無(wú)機(jī)化學(xué)

無(wú)機(jī)化學(xué)是研究無(wú)機(jī)物質(zhì)的組成、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和反應(yīng)的科學(xué)，它是化學(xué)中最古老的分支學(xué)科。無(wú)機(jī)物質(zhì)包括所有化學(xué)元素和它們的化合物，不過(guò)大部分的碳化合物除外。(除二氧化碳、一氧化碳、二硫化碳、碳酸鹽等簡(jiǎn)單的碳化合物仍屬無(wú)機(jī)物質(zhì)外，其余均屬于有機(jī)物質(zhì)。)

　　過(guò)去認(rèn)為無(wú)機(jī)物質(zhì)即無(wú)生命的物質(zhì)，如巖石、土壤，礦物、水等；而有機(jī)物質(zhì)則是由有生命的動(dòng)物和植物產(chǎn)生，如蛋白質(zhì)、油脂、淀粉、纖維素、尿素等。1828年德意志化學(xué)家維勒從無(wú)機(jī)物氰酸銨制得尿素，從而破除了有機(jī)物只能由生命力產(chǎn)生的迷信，明確了這兩類(lèi)物質(zhì)都是由化學(xué)力結(jié)合而成。現(xiàn)在這兩類(lèi)物質(zhì)是按上述組分不同而劃分的。

無(wú)機(jī)化學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史

　　原始人類(lèi)即能辨別自然界存在的無(wú)機(jī)物質(zhì)的性質(zhì)而加以利用。后來(lái)偶然發(fā)現(xiàn)自然物質(zhì)能變化成性質(zhì)不同的新物質(zhì)，于是加以仿效，這就是古代化學(xué)工藝的開(kāi)始。

　　如至少在公元前6000年，中國(guó)原始人即知燒粘土制陶器，并逐漸發(fā)展為彩陶、白陶，釉陶和瓷器。公元前5000年左右，人類(lèi)發(fā)現(xiàn)天然銅性質(zhì)堅(jiān)韌，用作器具不易破損。后又觀察到銅礦石如孔雀石 (堿式碳酸銅)與燃熾的木炭接觸而被分解為氧化銅，進(jìn)而被還原為金屬銅，經(jīng)過(guò)反復(fù)觀察和試驗(yàn)，終于掌握以木炭還原銅礦石的煉銅技術(shù)。以后又陸續(xù)掌握煉錫、煉鋅、煉鎳等技術(shù)。中國(guó)在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代即掌握了從鐵礦冶鐵和由鐵煉鋼的技術(shù)，公元前2世紀(jì)中國(guó)發(fā)現(xiàn)鐵能與銅化合物溶液反應(yīng)產(chǎn)生銅，這個(gè)反應(yīng)成為后來(lái)生產(chǎn)銅的方法之一。

　　化合物方面，在公元前17世紀(jì)的殷商時(shí)代即知食鹽(氧化鈉)是調(diào)味品，苦鹽(氫化鎂)的味苦。公元前五世紀(jì)已有琉璃(聚硅酸鹽)器皿。公元七世紀(jì)，中國(guó)即有焰硝(硝酸鉀)、硫黃和木炭做成火藥的記載。明朝宋應(yīng)星在1637年刊行的《天工開(kāi)物》中詳細(xì)記述了中國(guó)古代手工業(yè)技術(shù)，其中有陶瓷器、銅、鋼鐵、食鹽、焰硝、石灰、紅黃礬、等幾十種無(wú)機(jī)物的生產(chǎn)過(guò)程。由此可見(jiàn)，在化學(xué)科學(xué)建立前，人類(lèi)已掌握了大量無(wú)機(jī)化學(xué)的知識(shí)和技術(shù)。

　　古代的煉丹術(shù)是化學(xué)科學(xué)的先驅(qū)，煉丹術(shù)就是企圖將丹砂(硫化汞)之類(lèi)藥劑變成黃金，并煉制出長(zhǎng)生不老之丹的方術(shù)。中國(guó)金丹術(shù)始于公元前2、3世紀(jì)的秦漢時(shí)代。公元142年中國(guó)金丹家魏伯陽(yáng)所著的《周易參同契》是世界上最古的論述金丹術(shù)的書(shū)，約在360年有葛洪著的《抱樸子》，這兩本書(shū)記載了60多種無(wú)機(jī)物和它們的許多變化。約在公元8世紀(jì)，歐洲金丹術(shù)興起，后來(lái)歐洲的金丹術(shù)逐漸演進(jìn)為近代的化學(xué)科學(xué)，而中國(guó)的金丹術(shù)則未能進(jìn)一步演進(jìn)。

