京航教育化學特刊 |第01期:化學的發展史

2020-12-15 首都教育快訊

化學是研究物質的性質、組成、結構、變化和應用的科學。世界是由物質組成的,化學則是人類用以認識和改造物質世界的主要方法和手段之一,它是一門歷史悠久而又富有活力的學科,它的成就是社會文明的重要標誌。

從開始用火的原始社會,到使用各種人造物質的現代社會,人類都在享用化學成果,人類的生活能夠不斷提高和改善,化學的貢獻在其中起了重要的作用。

——周琳琳老師

化學發展史

自從有了人類,化學便與人類結下了不解之緣,鑽木取火、用火燒煮食物、燒制陶器、冶煉青銅器和鐵器,都是化學技術的應用。

正是這些應用,極大地促進了當時社會生產力的發展,成為人類進步的標誌。從古至今,伴隨著人類社會的進步,化學歷史的發展經歷了哪些時期呢?

(一)化學的萌芽時期:從遠古到公元前1500年,人類學會在熊熊的烈火中由黏土製出陶器,由礦石燒出金屬,學會從穀物釀造出酒,給絲麻等織物染上顏色,這些都是在實踐經驗的直接啟發下經過長期摸索而來的最早的化學工藝,但還沒有形成化學知識,只是化學的萌芽時期。

(二)煉丹和醫藥化學時期:約從公元前1500年到公元1650年,化學被煉丹術、鍊金術所控制,為求得長生不老的仙丹或象徵富貴的黃金,煉丹家和鍊金術士們開始了最早的化學實驗,而後記載、總結煉丹術的書籍也相繼出現。

雖然煉丹家、鍊金術士們都以失敗而告終,但他們在煉製長生不老藥的過程中,在探索「點石成金」的方法中實現了物質間用人工方法進行的相互轉變,積累了許多物質發生化學變化的條件和現象,為化學的發展積累了豐富的實踐經驗。

當時出現的「化學」一詞,其含義便是「鍊金術」,但隨著煉丹術、鍊金術的衰落,人們更多地看到它荒唐的一面,化學方法轉而在醫藥和冶金方面得到正當發揮,中、外藥物學和冶金學的發展為化學成為一門科學準備了豐富的素材。

(三)燃素化學時期:這個時期從1650年到1775年,是近代化學的孕育時期。隨著冶金工業和實驗室經驗的積累,人們總結感性知識,進行化學變化的理論研究,使化學成為自然科學的一個分支,這一階段開始的標誌是英國化學家波義耳為化學元素指明科學的概念。

繼之,化學又借燃素說從鍊金術中解放出來,燃素說認為可燃物能夠燃燒是因為它含有燃素,燃燒過程是可燃物中燃素放出的過程,儘管這個理論是錯誤的,但它把大量的化學事實統一在一個概念之下,解釋了許多化學現象。

在燃素說流行的一百多年間,化學家為解釋各種現象,做了大量的實驗,發現多種氣體的存在,積累了更多關於物質轉化的新知識,特別是燃素說認為化學反應是一種物質轉移到另一種物質的過程,化學反應中物質守恆,這些觀點奠定了近代化學思維的基礎。

這一時期,不僅從科學實踐上,還從思想上為近代化學的發展做了準備,這一時期成為近代化學的孕育時期。

(四)定量化學時期:這個時期從1775年到1900年,是近代化學發展的時期。

1775年前後,拉瓦錫用定量化學實驗闡述了燃燒的氧化學說,開創了定量化學時期,使化學沿著正確的軌道發展。

19世紀初,英國化學家道爾頓提出近代原子學說,接著義大利科學家阿伏加德羅提出分子概念,自從用原子-分子論來研究化學,化學才真正被確立為一門科學,這一時期,建立了不少化學基本定律。

俄國化學家門捷列夫發現元素周期律,德國化學家李比希和維勒發展了有機結構理論,這些都使化學成為一門系統的科學,也為現代化學的發展奠定了基礎。

(五)科學相互滲透時期:這個時期基本上從20世紀初開始,是現代化學時期。

20世紀初,物理學的長足發展,各種物理測試手段的湧現,促進了溶液理論、物質結構、催化劑等領域的研究,尤其是量子理論的發展,使化學和物理學有了更多共同的語言,解決了化學上許多未解決的問題,物理化學、結構化學等理論逐步完善。

