无机化学绪论2017

无机化学 Inorganic Chemistry,吴威平Tel.(67147)QQ: 394397582(化学与制药工程学院),无机化学的学习方法：1 学习态度 主动学习(态度决定一切!)2 学习方法 做到三习: 课前预习、课后复习, 适当练习2 适当练习 独立完成习题3 勤学好问4 重视实验 chem-is-try,参考书: 图书馆的有关“无机化学”、 “普通化学”、 “化学原理” 、 “大学化学”等。,成绩：平时 40% (包括考勤、作业及平时测验等) 期末考试 60% (闭卷统考),化学是一门中心科学,原子核 原子、分子、晶体 生物体 物体,天体,无机化学就是研究元素周期表中除烃和烃的衍生物以外的所有化合物的结构、性质、反应和应用的一门科学。,三星的Note 7 手机爆炸!?,有机硅化合物让锂电池更安全。,威斯康辛大学的化学教授Robert Hamers分析了其化学机理是由于一系列的反应产生雪崩效应, 使电池内部的反应失去控制造成爆炸。那么, 他的解决办法就是加入5%到10%的有机硅化合物，阻止这种雪崩反应的进行, 并据此技术成立了公司, 获得了800万美元的资助。,什么叫“化学”?,核心概念与内容：分子内与分子间相互作用 (化学键, 弱作用)合成与反应结构与性质,分子层次上研究物质的组成、结构、性质与转化,识别天然物质, 创造新物质,以非共价键弱相互作用力结合起来的复杂有序且有特定功能的分子结合体“超分子”。例如:DNA,超分子化学,三硝基芴(trinitrofluorene, 蓝色) 夹在分子镊子(molecular tweezers, 红色)中, 两者经由芳香性重叠作用 (-堆积作用) 结合在一起,分子镊子(molecular tweezers),现代无机化学的主要分支学科,l 现代无机合成l 配位化学l 有机金属化学l 原子簇化学l 超分子化学l 生物无机化学l 稀土元素化学 无机固体化学 物理无机化学l 核化学和放射化学,无机化学不断渗透到其他各种学科而产生了新的分支和边缘学科。,配位化学,配位化合物种类庞大, 约占无机化合物的75以上, 因此配位化学是无机化学研究中一个主要方向。 配位化学从上世纪60年代起与生命科学结合, 成为生物无机化学产生的基础。,配位化学与材料科学也形成了最紧密的结合。配合物的良好催化作用在有机合成、高分子合成中发挥了极大作用; 在功能材料 (如光、电、磁、超导、信息存储等) 领域也展现出广阔的发展前景。,Coordination Chemistry,迄今最大的三十二面体单体配合物分子笼(M30L60),其内腔足以装进一个蛋白分子,M30L60,有机金属化学,有机金属化学研究金属与有机基团直接相键合(M-C键)的化合物, 包括了为数众多的一大类化合物, 它是有机和无机化学相互渗透的边缘领域, 同时又是无机化学极其活跃的新兴领域之一。 有机金属化合物在催化材料、非线性光学材料、半导体材料、液晶材料、抗肿瘤药物等方面展现了广阔的应用前景。,Fe2(CO)9,Organometallic Chemistry,Fe(C5H5)2, 二茂铁,原子簇化学,原子簇化合物(原子间直接键合形成分立多面体骨架结构)的发现逐渐形成了一门新兴的化学分支学科 原子簇化学。,原子簇化合物的基本类型有：金属原子簇、硼烷及硼烷阴离子、 富勒烯及其衍生物。,20世纪70年代后由于化学模拟生物固氮、金属原子簇化合物的催化功能、生物金属原子簇、超导材料等方面的研究需要, 促使(金属)原子簇化学快速发展。,纳米碳管,Chemistry of Clusters,C60,生物固氮酶,FeMo-cluster,N2分子是在三棱柱体空腔中与 Fe原子形成六连N2桥物种而活化并被还原的。,八核Zn(I)立方结构簇合物具有前所未有的立方芳香性电子结构,立方芳香性金属簇合物 ZnI8,立方芳香性的概念将不仅扩展了现有的芳香性理论, 而且有望成为化学科学中的一个新概念, 为该领域科研人员打开一片全新视野。把化学家们可以制备出的芳香结构的种类向前推进了一步。,超分子化学,超分子化学: 就是“超越分子概念的化学”, 它是指研究两种以上分子通过分子间作用、以分子识别为构造基础所形成的高次集合体的结构和功能的化学。 超分子化学是近年来在一些交叉学科中产生的边缘学科, 从分子化学到超分子化学标志着化学发展进入一个新的历史阶段。,分子化学和超分子化学间及超分子化学与分子器件科学间的关系,Supramolecular Chemistry,超分子化学发源于有机化学中的大环化学, 特别是冠醚、穴醚、环糊精、杯芳烃和富勒烯等化学。Cram和Lehn基于对这些大环化合物对无机离子的配位和识别作用, 提出了主客体化学(HostGuest chemistry)的概念, 即把大环化合物称作主体化合物而把进入大环的无机离子或小的有机分子称作客体。,1991年制备出第一个球烯包合物LaC82, K、Rb 、Cs等碱金属与C60的包合物具有超导性。,分子识别、转换和传输是超分子物种的基本功能。通过分子组装形成超分子功能体系, 是超分子化学的目标之一。