无机化学绪论

1、.1无机化学无机化学 Inorganic Chemistry .2无机化学的学习方法无机化学的学习方法：1 学习态度学习态度 主动学习主动学习(态度决定一切态度决定一切!)2 学习方法学习方法 做到三习做到三习: 课前预习、课后复习课前预习、课后复习, 适当练习适当练习2 适当练习适当练习 独立完成习题独立完成习题3 勤学好问勤学好问4 重视实验重视实验 chem-is-try参考书参考书: 图书馆的有关图书馆的有关“无机化学无机化学”、 “普通化学普通化学”、 “化学原理化学原理” 、 “大学化学大学化学”等。等。 成绩：平时成绩：平时 40% (包括考勤、作业及平时测验等包括考勤、作业及平

2、时测验等) 期末考试期末考试 60% (闭卷统考闭卷统考).3化学是一门中心科学化学是一门中心科学原子核原子核 原子、分子、晶体原子、分子、晶体 生物体生物体 物体物体,天体天体物物理理学学有有机机化化学学物物理理化化学学高高分分子子化化学学材材料料化化学学生生物物化化学学生生物物学学物物理理学学 分分 析析 化化 学学 无无 机机 化化 学学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。所有化合物的结构、性质、反应和应用的一门科学。.4.5三星的三星的Note 7 手机爆炸手机爆炸!?有机硅化

3、合物让有机硅化合物让锂电池更安全。锂电池更安全。威斯康辛大学的化学教授威斯康辛大学的化学教授Robert Hamers分析了其化学机理是由于分析了其化学机理是由于一系列的反应产生雪崩效应一系列的反应产生雪崩效应, 使电使电池内部的反应失去控制造成爆炸。池内部的反应失去控制造成爆炸。那么那么, 他的解决办法就是加入他的解决办法就是加入5%到到10%的有机硅化合物，阻止这种雪的有机硅化合物，阻止这种雪崩反应的进行崩反应的进行, 并据此技术成立了并据此技术成立了公司公司, 获得了获得了800万美元的资助。万美元的资助。.6什么叫什么叫“化学化学”?核心概念与内容：核心概念与内容：分子内与分子间分子内

4、与分子间相互作用相互作用 (化学键化学键, 弱作用弱作用)合成合成与与反应反应结构结构与与性质性质分子分子层次上研究层次上研究物质物质的的组成、结构、性质组成、结构、性质与与转化转化识别识别天然物质天然物质, 创造新物质创造新物质.7以非共价键以非共价键弱相互作用力弱相互作用力结合起来的复杂结合起来的复杂有序有序且且有特定有特定功能功能的分子结合体的分子结合体“超分子超分子”。例如例如:DNA超分子化学超分子化学.8C60三硝基芴三硝基芴(trinitrofluorene, 蓝色蓝色) 夹在分夹在分子镊子子镊子(molecular tweezers, 红色红色)中中, 两者两者经由芳香性重叠作

5、用经由芳香性重叠作用 (-堆积作用堆积作用) 结合结合在一起在一起分子镊子分子镊子(molecular tweezers).9l l 现代无机合成现代无机合成l l 配位化学配位化学l l 有机金属化学有机金属化学l l 原子簇化学原子簇化学l l 超分子化学超分子化学l l 生物无机化学生物无机化学l l 稀土元素化学稀土元素化学l 无机固体化学无机固体化学l 物理无机化学物理无机化学l l 核化学和放射化学核化学和放射化学无机化学不断渗透到其他各种学科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。而产生了新的分支和边缘学科。.10配位化学配位化学 配位化合物种类庞大配位化合物种

6、类庞大, 约占无机化合物的约占无机化合物的75以上以上, 因此因此配位化学是无机化学研究中一个主要方向。配位化学是无机化学研究中一个主要方向。 配位化学从上世纪配位化学从上世纪60年代起年代起与生命科学结合与生命科学结合, 成为生物无成为生物无机化学产生的基础。机化学产生的基础。配位化合物配位化合物原子簇原子簇化合物化合物有机金属有机金属化合物化合物 配位化学与配位化学与材料科学材料科学也形成也形成了最紧密的结合。配合物的良好了最紧密的结合。配合物的良好催化作用在有机合成、高分子合催化作用在有机合成、高分子合成中发挥了极大作用成中发挥了极大作用; 在在功能材功能材料料 (如光、电、磁、超导、信

7、息如光、电、磁、超导、信息存储等存储等) 领域也展现出广阔的发领域也展现出广阔的发展前景。展前景。Coordination Chemistry.11迄今最大的三十二面体单体配合物分子笼迄今最大的三十二面体单体配合物分子笼(M30L60)M30L60.12有机金属化学有机金属化学 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研究金属与有机基团直接相键合(M-C键键)的的化合物化合物, 包括了为数众多的一大类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它是有机和无机化学相互渗透的边缘领域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同时又是无机化学极其活跃的新兴领域之

