《无机化学绪论》PPT课件

无 机 化 学 Inorganic Chemistry 吴 威 平Tel. 13778591742 (67147)QQ: (化学与制药工程学院) 无 机 化 学 的 学 习 方 法 ：1 学 习 态 度 主 动 学 习 (态 度 决 定 一 切 !)2 学 习 方 法 做 到 三 习 : 课 前 预 习 、 课 后 复 习 , 适 当 练 习2 适 当 练 习 独 立 完 成 习 题3 勤 学 好 问4 重 视 实 验 chem-is-try参 考 书 : 图 书 馆 的 有 关 “无 机 化 学 ”、 “普 通 化 学 ”、 “化 学 原 理 ” 、 “大 学 化 学 ”等 。成绩：平时 40% (包括考勤、作业及平时测验等) 期末考试 60% (闭卷统考) 化 学 是 一 门 中 心 科 学原 子 核 原 子 、 分 子 、 晶 体 生 物 体 物 体 ,天 体物理学 有机化学 物理化学 高分子化学 材料化学 生物化学 生物学 物理学 分 析 化 学 无 机 化 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 有 化 合 物 的 结 构 、 性 质 、 反 应 和 应 用 的 一 门 科 学 。 三星的Note 7 手机爆炸!?有 机 硅 化 合 物 让锂 电 池 更 安 全 。威斯康辛大学的化学教授Robert Hamers分析了其化学机理是由于一系列的反应产生雪崩效应, 使电池内部的反应失去控制造成爆炸。那么, 他的解决办法就是加入5%到10%的有机硅化合物，阻止这种雪崩反应的进行, 并据此技术成立了公司, 获得了800万美元的资助。 什 么 叫 “ 化 学 ” ?核心概念与内容：分子内与分子间相互作用 (化学键, 弱作用)合成与反应结构与性质分子层次上研究物质的组成、结构、性质与转化识别天然物质, 创造新物质 以 非 共 价 键 弱 相 互 作 用 力 结 合 起 来 的 复 杂 有 序 且 有 特 定功 能 的 分 子 结 合 体 “超 分 子 ” 。例 如 :DNA超 分 子 化 学 C60三 硝 基 芴 (trinitrofluorene, 蓝 色 ) 夹 在 分子 镊 子 (molecular tweezers, 红 色 )中 , 两 者经 由 芳 香 性 重 叠 作 用 (-堆 积 作 用 ) 结 合在 一 起分 子 镊 子 (molecular tweezers) l 现 代 无 机 合 成l 配 位 化 学l 有 机 金 属 化 学l 原 子 簇 化 学l 超 分 子 化 学l 生 物 无 机 化 学l 稀 土 元 素 化 学l 无 机 固 体 化 学l 物 理 无 机 化 学l 核 化 学 和 放 射 化 学无 机 化 学 不 断 渗 透 到 其 他 各 种 学 科而 产 生 了 新 的 分 支 和 边 缘 学 科 。 配 位 化 学 配位化合物种类庞大, 约占无机化合物的75以上, 因此配位化学是无机化学研究中一个主要方向。 配位化学从上世纪60年代起与生命科学结合, 成为生物无机化学产生的基础。配位化合物原子簇化合物有机金属化合物 配位化学与材料科学也形成了最紧密的结合。配合物的良好催化作用在有机合成、高分子合成中发挥了极大作用; 在功能材料 (如光、电、磁、超导、信息存储等) 领域也展现出广阔的发展前景。Coordination Chemistry 迄 今 最 大 的 三 十 二 面 体 单 体 配 合 物 分 子 笼 (M30L60)M30L60 有 机 金 属 化 学 有机金属化学研究金属与有机基团直接相键合(M-C键)的化合物, 包括了为数众多的一大类化合物, 它是有机和无机化学相互渗透的边缘领域, 同时又是无机化学极其活跃的新兴领域之一。 有机金属化合物在催化材料、非线性光学材料、半导体材料、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 Chemistry Fe(C5H5)2, 二 茂 铁 原 子 簇 化 学 原子簇化合物(原子间直接键合形成分立多面体骨架结构)的发现逐渐形成了一门新兴的化学分支学科 原子簇化学。原子簇化合物的基本类型有：金属原子簇、硼烷及硼烷阴离子、 富勒烯及其衍生物。 20世纪70年代后由于化学模拟生物固氮、金属原子簇化合物的催化功能、生物金属原子簇、超导材料等方面的研究需要, 促使(金属)原子簇化学快速发展。纳 米 碳 管Chemistry of Clusters C 60 生 物 固 氮 酶 FeMo-clusterN2分 子 是 在 三 棱 柱 体 空 腔 中 与 Fe原 子形 成 六 连 N2桥 物 种 而 活 化 并 被 还 原 的 。N N 八 核 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 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 , 而 且 有 望 成为 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 分 子 化 学 : 就 是 “超 越 分 子 概 念 的 化 学 ”, 它 是 指 研 究 两 种以 上 分 子 通 过 分 子 间 作 用 、 以 分 子 识 别 为 构 造 基 础 所 形 成 的 高次 集 合 体 的 结 构 和 功 能 的 化 学 。 