现代化学实验.docx

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现代化学实验

现代化学实验

　　现代化学实验19世纪末20世纪初，以震惊整个自然科学的电||子、X射线与放射性等三大发现为标志，化学实验进入了现代发展阶段。

||同近代化学实验相比，现代化学实验具有如下特点。

一实验内容以结构测定和化学合成实验为主

1．结构测定实验

结构测定实验源于人们对阴极||放电现象微观本质的探讨。

早在1836年，法拉第就曾研究||过低压气体中的放电现象。

1869年，德国化学家希托夫||（J.W.Hittorf，1824—1914）发现真空放电||于阴极，并以直线传播。

1876年，戈尔茨坦（E.Coldstein，185||0—1930）将这种射线命名为“阴极射线”。

1878年，英||国化学家克鲁克斯（SirW.Crookes，1832—1919||）发现阴极射线能推动小风车，被磁场推斥或牵引，是||带电的粒子流。

1897年，克鲁克斯的学生英国物理学家J.J||.汤姆生（J.J.Thomson，1856—1940）对阴极射线作了定性和||定量的研究，测定了阴极射线中粒子的荷质比。

这种比原子还小的粒||子被命名为“电子”。

电子的发现，动摇了“原子不可分”的传统化学观。

1895年，||德国物理学家伦琴（W.C.Rnt-gen，1845—1||923）在研究阴极射线时发现了X射线。

1896年，法||国物理学家贝克勒（A.H.Becquerel，1852—1||908）发现了“铀射线”。

次年，法国著名化学||家玛丽·居里（M.Curie，1867—1934）又||发现了钍也能产生射线，于是她把这种现象称为“放射性”，把具有这种性质的||元素称为放射性元素。

居里夫妇经过极其艰苦的努力，于189||8年先后发现了具有更强放射性的新元素钋和镭。

随后，||又花费了几年时间，从两吨铀的废矿渣中分离出0.1克光谱纯的氯化镭||，并测定了镭的原子量。

镭曾被称为“伟大的革命家”，克鲁克斯尖锐地评论说：

“||十分之几克的镭就破坏了化学中的原子论”。

可见这一成果意义的重大。

为此，居里夫人获||得了1911年的诺贝尔化学奖。

1898年，J.J.汤姆生的学生E.卢瑟福（F||.Rutherford，1871—1937）发现铀和铀的化合物发出的射线有两种不||同的类型，一种是α射线，一种是β射线；2年||后，法国化学家维拉尔（P.Villard，1860—19||34）又发现了第三种射线γ射线。

1901年||卢瑟福和英国年青的化学家索迪（F.Soddy||，1877—1956）进行了一系列合作实验研究，发现镭和钍等放射性元||素都具有蜕变现象。

据此，他们提出了著名的元素蜕变假说，认为放射||性的产生是由于一种元素蜕变成另一种元素所引起的||。

这一成果具有革命意义，打破了“元素不能变||”的传统化学观。

卢瑟福也因此荣获1908年的诺贝尔化学奖。

||

电子、放射性和元素蜕变理论奠定了化学结构测定实验的理论基础。

1912||年，德国物理学家劳埃（M.vonLaue，1879—1960||）发现X射线通过硫酸铜、硫化锌、铜、氯化钠、铁||和萤石等晶体时可以产生衍射现象。

这一发现提||供了一种在原子-分子水平上对无机物和有机物结构进行测定的重要实验方法，即X射||线衍射法。

无机物的结构测定的真正开始是X射线衍射线发现以后。

在此之前，||象氯化钠这样简单的离子化合物的结构问题，对化学家来说都是一||个难题，但运用这种方法之后，化学家才恍然大悟，原来其结构是||如此简单。

本世纪20—30年代，人们运用X射线衍射法分析测定||了数以百计的无机盐、金属配合物和一系列硅酸盐的晶体结构。

有机物||的晶体结构测定始于20年代。

在此期间，人们测定了六次甲||基四胺、简单的聚苯环系、己链烃、尿素、一些甾族化合物、镍钛菁、纤维素||以及一系列天然高分子和人工聚合物的结构。

40—50年代，有机||物晶体结构分析工作更加蓬勃发展，最突出的是1949年青霉素晶体结构、1||952年二茂铁（金属有机化合物）结构和1957年维生素||B12结构的测定。

