绪论Microsoft PowerPoint 演示文稿

开卷有益,无机化学上册基本化学原理部分,本篇安排7章内容介绍无机化学的基础。前两章介绍涉及物质结构中的原子结构和分子结构基本理论，由于所有成键模型在原子性质基础上，故将原子结构内容安排在第一章，第二章实际是第一章的应用和扩展；第三、四章介绍学习无机化学反应必须知道的“化学热力学和动力学”基础；后三章则介绍化学反应的基本原理，先介绍涉及质子转移和电子对共享的反应，许多化学反应是归于其中的一类，事实上，后一类反应有助于说明元素(特别是过渡元素)形成的一类化合物金属配位化合物的结构和性质(第7章)。第6章介绍另一大类反应氧化还原反应及其应用。,无机化学学科的现状和发展,无机化学的研究范围,无机化学是研究无机物质的组成、性质、结构和反应的科学。无机物质包括除有机化合物以外的所有元素及其化合物，因此无机化学的研究范围极其广阔。化学中最重要的一些概念和规律，如元素、分子、化合、分解、定比定律和元素周期律等，都是无机化学早期发展过程中形成和发现的。目前无机化学仍是化学科学中最基础的部分。因为它研究的对象覆盖整个周期表中的元素，它遇到的结构类型丰富多采，研究的化学健型复杂多变，涉及化学根本问题的规律及理论也大都是由无机化学衍生出来的。无机化合物的多样性，导致了在实践中的一系列重要应用。,1,d区元素,无机化学研究的对象覆盖整个周期表中的元素,基础研究,2,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，也用热力学和动力学的知识去解释无机反应的方向和历程。,分子轨道理论分析FeCp2化学键,NH3,SF6,CO,HF,使用先进的波谱学方法研究反应机理和结构,红外光谱分析金属有机化合物的结构,王伯周等利用原位红外跟踪亚硝基化反应过程，综合解析原位红外光谱数据，发现了亚硝基存在的证据，证实了3-氨基-4-偕氨肟基呋咱(AAOF)的合成历程是由亚硝化、重排、肟化、脱水缩合四步完成。,AAOF合成反应中亚硝基化过程的原位红外三维光谱图（a）-NO;(b)N=C;(c)-OH,对PdCl2(NH3)2结构的判断，可依赖于其红外和拉曼光谱的不同：在Pd-Cl伸展区,顺式异构体在两种谱上都有两个带，而反式异构体在两种谱的不同振动频率上各有一个带。,PdCl2(NH3)2的红外光谱和拉曼光谱,利用紫外-可见吸收光谱可以研究过渡金属配合物的电子跃迁（d-d跃迁、f-f跃迁）、荷移吸收和配体内电子跃迁（配位体-金属荷移跃迁LMCT、金属-配位体荷移跃迁MLCT），因而可用于金属配合物的结构鉴定。,Ti(H2O)63+的吸收光谱,NMR谱图中提供化学位移信号的位置、耦合常数信号的数目、积分信号的强度等信息，便可以帮助我们分析分子结构。,研究者以B11H14质子去偶合的11BNMR谱，揭示了峰比1:5:5，表示它为巢式结构，即硼骨架由缺顶点的20面体组成。,应用研究,3,金属有机化合物,金属有机化合物是现代无机化学中的一个活跃的领域。金属有机化合物通常指至少含有一个MC键的化合物。,12341827年1890年1930年1951年,PtCl3(C2H4)-Ni(CO)4Fe4(CO)132-Fe(C5H5)2,1951年,(C5H5)2Fe被发现了,它的橙色晶体不但对空气、湿气以及高达470的温度稳定，而且在沸腾的盐酸和10%NaOH溶液中不分解。不寻常的稳定性必然反映了不寻常的结构。,德国科学家费歇尔（FisherEO）和美国科学家威尔金森（WilkinsonG）由于对夹心化合物研究的出色贡献，获得了1973年诺贝尔化学奖。