高等应用化学01

1、-1-高等应用化学 Advanced Applying ChemistryFor Ph. Student in GDUT-2-课时：课时：48 h学分：学分：3目标：目标：利用近代结构理论利用近代结构理论 掌握掌握功能化合物和功能材料的合成，功能化合物和功能材料的合成，表征和应用等表征和应用等 了解以上材料的发展动态。了解以上材料的发展动态。主要内容主要内容:1. 功能化合物概论功能化合物概论发展趋势发展趋势 配合物概念配合物概念 新型化合物新型化合物 配位催化配位催化2. 近代结构理论基础近代结构理论基础第二周期性第二周期性 分子轨道理论分子轨道理论 能带理论能带理论 晶体基础晶体基础-3-

2、3. 3. 现代合成技术与工艺现代合成技术与工艺材料制备与工艺材料制备与工艺( (无机催化材料无机催化材料, ,无机纳米材料无机纳米材料) )4. 4. 功能材料研究进展功能材料研究进展最新研究资料最新研究资料( (催化材料催化材料 无机功能纳米材料无机功能纳米材料) )教学要求教学要求: :掌握应用化学最新研究动态和进展掌握应用化学最新研究动态和进展( (综述综述, ,个人研究文献等个人研究文献等) )基础理论基础理论( (分子轨道理论分子轨道理论, , 能带理论能带理论 晶体概念晶体概念) )合成制备表征无机功能材料合成制备表征无机功能材料( (配位催化剂配位催化剂, , 功能纳米材料功能

3、纳米材料) )考核方式考核方式:综述报告综述报告(50%) + 笔试笔试(50%)-4-预修课程预修课程: :高等无机高等无机 高等有机高等有机 量化量化 材料化学材料化学 合成化学合成化学参考书目参考书目: :唐有祺唐有祺 当代化学前沿当代化学前沿 中国致公出版社中国致公出版社 1997游效曾游效曾 配位化学的结构和性质配位化学的结构和性质 科学出版社科学出版社 1993 洪茂椿洪茂椿/陈荣陈荣/梁文平梁文平 21世纪的无机化学世纪的无机化学 科学出版社科学出版社 2005 唐宗薰唐宗薰 中级无机化学中级无机化学 高教社高教社 2003 金定安金定安 高等无机化学简明教程高等无机化学简明教程

4、 南京师大出版社南京师大出版社 1999年年-5-教教 师师:阎阎 雁雁 职称职称:教授教授研究方向研究方向: 无机大环配位化合物无机大环配位化合物简历简历:1997.12 吉林大学化学系吉林大学化学系 催化研究室催化研究室 phD1988.7 中科院长春应化所中科院长春应化所 8室室(分析分析) Master1983.7 吉林大学化学系吉林大学化学系 无机化学专业无机化学专业 Bachelor联系方式联系方式:cell phone) e-mail: -6-Solid State Sciences 12 (2010) 1242-1247A coordination p

5、olymer of manganese (III) porphyrinate with right-handed helicity and opticity-7-8-9-10-11-Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 252 (2006) 5662Highly selective catalytic preparation of bis(4-oxo-benzo-2-cyclohexen-1-yl) amine from 1-naphthylamine oxidation over metalloporphyrin catalysts by mo

6、lecular oxygen under air pressure and by hydrogen peroxide-12-Catalysis Communications 5 (2004) 387390High activity in selective catalytic oxidation of naphthol to2-hydroxy-1,4-naphthoquinone by molecular oxygen underair pressure over recycled iron porphyrin catalysts-13-Section 1. Introduction of A

7、pplied ChemistryChapter 1. 超分子化学进展超分子化学进展1.1 概述概述 受体底物分子间作用配位作用超分子识别 催化 传递ABCDA B C D = 起始物-14-1.2 晶体工程晶体工程 超分子研究超分子研究:设计组装特定结构 自组装超分子晶体功能性质 应用形成并发展出一套相应的新理论X-射线衍射 还原晶体中原子位置 确定晶体结构1.3 配位聚合物配位聚合物 配位聚合物主要作用力为配位键和具有方向性的氢键(互补) 网络结构:-15-16-17-中心中心多基配体多基配体+-18-中心中心多基配体多基配体+-19-中心中心多基配体多基配体+-20-配位聚合物的合成配位聚

