化学教学课件

化学教学课件走进化学世界欢迎步入化学的奇妙世界，这门学科让我们得以探索物质的奥秘，理解周围环境的变化原理化学作为一门核心交叉学科，连接着物理、生物、材料、医药等多个领域，是现代科技发展的基石目录基础理论化学定义、物质分类、原子结构、元素周期表、分子与离子、化学键、物质的量、化学反应实验与安全实验室介绍、基本仪器、规范流程、操作技能、药品管理、安全制度、防护器具、意外处理生活中的化学日常化学现象、食品与化学、医药、清洁用品、环境保护、农业、家居化学反应技术前沿与社会应用新能源、纳米材料、现代材料科学、环保技术、医疗器械、信息存储、人类健康、课堂练习与总结化学的定义与研究内容物质的组成物质的结构化学研究物质是由哪些元素构成化学探索分子、原子层面的微观结的，这些元素以什么比例组合，形构，研究原子如何排列组合形成不成了不同的物质例如水由氢和氧同的物质，以及这些结构如何决定元素按2:1的比例组成，其分子式为物质的性质例如，石墨和钻石都H₂O是由碳元素组成，但结构不同物质的性质与变化化学研究物质的物理性质（如熔点、沸点）和化学性质（如酸碱性、氧化还原性），以及物质之间如何相互作用、转化和反应的规律物质的基本分类混合物由两种或多种物质混合而成，成分可变化合物由两种或多种元素按一定比例化合而成元素金属元素与非金属元素物质可分为纯净物和混合物两大类纯净物包括单质和化合物，其中单质由同种元素组成，如氧气（O₂）、铁（Fe）；而化合物则由不同元素按固定比例组成，如水（H₂O）、二氧化碳（CO₂）混合物则是由两种或多种物质按任意比例混合形成，如空气、海水原子结构认识原子核核外电子位于原子中心，由质子和中子组成在原子核周围运动，带负电荷•质子带正电荷，决定元素种类•按能级分布在不同电子层•中子不带电荷，影响同位素性质•决定原子的化学性质电子排布电荷平衡遵循特定规律分布正常原子中，质子数=电子数•最外层电子决定化学活性•电中性原理•八电子层稳定结构•离子形成时电荷失衡元素周期表门捷列夫创立（年）1869俄国化学家门捷列夫首次按元素原子量排列，预测未知元素现代周期表形成以原子序数为基础，包含118种已知元素周期表结构横行为周期，纵列为族，反映元素性质周期性变化规律应用与发展指导新元素发现，预测元素性质，成为化学研究核心工具元素周期表被誉为化学家的地图，它系统地展示了所有已知元素及其属性周期表中，元素按照原子序数（即质子数）递增排列，形成7个周期（横行）和18个主族（纵列）同一族的元素具有相似的化学性质，因为它们最外层电子数相同分子与离子的概念分子的概念离子的形成分子是保持物质化学性质的最小粒子，由两个或多个原子通过化离子是带电的原子或原子团，通过得失电子形成当原子失去电学键结合而成分子是许多物质的基本构成单位，如水分子子时，形成带正电的阳离子（如Na⁺）；当原子得到电子时，H₂O、氧气分子O₂、葡萄糖分子C₆H₁₂O₆等形成带负电的阴离子（如Cl⁻）分子理论是化学中的粒子说基础，它解释了气体压力、体积和温离子的电荷数等于原子得失电子的数量例如，钙原子Ca失去度之间的关系，以及扩散、溶解等现象不同物质的分子结构决2个电子形成Ca²⁺，氧原子O得到2个电子形成O²⁻离子化定了它们的物理和化学性质合物，如氯化钠NaCl，由阴阳离子通过静电引力结合形成晶体结构常见化学键离子键共价键由金属元素和非金属元素之间的电子由原子间共享电子对形成，通常出现转移形成，阳离子和阴离子之间存在在非金属元素之间根据共享电子对强烈的静电引力典型例子如氯化钠数量，可分为单键、双键和三键如NaCl，钠原子失去一个电子成为氢气H₂中两个氢原子共享一对电子Na⁺，氯原子得到一个电子成为形成单键；氧气O₂中两个氧原子共Cl⁻，它们之间形成离子键离子化享两对电子形成双键共价化合物通合物通常具有高熔点、高沸点，固态常熔点较低，多数不导电，有些可溶不导电但熔融状态或水溶液能导电于水金属键在金属晶体中，金属原子的最外层电子相对自由地在整个晶体中移动，形成电子海，这些自由电子与金属阳离子之间的相互作用力称为金属键金属键解释了金属的导电性、导热性、延展性和金属光泽等特性常见的金属如铁、铜、铝等都具有金属键物质的量与摩尔物质的量定义表示物质所含微粒数目的物理量摩尔概念含有

6.02×10²³个微粒的物质量称为1摩尔阿伏伽德罗常数NA=

6.02×10²³mol⁻¹，为基本计量单位物质的量（用符号n表示）是化学计量的基础单位，单位是摩尔（mol）1摩尔物质含有的微粒数等于阿伏伽德罗常数，这些微粒可以是原子、分子、离子或其他粒子例如，1摩尔水（H₂O）含有