　　金丹家關(guān)于無(wú)機(jī)物變化的知識(shí)主要從實(shí)驗(yàn)中得來(lái)。他們?cè)O(shè)計(jì)制造了加熱爐、反應(yīng)室、蒸餾器、研磨器等實(shí)驗(yàn)用具。金丹家所追求的目的雖屬荒誕，但所使用的操作方法和積累的感性知識(shí)，卻成為化學(xué)科學(xué)的前驅(qū)。

　　由于最初化學(xué)所研究的多為無(wú)機(jī)物，所以近代無(wú)機(jī)化學(xué)的建立就標(biāo)志著近代化學(xué)的創(chuàng)始。建立近代化學(xué)貢獻(xiàn)最大的化學(xué)家有三人，即英國(guó)的玻意耳、法國(guó)的拉瓦錫和英國(guó)的道爾頓。

　　玻意耳在化學(xué)方面進(jìn)行過(guò)很多實(shí)驗(yàn)，如磷、氫的制備，金屬在酸中的溶解以及硫、氫等物的燃燒。他從實(shí)驗(yàn)結(jié)果闡述了元素和化合物的區(qū)別，提出元素是一種不能分出其他物質(zhì)的物質(zhì)。這些新概念和新觀點(diǎn)，把化學(xué)這門(mén)科學(xué)的研究引上了正確的路線，對(duì)建立近代化學(xué)作出了卓越的貢獻(xiàn)。

　　拉瓦錫采用天平作為研究物質(zhì)變化的重要工具，進(jìn)行了硫、磷的燃燒，錫、汞等金屬在空氣中加熱的定量實(shí)驗(yàn)，確立了物質(zhì)的燃燒是氧化作用的正確概念，推翻了盛行百年之久的燃素說(shuō)。拉瓦錫在大量定量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，于1774年提出質(zhì)量守恒定律，即在化學(xué)變化中，物質(zhì)的質(zhì)量不變。1789年，在他所著的《化學(xué)概要》中，提出第一個(gè)化學(xué)元素分類(lèi)表和新的化學(xué)命名法，并運(yùn)用正確的定量觀點(diǎn)，敘述當(dāng)時(shí)的化學(xué)知識(shí)，從而奠定了近代化學(xué)的基礎(chǔ)。由于拉瓦錫的提倡，天平開(kāi)始普遍應(yīng)用于化合物組成和變化的研究。

　　1799年，法國(guó)化學(xué)家普魯斯特歸納化合物組成測(cè)定的結(jié)果，提出定比定律，即每個(gè)化合物各組分元素的重量皆有一定比例。結(jié)合質(zhì)量守恒定律，1803年道爾頓提出原子學(xué)說(shuō)，宣布一切元素都是由不能再分割、不能毀滅的稱(chēng)為原子的微粒所組成。并從這個(gè)學(xué)說(shuō)引伸出倍比定律，即如果兩種元素化合成幾種不同的化合物，則在這些化合物中，與一定重量的甲元素化合的乙元素的重量必互成簡(jiǎn)單的整數(shù)比。這個(gè)推論得到定量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的充分印證。原子學(xué)說(shuō)建立后，化學(xué)這門(mén)科學(xué)開(kāi)始宣告成立。

　　19世紀(jì)30年代，已知的元素已達(dá)60多種，俄國(guó)化學(xué)家門(mén)捷列夫研究了這些元素的性質(zhì)，在1869年提出元素周期律：元素的性質(zhì)隨著元素原子量的增加呈周期性的變化。這個(gè)定律揭示了化學(xué)元素的自然系統(tǒng)分類(lèi)。元素周期表就是根據(jù)周期律將化學(xué)元素按周期和族類(lèi)排列的，周期律對(duì)于無(wú)機(jī)化學(xué)的研究、應(yīng)用起了極為重要的作用。

