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主讲:丁益民Email:ymding@shu.edu.cnTel:66136953(HA203b)结构化学StructuralChemistryPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建结构化学在原子、分子水平上研究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。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。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿ结构化学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,分子中原子相对位置的立体化学特征;还要说明某种元素的原子或基团在不同的微观环境中的价态、电子组态、配位特点等结构特征。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建结构决定性能,性能反映结构结构化学对应的微观层次结构化学对应的微观层次基本粒子原子核原子分子聚集态物理化学化学物理气态等离子态固态液态晶体非晶体PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建Ìÿ化学键分子、晶体的立体结构结构与化学键结构与化学键原子轨道原子轨道分子轨道分子轨道成键能力成键能力电子因素电子因素原子间原子间连接形式连接形式键角键角键长键长对称性对称性几何因素几何因素结构化学的中心问题结构化学的中心问题PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建曌Ø原子中电子的分布和能级;Ø分子的化学组成、空间构型和构象,分子中电子的分布;Ø化学键的性质和分子的能量状态;Ø晶体中原子的空间排布、晶体的能量状态。Ø结构测定的实验方法。一、研究内容:三种理论——量子理论、化学键理论、点阵理论。三种结构——原子结构、分子结构、晶体结构。三个基础——量子力学基础、对称性基础、晶体学基础。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建二、研究方法以量子力学为核心、以近代物理实验技术为研究手段,研究物质微观运动规律的基本理论方法。从Sch.方程出发,经过求解,得波函数及有关量信息与经典体系相类比(Sch.方程的建立)从大量的已知事例出发,总结规律(结晶化学定律)演绎法演绎法::归纳法归纳法::类比法类比法::PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿØ从了解原子和分子内的电子运动行为,进而得出分子内原子间的相互作用——键型。Ø从了解分子和晶体中原子的空间相对位置,进而得出分子和晶体的空间结构——构型。Ø通过对分子的键型和构型的了解,就可以探索结构和性能间的内在联系。1.利用现代技术,积累大量的结构数据——归纳总结结构化学的规律和原理做基础。2.根据规律和理论,指导实践,结构——性能联系,用以设计合成的途径,探讨产品的分析方法,改进产品质量,开拓产品用途。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建三、课程特点与学习方法1.特点概念抽象,涉及知识面广,与物理、数学有紧密联系,解题有一定难度。学习结构化学时,首先要注意提出问题的背景;解决问题的途径(思路);解决问题的方法(技巧);得到结果(论);实际意义与应用领域。然后再去研究中间的推导过程。要求:多思考、多讨论,基本概念和理论模型要清楚。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建学习方法ü抓住课程骨架,一定要把有关章节的基本点联系起来,找出它们之间的共同性和差异。ü不仅要明确“是什么”,而且要理解“为什么”,并且将学到的结构化学知识转化成解决化学问题的能力。ü以课堂笔记为基础,适当读些参考书。ü学习时做到耐心、慢、细、深、灵活运用,及时消化,掌握重点,侧重于运用。ü在学习过程中必须广泛联系无机、有机、物化中遗留的问题,用结构化学的观点、知识分析解决这些问题是提高学习兴趣的有效方法。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建徐光宪、王祥云:《物质结构》,高等教育出版社,1987年,第二版。2.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.3.厦门大学《结构化学》,科学出版社,20044.李炳瑞《结构化学》,高等教育出版社,20045.江元生《结构化学》,高等教育出版社,19976.JiangYuansheng“MolecularStructuralTheory”高等教育出版社,19997.周公度《结构化学习基础题解析》(第三版),北京大学出版社,20028.倪行,高剑南《物质结构学习指导》,科学出版社,1999PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建物质是由分子和原子组成的。分子和原子的线度大约在10-10m数量级,这种尺度非常小的客体被称为微观物体。微观物体运动遵循的规律——量子力学,被称为是20世纪三大科学发现(相对论、量子力学、DNA双螺旋结构)之一。100多年前量子概念的诞生、随后的发展及其产生的革命性巨变,是一场激动人心又发人深省的史话。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿ§1.1微观粒子的运动特征经典物理学发展到19世纪末,在理论上已相当完善,它在一系列问题上取得了令人目眩的辉煌成就。经典力学(1687年,Newton的《自然哲学的数学原理》在伦敦出版;Lagrange创立分析力学。)