自然科學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)部分講義

1、第一章第一章自然界的物質(zhì)自然界的物質(zhì)第一節(jié)第一節(jié)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的探索茫茫玉宇，寥廓江天，滄海桑田，巍巍山巒。仰望太空，斗轉(zhuǎn)星移，俯察大地，聲、光、熱、電，這就是展現(xiàn)在我們面前的物質(zhì)世界。世界是由物質(zhì)構(gòu)成的，沒有物質(zhì)也就沒有世界。可是，世界上那形形色色、千變?nèi)f化的物質(zhì)，又是由什么構(gòu)成的呢？它的結(jié)構(gòu)層次怎樣？本源是什么？千百年來，人類一直在思考著，探索著。物質(zhì)結(jié)構(gòu)科學(xué)是自亙古以來人們最為關(guān)注的重大科學(xué)命題之一。一、對物質(zhì)微觀

2、組成的漫長探索一、對物質(zhì)微觀組成的漫長探索幾千年來，人類祖先對于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探討，就十分活躍。水受熱化成汽，遇冷凝成冰；木材燃燒后成為炭；花香四處飄散……這些物質(zhì)的變化和擴(kuò)散現(xiàn)象使古代的哲學(xué)家們推測到，物質(zhì)是由少數(shù)的基本元素所組成。古希臘人認(rèn)為水、火、泥土和空氣是構(gòu)成世間萬物的基本元素。中國古代也有“五行說”，即世界是由金、木、水、火、土五種元素組成。但是經(jīng)過歷史的篩選和實(shí)驗(yàn)證實(shí)，堪稱最偉大的古代學(xué)說的是古希臘的原子論。古希臘的哲學(xué)家德謨

3、克里特(公元前460～370年)對大量的自然現(xiàn)象加以分析和推測之后，得出了這樣的結(jié)論：物質(zhì)都是由一些堅(jiān)硬的、不可再分的微粒構(gòu)成的。他給這種小微粒起名叫做原子(按照希臘文的原意，就是不可再分的意思)。但是，德謨克里特的原子概念提出后，并未得到重視和發(fā)展。因?yàn)?，這種樸素的古代原子論，是靠觀察、推測而得出的結(jié)論，并沒有被科學(xué)實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，未能得到公認(rèn)。到了17世紀(jì)中葉，由于科學(xué)實(shí)驗(yàn)的興起，積累了一些物質(zhì)變化的定性和定量測定的資料后，才初步獲得關(guān)

4、于原子的正確概念。為探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)奠定了科學(xué)基礎(chǔ)，最先在物質(zhì)結(jié)構(gòu)方面做出卓越貢獻(xiàn)的，是著名的英國化學(xué)家道爾頓。他把古代思辨的、模糊的原子假說發(fā)展為科學(xué)的原子理論，提出了著名的道爾頓原子論。道爾頓原子論的重大意義，不在于他重申了兩千多年前就提過的原子概念，而在于他提出：一切物質(zhì)都是由極小的微?！咏M成的，但原子并不都是一模一樣的小球；不同的物質(zhì)含有不同的原子；不同的原子具有不同的性質(zhì)、大小和不同的原子量。在這里，他首先創(chuàng)立了原子量的概念

5、，不同原子具有不同原子量的觀點(diǎn)。正因?yàn)槿绱?，?dāng)1803年道爾頓在一次學(xué)術(shù)會上宣讀論文之后，便立刻引起了科學(xué)界的震動。人們聽了他的論述，思想豁然開朗，因?yàn)橛辛嗽恿?，使化學(xué)上一些定量的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和基本定律都得到了合理的解釋。這是化學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。恩格斯曾高度評價(jià)這一成就，他說，化學(xué)的新時(shí)代開始于道爾頓的原子論，并稱他為“近代化學(xué)之父”。揭示微觀物質(zhì)組成的底蘊(yùn)，是意義及其重大的探索，它不但有助于了解宇宙萬象的變化和演進(jìn)，而且極大地