8、合物的合成Basic experiences Growth rate: too fast will result in defeats in crystals Too many crystal nucleus: aggregate, microcrystals (precipitate)Suggestions: different solvents, different rates of crystallization, different vessels (new and old) Conventional solutions slow crystallization, new vessel

9、s, no vibration, avoid: dryness of solvent, spherical ions and molecules, ClO4-, Et4N+, CCl4 -21-ABAB(a)(b)LMMLLM(a)(b)(c)gel Liquid diffusion Vapor diffusion Control of the diffusion rate Gel diffusion many modifications-22- Hydrothermal method or Solvothermal method 120-600oC; high pressure hardly

10、 soluble compounds Important: crystallization temperature Sublimation High vapor pressure below decomposition temp. A simple autoclave-23-配位聚合物的研究方法配位聚合物的研究方法单晶x射线衍射（CCD，四圆衍射仪Four-circle difractometer ）：最直接的方法，key：得到单晶粉末x射线衍射（XRD）：适合于粉末和微晶样品的物相分析其它方法：IR， UV-Vis, 荧光光谱， 元素分析，TGA，DSC吸附光电磁等测定（研究功能性）配位聚合

11、物形成的影响因素配位聚合物形成的影响因素配体：配体：配位齿数目配位点间的间距配位点间的连接基团模板效应-24-金属离子金属离子or次级构造单元（次级构造单元（SBUs）：）：取决于金属离子形成配合物的几何构型!Ag+:传统中：传统中：二配位，直线形 sp杂化配位聚合物中：配位聚合物中：，四面体，五角形，立方锥，乃至八面体有机配体也可为SBUs阴离子：阴离子：通过以下方式，影响配位聚合物结构: LM体积模板效应其它因素：其它因素：溶剂效应，pH效应，反应物配比， 有机or无机模板分子等-25-配位聚合物的应用配位聚合物的应用 超分子化合物晶体工程的兴趣点，在于配位聚合物的漂漂亮拓扑结构亮拓扑结构

12、和特殊光电磁特殊光电磁和催化性能催化性能方面的应用前景。催化作用手性研究导电性荧光磁性非线性光学活性(non-linear optics NLO)孔洞配位化合物2009.9.18 fri-26- M-TPyP and M-TCPP(a) the honeycomb molecular sieve structure with 0.6 nm wide hannels, characterizing the 3D coordination polymer of M-TPyP.(b) molecular-sieve-type structure based on stacked-layered 2D

13、 hydrogen-bonding polymers of M-TCPP with 1.5 nm wide vertical channels.-27-ABZComparisons of DNA Conformations-28-1.4 纳米技术纳米技术 20世纪50年代，DNA双螺旋结构 认识了生物体系的自组织和自组装（self-organization and self-assembly）纳米分子自组装运用各种无机、有机或生物小分子为纳米体系构建模块，在适当的分子间的相互作用下（配位键，金属-相互作用或成键，氢键，静电作用，Van de Waals Force，芳香作用，溶剂效应，电荷或空

14、间互补效应等非共价作用），将许多小分子构筑成高度组织化和结构化的功能纳米体系（材料和器件）。简单复杂无序有序多组分 单一组分属于高度组织化, 高度有序化,结构化功能化和信息化复杂系统 自我完善, 自我修正的过程-29-自组装的金属分子纳米体系金属-金属键封闭体系纳米材料封闭体系纳米材料正方形大环, 五重对称的C2900H2300N60P120S60O200F180Pt60 C60: 纳米球体超分子非封闭体系纳米材料非封闭体系纳米材料 “纳米碗，纳米皇冠”纳米金属原子团簇自组装Mo176 轮状，内径2.3nm，外径4.1nm，厚1.3纳米金属软连接的超分子自组装金属 结合冠醚，穴醚，环糊精，卟啉