6.02×10²³个水分子，质量约为18克化学反应类型化合反应两种或多种简单物质结合生成一种新物质的反应•2H₂+O₂→2H₂O（氢气和氧气反应生成水）•2Mg+O₂→2MgO（镁燃烧生成氧化镁）分解反应一种物质分解为两种或多种较简单物质的反应•2H₂O₂→2H₂O+O₂（过氧化氢分解）•CaCO₃→CaO+CO₂（碳酸钙热分解）置换反应一种单质置换出化合物中的另一种元素而生成新的单质和化合物•Zn+CuSO₄→ZnSO₄+Cu（锌置换硫酸铜溶液中的铜）•Fe+2HCl→FeCl₂+H₂（铁与盐酸反应）复分解反应两种化合物交换成分生成两种新化合物的反应•AgNO₃+NaCl→AgCl↓+NaNO₃（硝酸银和氯化钠反应）•H₂SO₄+2NaOH→Na₂SO₄+2H₂O（硫酸和氢氧化钠中和反应）能量与化学反应放热反应吸热反应在反应过程中释放能量到周围环境的反应通常表现为体系温度在反应过程中从周围环境吸收能量的反应通常表现为体系温度升高、发光或发热降低或需要持续供热才能进行•燃烧反应如碳燃烧生成二氧化碳•光合作用植物利用阳光能量•中和反应如强酸强碱反应•某些盐类溶解如硝酸铵溶于水•金属与酸反应如锌与盐酸反应•碳酸钙分解需要持续加热放热反应的能量图显示反应物能量高于生成物能量，能量差以热吸热反应的能量图显示反应物能量低于生成物能量，需要从外界能形式释放吸收能量差化学反应中的能量变化遵循能量守恒定律，能量既不会凭空产生也不会消失，只会从一种形式转变为另一种形式，或者从一个系统转移到另一个系统理解反应的热效应对于工业生产、生命过程和环境变化都具有重要意义化学实验室介绍普通化学实验室分析化学实验室物理化学实验室配备基础实验设备，用于教学演配备精密分析仪器，如分光光度专注于研究化学反应动力学、热示和学生基础实验具备通风计、色谱仪、质谱仪等用于物力学和电化学等物理化学现象橱、实验台、水槽、气体和水电质成分分析、含量测定和结构鉴配备反应动力学测量装置、热分接口等基础设施主要进行酸碱定要求环境洁净、温湿度稳析仪器、电化学工作站等专业设滴定、沉淀反应、气体制备等常定，以保证分析结果的准确性备对数据采集和处理能力要求规实验较高有机化学实验室侧重有机合成和分离纯化工作配备回流装置、旋转蒸发仪、色谱柱等通风要求高，通常设有独立通风橱需要特别注意有机溶剂的安全使用和废弃物处理基本实验仪器化学实验中常用的玻璃仪器包括烧杯（用于溶解、混合和加热溶液），试管（用于小量样品反应和测试），量筒（用于精确测量液体体积），锥形瓶（用于溶液的混合、加热和滴定），容量瓶（用于配制标准溶液）以及各种特殊用途的玻璃器皿化学实验规范流程实验后处理实验操作与观察实验结束后，按规定处理废液和固体药品取用与操作严格按照实验步骤进行操作，注意控废物，不同类型的废物应分类收集实验前准备严格按照规定取用药品，固体药品使制反应条件如温度、浓度和时间认清洗并归还所有实验仪器，保持实验详细阅读实验指导书，了解实验原用药匙，液体药品使用量筒或滴管真观察并记录实验现象，如颜色变台面整洁完成实验报告，包括数据理、步骤和注意事项准备好实验记取用前仔细阅读标签，确认药品名称化、气体产生、沉淀形成等定量实整理、计算分析和讨论总结离开实录本，预先绘制表格或记录框架检和浓度用后立即盖紧试剂瓶，放回验需精确记录数据，如体积、质量、验室前，确认关闭所有水电气开关查并确认所需仪器和药品是否齐全且原位注意某些药品需要在通风橱中温度等，并注意有效数字状态良好穿戴合适的实验防护装操作，如挥发性、有毒或刺激性试备，如实验服、护目镜和手套剂实验操作技能滴定操作1滴定是精确测定溶液浓度的重要方法操作时，将被测溶液放入锥形瓶中，加入适当指示剂，然后用滴定管缓慢加入标准溶液，直至指示剂发生颜色变化滴定终点附近应逐滴添加，读数时视线应与液面平行，读取滴定管下弯液面的最低点过滤技术过滤用于分离固液混合物常用方法有重力过滤（适用于一般沉淀）和抽滤（适用于细小沉淀或加速过滤过程）进行过滤时，应将滤纸正确折叠成漏斗状，紧贴漏斗内壁，液体高度不超过漏斗边缘