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现代化学理论有新说
世人瞩目预见成现实
柯塞尔与“化学键”；鲍林与“杂化轨道”；斯陶丁格与“链条”；惰性气体不再“惰”，蛋黄中分离出叶黄素，人与人之间为什么永远长得不一样？有关现代化学的风采，让我们由衷地感叹，激动不已。
话说 20
世纪的化学，突飞猛进地向前发展着。交叉学科和边缘学科的大量兴起，无机化学、分析化学、物理化学、有机化学等彼此间的鸿沟开始逐渐消失，呈现出蓬勃发展的新景象。
无机化学方面：维尔纳的配位理论，化学键本质的概念，化合物的合成等等，都标志着无机化学由衰落开始兴起。有机化学方面：量子力学的引入，仪器的改进，胰岛素和维生素
B12。等天然大分子物质的合成等。理论的预见渐渐取代经验的探索。物理化学方面：化学反应速度的学说有了重大突破，施陶丁格大分子的概念，链反应学说等。理论和实践开始有机地结合。
总之，20 世纪的化学，可谓日新月异，群星灿烂，英雄辈出。欲知详情，待笔者慢慢道来。且说 20
世纪无机化学发展的牢固基础，同以前一样是门捷列夫的周期律。但由于发现了同位素，采用了原子序，以及确定了原子的电子结构，周期律更加完善起来。已经发现的化学元素增至
109 个，无机化合物为人们所熟知的也已达几
十万。各种新型化合物数目之多、之全，是 19
世纪的化学家们所不敢想象的。在制取和研究无机化合物的方法方面，也已大为改进和提高，采用了高压、高温、低温、低压、电场、辐射以及其他各种新的方法。其中催化反应和对超纯物质的研究具有重大意义。
关于“化学纯物质”，采用了许多最新的分离方法，如离子交换法等。所制得的高纯物质，杂质含量降低到十万个分子中只含有一个杂质分子。这些高纯物质在一些情况下获得了新的性质，并且找到了新的用途。如果说
19
世纪产生的化合价理论，已应用到有机化学的结构中去的话，那么在无机化学方面情况却大不一样了。最简单的无机物的结构，很容易用组成它的原子具有固定化合价来解释，但是在无机物中，也有一些化合物的结构非常难以确定，其中有许多是分子化合物，特别是水合物、复盐、氨盐等。这类化合物，在
19 世纪时被称为络合物。
为了解释这类化合物的结构，科学家们提出了各种各样的理论，但主要功绩应属瑞士化学家维尔纳。
维尔纳，1913 年诺贝尔化学奖获得者。他治学严谨，注重实验，是瑞士的著名化学家。
他曾仔细地搜集了当时已知的有关络合物的各种资料，对络合物的结构 提出了崭新的观点，即“配位学说”。
他假设：“在络合物里以某种主价的金属离子为中心，环绕着它的分子或离子的总数目是一常数，与它结合构成络合物的‘内界’（在化学式中以□括起），这一常数称为配位数，也称为该中心离子的副价；环绕中心离子的分子或离子称为‘配位体’或‘络合基’，它们与中心离子结合很牢固，不易离解，因此在一般的情况下，往往体现不出它们的固有性质”。
他把搜集到的一些络合物，根据它们各种性质写成如下的化学式：
l、［Co（NH3）6］（NO2）3 1.［Pt（NH3）6］Cl4
2.［CO（NH3）5NO2］（NO2）2 2.［Pt（NH3 ）5Cl］Cl3 （待合
成）
3.［CO（NH3）4（NO2）2］NO2 3.［Pt（NH3）3Cl2］Cl2
在这两类络合物中， Co（Ⅲ）、 Pt（Ⅳ）的配位数皆为 6。他指出：还有 一系列络合物中心离子的配位数为 2、4 或
8，至于配位数为奇数 3、5、7
的络合物也曾遇到过，但很少见。在随后的时间里，维尔纳的理论得化学界的普遍承认，成为发展无机化学的重要理论之一。
却说在 19
世纪中期，化学家们已经把化合价的概念用于化学中，但是化合力的本质——化学键却仍然得不到解释，只有在确定了原子的电子结构以后，才具备了研究化学键理论的前提。本世纪初，许多科学家（开尔文、拉姆塞等）都曾试图解释化学键的机理，但均不令人满人满意。
1914
年，慕尼黑大学物理学教授柯塞尔，根据各种惰性元素电子结构的特点，提出各元素都有达到最稳定电子结构的倾向，这个倾向就是促使原子化合的动力。最稳定的电子结构除外层是惰性气体的结构外，最外层
18 个电子也是稳定的。当元素的外层电子远比惰性气体外层的 8
个电子结构少时，就容易失去这个电子而成为带正电的离子；但当元素的最外层电子数接近于 8 而又未 满足 8 个电子的结构时，它就容易获取
