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1、無 機 化 學 Inorganic Chemistry 吳 威 平Tel. 13778591742 (67147)QQ: (化學與制藥工程學院) 無 機 化 學 的 學 習 方 法 ：1 學 習 態(tài) 度 主 動 學 習 (態(tài) 度 決 定 一 切 !)2 學 習 方 法 做 到 三 習 : 課 前 預 習 、 課 后 復 習 , 適 當 練 習2 適 當 練 習 獨 立 完 成 習 題3 勤 學 好 問4 重 視 實 驗 chem-is-try參 考 書 : 圖 書 館 的 有 關 “無 機 化 學 ”、 “普 通 化 學 ”、 “化 學 原 理 ” 、 “大 學 化 學 ”等 。成績：平時 4

2、0% (包括考勤、作業(yè)及平時測驗等) 期末考試 60% (閉卷統(tǒng)考) 化 學 是 一 門 中 心 科 學原 子 核 原 子 、 分 子 、 晶 體 生 物 體 物 體 ,天 體物理學 有機化學 物理化學 高分子化學 材料化學 生物化學 生物學 物理學 分 析 化 學 無 機 化 學無 機 化 學 就 是 研 究 元 素 周 期 表 中 除 烴 和 烴 的 衍 生 物 以 外 的 所 有 化 合 物 的 結 構 、 性 質 、 反 應 和 應 用 的 一 門 科 學 。 三星的Note 7 手機爆炸!?有 機 硅 化 合 物 讓鋰 電 池 更 安 全 。威斯康辛大學的化學教授Robert Ham

3、ers分析了其化學機理是由于一系列的反應產生雪崩效應, 使電池內部的反應失去控制造成爆炸。那么, 他的解決辦法就是加入5%到10%的有機硅化合物，阻止這種雪崩反應的進行, 并據(jù)此技術成立了公司, 獲得了800萬美元的資助。 什 么 叫 “ 化 學 ” ?核心概念與內容：分子內與分子間相互作用 (化學鍵, 弱作用)合成與反應結構與性質分子層次上研究物質的組成、結構、性質與轉化識別天然物質, 創(chuàng)造新物質 以 非 共 價 鍵 弱 相 互 作 用 力 結 合 起 來 的 復 雜 有 序 且 有 特 定功 能 的 分 子 結 合 體 “超 分 子 ” 。例 如 :DNA超 分 子 化 學 C60三 硝

4、基 芴 (trinitrofluorene, 藍 色 ) 夾 在 分子 鑷 子 (molecular tweezers, 紅 色 )中 , 兩 者經 由 芳 香 性 重 疊 作 用 (-堆 積 作 用 ) 結 合在 一 起分 子 鑷 子 (molecular tweezers) l 現(xiàn) 代 無 機 合 成l 配 位 化 學l 有 機 金 屬 化 學l 原 子 簇 化 學l 超 分 子 化 學l 生 物 無 機 化 學l 稀 土 元 素 化 學l 無 機 固 體 化 學l 物 理 無 機 化 學l 核 化 學 和 放 射 化 學無 機 化 學 不 斷 滲 透 到 其 他 各 種 學 科而 產 生

5、 了 新 的 分 支 和 邊 緣 學 科 。 配 位 化 學 配位化合物種類龐大, 約占無機化合物的75以上, 因此配位化學是無機化學研究中一個主要方向。 配位化學從上世紀60年代起與生命科學結合, 成為生物無機化學產生的基礎。配位化合物原子簇化合物有機金屬化合物 配位化學與材料科學也形成了最緊密的結合。配合物的良好催化作用在有機合成、高分子合成中發(fā)揮了極大作用; 在功能材料 (如光、電、磁、超導、信息存儲等) 領域也展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。Coordination Chemistry 迄 今 最 大 的 三 十 二 面 體 單 體 配 合 物 分 子 籠 (M30L60)M30L60 有 機

6、金 屬 化 學 有機金屬化學研究金屬與有機基團直接相鍵合(M-C鍵)的化合物, 包括了為數(shù)眾多的一大類化合物, 它是有機和無機化學相互滲透的邊緣領域, 同時又是無機化學極其活躍的新興領域之一。 有機金屬化合物在催化材料、非線性光學材料、半導體材料、液晶材料、抗腫瘤藥物等方面展現(xiàn)了廣闊的應用前景。Fe2(CO)9Organometallic Chemistry Fe(C5H5)2, 二 茂 鐵 原 子 簇 化 學 原子簇化合物(原子間直接鍵合形成分立多面體骨架結構)的發(fā)現(xiàn)逐漸形成了一門新興的化學分支學科 原子簇化學。原子簇化合物的基本類型有：金屬原子簇、硼烷及硼烷陰離子、 富勒烯及其衍生物。 2