8、一。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。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)9Organometallic ChemistryFe(C5H5)2, 二茂铁二茂铁.13原子簇化学 原子簇化合物原子簇化合物(原子间直接键合形成分立多面体骨架结构原子间直接键合形成分立多面体骨架结构)的的发现逐渐形成了一门新兴的化学分支学科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、原子簇化合

9、物的基本类型有：金属原子簇、硼烷及硼烷阴离子、 富勒烯富勒烯及其衍生物。及其衍生物。 20世纪世纪70年代后由于化学模拟生年代后由于化学模拟生物固氮、金属原子簇化合物的催化物固氮、金属原子簇化合物的催化功能、生物金属原子簇、超导材料功能、生物金属原子簇、超导材料等方面的研究需要等方面的研究需要, 促使促使(金属金属)原子原子簇化学快速发展。簇化学快速发展。纳米碳管纳米碳管Chemistry of Clusters C60生物固氮酶生物固氮酶FeMo-clusterN2分子是在三棱柱体空腔中与分子是在三棱柱体空腔中与 Fe原子原子形成形成六连六连N2桥物种桥物种而活化并被还原的。而活化并被还原的

10、。NN八核八核Zn(I)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, 而且有望成而且有望成为化学科学中的一个新概念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。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。.16超分子化学 超分子化学超分子化学: 就是就是“超越分子概念的化学超越分子概念的化学

11、”, 它是指研究两种以它是指研究两种以上分子通过上分子通过分子间作用分子间作用、以分子识别为构造基础所形成的高次、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。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.17 超分子化学发源于

12、有机化学中的大环化学超分子化学发源于有机化学中的大环化学, 特别是冠醚、特别是冠醚、穴醚、环糊精、杯芳烃和富勒烯等化学。穴醚、环糊精、杯芳烃和富勒烯等化学。Cram和和Lehn基于对基于对这些大环化合物对无机离子的配位和识别作用这些大环化合物对无机离子的配位和识别作用, 提出了提出了主客体主客体化学化学(HostGuest chemistry)的概念的概念, 即即把大环化合物把大环化合物称作称作主体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客体。1991年制备出第一个球年制备出第一个球烯包合物烯包合物LaC82, K、Rb 、Cs等碱金

13、属与等碱金属与C60的包合物具有超导性。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分子识别、转换和传输是超分子物种的基本功能。基本功能。通过通过分子组装分子组装形成超分子功形成超分子功能体系能体系, 是超分子化学的目标之一。是超分子化学的目标之一。分子开关分子开关无荧光无荧光 有荧光有荧光 当质子和钠离子都存在时产生荧光当质子和钠离子都存在时产生荧光.18J. Am. Chem. Soc., 2010, 132 (25), pp 85448545三硝基芴三硝基芴(trinitrofluorene, 蓝色蓝色) 夹在分子镊子夹在分子镊子(molecular tweezers, 红色红

14、色)中中, 两者经由芳香性重叠作用两者经由芳香性重叠作用结合在一起结合在一起分子镊子分子镊子(molecular tweezers).19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，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，利用含有利用含有“分子镊子分子镊子”的溶液，的溶液，使分选不同直径的碳纳米管简使分选不同直径的碳纳米管简单得犹如用筷子夹豌豆。单得犹如用筷子夹豌豆。只有粗细正好能被只有粗细正好能被“分子镊子分子镊子”夹住夹住的碳纳米管才能够进入溶液。的碳纳米

15、管才能够进入溶液。将不同直径的碳纳米管分离之后，将不同直径的碳纳米管分离之后，向溶液里添加其他物质，使向溶液里添加其他物质，使“分子镊子分子镊子”松开，特定直径的碳松开，特定直径的碳纳米管就被筛选出来了。调节纳米管就被筛选出来了。调节“分子镊子分子镊子”的大小，就可以夹的大小，就可以夹出各种不同直径的碳纳米管。出各种不同直径的碳纳米管。 C60也可用分子笼也可用分子笼超分子笼状体系超分子笼状体系在在客体的识别分离、客体的识别分离、药物输送、生物传药物输送、生物传感和催化方面有很感和催化方面有很重要的作用。重要的作用。.20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生物无机化

16、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范围很广, 一方面一方面, 它应用无机化学它应用无机化学 (特别是特别是配位化学配位化学) 的理的理论原理和实验方法研究生物体中论原理和实验方法研究生物体中无机金属离子无机金属离子的形态和功的形态和功能能, 阐明阐明金属离子和生物大分子形成的配合物的结构与生物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功能的关系; 另一方面另一方面, 又要研究如何应用上述原理和规律又要研究如何应用上述原理和规律为人类服务为人类服务, 特别是为人类的健康服务