超 分 子 化 学 是 近 年 来 在 一 些 交 叉 学 科 中 产 生 的 边 缘 学 科 , 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 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 Chemistry 超 分 子 化 学 发 源 于 有 机 化 学 中 的 大 环 化 学 , 特 别 是 冠 醚 、穴 醚 、 环 糊 精 、 杯 芳 烃 和 富 勒 烯 等 化 学 。 Cram和 Lehn基 于 对这 些 大 环 化 合 物 对 无 机 离 子 的 配 位 和 识 别 作 用 , 提 出 了 主 客 体化 学 (Host Guest chemistry)的 概 念 , 即 把 大 环 化 合 物 称 作 主 体化 合 物 而 把 进 入 大 环 的 无 机 离 子 或 小 的 有 机 分 子 称 作 客 体 。1991年 制 备 出 第 一 个 球烯 包 合 物 La C82, K、Rb 、 Cs等 碱 金 属 与 C60的 包 合 物 具 有 超 导 性 。 分 子 识 别 、 转 换 和 传 输 是 超 分 子 物 种 的基 本 功 能 。 通 过 分 子 组 装 形 成 超 分 子 功能 体 系 , 是 超 分 子 化 学 的 目 标 之 一 。分 子 开 关无 荧 光 有 荧 光 当 质 子 和 钠 离 子 都 存 在 时 产 生 荧 光 J. Am. Chem. Soc., 2010, 132 (25), pp 85448545三 硝 基 芴 (trinitrofluorene, 蓝 色 ) 夹 在 分 子 镊 子 (molecular tweezers, 红 色 )中 , 两 者 经 由 芳 香 性 重 叠 作 用结 合 在 一 起 分 子 镊 子 (molecular tweezers) 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 含 有 “ 分 子 镊 子 ” 的 溶 液 ， 使 分 选 不 同 直 径 的 碳 纳 米 管 简单 得 犹 如 用 筷 子 夹 豌 豆 。 只 有 粗 细 正 好 能 被 “ 分 子 镊 子 ” 夹 住的 碳 纳 米 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 添 加 其 他 物 质 ， 使 “ 分 子 镊 子 ” 松 开 ， 特 定 直 径 的 碳纳 米 管 就 被 筛 选 出 来 了 。 调 节 “ 分 子 镊 子 ” 的 大 小 ， 就 可 以 夹出 各 种 不 同 直 径 的 碳 纳 米 管 。 C 60 也 可 用 分 子 笼 超 分 子 笼 状 体 系 在客 体 的 识 别 分 离 、药 物 输 送 、 生 物 传 感 和 催 化 方 面 有 很重 要 的 作 用 。 生 物 无 机 化 学 生物无机化学是最近一二十年才迅速发展起来的一门无机化学与生物化学之间的边缘学科。生物无机化学研究的范围很广, 一方面, 它应用无机化学 (特别是配位化学) 的理论原理和实验方法研究生物体中无机金属离子的形态和功能, 阐明金属离子和生物大分子形成的配合物的结构与生物功能的关系; 另一方面, 又要研究如何应用上述原理和规律为人类服务, 特别是为人类的健康服务。Bioinorganic Chemistry 研究金属离子在生命体中的生理生化行为, 是目前十分重要的研究领域。如：血红素, 细胞色素, 叶绿素, 维生素, 铁蛋白, 钼铁蛋白, 锌蛋白, 硒蛋白, 钙调蛋白及几十种重要的金属酶的结构与存在形式, 生理生化功能, 毒副作用等。高自旋亚铁脱氧 低自旋正铁氧合 Fe-N 218pm Fe-N 201pm NH NHNHNHFe O2HN N 咪 唑 基血 红 素 卟 啉 环 血 红 蛋 白 血 红 素 Pt ClH3N ClH3N 应 用 研 究 方 面 ： 抗 癌 药 物 (顺 铂 ), 稀 土 放 疗 , 艾兹 病 (杂 多 酸 ), 营 养 滋 补 品 (各 类 补 钙 、 铁 、 锌 、锗 、 硒 制 剂 )。 生 物 无 机 化 学 是 配 位 化 学 、 生 物化 学 、 医 学 、 营 养 化 学 、 环 境 科 学 等 学 科 相 互渗 透 互 相 融 合 的 产 物 。 cis-PtCl2(NH3)2 无 机 固 体 化 学 无机固体材料是当今社会的三大支柱材料、能源、信息的基础。无机固体化学与无机固体材料密切相关，是无机固体材料研究开发的理论基础。Inorganic Solid State Chemistry 无机固体化学是研究固体物质(包括材料)的制备、组成结构和性质的科学。