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1、无机化学无机化学 Inorganic Chemistry 吴威平吴威平Tel. 13778591742 (67147)QQ: (化学与制药工程学院化学与制药工程学院)1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
2、学化学大学化学”等。等。成绩成绩：平时：平时 40% (包括考勤、包括考勤、作业及作业及平时平时测验等测验等) 期末期末考试考试 60% (闭卷统考闭卷统考)2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所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。有化合物
3、的结构、性质、反应和应用的一门科学。34三星的三星的Note 7 手机爆炸手机爆炸!?有机硅化合物让有机硅化合物让锂电池更安全。锂电池更安全。威威斯斯康康辛辛大大学学的的化化学学教教授授Robert Hamers分分析析了了其其化化学学机机理理是是由由于于一一系系列列的的反反应应产产生生雪雪崩崩效效应应, 使使电电池池内内部部的的反反应应失失去去控控制制造造成成爆爆炸炸。那那么么, 他他的的解解决决办办法法就就是是加加入入5%到到10%的的有有机机硅硅化化合合物物，阻阻止止这这种种雪雪崩崩反反应应的的进进行行, 并并据据此此技技术术成成立立了了公司公司, 获得了获得了800万美元的资助。万美元
4、的资助。5什么叫什么叫“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6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7C60三三硝硝基基芴芴(trinitrofluorene, 蓝蓝色色) 夹夹在在分分子子镊镊子子
5、(molecular tweezers, 红红色色)中中, 两两者者经经由由芳芳香香性性重重叠叠作作用用 (-堆堆积积作作用用) 结结合合在在一起一起分子镊子分子镊子(molecular tweezers)8现代无机化学的主要分支学科现代无机化学的主要分支学科l 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无机机化化学学不不断断渗渗透透到到
6、其其他他各各种种学学科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。9配位化学配位化学 配配位位化化合合物物种种类类庞庞大大, 约约占占无无机机化化合合物物的的75以以上上, 因因此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。 配配位位化化学学从从上上世世纪纪60年年代代起起与与生生命命科科学学结结合合, 成成为为生生物物无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 配配位位化化学学与与材材料料科科学学也也形形成成了了最最紧紧密密的的结结合合。配配合合物物的的良良好好催催化化作作用
7、用在在有有机机合合成成、高高分分子子合合成成中中发发挥挥了了极极大大作作用用; 在在功功能能材材料料 (如如光光、电电、磁磁、超超导导、信信息息存存储储等等) 领领域域也也展展现现出出广广阔阔的的发发展前景。展前景。Coordination Chemistry10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)其内腔足以装进一个蛋白分子其内腔足以装进一个蛋白分子其内腔足以装进一个蛋白分子其内腔足以装进一个蛋白分子M30L6011有机金属化学有机金属化学 有有机机金金属属化化学学研研究究金金属属与与有有机机基基团团直直接接相相键键合合(M-C键键)的的化化
8、合合物物, 包包括括了了为为数数众众多多的的一一大大类类化化合合物物, 它它是是有有机机和和无无机机化化学学相相互互渗渗透透的的边边缘缘领领域域, 同同时时又又是是无无机机化化学学极极其其活活跃跃的的新新兴兴领领域域之一。之一。 有有机机金金属属化化合合物物在在催催化化材材料料、非非线线性性光光学学材材料料、半半导导体体材材料、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12原子簇化学 原原子子簇簇化化合合物物(原原子子间间直直接接键键合合形
9、形成成分分立立多多面面体体骨骨架架结结构构)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。原原子子簇簇化化合合物物的的基基本本类类型型有有：金金属属原原子子簇簇、硼硼烷烷及及硼硼烷烷阴阴离离子子、 富勒烯富勒烯及其衍生物。及其衍生物。 20世世纪纪70年年代代后后由由于于化化学学模模拟拟生生物物固固氮氮、金金属属原原子子簇簇化化合合物物的的催催化化功功能能、生生物物金金属属原原子子簇簇、超超导导材材料料等等方方面面的的研研究究需需要要, 促促使使(金金属属)原原子子簇化学快速发展。簇化学快速发展。纳米碳管纳米碳管Chemistry of