另外，人们应用X射线衍射法还对一系列复杂||蛋白质的结构进行了测定，取得了许多重大突破，为分子生物学理||论的建立奠定了坚实的实验基础。

2．化学合成实验

化学合成实验是现代化学实验的一个非常活跃的领域。

随着现代化学实验仪器、设||备和方法的飞速发展，人们创造了很多过去根本无法创设的实验条件，合成了大||量结构复杂的化学物质。

制备硼的氢化物，||一直是久未攻克的化学难题。

1912年，德国化学家斯托克（A.Sto||ck，1876—1946）对硼烷进行了开创性的工作||，发明了一种专门的真空设备，采取低温方法合成了一系列硼的氢化物（从B2H6到||B10H14），并研究了它们的分子量和化学性质。

1940年，斯托克||的学生E.威伯格用氨与硼烷作用制成了结构与苯相似的“无机苯”B3N3||H6。

1962年，英国化学家巴特利特（N.Ba||rtlett，1932—）合成了第一种稀有气体化合物||六氟铂酸氙，打破了统治化学达80年之久的稀有气体“不能参加化学反应”的传统||化学观，开辟了新的化学合成领域。

有机合成在本世纪取得了突飞猛进的发展，||合成了许多高分子化合物，如酚醛树脂（1907年）、丁钠||橡胶（1910年）、尼龙纤维（1934年）。

对有机天然产||物合成贡献较大的化学家，应首推美国化学家伍||德沃德（R.B.Woodward，1917—19||79）。

他先后合成了奎宁（1944年）、包括胆甾醇（胆固醇）和皮||质酮（可的松）在内的甾族化合物（1951年）、||利血平（1956年）、叶绿素（1960年）以及维生素B12（19||72年）等。

为表彰他的杰出贡献，他获得了1965年的诺贝尔化学奖，被誉为“当||代的有机化学大师”。

1965年，我国科学家第一||次实现了具有生物活性的结晶牛胰岛素蛋白质的人工合成，这对揭示生||命奥秘具有重要意义；1972年美国化学家科勒拉（H.G.Khorana||，1922—）等人使用模板技艺合成了具有77个核||苷酸片断的DNA，其后又合成了含有207个碱基对的具有||生物活性的大肠杆菌DNA；1981年我国科学家又实||现了具有生物活性的酵母丙氨酸tRNA的首次全合成||，取得了又一突破。

现代化学实验除上述两方面以||外，还在溶液理论的发展和化学反应动力学的建立||等方面发挥了重要作用。

二化学实验手段的现代化

化学实验手段是制约化学科||学研究的非常重要的方面。

虽然在19世纪化||学实验手段已经有了相当的水平，形成了一套相对比较完整的化学常规仪器（包括||各种玻璃仪器在内）和设备，但这些仪器和设备的质量还不高，种类还不够齐全，精度||也不够灵敏和准确。

为克服这些不足，人们在对原有||的化学实验手段加以改进的同时，积极吸收现代各||种科学技术的新成果，创造和发明了一大批现代化||的实验仪器和设备。

在18—19世纪，天平||曾是使化学实验定量化的重要实验手段，借助于天||平，人们取得了一系列重要实验成果。

但当时的天平还比||较粗糙，灵敏度一般只能达到0.1克—0.01克左右。

为了||满足现代化学科学研究的需要，人们对天平进行了改进和完善，制||造了一些灵敏度更高、操作更方便的天平。

如现代的分析天平，从称量范围来看，有||常量分析天平（范围：

0.1毫克—100克）、微量分析天平（范围：

0.||001毫克—20克）和介于二者之间的半微量分析天平；从种类来看||，有等臂式天平和悬臂式超微量天平（灵敏度可达0.01微克，最||大载重为1毫克）。

这些天平具有灵敏、准确和操作方便（如应用光学、电学原理制造的||电光天平）等特点。

现代化学的许多重大突||破都与化学实验手段的改进、发明和创造紧密相关。

1919年J.||J.汤姆生的助手阿斯顿（F.W.Aston，1877—1945||）改进了磁分离器，制成了第一台质谱仪，从而把人类研究微观粒子的||手段向前大大推进了一步。

阿斯顿利用质谱仪发现了氖、氩、氪、氙、氯等元素都有||同位素存在；在71种元素中，他发现了天然存在的287种核素中的212种。

||为表彰阿斯顿在研制质谱仪和发现众多核素方面的卓越贡献，他于||1922年获得了诺贝尔化学奖。

现代化学实验使用了很多灵敏、精确和快速的实验手||段，表现出仪器化的特点，红外光谱、核磁共振、顺磁共||振和质谱等实验手段已被广泛使用。

在微量分析和痕||量杂质分析方面，出现了原子吸收光谱、极谱分析、库仑分析以及萃取、离子交换分离||、色谱、电泳层析等新的分析、分离技术和手段；在化||学元素或组分的分析测定、微观分子结构、晶体结构、表面化学结构等的分析||测定方面，出现了X射线、荧光光谱、光电子能谱、扫描电镜、电子探针、拉曼激||光光谱、分子束、四圆衍射仪、低能电子衍射、中子衍射、皮秒激光光谱等现||代化的实验技术和手段。