7、0世紀70年代后由于化學模擬生物固氮、金屬原子簇化合物的催化功能、生物金屬原子簇、超導材料等方面的研究需要, 促使(金屬)原子簇化學快速發(fā)展。納 米 碳 管Chemistry of Clusters C 60 生 物 固 氮 酶 FeMo-clusterN2分 子 是 在 三 棱 柱 體 空 腔 中 與 Fe原 子形 成 六 連 N2橋 物 種 而 活 化 并 被 還 原 的 。N N 八 核 Zn(I)立 方 結 構 簇 合 物 具 有 前 所 未 有 的 立 方 芳 香 性 電 子 結 構立 方 芳 香 性 金 屬 簇 合 物 ZnI8立 方 芳 香 性 的 概 念 將 不 僅 擴 展 了

8、 現(xiàn) 有 的 芳 香 性 理 論 , 而 且 有 望 成為 化 學 科 學 中 的 一 個 新 概 念 , 為 該 領 域 科 研 人 員 打 開 一 片 全 新 視野 。 把 化 學 家 們 可 以 制 備 出 的 芳 香 結 構 的 種 類 向 前 推 進 了 一 步 。 超 分 子 化 學 超 分 子 化 學 : 就 是 “超 越 分 子 概 念 的 化 學 ”, 它 是 指 研 究 兩 種以 上 分 子 通 過 分 子 間 作 用 、 以 分 子 識 別 為 構 造 基 礎 所 形 成 的 高次 集 合 體 的 結 構 和 功 能 的 化 學 。 超 分 子 化 學 是 近 年 來 在

9、 一 些 交 叉 學 科 中 產 生 的 邊 緣 學 科 , 從分 子 化 學 到 超 分 子 化 學 標 志 著 化 學 發(fā) 展 進 入 一 個 新 的 歷 史 階 段 。 分 子 化 學 和 超 分 子 化 學 間 及 超 分 子 化 學 與 分 子 器 件 科 學 間 的 關 系 Supramolecular Chemistry 超 分 子 化 學 發(fā) 源 于 有 機 化 學 中 的 大 環(huán) 化 學 , 特 別 是 冠 醚 、穴 醚 、 環(huán) 糊 精 、 杯 芳 烴 和 富 勒 烯 等 化 學 。 Cram和 Lehn基 于 對這 些 大 環(huán) 化 合 物 對 無 機 離 子 的 配 位 和

10、 識 別 作 用 , 提 出 了 主 客 體化 學 (Host Guest chemistry)的 概 念 , 即 把 大 環(huán) 化 合 物 稱 作 主 體化 合 物 而 把 進 入 大 環(huán) 的 無 機 離 子 或 小 的 有 機 分 子 稱 作 客 體 。1991年 制 備 出 第 一 個 球烯 包 合 物 La C82, K、Rb 、 Cs等 堿 金 屬 與 C60的 包 合 物 具 有 超 導 性 。 分 子 識 別 、 轉 換 和 傳 輸 是 超 分 子 物 種 的基 本 功 能 。 通 過 分 子 組 裝 形 成 超 分 子 功能 體 系 , 是 超 分 子 化 學 的 目 標 之 一

11、 。分 子 開 關無 熒 光 有 熒 光 當 質 子 和 鈉 離 子 都 存 在 時 產 生 熒 光 J. Am. Chem. Soc., 2010, 132 (25), pp 85448545三 硝 基 芴 (trinitrofluorene, 藍 色 ) 夾 在 分 子 鑷 子 (molecular tweezers, 紅 色 )中 , 兩 者 經 由 芳 香 性 重 疊 作 用結 合 在 一 起 分 子 鑷 子 (molecular tweezers) 從 成 千 上 萬 個 肉 眼 無 法 辨 別 的 碳 納 米 管 中 篩 選 出 粗 細 合 乎 需 求的 ， 其 困 難 程 度 無