，并确保滤纸尖端接触漏斗颈部蒸馏分离蒸馏用于分离沸点不同的液体混合物装置包括蒸馏烧瓶、温度计、冷凝管和接收瓶操作时应控制加热速度，使蒸气缓慢上升，冷凝水流向应与蒸汽流向相反，收集不同沸点范围的馏分需注意防止暴沸和确保冷却水畅通精确称量使用天平进行精确称量是化学实验的基本技能使用前应检查天平水平和零点，称量时药品不可直接放在天平盘上，而应使用称量纸或称量瓶避免高温或潮湿物品直接称量，操作时动作轻柔，称量完毕应将游码归零并清洁天平实验室药品管理药品分类标识系统清晰的标签和分类系统专业存储设施专用药品柜、防爆冰箱、通风储存完善的管理制度采购、验收、领用、回收全流程管理危险品特殊管理毒麻药品、易制毒化学品、易燃易爆品化学实验室的药品管理是安全工作的重要组成部分常见危险化学品包括强酸（如硫酸、硝酸）、强碱（如氢氧化钠）、强氧化剂（如高锰酸钾）、易燃物质（如乙醇、苯）等这些物质需要按照性质分类存放，避免互不相容的物质存放在一起化学实验室安全制度安全培训管理制度定期开展安全教育、操作技能培训实验室安全责任制、准入制度、应急预案着装规范实验服、长裤、封闭鞋、不佩戴饰品废弃物管理安全检查分类收集、专业处置、无害化处理定期与不定期相结合的安全隐患排查实验室安全制度是保障师生安全的基础进入实验室必须穿着合适的防护装备，如实验服（应为棉质长袖，能覆盖大部分身体）、护目镜和耐化学品腐蚀的手套长发应扎起，不穿露趾鞋，不佩戴与实验无关的饰品安全防护器具护目镜防护手套应急设备化学实验专用护目镜能有效防止化学药品溅入眼实验室手套种类多样，需根据实验性质选择乳洗眼器和紧急喷淋是实验室必备的安全设施当睛，应选择能够全面覆盖眼部区域、防雾、抗冲胶手套适用于一般操作；丁腈手套适合有机溶剂化学品不慎接触眼睛时，应立即使用洗眼器冲洗击的款式在进行任何涉及化学反应、加热或可操作；耐高温手套用于高温物品处理手套使用至少15分钟；当大面积皮肤接触危险化学品时，能产生飞溅物的实验时，必须佩戴护目镜，即使后应检查是否损坏，并按规定处理，避免交叉污应使用紧急喷淋冲洗全身这些设备应定期检查戴有普通眼镜也不能替代专业护目镜的保护作染操作精密仪器或电气设备时，应注意手套材维护，确保水源畅通，使用方法简单明了，位置用质是否适合醒目且易于接近实验常见意外及处理意外类型常见原因紧急处理措施预防方法化学灼伤强酸碱溅到皮肤或眼立即用大量清水冲洗佩戴护目镜和手套，睛至少15分钟，严重时小心操作腐蚀性物质就医火灾易燃物质接触明火或小火用灭火器扑灭，远离热源操作易燃物，高温大火立即疏散并报警保持通风玻璃器皿破损操作不当或加热冷却戴厚手套清理碎片，检查器皿完整性，避过快若有伤口先止血消毒免急热急冷有毒气体泄漏容器破损或反应失控立即通风，戴防毒面在通风橱中操作，使具，严重时疏散用完好密封容器误食药品未标记容器或误操作立即就医，带上误食禁止在实验室饮食，物质信息药品明确标识实验室意外事故的处理原则是第一时间保护人身安全，迅速采取有效措施减轻伤害，及时寻求专业医疗帮助每个实验室都应在醒目位置张贴紧急联系电话和应急处理流程图，并配备基本急救物品危险化学品标志及防护全球化学品统一分类和标签制度GHS将危险化学品分为物理危险性、健康危害性和环境危害性三大类常见的危险标志包括爆炸性（橙色爆炸图形）、易燃性（红色火焰图形）、氧化性（黄色火焰图形）、毒性（骷髅图形）、腐蚀性（腐蚀手和材料图形）、环境危害（枯树和鱼图形）等绿色化学理念减少废弃物使用安全试剂节能高效绿色化学强调从源头减少废弃物产生，传统化学过程中常使用有毒、腐蚀性绿色化学追求能源效率最大化，降低而不仅仅是事后处理通过优化反应或环境持久性污染物作为试剂或溶剂反应所需的温度和压力条件，开发室路径，提高原子经济性，使更多的原绿色化学鼓励使用水、超临界二氧化温或温和条件下进行的反应利用微料转化为目标产物，减少副产物和废碳或离子液体等更安全的替代品，开波、超声波等新技术加速反应，减少弃物的产生实验室可以采用微量化发无毒催化剂，减少危险化学品使用，能源消耗实验室可以通过改进设备实验