1 个或 2 个、3 个电子而成为 8
个电子的稳定构型，从而成为带负电的离子。这两种原子所形成的离子结合成化合物，是靠正、负电荷的库仑引力的作用，形成称为离子键的化学键。按照柯塞尔的理论，周期表中第Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ族的金属是容易失去电子的元素，而Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ族的非金属则是容易获取电子的元素。失去
1 个电子就呈正 1 价，失去 2 个电子则呈正 2 价，依此类推；获取 1 个电子呈负 1 价， 获取 2 个电子呈负 2
价，也依此类推。因分子是电中性的，所以正、负化合价的总和应该相等，如：Mg—2e→Mg2+ O2-Mg2+＋O2-→MgO
柯塞尔的说法极为简单明了，但仅适用于离子型化物，对非离子型如氢气分子、氯、氧分子等就无法解释了。
到了 1916
年，美国加利福尼亚大学科学家路易斯，根据元素的壳层结构，发现了某些元素的化学性质和化学行为的相似性。他提出了这样的重要原理：化学键是化合物分子中两个原子结合在一起的电子对。他用小点在元素符号外面表示价电子，他用这种方法描述了一些简单化合物的结构。
根据原子的电子结构理论，他认为化学键的形成不仅是通过电子从一个原子转移到另一个原子的方法，而且也可以通过电子对的方法（在生成的化合物中两个原子共享有电子对）。这样的化学键，被称做共价键。
路易斯还以 1 号元素氢为例，解释 K 层上电子的排列情况。
他指出，K 层上最多有 2 个电子，但 1 号元素氢只有 1 个电子，显然 K 层是未被填满的，而原子的倾向是要填满 K
层，这样可以通过几种方法达到。 一是两个氢原子可以把它们各自的那个电子归公，通过共享这两个电子 的方法而共同填满它们的 K
层。这就是氢气分子为什么以两个原子相结合而存在的原因。 二是由于这两个氢原子都已填满了它们的 K
层，要把它们分开则要耗费很高的能量。他做了这样的实验：把氢气吹到电弧里，将氢分子的原子分开，当氢原子通过电弧而重新结合起来的时候，就会把它们在分离时所吸收的能量释放出来，从而产生
3400℃的高温。柯塞尔和路易斯的理论是那样的美妙，它清楚地解释了各种元素在化学性质上的比较明显的差异，为区别物质的性质提供了理论依据。却说无机化学理论上的突破，推动了化合物研制方面的迅速发展。这里我们要说说惰性气体化合物的发现。
惰性气体因性质懒惰而得名。的确，自发现它以后的几十年间，未能制得过它们的化合物。它似乎心安理得，不再和其它元素交朋友，在一般化学反应中，都标榜着它那孤芳自赏的性质。1962
年，英国血统的加拿大化学家巴特利特，在研究一种新的化合物六氟化铂时发现，这种化合物急需得到电子，而且需要的程度和氟不相上下。我们知道，氧的外层已有
6
个电子，它通常是获得电子而不肯轻易将自己的电子转让出去，但六氟化铂却可以从氧获得电子。这给巴特利特以极大的启发：六氟化铂既然可以从氧获得电子，也许能从氙获得电子。他便着手进行实验，结果得到了惰性气体的第一个化合物——六氟化铂氙。这一发现，激励了很多科学家。他们立即投入合成惰性气体的战斗，并得到了一系列氙的化合物，其中有氙和氟的化合物二氟化氙（XeF2）、四氟
化氙（XeF4）、六氟化氙（XeF6）以及八氟化氙（XeF8）；也有氙和氧的化合物三氧化氙（XeO3）、三氧化二氙（Xe2O3）；还有氙和氧、氟的化合物，如四氟氧化氙（XeOF4）、氙酸（H2XeO4）和高氙酸钠（NaXeO6）；等等。最稳定的是二氟化氙；最值得注意的是三氧化二氙——一种容易爆炸十分危险的化合物。
除了氙以外，还制取过一些氪的化合物，如四氟化氪（KrF4）、二氟化氪（KrF2）以及一些氡的氟化物、氩的氟化物等。目前已合成的惰性气体化合物有
400
多种。值得注意的是：惰性气体的体积越小，对电子的亲和力就越小，共享电子的能力也相应小些。这给化学键理论带来了新的麻烦，不过这也正是理论化学家们所极力追求的，不然怎能“吐故纳新”呢？
惰性元素找到了朋友，它能和其它元素生成化合物，这不能不说是化学家们的一大功劳。
化学家们除了合成上面介绍的物质外，还制出了一些以前不知道的，组成奇怪的化合物如 Al2O、AlF
以及其他等（这些化合物只能在高温下存在，在低温下就变成了通常的三价铝化合物）。此外，化学家们还发现了组成为 NF3 和 NCl3
