结构化学 绪论 .pptVIP

绪论 绪 论 结构化学 Structural Chemistry 1 结构化学的研究对象 结构化学是研究原子、分子、晶体结构，以及结构与性质之间关系的一门基础科学。 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、研究结构的实验原理和基本方法等内容。 1.1 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 晶体 非晶体 气 态 等离子态 固 态 液 态 化学键 分子、晶体的立体结构 结构与化学键 原子轨道 分子轨道 成键能力 电子因素 原子间 连接形式 键长 键角 对称性 几何因素 1.2 结构化学的中心问题 量子力学基础 原子结构 简单分子结构 和化学键理论 复杂分子结构 群论和对称性 晶体结构 经典力学到量子力学的发展过程， 量子力学的基本方程和简单体系 氢原子结构，多电子原子结构， Pauli原理，元素周期律，近似 方法 价键理论及其对双原子分子的处 理，杂化轨道理论，分子轨道 理论及其对简单分子的处理 群论初步，分子对称性 的判断，群论在求解 分子结构中的应用 共轭分子结构，络合物 分子结构，原子簇结 构，化学反应的对称性 点阵理论， 几何结晶学 基础，金属 晶体，离子 晶体，分子 晶体和混合 晶体 2 学习结构化学的目的与意义 　　培养 用微观结构的主要观点和有关方法，分析、解决化学问题 的能力。 　　培养扎实的基础知识理论知识，为后续专业课程（如有机结构理论、配位化学、高等无机化学，仪器分析、量子化学等）准备好必要的理论基础。 2.1 主要目的 2.2 应用领域 随着人们对物质微观结构认识的深入，结构化学的基本知识已广泛地应用于化学的各个领域。特别是：当今化学早已进入纳米空间(10-9m)、飞秒时间(10-15s)时代，结构化学知识越显重要，很多学科领域都与结构化学知识密切相关。 2.2.1 反应机理的研究 2.2.2 人工模拟生物固氮催化剂的合成 2.2.3 新材料、新药的合成 2.2.1 反应机理的研究 反应机理研究是一个既古老而又有很多问题尚不清楚的学科。美国 R.Hoffmann 和日本Kenich Fukui分别提出了分子轨道对称守恒原理和前线轨道理论，为此他们获得了1981 年诺贝尔化学奖。由李远哲教授等（李远哲，D. R. Herschbach，J. Polanyi）创立的交叉分子束反应是研究微观反应机理的重要实验手段，为此他们获得了1986年诺贝尔化学奖。 常规的宏观动力学方法有时很难确定一些反应的具体微观机理，只能是一种推断。 例1： 速率方程 二级反应 此前就误以为是双分子基元反应，直到1967年才证明并非如此，而是具有如下机理： 控制步骤 三分子基元反应 　　同样表现为双分子表观速率方程。若用前线轨道理论分析，表明双分子基元反应是禁阻的(反应能垒很高，不可能正常进行)，而三分子机理是可行的 。 K′为平衡常数 　　Science 评出的1992年度明星分子NO。在人体中，NO能容易地穿过生物膜，氧化外来物质，在大脑、血管、肝脏、末梢神经等系统中是有益成分，但在大气中是有害气体，它破坏臭氧层，形成酸雨。 　　解决酸雨问题最佳方案是发生下列反应： 例2 在热力学上是可以自发进行的，但此反应是动力学禁阻的。为什么？（前线轨道理论可以解释）。 解决上述问题的方法是制备专用催化剂。 Pt Pd/Al2O3 2NO N2 + O2 CO + 烃 + O2 CO2 + H2O Pt Pd/Al2O3 2.2.2 人工模拟生物固氮，催化剂的合成 合成氨反应 热力学允许，但动力学禁阻，常温常压下H2与N2混合(无催化剂)永远不可能生成NH3，原因是 N≡N 三键强度很大，不容易打开。可以设想，使N2分子的成键轨道（3?g）失去电子，而反键轨道（1?g）上填充电子，将减小键的强度，起到键的活化作用。 分析 N2的组态： 　　最高占据轨道（HOMO）3?g是弱成键的，次高占据轨道（NHOMO）是强成键的，最低空轨道（LUMO） 1?g是强反键的。从电子结构分析，过渡金属既有d电子，又有空的d轨道，既可以接受N2分子HOMO或NHOMO电子，又可以提供d电子反馈给N2分子强反键的LUMO，由此达到了活化能目的。 N2的组态 模拟固氮就是按此设想进行的，实验室已经成功地合成出不少N2分子配合物。上述机理也正是工业用合成氨Fe系催化剂能促使反应能进行的原因。 机理分析 2.2.3 新材料、新药的合成 新材料的合成 新材料的合成与表征必须以