12、 異 大 海 撈 針 。 日 本 科 學 家 開 發(fā) 出 一 項 新 技 術 ，利 用 含 有 “ 分 子 鑷 子 ” 的 溶 液 ， 使 分 選 不 同 直 徑 的 碳 納 米 管 簡單 得 猶 如 用 筷 子 夾 豌 豆 。 只 有 粗 細 正 好 能 被 “ 分 子 鑷 子 ” 夾 住的 碳 納 米 管 才 能 夠 進 入 溶 液 。 將 不 同 直 徑 的 碳 納 米 管 分 離 之 后 ，向 溶 液 里 添 加 其 他 物 質 ， 使 “ 分 子 鑷 子 ” 松 開 ， 特 定 直 徑 的 碳納 米 管 就 被 篩 選 出 來 了 。 調 節(jié) “ 分 子 鑷 子 ” 的 大 小 ，

13、就 可 以 夾出 各 種 不 同 直 徑 的 碳 納 米 管 。 C 60 也 可 用 分 子 籠 超 分 子 籠 狀 體 系 在客 體 的 識 別 分 離 、藥 物 輸 送 、 生 物 傳 感 和 催 化 方 面 有 很重 要 的 作 用 。 生 物 無 機 化 學 生物無機化學是最近一二十年才迅速發(fā)展起來的一門無機化學與生物化學之間的邊緣學科。生物無機化學研究的范圍很廣, 一方面, 它應用無機化學 (特別是配位化學) 的理論原理和實驗方法研究生物體中無機金屬離子的形態(tài)和功能, 闡明金屬離子和生物大分子形成的配合物的結構與生物功能的關系; 另一方面, 又要研究如何應用上述原理和規(guī)律為人類服務

14、, 特別是為人類的健康服務。Bioinorganic Chemistry 研究金屬離子在生命體中的生理生化行為, 是目前十分重要的研究領域。如：血紅素, 細胞色素, 葉綠素, 維生素, 鐵蛋白, 鉬鐵蛋白, 鋅蛋白, 硒蛋白, 鈣調蛋白及幾十種重要的金屬酶的結構與存在形式, 生理生化功能, 毒副作用等。高自旋亞鐵脫氧 低自旋正鐵氧合 Fe-N 218pm Fe-N 201pm NH NHNHNHFe O2HN N 咪 唑 基血 紅 素 卟 啉 環(huán) 血 紅 蛋 白 血 紅 素 Pt ClH3N ClH3N 應 用 研 究 方 面 ： 抗 癌 藥 物 (順 鉑 ), 稀 土 放 療 , 艾茲 病

15、(雜 多 酸 ), 營 養(yǎng) 滋 補 品 (各 類 補 鈣 、 鐵 、 鋅 、鍺 、 硒 制 劑 )。 生 物 無 機 化 學 是 配 位 化 學 、 生 物化 學 、 醫(yī) 學 、 營 養(yǎng) 化 學 、 環(huán) 境 科 學 等 學 科 相 互滲 透 互 相 融 合 的 產 物 。 cis-PtCl2(NH3)2 無 機 固 體 化 學 無機固體材料是當今社會的三大支柱材料、能源、信息的基礎。無機固體化學與無機固體材料密切相關，是無機固體材料研究開發(fā)的理論基礎。Inorganic Solid State Chemistry 無機固體化學是研究固體物質(包括材料)的制備、組成結構和性質的科學。是一門涉及物

16、理、化學、晶體學和多種技術學科的邊緣學科。 例 如 , 超 導 材 料 的 研 究 離 不 開 無 機 化 學 。 1986年 Bednory和 Muller發(fā) 現(xiàn) 鑭 、 鋇 、銅 的 混 合 氧 化 物 在 35 K顯 示 超 導 性 ; 開 辟 了 陶瓷 超 導 研 究 的 新 路 , 他 們 因 此 獲 得 1987年 諾 貝爾 物 理 學 獎 。 1986年 底 , 包 括 中 國 科 學 院 物 理研 究 所 在 內 的 三 個 小 組 獨 立 進 行 了 以 Sr代 Ba的 實 驗 , 將 Tc提 高 到 約 40 K。 1987年 2月 , 人 們發(fā) 現(xiàn) T c達 90 K的

17、Y-Ba-Cu-O超 導 氧 化 物 , 實 現(xiàn)了 液 氮 區(qū) 的 超 導 性 . 隨 后 , Tc超 過 100 K的 Bi-Sr-Ca-Cu-O系 及 Tl-Ba-Ca-Cu-O系 超 導 體 也 被 發(fā)現(xiàn) . 一 類 非 常 重 要 的 無 機 非 金 屬 材 料 是 高 技 術 陶 瓷材 料 ,它 包 括 功 能 陶 瓷 和 結 構 陶 瓷 兩 大 類 : 壓 電 陶 瓷 是 一 種 典 型 的 功 能 陶 瓷 ,它 能 將 電 能 轉 換成 機 械 能 ,或 者 將 機 械 能 轉 換 成 電 能 。 用 它 做 成 的 換 能器 、 傳 感 器 已 廣 泛 用 于 超 聲 、 水