的物质，以及二价硅的化合物 SiO，卤素化合物 ICl、Icl2 和氧、氟的化合物 OF2、O2F2
等等的合成。其中以无机苯的发现，最引人注意。
以上所有这些制取和研究新化合物的例子，都说明了20 世纪无机化学在迅速发展。
接着说有机化学的一些发展情况：
如果说 19 世纪，有机合成成了有机化学发展的主要方向，那么到了 20
世纪，有机化学发展的特点是在理论上有了显著成就。特别是在确定化学键的本质、分子结构和化学反应机理等方面有了很大突破。这里我们先介绍两位当代的理论化学大师。本世纪，化学家们通过对各种元素的研究，提出了元素化合价理论（前文有述）。
可是，这一理论不适用于碳。若按上述理论，碳原子应当是 2
价，但实际上，在化学家所接触的碳氢化合物里，例如石油气和天然气中的甲烷、乙 烷等，碳原子都是 4
价。这下子把化学家们难住了。这种奇特现象应如何解释？
1928 年，美国化学家鲍林创造性地提出了“杂化轨道”的理论。他认为， 当碳原子同其他元素的原子发生化学反应时，碳原子 2S
轨道上的一个电子先 激发到空的 2P 轨道上去，形成下列排布；然后，第二层上的 1 个 2S 电子和3 个 2P
电子，“互通友谊”，彼此“杂化”，形成 4 个相同的新轨道。在这 4 个新轨道中，每一个都包含有 1/4 的 S 轨道和 3/4 的
P 轨道。由 于这些新轨道由 1 个 S 轨道和 3 个 P 轨道组成的，所以，鲍林给们起了个各字叫“SP3 杂化”（或“SP3
轨道”）。 当我们用数学方法来进行这样的杂化时，可以建立起这样的一个模型，即 4 个 SP3 杂化轨道组成的是正四面体，它由 4
个面组成，每一个面为正三 角形。碳原子位于正四面体的中心，4 个 SP3 轨道的轴指向正四面体的 4 个顶角。
这样，就清楚地解释了碳原子是 4 价的问题。后来，科学家们又通过实 验手段，测定的结果与鲍林的预测完全一致。
鲍林除了创立杂化轨道理论以外，在蛋白质化学、精神化学等方面均有 创造性的贡献。因此，他荣获了 1954
年诺贝尔化学奖。
鲍林 1901 年出生在美国俄勒冈州波特兰市的一个药剂师家庭，1922 年 毕业于俄勒冈州立大学，1925
在加州理工学院取得化学博士学位，随后前往 欧洲，在著名科学家玻尔的实验室工作，1927 年回到加州理工学院，1931
年升为教授。
鲍林不但是一位杰出的理论化学家，而且还是一位坚强的和平战士。1955
年，他与著名科学家爱因斯坦、约里奥·居里等人，共同签署了一个宣言， 呼吁科学家共同反对毁灭性化学武器。1957
年，他起草了“科学家反对核试 验宣言”，两个星期内，就有 2000 多名美国科学家，世界上 49 个国家 10000
多名科学家签了名1958 年，他把这个宣言交给联合国，引起极大的轰动。 由于他对世界和平事业的杰出贡献，1962
年，他又荣获了诺贝尔和平奖。这是到目前为止，唯一在科学上和世界和平事业上，同时作出杰出贡献的、获诺贝尔奖的科学家。除了鲍林外，德国化学家斯陶丁格的链结构理论，在本世纪有机化学的发展中，也占有重要地位。最初斯陶丁格致力于天然橡胶的研究。他发现天然橡胶具有良好的弹性，且拉长以后一松手又恢复原来的形状。面对天然橡胶如此的特性，他苦思冥想，寻找不出正确的答案。一天，当他工作心烦意乱时，他干脆撂下手头上的事，到室外散步。走着走着，链条——铁匠打制的链条??闪烁在他的脑际，他像从梦中惊醒一般，很敏捷地想到了橡胶，于是橡胶里面是不是也有链条的问题，在他的脑海里盘旋。他立即赶回实验室，重复地做乙烯聚合的研究。经过一番实验，他认为自己的理论是正确的。1920
年，他在论文《论聚合》中首次发表自己的观点，认为像橡胶、淀粉、蛋白质等自然物质，是由几千乃至上百万个碳原子，像链条那样联结起来的高分子。这些链条不是像棍棒那样直挺挺的，而是卷曲着或绉褶着。链与链之间互相搭接，组成特定的空间结构。由于这个学说超越了当时的分子概念，所以受到一些科学家的猛烈抨击。这场争论经历了
10 年之久，斯陶丁格坚持自己的观点，并得到许多人的赞同。1938
年，奇迹般的事情出现了，美国化学家卡罗塞斯将己内酰胺（小分子），用碱性物质作催化剂，得到强度很高的人造纤维——尼龙。从而有力地证实了斯陶丁格理论的正确性。
几年之后，化学家们发现，天然橡胶是由一个个异戊二烯分子聚合起来的，用异戊二烯通过聚合反应可以得到类似于天然橡胶的合成胶。