10、Clusters C6013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。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
11、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。超分子化学 超超分分子子化化学学: 就就是是“超超越越分分子子概概念念的的化化学学”, 它它是是指指研研究究两两种种以以上上分分子子通通过过分分子子间间作作用用、以以分分子子识识别别为为构构造造基基础础所所形形成成的的高高次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。 超超分分子子化化学学是是近近年年来来在在一一些些交交叉叉学学科科中中产产生生的的边边缘缘学学科科, 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
12、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 Chemistry16 超超分分子子化化学学发发源源于于有有机机化化学学中中的的大大环环化化学学, 特特别别是是冠冠醚醚、穴穴醚醚、环环糊糊精精、杯杯芳芳烃烃和和富富勒勒烯烯等等化化学学。Cram和和Lehn基基于于对对这这些些大大环环化化合合物物对对无无机机离离子子的的配配位位和和识识别别作作用用, 提提出出了了主主客客体体化化学学(HostGuest chemistry)的的概概念念, 即即把把大大环环化化合合物物称称作作主主体体化化合合物而
13、把进入大环的无机离子或小的有机分子称作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17J. Am. Chem. Soc., 2010,
14、132 (25), pp 85448545三三硝硝基基芴芴(trinitrofluorene, 蓝蓝色色) 夹夹在在分分子子镊镊子子(molecular tweezers, 红红色色)中中, 两两者者经经由由芳芳香香性性重重叠叠作作用用结合在一起结合在一起分子镊子分子镊子(molecular tweezers)18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，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，利用其困难程度无异大海捞针。日本科学家开发出一项新技术，利用含有含有“分子镊子分子镊子”的溶液，的溶液，使分选不同直
15、径的碳纳米管简单得犹使分选不同直径的碳纳米管简单得犹如用筷子夹豌豆。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”夹住的碳纳米夹住的碳纳米管才能够进入溶液。管才能够进入溶液。将不同直径的碳纳米管分离之后，向溶液里将不同直径的碳纳米管分离之后，向溶液里添加其他物质，使添加其他物质，使“分子镊子分子镊子”松开，特定直径的碳纳米管就被松开，特定直径的碳纳米管就被筛选出来了。调节筛选出来了。调节“分子镊子分子镊子”的大小，就可以夹出各种不同直的大小，就可以夹出各种不同直径的碳纳米管。径的碳纳米管。 C60也可用分子笼也可用分子笼超超分分子子笼笼状状体体系系在在客客体体的的识识别别
16、分分离离、药药物物输输送送、生生物物传传感感和和催催化化方方面面有有很很重要的作用。重要的作用。19生物无机化学 生生物物无无机机化化学学是是最最近近一一二二十十年年才才迅迅速速发发展展起起来来的的一一门门无无机机化化学学与与生生物物化化学学之之间间的的边边缘缘学学科科。生生物物无无机机化化学学研研究究的的范范围围很很广广, 一一方方面面, 它它应应用用无无机机化化学学 (特特别别是是配配位位化化学学) 的的理理论论原原理理和和实实验验方方法法研研究究生生物物体体中中无无机机金金属属离离子子的的形形态态和和功功能能, 阐阐明明金金属属离离子子和和生生物物大大分分子子形形成成的的配配合合物物的的
17、结结构构与与生生物物功功能能的的关关系系; 另另一一方方面面, 又又要要研研究究如如何何应应用用上上述述原原理理和和规规律律为人类服务为人类服务, 特别是为人类的健康服务。特别是为人类的健康服务。Bioinorganic Chemistry20 研研究究金金属属离离子子在在生生命命体体中中的的生生理理生生化化行行为为, 是是目目前前十十分分重重要要的的研研究究领领域域。如如：血血红红素素, 细细胞胞色色素素, 叶叶绿绿素素, 维维生生素素, 铁铁蛋蛋白白, 钼钼铁铁蛋蛋白白, 锌锌蛋蛋白白, 硒硒蛋蛋白白, 钙钙调调蛋蛋白白及及几几十十种种重重要要的的金金属酶的结构与存在形式属酶的结构与存在形
18、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 201pm血红蛋白血红素血红蛋白血红素21应应用用研研究究方方面面：抗抗癌癌药药物物 (顺顺铂铂), 稀稀土土放放疗疗, 艾艾兹兹病病 (杂杂多多酸酸), 营营养养滋滋补补品品 (各各类类补补钙钙、铁铁、锌锌、锗锗、硒硒制制剂剂)。生生物物无无机机化化学学是是配配位位化化学学、生生物物化化学学、医医学学、营营养养化化学学、环环境境科科学学等等学学科科相相互互渗透互相融合的产物。渗透互相融合的产物。 cis-PtCl2(NH3)222无机固体化学