运用这些实验手段，能够更精确地进||行化学定量检测，达到微（10-6）米、纳（10-9）米、甚至皮（10-12）||米数量级，从而大大促进了化学实验手段的精密化。

近30年来，计算机在化学实验||中得到了卓有成效的应用，正逐步成为重要的化学实验手段。

目前出现的||各种仪器的联机使用和自动化，不仅用于电分析化学、谱学||、微观反应动力学、平衡常数的测定、分析仪器的控制、数||据的存贮与处理、以及化学文献检索等，而且还能使经典化学操作||达到控制的自动化。

三化学实验方法的现代化

随着现代化学科学研||究领域的不断扩展和深入，以及现代科学技术和现代工业的迅速发展，||化学实验方法日趋现代化。

1．对传统化学实验方法的改进和完善

虽然现代化学实验手段具有快速、灵敏||、准确的特点，但由于一些实验仪器和设备的价格||比较昂贵、结构比较复杂、调试维修的任务较重，因此使它们的普及受到相当大的限||制，从而使一些传统的化学实验方法仍有普遍利用和进一步改进、完善||的必要和可能。

例如EDTA滴定法就是对传||统的滴定法的改进和发展。

在30年代，人们已经知||道乙二胺四乙酸（简称EDTA）等氨基多羧酸在碱性介质中能跟钙、镁离||子生成极稳定的配合物。

对这类化合物，瑞士化学家施瓦岑巴赫（G.Schwarze||nbach，1904—）进行了广泛的研究，并成||功地以紫尿酸铵为指示剂，用EDTA滴定了水的||硬度。

1946年他又提出以铬黑T作为络合滴定的指示剂，从而||奠定了EDTA滴定法的基础。

运用这种方法，人们||对近50种元素进行了直接滴定（包括返滴法||），对16种元素进行了间接滴定。

由于这种方法应用范围较广，因此受到普遍欢||迎，至今仍是一种常规的化学实验方法。

2．现代化学实验方法

现代化学||实验方法，是在满足现代化工业生产和化学科学||技术对化学试样中微量乃至痕量组分如何进行快速、灵敏、准||确检测的要求基础上建立和发展起来的。

这些方法从原理上看，都超越了经典方法的局限性||，几乎都不再是通过定量化学反应的化学计量，而是根据被检测组分的某种物||理的或物理化学的特性（如光学、电学和放射性等方面的特性）||，因而具有很高的灵敏度和准确性。