化学家们还发现，在天然橡胶中加入硫磺之所以能使它不发粘，是因为硫原子在两条聚异戊二烯的大分子之间，搭起了一条条链桥，增加了天然橡胶稳定性的缘故。
至此，人们在斯陶丁格链结构理论的指导下，分别将乙烯、丙烯、丁二烯??进行聚合，得到了琳琅满目的高分子产品。
斯陶丁格因此被认为是高分子化学的奠基人，他著名的“链”学说，成 为他通向 1953 年诺贝尔化学奖的阶梯。
却说鲍林和斯陶丁格两位理论化学大师的杰出贡献，推动了有机化学的发展。一大批化学家经过大量的实际工作，开始把理论上的东西变成现实。这其中德国的化学家齐格勒和意大利的化学家纳塔，是最杰出的两位。
齐格勒在本世纪 50
年初发现，三烷基铝这种物质，很容易与烯烃起加成反应，生成长碳链的含铝有机化物。这类化合物在反应过程中其作用与格林亚试剂相类似。用这方法能够制取长链的碳氢化合物（可以制得含有
20 个碳原子的链），因而能够利用便宜的原料（例如天然气）来制取非常贵重的物 质。可惜齐格勒的工作没有继续深入下去。
大约在 1954
年，纳塔在齐格勒的研究基础上，又进行了深入的研究。他发现用三氯化钛等过渡金属低价盐与烷基铝作催化剂，能使丙烯聚合得到既可做塑料又可作纤维的聚丙烯。
纳塔和其他一些化学家一起，对这类催化剂的组成、反应机理、结构等进行了全面、系统的研究，进而发现了一系列新的催化体系，因而经济、高效地合成了顺丁橡胶、乙丙橡胶等高分子产品，并使这些产品以年产几十万吨的规模在全世界生产。
由于纳塔和其他一些科学家的工作，使得齐格勒型的金属有机催化剂，成为接近理想的高分子立体定向聚合催化剂体系。现在，像丙烯、丁烯等合成高分子的原料，凡是在理论上能预见到的结构品种，都可以靠变化催化剂的成分和比例，随人意愿地一一合成出来。齐格勒和纳塔的工作，改变了人类社会的材料结构。科学家们预计，到下个世纪中叶，合成高分子材料的使用将同钢铁平分秋色，由于齐格勒和纳塔的出色研究工作，他俩双双荣获
1963
年的诺贝尔化学奖。本世纪有机化学领域，还有许许多多的成果，不再一一举例。纵观本世纪的有机化学，在观念和成果上都经历了巨大的变化。第一次世界大战以前，有机化学的中心在德国，德国化学家强调实用，重视经验。20
年代以后，才逐渐转移到美国、英国以及瑞士。
本世纪，有机化学除了理论上有突破外，仪器的改进已使有机化学面目一新，高真空泵、电磁搅拌、示踪原子的引用、红外光谱、紫外光谱等，大大加快了有机分子结构的研究测定。从
40 年代起，有机合成的繁荣时期开始了。其特点是：反应的复杂性，有的反应多到 20 到 30
步，狭隘的专业时代已经让位于综合研究时代，重大的研究项目，正由视野广阔、经验丰富的科学专家领导的小组来完成。且说本世纪无机化学和有机化学发展迅速，同样，物理化学也不甘示弱。
本世纪物理化学的研究包括下列部分：物质聚集状态的学说、化学热力学、溶液学说、电化学、化学动力学、催化作用等。它们互相联系，其共同目的是研究化学过程进行的规律。
应该承认，理论研究与实践需要密切联系，是本世纪物理化学发展的一个特点。物理化学的理论成就在生产实际中得到了应用。比如氨的合成，各种各样的聚合反应过程，现代生产中广泛采用的高温、高压以及各种催化剂反应过程，都应该归属于物理化学的成就。
先说一说物理化学的研究之一——酸碱理论。
有关酸碱理论，早在 19
世纪就已形成了概念，那时人们这样认为：氢离子是酸性的体现，酸的强度与氢离子浓度成正比；碱的强度则由氢氧根离子浓度决定。因此酸碱中和作用，就是氢离子和氢氧根离子相互作用，生成水的反应。
与些同时，科学家们发现除去杂质的纯水具有弱导电性。这就表明，水 中存在着游离的氢离子和氢氧根离子。
科学家们测定了水中离子的浓度积，其数值为
10-14。水的离解可以写成下列方程式：2H2O＝H3O+＋OH-也就是生成了氢氧根离子。这样，在
25℃测定纯水的导电率，计算出［H+］和［OH-］两种离子浓度
为 1×10-7。1909 年，丹麦哥本哈根的化学家索伦森提出了用氢离子浓度的 负对数来表示氢离子浓度。
尽管根据电解质离解学说的原理，似乎有关酸和碱和概念都已经明确，但是在本世纪初，由于又发现了一些新的实验事实，关于酸和碱的确切定义又被提出来了。
把酸碱理论发展得最完备的，要数丹麦化学家布朗斯台德，根据他的理论：酸应该是能够给出质子的各种分子或离子（原子给予体），而碱则是能够接受质子的各种分子或离子（原子接受体）。根据布朗斯台德的这种观点，铵离子
