无机化学绪论-20140922

无机化学朱英教授E-mail:zhuying@82338212(O)InorganicChemistry1.1化学的研究对象1.2化学发展简史1.3无机化学概述1.4学院发展规划第一章

绪论1.研究的对象是什么？1.1化学研究的对象实物具有静止质量、体积、占有空间的物体。如书桌、铁、木材、水、空气等。场没有静止质量、体积、不占有空间。如电场、磁场、光、声音。物质化学是研究物质变化的科学化学研究的物质一般是指实物物质的结构层次夸克质子中子原子核原子(离子)分子单质化合物星体电子宇宙(宇观)微观(介观)宏观宏观微观定性定量稳

定

态亚稳定态经验理论实践

创新当今化学发展的趋势分子是表征物质特性的最小单元，也是物质保持其化学性质的最小单元。夸克（quark）1964年，美国物理学家

M.盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——夸克（quark）组成的。“夸克”一词是由默里·盖尔曼改编自詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根守灵夜》（FinnegansWake）中的诗句：“向麦克老大三呼夸克。”（ThreequarksforMusterMark！）。夸克在该书中具有多种含义，其中之一是一种海鸟的叫声。具体的说：

化学是研究分子层次以及以超分子为代表的分子以上层次的化学物质的组成、结构、性质和变化的科学。1）分子层次（molecularscale）：气态原子、单原子分子、单核离子、分子；离子晶体、原子晶体或金属晶体等的单晶，各种聚合度不同的高分子，即核-电子体系。超分子层次(supermolecularscale)：研究是二个或以上分子通过分子间作用力结合而成的具有特定结构和功能的超分子体系的科学。如光电转化、光开关、信息存储等

如环糊精分子（主体）与C60(客体)形成的超分子Schematicrepresentationaddressingthedifferencebetweensupermoleculesandlargemoleculesaccordingtothephotochemicalapproach

超分子与大分子的区别高分子层次:如蜘蛛丝的研究，美国杜邦公司通过实验室造蜘蛛丝的研究，得到与蜘蛛丝相同的生物纤维。这些生物纤维有许多可能的用途，它既轻又结实又有弹性，可能在飞机上得到应用。生物分子层次:主要是指蛋白质、核酸、高分子量的碳氢化合物。分子聚集体层次（纳米材料，100nm以下）：如碳纳米管、纳米金属及其氧化物颗粒、纳米厚度的膜，如金刚石纳米薄膜制成的手术刀。采用化学气相沉积制备的具有一定取向和样式的纳米碳管

复杂分子体系及其组装体的层次：如复合材料(铝-硼纤维)，分子器件（分子导线，分子芯片），宏观组装器（锂离子电池，燃料电池，太阳能电池）。分子芯片分子开关分子马达分子整流器分子导线分子天线卟啉衍生物分子导线2）化学物质（chemicalsubstance）化学研究的是以间断形式存在的物质形态。不包括物质的另一基本形态---场，场是以连续形式存在的物质形态，属物理学的研究范畴。

3）组成（form）定性组成和定量组成。弄清物质的定性组成应确证它含有那些元素，物质的定量组成包括各元素的质量百分比、原子个数比、化学式及分子式。4)结构（structure）原子结构、分子结构和晶体结构，以及各种结构理论。

5)性质（property）包括物理性质和化学性质。物理性质如溶解性、热性质、和某些谱学性质。

6)变化（change）化学变化，以及与化学变化相关的物理变化，如热化学、电化学和表面化学都是研究与化学过程相关的物理过程。北京大学徐光宪教授：徐光宪院士化学的定义一直颇有争议2.化学的定义我的专业是化学，从学化学、教化学到研究化学也有几十年了，但现在我却有点搞不清化学的定义了。科学的发展太快了，需要对本门科学重新定位。初中化学教材定义：化学是研究物质的组成、结构、性质以及变化规律的科学。东北师大廖正衡教授的定义：化学主要是研究物质的分子转变规律的科学。指出化学的定义有20多种不同提法。（1986）清华大学曾国屏的定义：化学是研究物质从元素向生命进化过程中的各个物质层次的组成、结构和变化的科学。（1996）厦门大学魏光的定义：化学是研究分子及其近层次物质性能、构成、演变、应用诸运动规律的科学。（1998）《重审人类赖以生存的科学》——