（1）光学分析法。

光学分析||法是利用光谱学的研究成果而建立起来的一类方法，它包括光||度法和光谱法等。

光度法光度法的前身是比色法，这种方||法在19世纪中期开始盛行，所采用的实验手段主要是一些||目视比色计，如“Nessler比色管”、“目视分光光度计”等。

但使用这些仪器||容易引起观测上的主观误差，并易使测试人员眼睛疲劳，||分辨能力降低。

为此，在19世纪末，人们将光电测量器利||用到比色计上，设计和发明了光电比色计。

本世纪30年代以后，人们利用棱镜和能发射||紫外与可见连续光谱的汞灯、氢灯制造了可见光紫外光分光光度计。

由于这种分光光度计||扩展了测定组分吸收光谱的利用范围，因此到60年代，它已基本上取代了光电比色计||。

40年代红外技术开始在化学实验研究中加以运用并得到较快的发展，人们||可以根据红外光谱来推断分子中某些基团的存在。

50年代初又||发展出了原子吸收光度法，由于它具有灵敏、快速、简便||、准确、经济和适用广泛等诸多优点，所以发展极快，十几年||内就得到了普及。

光谱法光谱法产生于19世纪50年代，但只是利用光谱来进行一些||定性检验。

利用光谱广泛进行半定量、定量检测则开始于本世纪20年代。

本世纪6||0年代，利用光电倍增管为接受器的多道光谱仪问世，使光谱定量分析的速度和自动化||程度大为提高。

在此期间，人们又进行了利用ICP（电感耦合等离子距）作为光谱分||析光源的尝试，极大地提高了光谱分析的灵敏度、准确度和||工作效率。

（2）极谱法。

极谱法是电化学分析法中最重要和最成功||的一种方法。

其创始人是捷克斯洛伐克的化学家海洛夫斯基（J.Heyrovsk||y，1890—1967），他于本世纪20年代开始研究极谱分析法。

1925年，||他与日本化学家志方益三合作，发明了世界上第一||台能自动记录电流、电压曲线的极谱仪。

1946年，他又在极谱仪上配置了示波器，从而||发明了示波极谱法。

极谱法在痕量分析中发挥了极为重要的作用，海洛夫斯基因此于1||959年获得了诺贝尔化学奖。

（3）色谱法。

色谱法也叫色层法、层析法，||其创始人是俄国化学家米哈依尔·茨卫特（M.Tsvet||t，1872—1920）。

这种方法最初是作为一种分离手段||而在实验中被加以研究和运用的。

德籍奥地利化学家R.库恩（R.||Kuhn，1900—1967）就曾运用层析法在维生||素和胡萝卜素的离析与结构分析中取得了重大研究成果，并于1938||年获得了诺贝尔化学奖。

英国化学家A.马丁（A.Martin，1910—）对||层析法的发展贡献卓著，他因此于1952年获得了诺贝尔化学奖。

本世纪50年代||以后，人们将这种分离手段与检测系统连接起来，从而使其成为一种||独特的分析方法，它包括气相色谱和液相色谱等。

目前这种方法是应用最广泛、最具||特色的分析方法之一，而且表现出广阔的发展前景。

（4）质谱法

质谱法的基本||原理是使化学试样中的各种组分在离子源中发生电离，生成||不同荷质比的带正电荷的离子，经过加速电场的||作用，形成了离子束，进入质量分析器。

在质量分析器中，再利用电场和磁场，使其发||生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从||而确定其质量。

这种方法在同位素质量的测定中被广泛应用。

最早的质谱仪的雏型||，是1910年J.J.汤姆生设计的一种没有聚焦的抛物线质||谱装置，他利用这台仪器第一次发现了稳定同位素；1918年美国科学家丹普斯特||（A.J.Dempster，1886—1950）研制了第一台单聚焦质谱仪||，并利用该仪器发现了锂、钙、锌和镁的同位素。

此后，人们又相继发明||了速度聚焦质谱仪、双聚焦质谱仪和离子源质谱仪，使这种||方法的适用性更加广阔。

60年代出现的二次离子质谱法，显示了更巨||大的魅力。

此外，放射化学分析法也是现代化学实验方法中的一种比较重要的方法。

四化学实验规模和研究方式的变化

现代化学实验在实验规模和||研究方式上发生了很大变化。

最早的化学实验室大概要算炼丹术士的实验室，实||验室中的实验设备和条件极其粗糙和简陋，实验者的实验目的也只是为了寻求“长||生不老”和“点石化金”的“仙药”。

到了17世纪至19世纪初||期，当化学成为一门独立的科学以后，化学实验室才逐渐多了起来，出现了一大批从||事化学科学实验研究的化学家。

但这些实验室都属于私人所||有，如波义耳在他姐姐家建立的实验室，化学大师贝采里乌斯的实验室是他的厨房，||在那里化学实验和烹调一起进行。

私人实验室的规模比较小，除实验室的主人外||，最多只能容纳1—2个助手或1—2名学生。

李比希就曾在盖·吕萨克的私人实验||室里当过助手。

这个时期的化学实验基本上属于个体式研究，个||别的科学家独居楼阁，摆弄着烧瓶、量筒、天平等仪器，其规模和形式近似于手工业作坊||。

第一个公共化学实验室是1817年英国化学家T.汤姆生（||T.Thomson，1773—1852）在格拉斯哥大学建立的供教学用的实验室||。

自此之后，欧洲各大学都纷纷仿效，建立了自己的化学||实验室。

这些实验室的建立，不仅改变了化学教育的面貌，使实验成为培养和||提高学生素质的重要内容，而且使大学不再是单纯传授化学知识的场所，还是进行化||学科学研究的重要基地。

在19世纪的公共实验室中，最著名的是1824年||李比希在吉森大学建立的化学实验室，它可以同时容纳||22名学生进行化学实验。

在那里，李比希培养了||许多优秀的化学家，以他为核心的“吉森学派”是近代化学史上公认的一大学派||。

他们这种集体式的合作研究，取得了惊人的成就。

在1901—1910年最早的||10位诺贝尔化学奖获得者当中，李比希的学生竟然||占了7位。

这一成就在化学史上首屈一指。

从本世纪30年代起，出现了国家规模的||大型化学科学研究机构和庞大的实验基地；到了70年代，实验的规模则扩大到国际间相互||合作的新阶段。

许多尖端实验决不是任何个人、一般科研组织所能胜||任的，而必须由国家统一规划、组织协调各学科科学家来共同攻关。

实验用人广、花费多||、规模大、组织周密和协调，已成为现代化学实验的又一重要特点。