19、无无机机固固体体材材料料是是当当今今社社会会的的三三大大支支柱柱材材料料、能能源源、信信息息的的基基础础。无无机机固固体体化化学学与与无无机机固固体体材材料料密密切切相相关关，是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 无无机机固固体体化化学学是是研研究究固固体体物物质质(包包括括材材料料)的的制制备备、组组成成结结构构和和性性质质的的科科学学。是是一一门门涉涉及及物物理理、化化学学、晶晶体体学学和和多多种技术学科的边缘学科。种技术学科的边缘学科。23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
20、离不开无机化学。 1986年年Bednory和和Muller发发现现镧镧、钡钡、铜铜的的混混合合氧氧化化物物在在35 K显显示示超超导导性性; 开开辟辟了了陶陶瓷瓷超超导导研研究究的的新新路路, 他他们们因因此此获获得得1987年年诺诺贝贝尔尔物物理理学学奖奖。1986年年底底, 包包括括中中国国科科学学院院物物理理研研究究所所在在内内的的三三个个小小组组独独立立进进行行了了以以Sr代代Ba的的实实验验, 将将Tc提提高高到到约约40 K。1987年年2月月, 人人们们发发现现Tc达达90 K的的Y-Ba-Cu-O超超导导氧氧化化物物, 实实现现了了液液氮氮区区的的超超导导性性. 随随后后,
21、Tc超超过过100 K的的Bi-Sr-Ca-Cu-O系系及及Tl-Ba-Ca-Cu-O系系超超导导体体也也被被发发现现.24 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: : 压压电电陶陶瓷瓷是是一一种种典典型型的的功功能能陶陶瓷瓷, ,它它能能将将电电能能转转换换成成机机械械能能, ,或或者者将将机机械械能能转转换换成成电电能能。用用它它做做成成的的换换能能器器、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。 如如，医医生生使使用用超超声声
22、波波扫扫描描仪仪的的探探头头( (用用压压电电陶陶瓷瓷做做成成) )放放在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。 典典型型的的结结构构陶陶瓷瓷有有氮氮化化硅硅、碳碳化化硅硅、增增韧韧氧氧化化锆锆等等高高温温结结构构陶陶瓷瓷。它它们们具具有有强强度度高高、耐耐磨磨损损、耐耐高高温温、耐耐腐腐蚀蚀等等优优良良性性能能, ,已已被被广广泛泛用用来来制制造造机机械械部部件件, ,尤尤其其是制作发动机耐热部件。是制作发动机耐热部件。25 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
23、秘和合成新物质和材料, 元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。 26n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
24、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27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： 分子不占有体积分子不占有体积(忽略尺寸忽略尺寸) 分子间作用力忽略不计分子间作用力忽略不计压压力力体体积积温温度度气气体体常常数数物物质质的的量量适用于：适用于：温度较高或压力较低时的稀薄气体
25、温度较高或压力较低时的稀薄气体R = 8.314 J mol-1 K-1变式变式: PV = (m/Mr) RT气体气体的最基本特征：的最基本特征：具有可压缩性和扩散性具有可压缩性和扩散性P V = n R T一、一、 理想气体理想气体28组分气体组分气体: 理想气体混合物中每一种气体叫做组分理想气体混合物中每一种气体叫做组分气体。气体。TVnBnAP总总混合气体分压定律混合气体分压定律分分压压: 组组分分气气体体B在在相相同同温温度度下下单单独独占占有有与与混混合合气气体体相同体积时相同体积时所产生的压力所产生的压力, 叫做组分气体叫做组分气体B的分压。的分压。TVPAPBnBnAPA= n
26、A(RT/V)PB= nB(RT/V)P总总V= n总总RT29 混混合合气气体体的的总总压压等等于于混混合合气气体体中中各各组组分分气体分压之和。气体分压之和。 p = p1 + p2 + 或或 p = pB xB B的摩尔分数的摩尔分数混合气体分压定律混合气体分压定律一种组分气体的分压与其他组分气体的存在无关。一种组分气体的分压与其他组分气体的存在无关。30混合气体中混合气体中, 某组分的分压是指某组分的分压是指 ( )。(A) 相同温度时相同温度时, 该组分气体在容积为该组分气体在容积为1.0 L的容器中所产生的的容器中所产生的压力压力;(B) 该组分气体在该组分气体在273.15 K时所产生的压力时所产生的压力;(C) 同一容器中同一容器中, 该组分气体在该组分气体在273.15 K时所产生的压力时所产生的压力;(D) 相同温度时相同温度时, 该组分气体单独占据与混合气体相同体积时该组分气体单独占据与混合气体相同体积时所产生的压力。所产生的压力。31个人观点供参考，欢迎讨论
