吴国庆化学基本概念新进展

1、某些化学基本概念的新 进 展,2007年10月30日 黄山 吴国庆,子曰： “知之者不如好之者，好之者不好乐之者。” 译文孔子说：“懂得某种学问比不上喜爱它，喜爱它不如把研究这种学问作为快乐。”,最近新闻,硝酸在水的表面是弱酸！,2007年度诺贝尔化学奖,固体表面化学研究,Gerhard Ertl Surface chemistry pioneer,格哈德埃特尔，1936年出生于德国的巴特坎施塔特，1965年从慕尼黑技术大学获得化学博士学位，是柏林马普学会弗里茨-哈伯研究所的名誉教授。,自1988年以来 第一位获奖德国人,2007年10月10日,“应该永不放弃，尽可能解决问题”。 “你必须有耐

2、心，那是非常重要的。” Ertl,表面化学应用 1.清洗铂金表面的碳氧化物。2.空调系统中的氟利昂，通过小冰晶体表面化学反应破坏臭氧层。3.金属表面暴露在氧气中时生锈。4.电子工业中，制作半导体元件。5.人造肥料中所含的氨，是通过氮和氢在金属（如教科书中提到的铂铑合金网）表面生成。,化学的定义,化学是研究物质的组成、结构、性质和变化的一门自然科学。,从定性向定量、从宏观向微观、从描述性向推理性,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。 化学是一门研究分子和超分子层次的化学物种的组成、结构、性质和变化的自然科学。 系统的观察和实验是科学不同于其

3、他人类活动最本质的特征。21世纪的化学是一门实验与理论互相推动并驾齐驱的科学。 概而言之，化学研究包括对化学物质的（1）分类；（2）合成；（3）反应；（4）分离；（5）表征；（6）设计；（7）性质；（8）结构；（9）应用以及（10）它们的关系。 无机化学第四版（2002）,超原子,superatom,什么是超原子(superatom)？,同种原子形成的原子簇像一个原子一样跟其他原子结合。 典型例子：Al13I,40e,/nuggets/?year=2005,超原子的周期表,元素进化,宇宙的历史元素之生,大爆炸后诞生那些轻核素？,恒星中诞生哪些核素？,

4、比铁更重的元素是在质量超过8M的红巨星（s过程）和超新星爆炸过程（所有过程）合成的，有中子、质子俘获反应（s过程、r 过程和p 过程）以及散裂反应（x 过程）： 中子、质子俘获 合成重元素 * s过程 115In(n, )116In 209Bi s是slow的缩写 * r过程 254Cf r是rapid的缩写 * p过程 116Sn(, n)115Sn; 112Ca(p, )113In p是质子 散裂反应(x过程) 合成轻元素Li、Be、B。,人造元素,2006年 IUPAC 周期表(部分),118,116,114,112,113,115,24998Cf + 4820Ca 294118Uuo

5、+ 31n 294118Uuo 290116Uuh + 42He (1.29 milliseconds) 290116Uuh 286114Uuq + 42He (14.4 milliseconds) 286114Uuq 282112Uub + 42He (230 milliseconds),24395Am + 4820Ca 287115Uup + 4 1n 24395Am + 4820Ca 288115Uup + 3 1n,/itselemental/index.html,同位素总数,已知核素知多少？,已知核素总数5000 其中稳定核素200,T

6、he IsoSpin Laboratory could help expand the number of different atomic nuclei available for study and possible exploitation from approximately 270 to more than 5,000, creating an entirely new field of nuclear physics. The chart shows all known elements and isotopes between hydrogen and uranium. The

7、number of protons is plotted on the vertical axis, neutrons are plotted horizontally. Every isotope has a unique number of protons and neutrons. The black solid boxes represent the about 200 stable istotopes found in nature; many of which have been accelerated in the SuperHILAC, 88-inch Cyclotron, a

8、nd the Bevelac. The proposed IsoSpin Laboratory will also accelerate the radioactive isotopes shown in color and increase the number of available beams to about 2000.,/Science-Articles/Research-Review/Magazine/1994/isotope-chart.html,化学物质知多少？,The Latest CAS Registry Number and Subst

9、ance Count Date10/18/2007 08:52:15 ESTCount32,792,050organic and inorganic substances,2007年10月18日美国化学会最新登记数 总计 32,792,050 有机和无机物质,网站：/cgi-bin/cas/regreport.pl,CHEMCATS15,990,126 商业可买到的化学品 Commercially available chemicals,合金 配位化合物 矿物 混合物 聚合物（高分子） 盐类 Alloys Coordination compounds Mine

10、ralsMixturesPolymersSalts,Updated daily with approximately 12,000 new substance records,化学平衡在什么情形下达成？,温度一定。 封闭体系。 体系的微粒数必须足够多。,血液 pH = 7.4 是缓冲溶液导致的吗？,以下图形是晶系的图形吗？,晶体学国际表2002年版 定义为 lattice system 建议译为 点阵系或者晶胞系 Lattice type lattice system Lattice type crystal system,晶胞是最小单元吗？,什么叫正当晶胞,举例：MCl2层型晶体,分子结构的

11、认识顺序的探讨,1。分子的组成和分子式。 2。分子的中心原子的确定。 3。共价键的基本类型。共用电子对。键和键。 4。化合价的概念。 5。分子的立体结构VSEPR。 6。杂化理论。 7。大键。 8。分子间的作用。 9。结构式的问题。 10。分子轨道理论。,VSEPR是不需要结构式的,分子立体结构的判定（价层电子对互斥模型VSEPR）,中心原子没有孤对电子时，VSEPR模型 = 分子立体结构模型,中心原子有孤对电子时，VSEPR模型 分子立体结构模型,价层电子对的定义中心原子周围的-轨道的电子对数,确定中心原子的孤对电子数是建立VSEPR的关键,中心原子的总电子数 第七主族(F、Cl、Br、I）