　　目前已知的元素共109種，其中94種存在于自然界，15種是人造的。代表化學(xué)元素的符號(hào)大都是拉丁文名稱(chēng)縮寫(xiě)。中文名稱(chēng)有些是中國(guó)自古以來(lái)就熟知的元素，如金、鋁、銅、鐵、錫、硫、砷、磷等；有些是由外文音譯的，如鈉、錳、鈾、氦等；也有按意新創(chuàng)的，如氫(輕的氣)、溴(臭的水)、鉑(白色的金，同時(shí)也是外文名字的譯音)等。

　　周期律對(duì)化學(xué)的發(fā)展起著重大的推動(dòng)作用。根據(jù)周期律，門(mén)捷列夫曾預(yù)言當(dāng)時(shí)尚未發(fā)現(xiàn)的元素的存在和性質(zhì)。周期律還指導(dǎo)了對(duì)元素及其化合物性質(zhì)的系統(tǒng)研究，成為現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論發(fā)展的基礎(chǔ)。系統(tǒng)無(wú)機(jī)化學(xué)一般就是指按周期分類(lèi)對(duì)元素及其化合物的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及其反應(yīng)所進(jìn)行的敘述和討論。

　　19世紀(jì)末的一系列發(fā)現(xiàn)，開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代無(wú)機(jī)化學(xué)；1895年倫琴發(fā)現(xiàn) X射線；1896年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾的放射性；1897年湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子；1898年，居里夫婦發(fā)現(xiàn)釙和鐳的放射性。20世紀(jì)初盧瑟福和玻爾提出原子是由原子核和電子所組成的結(jié)構(gòu)模型，改變了道爾頓原子學(xué)說(shuō)的原子不可再分的觀念。

　　1916年科塞爾提出電價(jià)鍵理論，路易斯提出共價(jià)鍵理論，圓滿地解釋了元素的原子價(jià)和化合物的結(jié)構(gòu)等問(wèn)題。1924年，德布羅意提出電子等物質(zhì)微粒具有波粒二象性的理論；1926年，薛定諤建立微粒運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)方程；次年，海特勒和倫敦應(yīng)用量子力學(xué)處理氫分子，證明在氫分子中的兩個(gè)氫核間，電子幾率密度有顯著的集中，從而提出了化學(xué)鍵的現(xiàn)代觀點(diǎn)。

　　此后，經(jīng)過(guò)幾方面的工作，發(fā)展成為化學(xué)鍵的價(jià)鍵理論、分子軌道理論和配位場(chǎng)理論。這三個(gè)基本理論是現(xiàn)代無(wú)機(jī)化學(xué)的理論基礎(chǔ)。

無(wú)機(jī)化學(xué)的研究?jī)?nèi)容

　　無(wú)機(jī)化學(xué)在成立之初，其知識(shí)內(nèi)容已有四類(lèi)，即事實(shí)、概念、定律和學(xué)說(shuō)。

　　用感官直接觀察事物所得的材料，稱(chēng)為事實(shí)；對(duì)于事物的具體特征加以分析、比較、綜合和概括得到概念，如元素、化合物、化合、化分、氧化、還原、原子等皆是無(wú)機(jī)化學(xué)最初明確的概念；組合相應(yīng)的概念以概括相同的事實(shí)則成定律，例如，不同元素化合成各種各樣的化合物，總結(jié)它們的定量關(guān)系得出質(zhì)量守恒、定比、倍比等定律；建立新概念以說(shuō)明有關(guān)的定律，該新概念又經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明為正確的，即成學(xué)說(shuō)。例如，原子學(xué)說(shuō)可以說(shuō)明當(dāng)時(shí)已成立的有關(guān)元素化合重量關(guān)系的各定律。

　　化學(xué)知識(shí)的這種派生關(guān)系表明它們之間的內(nèi)在聯(lián)系。定律綜合事實(shí)，學(xué)說(shuō)解釋并貫串定律，從而把整個(gè)化學(xué)內(nèi)容組織成為一個(gè)有系統(tǒng)的科學(xué)知識(shí)。人們認(rèn)為近代化學(xué)是在道爾頓創(chuàng)立原子學(xué)說(shuō)之后建立起來(lái)的，因?yàn)樵搶W(xué)說(shuō)把當(dāng)時(shí)的化學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了科學(xué)系統(tǒng)化。

