哈工大张兴文无机化学绪论

1、无机化学无机化学无机化学主讲人主讲人：张兴文张兴文哈尔滨工业大学无机化学绪绪 论论无机化学的发展史无机化学的发展史 新世纪化学的突破口新世纪化学的突破口 无机化学学科的交叉无机化学学科的交叉 无机化学课程体系无机化学课程体系 本课程学习方法和要点本课程学习方法和要点 无机化学课程参考书无机化学课程参考书无机化学化学的发展史化学的发展史 萌芽时期人类在实践中摸索经验的历史萌芽时期人类在实践中摸索经验的历史 如：科学早期的发展，炼丹术和医药化学时期（公如：科学早期的发展，炼丹术和医药化学时期（公元前元前1500年公元年公元1650年）年） 化学方法在医药和冶金方面的应用化学方法在医药和冶金方面的应

2、用 早期的科学发展产生了材料、冶金、地学、化学、早期的科学发展产生了材料、冶金、地学、化学、医药等学科医药等学科无机化学化学的发展史化学的发展史 近近代化学时期代化学时期 1775年前后，拉瓦锡（年前后，拉瓦锡（Lavosier）发现了）发现了 元素周期律元素周期律 1803年道尔顿（年道尔顿（Dalton）提出原子学说。）提出原子学说。 现现代化学时期代化学时期 量子论量子论 生物学蛋白质、酶的结构生物学蛋白质、酶的结构 无机化学化学的发展史化学的发展史 总之，化学为人类认识物质世界总之，化学为人类认识物质世界 改造世界改造世界 促进人类的文明进步促进人类的文明进步 做出了重大的贡献做出了重

3、大的贡献 无机化学化学的发展史化学的发展史自然科学的发展形成了诸如下面的学科自然科学的发展形成了诸如下面的学科: 材料学材料学 物理学物理学 冶金学冶金学 地学地学 矿物学矿物学 生物学生物学 化学化学 医学医学 等学科等学科 无机化学化学的发展史化学的发展史化学学科分为化学学科分为: 无机化学无机化学 物理化学物理化学 有机化学有机化学 分析化学分析化学 无机化学v数理学科数理学科 v生命科学生命科学 v材料学科材料学科 v能源科学能源科学 v地球和生态环境学科地球和生态环境学科 v信息科学信息科学 v纳米科学技术纳米科学技术 v工程技术科学工程技术科学 v哲学和社会科学哲学和社会科学与化学

4、的交叉学科与化学的交叉学科化学的发展史化学的发展史无机化学特点：特点： v研究科学基本问题与解决实际问题研究科学基本问题与解决实际问题相结合，常常出现预料不到的突破相结合，常常出现预料不到的突破 v各学科纵横交叉解决生产和生活问各学科纵横交叉解决生产和生活问题题 v化学学科的自身继续发展和与相关化学学科的自身继续发展和与相关学科融合发展相结合学科融合发展相结合 v化学学科内部的传统分支继续化学学科内部的传统分支继续 发展和做为整体发展相结合发展和做为整体发展相结合 化学的发展史化学的发展史无机化学v在近代化学时期在近代化学时期, ,无机化学家发现了数十种新无机化学家发现了数十种新元素元素 v合

5、成了数以百万计已知元素的各种各样化合合成了数以百万计已知元素的各种各样化合物物 v确立了定比定律（确立了定比定律（18601860年）年） v提出了以提出了以O O原子为原子为1616的基准的元素原子量的基准的元素原子量 化学的发展史化学的发展史无机化学化学的发展史化学的发展史 在无机化学的发展进程中在无机化学的发展进程中 v创立了近代自然科学基石之一的元素周期律创立了近代自然科学基石之一的元素周期律 v奠定了配位化学的基础（奠定了配位化学的基础（WernerWerner，18931893年）年） v创办和发行了无机化学期刊创办和发行了无机化学期刊 以美国为例，无机化学已成为化学研究生的以美国

6、为例，无机化学已成为化学研究生的热门专业热门专业 在美国化学历届年会上宣读的论文数最多的在美国化学历届年会上宣读的论文数最多的常是无机化学常是无机化学 无机化学无机化学学报最早创办的期刊：无机化学学报最早创办的期刊： v 18921892年德国年德国无机和普通化学学无机和普通化学学报报 v 1959 1959年英国年英国无机及核化学学报无机及核化学学报 v 1956 1956年前苏联年前苏联无机化学学报无机化学学报 v 二十世纪二十世纪6060年代，美国（年代，美国（19621962年）、法（年）、法（19641964年）、瑞士（年）、瑞士（19671967年）无机化学报均争相问世年）无机化学

