【正文】 2022/7/14 1 結(jié) 構(gòu) 化 學(xué) 湖南人文科技學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)系 吳超富 二○一 ○ 年 八 月 2022/7/14 2 緒 論 一、結(jié)構(gòu)化學(xué)研究的主要內(nèi)容 結(jié)構(gòu)化學(xué)是研究原子、分子、晶體的結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間關(guān)系的科學(xué)。 主要包括 : 量子力學(xué)基礎(chǔ)知識、原子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、化學(xué)鍵理論、晶體化學(xué)、研究結(jié)構(gòu)的實驗原理和基本方法等內(nèi)容。 2022/7/14 3 二、結(jié)構(gòu)化學(xué)的地位和特點 ? 結(jié)構(gòu)化學(xué)與其它學(xué)科的關(guān)系 結(jié)構(gòu)化學(xué)是其它學(xué)科的理論基礎(chǔ)，具有成上啟下的作用。 ? 結(jié)構(gòu)化學(xué)的特點 新概念多，數(shù)學(xué)推導(dǎo)多，系統(tǒng)性強。 緒 論 2022/7/14 4 緒 論 三、學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的目的與意義 目 的 通過本課程的學(xué)習(xí) ,培養(yǎng) 學(xué)生用微觀結(jié)構(gòu)的觀點分析、解決化學(xué)問題的能力。 培養(yǎng) 學(xué)生具有扎實的基礎(chǔ)理論知識，為后續(xù)課程（如有機結(jié)構(gòu)分析，配位化學(xué)，高等無機化學(xué)，量子化學(xué)等）打下良好的理論基礎(chǔ)。 2022/7/14 5 意 義 當(dāng)今化學(xué)已進入納米空間、皮秒時間時代，隨著人們對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)認(rèn)識的不斷深入，結(jié)構(gòu)化學(xué)的基本理論越來越廣泛地應(yīng)用于化學(xué)的各個領(lǐng)域，特別是在材料、信息、能源等領(lǐng)域。 根據(jù)結(jié)構(gòu)決定性能、性能反映結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，使化學(xué)家有可能對新材料等進行 “ 分子設(shè)計 ” 。 緒 論 2022/7/14 6 石墨的導(dǎo)電性改良 緒 論 石墨為層狀結(jié)構(gòu)， C采取 SP2雜化，同層內(nèi)為六角形結(jié)構(gòu)且在與分子平面垂直的 P軌道上各占一個電子，所以層內(nèi)導(dǎo)電性能好，層間導(dǎo)電性能差。 為了提高石墨的導(dǎo)電性，往往在其中加入一些鉀原子。 2022/7/14 7 在大自然中，豆科植物的根瘤菌在常溫常壓下可以吸收空氣中的 N2固定成 NH3?；瘜W(xué)工作者通過模擬固氮酶對氮的特殊催化作用，使氮活化轉(zhuǎn)化為氨。 緒 論 人工模擬生物固氮 合成氨反應(yīng) 2 2 33 H ( g ) 2 N ( g ) 2 N H ( g )??高溫、高壓 催化劑 2022/7/14 8 新藥的合成 緒 論 分子設(shè)計合成 藥理活性實驗 分離提取 結(jié)構(gòu)測定 天然藥材 其中結(jié)構(gòu)測定和分子設(shè)計必須具有扎實的結(jié)構(gòu)化學(xué)知識。 2022/7/14 9 四、主要參考書 緒 論 1. 東北師范大學(xué)等 《 結(jié)構(gòu)化學(xué) 》 ，高等教育出版社， 2022； 2. 郭用猷 《 結(jié)構(gòu)化學(xué) 》 ，山東大學(xué)出版社， 1998； 3. 江元生 《 結(jié)構(gòu)化學(xué) 》 ，高等教育出版社， 1997； 4. 潘道皚等 《 物質(zhì)結(jié)構(gòu) 》 （第二版），高等教育出版社， 1989； 5. 倪行，高劍南 《 物質(zhì)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)指導(dǎo) 》 ，科學(xué)出版社， 1999； 6. 郭用猷 《 物質(zhì)結(jié)構(gòu)基本原理 》 ，高等教育出版社， 1987； 7. 