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1结构化学StructuralChemistryDr.WangYan（王彦）AnhuiKeyLaboratoryofFunctionalCoordinationCompoundsCollegeofChemistry&ChemicalEngineeringAnqingTeachersCollegeAnqing246011Anhui,ChinaMobile:18956922097E-mail:wangyan@aqtc.edu.cn2物质结构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。物质结构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。物质结构---课程介绍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。4考试成绩分布平时成绩(作业+到课率+提问)：30%期末成绩：70%5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潘道皑、赵成大和郑载兴:《物质结构》，高等教育出版社，1989年，第二版．物质结构---内容提要课程简介研究对象：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。结构：电子结构和几何结构。电子结构主要是指描述电子运动规律的波函数，即原子轨道和分子轨道，通过轨道相互作用了解化学键的本质。几何结构主要是指分子或晶体中原子空间布排的立体结构。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。诸言---结构化学的内容，方法很明显，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。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。从一静态结构到另一静态结构，如中间产物，过渡态，激发态…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。结构：静态结构和动态结构。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。研究途径：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。“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。发展简史：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。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（deBroglie）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。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。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。在学习方法上应注意之点：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。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。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。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。总之，在学习结构化学时，要重视从衍射法、光谱法和磁共振法等实验所得的实验数据以及新产品表现出来的性能，这是我们认识物质结构的第一性内容。一切要领和原理都来源于实践，而所得理论的正确性又要由实践来检验。要重视微观粒子运动所遵循的量子力学规律，掌握微观现象的特点，努力把物理概念数学表达式密切地联系起来。要重视结构和性能间的联系，了解各种物质具有其特性的结构根源，了解各种结构所必然出现的性能，了解理论的实际应用，加深对事物本质认识。学以致用。211．周公度、段连运：《结构化学基础》，北京大学出版社，1996年，第二版。2．徐光宪、王祥云：《物质结构》，高等教育出版社，1987年，第二版。3．北京大学出版社出版的《结构化学基础》一书四、推荐教学参考书4.L.Pauling,EBWilson陈洪生译，量子力学导论，科学出版社，19645.谢有畅，邰美成，结构化学，人民教育出版社,19836.何福诚，朱正和，结构化学，高等教育出版社,19847.张乾二，林连堂，王南钦，休克尔矩阵图形方法，科学出版社,19838.Cotton著：群论在化学中的应用，福建科技出版社,19999.M,Karplus&R.N.Porter:AtomMolecules10.U.Müller.InorganicStructuralChemistry,IohnWilery&SonsLtd,199311.M.Ladd.Introductiontophysicalchemistry3rdEdition,CambridgeUniversityPress,199812.W.L.Bragg,AtomicStructureofminerals13.冯端等：金属物理学(第一册)科学出版社,200014.周公度:无机结构化学,科学出版社,198215.L.Pauling著，卢嘉锡等译，化学键本质（第三版），上海科技出版社,198124量子力学基础知识1.微观粒子的运动特征2.量子力学基本假设3.算符、本征方程及其解4.势箱中自由粒子的薛定谔方程及其解上一内容下一内容回主目录返回0.1经典物理学的困难0.1经典物理