化学的定义3.化学研究内容1）分离、鉴定和表征，这是化学研究的主要内容之一。2）合成新物质，这是化学研究的核心，是化学区别于所有其他科学的特色。

美国化学文摘社（CAS）2014年3月收录8600万种有机和无机物。3)化学反应的性能，化学催化，生命过程中的化学问题等。总之，化学已成为中心学科，与21世纪的四个重大课题（能源、材料、环境和生命科学）都有关。LifeisChemistry化学与我们……化学与我们……化学与能源石油可开采储量32亿吨，可开采14年（2010年中国）

（2011年石油储量20.43吨）煤储量只供开采100年左右（中国）；新能源有多种多样：核能、电能、太阳能、海洋能等.它们都和化学密切相关，例如：汽车乙醇汽油、太阳能电池、锂电池等。锂离子电池丰田、本田、三菱、大众、福特、比亚迪、奇瑞、吉利正极反应（Anode）：充电时：LiFePO4

→Li1-xFePO4

+xLi+

+xe-放电时：Li1-xFePO4

+xLi+

+xe-

→LiFePO4负极反应(Cathode)：充电时：xLi+

+xe-

+6C→LixC6放电时：LixC6

→xLi+

+xe-

+6C锂离子电池应用氢氧燃料电池第一次：1962年，用于Apollo登月火箭WillianGrove，1839年发明燃料电池燃料电池的应用技术核心：有机化合物（化学能）电能发电菌（催化剂）1立方米50W污水微生物燃料电池太阳能电池化学与材料三大合成高分子材料：合成纤维、合成橡胶、塑料新型结构材料：各种合金、特种陶瓷、纳米材料信息功能材料：液晶材料、电致发光材料、非线性光学材料、光电信息存储材料、超导材料生物工程材料：组织工程材料、药物控制释放载体等合成纤维合成橡胶陶瓷刀轴承、套管、插芯锋利无比,无毒,卫生,不生锈,不会使食物沾上颜色或影响食物口感,与食物无反应,耐酸,耐碱,耐磨,硬度高。氧化锆陶瓷氧化铝陶瓷坩锅、插座、阀片、电极、线轴、耐磨板、高铝球、电子瓷件、纺织瓷件以及其他异形件高压钠灯钠蒸气放电发光问题早在1950年就得以解决，由于没有一种能抵御高温钠蒸气（1400ºC）强烈腐蚀的特殊材料。所以，直到1965年才制取第一支高压钠灯。

化学为人类的进步提供了丰富物质基础压电效应:如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差，称之为正压电效应。反之，施加电压，则产生机械应力，称为逆压电效应。压电材料发电背包钻石金刚石钻头钻石可用于宇航员的视窗,各种高档激光器的窗口和红外线探测器的滤光片等。光纤通讯材料目前主要用高透明度的SiO2材料，可用化学气相沉积法制备。近年来还有新的光纤材料，如ZrF4、LaF4、BaF2三元混合体的氟玻璃，其性能优于SiO2，光损失更小。微电子材料多晶硅：是生产单晶硅的直接原料，是当代人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等半导体器件的电子信息基础材料。被称为“微电子大厦的基石”。高纯硅：(纯度必须达到九个9)几十万个晶体管或其他部件都可以光刻在2-3mm的硅片上，光刻的细度可小至100nm。显卡：采用65nm工艺，G92的晶体管数目达到了7.54亿个。半导体材料GaAs半导体有高的电子迁移率（比硅高5.7倍）用作发光二极管、光探测器，作为半导体材料芯片做成计算机后，其运算速度将高出千倍。微电子所研发了4GHz4-bit超高速模拟数字转换器（Analog-DigitalConvertor，ADC）芯片。该芯片集成了500个GaAsHBT晶体管。近年发现和发明的新物质层出不穷，如球碳、碳管、团簇化合物、笼合物等。

富勒烯C60fullerene1991年日本科学家(Iijima)C60分子的结构模型图与STM图象厚度：0.335nm石墨烯硬度比金刚石高（莫氏硬度10级），但柔韧，可弯曲。石墨的莫氏硬度1~2级。

