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高等无机化学 硕士研究生学位课 任课教师 杨文胜2010年秋 教学参考书 高等无机化学 陈慧兰主编高等教育出版社 2005 教学参考书 高等无机结构化学 麦松威等主编北京大学出版社 2001 无机化学 申泮文主编化学工业出版社 2002 教学参考书 了解无机化学的发展历史及现状了解无机化学的前沿领域及趋势了解本课程教学安排及具体要求 目标 要求 一 无机化学的沿革与复兴二 无机化学的现状及趋势三 现代无机化学发展特点四 本课程内容及具体要求 第一节无机化学的沿革与复兴 人类出现 无机化学 矿物和无机物 唐代 明代 清代 第一节无机化学的沿革与复兴 1828年 有机化学1828年武勒由氰酸铵制得尿素 动摇了有机物只是生命体产物的观点 有机化学应运而生 第一节无机化学的沿革与复兴 1887年 物理化学为研究能掌握无机物和有机物的性质和反应的一般规律 产生了新的化学分支 物理化学 物理化学通常是以1887年德国出版 物理化学学报 杂志为其标志 第一节无机化学的沿革与复兴 1800 1900 无机化学的建立和发展的时期在这个时期无机化学家的贡献是 发现新元素合成已知元素的新化合物确立了原子量的氧单位门捷列夫提出了元素周期表维尔纳提出了配位学说 第一节无机化学的沿革与复兴 1900 二次世界大战 无机化学萧条时期突飞猛进的有机化学相比 无机化学进展缓慢 无重大的发现和建树 缺乏全局性的工作 当时出版的无机化学教科书 几乎都是无机化学的实验资料库 是纯粹描述性的无机化学 在无机化学专业的教育和培养方面也很薄弱 只在大学一年级开设无机化学 缺乏必要的循环 也无再提高的机会 教师只能 存在 制备 性质 用途 千篇一律 学生学起来枯燥乏味 认为 无机化学 就是 无理化学 多不感到兴趣 因而有志于无机化学的人是寥寥无几 第一节无机化学的沿革与复兴 二次世界大战及以后 无机化学复兴时期美国曼哈顿工程 原子能计划 极大地催化了无机化学的发展 使无机化学进入复兴时期 原子反应堆 新型无机材料同位素工厂 现代分析分离方法粒子加速器 超铀元素的合成无机化学理论 周期律理论 原子分子结构理论配位化学理论 无机热力学动力学理论 第一节无机化学的沿革与复兴 战后和平时期 随着工农业生产的飞跃发展 无机化学不仅在原有的天地中迅速发展 而且还不断渗透到其他各种学科而产生了新的边缘学科 如 有机金属化合物化学无机固体化学物理无机化学生物无机化学和无机生物化学 第一节无机化学的沿革与复兴 截止到2000年 CA中登录的无机化学物质条目近3000万种 且以每年100万种的速度不断增加 美国无机化学物质的产值为4000亿美元 自战后至今 无机化学已从停滞萧条时期步入了一个 柳暗花明又一村 的黄金时期 第二节无机化学发展现状及趋势 无机化学发展趋势与材料科学和生命科学的交叉 融合是无机化学当前的发展趋势 无机化学在合成和制备研究中 力求在发展新的合成方法及路线上下功夫 强调运用分子设计和晶体工程思想 推进新型化合物的合成及物质聚集状态的研究 重视无机功能材料的复合 组装与杂化 加强功能性无机物质的结构与性能关系研究 开展介观和微观结构的理论研究 无机化学与生命科学的交叉要进一步深化研究的内涵 突出无机物生物效应的化学基础研究 深化金属生物大分子 无机仿生过程及分子以上层次生物无机化学基础研究 国家自然科学基金项目指南 第二节无机化学发展现状及趋势 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l无机固体化学l核化学和放射化学 第二节无机化学发展现状及趋势 2 1现代无机合成化学 无机化合物种类甚多 合成方法差别极大 无机合成化学中未开拓的领域很多 发现一种新合成方法或一种新型结构 将就有一系列新的无机化合物出现 因此无机合成化学是无机化学的前沿热点研究领域之一 当前无机合成化学的研究重点是发展新合成反应 新合成路线和方法 新制备技术及相关反应机理的研究 第二节无机化学发展现状及趋势 2 2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 第二节无机化学发展现状及趋势 2 3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 第二节无机化学发展现状及趋势 2 4原子簇化学 原子簇化合物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 硼烷及硼烷阴离子 金属原子簇 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 超导及新型材料等方面的研究需要 促使 金属 原子簇化学快速发展 第二节无机化学发展现状及趋势 第二节无机化学发展现状及趋势 2 5超分子化学 超分子化学 就是 超越分子概念的化学 它是指两个以上的分子以分子间作用力所形成的有序聚集体的化学 