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文檔簡介
“無機化學基本原理”巢暉Tel:Email:無機化學系列課程1基本情況授課時間:11周第6周~第16周總學時:44節(jié),2.5學分課程成績:平時20%,期中40%,期末40%考試方式:
部分開卷化學研究什么?
2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)2Na(s)+Cl2(g)=2NaCl(s)
研究物質的形成、結構與性質和變化的科學。合成新物質(Synthesis)
物質的組成與結構物質的結構與性質的關系變化的原因。研究的層次:宏觀物體(物理)分子,原子,離子(化學)電子,質子,中子等基本粒子(物理)主要是分子層次(原子,離子)以及分子以上的層次(超分子,納米層次)化學[Mn2(-H2O)(bda)2(py)3(dmf)](DMF)(H2O)2的x-射線結晶學的超分子結構化學是一門中心科學
1.化學是一門承上啟下的中心科學。科學可按照它的研究對象由簡單到復雜的程度分為上游、中游和下游。數(shù)學、物理學是上游,化學是中游,生命等朝陽科學是下游。上游科學研究的對象比較簡單,但研究的深度很深。下游科學的研究對象比較復雜,除了用本門科學的方法以外,如果借用上游科學的理論和方法,往往可收事半功倍之效?;瘜W是中心科學,是從上游到下游的必經之地。2.化學又是一門社會迫切需要的中心科學,與我們的衣、食、住、行都有非常緊密的聯(lián)系。3.化學是與信息、生命、材料、環(huán)境、能源、地球、空間和核科學等八大朝陽科學(sun-risesciences)都有緊密的聯(lián)系、交叉和滲透的中心科學。Nature2001,411,408-409
在多學科的時代,化學面臨著自己的學科聲望的問題。化學這門重要的中心科學(centralscience)反而被社會看作是伴娘科學(bridesmaidscience)而不受重視。世界著名的Nature雜志也為化學家鳴不平,在2001年發(fā)表了社論說:“化學的形象被其交叉學科的成功所埋沒”。哈佛大學化學系教授GeorgeWhitesides也同意這種說法:許多化學中最有趣的部分往往被稱作別的名字。他說:“我從來沒弄清化學家們是怎么回事。他們總是過于謙遜和本分。他們發(fā)展出了這些有趣的技術,別人把它們拿走了,他們居然既不喊叫也不抱怨。你從來不會發(fā)現(xiàn)一位生物學家會容忍別人把他們所做的東西這樣拿走。”
生物化學被稱為“分子生物學”,生物大分子的結構化學被稱為“結構生物學”,生物大分子的物理化學被稱為“生物物理學”,固體化學被稱為“凝聚態(tài)物理學”,溶液理論、膠體化學被稱為“軟物質物理學”,量子化學被稱為“原子分子物理學”等。人類基因計劃的主要內容之一實際上是基因測序的分析化學和凝膠色層等分離化學,但社會上只知道基因學,看不到化學家在其中有什么作用。分子晶體管、分子芯片、分子馬達、分子導線、分子計算機等都是化學家開始研究的,但開創(chuàng)這方面研究的化學家卻不提出“化學器件學”這一新名詞,而微電子學專家馬上看出這些研究的發(fā)展遠景,并稱之為“分子電子學”?;瘜W家合成了巴基球C60,于1996年被授予諾貝爾化學獎,后來化學家又做了大量研究工作,合成了碳納米管。但是許多由這一發(fā)明所帶來的研究被人們當作應用物理學或納米科學的貢獻?;瘜W:無名英雄?!
