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1、结构化学,结构化学是以量子力学为基础，联系无机化学，有机化学实验事实讨论原子，分子化学键理论的一门科学，本课程供大学师范类院校化学类专业作本科基础课教材，也可作材料、化工、生物化学等专业使用，还可供从事与化学、化工有关类别工作人员作参考 。学习本课程需具备高等数学、大学物理 、线性代数、无机化学、有机化学等课程基础。 结构化学是以量子力学理论为基础，联系无机化学、有机化学等大量实验事实讨论原子、分子化学键理论的一门学科。,结构化学-课程介绍,本课程阐述原子间以什么样的结合力形成分子、原子的组成及连接方式是怎样决定分子的几何构型，并表现出独特的物理与化学性质，使读者了解“结构决定性能，性能反映结
2、构”，从而建立起“结构-性能-应用”的渠道。 课程内容包含量子力学基础知识，原子结构理论、多原子分子结构及研究它们的HMO方法，晶体点阵结构及X射线衍射，金属结构及性质，离子化合物的结构与性质。,物质结构（结构化学）是在原子、分子水平上，深入到电子层次，研究物质的微观结构及其宏观性能关系的科学。其内容涉及用量子力学原理与方法研究化学问题，进而建立物质结构理论；提出与创造结构分析方法；剖析以生物在分子为主的复杂物质的结构。这一门课我们采用的是北京大学出版社出版的结构化学基础一书。这本书是北京大学化学院结构化学（即物质结构）基础教材。内容主要包括：,结构化学-内容提要,课程简介,量子力学基础知识、
3、原子的结构和性质、分子的结构和性质、化学键理论、晶体化学、研究结构的实验方法等。,结构化学是一门直接应用多种近代实验手段测定分子静态、动态结构和静态、动态性能的实验科学。它要从各种已知化学物质的分子构型和运动特征中，归纳出物质结构的规律性；还要从理论上说明为什么原子会结合成为分子，为什么原子按一定的量的关系结合成为数目众多的、形形色色的分子，以及在分子中原子相互结合的各种作用力方式，和分子中原子相对位置的立体化学特征；结构化学还要说明某种元素的原子或某种基团在不同的微观化学环境中的价态、电子组态、配位特点等结构特征。,结构化学是在原子、分子水平上研究物质分子构型与组成的相互关系，以及结构和各种
4、运动的相互影响的化学分支学科。它是阐述物质的微观结构与其宏观性能的相互关系的基础学科。,另一方面，从结构化学的角度还能阐明物质的各种宏观化学性能，和各种宏观非化学性能与微观结构之间的关系及其规律性。在这个基础上就有可能不断地运用已知的规律性，设法合成出具有更新颖、结构特点更不寻常的新物质，在化学键理论和实验化学相结合的过程中创立新的结构化学理论。与此同时，还要不断地努力建立新的阐明物质微观结构的物理的和化学的实验方法。与其他的化学分支一样，结构化学一般从宏观到微观、从静态到动态、从定性到定量按各种不同层次来认识客观的化学物质。演绎和归纳仍是结构化学研究的基本思维方法。,早期的有关物质化学结构的
5、知识可以说是来自对于物质的元素组成和化学性质的研究。当时人们对化学物质，只能从对物质组成的规律性认识，诸如定比定律、倍比定律等加以概括。随着化学反应当量的测定，人们提出了“化合价”的概念并用以说明物质组成的规律。那时，对于原子化合成分子的成因以及原子在分子中的排布方式可以说是一无所知。,结构化学的产生与有机物分子组成的研究密切相关。有机化学发展的初期，人们总结出许多系列有机物分子中碳原子呈四面体化合价的规律。为解释有机物组成的多样性，人们提出了碳链结构及碳链的键饱和性理论。随后的有机物同分异构现象、有机官能团结构和旋光异构现象等研究，也为早期的结构化学研究提供有力的实验证据，促使化学家从立体构
6、型的角度去理解物质的化学组成和化学性质，并从中总结出一些有关物质化学结构的规律性，为近代的结构化学的产生打下了基础。,近代实验物理方法的发展和应用，为结构化学提供了各种测定物质微观结构的实验方法；量子力学理论的建立和应用又为描述分子中电子和原子核运动状态提供了理论基础。有关原子结构特别是原子中电子壳层的结构以及内力、外力引起运动变化的理论，确立了原子间相互作用力的本质，也就从理论上阐明了化学键的本质，使人们对已提出的高子键、共价键和配位键加深了理解有关杂化轨道的概念，也为众多化合物的空间构型作出了合理的阐明甚至预测。,近代测定物质微观结构的实验物理方法的建立，对于结构化学的发展起了决定性的推动