,当质子和钠离子都存在时产生荧光,J. Am. Chem. Soc., 2010, 132 (25), pp 85448545,三硝基芴(trinitrofluorene, 蓝色) 夹在分子镊子(molecular tweezers, 红色)中, 两者经由芳香性重叠作用结合在一起,分子镊子(molecular tweezers),从成千上万个肉眼无法辨别的碳纳米管中筛选出粗细合乎需求的，其困难程度无异大海捞针。日本科学家开发出一项新技术，利用含有“分子镊子”的溶液，使分选不同直径的碳纳米管简单得犹如用筷子夹豌豆。只有粗细正好能被“分子镊子”夹住的碳纳米管才能够进入溶液。将不同直径的碳纳米管分离之后，向溶液里添加其他物质，使“分子镊子”松开，特定直径的碳纳米管就被筛选出来了。调节“分子镊子”的大小，就可以夹出各种不同直径的碳纳米管。,也可用分子笼,超分子笼状体系在客体的识别分离、药物输送、生物传感和催化方面有很重要的作用。,生物无机化学,生物无机化学是最近一二十年才迅速发展起来的一门无机化学与生物化学之间的边缘学科。生物无机化学研究的范围很广, 一方面, 它应用无机化学 (特别是配位化学) 的理论原理和实验方法研究生物体中无机金属离子的形态和功能, 阐明金属离子和生物大分子形成的配合物的结构与生物功能的关系; 另一方面, 又要研究如何应用上述原理和规律为人类服务, 特别是为人类的健康服务。,Bioinorganic Chemistry,研究金属离子在生命体中的生理生化行为, 是目前十分重要的研究领域。如：血红素, 细胞色素, 叶绿素, 维生素, 铁蛋白, 钼铁蛋白, 锌蛋白, 硒蛋白, 钙调蛋白及几十种重要的金属酶的结构与存在形式, 生理生化功能, 毒副作用等。,高自旋亚铁脱氧 低自旋正铁氧合 Fe-N 218pm Fe-N 201pm,血红蛋白血红素,应用研究方面：抗癌药物 (顺铂), 稀土放疗, 艾兹病 (杂多酸), 营养滋补品 (各类补钙、铁、锌、锗、硒制剂)。生物无机化学是配位化学、生物化学、医学、营养化学、环境科学等学科相互渗透互相融合的产物。,cis-PtCl2(NH3)2,无机固体化学,无机固体材料是当今社会的三大支柱材料、能源、信息的基础。无机固体化学与无机固体材料密切相关，是无机固体材料研究开发的理论基础。,Inorganic Solid State Chemistry,无机固体化学是研究固体物质(包括材料)的制备、组成结构和性质的科学。是一门涉及物理、化学、晶体学和多种技术学科的边缘学科。,例如, 超导材料的研究离不开无机化学。, 1986年Bednory和Muller发现镧、钡、铜的混合氧化物在35 K显示超导性; 开辟了陶瓷超导研究的新路, 他们因此获得1987年诺贝尔物理学奖。1986年底, 包括中国科学院物理研究所在内的三个小组独立进行了以Sr代Ba的实验, 将Tc提高到约40 K。1987年2月, 人们发现Tc达90 K的Y-Ba-Cu-O超导氧化物, 实现了液氮区的超导性. 随后, Tc超过100 K的Bi-Sr-Ca-Cu-O系及Tl-Ba-Ca-Cu-O系超导体也被发现.,一类非常重要的无机非金属材料是高技术陶瓷材料,它包括功能陶瓷和结构陶瓷两大类:, 压电陶瓷是一种典型的功能陶瓷,它能将电能转换成机械能,或者将机械能转换成电能。用它做成的换能器、传感器已广泛用于超声、水声、电声等技术领域。,如，医生使用超声波扫描仪的探头(用压电陶瓷做成)放在人体需要检查的部位，荧光屏上就会显示因人体内部的情况。, 典型的结构陶瓷有氮化硅、碳化硅、增韧氧化锆等高温结构陶瓷。它们具有强度高、耐磨损、耐高温、耐腐蚀等优良性能,已被广泛用来制造机械部件,尤其是制作发动机耐热部件。,化学工作者的核心任务是探索物质变化的奥秘和合成新物质和材料, 元素是我们的原始材料！学好无机化学, 深入了解这些元素和化合物的性质和规律, 才能得心应手的利用这些原料来设计和创造人们所需要的新材料！ 本课程主要是打牢无机化学基础知识, 为后续课程的学习提供坚实基础。,微观,宏观,结构-性质的关系-用这些理论去分析、研究和解决化学问题,物 质 的变化规律,元素化学,物质的形态与结构,原子结构分子结构晶体结构气液固体,化学热力学化学动力学酸碱平衡沉淀平衡氧化还原平衡配位平衡,元素通论s区元素p区元素d, ds区元素f 区元素,基础无机化学的主要内容,预备知识: 理想气体状态方程式,假定： 分子不占有体积(忽略尺寸) 分子间作用力忽略不计,压力,体积,温度,气体常数,物质的量,适用于：温度较高或压力较低时的稀薄气体,R = 8.314 J mol-1 K-1,变式: PV = (m/Mr) RT,气体的最基本特征：具有可压缩性和扩散性,P V = n R T,一、 理想气体,组分气体: 理想气体混合物中每一种气体叫做组分气体。,TV,nB,nA,P总,混合气体分压定律,分压: 组分气体B在相同温度下单独占有与混合气体相同体积时所产生的压力, 叫做组分气体B的分压。,PA,PB,nB,nA,PA= nA(RT/V),PB= nB(RT/V),P总V= n总RT,混合气体的总压等于混合气体中各