化學的二級學科
數(shù)學、物理學、化學、生物學等被列為“一級學科”由于不同學科的互相滲透,化學學科又進一步劃分出了許多分支學科,即化學的二級學科。(1)無機化學(2)有機化學(3)高分子化學(4)分析化學(5)物理化學放射化學、地球化學、工業(yè)化學、農業(yè)化學、環(huán)境化學、生物化學????化學的二級學科CHEMISTRY無機化學研究除碳、氫化合物及其衍生物之外的所有元素的單質和化合物的組成、結構、性質、變化規(guī)律及其應用。無機化學1869年Mendeleev提出元素周期律無機材料化學——固體無機化學金屬有機化學——含有-C-M-鍵(M代表金屬)的一類化合物)生物無機化學——金屬離子和生物配體相互作用????有機化學有機化學(碳的化學)(1000多萬種)天然有機化學——研究動物、植物、微生物等天然有機物的結構、性能,并進行人工合成合成有機化學——利用天然的或人工的原料合成各種有機化合物結構有機化學——研究有機物結構理論,并進行結構測定和分析研究碳、氫化合物及其衍生物。分析化學研究物質化學組成及其結構的分析方法。分析化學成份分析:元素分析、色譜、原子吸收光譜、原子發(fā)射光譜、極譜分析、電化學分析??????結構分析:紅外光譜、X射線光譜、中子衍射譜、光電子能譜、核磁共振譜、順磁共譜等現(xiàn)代分析正在向快速、準確、微量、微區(qū)、表面、自動化等方向發(fā)展。物理化學借助物理學的原理和方法來探求化學變化基本規(guī)律的一門化學分支。物理化學化學熱力學:研究化學反應過程的能量變化、方向和限度化學動力學:研究化學反應的速率、機理和化學反應的控制結構化學:研究物質的結構及其與物質的性能之間的關系高分子化學分子量為104106的大分子一般化合物的分子量是幾十、幾百,而高分子化合物的分子量是幾萬,幾十萬,由成千上萬個小分子單體聚合成鏈,并蜷曲交織在一起就組成橡膠、纖維或塑料等高分子材料?;瘜W近年的發(fā)展和進步現(xiàn)代光、電、磁和計算機的發(fā)展和測試水平的進步
例:宏觀微觀
STM(掃描隧道電鏡)和AFM(原子力顯微鏡)原子的真實大小由間接的推導到直接觀察到原子Cu原子在Si表面的STM照片(放大250million)WO3-x晶體剪切面的高分辯電鏡圖,研究固體的缺陷NMR(核磁共振)、X光衍射等推斷C60的結構C60,旋轉100萬次/秒1991年,美國加州大學伯克利分校的Hawkins用此化合物得到C60的X射線照片[Os(O)4(py)2(C60)]化學近年的發(fā)展和進步2.
新化合物的大量出現(xiàn)
近3000萬種(CA登錄到2000年)
20世紀末,每年報導100萬種,美國的化學物質的產值為4000億美元
美國杜邦公司的口號:“化學造就更好的物質,創(chuàng)造更美好生活”
惰氣化合物;非整比化合物(缺陷)超分子化合物(主客化合物);電子化合物化學近年的發(fā)展和進步3.化學與其他學科的滲透和交叉化學與生命:
例如,cis-Pt(NH3)2Cl2與DNA作用的抗癌特性;有機化合物的非對稱合成(手性合成)化學與材料:磁性材料,非線性光學材料,超導材料,發(fā)光材料例:彩色顯示器:CRT(陰極射線管)液晶FED(場發(fā)射顯示模塊)平板顯示,納米技術和納米材料:C60,碳納米管,碳籠包合物單層碳納米管束D.E.Luzzi,etal,Nature396,323-324(1998)多層碳納米管Thesmallestcarbonnanotube
High-resolutionelectronmicroscopeimageofa4?tubule(sidewallsaremarkedbylines)confinedinsidean18-shellcarbonnanotubeSumioIijimaetalNature
408,50(2000)金屬富勒烯包合物化學近年的發(fā)展和進步4.化學與日常生活和社會生活密切相關
實用科學
正效應:人體健康、藥物化學、自然資源利用、能源、環(huán)保
