结构化学课件0-1-(化学)

结构化学---课程介绍
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。
2．要努力学会应用抽象思维及数学 工具处理问题。在处理理论与实验结果之 间的关系时往往要运用逻辑推理与数学运 算。在表达量子力学基本规律时也必要运 用数学方法从量上表达各种因素所起的作 用及其相互关系。这要求我们努力把物理 概念和数学表达式密切地联系起来。此外， 在由基本理论推得具体结论时也要运用数 学方法，这时要密切注意“起始条件”和 “边界条件”的具体意义，并要明确所得 结果的物理意义。
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。
Βιβλιοθήκη Baidu究途径：
研究物质结构主要采取两条途径： 其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。
目前，由于电子计算机的迅速发展，量子 化学的比较严格较为精确的计算日益成为可能。 同时各种物理测试的手段也得到突飞猛进的发 展，特别是光电子能谱技术的兴起，以无可辩 驳的实验事实直接证明了量子化学中所用单电 子轨函模型的合理性，使理论计算与实验研究 能更紧密地结合起来。可预见，化学的基础理 论及实验方法都将有进一步的发展。在两个世 纪内发展起来的传统的实验与理论紧密相结合 的化学研究方法．在吸收了量子化学理论方法 及物理测试的实验方法后将如虎添翼，取得更 加光辉的成就。
发展简史：
“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。
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
结
构： 几何结构和电子结构。
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。 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 …
结构化学的研究方法和学习方法
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。
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，演绎法也有重要的作用。
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。 发 展 史： 1900 — 至今 （简介之）
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。 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能间的关系。
我们就可利用类比的方法从宏观的 粒子运动及波动的规律得到启发去掌握 量子力学的基本概念、所用模型及某些 数学运算的物理意义。当然，我们要注 意，这种类比的逻辑根据是不够充分的， 所得结果正确与否或其可靠程度均得由 实践来检验。但是由于这种方法立足于 已有知识基础之上，同时兼有启发思路、 提供线索、举一反三、触类旁通的作用， 因此常在获得科学新发现中起着重要的 作用。
在“物质结构”中，由于计算比较复 杂的问题就要遇到难以克服的数学上的困 难。这时往往采用一些简化的模型，突出 地反映其中某一个因素或某几个因素所起 的作用。对这些简化的模型进行理论计算， 可得到一些新的概念和规律，我们就可运 用这些概念和规律分析比较复杂的问题。 我们要善于掌握所用模型的具体意义，特 别要明确其所突出表现的因素，并适当地 对其结果加以估价，并能与实验事实结合 起来用来分析处理比较复杂的问题。
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。
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。
诸言 ---
结构化学的内容，方法
结构化学：是研究原子、分子和晶体的微观
课程简介
结构化学---内容提要
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： 量子力学基础知识、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。
大物理化学
这门学科研究的主要内容有:
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化学热力学－－研究化学反应的方向和限度 统计热力学－－宏观与微观的桥梁化学 化学动力学－－研究化学速率与反应机理 电化学、表面化学、胶体化学 物质结构－－研究物质结构与性质之间内在 联系,这部分已单独成为一门课：
结构化学
0.1 物理化学的目的和内容
课程内容
本课程为化学系各本科专业的一门重要基础课程， 包括的各部分内容如下： 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章
绪论 量子力学基础知识 原子的结构和性质 共价键和双原子分子的结构和性质 分子的对称性 多原子分子的结构和性质 配位化合物的结构和性质 次级键及超分子的结构化学 晶体的点阵结构和晶体的性质 金属的结构和性质 离子化合物的结构化学
在学习方法上应注意之点：
1．要重视理论与实践之间的密切联系。 “物质结构化学”虽是一门理论性比较强的学 科，但它与其他学科一样，一切理论概念都是 来源于实践，一切理论性的结论都要用实践来 加以检验，“物质结构”在这一方面还有其特 点，那就是理论与实验之间的关系往往不是很 简单。对于实验数据往往要经过一系列的理论 处理才能与现有的理论推论相比较。而理论往 往也要根据具体条件作一番逻辑论证或数学运 算才可得出可与实验相比较的结论。例如原子 光谱与原子结构理论之间的关系就是如此。
由于玻尔原子结构理论在进一步发展中遇到 难以克服的困难， 1924年法国青年物理学家 德·布罗意（de Broglie）用与光的量子论相类比 的方法提出电子等微观质点的运动兼具波动性的 见解，后来他的这一假说得到实验的证明，于是 薛定谔（Schrodinger）、海森堡(Heisenberg）、 狄拉克（Dirac）等在这一假说的基础上有选择地 吸取了经典物理学的光辉成就，建立了量子力学 理论。从此物质的微观结构的研究就获得比较可 靠而有效的理论基础。从1927年开始就诞生了量 子化学这门新学科，种种物理测试方法进一步建 立起来。这使得化学键的理论进一步得到发展， 有力地推动了化学基础理论的研究。
研究内容： (1) 化学变化的方向和限度问题 (2) 化学反应的速率和机理问题 (3) 物质的性质与其结构之间的关系问题
0.2 物理化学的研究方法
•热力学方法： •统计力学方法：
•量子力学方法：
用量子力学的基本方程（E.Schrodinger方程）
求解组成体系的微观粒子之间的相互作用及其规
律，从而指示物性与结构之间的关系。
湖北师范学院化学院
作者：王卫东
2010-9-3 1
课程简介
物理化学的主要内容
物理化学是应用物理学的原理和方 法，研究有关物质的物理变化与化学运 动普遍规律的一门科学; 物化化学是从物质的物理现象和化 学现象联系入手，来探讨化学基本规律 的一门学科，是整个化学科学与化学工 艺学的理论指导，又称理论化学。
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、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。
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。
3．要能恰当运用类比的方法。我们既 要密切注意微观现象与宏观现象之间具有本 质的差异，也要注意其间可能有的密切的联 系。我们往往可以利用这种联系运用类比的 方法去认识微观现象的某些特点。例如微观 质点的运动兼具微粒性与波动性，这是微型 现象与宏观现象最基本的差异。但无论其微 粒性这个侧面还是波动性这个侧面都与宏观 的粒子运动及波动有相似之处。到目前为止， 我们对微观质点的具体特点及其所表现波动 性还认识得很不全面、很不具体。