NH4+应该看成是酸，因为它能够给出质子而生成氨
NH3。而氨又是碱，因为它能够接受质子。又如醋酸钠，根据这一观点，酸中的阴离子可以看成是碱，因此酸所生成的盐，应该呈现出碱性反应的性质。
关于酸碱更一般性的理论，是著名化学家路易斯于 1923
年提出的，并在后来由他进一步加以发展。路易斯把原子价的电子学说作为建立酸碱理论的出发点。他认为，碱是含有弧电子对的任何分子，例如氨就是。而酸则是能够与这种弧电子对相结合的基或分子。按照路易斯理论：O、HCl、SO3、H+、NH4+、Fe3+等都是酸；而
OH-、CN-、三苯甲基等都是碱。路易斯的酸碱理论有很重要的用途，用它可以解释在滴定不含氢离子溶液中，指示剂颜色为什么会发生改变等等。由于化学家的不断努力，酸碱理论暂告一段落，我们再谈一谈溶液理论。
有关溶液间彼此渗透的理论，最初由范特霍夫提出来。他认为，溶液的渗透压与溶质的浓度成正比，但他没有指出这一定律的应用范围。到了本世纪初，科学家们通过对渗透压，特别是对蔗糖、葡萄糖等的水溶液渗透压进行了细致的系统测定工作，发现范特霍夫定律并不十分正确。
于是，化学家们提出了许多有关溶液渗透压的定律。在个别情况下，这些定律与实验数据相符合，但是在大多数情况下，与实验结果不一致。因此，最后为了说明溶液的实际情况，科学家们不得不承认溶液中的分子发生了水合作用。
不仅水溶液如此，化学家们也发现了在电解质溶液中，理论与实验数据的不一致现象。尤其是强电解质的离解如 NaCl。
只有在原子的电子结构现代学说建立以后，人们才找到强电解质离解的原因。这种原因的解释是：在完全离解的电解质溶液中，带相反和相同的电荷离子之间相互发生作用。结果是电解质溶液中的离子不像气体分子那样杂乱无章，而是按一定次序分布其中。但是，由于离子间存在电的吸引与排斥作用，强电解质在溶液中不会百分之百的电离。
这种说法得到了化学家们普遍的承认。从此，有关溶液的理论日臻完善起来。
有关化学反应的动力问题，19 世纪，著名化学家范特霍夫就有所论述。 到了本世纪 20
年代，范特霍夫的若干思想引起了科学家们的注意，他们提出了表达各种特殊情况下化学反应过程的方程式。其中以德国化学家博登斯坦的研究较为出色。
他研究了光照下氢与氯的相互作用，并且提出，在光的作用下，氯变成了离子。反应式如下：
Cl2＋光＝Cl2+＋○（电子）
这样，氯分子与氢作用，给出电子，电子又使新的氯分子进入活化状态，如此等等。这种活化分子学说后来成为创立链学说的基础。
在化学动力学的研究方面，值得一提的还有两位著名化学家：前苏联的谢苗诺夫和英国的邢歇伍德。由于他们在化学动力学上的杰出贡献，双双荣获
1956 年诺贝尔化学奖。
自本世纪 40
年代以后，在化学动力学领域中完成了大量的实验和理论工作，积累了大量的数据，即使是那些早已被认为是极简单的化学反应也重新翻了出来加以研究，并且被证明也是很复杂的。这时涌现的很多新的理论和积极的建树帮助了人们更深刻地认识化学动力学。尤其在第二次世界大战期间，爆炸和火箭发射剂的化学动力学成为这一领域的重点研究课题。几位美国化学家像丹尼尔斯等，成为这一课题的学术领导者。物理化学还有其他一些研究领域的成果，暂且不提。我们接着说本世纪的分析化学发展概况。分析化学在本世纪以前已有所发展，但成效甚微，只充当其他化学领域里一个小小的陪衬角色，绝大多数分析化学家所用的分析方法，手续烦锁、耗时冗长，严重妨碍了研究的进展。
自本世纪 30
年代以来，整个分析化学面貌开始改观。工业生产和很多新兴科学技术对分析化学提出了一个新的课题，即对分析的灵敏度要求越来越高。如今分析化学越来越依赖非化学的计量方法，如用仪器对颜色、光谱、折射率和放射性进行测定等。分析化学这一动向主要来自物理、数学和电子技术的进展。用以满足军
事、工业和科研的需要。现代分析化学某种意义上说，可以称之为“分析物理”。
首先是传统分析方法的改进。尽管仪器分析方法具有明显的优越性，但化学家们对某些组分的测定，仍是沿用经典的化学分析法。
在重量分析法方面，分析化学家们着重于沉淀性质和沉淀条件的研究。他们对沉淀形成的机理、纯度的影响以及杂质混入的原因等等提出了各自的观点。