同時,化學又向生物學和地質學等學科滲透,使過去很難解決的蛋白質、酶等結構問題得到深入的研究,生物化學等得到快速的發展。

誠然,科學的發展是沒有止境的,因而化學的發展也決不會停滯不前。

1.化學的前奏

人類文明的起點——火的利用

在幾百萬年以前,人類過著極其簡單的原始生活,靠狩獵為生,吃的是生肉和野果。

根據考古學家的考證,至少在距今50 萬年以前,可以找到人類用火的證據,即北京周口店北京猿人生活過的地方發現了經火燒過的動物骨骼化石。

有了火,原始人從此告別了茹毛飲血的生活,吃了熟食後人類增進了健康,智力也有所發展,提高了生存能力。

後來,人們又學會了摩擦生火和鑽木取火,這樣火就可以隨身攜帶了。

於是,人們不再是火種的看管者,而成了能夠駕馭火的造火者,火是人類用來發明工具和創造財富的武器,利用火能夠產生各種各樣化學反應這個特點,人類開始了制陶、冶金、釀造等工藝,進入了廣闊的生產、生活天地。

歷史悠久的工藝——制陶

大約距今1萬年以前,中國開始出現燒制陶器的窯,成為最早生產陶器的國家,陶器的發明,在製造技術上是一個重大的突破。

制陶過程改變了粘土的性質,使粘土的成分二氧化矽、三氧化二鋁、碳酸鈣、氧化鎂等在燒制過程中發生了一系列的化學變化,使陶器具備了防水耐用的優良性質。

因此陶器不但有新的技術意義,而且有新的經濟意義,它使人們處理食物時增添了蒸煮的辦法,陶製的紡輪、陶刀、陶挫等工具也在生產中發揮了重要的作用,同時陶製儲存器可以使穀物和水便於存放。

因此,陶器很快成為人類生活和生產的必需品,特別是定居下來從事農業生產的人們更是離不開陶器。

冶金化學的興起

在新石器時代後期,人類開始使用金屬代替石器製造工具,使用得最多的是紅銅,但這種天然資源畢竟有限,於是,產生了從礦石冶鍊金屬的冶金學。

最先冶煉的是銅礦,約公元3800年,伊朗就開始將銅礦石(孔雀石)和木炭混合在一起加熱,得到了金屬銅,在此基礎上改進後,便出現了青銅器。

到了公元前3000到前2500年,除了冶煉銅以外,又煉出了錫和鉛兩種金屬。往純銅中摻入錫,可使銅的熔點降低到800℃左右,這樣一來,鑄造起來就比較容易了。

銅和錫的合金稱為青銅,它的硬度高,適合製造生產工具。青銅器的出現,推動了當時農業、兵器、金融、藝術等方面的發展,把社會文明向前推進了一步。

到了公元前8到前7 世紀,歐洲等才相繼進入了鐵器時代。由於鐵比青銅更堅硬,煉鐵的原料也遠比銅礦豐富,在絕大部分地方,鐵器代替了青銅器。

中國的重大貢獻——火藥和造紙

黑火藥是中國古代四大發明之一,火藥的三種原料是硫磺、硝石和木炭,木炭是黑色的,因此,製成的火藥也是黑色的,叫黑火藥。

硫磺和硝石在古代都是治病用的藥,因此,黑火藥便可理解為黑色的會著火的藥。

不老的藥,在煉丹的原料中,就有硫磺和硝石,煉丹的方法是把硫磺和硝石放在煉丹爐中,長時間地用火煉製,在許多次煉丹過程中,曾出現過一次又一次地著火和爆炸現象,經過這樣多次試驗終於找到了配製火藥的方法。

大約在公元8 世紀,中國的煉丹術傳到了阿拉伯,火藥的配製方法也傳了過去,後來又傳到了歐洲。這樣,中國的火藥成了現代炸的「老祖宗」,這是中國的偉大發明之一。

紙是人類保存知識和傳播文化的工具,是中華民族對人類文明的重大貢獻。在使用植物纖維製造的紙以前,中國古代傳播文字的方法主要是在甲骨(烏龜的腹甲和牛骨)上刻字,即所謂的甲骨文;甲骨數量有限,後來改在竹簡或木簡上刻字,最後才有了用植物纖維製造的紙,一直流傳到今天。

煉丹術與鍊金術

鍊金家想要點石成金(即用人工方法製造金銀),雖然虔誠的煉丹家和鍊金家的目的雖然沒有達到,但是他們辛勤的勞動並沒有完全白費,他們為化學學科的建立積累了相當豐富的經驗和失敗的教訓,甚至總結出一些化學反應的規律。