　　系統(tǒng)的化學(xué)知識(shí)是按照科學(xué)方法進(jìn)行研究的。科學(xué)方法主要分為三步：

　　搜集事實(shí)  搜集的方法有觀察和實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)是控制條件下的觀察。化學(xué)研究特別重視實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樽匀唤绲幕瘜W(xué)變化現(xiàn)象都很復(fù)雜，直接觀察不易得到事物的本質(zhì)。例如，鐵生銹是常見(jiàn)的化學(xué)變化，若不控制發(fā)生作用的條件，如水氣、氧、二氧化碳、空氣中的雜質(zhì)和溫度等就不易了解所起的反應(yīng)和所形成的產(chǎn)物。

　　無(wú)論觀察或?qū)嶒?yàn)，所搜集的事實(shí)必須切實(shí)準(zhǔn)確。化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的各種操作，如沉淀、過(guò)濾、灼燒、稱(chēng)重、蒸餾、滴定、結(jié)晶、萃取等等，都是在控制條件下獲得正確可*事實(shí)知識(shí)的實(shí)驗(yàn)手段。正確知識(shí)的獲得，既要*熟練的技術(shù)，也要*精密的儀器，近代化學(xué)是由天平的應(yīng)用開(kāi)始的。通過(guò)對(duì)每一現(xiàn)象的測(cè)量，并用數(shù)字表示，才算對(duì)此現(xiàn)象有了確切知識(shí)。

　　建立定律  古代化學(xué)工藝和金丹術(shù)積累的化學(xué)知識(shí)雖然很多，但不能稱(chēng)為科學(xué)。要知識(shí)成為科學(xué)，必須將搜集到的大量事實(shí)加以分析比較，去粗取精，由此及彼地將類(lèi)似的事實(shí)歸納成為定律。例如普魯斯特注意化合物的成分，他分析了大量的、采自世界各地的、天然的和人工合成的多種化合物，經(jīng)過(guò)八年的努力后發(fā)現(xiàn)每一種化合物的組成都是完全相同的，于是歸納這類(lèi)事實(shí)，提出定比定律。

　　創(chuàng)立學(xué)說(shuō)  化學(xué)定律雖比事實(shí)為少，但為數(shù)仍多，而且各自分立，互不相關(guān)。化學(xué)家要求理解各定律的意義及其相互關(guān)系。道爾頓由表及里地提出物質(zhì)由原子構(gòu)成的概念，創(chuàng)立原子學(xué)說(shuō)，解釋了關(guān)于元素化合和化合物變化的重量關(guān)系的各個(gè)定律，并使之連貫起來(lái)，從而將化學(xué)知識(shí)按其形成的層次組織成為一門(mén)系統(tǒng)的科學(xué)。

　　由于各學(xué)科的深入發(fā)展和學(xué)科間的相互滲透，形成許多跨學(xué)科的新的研究領(lǐng)域。無(wú)機(jī)化學(xué)與其他學(xué)科結(jié)合而形成的新興研究領(lǐng)域很多，例如生物無(wú)機(jī)化學(xué)就是無(wú)機(jī)化學(xué)與生物化學(xué)結(jié)合的邊緣學(xué)科。

　　現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)方法如：X射線、中子衍射、電子衍射、磁共振、光譜、質(zhì)譜、色譜等方法的應(yīng)用，使無(wú)機(jī)物的研究由宏觀深入到微觀，從而將元素及其化合物的性質(zhì)和反應(yīng)同結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)，形成現(xiàn)代無(wú)機(jī)化學(xué)。現(xiàn)代無(wú)機(jī)化學(xué)就是應(yīng)用現(xiàn)代物理技術(shù)及物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)來(lái)研究和闡述化學(xué)元素及其所有無(wú)機(jī)化合物的組成、性能、結(jié)構(gòu)和反應(yīng)的科學(xué)。無(wú)機(jī)化學(xué)的發(fā)展趨向主要是新型化合物的合成和應(yīng)用，以及新研究領(lǐng)域的開(kāi)辟和建立。