是一门涉及物理、化学、晶体学和多种技术学科的边缘学科。 例 如 , 超 导 材 料 的 研 究 离 不 开 无 机 化 学 。 1986年 Bednory和 Muller发 现 镧 、 钡 、铜 的 混 合 氧 化 物 在 35 K显 示 超 导 性 ; 开 辟 了 陶瓷 超 导 研 究 的 新 路 , 他 们 因 此 获 得 1987年 诺 贝尔 物 理 学 奖 。 1986年 底 , 包 括 中 国 科 学 院 物 理研 究 所 在 内 的 三 个 小 组 独 立 进 行 了 以 Sr代 Ba的 实 验 , 将 Tc提 高 到 约 40 K。 1987年 2月 , 人 们发 现 T c达 90 K的 Y-Ba-Cu-O超 导 氧 化 物 , 实 现了 液 氮 区 的 超 导 性 . 随 后 , Tc超 过 100 K的 Bi-Sr-Ca-Cu-O系 及 Tl-Ba-Ca-Cu-O系 超 导 体 也 被 发现 . 一 类 非 常 重 要 的 无 机 非 金 属 材 料 是 高 技 术 陶 瓷材 料 ,它 包 括 功 能 陶 瓷 和 结 构 陶 瓷 两 大 类 : 压 电 陶 瓷 是 一 种 典 型 的 功 能 陶 瓷 ,它 能 将 电 能 转 换成 机 械 能 ,或 者 将 机 械 能 转 换 成 电 能 。 用 它 做 成 的 换 能器 、 传 感 器 已 广 泛 用 于 超 声 、 水 声 、 电 声 等 技 术 领 域 。 如 ， 医 生 使 用 超 声 波 扫 描 仪 的 探 头 (用 压 电 陶 瓷 做 成 )放 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 。 典 型 的 结 构 陶 瓷 有 氮 化 硅 、 碳 化 硅 、 增 韧 氧 化 锆等 高 温 结 构 陶 瓷 。 它 们 具 有 强 度 高 、 耐 磨 损 、 耐 高 温 、耐 腐 蚀 等 优 良 性 能 ,已 被 广 泛 用 来 制 造 机 械 部 件 ,尤 其是 制 作 发 动 机 耐 热 部 件 。 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 , 元 素 是 我 们 的 原 始 材料 ！ 学 好 无 机 化 学 , 深 入 了 解 这 些 元 素 和 化 合 物的 性 质 和 规 律 , 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 ！ 本 课 程 主 要 是 打 牢 无 机 化 学 基 础 知 识 , 为 后续 课 程 的 学 习 提 供 坚 实 基 础 。 n 微 观 n 宏 观结 构 -性 质 的 关 系 -用 这 些 理 论 去 分 析 、 研 究 和 解 决 化 学 问 题物 质 的变 化 规 律 元 素 化 学物 质 的 形 态与 结 构原 子 结 构分 子 结 构晶 体 结 构气 液 固 体 化 学 热 力 学化 学 动 力 学酸 碱 平 衡沉 淀 平 衡氧 化 还 原 平 衡配 位 平 衡 元 素 通 论s区 元 素p区 元 素d, ds区 元 素f 区 元 素基 础 无 机 化 学 的 主 要 内 容 预 备 知 识 : 理 想 气 体 状 态 方 程 式假 定 ： 分 子 不 占 有 体 积 (忽 略 尺 寸 ) 分 子 间 作 用 力 忽 略 不 计压力 体积 温度气体常数物质的量适 用 于 ：R = 8.314 J mol-1 K-1 变 式 : PV = (m /Mr) RT气 体 的 最 基 本 特 征 ： 具 有 可 压 缩 性 和 扩 散 性P V = n R T 组 分 气 体 : 理 想 气 体 混 合 物 中 每 一 种 气 体 叫 做 组 分气 体 。TV nBnAP总混 合 气 体 分 压 定 律分 压 : 组 分 气 体 B在 相 同 温 度 下 单 独 占 有 与 混 合 气 体相 同 体 积 时 所 产 生 的 压 力 , 叫 做 组 分 气 体 B的 分 压 。TV PAPBnBnAPA= nA(RT/V)P B= nB(RT/V)P总 V= n总 RT 混 合 气 体 的 总 压 等 于 混 合 气 体 中 各 组 分气 体 分 压 之 和 。 p = p1 + p2 + 或 p = pB x B B的 摩 尔 分 数 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 。 混 合 气 体 中 , 某 组 分 的 分 压 是 指 ( )。(A) 相 同 温 度 时 , 该 组 分 气 体 在 容 积 为 1.0 L的 容 器 中 所 产 生 的压 力 ;(B) 该 组 分 气 体 在 273.15 K时 所 产 生 的 压 力 ;(C) 同 一 容 器 中 , 该 组 分 气 体 在 273.15 K时 所 产 生 的 压 力 ;(D) 相 同 温 度 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 。