结构化学课件..

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。
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。
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。 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。
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。
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立，结构化学也越来越 被农学家和化工工程师所重视。
结构化学的研究方法和学习方法
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）
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。
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。
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。
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。
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， 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。
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。
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。
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。
研究途径：
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。
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。