7、作用。X射线衍射方法和原理上相当类似的中子衍射、电子衍射等方法的发现与发展，大大地丰富了人们对物质分子中原子空间排布的认识，并提供了数以十万种计的晶体和分子结构的可靠结构数据。此外，通过晶体衍射的研究，使人们能够从分子和晶体结构的角度说明这些物质在晶态下的物理性质。,另一类测定结构的方法是谱学方法。谱学方法在提供关于分子能级和运动的信息，尤其是更精细的和动态的结构信息方面起着重要的作用。如分子振动光谱是鉴定物质分子的构成基团的迅速和有力的工具。因而被称为化学物质的“指纹”，与电子计算机高速信息处理功能结合起来，人们已能通过计算机的检索和识别很快地查明未知物样品的分子结构。红外喇曼光谱的理论处理
8、，还能提供有关振动力常数等有关化学键特征的一些数据。其他谱学法有：核磁共振谱、顺磁共振诺、电子能谱、质谱、穆斯堡尔谱学、可见紫外光谱、旋光谱、圆二色性谱以及扩展 X射线吸收精细结构等。,物质的某些物理常数的测定，也能提供有关分子结构的某些整体信息，如磁化率、折射率和介电常数的测定等。此外，高放大率、高分辨率的电子显微镜还能提供有关物质表面的结构化学信息，甚至已能提供某些分子的结构形象。 量子化学是近代结构化学的主要理论基础。量子化学中的价键理论、分子轨道理论以及配位场理论等，不但能用来阐明物质分子构成和原子的空间排布等特征，而且还用来阐明微观结构和宏观性能之间的联系。由于量子化学计算方法的发展
9、和逐步提高完善，加上高速电子计算机的应用，有关分子及其不同聚集状态的量子化学方法已有可能用于特殊材料的“分子设计”和制备方法的探索，把结构化学理论推向新的高度。,当今结构化学主要研究新构型化合物的结构化学，尤其是原子簇结构化学和金属有机化合物。这一类研究涉及“化学模拟生物固氮”等在理论研究上极其重要的课题，以及寻找新型高效的工业催化剂等与工农业生产息息相关的应用研究课题。稀土元素的结构化学与中国丰富的稀土元素资源的综合利用的关系非常密切。有关的研究对于中国稀土工业的发展具有重要的意义。,表面结构和表面化学反应的研究与工业生产上的非均相催化反应关系极为密切，有关的研究对于工业催化剂，尤其是合成氨
10、等工业生产用的新型催化剂的研制具有理论指导的作用。激光光谱学和激光化学的研究，对于快速动态结构和快速化学反应动态过程等研究方法的建立有着深远的影响，并且可能导致新的结构化学研究手段的建立。激光作用下的化学反应过程更具有独特之处。,结构化学的信息工程的研究能充分利用电子计算机的高速、高效率，充分发挥结构化学数据库的作用，对于新的半经验理论和新的结构化学理论的提出将有重大的影响。有关方法的建立将对于“分子设计”的实现起着重要的作用。目前，结构化学已成为一门不但与其他化学学科联系密切，而且与生物科学、地质科学、材料科学等各学科的研究相互关联、相互配合、相互促进。由于许多与物质结构有关的化学数据库的建
11、立，结构化学也越来越被农学家和化工工程师所重视。,诸言 - 结构化学的内容，方法,动态结构：化学反应之时，结构随时间而变化。从一静态结构到另一静态结构，如中 间产物，过渡态，激发态 ,结构化学：是研究原子、分子和晶体的微观结构，研究原子、分子中电子的运动规律，研究物质的微观结构和宏观性能之间关系的一门科学。,结 构：,几何结构和电子结构。,结 构：,静态结构和动态结构。,静态结构：稳定状态之时，结构不随时间而变化。,电子结构主要是指描述电子运动规律的波函数，即原子轨道和分子轨道，通过轨道相互作用了解化学键的本质。几何结构主要是指分子或晶体中原子空间布排的立体结构。,结构化学的研究方法和学习方法