，降低试剂用量，或使用可重复降低实验过程中的健康风险和环境负保温、优化仪器使用时间、避免不必使用的材料替代一次性用品担要的能源浪费等方式节约能源可再生原料从可再生资源中获取化学原料，而不是依赖不可再生的化石资源，是绿色化学的重要方向生物质转化、二氧化碳捕获利用、利用废弃物生产化学品等技术正在蓬勃发展实验室可以优先选择从可再生资源中获取的试剂和材料，支持可持续发展生活中的化学现象酸碱中和生活中酸碱中和随处可见胃酸过多时服用碱性药物缓解；被蚊虫叮咬后涂抹碱性肥皂减轻酸性毒素刺激；用小苏打中和冰箱异味；用醋中和衣物上的碱性污渍这些都是利用酸碱相互作用生成水和盐的原理氧化还原金属器皿表面生锈是铁被氧气氧化的过程；水果切开后变褐是果肉中的多酚类物质被氧化；使用漂白剂去除衣物污渍是通过强氧化作用破坏色素分子；照相过程中的显影定影也是利用氧化还原反应显现影像发酵作用面包发酵过程中，酵母菌将面粉中的糖分转化为二氧化碳和乙醇，使面团膨胀；酸奶制作中，乳酸菌将乳糖转化为乳酸，使牛奶凝固并产生特殊风味；泡菜、酸菜等发酵食品的制作也是利用微生物的化学作用改变食物性状溶解与结晶糖在热茶中溶解得比冷水快是溶解度随温度变化的表现；海水晒盐是利用水分蒸发后盐结晶析出的原理；岩洞中的钟乳石是碳酸钙溶解再结晶的结果；冬天窗户上的冰花是水蒸气直接结晶的现象食品与化学食品添加剂的作用常见食品化学反应食品添加剂在现代食品工业中扮演着重要角色，它们能够改善食烹饪过程充满了化学变化肉类烹饪中的美拉德反应使表面呈现品的感官特性、延长保质期、增强营养价值或改善加工性能例褐色并产生香气；面团中的谷蛋白在揉搓过程中形成网状结构，如，防腐剂如山梨酸钾能抑制微生物生长；抗氧化剂如维生素E赋予面包弹性；蛋白质在加热过程中变性凝固，使蛋液从流动变能防止油脂氧化变质；着色剂如胭脂红能使食品色泽诱人；甜味为固态；醋和小苏打混合会产生二氧化碳气泡，使蛋糕松软蓬剂如阿斯巴甜能在不增加热量的情况下提供甜味松食品添加剂的使用必须符合国家标准，在允许范围内使用，才能食品储存过程中也发生着各种化学变化水果中的乙烯会加速其保证食品安全许多人对化学物质存在误解，实际上，所有食他水果的成熟；油脂氧化会导致食品变质产生哈喇味；蛋白质水物本身都是由化学物质组成的，添加剂只是其中一小部分解会改变食品风味和质地了解这些化学原理，有助于更好地保存和烹饪食物医药中的化学药物发现从自然产物提取或化学合成筛选有活性的分子分子优化2改进分子结构提高活性和安全性药物合成大规模生产纯度高的药物分子制剂研发设计最佳给药方式和剂型医药化学是化学在医学领域的重要应用以阿司匹林为例，它的有效成分乙酰水杨酸最初来源于柳树皮中的水杨酸，通过化学修饰减少了对胃的刺激作用青霉素的发现开启了抗生素时代，它通过干扰细菌细胞壁合成发挥作用现代药物研发中，化学家可以设计分子精确作用于特定靶点，如选择性阻断特定受体或抑制特定酶的活性化学清洁用品肥皂与洗涤剂肥皂是脂肪酸的钠盐或钾盐，由油脂和碱液通过皂化反应制得其分子结构一端亲水一端亲油，能形成胶束包裹油污，达到清洁效果现代合成洗涤剂如十二烷基苯磺酸钠，具有更好的去污力和适应性，不受水质影响，在酸性环境中仍能发挥作用漂白剂常见的漂白剂包括次氯酸钠（84消毒液的主要成分）和过氧化氢它们通过氧化作用破坏色素分子的共轭结构，达到漂白效果次氯酸钠还具有强大的杀菌消毒作用，能破坏微生物的蛋白质结构使用漂白剂时需注意通风，避免与酸性物质混合产生有毒氯气除垢剂水垢主要成分是碳酸钙和碳酸镁等难溶性盐类酸性除垢剂如柠檬酸、醋酸或盐酸，能与这些盐类反应生成可溶性产物，从而去除水垢强力除垢剂通常含有较强的酸，使用时需注意保护皮肤和眼睛，避免与碱性清洁剂混用玻璃清洁剂玻璃清洁剂通常含有乙醇或异丙醇等挥发性溶剂，能快速蒸发不留痕迹；表面活性剂帮助溶解油污；氨水或醋能溶解顽固污渍并防止条纹形成某些配方还添加甘油等成分防止过快蒸发，保证充分清洁时间使用时应避免阳光直射，防止清洁剂在玻璃上过快干燥环境保护与化学空气污染治理酸雨防治化学技术在PM