負效應:有害于環(huán)境和人類的健康化學使正負作用兩者平衡,發(fā)展正效應,消除負效應。高分子材料藥品、食品、染料、食品添加劑、化妝品咖啡因的分子結構無機化學的發(fā)展無機化學學科是隨著元素發(fā)現(xiàn)而逐步發(fā)展起來的.因而可以說,在科學發(fā)展進程中,無機化學是化學學科的鼻祖,最初的化學就是無機化學。在19世紀的前50年,不僅發(fā)現(xiàn)了半數(shù)以上的元素,而且進行了這些元素簡單化合物性質的研究。到了19世紀中期,為有機化學的光譜研究的熱點時期;而在1900年左右,物理化學方面的探索成為新的研究高潮。相比而言,將近一個世紀,人們忽略了無機化學的研究。材料、能源、信息、糧食、環(huán)境和資源的需要。曼哈頓工程原子能計劃是一項綜合性工程,它涉及到物理學和化學的各個領域,尤其向無機化學提出了更多的課題:
原子反應堆的建立,促進了具有特殊性能的新無機材料的合成的研究;
同位素工廠的建設,促進了各種現(xiàn)代分析、分離方法的發(fā)展;
各種粒子加速器的建造,推動了超鈾元素的合成;
隨著原子能計劃的實施,以及量子力學和物理測試手段在無機化學中的應用,使得無機化學在理論(如周期系理論、原子分子理論、配位化學理論、無機化學熱力學、無機反應動力學)上也漸趨成熟。第二次世界大戰(zhàn)中美國的曼哈頓工程(原子能計劃)
極大地“催化”了無機化學的發(fā)展,使無機化學步入了所謂“復興”時期。無機藥物砒霜As3+治療白血病順鉑抗癌藥物Gd3+腫瘤診斷
通過對水稻葉表面存在液滴滾動的各向異性的機理研究,發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象是由于其表面微/納米結構的定向排列的結果上左圖為水滴在水稻葉表面的各向異性照片;右圖為水稻葉表面的微觀結構電鏡照片(Adv.Mater.2002,14,1857);仿照水稻微米結構排列方式制備出三維各向異性的碳納米管微結構陣列(J.Am.Chem.Soc.2004,125,14996)仿生納米材料白光LED材料SiC-耐熱高強結構材料石墨烯目前世界上已知的強度最高的材料-比鉆石還堅硬,強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍
法國皇帝拿破侖曾經說過:“筆比劍更有威力”。由美國哥倫比亞大學的兩名華裔科學家李成古和魏小丁研究發(fā)現(xiàn)。這種物質不僅可以用來開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、制造出超堅韌的防彈衣,甚至還為“太空電梯”超韌纜線的制造打開了一扇“阿里巴巴”之門,能讓科學家夢寐以求的23000英里長太空電梯在不久的將來成為現(xiàn)實!從石墨上剝離出一些石墨烯薄片,粘到1平方英寸的硅片上,在電子顯微鏡下進行觀察,硅片小孔上發(fā)現(xiàn)合適的單原子厚的石墨烯薄片,用原子尺寸的金屬和鉆石探針對它們進行穿刺,從而測試它們的強度?;瘜W的特點:實驗性強的科學
沒有實驗就沒有發(fā)現(xiàn):居里夫婦發(fā)現(xiàn)鈾礦石的放射性比提純后鈾化合物強,估計有一種放射性更強的新元素存在,1899-1902間的4年內,經過上萬次的重結晶,從8噸瀝青鈾礦得到0.1g的RaCl2,測定了鐳Ra的原子量。
沒有實驗就沒有理論的進步和發(fā)展:1986年氧化物高溫超導的發(fā)現(xiàn),促進了超導理論。研究化學的方法實踐→認識→再實踐→再認識
物質世界中千變萬化的化學現(xiàn)象都是通過化學實驗觀察到的,化學中的一些學說、定律都是在實驗的基礎上綜合歸納而得到的,并且在實驗中鑒別修正,反過來再指導實驗。因此有人說:化學是一門實驗科學。這句話充分強調了實驗的重要性。稀有氣體的發(fā)現(xiàn)英國物理學家Ramsay領導的科研小組在1894~1900期間,用他們敏銳的洞察力和高超的實驗技術,發(fā)現(xiàn)了從He到Rn的六種稀有氣體元素。1904年Ramsay獲得了諾貝爾化學獎。稀有氣體的發(fā)現(xiàn)
1894年,Ramsay的科研小組從空氣中分離出1升N2氣測得其重為1.257g,而從氮化物中分離出的1升N2氣測得其重為1.251g。