他们提出了截然对立的两种主张，一种认为从极浓的溶液中进行沉淀；另一种认为从稀溶液中进行沉淀。最终后一种占得了上风，被人们普遍接受。在利用指示剂方面，由于改善了沉淀分离手段，有些试剂的选择性便大大提高。容量分析中最重大的成就，莫过于氨羧络合剂滴定法的发明。在
30 年代初，科学家们已知
EDTA（乙二胺四乙酸）等氨基多羧酸在碱性介质中，能与钙、镁离子生成极稳定的络合物，而用于水的软化和皮革的脱钙。
瑞士苏黎世的科学家施瓦岑巴赫对这类化合物的物理化学性质进行了广泛的研究。次年他便提出以 EDTA
滴定水的硬度，以紫尿酸铵为指示剂，获得了很大成功。随后，他又提出以铬黑 T 作为这项滴定的指示剂。这项成果奠 定了 EDTA
滴定法的基础。
由于 EDTA 在水溶液中几乎和所有金属阳离子都可以形成络合物，但稳定性差别很大，因此可以借变换溶液的 PH 值，来提高 EDTA
滴定的选择性。现在已知有近 50 种元素能用 EDTA 直接滴定，其他还有近 20 种元素能够间接滴定。
EDTA 能直接滴定金属离子，弥补了过去容量分析的一个很大缺陷，于是 利用 EDTA
作指示剂受到了普遍的欢迎。很快在黑色金属、硬质合金、耐火材 料、矿石、化工材料等方面得到广泛推广和应用。
且说人们对物质进行比色分析时，最初采用目视比色法，这种分析法容易引起观测上的主观误差，并且会使测试人员眼睛很快疲劳，分辨能力衰退等。
因此科学家经过不断的努力，把光电测量器利用到比色计上。他们制作 了具有光电效应的光电池，并设计了利用光电效应的光电比色计。至本世纪
30 年代，这种仪器才大量投产，进入实验室。这种仪器操作简便，测定准确，极大地推动了光电比色法的普及。到 40
年代，几乎全部金属元素及大部分非金属元素都可以用这种方法测定了。在本世纪 60
年代，更先进的分析仪器可见紫外分光光度计问世，它取代了光电比色计。这种仪器使一些没有颜色，但在紫外区有吸收峰的物质，以直接测定。如科学家黑特来在
2570A 波长上测定乙醇中的硫，而
S2-、SO42-、S2O32-等离子不会干扰，使测量结果照样准确。这种仪器推动了物质吸收光谱的研究。尤其对有机化合物的鉴定，新化合结构的确定有重大意义。
除了上面几种分析技术外，红外光谱技术、原子吸收光度法等也相继问世。红外光谱仪的光源通常是一种惰性固定，用电热使之产生类似于黑体辐射的连续光辐射，常被采用的是能斯特灯和硅碳棒。此外还有单色器和检测器等。在技术上要比紫外分光光度计的难度大得多，因此红外技术进步较晚，实际上往往是这些元件的发展，决定着它的前进步伐。
原子吸收光度法是对吸收光度法的一次重大突破。这种方法的最初形式是将试样溶液雾化，喷入火焰，使雾滴溶剂迅速蒸发，形成固定微粒。
它很快熔化、挥发、并被热解为原子。这时利用一束锐线，辐射穿过一定厚度的待测试样蒸汽，辐射的一部分便被待测元素的基态原子所吸收。
对透过的辐射，经单色器后，测定其减弱的程度，这样利用在一定条件下消光度与火焰中原子浓度成正比的关系，求得待测元素的含量。
原子吸收光度法因为具有灵敏、快速、简便、经济、适用普遍等诸多优点，所以发展极快。只在很短的时间内，就几乎在冶金、化工、农业、生化和药物研究等中得到了普及。有关电分析化学的兴起和发展。从
19 世纪 60 年代，简易的电解分析法取得了一些确有实效的成果，可以说电分析化学的发展是从此时此处起步 的。
这种分析方法是在电化学研究的基础上发展起来的。在这一领域中，先后主要发展出了电位滴定和电导滴定两种方法。
电位滴定的建立有赖于电极电势的测定。而电极电势是相对的，因此测定时需要有一个性质稳定的电极作参比。先后出现了甘汞电极、氢电极、玻璃电极等。
继电位滴定发明之后，又出现了电导滴定法。由于这种滴定仪结构较复杂、价格昂贵，所以未能得到推广。
却说分析化学中应用较为广泛的一种分析方法色谱法。 色谱法也叫层析法、色层法。起初时它是作为一种分离手段而加以研究
的。其原理是：混合物中不同组分在流动相和固定相间具有不同的分配系数，当两相作相对运动时，这些组分在两相间的分配反复进行多次，而产生了很大的分离效果，从而使它们得以充分分离。
这种分析方法到了本世纪 50
年代，才开始构成一种独特的分析方法。然而这种方法发展极快，并成为分析化学中最富有活力的一个领域，也成为生物化学和制备化学中广泛应用的一种手段。特别是在复杂有机复合物的分离和分析中显示了独特的作用。首先意识到层析现象和分离方法具有重大科学意义的是俄国植物学家茨