7、报均争相问世 化学的发展史化学的发展史无机化学无机化学 研研究原子、分子片、结构单元、高分究原子、分子片、结构单元、高分子、原子团簇、超分子、生物大分子、子、原子团簇、超分子、生物大分子、分子和原子的各种不同维数、不同尺分子和原子的各种不同维数、不同尺度和不同复杂程度的聚集态和组装态度和不同复杂程度的聚集态和组装态 分分子材料、分子器件和分子机器的合子材料、分子器件和分子机器的合成和反应，制备、剪裁和组装成和反应，制备、剪裁和组装 分分离和分析，结构和构象，粒度和形离和分析，结构和构象，粒度和形貌，物理和化学性能，生理和生物活貌，物理和化学性能，生理和生物活性及其输运和调控的作用机制性及其输运

8、和调控的作用机制 上述各方面的规律，相互关系和应用的上述各方面的规律，相互关系和应用的一门自然科学一门自然科学 C C6060分子分别吸附在分子分别吸附在STMSTM针针尖上和生长于金表面的硫尖上和生长于金表面的硫醇单分子层自组装膜上构醇单分子层自组装膜上构成的双隧道节示意图成的双隧道节示意图化学研究的范畴化学研究的范畴无机化学化学主要研究化学主要研究物质（物质（substance）的组成和结构）的组成和结构 物质的组成和结构变化（化学变化或物质的组成和结构变化（化学变化或 化学反应）以及伴随这些变化的效应化学反应）以及伴随这些变化的效应物理主要探讨物理主要探讨 物质与其组成无关的特性以及物质

9、无需联物质与其组成无关的特性以及物质无需联 系的组成和结构一般性质系的组成和结构一般性质不改变物质组成和结构变化（物理变化）不改变物质组成和结构变化（物理变化）化学研究的范畴化学研究的范畴无机化学新世纪化学的突破口新世纪化学的突破口 分子间的作用力如氢键和分子间的作用力如氢键和范德华力等是化学中的基范德华力等是化学中的基本概念，但这些弱作用力本概念，但这些弱作用力的本质，对分子、原子的的本质，对分子、原子的聚集影响等问题聚集影响等问题 注重分子间的弱相互作用注重分子间的弱相互作用研究，给化学科学带来新研究，给化学科学带来新的发展机遇，同时对材料的发展机遇，同时对材料科学和生命科学的发展有科学和

10、生命科学的发展有重要意义重要意义 由不同取向由不同取向C C6060分子形成分子形成的二维畴结构的二维畴结构具有化学键分辨具有化学键分辨率的率的C C6060单分子单分子STMSTM图象图象分子间多层次的化学问题分子间多层次的化学问题 无机化学 利用化学理论、研究方利用化学理论、研究方法和手段来探索生物医学法和手段来探索生物医学问题的化学生物学正在形问题的化学生物学正在形成成 有迹象表明，有迹象表明，化学生化学生物学物学将成为未来将成为未来2020年或更年或更长一些时间内的重要前沿长一些时间内的重要前沿学科方向之一学科方向之一 新世纪化学的突破口新世纪化学的突破口生命体系中化学问题生命体系中化

11、学问题无机化学 纳米化学和分子纳米技术纳米化学和分子纳米技术 纳米化学纳米化学对发现新的纳米材料，对发现新的纳米材料， 对开发具有特殊性能的纳米材对开发具有特殊性能的纳米材料奠定基础料奠定基础 新世纪化学的突破口新世纪化学的突破口PEG Microsphere Coatings无机化学 绿色化学绿色化学 v绿色化学是与生态环境协调发展的、绿色化学是与生态环境协调发展的、更高境界的化学，要求化学家重新更高境界的化学，要求化学家重新考虑化学问题，从源头上消除任何考虑化学问题，从源头上消除任何污染污染 其主体思想是其主体思想是 采用无毒、无害的原料和溶剂采用无毒、无害的原料和溶剂 新化学反应应是选择