小數(shù)點后第三位的差異引起了他們的注意,經多次實驗所得結果仍是相同的,于是排除了實驗誤差的因素,他們斷定,引起小數(shù)點后第三位的差異的原因肯定是從空氣中分離出的N2氣中還含有其他物質,于是經過進一步的分離,除去了氮氣后,還剩下1%的氣體,這些氣體極其穩(wěn)定,不與任何物質反應,在放電管中發(fā)出特殊的輝光—于是他們興奮的宣布:發(fā)現(xiàn)了一個新的元素,根據(jù)它的特殊的穩(wěn)定性,命名為氬(Ar),拉丁文的意思是:不活潑。稀有氣體的發(fā)現(xiàn)
1895年,他們又從空氣中分離出了氦He元素,而這一元素在當時被認為只有太陽大氣中才有的元素。
1898年他們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了氖Ne、氪Kr、氙Xe。
1900年他們在放射性礦物中發(fā)現(xiàn)了氡Rn。至此完成了周期表中的零族元素,并命名為“惰性氣體”。
這一發(fā)現(xiàn)充分說明化學來源與實驗,化學是實驗科學。
人們的認識是永無休止的。1962年,加拿大年輕的化學家N.Bartlett的工作又使人們對已經認識的“惰性氣體”有了新的認識,知道了“惰性氣體”并非絕對惰性。Bartlett的實驗N.Bartlett當時是在做一項實驗:
使下列反應進行:O2+PtF6→O2+[PtF6]-
,制備O2+[PtF6]-晶體。實驗的過程中Bartlett聯(lián)想到:O2的第一電離能為1171.5KJ/mol,
而Xe的第一電離能為1175.7KJ/mol,兩者非常相近。既然O2可以電離出一個電子發(fā)生這個反應,Xe也應該可以失去一個電子發(fā)生這個反應,生成Xe+[PF6]-。然后Bartlett又用晶格能理論推算了一旦生成Xe+[PF6]-的晶格能僅比O2+[PF6]-的晶格能小41.8KJ/mol,這一結果表明:Xe+[PF6]-
一旦生成尚能穩(wěn)定存在。Bartlett的實驗
于是N.Bartlett在室溫下,將Xe和PtF6的蒸氣通入一個密閉的容器中,結果:產生了紅色的晶體Xe+[PF6]-。
這是第一個真正的稀有氣體化合物,這一發(fā)現(xiàn)振動了當時的化學界,在兩年之內,有接近上百篇文章進行此方面的報道.同時動搖了人們的“稀有氣體絕對惰性”的概念。于是人們將惰性氣體更名為稀有氣體,從此揭開了稀有氣體研究的新篇章,同時修正了化學鍵理論:既穩(wěn)定的八偶體,在一定的條件下仍可發(fā)生化學反應。啟示
Bartlett的發(fā)現(xiàn)是在化學電離理論和晶格能理論指導下產生的,這一發(fā)現(xiàn)充分說明了理論指導實踐的道理。
化學家不僅要有一個好腦子,還要有一雙敏銳的眼睛、一副靈巧的雙手,只有這樣才能及時發(fā)現(xiàn)問題,產生好的想法,在用雙手去實現(xiàn)自己的想法,才能成為一個優(yōu)秀的化學家。大學教學
在中學階段每堂課講授的內容少,課堂中反復總結、練習、測試,作業(yè)量大,強調課內解決問題。大學階段,以培養(yǎng)學生自主學習的習慣、學習能力、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題以及創(chuàng)新能力為目標。課時緊,每節(jié)課講授的內容多,進度快,作業(yè)量少,很少課堂練習,強調自學能力的提高。
如何學習無機化學
課程特點:(1)概念多、理論多、公式多、計算(應用)多,容易混淆;(2)概念抽象,難于理解,如微觀結構理論、熱力學、動力學基礎等。建議:(1)課前預習;(2)善于歸納、總結;(3)作業(yè)練習;(4)適當?shù)夭殚喴恍┪墨I,注重知識、資料的積累。