,配位化学,在20世纪，无机化学注意活跃的领域就是配位化学：依赖物理测试手段已经能够定量地搞清配合物结构的细节；利用晶体场-配位场理论、分子轨道理论可以对配合物的形成、磁学、光谱学的性质等理论问题做出说明；已能准确测定或计算配合物形成和转化的热力学数据；利用经特别设计的配体去设计合成某种模型配合物，用于研究配位反应机理、确定反应的类型，即配合物形成和转化的动力学知识也获得了迅速发展。,金属配合物的研究以发展为现代化学的一个重要分支。金属羰基化合物以及类似的配合物研究极大地推动了价键理论的发展，-协同成键方式丰富了配位成键的宝库。,形成dp键：大体上可将金属有机化合物看作由低氧化态过渡元素与酸配体形成的配合物。,金属原子簇化合物化学,金属原子簇化合物大多具有优良的催化性能，有的还具有特殊的电学、磁学性质，如PbMo6S8在磁场中是良好的超导体，某些含硫有机配体的簇合物有特殊的生物活性，是研究铁硫蛋白和固氮酶的模型物。,钼、铁、硫等原子簇化合物,生物无机化学,生物无机化学是最近几十年发展起来的无机化学与生物化学交叉的边沿学科，其基础研究方向直接与生命过程相关,主要探讨人体中的微量金属离子与蛋白质的配位作用以及金属酶的活性中心对生物功能的影响和在生命过程中作用。,血红蛋白的血红素中心,无机固体化学,现代社会中的三大支柱产业能源,信息和材料都与无机化学的基础研究密切相关。,超导体的排斥磁场效应,金属汞的电阻-温度关系,(1911年，K.Onnes),上海-杭州磁力悬浮火车.最高时速：500公里/小时.全长：199公里.技术：磁悬浮,超导性元素在周期表中的分布,物理学评论于1957年刊登了一篇理论文章，第一次解释了在低温下一些材料电阻完全消失的现象。在实验线索和早期理论尝试的基础上，来自伊利诺斯大学（UniversityofIllinoisinUrbana）的JohnBardeen，LeonCooper和RobertSchrieffer不仅解释了电阻消失的现象，同时还解释了超导体的许多磁学和热学性质。即所谓的BCS理论，他们的发现还对粒子物理理论有重要的影响，并且为解释高温超导现象的尝试提供了依据。他们因超导的BCS理论获得1972年诺贝尔物理学奖。,YBa2Cu3O7超导体的结构(a)金属原子的位置;(b)以金属原子为中心的氧多面体。与钙钛矿中金属离子的正八面体环境不同，“123”化合物中的金属离子具有平面四方型或四方锥配位环境,高温超导体,随意的穿着、矮胖的身材、慈祥的微笑谁也不会想到眼前的这位长者竟是1987年诺贝尔物理学奖获得者、现任瑞士IBM苏黎世实验室教授J.GeorgBednorz。因发现陶瓷材料中的超导电性所作的重大突破，Bednorz和瑞士物理学家KarlAlexanderMller共同获得了1987年的诺贝尔物理学奖。他们取得的这一重大突破，曾引起了以美国、日本和中国为中心的全球性的“超导热”。,太阳能的高效开发需有高效率的太阳能集光和转换装置作基础,集光型球状硅太阳能电池,高能蓄电池,燃料电池的应用需特殊的固体材料,高能亚胶体蓄电池,燃料电池,燃料电池汽车,信息的产生,转化,存储,调制,传输,传感,处理和显示都要有相应的固体物质作为材料和器件,信息存储,光纤传感,非金属无机化学,一些非金属材料,一些非金属无机化学最突出的领域,稀有气体化学,1962年3月32日下午6时45分BartlettN第一个观察到“惰性气体”元素的化学行为：XePtF6红色液体生成！