周公度等編著 《 結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)題解析 》 ，北京大學(xué)出版社， 2022。 2022/7/14 10 第一章 量子力學(xué)基礎(chǔ)知識 167。 11 微觀粒子的運動特征 經(jīng)典物理學(xué)能否用來描述微觀粒子的運動狀態(tài) 經(jīng)典物理學(xué) GibbsBoltzman 統(tǒng)計物理學(xué) Maxwell 電磁理論 Newton 力 學(xué) 2022/7/14 11 第一章 量子力學(xué)基礎(chǔ)知識 經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的三個著名實驗 氫原子光譜實驗 （ 1885年） 黑體輻射實驗 （ 1884年） 光電效應(yīng)實驗 （ 1887年） 2022/7/14 12 第一章 量子力學(xué)基礎(chǔ)知識 一、 黑體輻射和能量量子化 黑體 —— 是指能夠完全吸收照射在其上面各種波長的光而無反射的物體。 2022/7/14 13 第一章 量子力學(xué)基礎(chǔ)知識 T= 1 5 0 0 K T= 1 0 0 0 KE? ? E?： 能量密度 單位面積黑體輻射的能量。 實驗得到： 黑體輻射時能量密度按頻率分布的關(guān)系曲線。 2022/7/14 14 第一章 量子力學(xué)基礎(chǔ)知識 ★ 經(jīng)典物理學(xué)的解釋 經(jīng)典電磁理論認(rèn)為： 黑體輻射是由黑體中帶電粒子的振動發(fā)出的，由于其振動是連續(xù)的，因此輻射電磁波的能量也是連續(xù)變化的。 2022/7/14 15 低頻時，瑞利 金斯曲線與實驗曲線比較吻合；在高頻時，維恩曲線較吻合。 但是在頻率接近紫外光時，理論計算值趨于無窮。 實驗曲線 0 RayleighJeans (瑞利－金斯 )曲線 ?E Wien(維恩 ) 曲線 ?紫外 第一章 量子力學(xué)基礎(chǔ)知識 紫外 災(zāi)難 2022/7/14 16 Planck 第一章 量子力學(xué)基礎(chǔ)知識 Planck量子論 1. 黑體是由不同頻率的諧振子組成； 2. 每個諧振子的能量總是某個最小能量單位 ε的整數(shù)倍； ?nE ? ?3,2,1?n因此，黑體輻射時能量是不連續(xù)的、即是量子化的。 ? 稱為能量子 ?? h? ? — 諧振子固有頻率 h — 普朗克常數(shù) ， sJh ??? ? 34106 2 3. 2022/7/14 17 ? 普朗克基于上述假定，采用與瑞利 金斯完全相同的處理方法 — 經(jīng)典統(tǒng)計物理學(xué)的方法解釋黑體輻射時能量密度與頻率變化規(guī)律，得到了與實驗完全吻合的結(jié)果。 第一章 量子力學(xué)基礎(chǔ)知識 ? Planck能量量子化假設(shè)的提出，標(biāo)志著量子理論的誕生； 1918年， Planck獲得的諾貝爾物理學(xué)獎。 2022/7/14 18 第一章 量子力學(xué)基礎(chǔ)知識 二、 光電效應(yīng)和光子學(xué)說 金屬 光 電子 光電效應(yīng) — 光照射在金屬表面，使金屬發(fā)射出電子的現(xiàn)象。 實 驗 現(xiàn) 象 ? 光電子的產(chǎn)生與入射光的頻率有關(guān) ? 光電子的動能與入射光的頻率成正比，而與光的強度無關(guān)。 。稱為該金屬的臨閾頻率才會產(chǎn)生光電子。時，只有當(dāng)00??? ?2022/7/14 19 第一章 量子力學(xué)基礎(chǔ)知識 Einstein光子說 1 光是一束光子流，每一種頻率的光的能量都有一個最小單位，稱為光子，光子的能量與光子的頻率成正比，即： ?? h?h — Planck常數(shù) ? — 光子頻率 Einstein 2022/7/14 20 第一章 量子力學(xué)基礎(chǔ)知識 光子的強度取決于單位體積內(nèi)光子的數(shù)目，即光子的密度。 3 光與物質(zhì)作用時，能量守恒，動量守恒。 4 光子具有質(zhì)量 m和動量 P。根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能聯(lián)系公式： ?chm ?光子的質(zhì)量 m和動量 P分別為： ?hp ?2 2mc??2022/7/14 21 光電效應(yīng)的解釋 第一章 量子力學(xué)基礎(chǔ)知識 當(dāng)一束頻率為 v的光照射到金屬表面時，根據(jù)能量守恒原理，光子的能量 hv 就會被電子所吸收，其中一部分用來克服金屬表面的吸引，另一部分就是電子離開金屬表面所具有的動能 。