石墨烯电阻率约为10-6Ω·cm，是导电性能最好的材料。常温下高达15000cm2/V·s的电子迁移率。电子的运动速率约是光子运动速率的1/300(106m/s)。石墨烯（Graphene）2004年英国曼彻斯特大学安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫

2010年诺贝尔物理学奖空客A380---25%美国B-787--50%复合材料在飞机上应用美国B-2-----70%欧洲虎式直升机-80%美国X-45无人机--90%F-22战斗机：使用钛合金与复合材料最多的机型。其中钛-64合金约36％、热定型复合材料约24％、铝合金约16％、钢约6％、钛-52222合金约3％、热塑复合材料1％，其它约15％。F-22机身蒙皮全都是高强度、耐高温的双马来酰亚胺（BMI）复合材料。空客先进透明客机未来乘客可360度观景（2050年）仿生智能界面材料仿生轻质高强复合材料空客先进透明客机未来乘客可360度观景（2050年）仿生能源材料与器件空天环境安全保障复合材料空客先进透明客机未来乘客可360度观景（2050年）机舱舱壁可变透明，供乘客360度欣赏空中景色全息比赛机舱舱壁可变透明，供乘客360度欣赏空中景色智能座椅自清洁机舱PlasticsinAutomotiveApplicationsTeslaMotorsPlasticsmakeitpossible244milesonasingleelectricalcharge.Carbonfiber-bodyLithium-ionbattery化学与航空、航天3MAerospaceSealantsBASFCompany美国国家航空航天局（NASA）纳米材料路线图仿生和生物启发体系NASA纳米技术路线每减轻1公斤的重量，发射费用就可减少200万美元SpecificExample:MentorMicroAirVehicleDARPA:美国国防部高级研究计划局

TTOprojectforaMAVcapableofoperationinclutteredenvironmentsSuperfly2.5“World’sFirstHoveringOrnithopter”UniversityofTorontoInstitute

forAerospaceStudieswithSRIVehicleSpecifications:TotalWeight(Wet):

550gEngine 140gFuel&Tank 75gBatteriesforelectronics30gandservos Powerrequired(hover):

98WPerformance:HoverDuration 8min.(50gfuel) PayloadCapacity: 30to70gEngineisTooNoisy!

StanfordResearchInstitute《新科学家》杂志2009年11月30日报道

有研究发现，宇航员在太空行走中付出的体力劳动，只有四分之一与任务相关，其余的劳动只是用于移动航天服。

宇航员进入这种连体航天服，将通过充气的人造肌肉收缩航天服上端的缺口，确保服帖。这种变形设计意味着，它应该比现有的航天服轻便，并且使宇航员在太空行走和星际探索中的工作更具效率。化学与环境绿色环保催化剂—纳米TiO2纳米TiO2利用自然光、常温常压即可催化分解病菌和污染物。二氧化钛纳米颗粒的TEM化学与生命人体有28种微量元素，缺少任何一种都会带来疾病。宏量元素(常量元素)：指占生物体总质量0.01%以上的元素．如碳、氢、氧、氮、磷、硫、氯、钠、钾、钙和镁等11种。微量元素(痕量元素)：指占生物体总质量0.01%以下的元素．如铁、铜、锌、锰、钴、镍、铬、锡、钼、钒、锶、硒、硅、硼、碘、氟、砷等17种元素。元素主要功能缺乏症过量症食物补充Fe贮存、输送氧，参与多种新陈代谢过程贫血、龋齿、无力青年智力发育缓慢、肝硬化肝、肉、蛋、水果、绿叶蔬菜Cu血浆蛋白和多种酶的重要成分低蛋白血症、贫血、冠心病肝硬化、类风湿肝、茶、干果Zn控制酶的代谢活性部位，参与多种新陈代谢过程贫血、高血压、早衰、侏儒症头昏、肠胃炎、皮肤病肉、蛋、奶、谷物Ca参与传递神经脉冲，触发肌肉收缩，释放激素，血液的凝结和正常心律的调节软骨畸形、痉挛胆结石、粥样硬化动物性食物Mg蛋白质生物合成中必不可少惊厥麻木症日常饮食F能抑制糖类转化成腐酸酶，是骨骼和牙齿正常生长的必须元素龋齿、骨质疏松斑釉齿、骨骼生长异常饮用水、茶叶、鱼I人体合成激素不可少的原料，甲状腺中控制代谢过程甲状腺肿大、地方性呆小病甲状腺肿大海产品、奶、肉、水果常见微量元素对人体健康的影响TheDiscoveryandDevelopmentoftheGreenFluorescentProtein（GFP）绿色荧光蛋白2008诺贝尔化学奖OsamuShimomura1962MartinChalfie1993RogerY.Tsien’s,todayAequoreavictoriaCompositeof

