UVradiationAfterafewdays…ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversityOrganiccompoundsfromsoup:Aminoacids(likeglycine,alanine)Sugars氨基乙酸丙胺酸nucleotidebases(核苷堿)AceticacidEtc…

Forexample:NH3+2CH4+2H2O->C2H5O2N+5H2(productionofglycine)ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversity二.化學是一門實驗性極強的科學居里夫人

1899-1902從8噸瀝青油中提煉出0.1克新元素的氯化物鐳ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversity仔細觀察是成功的基礎實驗手段的不斷進步是化學發展的關鍵李比希

的懊傷瓶拉瓦錫

質量守恒定律精密天平發現了一個新元素核磁共振制服了一種寄生草ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversity

Stockholm,1833

Father,engineer

At17-Swedish,Russian,French,English,andGerman

Literature,poems,Chemistry,Physics

InParis,workedforProfessorT.J.Pelouze,chemist.ChemistryandHumankindFudanUniversitySULFURICACIDNITRICACIDDYNAMITESILICAGLYCEROL+++=ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversity諾貝爾獎：物理、化學、生理和醫學、文學、和平經濟獎（1968年增設，瑞典銀行出資）AlfredB.Nobel是一位化學家AlfredB.Nobel18331896三百多項專利捐資960萬美元ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversityChapter2

化學向人類提供各種合理使用能源的方法ChemistryandHumankindFudanUniversityCopyright@byFudanUniversity一.化學提供人類合理使用能源的方法石油煤原子核能化學電池液體能源固體能源核能電池CoalPetroleumChemicalCellNuclearEnergyChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversityFudanUniversityChemistryandHuman

EnergysourcesusedintheUnitedStatesChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversity石油是一種碳氫化合物的混合物碳氫化合物：烴

是由碳和氫兩種元素組成的化合物飽和烴－烷烴CCalkane不飽和烴－烯烴CCalkene－炔烴CCalkyne芳香烴－帶苯環的烴aromaticsChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversityCH3-CH3CH2=CH2Benzene

EthaneEtheneChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversity石油：由C1到C40的烴組成的混合物C原子數1－45－1515－40形態氣體液體固體物例甲烷至丁烷汽、煤、柴油石蠟沸點？碳鏈越長，沸點越高！石油可以通過分餾的方法分離或分割！ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversityC1－C4石油氣(PetroleumGas)40C。C10－C15煤油(Kerosene)145－245CC5－C7溶劑油(Solvent)40－95CC6－C11汽油(Gasoline)80－200CC14－C18柴油(Diesel)200－365C重油C18－C40(HeavyOil)大于365C。。。。。常壓分餾塔ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversityC16－C20潤滑油LubricantC16－C20液固態凡士林VaselineC20－C30石蠟ParaffinWaxC30－C40瀝青Asphalt減壓分餾塔ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversity汽油通過石油的分餾獲得汽油依然是一個混合物沸程是混合物氣化的溫度范圍，或沸點的范圍汽油的沸程相同，為什么不同產地的油品質不一樣同分異構體！分子式相同，結構不同ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversityChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversityCrudeOilCompositionSchematicPetroleumHydrocarbonTypesforArabianHeavyCrudeChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversityChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversityChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversityRefineryFlowsheetChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversityIntermediateconnectionsChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversity汽油性能的表征－辛烷值(Octanenumber)汽油在內燃機氣缸運轉過程：進氣壓縮點火排氣自燃點：直鏈烷烴<支鏈烷烴、環烷烴<芳香烴

自燃點辛烷值異辛烷(isooctane)418100正庚烷(normalheptane)2230爆震原因：自燃點低的烴在氣缸穩定下易形成過氧化物

ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversity辛烷值的四個含義：1.辛烷值是人為制定的一個比較汽油性能的參數2.辛烷值越高，汽油的性能，即抗爆性越好。3.相對標準是：正庚烷0；異辛烷100。4.辛烷值以抗爆性能相同的混合物中異辛烷百分比來表示。通常常壓分餾塔產出的汽油辛烷值在55左右，用化學的方法使直鏈烴變為支鏈烴－－－（催化）重整ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversity還有什么抗爆震的方法？四乙基鉛汽油中加千分之一，辛烷值提高13－17。分解成氧化鉛，可分解過氧化物氧化鉛？固體？二溴乙烷

EthyleneDibromideChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversity鉛－毒害！！！MTBE－甲基叔丁基醚M50,M80－甲醇汽油，辛烷值可達130乙醇汽油二甲醚LPG－液化石油氣組合劑法化學家ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversity其他渠道－－－裂化汽油（催化裂化）石油中C6－C11只占約30％，采用熱裂解可以把長鏈烴類裂解成短鏈，汽油占15－30％，使用催化劑后，汽油得率高達80％,其辛烷值比直鎦汽油高。其他渠道－－－烷基化油（烷基化）烯烴（C3-C5）+異丁烷

支鏈烷烴(烷基化油)酸催化與烷基化油相比，其他一些高辛烷值組分均存在一些問題。2000年，烷基化油在北美汽油組分中已占14.3%，隨著對汽油品質和環保要求的提高，烷基化油的比例將進一步提高。ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversity

OctanenumbercontributionsfromcomponentsofatypicalUSgasoline

GasolineComponentPCTofPoolBlendingOctaneContributionReformate41.408836.4FCCgasoline26.408622.7Alkylate14.309313.3Isomerate7.40876.4Alcohols3.401083.7Lightstraight-rungasoline1.90731.4Hydrocrackergasoline1.60811.3MTBE*1.001101.1n-Butane1.10921.0Lightdelayedcokergasoline1.20780.9TAME**0.301050.3Total100.0088.6*MTBE–methyl-tert-butylether**TAME–tert-amyl-methylether石油取之不盡嗎？按現在速度和探明儲量－石油可開采40年。地球上有另一個儲量大得多的能源－煤1926年FischerandTropsch發表煤合成汽油專利化學中的一個重要研究方向－一碳化學ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversity煤的氣化－H2,CO氣態的燃料更容易使用，可以實現管道化，輸送方便。將煤與有限的空氣和水蒸氣反應水蒸氣+煤+空氣→CO+H2+N2但這樣產生的氮氣占一半左右，增加運輸負擔。因此常將煤在高溫下與水蒸氣作用C+H2O(g)→CO+H2ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversityFischer－Tropsch反應甲烷化反應

CO+3H2

→CH4+H2O烷烴化反應

nCO+(2n+1)H2

→

CnH2n+2+nH2O烯烴化反應

nCO+2nH2

→CnH2n+nH2O醇化反應

nCO+2nH2

→CnH2n+1OH+(n-1)H2O

這些反應看似簡單，其實反應本身非常復雜，反應產物也非常多。每一類都有自己的催化劑

ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversity煤的干餾－與空氣隔絕時加熱處理的一種工藝干鎦產品：固體－焦碳液體－煤焦油（芳香化合物）氣體－煤氣（H2,CO）芳香混合物－含有苯環的混合物焦炭用途－制電石Ca+3C→CaC2+CO（高溫隔絕空氣）ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversity原子核能原子結構十八世紀－原子是組成物質的不可分割最小粒子1815年－普勞特認為一切原子由氫原子組成1874年－克羅克斯發現陰極射線，稱為電子1895年－倫琴發現X射線，能使氣體電離1896年－貝克勒發現鈾的放射性三種射線－α帶陽電荷的氦原子β電子γ中性類似X射線的光線ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversitySchematicofacathoderaytubeChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversityPlumPuddingmodelofanatom.ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversity著名的Rutherford實驗.ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversitymodelofanatom.ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversityAnuclearatomviewedincrosssection.原子核是什么？1919年盧瑟福用α粒子轟擊氮原子,發現質子。原子核由質子組成？

42He+147N178O+11H

任何元素的質量都比陽電荷質量高一到幾倍，為什么？ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversity發現中子1932年查德維克以α粒子轟擊鈹元素，發現質量與質子一樣，中性的粒子－中子42He+94Be126C+10n

如何平衡核反應方程式原子結構問題解決了。那么中子數是一定的嗎？同位素－原子序數相同，而原子質量數因中子數不同而不同。ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversity同位素－原子序數相同而原子質量不同的同一元素的原子ChemistryandHumankindFudanUniversityChemistryandhumankindFudanUniversity核結構原子核直徑不及原子萬分之一，卻占質量的絕大部分，密度極高。所有元素核密度幾乎相同，約2.44×1014g/cm3,核子之間的核力使之克服了質子間的靜電