18、聲 、 電 聲 等 技 術 領 域 。 如 ， 醫(yī) 生 使 用 超 聲 波 掃 描 儀 的 探 頭 (用 壓 電 陶 瓷 做 成 )放 在人 體 需 要 檢 查 的 部 位 ， 熒 光 屏 上 就 會 顯 示 因 人 體 內 部 的 情 況 。 典 型 的 結 構 陶 瓷 有 氮 化 硅 、 碳 化 硅 、 增 韌 氧 化 鋯等 高 溫 結 構 陶 瓷 。 它 們 具 有 強 度 高 、 耐 磨 損 、 耐 高 溫 、耐 腐 蝕 等 優(yōu) 良 性 能 ,已 被 廣 泛 用 來 制 造 機 械 部 件 ,尤 其是 制 作 發(fā) 動 機 耐 熱 部 件 。 化 學 工 作 者 的 核 心 任 務 是

19、探 索 物 質 變 化 的奧 秘 和 合 成 新 物 質 和 材 料 , 元 素 是 我 們 的 原 始 材料 ！ 學 好 無 機 化 學 , 深 入 了 解 這 些 元 素 和 化 合 物的 性 質 和 規(guī) 律 , 才 能 得 心 應 手 的 利 用 這 些 原 料 來設 計 和 創(chuàng) 造 人 們 所 需 要 的 新 材 料 ！ 本 課 程 主 要 是 打 牢 無 機 化 學 基 礎 知 識 , 為 后續(xù) 課 程 的 學 習 提 供 堅 實 基 礎 。 n 微 觀 n 宏 觀結 構 -性 質 的 關 系 -用 這 些 理 論 去 分 析 、 研 究 和 解 決 化 學 問 題物 質 的變 化

20、規(guī) 律 元 素 化 學物 質 的 形 態(tài)與 結 構原 子 結 構分 子 結 構晶 體 結 構氣 液 固 體 化 學 熱 力 學化 學 動 力 學酸 堿 平 衡沉 淀 平 衡氧 化 還 原 平 衡配 位 平 衡 元 素 通 論s區(qū) 元 素p區(qū) 元 素d, ds區(qū) 元 素f 區(qū) 元 素基 礎 無 機 化 學 的 主 要 內 容 預 備 知 識 : 理 想 氣 體 狀 態(tài) 方 程 式假 定 ： 分 子 不 占 有 體 積 (忽 略 尺 寸 ) 分 子 間 作 用 力 忽 略 不 計壓力 體積 溫度氣體常數(shù)物質的量適 用 于 ：R = 8.314 J mol-1 K-1 變 式 : PV = (m /

21、Mr) RT氣 體 的 最 基 本 特 征 ： 具 有 可 壓 縮 性 和 擴 散 性P V = n R T 組 分 氣 體 : 理 想 氣 體 混 合 物 中 每 一 種 氣 體 叫 做 組 分氣 體 。TV nBnAP總混 合 氣 體 分 壓 定 律分 壓 : 組 分 氣 體 B在 相 同 溫 度 下 單 獨 占 有 與 混 合 氣 體相 同 體 積 時 所 產 生 的 壓 力 , 叫 做 組 分 氣 體 B的 分 壓 。TV PAPBnBnAPA= nA(RT/V)P B= nB(RT/V)P總 V= n總 RT 混 合 氣 體 的 總 壓 等 于 混 合 氣 體 中 各 組 分氣 體

22、分 壓 之 和 。 p = p1 + p2 + 或 p = pB x B B的 摩 爾 分 數(shù) 混 合 氣 體 分 壓 定 律一 種 組 分 氣 體 的 分 壓 與 其 他 組 分 氣 體 的 存 在 無 關 。 混 合 氣 體 中 , 某 組 分 的 分 壓 是 指 ( )。(A) 相 同 溫 度 時 , 該 組 分 氣 體 在 容 積 為 1.0 L的 容 器 中 所 產 生 的壓 力 ;(B) 該 組 分 氣 體 在 273.15 K時 所 產 生 的 壓 力 ;(C) 同 一 容 器 中 , 該 組 分 氣 體 在 273.15 K時 所 產 生 的 壓 力 ;(D) 相 同 溫 度 時 , 該 組 分 氣 體 單 獨 占 據(jù) 與 混 合 氣 體 相 同 體 積 時所 產 生 的 壓 力 。