12、 7e 第六主族(O、S、Se、Te） 6e 第五主族（N、P、As、Sb、Bi) 5e 第四主族（C、Si、Ge、Sn、Pb) 4e 第三主族（B、Al、Ga、In、Tl) 3e 第二主族（Be、Mg、Ca） 2e 正或负离子要减去或加上离子电荷绝对值。 中心原子与端位原子键合需要的电子数 端位原子 H1 X 1 O2 N3 P3 C4 总之 = 8-族序数,= 族序数,中心原子上的孤对电子数的确定,1。中心原子的价电子总数=中心原子族序数 2。中心原子与一个端位原子形成共价键用去的电子数 = 8-端位原子族序数（H=1例外) 3。若是负离子，在中心原子价电子总数上加负电荷数 4。若是正离子

13、，在中心原子价电子总数上减正电荷数 5。剩余的电子数除二等于中心原子上的孤电子对数,举例： SO3 SO2 O3 N3- H3O+ CO32- SO42-,杂化轨道模型,VSEPR AY2 AY3 AY4 杂化轨道 sp sp2 sp3 C:from WU原子轨道晶体结构ppt的动画杂化轨道flash动画.swf AY3 有 AX3Eo AX2E1 例 CH2O SO3 CO32- SO2 O3 NO2 AY4 有 AX4Eo AX3E1 AX2E2 例 CH4 NH4+ SO42- NH3 SO32- H3O+ H2O,分子间作用的多样性,C-H,The cases in which C-H

14、. interactions have been described in proteins include the formation of complexes of proteins with ligands or cofactors such as the heme group (Nishio et al. 1998) and design of serine proteases inhibitors (Shimohigashi et al. 1996, 1999). Previous studies have also shown that C-H. interactions are

15、even responsible for the stabilization of structural elements such as alpha or 310 helices or non-proline cis peptide bonds (Brandl et al.,2001) .,http:/www.imtech.res.in/raghava/chpredict/cho.html,- 相互作用,化学是一门中心科学,1. 化学是一门承上启下的中心科学，是从上游到下游的必经之地 。 2. 化学又是一门社会迫切需要的中心科学，与我们的衣、食、住（建材、家具）、行（汽车、道路）都有非常紧密

16、的联系。 3. 化学是与信息、生命、材料、环境、能源、地球、空间和核科学等八大朝阳科学（sunrise sciences)都有紧密的联系、交叉和渗透的中心科学。 ,21世纪化学四大难题,如何建立精确有效而又普遍适用的化学反应的含时多体量子理论和统计理论？ 如何确立结构和性能的定量关系？ 如何揭示生命现象的化学机理？ 如何揭示纳米尺度的基本规律。,稿源： 科学时报 ,第一个世纪难题首先要研究的问题,(1) 充分了解若干个重要的典型的化学反应的机理，以便设计最好的催化剂，实现在最温和的条件进行反应，控制反应的方向和手性，发现新的反应类型，新的反应试剂。 (2) 在搞清楚光合作用和生物固氮机理的基础

17、上，设计催化剂和反应途径，以便打断CO2, N2等稳定分子中的惰性化学键。 (3) 研究其它各种酶催化反应的机理。酶对化学反应的加速可达100亿倍，专一性达100%。如何模拟天然酶，制造人工催化剂，是化学家面临的重大难题。 (4) 充分了解分子的电子、振动、转动能级，用特定频率的光脉冲来打断选定的化学键选键化学的理论和实验技术。,第二个世纪难题首先要研究的问题,(1) 分子和分子间的非共价键的相互作用的本质和规律。 (2) 超分子结构的类型，生成和调控的规律。 (3) 给体-受体作用原理。 (4) 进一步完善原子价和化学键理论，特别是无机化学中的共价问题。 (5) 生物大分子的一级结构如何决定

18、高级结构？高级结构又如何决定生物和生理活性？ (6) 分子自由基的稳定性和结构的关系。 (7) 掺杂晶体的结构和性能的关系。 (8) 各种维数的空腔结构和复杂分子体系的构筑原理和规律。 (9) 如何设计合成具有人们期望的某种性能的材料？ (10) 如何使宏观材料达到微观化学键的强度？例如“金属胡须”的抗拉强度比通常的金属丝大一个量级，但还远未达到金属-金属键的强度，所以增加金属材料强度的潜力是很大的。 以上各方面是化学的第二根本问题，其迫切性可能比第一问题更大，因为它是解决分子设计和实用问题的关键。,第三个世纪难题首先要研究的问题,(1) 研究配体小分子和受体生物大分子相互作用的机理，这是药物

19、设计的基础。 (2) 化学遗传学为哈佛大学化学教授Schreiber所创建。他的小组合成某些小分子，使之与蛋白质结合，并改变蛋白质的功能，例如使某些蛋白酶的功能关闭。这些方法使得研究者们不通过改变产生某一蛋白质的基因密码就可以研究它们的功能，为开创化学蛋白质组学，化学基因组学(与生物学家以改变基因密码来研究的方法不同)奠定基础。 (3) 搞清楚光合作用、生物固氮作用，以及牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理，为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。 (4) 人类的大脑是用“泛分子”组装成的最精巧的计算机。如何彻底了解大脑的结构和功能将是21世纪的脑科学、生物学、化学、物理学、信息和认知科学等交叉学科共同来解决的难题。 (5) 了解活体内信息分子的运动规律和生理调控的化学机理。 (6