例如中國煉丹家葛洪從煉丹實踐中提出:「丹砂(硫化汞)燒之成水銀,積變(把硫和水銀二者放在一起)又還成(交成)丹砂。」

這是一種化學變化規律的總結,即「物質之間可以用人工的方法互相轉變」。

煉丹家和鍊金家夜以繼日地在做這些最原始的化學實驗,必定需要大批實驗器具,於是,他們發明了蒸餾器、熔化爐、加熱鍋、燒杯及過濾裝置等,他們還根據當時的需要,製造出很多化學藥劑、有用的合金或治病的藥,其中很多都是今天常用的酸、鹼和鹽。為了把試驗的方法和經過記錄下來,他們還創造了許多技術名詞,寫下了許多著作,正是這些理論、化學實驗方法、化學儀器以及煉丹、鍊金著作,開挖了化學這門科學的先河。

2.創建近代化學理論——探索物質結構

世界是由物質構成的,但是,物質又是由什麼組成的呢?

在化學發展的歷史上,是英國的波義耳第一次給元素下了一個明確的定義,他指出:「元素是構成物質的基本,它可以與其他元素相結合,形成化合物。

但是,如果把元素從化合物中分離出來以後,它便不能再被分解為任何比它更簡單的東西了。」

波義耳還主張,不應該單純把化學看作是一種製造金屬、藥物等從事工藝的經驗性技藝,而應把它看成一門科學。因此,波義耳被認為是將化學確立為科學的人。

人類對物質結構的認識是永無止境的,物質是由元素構組成的,那麼,元素又是由什麼構成的呢?

1803年,英國化學家道爾頓創立的原子學說進一步解答了這個問題。

原子學說的主要內容有三點:一、一切元素都是由不能再分割和不能毀滅的微粒所組成,這種微粒稱為原子;

二、同一種元素的原子的性質和質量都相同,不同元素的原子的性質和質量不同;

三、一定數目的兩種不同元素化合以後,便形成化合物。

原子學說成功地解釋了不少化學現象,隨後義大利化學家阿伏加德羅又於1811年提出了分子學說,進一步補充和發展了道爾頓的原子學說,他認為許多物質往往不是以原子的形式存在,而是以分子的形式存在,例如氧氣是以兩個氧原子組成的氧分子,而化合物實際上都是分子。

從此以後,化學由宏觀進入到微觀的層次,使化學研究建立在原子和分子水平的基礎上。

3.現代化學的興起

19 世紀末,物理學上出現了三大發現,即X射線、放射性和電子,這些新發現猛烈地衝擊了道爾頓關於原子不可分割的觀念,從而打開了原子和原子核內部結構的大門,揭露了微觀世界中更深層次的奧秘。

熱力學等物理學理論引入化學以後,利用化學平衡和反應速度的概念,可以判斷化學反應中物質轉化的方向和條件,從而開始建立了物理化學,把化學從理論上提高到了一個新的水平。

在量子力學建立的基礎上發展起來的化學鍵(分子中原子之間的結合力)理論,使人類進一步了解了分子結構與性能的關係,大大地促進了化學與材料科學的聯繫,為發展材料科學提供了理論依據。

化學與社會的關係也日益密切,化學家們運用化學的觀點來觀察和思考社會問題,用化學的知識來分析和解決社會問題,例如能源危機、糧食問題、環境汙染等。

化學與其他學科的相互交叉與滲透,產生了很多邊緣學科,如生物化學、地球化學、宇宙化學、海洋化學、大氣化學等等,使得生物、電子、航天、雷射、地質、海洋等科學技術迅猛發展。

化學也為人類的衣、食、住、行提供了數不清的物質保證,在改善人類生活,提高人類的健康水平方面作出了應有的貢獻。

現代化學的興起使化學從無機化學和有機化學的基礎上,發展成為多分支學科的科學,開始建立了以無機化學、有機化學、分析化學、物理化學和高分子化學為分支學科的化學學科。

化學家這位「分子建築師」將運用善變之手,為全人類創造今日之大廈、明日之環宇。

周琳琳老師:多本化學學科教材主編。自畢業以來一直致力於研究中考化學,精準把握中考化學的考試方向。深諳考綱,在網際網路媒體多次發布中考化學解析。

所獲殊榮:

連續多年帶出滿分學員

被廣大家長和學生譽為「初中化學百科之王」

教學特色:

擁有多年教齡,化學教學經驗豐富,一直深受數千名學生喜愛,能夠讓學生接觸到化學這一學科後真正愛上化學。

耐心陪伴學生學習與成長,善於與學生溝通,教學風格嚴謹又不失幽默,讓學生在輕鬆愉快的學習過程中掌握化學知識。

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