6、推動了現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展。例如，若想了解太陽能的來源，就可以從原子核的裂變和聚變原理得到解答；如果要知道現(xiàn)代信息技術(shù)，就必須了解電子和光子的運(yùn)動規(guī)律。正是由于這些重要原因，在20世紀(jì)中凡是發(fā)現(xiàn)過一種新元素或重要粒子的，幾乎都獲得了諾貝爾獎。早在古代后期和近代前期，有些科學(xué)家和煉金術(shù)士就大膽地設(shè)想原子可以分解，在那種人類技術(shù)還很低下的情況下，這些實(shí)際上都是幻想，甚至被說成巫術(shù)。到了19世紀(jì)，科學(xué)有了較大發(fā)展。1887～1900年，英國科

7、學(xué)家洛奇爾(1836～1920)利用光譜儀觀察太陽表面，發(fā)現(xiàn)不同溫度時(shí)太陽譜線展示了元素的演化過程，就像達(dá)爾文進(jìn)化論反映的生物進(jìn)化過程一樣。那么無機(jī)物是否也像生物一樣，有著進(jìn)化的漫長過程呢？如果是，那么它們的內(nèi)在原因又是什么？要解答這個(gè)問題，只有從研究物質(zhì)的微觀組成及其變化的規(guī)律著手。直到十九世紀(jì)末期，原子一直都被認(rèn)為是構(gòu)成物質(zhì)的不可再分割的最小微粒，原子的大門一直在禁錮著，誰也不知道，原子的內(nèi)部世界，究竟是個(gè)什么樣子。圖1－1湯姆遜葡

8、萄干蛋糕模型從經(jīng)典物理學(xué)的角度看，湯姆遜的模型是很成功的。它不僅能解釋原子為什么是電中性的，電子在原子里是怎樣分布的。此外，從湯姆遜模型出發(fā)，還能估計(jì)出原子的大小約為一億分之一(108)cm，這也是一項(xiàng)驚人的成就。并且，湯姆遜還得出一個(gè)結(jié)論：原子中電子的數(shù)目等于門捷列夫元素周期表中的原子序數(shù)，這個(gè)結(jié)論是正確的。因此，在一段時(shí)間里，湯姆遜的原子模型得到了廣泛的承認(rèn)。然而葡萄干蛋糕模型存在理論上的困難，如對多電子原子要找到他們的平衡位置是極

9、不容易的。因而在十多年后，終于被他的學(xué)生盧瑟福的有核原子模型所代替。（二）盧瑟福的原子有核模型（二）盧瑟福的原子有核模型盧瑟福是英籍新西蘭物理學(xué)家，1895年他來到英國成為了湯姆遜的一名研究生。由于在放射性研究方面的出色成果，早在1908年他就獲得了諾貝爾化學(xué)獎。1909年，盧瑟福指導(dǎo)他的學(xué)生蓋革、馬斯登等進(jìn)行了著名的α粒子散射的研究(見圖12)。他們用α粒子去轟擊很薄的金箔做的靶子的實(shí)驗(yàn)時(shí)，從大量的觀察記錄中，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)α粒子直接穿

10、過了金箔，居然約有八千分之一的α粒子偏轉(zhuǎn)90，甚至有少數(shù)被彈回來(約占總數(shù)的120000)。盧瑟福為此苦想了好幾個(gè)星期，他說：“這是我一生中從未有過的最難以置信的事件，它的難以置信好比你對一張白紙射出一發(fā)15英寸的炮彈，結(jié)果卻被頂了回來打在自己身上”。圖1－2α粒子的散射圖像圖1－3盧瑟福的有核結(jié)構(gòu)模型經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撏茖?dǎo)，盧瑟福于1911年提出了原子的“有核結(jié)構(gòu)模型”(見圖13)。盧瑟福所設(shè)想的原子模型是這樣的：原子內(nèi)部并非是均勻的，它

11、的大部分空間是空虛的，它的中心有一個(gè)體積很小、質(zhì)量較大、帶正電的核，原子的全部正電荷都集中在這個(gè)核上。帶負(fù)電的電子則以某種方式分布于核外的空間中。有核模型能夠很好地解釋α粒子散射現(xiàn)象。由于原子核的個(gè)頭兒很小，與原子相比，就好象一顆芝麻放在一幢大廈的中心一樣。然而，它卻占有了原子的幾乎全部的質(zhì)量(原子質(zhì)量的99%以上)，所以根據(jù)計(jì)算，這樣的一個(gè)核心堡壘將有足夠的力量抵抗“入侵”的α粒子，并把那些敢于直接進(jìn)攻核心的“入侵者”——α粒子彈回去