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的发展进入了一个新的历史阶段 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 分子 和 超分子 的键合作用明显不同 分子组装和体现某种特定功能的分子器件和超分子器件是超分子化学的重要研究方向 第二节无机化学发展现状及趋势 2 5超分子化学 第二节无机化学发展现状及趋势 2 6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 第二节无机化学发展现状及趋势 2 6生物无机化学 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 N218pmFe N201pm 血红蛋白血红素 第二节无机化学发展现状及趋势 2 6生物无机化学 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 第二节无机化学发展现状及趋势 2 7稀土元素化学 稀土是中国的丰产元素 世界稀土资源的80 在中国 稀土在光 电 磁 催化等方面具有独特的功能 如 含稀土的分子筛在石油催化裂化中可使汽油产率大大提高 硫氧钇铕在电子轰击下产生鲜艳的红色荧光 可使彩电的亮度提高1倍 稀土永磁材料用于电机制造 可缩小体积 做到微型化和高效化 在高温超导材料中也缺不了稀土元素 第二节无机化学发展现状及趋势 2 8无机固体化学 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 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 第二节无机化学发展现状及趋势 2 9核化学和放射化学 20世纪上半叶 从发现放射性元素 核裂变 人工放射性 到核反应堆的建立 核爆炸的毁灭性破坏等 核化学和放射化学一直是十分活跃和开创性的前沿领域 到后半个世纪 放射性同位素和核技术在分析化学 生命科学 环境科学 医学等方面紧密结合 使其应用和交叉研究蓬勃发展起来 第三节现代无机化学发展特点 l从宏观到微观l从定性描述到定量化方向发展l静态与动态 过程 相结合l既分化又综合 出现许多边缘学科 第三节现代无机化学发展特点 3 1从宏观到微观 20世纪的无机化学进入到物质内部深层次的研究阶段 也即进入了微观水平的研究阶段 人们现在不只研究无机化合物的宏观性质 而且更重视物质的微观结构的研究 即原子 分子内部结构特别是原子 分子中电子的行为和运动规律的研究 从而建立了以现代化学键理论为基础的化学结构理论体系 第三节现代无机化学发展特点 3 1从宏观到微观 与此要求相适应 现代的许多新的研究方法 例如光谱学的 能谱学的 磁学的以及射线晶体学的方法也都是在分子水平上进行研究工作的 现代无机化学不再是 无理 化学 而是既有翔实的实验资料又有坚实的理论基础的完全的科学 第三节现代无机化学发展特点 3 2从定性描述到定量化方向发展 现代无机化学尤其是理论无机化学和结构无机化学 已普遍应用线性代数 群论 矢量分析 拓扑学 数学物理等现代的数学理论和方法 并且应用电子计算机进行科学计算 对许多反映结构信息及物理化学性能的物理量进行数学处理 这种数学计算又与高灵敏度 高精确度和多功能的定量实验测定方法相结合 使对无机化合物性质和结构的研究达到了精确定量的水平 第三节现代无机化学发展特点 3 3静态与动态 过程 相结合 合成 结构表征和测定的研究模式属于静态结构研究模式 为人们留下一大批新的化学物质的资料 是化学界的重要财富 化学作为研究物质化学变化的科学 也重视化学反应过程的研究 但由于方法和思路的限制 化学反应历程的早期研究仅限于小分子参与的宏观动力学研究 且只能研究速率较慢的简单反应 停留技术及各种快速检测和收集数据的手段才使人们有可能研究快速反应过程 近年来把微观概念引进反应过程研究的微观反应动力学有了重大突破 形成现代化学的一个热点 第三节现代无机化学发展特点 3 4既分化又综合 出现许多边缘学科 20世纪的无机化学一方面是加速分化 另一方面却又是各分支学科之间的相互综合 相互渗透 形成了许多新兴的边缘学科 如 无机化学 有机化学 有机金属化合物化学生物化学 无机化学 配位化学 生物无机化学固体物理 无机化学 无机固体化学无机化学 高分子化学 无机高分子化学 现代无机化学既有理论又有事实 它把最新的量子力学成就作为自己阐述元素和化合物性质的理论基础 也力图用热力学 动力学的知识去揭示无机反应的方向和历程 无机化学家不是单纯地提供实验结果而是也在不遗余力地进行理论探索 他们擅长于实验合成 也胜任于对自己的实验发现作出理论说明 无机化学涉猎的范围很宽 周期表中的100多种元素以及除烃和烃衍生物以外的所有化合物都是无机化学的研究对象 因此无机化学的研究任务异常繁重 但同时也说明 无机化学是一门丰富多彩具有无限发展前途的学科 小结 第四节本课程内容及具体要求 4 1课程主要内容 高等无机化学 课程报告 内容 无机化学