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无机化学发展简史

  原始人类即能辨别自然界存在的无机物质的性质而加以利用。后来偶然发现自然物质能变化成性质不同的新物质,于是加以仿效,这就是古代化学工艺的开始。

  如至少在公元前6000年,中国原始人即知烧粘土制陶器,并逐渐发展为彩陶、白陶,釉陶和瓷器。公元前5000年左右,人类发现天然铜性质坚韧,用作器具不易破损。后又观察到铜矿石如孔雀石 (碱式碳酸铜)与燃炽的木炭接触而被分解为氧化铜,进而被还原为金属铜,经过反复观察和试验,终于掌握以木炭还原铜矿石的炼铜技术。以后又陆续掌握炼锡、炼锌、炼镍等技术。中国在春秋战国时代即掌握了从铁矿冶铁和由铁炼钢的技术,公元前2世纪中国发现铁能与铜化合物溶液反应产生铜,这个反应成为后来生产铜的方法之一。

  化合物方面,在公元前17世纪的殷商时代即知食盐(氯化钠)是调味品,苦盐(氢化镁)的味苦。公元前五世纪已有琉璃(聚硅酸盐)器皿。公元七世纪,中国即有焰硝(硝酸钾)、硫黄和木炭做成火药的记载。明朝宋应星在1637年刊行的《天工开物》中详细记述了中国古代手工业技术,其中有陶瓷器、铜、钢铁、食盐、焰硝、石灰、红矾、黄矾、等几十种无机物的生产过程。由此可见,在化学科学建立前,人类已掌握了大量无机化学的知识和技术。

  古代的炼丹术是化学科学的先驱,炼丹术就是企图将丹砂(硫化汞)之类药剂变成黄金,并炼制出长生不老之丹的方术。中国金丹术始于公元前2、3世纪的秦汉时代。公元142年中国金丹家魏伯阳所著的《周易参同契》是世界上最古的论述金丹术的书,约在360年有葛洪著的《抱朴子》,这两本书记载了60多种无机物和它们的许多变化。约在公元8世纪,欧洲金丹术兴起,后来欧洲的金丹术逐渐演进为近代的化学科学,而中国的金丹术则未能进一步演进。

  金丹家关于无机物变化的知识主要从实验中得来。他们设计制造了加热炉、反应室、蒸馏器、研磨器等实验用具。金丹家所追求的目的虽属荒诞,但所使用的操作方法和积累的感性知识,却成为化学科学的前驱。

  由于最初化学所研究的多为无机物,所以近代无机化学的建立就标志着近代化学的创始。建立近代化学贡献最大的化学家有三人,即英国的玻意耳、法国的拉瓦锡和英国的道尔顿。

  玻意耳在化学方面进行过很多实验,如磷、氢的制备,金属在酸中的溶解以及硫、氢等物的燃烧。他从实验结果阐述了元素和化合物的区别,提出元素是一种不能分出其他物质的物质。这些新概念和新观点,把化学这门科学的研究引上了正确的路线,对建立近代化学作出了卓越的贡献。

  拉瓦锡采用天平作为研究物质变化的重要工具,进行了硫、磷的燃烧,锡、汞等金属在空气中加热的定量实验,确立了物质的燃烧是氧化作用的正确概念,推翻了盛行百年之久的燃素说。拉瓦锡在大量定量实验的基础上,于1774年提出质量守恒定律,即在化学变化中,物质的质量不变。1789年,在他所著的《化学概要》中,提出第一个化学元素分类表和新的化学命名法,并运用正确的定量观点,叙述当时的化学知识,从而奠定了近代化学的基础。由于拉瓦锡的提倡,天平开始普遍应用于化合物组成和变化的研究。

  1799年,法国化学家普鲁斯特归纳化合物组成测定的结果,提出定比定律,即每个化合物各组分元素的重量皆有一定比例。结合质量守恒定律,1803年道尔顿提出原子学说,宣布一切元素都是由不能再分割、不能毁灭的称为原子的微粒所组成。并从这个学说引伸出倍比定律,即如果两种元素化合成几种不同的化合物,则在这些化合物中,与一定重量的甲元素化合的乙元素的重量必互成简单的整数比。这个推论得到定量实验结果的充分印证。原子学说建立后,化学这门科学开始宣告成立。

  19世纪30年代,已知的元素已达60多种,俄国化学家门捷列夫研究了这些元素的性质,在1869年提出元素周期律:元素的性质随着元素原子量的增加呈周期性的变化。这个定律揭示了化学元素的自然系统分类。元素周期表就是根据周期律将化学元素按周期和族类排列的,周期律对于无机化学的研究、应用起了极为重要的作用。

  目前已知的元素共109种,其中94种存在于自然界,15种是人造的。代表化学元素的符号大都是拉丁文名称缩写。中文名称有些是中国自古以来就熟知的元素,如金、铝、铜、铁、锡、硫、砷、磷等;有些是由外文音译的,如钠、锰、铀、氦等;也有按意新创的,如氢(轻的气)、溴(臭的水)、铂(白色的金,同时也是外文名字的译音)等。

  周期律对化学的发展起着重大的推动作用。根据周期律,门捷列夫曾预言当时尚未发现的元素的存在和性质。周期律还指导了对元素及其化合物性质的系统研究,成为现代物质结构理论发展的基础。系统无机化学一般就是指按周期分类对元素及其化合物的性质、结构及其反应所进行的叙述和讨论。

  19世纪末的一系列发现,开创了现代无机化学;1895年伦琴发现 X射线;1896年贝克勒尔发现铀的放射性;1897年汤姆逊发现电子;1898年,居里夫妇发现钋和镭的放射性。20世纪初卢瑟福和玻尔提出原子是由原子核和电子所组成的结构模型,改变了道尔顿原子学说的原子不可再分的观念。

  1916年科塞尔提出电价键理论,路易斯提出共价键理论,圆满地解释了元素的原子价和化合物的结构等问题。1924年,德布罗意提出电子等物质微粒具有波粒二象性的理论;1926年,薛定谔建立微粒运动的波动方程;次年,海特勒和伦敦应用量子力学处理氢分子,证明在氢分子中的两个氢核间,电子几率密度有显著的集中,从而提出了化学键的现代观点。

  此后,经过几方面的工作,发展成为化学键的价键理论、分子轨道理论和配位场理论。这三个基本理论是现代无机化学的理论基础。

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