12、性高、副新化学反应应是选择性高、副产物低、对环境友好的产品产物低、对环境友好的产品 经济合理经济合理新世纪化学的突破口新世纪化学的突破口无机化学 新的合成方法学新的合成方法学 组合化学组合化学 手性合成手性合成 分子反应器控制的合成分子反应器控制的合成 自复制和自组装合成自复制和自组装合成 新世纪化学的突破口新世纪化学的突破口无机化学新世纪化学的突破口新世纪化学的突破口新的合成方法学新的合成方法学 定向合成定向合成 掌握零维笼状和杯状、掌握零维笼状和杯状、 一维通道、二维层间、一维通道、二维层间、 三维网络空腔结构的合成方法，通过化学、电场或磁场作三维网络空腔结构的合成方法，通过化学、电场或磁

13、场作 用，使囚禁在里面的客体分子被释放或取代出来用，使囚禁在里面的客体分子被释放或取代出来 纳米化学、纳米材料和分子器件，纳米表面化学、高效纳纳米化学、纳米材料和分子器件，纳米表面化学、高效纳米催化剂设计合成米催化剂设计合成Biodegradable intravascular stint molded from a blend of polylactide and trimethylene carbonate 无机化学v能源科学中的化学问题能源科学中的化学问题 各种高效换能器，特别是太各种高效换能器，特别是太 阳能电池；阳能电池； 燃料电池；燃料电池； 氢能利用问题氢能利用问题; 各种再生能

14、源各种再生能源日立展示的10W级笔记本用燃料电池 太阳能风扇凉帽 新世纪化学的突破口新世纪化学的突破口无机化学Synthetic skin v生命和医药科学中的化学问题生命和医药科学中的化学问题 将中国名医的处方和人体的生理病理状态作为两将中国名医的处方和人体的生理病理状态作为两个复杂体系来研究它们之间的相互作用和药效个复杂体系来研究它们之间的相互作用和药效; ; 用组合化学方法来筛选特效中药，使中药现代化用组合化学方法来筛选特效中药，使中药现代化; ; 药物设计、合成和开发应用药物设计、合成和开发应用Representation of the range of diversity betwe

15、en existing Trega combinatorial chemistry libraries. This analysis was performed using MSIs Cerius2 software and Daylight 2D fingerprint information.新世纪化学的突破口新世纪化学的突破口无机化学v生态环境科学中的化学问题生态环境科学中的化学问题 环境元素的循环环境元素的循环; ; 有害化学物质的控制和治理有害化学物质的控制和治理; ; 以以“原子经济原子经济”和和“零排放零排放”为目为目 标的绿色化学和化工标的绿色化学和化工; ; 生态环境化学生态

16、环境化学 新世纪化学的突破口新世纪化学的突破口我国环境污染现状v全国有70%的江河水系受到污染，40%基本丧失了使用功能，流经城市的河流95%以上受到严重污染；3亿农民喝不到干净水，4亿城市人呼吸不到新鲜空气；1/3的国土被酸雨覆盖，世界上污染最严重的20个城市我国占了16个这是来自多个渠道勾勒出的的环境现状。 综合世界银行、中科院和环保总局的测算，我国每年因环境污染造成的损失约占GDP 的10%左右。v主管部门及有关专家都认为，建设资源节约型、环境友好型社会，建设新农村 ，构建和谐社会，突破环保瓶颈已经成为当务之急。可以预见的是，在严峻的环境形势下，国家将推出一系列强硬举措惩治污染，将环保执

17、法手段和国家的宏观调控目标紧密结合起来，全力推进国家环保战略。 无机化学v信息科学中的化学问题信息科学中的化学问题高效的光纤通信材料高效的光纤通信材料; ; 高效的光贮存材料高效的光贮存材料; ; 分子芯片分子芯片; ; 分子计算机分子计算机分子芯片分子芯片新世纪化学的突破口新世纪化学的突破口无机化学v生命和医药科学中的化学问题生命和医药科学中的化学问题 生物材料和人工器官的合成生物材料和人工器官的合成; ; 配合物小分子作为配合物小分子作为KeyKey和和DNADNA大分子作为大分子作为LockLock的相互作的相互作用用; ; 了解神经细胞和生理调控的了解神经细胞和生理调控的 化学机理化学