2.

5、臭氧、氮氧化物等治理中的脱硫脱硝技术减少酸性气体排放应用土壤修复水污染处理化学固定、氧化还原、萃取等修复技术混凝、吸附、氧化等化学方法净化水质化学在环境污染治理中发挥着关键作用针对PM

2.5问题，化学家研发了选择性催化还原SCR技术，通过氨气与氮氧化物反应，转化为无害的氮气和水；针对二氧化硫排放，石灰石-石膏法脱硫技术利用碳酸钙与二氧化硫反应生成硫酸钙，有效减少酸雨形成化学与农业化肥作用与分类农药类型与环境影响化肥是提供植物生长所需营养元素的化学物质，主要分为氮肥、农药按用途可分为杀虫剂、除草剂、杀菌剂等早期广泛使用的磷肥、钾肥和复合肥氮肥（如尿素、硝酸铵）提供氮元素，促有机氯农药（如DDT）因其持久性和生物累积性而被禁用现代进植物茎叶生长；磷肥（如过磷酸钙）促进根系发育和开花结农药如有机磷农药、氨基甲酸酯类、拟除虫菊酯类等，毒性较低果；钾肥（如氯化钾）增强植物抗逆性和提高产品品质复合肥且在环境中易降解生物农药利用天然物质或微生物防治病虫则包含多种营养元素，能平衡提供植物所需养分害，环境友好性更高化肥的使用大幅提高了农业产量，但过量使用会导致土壤酸化、农药使用不当会导致害虫抗药性增强、天敌减少、生态平衡破坏板结、盐渍化，以及地下水和地表水污染问题科学施肥、控制和食品安全问题推广生态农业、精准施药、病虫害综合防治等用量、采用缓释肥料等措施可以减少化肥的环境影响方法，可以减少农药使用量，实现农业可持续发展家居中的化学反应燃气燃烧反应家用天然气主要成分是甲烷CH₄，完全燃烧时与氧气反应生成二氧化碳和水，同时释放大量热能燃气灶的蓝色火焰表示燃烧充分，黄色火焰则表明存在不完全燃烧，可能产生一氧化碳等有害物质保持厨房通风和定期检查燃气设备是确保安全的重要措施烹饪化学变化食物加热过程中发生复杂的化学反应美拉德反应使肉类表面形成褐色并产生香气；油脂在高温下分解产生醛类和酮类化合物，部分具有致癌性；蛋白质在加热过程中变性凝固，改变食物质地选择合适的烹饪温度和方式可以减少有害物质的产生油烟分解原理抽油烟机中的活性炭过滤网通过物理吸附去除油烟中的有机分子；光触媒技术利用二氧化钛在紫外光照射下产生活性氧，氧化分解油烟中的有机物；等离子体技术通过高压电场产生的活性粒子分解有机污染物这些技术的组合应用能有效净化厨房空气制冷原理冰箱和空调利用制冷剂（如R134a）在蒸发器中吸收热量气化，在冷凝器中放出热量液化的循环过程制冷早期使用的氟利昂类制冷剂会破坏臭氧层，现已被环保型制冷剂取代了解制冷原理有助于正确使用和维护家用电器，节约能源化学与新能源锂离子电池技术锂离子电池是当今最主流的可充电电池技术，广泛应用于电动汽车、手机和笔记本电脑等设备其工作原理基于锂离子在正负极之间的往返嵌入与脱出正极材料通常是锂金属氧化物（如LiCoO₂），负极多为石墨电池充电时，锂离子从正极脱出，通过电解液迁移到负极；放电时则反向移动，同时产生电流新一代电池材料为解决锂离子电池能量密度和安全性的限制，科学家正研发多种新型电池材料全固态电池用固态电解质替代易燃液态电解质，提高安全性；硅碳复合负极材料可大幅提升能量密度；锂硫电池和锂空气电池理论能量密度极高，但面临循环稳定性挑战钠离子电池以丰富的钠资源替代稀缺锂资源，降低成本氢能源应用氢燃料电池将氢气和氧气的化学能直接转化为电能，排放物仅为水，是理想的清洁能源技术其核心是质子交换膜燃料电池PEMFC，氢气在阳极催化剂作用下分解为质子和电子，质子通过膜迁移至阴极与氧气和电子结合生成水目前氢能源应用面临氢气制备、储存、运输和基础设施建设等挑战纳米材料与化学纳米银抗菌应用纳米氧化锌防晒技术纳米银颗粒尺寸为1-100纳米，具有优异的抗菌性能其作用机制包括释放银离子破纳米氧化锌是物理防晒剂，能有效阻隔紫外线辐射与传统氧化锌相比，纳米级粒子透坏细菌细胞膜；产生活性氧损伤细菌DNA；干扰细菌呼吸链抑制能量产生纳米银已广明不留白痕，提高了用户体验它的防晒机制是通过散射和吸收紫外线，保护皮肤免受泛应用于口罩、创可贴、抗菌服装、食品包装等领域由于其颗粒尺寸极小，表面积大，伤害研究表明，纳米氧化锌对皮肤刺激小，适合敏感肌肤使用，且比化学防晒剂更为抗菌效果远优于传统银材料稳定，不易分解纳米材料合成方法纳米材料安全性纳米材料的合成可分为自上而下和自下而上两种方法自上而下方法如机械研磨，将宏纳米材料的安全性研究仍在进行中由于其超小尺寸，纳米颗粒可能穿透生物屏障，进观材料粉碎至纳米尺度；自下而上方法如化学沉淀、溶胶-凝胶法、水热合成等，从分入细胞甚至细胞核有研究表明某些纳米材料可能引起氧化应