维特。他在研究植物色素的过程中，做了一个极负有盛名的实验。在一根玻璃管的狭小一端塞上小团棉花，在管中填充沉淀碳酸钙，然后将吸附柱与吸滤瓶连接，使绿色植物叶子的石油醚抽取液自柱中通过。
结果植物叶的几种色素便在柱中展开，留在最上面的是叶绿色；绿色层下接着是两、三种黄色的叶黄素；随着溶剂跑到吸附柱最下层的是黄色的胡萝卜素。这样一来，吸附柱便成为一个有规则的而与光谱相似的色层。接着他便用纯溶剂淋洗，使柱中各层进一步展开，就可以达到清晰的分离。然后把该潮湿的吸附柱从玻璃管中推出，依色层的位置用小刀切开，于是各种色素就得以分开，再用醇为溶剂将它们分别溶下，即得到各成分的纯溶液。此外，他还用这种方法纯化过卵磷脂，他把这种方法命名为色层法。
茨维特的实验虽然意义很大，但并没有受到当时科学界的重视。经过 25
年后，德籍奥地利化学家库恩，进行了更深入细致的研究。他利用茨维特的实验方法，在纤维状氧化铝和碳酸钙的吸附柱上，将单一的结晶状胡萝卜素分离成为α和β两个同分异构体，并由所取得的纯胡萝卜素确定出了其分子式。
此外，他还用色层法从蛋黄中分离出了叶黄素；还曾把腌鱼腐败细菌中 所含的红色类胡萝卜素离析出来并制成了结晶。
由于库恩的辛勤工作，层析法名声大振，迅速为各国科学家们所注目， 广泛采用起来，库恩也因此获得了 1938
年诺贝尔化学奖。
自从有了色谱分析法，使许多过去被认为是单一的物质，判明却是多种化合物的混和物，一些化学反应的过程依靠这种方法而得以探讨；这种方法也帮助了科学家们了解了一些长期模糊不清的自然现象。对物质的分离起着重要影响，因而表现出极广阔的发展前景。除了色层分离外，还有离子交换分离法、分配层析与电泳层析分离法等。其中以气相色谱分析法最具特色，有必要一叙。在目前的气相色谱中，流动相是气体，称为载体，一般用氢气或氮气，有时也用氦气；液体或固体分析试样先经气化后，靠载体使其通过层析柱——色谱柱，进行层析，色谱柱装有固定相，根据固定相是液体还是固体，气相色谱便分为气—液分配色谱与气—固分配色谱。
气相色谱的依据与分配层析法基本相同。被分析的混合物由于在一定温度下其中各个组分在固定液和载气间的分配系数不同，因此逐步得以分离，不同组分分别经过不同的时间后随载体流出色谱柱，而进入检测器中。在检测器中，利用待测定物的某种物理或化学性质而把从色谱柱中流来的气流成分变化情况加以检测，并以一个信号传送给记录器。
本世纪 50 年代以后，继气相色谱分析之后，在分配层析分离法的基础上，又出现了高效液相色谱分析。
这种分析方法，更适用于分离和测定高沸点、热稳定性差、分子量比较大和具有生理活性的物质。因而它的应用范围比气相色谱更为广泛。
色谱分析法的崛起，促进了工业的发展，如在石油和环境污染物的检测中，很多时候非光谱法不可。因此，它的发展极为迅速。
最后我们谈一谈本世纪的生物化学。 说起生物化学，我们既感熟悉又感陌生。因为它是一门年轻的学科，它的发展同生理学有着密切联系。远在 19
世纪初，化学家和生物学家就对生物体中所含的各种物质的组成、性质及其代谢机理发生了浓厚的兴趣。如著名化学家李比希和武勒研究了尿素及其反应，舍弗勒尔确定了脂肪的成分并发现了高级脂肪酸等等。生物化学的重要研究目标是蛋白质。动物机体中的蛋白质含量约为
45％。植物体中含蛋白质要少些。19 世纪前对蛋白质的研究，只是限于化学—
分析时期的水平，研究蛋白质分子结构及蛋白质分子的合成工作，基本上在20 世纪才得到发展。
除蛋白质外，生物化学还研究动植物机体中的其他各种各样的物质。其中包括核酸、碳水化合物、维生素、激素等。它们对生物器官的各种功能首先是新陈代谢功能产生影响。且说蛋白质。
自古以来，人们就对蛋白质有所接触，例如鸡蛋和牛奶中含有遇热凝固的物质；豆浆可被石膏、卤水点化成豆腐；牛血可以用来制造一种叫普鲁士蓝的颜料，这些都是蛋白质的体现。
关于蛋白质是什么？直到 19
世纪末期仍然是个疑问，当时只肯定了很少几种蛋白质。在这种情况下，荷兰鹿特丹的一位医学老师穆尔德，经过对蛋白质的研究，提出了一种假说：
他认为蛋白体是由一类基团组成，这类基团由不同数量的氢、硫和磷等构成。英文为 Protein，含有第一类物质的意思。
在此以后，科学家们采用了很多种方法对蛋白质进行研究。结果发现，蛋白质是由氨基酸和各种肽所组成。到目前为止，科学家们已发现蛋白质中已知的氨基酸种类达几十种。