,设计并测定了XePtF6的标准生成焓为负值（-60KJmol-1）,思路：刚刚制备出新化合物：O2（g）+PtF6(s)=O2+PtF6-(s),O2+e-XeXe+e-,I1=1180kJmol-1I2=1170kJmol-1,r=201pmR=210pm,O2+,Xe+,硼烷化学,简单硼氢化合物的性质和反应,(1)分类：按组成可分为BnHn+4和BnHn+6两类,(2)结构：B：利用sp3杂化轨道，与氢形成三中心两电子键（氢桥）,美国物理化学家LipscombW关于硼烷和碳硼烷的研究获1976年诺贝尔化学奖,富勒烯化学,富勒烯中以C60最稳定，其笼状结构酷似足球，相当于一个由二十面体截顶而得的三十二面体。32个面中包括12个五边形面和20个六边形面，每个五边形均与5个六边形共边，而六边形则将12个五边形彼此隔开。与石墨相似，C60分子中每个C原子以sp2.28杂化方式与相邻的C原子成键，剩余的p轨道在C60的外围和内腔形成球面离域大键，可简单地将其表示为每个C原子与周围3个C原子形成2个单键和1个双键。,英国科学家克罗托(KrotoHW),美国科学家柯尔(CurlRF),美国科学家斯莫利(SmalleyRE),获得1996年诺贝尔化学奖,C60室温下为分子晶体(面心立方结构),能隙为1.5ev,意味着C60为半导体。C60的活泼性与分子中存在双键有关。用纯石墨作电极，在Ne中放电，电弧中产生的碳烟沉积在水冷反应器的内壁上，这种碳烟中存在着C60、C70等碳原子簇。C60是一个直径为0.7nm的空心球，其内腔可以容纳直径为0.5nm的其他原子，如K、Na、Cs、La、Ca、Ba、Sr、U和多个离子（生成富勒烯的包合物MnC60）。其中，掺K的K3C60在-255为超导体。,除C60外，具有这种封闭笼状结构的还有C26、C32、C52、C90等。,超分子化学,超分子化学是一门处于近代化学、材料化学和生命科学交汇点的新兴学科。以非共价键弱相互作用力键合起来的复杂有序且有特定功能的分子结合体“超分子”是共价键分子化学的一次升华，被称为“超越分子概念的化学”，它不仅在材料科学、信息科学，而且在生命科学中均具有重要的理论意义和广阔的应用前景。超分子化学研究的内容主要包括：分子识别，分为离子客体的受体和分子客体的受体；环糊精；生物有机体系和生物无机体系的超分子反应性及传输；固态超分子化学，分为晶体工程、二维和三维的无机网络；超分子化学中的物理方法；模板，自组装和自组织；超分子技术，分为分子期间和分子技术的应用。,K2Pt(CN)40.3Br3H2O配合物(分子导线),为了鼓励和推进超分子化学的深入研究，1987年诺贝尔化学奖授予了超分子化学研究方面的三位科学家：美国的佩德森（PedersenCJ）、克拉姆（CramDJ）和法国的莱恩（LehnJM）。莱恩在获奖演说中曾为超分子化学作了如下解释：超分子化学式研究两种以上的化学物种通过分子间力相互作用缔结而成的具有特定结构和功能的超分子体系的科学。,C.Pedersen美国化学家首次报道“冠醚”(crownether),D.Cram美国有机化学家提出“主-客体化学”（host-guestchemistry）,J.M.Lehn法国生物化学家首次报道“穴醚”(cryptant),现代无机化学发展的特点,4,从宏观到微观：现代无机化学是既有翔实的试验资料，又有坚实的理论基础的完整科学。从定性描述向定量化方向发展：现代无机化学特别是结构无机化学已普遍应用线性代数、群伦、矢量分析、拓扑学、数学物理等现代的数学理路和方法，应用电子计算机对许多反映结构信息及物理化学性能的物理量进行科学计算和数学处理。这种数学计算又与高灵敏度、高精度、多功能的定量实验测定方法相结合，使研究结果达到了精确定量的水平。