什么是化学？

化学世界 | 评论(0) | 5,700 views | 十二 17th, 2008

chem-elephant 什么是化学？中学课本的解释是：化学是一门试图了解物质的性质和物质发生反应/变化的科学。其中物质包括自然界存在的一切物质，如地球中的矿物、空气中的气体、海洋中的水和盐、动植物体内找到的化学物质、人类创造的新物质等。反应/变化则包括因闪电而着火的树木、与生命相关的变化和由化学家发明和创造的新变化等。

化学按传统分类可分为无机化学（Inorganic Chemistry）、有机化学（Organic Chemistry）、物理化学（Physical Chemistry）和分析化学（Analytical Chemistry）四大分支[后又衍生出了生物化学（Biochemistry）、计量化学（Stoichiometry）、核化学（Nuclear Chemistry）等分支]。

无机化学的内容为化学的基本原理，化学元素的性质和相关的化学反应。迄今，化学元素已经发展为110多种（下表为元素的发现历史）。

年代	发现元素数目	发现的元素
史前	3	C, S, Au, 天然单质态存在
公元前3000	5	Ag, Cu, Pb, Sn, Hg, 稳定矿石
公元前1000	1	Fe, 需要高温还原
公元前500	1	Zn, 大约90%纯度
至1650	3	As, Sb, Bi(与Pb混合)
1650-1700	1	P, 1669年
1700-50	3	Co, Ni, 天然Pt
1750-75	7	H, N, O, Cl(气体); Ni , Mn, Bi(纯净)
1775-80	5	Cr, Mo, W, Te, Ti(1910年得以纯化)
1800-25	18	Li, Na, K, Mg, Sr, Ba; Ce, Ir, Os, Pd, Rh, Zr ; B, Cd, I, Se
1825-50	9	Br, Si, Be, Al, V, La, Ru, Th, U
1850-75	5	Rb, Cs, Ga, Tl, Nb
1875-1900	约11	5种稀有气体；F, Ge; Po Ra, Ac(放射性); 镧系元素
1900-25	约10	Rn, Ta, In, Hf, Re, Pa; 镧系元素
1925-50	11	2镧系; Tc, Pm, Fr,At; Np, Pu, Am,Cm, Bk(人造超铀元素)
1950-75	10	最后2种纯化的稀土; 8种人造元素
1975-1989	约4
* 注意: 发现元素的重复出现, 后者表明为纯化物.

有机化学是研究碳（C）的化学。有机和无机的结合，衍生出有机元素化学或称为金属有机化学，主要研究有机化合物与金属之间以 C-M 形成的化合物。

物理化学是研究化学的能量变化、反应机理、键能、分子的聚合、发生的表面和界面的反应等的一门学科。

分析化学则包括定性分析和定量测定、仪器分析等，是进行化学研究的基础。

化学：中心科学（Central Science）

chemistry-is-the-central-science 1985年皮门特尔（Pimentel）首次提出化学是一门中心学科，化学处于自然科学的中心位置。同年，美国国家研究理事会在其一份报告中正式地把化学称为“中心科学”（central science）。此后，不少人引用或者提出了类似的看法，例如，日本化学家福井谦一说：“在古老的物理学-化学-生物学的排序中，化学注定是中心位置的占有者。”原美国化学会主席布里斯罗（R.Breslow）在其1997年编著的《化学的今天和明天》中提出：“化学是一门中心的、实用的、创造性的学科”，他还用 “一门中心的、实用的、创造性的学科”作为该书的副标题。唐有祺院士在评论“化学是一门中心学科”时就曾经提出，“更全面的提法是化学和物理一起是当代自然科学的轴心”。

为什么这样说呢？首先，化学是一门承上启下的科学，能在相关学科的发展中起基础、牵头、带动和推动的作用。其次，化学与信息、生命、材料、环境、能源、地球、空间和核科学等八大朝阳科学（sun-rise sciences）都有紧密的联系、交叉和渗透的中心科学。另外，化学与社会多方面的需求有关，能满足人们衣、食、住、行和增进健康、战胜疾病的需要，是现代社会中国民经济的重要支柱。可以这样说，一个具有坚实化学背景的人很容易根据兴趣迁移到其它领域。

材料、聚合物和纳米技术

材料的物理特性和工程材料性能与其基本化学结构密切相关，通过对其结构的研究，能提高材料的性能，以满足各种应用的需要。

高分子化学（Polymer chemistry）- 研究高分子化合物的合成、化学反应、物理化学、物理、加工成型、应用等方面的一门新兴的综合性学科。线性聚合物分子通过交联（红色）可以提高材料的强度。因此，普通聚乙烯是一种熔点较低的软材料，但其交联结构具有较强的刚性和耐热性。高聚物可作为材料使用，主要可分塑料、纤维和橡胶等。
有机半导体（Organic semiconductors）- 与传统的非金属设备，具有无可比拟的优势。有机半导体材料是有机光电器件的基础，对于所制备的器件起着决定性作用。对于分子器件的研究和应用，设计合成具有高迁移率、高有序性、高稳定性和好的加工性的有机半导体材料具有重要意义和实用价值。
富勒烯、纳米管/纳米线（Fullerenes, nanotubes and nanowires）- 1985年，英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托博士（Sir Harold Walter Kroto，1939年10月7日~）和美国科学家理查德·埃里特·史沫莱（Sir Richard Errett Smalley，1943年6月6日~）等人在氦气流中以激光汽化蒸发石墨实验中首次制得由60个碳组成的碳原子簇结构分子C60。为此，克罗托博士获得1996年度诺贝尔化学奖。富勒烯发明既有科学价值又有应用前景，预计可应用在润滑油、涂料、催化剂、光电设备和医疗设备等领域。
纳米器件化学（Nanodevice chemistry）- 可为特定需要，制造分子级配件，可应用在计算，电子、生物医药等领域。
生物传感器（biosensors）/生物芯片（biochips）-表面用生物高分子修饰的金属和半导体材料可用作生物物质和传染性病原体极为敏感的探测器。