激和炎症反应评估纳米子或原子层面构建纳米结构控制合成条件如温度、pH值、表面活性剂等，可精确调材料安全性需考虑其成分、尺寸、形状、表面性质、剂量和暴露途径等多种因素制定控纳米材料的尺寸、形状和表面性质科学的安全评估标准和监管措施十分必要现代材料科学稀土磁性材料钕铁硼等永磁体应用于风力发电、电动汽车复合高分子材料碳纤维复合材料用于飞机、汽车轻量化新型半导体材料氮化镓、碳化硅用于高功率电子器件功能涂层材料自清洁、抗菌、隔热等特种功能涂料现代材料科学是化学、物理和工程学交叉的前沿领域稀土磁性材料利用稀土元素的特殊电子结构，实现了强大的磁性能钕铁硼永磁体的磁能积是传统铁氧体磁体的10倍以上，极大减小了电机体积和重量，推动了风力发电和电动汽车等清洁能源技术的发展环保化学技术97%85%工业废水处理率₂捕集效率CO先进化学技术显著提高废水回收利用新型吸收剂大幅提升碳捕集能力40%能源消耗降低绿色化学工艺减少传统流程能耗废水再利用技术是环保化学的重要领域膜分离技术如反渗透、纳滤、超滤等，能高效去除水中溶解盐、有机物和微生物；高级氧化技术利用羟基自由基强氧化性，分解难降解有机污染物；生物强化技术结合化学预处理和微生物降解，处理复杂工业废水这些技术使废水处理后达到再利用标准，缓解水资源短缺问题医疗器械与生物化学造影剂核医学示踪技术MRI钆基螯合物增强磁共振成像对比度放射性同位素标记化合物用于诊断和治疗•改变周围水质子弛豫时间•18F-FDG用于PET成像•提高病变组织显影效果•99mTc标记药物用于SPECT•帮助精确诊断多种疾病•131I用于甲状腺疾病治疗生物传感器生物相容材料将生物识别元件与信号转换器结合与人体组织相容的医疗植入材料•血糖监测传感器•钛合金骨科植入物•基于抗体的快速检测•生物可降解缝合线•DNA芯片技术•人工心脏瓣膜材料现代医疗技术的发展离不开化学与生物学的结合MRI造影剂中的钆离子能显著缩短周围水质子的T1弛豫时间，增强图像对比度，但游离钆离子有毒，必须以螯合物形式使用新型造影剂如锰基和铁基造影剂正在研发，以减少对肾功能的影响信息存储与化学新型光盘材料电子纸化学材料传统光盘存储依赖于聚碳酸酯基底和反射层之间的凹坑结构记录信电子纸技术主要基于电泳墨水显示（E-ink），其核心是含有带电息新一代光存储如蓝光光盘采用相变材料技术，利用特定合金微胶囊的特殊墨水每个微胶囊中含有带正电荷的白色颗粒和带负（如Ge-Sb-Te）在非晶态和晶态之间的可逆转变来存储数据这电荷的黑色颗粒，通过改变电场方向控制不同颗粒移动到显示表面，两种状态具有不同的光学反射率，可用激光读取形成图像这种技术模拟纸张反射光线的特性，不需背光源，在强光下仍清晰可见研究人员正在探索全息存储技术，利用光的干涉原理在感光材料中记录三维信息，理论存储密度可达每平方厘米数TB光子晶体材彩色电子纸采用彩色滤光片或多色微胶囊技术，还有基于液晶、电料则通过控制纳米结构调控光的传播，有望实现更高密度的光存储湿润和电变色材料的新型电子纸正在研发这些技术挑战包括提高这些技术对材料化学性能如热稳定性、光敏感性和相变特性提出了刷新速度、增强色彩饱和度和降低能耗电子纸技术既节约纸张资极高要求源，又能提供类似传统阅读的体验，代表了显示技术的重要发展方向人类健康与化学疫苗研发流程现代疫苗开发融合了化学、生物学和医学的多学科知识从病原体分析开始，科学家利用蛋白质组学和基因组学确定抗原靶点；通过化学合成或生物工程方法制备抗原；选择适当的佐剂增强免疫应答；进行制剂研发确保疫苗稳定性和有效性mRNA疫苗技术利用脂质纳米颗粒包裹mRNA分子，通过化学修饰提高稳定性，代表了疫苗技术的重大突破药物分子设计计算机辅助药物设计结合化学合成技术，使药物研发更加高效精准通过分子对接和虚拟筛选预测药物分子与靶点的结合能力；药物化学家根据模拟结果设计和优化分子结构；合成化学家利用多步合成路线制备候选化合物；药效学和药代动力学测试评估药物性质这一过程通常采用循环优化策略，不断改进分子结构，提高药效和安全性生物标志物检测生物标志物是疾病诊断和治疗监测的重要指标化学分析方法如质谱、色谱、免疫分析和核酸检测技术使微量生物标志物的精确测定成为可能基于纳米材料的新型生物传感器能实现超灵敏检测；点对点即时检测技术将复杂的实验室分析简化为便携设备，使检测更加便捷；人工智能算法结合多种标志物分析提高诊断准确性这些技术为精准医疗和个体化治疗提供了有力支持化学工业概述化学对经济的影响万7%1200全球贡献率全球就业人数GDP化工产业对全球经济的直接贡献化工行业创造的直接就业岗位万亿