即分化又综合，出现许多边缘和交叉学科：一方面是自身发展，各分支学科相互综合，又与其他学科相互渗透，形成了许多边缘和交叉学科。,如何进行基本化学原理教学,承前启后:既关注中学基础,又注意与后续课程的衔接,兼顾叙述的系统性和要求层次的区别；深入浅出:既要讲述基本原理的核心内容,保证概念的准确性,又不过多涉及物理和数学推导；注重实验与史实:引入必要的实验现象和数据,参照历史发展过程介绍一些概念的产生和演变,使学生能初步领会人类认识自然的相对性和局限性,以利于科学思维和创新精神的培养。,讲课原则,目的：建立无机化学框架,1,原子结构化学键与分子结构,化学热力学化学动力学,酸碱反应氧化还原反应,4个量子数元素周期表,分子轨道理论,G=H-TS,v=kca(A)cb(B)(质量作用定律）,质子转移和电子对共享电子转移,元素化学是肉,方法：采用大纲式教学法,2,授课要有自己的观点、见解，并事先写成提纲发给学生，让学生全面了解讲授的取材范围和讨论层次，知道要怎么预习,要听什么，要问什么,将来准备研究什么，这样学生就会掌握学习的主动权。这是一种易于学生自学的方法，可以刺激学生的学习积极性，增强学生学习的自觉性，多读书、多思考、多提问，使学生获得高涨的学习兴趣和处于饱满的精神状态，营造出和谐宽松的教学气氛。对于学生感兴趣的问题,可以作为学生小论文的课题去研究，从而激发学生的创新思维。,如何实施“大纲式教学方法”？,例：“原子结构”部分,大学,中学,问题：如何过渡？(由小知识体系向大知识体系过渡)如何深入展开？落脚在哪里？背景如何？即如何让学生了解学习的目的。,处理:(提供知识体系、要求),原子结构模型的发展,了解背景，有一个总的认识；每个理论过渡的关键是什么？重点要讲什么？难点是什么？本课程讲到哪里，哪些是后续课程的要求？,铃木章,根岸英一,理查德赫克,今年化学诺奖有什么用?,强力抗癌药物、高效的有机杀虫剂、能够自己发光的薄膜显示器，这些东西有什么共同点？那就是，它们都由复杂有机分子组成。碳元素是地球生命的基础，有机分子都有着碳原子搭成的“骨架”。碳原子之间的结合是有机化学的核心，人们经常会在自然界新发现一些有巨大应用潜力的复杂有机物，但这些物质的天然产量往往很少，如果不能有效地人工合成，潜力就无法变成现实。,第一个问题的产生,但是，让来自不同分子的碳原子互相结合，不是一件容易的事，因为碳原子化学性质不活泼。,解决的第一步,法国化学家维克多格林尼亚（FranoisAugusteVictorGrignard，1871-1935）,怎么让这些懒洋洋的碳原子活跃起来，好将它们凑作一堆？一百多年前人们已经想到办法，法国科学家格林尼亚发明了一种试剂，利用镁原子强行塞给碳原子两个电子，使碳原子变得活跃。这是一项非常重要的成果，使格林尼亚获得了1912年的诺贝尔化学奖。,但是，这样的方法在合成复杂大分子的时候有很大局限。人们不能控制活跃的碳原子的行为，反应会产生一些无用的副产物。在制造大分子的过程中，副产物生成得非常多，反应效率低下。,用钯作为催化剂可以解决这个问题。钯原子就像“媒人”一样，把不同的碳原子吸引到自己身边，使碳原子之间的距离变得很近，容易结合也就是“偶联”，而钯原子本身不参与结合。这样的反应不需要把碳原子激活到很活跃的程度，副产物比较少，更加精确而高效。,第二个问题的产生,解决的第二步,20世纪60年代末至70年代初，美国科学家理查德赫克研究出了后来被称为“赫克反应”的方法，利用称为烯烃的有机小分子在钯催化作用下合成大分子。1977年，日本科学家根岸英一用锌原子将碳原子运送到钯原子