FluorescentCells光导纤维用做手术，不用开刀化学创造了世界光导纤维喉镜光导纤维内窥镜化学改变了世界化学本身无对错，功过全在人。太湖的蓝藻海边化学改变了世界青岛浒苔2012年6月13日化学改变了世界四川长海化学更要保护世界云南香格里拉普达措化学更要保护世界化学本身是一面魔术镜，将一百多种元素巧妙地结合，组成神奇美丽的世界。古代化学近代化学的萌芽化学现状

1.2

化学发展简史实用和自然哲学时期（公元前后）：

1.古代化学火的发现陶器的制作金属的冶炼染色、酿造造纸、火药等五行学说(金、木、水、火、土）四元素说(火、水、土、空气)三要素说(硫、汞、盐)炼金术、炼丹时期（公元前后-公元1500年）：

公元二世纪魏伯阳“周易参同契”，最古老的炼丹文献；公元四世纪葛洪“抱朴子内篇”是炼丹术（HgS、Pb3O4）的巨篇，发现了反应的可逆性。医化学时期（公元1500-1700年）：

结束炼丹术，开始制药，化学目的并不是制造金子和银子，而是制药，阿格利柯拉的“论金属”；李时珍的“本草纲目”（1590年）；明代宋应星的“天工开物”（1639年）。燃素学说时期（公元1700-1774年）：

1700年史塔尔提出燃素学说：任何物体中含有燃素，燃烧时失去燃素；矿石中加入含有燃素的物质，可得到金属。拉瓦锡（1774年）的氧化理论。2.近代化学萌芽

1661年Boyle发表“怀疑派的化学家”开始；天平的使用，使化学进入定量阶段1774年，拉瓦锡的氧化理论；

1784年，罗蒙诺索夫的质量不灭定律十八世纪末，普劳斯特的定比定律；

1803年，道尔顿倍比定律、当量定律、原子学说、相对原子量概念

1808年，盖·吕萨克的气体简比定律；

1811年，阿佛加德罗定律和分子概念；

1869年，门捷列夫建立元素周期律，化学成为一门科学。化学实现了从经验到理论的重大飞跃，真正被确立为一门独立的学科，并出现了许多分支学科.3.化学现状化学学科产生许多分支学科和边缘学科，它们互相结合互相渗透。无机化学：研究所有元素及化合物（碳氢化合物及其衍生物除外）有机化学：研究碳氢化合物及其衍生物分析化学：研究物质组成的鉴定方法及其原理物理化学：应用物理测量方法和数学处理方法研究物质的反应，寻求化学性质和物理性质间的本质联系的普遍规律。化学科学好比一个巨人，无机化学是巨人赖以站起来的双足，有机化学是它灵巧的双手，分析化学是其敏税的眼睛，物理化学是它智慧的大脑。化学交叉学科环境化学、地球化学、能源化学、材料化学、生物化学、化学生物学、药物化学、中药化学、食品化学、农业化学、天然产物化学、高分子化学……21世纪化学的热点研究领域之一可持续发展的基本化学问题——绿色化学和环境化学绿色化学：

工业中采用无毒、无害的原料和溶剂，采用高选择性的化学反应，生产环境友好的产品；

农业中减少农药、有害化肥、污水灌溉以及有害于环境土壤结构和肥力的材料；

生活中减少使用有害环境的材料和过度消耗能源。21世纪化学的热点研究领域之二生命科学中的基本化学问题预计未来对生命体系的研究越深入，化学基本问题会越突出。基本问题主要包括：生物大分子之间、生物大分子与小分子之间的各种相互作用；生物功能分子的结构与功能关系；生命过程的复杂性等。21世纪化学的热点研究领域之三材料科学中的基本化学问题