12、,发 展 史： 1900 至今 （简介之）,研究方法：,其一 演绎法， 理论到实验。,其二 归纳法， 实验到理论。,学习方法：,1.重视理论与实践之间的密切联系；2.要学会用抽象思维和运用数学工具来处理问 题方法；3.要恰当的运用类比，模拟，对比和其它方法；4.要理论联系实际。,这里所指的结构和运动规律，涉及原子和分子层次的空间排布，涉及微观粒子所遵循的量子力学规律，它包括原子中电子的分布和能组合、分子的化学组成、分子的空间构型和构象、分子中电子的分布、化学键的性质和分子的能量状态、晶体中原子的空间排布、晶体的能量状态等内容。结构化学根据结构决定性能、性能反应结构的基本原则，探讨物质的结构与性
13、能间的关系。,研究对象：,结构化学是研究原子 、分子和晶体的微观结构，研究原子和分子运动规律，研究物质的结构和性能关系的科学，是化学的一个重要分支。,很明显，物质的动态结构的研究要以研究静态结构所得成果为基础，其内容也比较复杂。本课程作为一门基础课将主要探讨物质的静态结构。,当我们研究的是处于稳定状态下物质的内部结构时，这种结构不随时间而变化，称之为静态结构。,如果我们要进而研究物质的化学反应是如何发生的，那就要研究反应物分子如何因相互作用而使其结构发生变化，从而使原来的静态结构转变为另一种新的静态结构。这种在化学反应过程中分子结构变化的过程就称之为动态结构。,研究物质结构主要采取两条途径：其
14、一是以演绎的方法为主，即是从微观质点运动的普遍规律，即量子力学规律出发，先研究原子内电子运动的规律，其中包括电子和原子核以及电子之间相互作用的规律，由此推论原子的性质，特别要阐明元素周期律的本质。进而研究原子是如何组成分子或如何组成晶体的。为此，要探讨分子中电子在两个或多个原子核作用下以及相互作用下其运动的规律，由此探讨化学键的本质。,研究途径：,如要研究动态结构，还要研究在整个化学反应过程中电子状态如何随着原子核的相对运动而发生变化，并讨论这种变化如何制约着化学反应的进行。其二是以归纳为主的方法，主要用一些物理测试的手段，如X射线结构分析、原子光谱、分子光谱、电学及磁学性质的测定、核磁共振、
15、电子自旋共振等方法来研究物质内部原子的排列及运动状况、原子和分子中电子的运动状态等。,当对很多个别具体对象进行测量后，再总结成规律。当然这些测试方法的原理，也是以量子理论为基础的。其中有一种称做原子参数图示方法或键参数函数方法，可以总结出对冶金、化工等科学技术上有实际意义的规律。这些规律对于发展化学健理论也有其价值。两条途径中，前者主要是量子化学的主要内容，后者主要是物理测试方法等的内容。当然这两部分内容彼此间还是有密切联系的。前者的基本理论都是来源于实践，在由实践总结成基本理论时，归纳法也起了很重要的作用。后者又依靠前者作为理论基础，在由基本理论指导新实验技术的建立和发展时，演绎法也有重要的
16、作用。,“物质结构”这门学科是在十九世纪末叶逐步发展起来的。当时由于生产力的不断提高，实验技术有了很大的发展。有一些物理学家观察到许多现象，用当时已经非常成熟、理论体系已经非常完整的经典物理学理论无法加以说明，甚或与其推论完全相反。最主要的发现有：电子的发现、元素的天然放射现象的发现、黑体辐射现象的规律的发现等。这就迫使人们对经典物理学的体系提出革命性的见解，并逐步发展新的理论体系。1900年普朗克(M.Planck)提出量子论，是在微观领域内对经典物理学第一次强有力的冲击，且为以后量子力学理论的建立作了良好开端。,发展简史：,1905年爱因斯坦（A. Einstein）提出相对论，在高速运动的物体的力学方面对经典力学提出重要修正与补充。过后他又在量子论和相对论基础上以光电现象作为实验基础，提出光的量子论，把对微观世界物质运动的规律的研究又推进了一大步。1913年玻尔(N.Bohr)则把他们的理论与卢瑟福(E.Rutherford)的原子有核模型巧妙地结合起来，第一次提出原子结构的量子理论，首次提出原子内部电子运动状况具有不连续性即量子化特性的思想，又提出定态的概念，并成功地把氢原子光谱现象与氢原子内电子运动的定态相联系起来，为运用光谱现象研究原子的内部结构提供了理论基础与成功的经验。玻尔理论的发展，使化学键的电子理论得以建立，使得化学基础理论的发展进入一个新的阶段。,