随着关于蛋白质中氨基酸资料积累越来越多，科学家们自然就产生了这样的问题：蛋白质分子中的氨基酸是怎样结合在一起的？俄国化学家达尼列夫斯基经过长期研究，他发现，蛋白质中的氨基酸是以酸—肽键结合在一起的。他的这一观点，不久为另一位著名化学家
E·费歇尔所证实。费歇尔从氨基酸接合成了肽类物质，他把所得到的产物叫做多肽，他还合成了最简单的多肽，其中包括由两个甘氨酸构成的双甘氨肽
H2N—CH2－CO
－NH—CH2—COOH。费歇尔证明，多肽中氨基酸靠—CO－NH—基的键结合在一起的。这种键被称做肽键。对氨基酸性质的研究结果还表明，氨基酸是两性化合物，既含有碱性基—NH2，又含有酸性基—COOH，许多氨基酸有旋光性。在蛋白质的成分中只含有α—氨基酸。从费歇尔的研究中，也可以看出蛋白质是有机物中的特殊种类。费歇尔的研究成果，鼓励科学家去探索研究蛋白质结构问题。这类研究工作，不久就达到了很大的规模。胰岛素的研究，就是其中最巨大的研究成果之一。
胰岛素是已知的蛋白质分子中最小的一个，因而被认为是探讨蛋白质奥 秘的极好对象。从 1945
年开始，英国剑桥大学教授桑格着手研究胰腺分泌的激素——胰岛素。人们知道，胰岛素分子是由两个不同长度的多肽键构成的，两键之间用二硫键连接在一起。桑格研究出了测定胰岛素中多肽链的氨基酸排列顺序的巧妙方法：他用硝基氟苯与蛋白质作用，便生成二硝基苯衍生物，然后用水解蛋白质的方法，终于分离出了
N—末端二硝基苯氨基酸，并且把它鉴定出来。他用同样的方法依次分离了多肽链上各个氨基酸，从而确定了它们的排列顺序。结果发现，胰岛素分子的
A 链含有 21 个氨基酸，B 链包括 30 个氨基酸（1949 年发现的）。
经过多年的研究，桑格终于在 1954
年，确定了胰岛素的全部结构式。这一重要成果，不仅提供了有机合成胰岛素的可能性，而且也指出了揭示其他蛋白质分子结构的途径，进而合成其他蛋白质分子。
桑格因此获得了 1958 年的诺贝尔化学奖。
我国科学家在牛胰岛素合成方面，也有突出的成绩，暂且不叙，将在第十回介绍。却说桑格是胰岛素研究领域的开拓者，固然贡献巨大，但其他一些化学家对蛋白质的进一步研究，我们不能不提。前文提到，现代化学大师鲍林对蛋白质进行了
X
衍射实验，提出了右手螺旋结构，这至少部分地回答了蛋白质的化学键的立体排列问题。然而，由于种种原因，鲍林的研究没有继续进行下去，最终搁浅。
有关蛋白质与核酸的化学结构研究，成绩瞩目的应归于英国化学家沃森和克里克。
这里介绍一下核酸的发现。核酸的发现要比蛋白质晚 30
余年，最初由瑞士巴塞尔大学的年轻生物化学家米歇尔，在用胃蛋白酶水解在外科包扎绷带上取得的化脓细胞时，分离出一种含磷的酸性物质，他称之为“核素”。后来判明，“核素”实际上是核蛋白，即核酸与蛋白质的复合体。自此以后，科学家们在各种动、植物组织中找到了这类化合物，并进一步将其中的蛋白质分离出来，而得到了核酸。
沃森和克里克在研究中发现，核酸为两类：一种叫 DNA（脱氧核糖核 酸），另一种叫 RNA（核糖核酸），其中 DNA
携带着遗传信息，决定着生物的性状。
有关 DNA 的结构，他们又发现：DNA
是由三种基组成的，这三种是糖基、磷基和碱基。它们之间的关系可用下式表示：实质上，这个式子代表一条由交替出现的糖基和磷酸基所组成的长链。沃森和克里克经过对
DNA 化学结构的深入研究，终于建立了如今十分闻名的双螺旋模型，在这个双螺旋结构中，两股 DNA
的糖—磷酸骨架彼此呈螺旋状交织在一起，就像一座螺旋直上的楼梯两边的扶手。所有碱基都联向链的内部，而且碱基上的每一个氢都和另一股上的氮形成氢键。所有氢键把这两股
DNA 紧紧地结合在一起。
生殖细胞中的 DNA，在一种酶（蛋白质）的作用下，它的两股链会逐渐 分离，并且一面分离，一面自动联合其他生物基因组成失去的那一股
DNA 链。 这样，一个 DNA 分子便形成了两个和原来相同的新 DNA 分子。这时，原来那 两股 DNA
分子所起的作用，实际上是作为用来合成两新螺旋的模板。基因和 遗传特征便以这种方式，一代传到下一代。沃森和克里克，由于在 DNA
化学结构研究方面的出色贡献，而荣获了 1962 年的诺贝尔化学奖。
如今，生物化学正以前所未有的速度发展着。有人预测，未来的化学舞台，将主要是生物化学来充当角色。欲知后事如何，且听下回分解。
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