材料是人类赖以生存的物质基础，每种材料的特定结构决定它的特定功能和用途，所以未来化学要研究分子结构-分子聚集体、高级结构-材料结构-理化性质-功能之间的关系，发展合成功能分子与构筑高级结构的理论与方法。另外，材料的计算机模拟研究也是一个相当重要的领域。1.3无机化学概述无机化学是研究除碳氢化合物及其衍生物以外的其它元素的单质和化合物的组成、结构、性质及反应的一门学科。无机化学发展的两个趋势一是在广度上的拓宽：与有机化学相互渗透，形成元素有机化学，金属有机化学；与材料科学结合，形成固体无机化学，固体材料无机化学；向生物化学渗透，形成生物无机化学。二是深度上的推进：采用物理学和物理化学的实验手段与理论方法深入到原子、分子研究物质的结构与性能的关系。飞秒化学(Femtochemistry)20世纪70年代，基于快速激光脉冲的飞秒光谱技术发展，使时间标度达到了飞秒数量级，用飞秒激光技术来研究超快过程和过渡态使飞秒化学随之发展起来。从20世纪80年代开始，艾哈迈德-泽维尔(AhmedH.Zewail,埃及出生,美籍)

因用飞秒激光闪光成相技术观测到分子中的原子在化学反应中如何运动，而获得1999年的诺贝尔化学奖。1femtosecond=1×10-15s扫描隧道显微镜

ScanningTunnelingMicroscope(STM)STM具有空前的空间分辨率，空间分辨：横向～0.1nm，纵向～0.01nm。(原子的典型尺寸为0.2～0.3nm)美国加州IBM研究实验室的访问学者泽彭菲尔德(P.Zeppenfield)利用STM操纵小分子，将28个一氧化碳分子在铂金的表面上排布成了世界上最小的“分子人”。5nm单原子分子成像Si（111）7×7原子重构像电解液中硫酸根离子吸附在铜单晶（111）表面的STM图象

STM图1993年，Eigler组，量子围栏。（原子级的裁剪）将48个吸附在Cu（111）表面上的铁原子移动形成空心围拦，原子最近间隔0.9nm，半径7.13nm。Science,1993,262,218灰尘的SEM图水热法制备锌掺杂氧化锡纳米花朵纳米鲜花材料“小”时候的美丽由掺杂苯胺低聚物组成的薄片网略SEM图像怒放的花朵

电化学法CuNi纳米柱橡树林温度条件为77K，超真空条件下，含有金的纳米线在镉（001）面上扫描隧道显微镜照片。它们把电子限制在纳米线之间的低谷内并证实量子霍尔效应。量子河流学习无机化学的目的掌握无机化学的基本原理及其实验基本技能，为学习后继课程打基础。《无机化学》课程的主要内容物质的变化规律物质的制备与性质物质的形态与结构气液固体原子结构分子结构晶体结构化学热力学化学动力学酸碱平衡沉淀平衡氧化还原配位平衡元素通论s,ds区元素p区元素d区元素f区元素无机化学的分支学科和边缘交叉学科无机合成化学放射化学与核化学配位化学丰产元素化学同位素化学固体无机化学物理无机化学生物无机化学材料无机化学本课程的的学习方法改变中学学习方法，培养自主学习的能力。高度重视无机化学实验课，认真做好实验，培养动手能力。在学习中培养团结协作精神。结合讲述内容，利用参考书选好的参考书作为主要参考书，精读一本查目录、内容提要，带问题看有关章节浏览资料、期刊，有兴趣的细看，大有益处5.听相关的学术讲座，接触这一学科领域最新的知识信息1.理论课

（期末70分+期中20分）化学原理：定义，公式，多做总结；化学理论：理论发展，物理概念，抽象思维2.课题习题与作业（10分）

3.实验课

（100分）目的:掌握基础实验技能,通过实验深化理论问题的理解和记忆,提高分析问题和解决问题的能力要求:预习报告,实验记录,实验报告考核要求参考书无机化学（天津大学），2002年，第三版，高教出版社，面向21世纪课程教材。无机化学例题与习题，徐家宁，史苏华，高等教育出版社，2003年4月无机化学习题精解，竺际舜主编，科学出版社，2003年。

少年时，意气风发，踌躇满志，当时曾梦想改变世界。但当我年事渐长，阅历增多，发现自己无力改变世界。于是，我缩小了范围，决定先改变我的国家，可这个目标还是太大了。接着我