參考書目1.華彤文等,《普通化學原理》,北京大學出版社,2001。2.嚴宣申等,《普通無機化學》(第2版),北京大學出版社,1999。3.武漢大學等,曹錫章等修訂,《無機化學》(第3版,上、下冊),高等教育出版社,1994。4.宋天佑,程鵬,王杏喬,《無機化學》(上冊),高等教育出版社,2004。5.宋天佑,徐家寧,程功臻,《無機化學》(下冊),高等教育出版社,2004。6.F.A.Cotton,G.Wilkinson,P.L.Gaus,BasicInorganicChemistry(3rded.),JohnWiley&Sons(Asia)PteLtd.,2001。7.蔡少華,龔孟濂,劉杰,《無機化學習題解答》,中山大學出版社,2004。無機化學與材料研究所InstituteofInorganicChemistryandMaterials化學南樓豐盛堂化學北樓所辦公室地址:豐盛堂B202電話:84110921無機化學與材料研究所InstituteofInorganicChemistryandMaterials2001年成立無機化學與材料研究所無機化學學科是國家重點學科和廣東省重點學科,無機化學課程是國家理科基地創(chuàng)建名牌課程和廣東省精品課程具有一級學科博士學位授予權,設有博士后流動站2005年批準成立“生物無機和合成化學”教育部重點實驗室豐盛堂二期工程BISC教師隊伍24名教師來自兩岸三地,其中:
中科院院士:蘇鏘、計亮年長江學者特聘教授:陳小明杰出青年基金獲得者:陳小明、童明良、魯統(tǒng)部、毛宗萬
教育部新世紀優(yōu)秀人才計劃:童明良、魯統(tǒng)部、巢暉教授:10人博士生導師:12人
具有境外學習研究經歷:21人畢業(yè)學校:15所大學年輕教師:18人國內外的影響國內一流,國際有較大影響的研究所。(應邀寫國際綜述論文7篇,國際會議邀請報告50人次,JACS、Angew.Chem.等世界一流化學刊物發(fā)表論文每年3-4篇,SCI論文占全校1/6,論文被引用占全校1/3)。培養(yǎng)出2位“全國百篇優(yōu)秀博士學位論文獲得者”,同時4位同學獲提名獎。多名學生獲德國“洪堡”和“日本學術振興會”獎學金。主要的研究方向
生物無機化學稀土光電磁材料化學功能配合物化學主要的研究方向
生物無機化學
稀土光電磁材料化學功能配合物化學
廣東省化學會理事長,第六至八屆歐亞化學大會國際顧問委員會委員,第五至八屆國際應用生物無機化學會議國際組織委員會委員;第11屆國際生物無機化學會議國際組委會委員,OrientalJ.Chem.國際顧委,先后擔任MetalBasedDrug、高?;瘜W學報等刊物編委。從事金屬酶的結構、功能和作用機制規(guī)律性研究。發(fā)表學術論文500多篇,被他引1500多篇次。在26個大型國際學術會議作邀請報告和口頭報告,應邀到20多個國家的科研單位演講訪問。作為第一完成人獲得省部級科技成果獎8項,國家級優(yōu)秀教學成果二等獎一項。第三屆國家教委優(yōu)秀教材二等獎一項。獲得國家發(fā)明專利4項。2000年4月國務院授予“全國先進工作者”的光榮稱號。
計亮年院士毛宗萬教授博士生導師趙修毅副教授碩士生導師巢暉教授博士生導師黃錦汪教授博士生導師生物無機化學研究人員高峰講師生物無機化學基金項目:
國家973,國家自然科學重點基金,國家自然科學基金,國家杰出青年基金,廣東省自然科學基金,廣東省科技計劃項目,廣州市科技計劃項目…研究課題:
金屬配合物與DNA/RNA生物大分子的相互作用
DNA生物功能的化學調控金屬酶的化學修飾與生物發(fā)酵工程金屬酶模擬及仿生催化無機藥物的設計與合成生物酶的分子改造主要的研究方向
生物無機化學稀土光電磁材料化學
功能配合物化學蘇鏘院士
中國物理學會發(fā)光分支學會的名譽理事長,中國稀土學會發(fā)光專業(yè)委員會名譽主任,第2屆國際稀土光譜會議的主席,第3屆國際f元素會議國際科學委員會委員,01年巴西國際稀土會議的國際顧問委員會委員。02年國際固體化學討論會國際顧委。03年波蘭第四屆國際稀土光譜、結構與合成會議國際顧委。先后擔任《化學學報》、《中國化學》等刊物的編委,《發(fā)光學報》的副主編。99年底起任中山大學教授。從事稀土光、電、磁材料的合成方法與材料性能等研究工作。在國內外學術刊物上發(fā)表論文300余篇,獲授權發(fā)明專利17項。著有《稀土化學》等專著。
稀土光電磁材料
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