4.796%年产值美元制造业关联度全球化工产业年总产值依赖化学产品的制造业比例化学工业是现代经济的基石，几乎所有制造业都依赖化学产品作为原料或中间投入作为全球第三大制造业部门，化工产业的规模达到约

4.7万亿美元，约占全球GDP的7%除直接经济贡献外，化学产业还通过供应链关联带动上下游产业发展，创造间接经济价值和就业机会每个直接就业岗位可带动约7个间接就业岗位化学与环境挑战化学工业在推动经济发展的同时，也带来了严峻的环境挑战白色污染指塑料制品造成的环境污染，由于塑料难以自然降解，大量积累在环境中微塑料颗粒（直径小于5毫米）已在海洋、土壤甚至饮用水和食物链中被检出，对生态系统和人类健康构成潜在威胁化学领域正在开发生物可降解塑料和塑料回收技术，但解决塑料污染仍需政策、技术和消费习惯的多方协同化学与能源革命化石能源时代石油化工技术推动工业化发展，但面临资源有限和环境污染问题能源转型期化学创新提高能源利用效率，开发清洁能源技术，促进传统能源清洁化可再生能源时代化学技术支撑太阳能、风能、生物质能等可再生能源规模化应用未来能源系统化学驱动能源存储、智能电网和分布式能源技术，实现零碳排放化学在能源革命中发挥着核心作用在太阳能利用领域，化学家通过改进光伏材料如钙钛矿、有机太阳能电池，不断提高光电转换效率；开发人工光合作用系统，直接将太阳能转化为化学能在风能、水能等间歇性可再生能源领域，化学储能技术如锂离子电池、液流电池、氢能储存等，解决了能源供需不平衡的问题化学与社会安全危险化学品管理危险化学品是指具有毒害、腐蚀、爆炸、燃烧、助燃等性质，对人体、设施、环境具有危害的剧毒化学品和其他化学品我国实行危险化学品登记制度和分类分级管理，从生产、储存、运输、使用到废弃处置的全生命周期监管化学安全知识普及和应急演练是防范化学事故的重要措施公共卫生应急化学在疫情防控中发挥重要作用快速检测试剂基于抗原抗体反应或核酸扩增技术，实现病原体的快速识别；消毒剂如含氯消毒剂、过氧化氢、季铵盐等通过化学作用灭活病毒；疫苗研发和药物筛选离不开化学分析和合成技术化学知识帮助公众科学认识消毒防护，避免过度或不当使用化学品食品安全保障化学分析技术是食品安全监测的核心色谱-质谱联用技术可检测食品中的农药残留、兽药残留、添加剂超标等问题；快速检测技术如酶联免疫法、生物传感器等，实现现场快速筛查；食品掺假鉴别技术如DNA分析、稳定同位素分析等，保障食品真实性先进的包装材料和保鲜技术也依赖化学创新，延长食品保质期安全检测技术化学传感技术广泛应用于公共安全领域爆炸物检测设备利用离子迁移谱、拉曼光谱等技术识别爆炸物痕量；毒品检测利用特定化学反应产生颜色变化或荧光信号；生化威胁检测系统能及时发现生物制剂或化学武器这些技术在机场、边境、大型活动安保中发挥着不可替代的作用伦理与生物安全基因编辑伦理挑战CRISPR-Cas9等基因编辑技术使精确修改基因组变得简单高效，引发深刻的伦理思考这项技术可用于治疗遗传疾病，但也可能被滥用于非医疗目的的人类基因改造学术界和监管机构正在探讨如何平衡科学进步与伦理约束，确保技术造福人类而不带来不可预见的风险和社会问题生物安全实验室管理生物安全实验室按风险等级分为BSL-1至BSL-4四级，研究高风险病原体的实验室需严格的物理隔离和操作规程化学在消毒、灭菌、废物处理中发挥关键作用所有涉及危险生物因子的研究都必须遵循严格的审批流程和安全规范，防止病原体泄漏或被滥用，确保科研安全双重用途研究管控某些化学和生物学研究具有双重用途特性，既可用于造福人类，也可能被滥用例如，合成生物学技术可用于生产药物，但也可能被用于创造新型生物武器各国正加强对敏感技术和物质的出口管制，建立科研活动审查制度，要求科研人员在发表潜在敏感结果前进行安全评估典型化学实验展示学生分组实验演练分组安排实验内容评价方式全班学生分为6-8个小组，每组设计3-4个小型实验，难度适采用多元评价方式，包括实验操4-5人，按能力水平混合分配，中，操作安全，能在20分钟内作规范性（30%）、实验现象观确保每组都有实验能力较强的学完成如溶液的酸碱性测定（使察准确性（20%）、数据记录完生每组指定一名组长负责协调用pH试纸和指示剂）；金属活整性（20%）、结果分析合理性工作，并明确分工实验操作、动性顺序验证（观察不同金属与（20%）和小组协作表现数据记录、现象观察、安全监督盐溶液的反应）；溶解度影响因（10%）教师在实验过程中巡等角色教师提前准备好每组所素探究（研究温度对溶解度的影视指导，记录各组表现实验结需的实验器材和试剂，摆放在指响）每个实验都配有详细的实束后，各组进行简短汇报，分享定位置验指导书，包含目的、原理、步发现和体会，教师点评并总结共骤和注意事项同问题安全措施实验前进行安全教育，强调操作规范和应急处理所有学生必须穿戴实验服、护目镜和手套选择安全性高的试剂，避免使用强酸强碱和有毒物质教师和实验室管理员全程监督，确保安全操作实验台上配备应急处理物品如清水、中和剂等实验结束后，指导学生正确处理废液和清洗仪器实验数据分析训练课堂练习一物质变化类型判断依据填入下列现象编号物理变化没有生成新物质，只是状态、形_____状或分散程度改变化学变化生成了新的物质，原物质的化学_____性质发生了改变现象列表

1.冰块融化成水

2.铁钉生锈

3.食盐溶解在水中

4.木材燃烧

5.水沸腾成水蒸气

6.牛奶变酸

7.将水倒入杯中

8.酒精挥发

9.银器表面变黑

10.将铜丝弯曲成圆形课堂练习二配平化学方程式解题方法提示请在下列反应方程式中填入适当的系数，使反应前后原子数配平化学方程式的基本原则是使方程式两边各种元素的原子守恒数相等常用的配平方法包括