经典电磁学(Ampere、Weber、Maxwell等)热力学(Gibbs)统计物理学(Boltzmann)实验发现一些新的现象无法用经典物理学解释。具代表性的有三个著名的实验——黑体辐射、光电效应、原子光谱,此外还有原子结构等。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建黑体辐射与能量量子化黑体——能全部吸收各种波长辐射的物体,是一种理想的吸收体,同时在加热它时,又能最大程度地辐射出各种波长的电磁波。黑体辐射实验用棱镜可把黑体辐射的各种频率的辐射分开,就能在指定的狭窄的频率范围内测量黑体辐射的能量。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建实验发现:在不同温度下,黑体辐射的能量(单位时间,在单位面积上,每单位波长间隔内发射的辐射能,也称辐射强度)与波长的关系如图1-1。随温度增加,Eν增大且极大值向高频移动。人们早已知道,辐射是一种电磁波,是由物体中带电微粒的振动而产生的。这种振动可近似地当作谐振子(hermonicoscillator)。图1-1黑体在不同温度下辐射的能量分布曲线ν×1014/HzEν×10-9/(J·m-1)2000K1500K1000KPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿ瑞利(RayleighJW)和金斯(JeansJH)把分子物理学中能量按自由度均分的原理用于电磁辐射上,得到的辐射能量公式在长波处接近实验结果,在短波处和实验明显不符。238npnkTcE=表明经典物理学对黑体辐射已不适用了。图1-2热辐射波长的强度分布维恩(WienW)假设辐射按波长分布类似于Maxwell的分子速度分布,得到的公式在短波处接近实验结果,在长波处相差很大。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建(1858-1947)1900年,MaxPlanck给出一个能够成功描述整个实验曲线的公式。但他不得不为此引入一个“离经叛道”的假设:黑体中的原子或分子辐射能量时作简谐振动,这些谐振子的能量只能按下式取值:E=nhν(n=1、2、…)h称为Planck常数(6.626×10-34J·s),n称作量子数;ν是谐振子的振动频率。上式表明,存在一个能量最小单位ε0=hν,叫“能量子”。Planck假定是历史性的突破,从此建立起能量量子化的概念。Planck为此获1918年诺贝尔物理学奖。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建假定,推导出单位时间、单位表面积上辐射的能量:331hνkTνhνE-c=-18π(e)这与黑体辐射实验结果完全相符。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建年的著名实验。实验发现光照射到金属表面上时,金属表面上会发射出电子的现象——光电效应。这一实验极为有趣和重要,因为它既证实了Maxwell的电磁波理论——该理论认为光也是电磁波,又发现了光电效应(photoelectriceffect),后来导致了光的粒子学说。(光源打开后,电流表指针偏转)金属中的电子从光获得足够的能量而逸出金属,叫光电子。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建实验中发现的规律:Ø一定的金属有一个固定的频率ν0(称为临阈频率)。只有照射光频率超过ν0,才会有光电流产生,否则,无论光强多大都不会产生光电流。Ø光强增加,发射的光电子数也增加,但不影响光电子的动能。Ø光电子动能和入射光频率成线性增长关系,与入射光强度无关。动能ν0ν图1-3光电子的动能和照射光频率的关系)(0221nn-=hmVPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建经典电磁理论:光的能量应由光的强度决定,即由光的振幅决定,而与光的频率无关,光的频率只决定光的颜色。光电流是金属内电子吸收入射光能量后逸出金属表面所产生的,因此,光电流是否产生,以及光产生后电子的动能大小应由光强度决定。这与实验事实不符。1898年,P.Lenard确认放电粒子为电子,并于1902年首先指出:入射光线的频率低于一定值就不会放出光电子;光电子的动能与光强度无关而与光的频率成正比。光电子的动能显然来自光能,经典波动理论完全不能解释光电效应的实验事实。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建年,EinsteinA提出光的微粒说(又叫光子学说),成功解释了光电效应。光子学说的主要内容为:Einstein(1879-1955)1)光是一束光子流,光的能量只能是最小能量单位ε0(称光子)的整数倍,ε=nε0,n=1,2,3…,n称为量子数,并且光能量与光子频率成正比,ε=hν。2)光子不但有能量,还有质量,但静止质量为零。按相对论质能关系ε=mc2光子质量3)光子具有动量4)光的强度取决于单位体积内光子数,即光子密度。ln/hc/hmcp===lnc/hc/hm==2dN/dτ/Nlim==→)(0tDDrtDPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建=+=nn光电子效应方程:光子学说成功的解释了光电效应。“光子说”表明了——光不仅有波动性,且有微粒性,这就是光的波粒二象性思想。光频率ν光电子动能mv2/2斜率为h纵截距为-W0PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿ光的波粒二象性ε=hν=mc2P=mc=hν/c=h/λPlanck-Eistain公式,反映了光的波动性和粒子性的关系。1905年E
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