18、机理; ; 糖化学糖化学 v 新世纪化学的突破口新世纪化学的突破口无机化学了解生物活性体内信息分子的运动规律和生理调控的化学机理了解生物活性体内信息分子的运动规律和生理调控的化学机理 了解从化学进化到手性和生命的起源；了解从化学进化到手性和生命的起源； 如何实现从生物分子到分子生物的飞跃？如何跨越从化学进化如何实现从生物分子到分子生物的飞跃？如何跨越从化学进化 到生物进化的鸿沟到生物进化的鸿沟? ? 研究复杂、开放、非平衡的生命系统的热力学，耗散和混沌状研究复杂、开放、非平衡的生命系统的热力学，耗散和混沌状 态，分形现象等非线形科学问题态，分形现象等非线形科学问题 Mapping of EJM

19、C28-47-28a onto Hypo-RUN1-8 (experimental affinity: 0.3nM, estimated: 0.11nM) and Hypo-RUN2-2 (estimated: 0.46nM). 新世纪化学的突破口新世纪化学的突破口无机化学v无机化学研究中纳米尺度的基本无机化学研究中纳米尺度的基本规律规律 （）复杂性科学和物质多样性研究（）复杂性科学和物质多样性研究 尺度效应至关重要尺度效应至关重要, ,尺度的不同，尺度的不同， 引起引起物质的相互作用力的不同，导物质的相互作用力的不同，导 致致其性能及其运动规律的质的变化其性能及其运动规律的质的变化 ( (）

20、纳米尺度体系的热力学性质）纳米尺度体系的热力学性质 当当粒子尺度在十分之几到粒子尺度在十分之几到1010纳米的纳米的 量级，处于量子尺度和经典尺度的量级，处于量子尺度和经典尺度的 模糊边界中，此时热运动的涨落和模糊边界中，此时热运动的涨落和 布朗运动将起重要的作用布朗运动将起重要的作用 无机化学学科的交叉与发展无机化学学科的交叉与发展无机化学无机化学学科的交叉与发展无机化学学科的交叉与发展 例如：由几十个到几百个原子组成的分子磁例如：由几十个到几百个原子组成的分子磁体表示出许多特性体表示出许多特性, , 引起性质的不同；金的熔引起性质的不同；金的熔点为点为10631063，纳米金融化温度却降至

21、，纳米金融化温度却降至330330；银的熔点为银的熔点为960.3960.3，纳米银为，纳米银为100100； 又如：纳米铂黑催化剂可使乙烯催化反应的又如：纳米铂黑催化剂可使乙烯催化反应的温度从温度从600600降至室温降至室温 （）纳米材料是（）纳米材料是2121世纪化学和世纪化学和 物理需要解决的重大难题之一物理需要解决的重大难题之一我国无机化学研究最新进展 v无机化学在最近几年里所取得的突出进展主要表现在固体材料化学、配位化学方面，在某种程度上与国际保持同步发展。从传统的无机化学角度来看，生物无机化学和放射化学的研究则相对滞后。在国家自然科学基金委员会政策局、化学部和中国科学院化学部的共

22、同支持下，2002年3月5-7日在深圳举行了生物无机化学发展战略研讨会。会议分析了国内外生物无机化学发展过程和在目前生命科学和化学科学交叉发展相互促进的强大动力和趋势。v我国生物无机化学是在20世纪80年代开始发生发展的，当时落后于国际约10年。在国家自然科学基金委员会十几年连续支持下，在全体从事生物无机化学研究者的努力下，生物无机化学的研究10年内跃升了三个台阶，研究对象从生物小分子配体上升到生物大分子；从研究分离出的生物大分子到研究生物体系；近年来又开始了对细胞层次的无机化学研究，研究水平逐年提高。v我国在金属配合物与生物大分子的相互作用、金属蛋白结构与功能、金属离子生物效应的化学基础，以

23、及无机药物化学、生物矿化方面都有了相对固定的研究方向，研究队伍日益年轻化。但我国生物无机化学的总体水平与国际水平还有一定差距，究其原因是研究经费投入不足，研究周期较长，但最突出的问题是缺乏杰出的青年研究人才。v放射化学的研究也表现出以上特点，其中最重要的也是要扶持年青的研究人才脱颖而出。 无机化学绪绪论论气气体体热化学热化学化学平衡熵和化学平衡熵和Gibbs函数函数酸碱平衡酸碱平衡沉淀沉淀-溶解平衡溶解平衡原子结构原子结构分子结构分子结构固体结构固体结构配合物结构配合物结构s区元素区元素p区元素区元素（一）（二）（三）（一）（二）（三）氧化还原氧化还原 电化学基础电化学基础d区元素区元素（一）