1.____Al+____O₂→____Al₂O₃•检查法先确定主要元素的系数，再依次配平其他元素

2.____Fe+____HCl→____FeCl₃+____H₂•代数法设未知系数，列方程组求解

3.____KMnO₄+____HCl→____KCl+____MnCl₂+•氧化还原法根据得失电子数配平____H₂O+____Cl₂

4.____Na₂CO₃+____CaOH₂→____CaCO₃+____NaOH

5.____CH₄+____O₂→____CO₂+____H₂O常见错误提醒配平过程中常见的错误包括•修改化学式中的下标（破坏了物质的组成）•忽略某些元素（如氢、氧）的平衡•系数使用分数而未约化为最简整数比•氧化还原反应中未考虑电子转移平衡这个化学方程式配平练习检验学生对化学计量关系的理解正确答案是14Al+3O₂→2Al₂O₃；22Fe+6HCl→2FeCl₃+3H₂；32KMnO₄+16HCl→2KCl+2MnCl₂+8H₂O+5Cl₂；4Na₂CO₃+CaOH₂→CaCO₃+2NaOH；5CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O课堂练习三实验室安全多选题火灾应急处理以下关于实验室安全的叙述，正确的有实验室发生小型火灾时，下列处理方法正确的是A.闻气体时，应直接对着容器口深吸一口气，以便确定气体种类A.立即用水灭火，不论什么类型的火灾B.盛放强酸强碱的试剂瓶应用手直接拿取，以防滑落B.对于金属钠着火，应使用沙子或专用灭火器灭火C.实验中发现异常情况应立即告知教师，不要擅自处理C.衣物着火应立即奔跑，寻求帮助D.使用可能产生有毒气体的试剂时，应在通风橱中操作D.电器着火应先切断电源，再使用适当灭火器灭火E.实验后的废液可直接倒入水槽，用大量水冲洗F.实验时应穿着实验服，戴护目镜和适当的手套G.酸溅到皮肤上后，应立即用大量清水冲洗H.离开实验室前应检查水电气门窗，确保安全化学品泄漏处理实验室发生酸碱泄漏时，以下处理方式正确的是A.用手直接擦拭泄漏的酸液B.酸碱泄漏可混合处理，以中和反应减轻危害C.强酸泄漏可用碳酸氢钠等碱性物质中和后处理D.遇到汞泄漏时，应用吸尘器直接吸取安全知识是化学教育的重要组成部分第一题正确答案是C、D、F、G、H闻气体应采用手扇法，将少量气体轻轻扇向鼻子；取试剂瓶应用托盘；废液必须按规定分类处理，不可直接倒入水槽第二题正确答案是B、D水不能用于扑灭油类、电器和金属钠等火灾；衣物着火应就地打滚灭火或使用灭火毯第三题正确答案是C酸碱不应混合处理，可能引起剧烈反应；汞泄漏应使用专用收集器或硫粉处理知识点梳理与小结化学与伦理物质的组成与结构科学责任、安全与伦理规范原子结构、元素周期表、化学键101化学与健康化学反应原理药物、生物化学、食品安全反应类型、能量变化、反应速率化学与材料实验技能与安全纳米材料、功能材料、智能材料基本操作、仪器使用、安全规范3化学与能源化学与工业生产能源转化、新能源开发重要化工产品、绿色化学工艺化学与环境化学与生活环境污染与保护、可持续发展日常化学现象、食品与医药化学通过本课程的学习，我们系统地了解了化学的基本概念、原理和应用从微观的原子结构到宏观的化学反应，从实验室的基本操作到工业生产的大规模应用，从传统能源到新材料开发，化学知识贯穿了自然科学和人类生活的方方面面拓展与深度思考人工智能辅助分子设计人工智能技术正在革命性地改变化学研究方式机器学习算法能够从海量的化学数据中学习分子结构与性质的关系，预测未知化合物的特性深度学习模型如AlphaFold在蛋白质结构预测领域取得突破，而强化学习算法则能自动设计具有特定功能的新分子这些技术大大加速了新药、新材料和新催化剂的发现过程，将数年的研发周期缩短至数月甚至数周自动化实验室智能机器人正在进入化学实验室，执行重复性实验任务这些机器人可以全天候工作，精确控制实验条件，记录详细数据，大幅提高实验效率和可重复性结合人工智能的自主实验系统能根据前期结果自动规划后续实验，形成闭环优化这种自驱动实验室将彻底改变科学发现的模式，使研究人员从繁琐操作中解放出来，专注于创造性思考和理论创新量子化学新纪元量子计算机有望解决传统计算机难以处理的复杂量子化学问题精确模拟大分子的电子结构和化学反应机理，一直是计算化学的巨大挑战量子计算利用量子叠加和纠缠特性，可以并行处理海量可能性，为解决这些问题提供了革命性途径虽然目前量子计算机仍处于早期发展阶段，但已经在小分子模拟方面展示了潜力，未来有望推动催化剂设计、材料开发和药物发现的重大突破人工智能与化学的结合不仅改变了研究方法，也催生了新的研究领域机器学习算法在分析复杂化学数据、预测反应结果、优化合成路线方面展现出强大能力例如，计算机可以从历史反应数据中学习，预测新反应的产率和选择性；可以从分子结构预测药物活性，加速药物筛选过程；甚至可以分析实验失败数据，揭示成功的关键因素结束语与鼓励发现的喜悦化学是探索未知的奇妙旅程创新的力量化学知识转化为改变世界的能力未来的使命化学创新助力人类可持续发展化学是一门充满魅力的学科，它解释了我们周围世界的奥秘，也为人类创造了更美好的生活从古代炼金术的神秘探索，到现代化学的精确理论；从简单的元素周期表，到复杂的分子设计；从基础研究的纯粹追求，到应用技术的广泛转化，化学一直在推动人类文明的进步正如居里夫人所说在科学上没有平坦的大道，只有不畏艰险沿着陡峭山路攀登的人，才有希望达到光辉的顶点。