17、。特别是为人类的健康服务。Bioinorganic Chemistry.21 研究金属离子在生命体中的生理生化行为研究金属离子在生命体中的生理生化行为, 是目前十分是目前十分重要的研究领域。如：血红素重要的研究领域。如：血红素, 细胞色素细胞色素, 叶绿素叶绿素, 维生素维生素, 铁铁蛋白蛋白, 钼铁蛋白钼铁蛋白, 锌蛋白锌蛋白, 硒蛋白硒蛋白, 钙调蛋白及几十种重要的金钙调蛋白及几十种重要的金属酶的结构与存在形式属酶的结构与存在形式, 生理生化功能生理生化功能, 毒副作用等。毒副作用等。高自旋亚铁脱氧高自旋亚铁脱氧 低自旋正铁氧合低自旋正铁氧合 Fe-N 218pm Fe-N 201pmNH

18、NHNHNHFeO2HNN咪唑基血红素卟啉环血红蛋白血红素血红蛋白血红素.22PtClH3NClH3N应用研究方面：抗癌药物应用研究方面：抗癌药物 (顺铂顺铂), 稀土放疗稀土放疗, 艾艾兹病兹病 (杂多酸杂多酸), 营养滋补品营养滋补品 (各类补钙、铁、锌、各类补钙、铁、锌、锗、硒制剂锗、硒制剂)。生物无机化学是配位化学、生物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。渗透互相融合的产物。 cis-PtCl2(NH3)2.23无机固体化学 无机固体材料是当今社会的三大支柱无机固体材料是当今社会的三大支柱材料、

19、能源、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。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无机固体化学是研究固体物质(包括材料包括材料)的制备、组成的制备、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。种技术学科的边缘学科。.24例如例如, 超导材料超导材料的研究离不开无机化学。的研究离不开无机化学。 1986年年Bednory和和Mu

20、ller发现镧、钡、发现镧、钡、铜的混合氧化物在铜的混合氧化物在35 K显示超导性显示超导性; 开辟了开辟了陶陶瓷超导瓷超导研究的新路研究的新路, 他们因此获得他们因此获得1987年诺贝年诺贝尔物理学奖。尔物理学奖。1986年底年底, 包括中国科学院物理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研究所在内的三个小组独立进行了以Sr代代Ba的实验的实验, 将将Tc提高到约提高到约40 K。1987年年2月月, 人们人们发现发现Tc达达90 K的的Y-Ba-Cu-O超导氧化物超导氧化物, 实现实现了了液氮区的超导性液氮区的超导性. 随后随后, Tc超过超过100 K的的Bi-Sr-Ca-C

21、u-O系及系及Tl-Ba-Ca-Cu-O系超导体也被发系超导体也被发现现.25 一类非常重要的无机非金属材料是一类非常重要的无机非金属材料是高技术陶瓷高技术陶瓷材料材料, ,它包括它包括功能陶瓷功能陶瓷和和结构陶瓷结构陶瓷两大类两大类: : 压电陶瓷是一种典型的功能陶瓷压电陶瓷是一种典型的功能陶瓷, ,它能将电能转换它能将电能转换成机械能成机械能, ,或者将机械能转换成电能。用它做成的换能器、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。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如，医生使用超声波扫描仪的探头( (用压电

22、陶瓷做成用压电陶瓷做成) )放在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。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、等高温结构陶瓷。它们具有强度高、耐磨损、耐高温、耐腐蚀等优良性能耐腐蚀等优良性能, ,已被广泛用来制造机械部件已被广泛用来制造机械部件, ,尤其尤其是制作发动机耐热部件。是制作发动机耐热部件。.26 化学工作者的核心任务是探索物质变化的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奥秘和合成新物质和材料, 元

23、素是我们的原始材元素是我们的原始材料！料！学好无机化学学好无机化学, 深入了解这些元素和化合物深入了解这些元素和化合物的性质和规律的性质和规律, 才能得心应手的利用这些原料来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！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本课程主要是打牢无机化学基础知识, 为后为后续课程的学习提供坚实基础。续课程的学习提供坚实基础。 .27n微观微观n宏观宏观结构结构- -性质的关系性质的关系-用这些理论去分析、研究和解决化学问题用这些理论去分析、研究和解决化学问题物物 质质 的的变化规律变化规律元素化学元素化学物质的形态物质的形态与结构与结构原子结构原子结构分子结构分子结构晶体结构晶体结构气液固体气液固体化学热力学化学热力学化学动力学化学动力学酸碱平衡酸碱平衡沉淀平衡沉淀平衡氧化还原平衡氧化还原平衡配位平衡配位平衡元素通论元素通论s区元素区元素p区元素区元素d, ds区元素区元素f 区元素区元素基础无机化学的主要内容基础无机化学的主要内容.28预备知识预备知识: 理想气体状态方程式理想气体状态方程式假定：假定： 分