24、（二）（一）（二）无机化学课程体系无机化学课程体系无机化学气气 体体 理想气体状态方程式；气体混合物；气体分子运动理想气体状态方程式；气体混合物；气体分子运动论；真实气体论；真实气体热化学热化学 热力学的术语和基本概念；热力学第一定律热力学的术语和基本概念；热力学第一定律 化学平衡化学平衡 熵熵 Gibbs函函 数数 标准平衡常数；标准平衡常数的应用；化学标准平衡常数；标准平衡常数的应用；化学 平衡的移动；平衡的移动； 自发变化和熵；自发变化和熵；Gibbs 函数函数无机化学课程体系无机化学课程体系无机化学酸碱平衡酸碱平衡 酸碱质子理论概述；水的解离平衡和酸碱质子理论概述；水的解离平衡和pH

25、pH ；弱；弱 酸弱碱的解离平衡；缓冲溶液；酸碱指示剂；酸酸弱碱的解离平衡；缓冲溶液；酸碱指示剂；酸碱电子理论与配合物碱电子理论与配合物无机化学课程体系无机化学课程体系沉淀溶解沉淀溶解平衡平衡溶解度和溶度积；沉淀的生成和溶解；两种沉淀溶解度和溶度积；沉淀的生成和溶解；两种沉淀之间的平衡之间的平衡氧化还原氧化还原 反应反应 电电化学基础化学基础氧化还原反应的基本概念；电化学电池；电极电氧化还原反应的基本概念；电化学电池；电极电势；电极电势的应用势；电极电势的应用原子结构原子结构 氢原子结构；多电子原子结构；元素周期律氢原子结构；多电子原子结构；元素周期律无机化学固体结固体结构构理想气体状态方程式

26、；气体混合物；气体分子运理想气体状态方程式；气体混合物；气体分子运动论；真实气体动论；真实气体分子结分子结构构价键理论；价层电子互斥理论；分子轨道理论；价键理论；价层电子互斥理论；分子轨道理论；键参数键参数配合物配合物体结构体结构 热力学的术语和基本概念；热力学第一定律热力学的术语和基本概念；热力学第一定律S区元素区元素 S区元素概述区元素概述; S区元素的单质区元素的单质; S区元素的化合物区元素的化合物;锂、铍的特殊性锂、铍的特殊性 对角线规则对角线规则无机化学课程体系无机化学课程体系无机化学p p区元区元素素 （一）（一） p p区元素概述；硼族元素；碳族元素区元素概述；硼族元素；碳族元

27、素p p区元区元素素( (二）二） 氮族元素；氧族元素氮族元素；氧族元素p p区元区元素素( (三）三） 卤素；稀有气体；卤素；稀有气体；p区元素化合物的递变规律区元素化合物的递变规律无机化学课程体系无机化学课程体系无机化学d d区元区元素素( (一一) ) 卤素；稀有气体；卤素；稀有气体；p p区元素化合物的递变规律区元素化合物的递变规律d d区元素区元素( (二二) ) 铜族元素；锌组元素铜族元素；锌组元素f f区元素区元素镧系元素；锕系元素镧系元素；锕系元素无机化学课程体系无机化学课程体系无机化学无机化学课程体系无机化学课程体系v按课程体系亦可分为：按课程体系亦可分为： v理论部分理论部

28、分 v实验部分；实验部分；理论部分包括：理论部分包括： v化学基本原理与方法化学基本原理与方法 v元素化学元素化学实验部分包括：实验部分包括： v基本操作基本操作 v综合实验综合实验 v创新实验等。创新实验等。无机化学本课程学习方法和要点本课程学习方法和要点学习无机化学课程主要学习无机化学课程主要 针对针对生产和生活生产和生活中所接触到的一些中所接触到的一些自然现自然现象象和和热门问题热门问题进行：进行： v知识原理的学习知识原理的学习 v研究方法的掌握研究方法的掌握 v前沿热点的跟踪前沿热点的跟踪 无机化学本课程学习方法和要点本课程学习方法和要点大学无机化学与中学化学的学习不同大学无机化学与中学化学的学习不同 主