15、，杯芳烃，杯吡咯-30-自组装的(金属)纳米微反应器具有孔洞结构的金属纳米材料,纳米笼, 纳米碗, 纳米胶囊用于:分子识别特殊手性催化-31-Chapter 2. 20世纪末化学基础学科的世纪末化学基础学科的动向看未来发展趋势动向看未来发展趋势 无机化学无机化学 1现代无机合成现代无机合成 一种新的合成方法或一种新型结构的发现 系列新的无机化合物出现(夹心式化合物、笼状、簇状、穴状化合物等) 且很多无机化合物都具有特殊的功能(激光发射、发光、高密度信息存储、永磁性、超导性、能源、传感等) 有广泛的应用前景. 现代无机合成化学现代无机合成化学: 创造新型结构新型结构 ，寻求寻求分子多样性。分子多

16、样性。发展新合成反应、新合成路线和方法、新制备技术新合成反应、新合成路线和方法、新制备技术及对与此相关的反应机理的研究及对与此相关的反应机理的研究。-32-关注复杂和特殊结构复杂和特殊结构无机物的高难度合成 团簇、层状化合物及其特定的多型体(polytypes)、各类层间的嵌插(intercalation)结构及多维结构的无机物。研究特殊聚集态的合成（超微粒、纳米态、微乳与胶束、无机膜、非晶态、玻璃态、陶瓷、单晶、晶须、微孔晶体等)。极端条件下(超高压、超高温、超高真空、超低温、强磁场、电场、激光、等离子体等)，可能得到多种多样的的新化合物、新物相和新物态(在高真空、无重力宇宙空间，可能会合成

17、出没有位错的高纯度晶体。总之现代无机合成在21世纪会有所突破。 2配位化学配位化学 1893年，年， AWerner创立了配位学说，是化学历史中的重要里程碑（打破了共价理论和价饱和观念的局限；建立分子间新型相互作用，展现出新领域)。-33-在Werner之后研究配合物形成和它们参与的反应 研究配位结合和配合物结构的本质 配位化学 成为无机化学研究中一个主要方向 成为无机化学与物理化学、有机化学、生物化学、固体物理和环境科学相互渗透、交叉的新兴学科。 配合物的类型迅速增加: 简单配合物和螯合物 多核配合物、聚合配合物、大环配合物；单一配体配合物 混合配体配合物，研究配合物分子 研究由多个配合物分

18、子构筑成的配合物聚集体。在20世纪中叶: Irving，Williams，Perrin 溶液配位化学 Sillen和Stumm 由溶液配位化学研究 水化学、环境配位化学 Perrin，Williams建立多金属多配体计算机模型。另外，对配位结构的微观研究产生了配位场理论，丰富了量子化学理论，扩大了结构化学领域。-34- 60年代起, 配位化学 +生命科学 生物无机化学产生的基础。陆续发现配合物的良好催化作用, 在有机合成、高分子合成中发挥了极大作用。配位化学另一发展领域：特殊功能(如光、电、磁、超导、信息存储等)配合物的研究。 3原子簇化学原子簇化学 金属原子簇化合物的发现，逐渐形成了一门新兴

19、的化学分支学科金属原子簇化学。20世纪70年代后, 由于化学模拟生物固氮化学模拟生物固氮、金属原子金属原子簇化合物的催化功能、生物金属原子簇、超导及新型材料簇化合物的催化功能、生物金属原子簇、超导及新型材料等方面的研究需要，促使金属原子簇化学快速发展。建立了一些合成方法，并且用结构化学和谱学等实验手段了解了一些金属簇合物结构与性能的关联。在此基础上探求成簇机理，从理论上研究其成键能力和结构规律。 -35-目前已有多种学说目前已有多种学说: Lipscomb硼烷三中心键模型Sidgwick等有效原子数(EAN)规则Wade多面体骨架成键电子对理论Cotton金属-金属多重键理论Lauher金属原

20、子簇 簇价轨道(CVMO)Mingos多面体簇骼电子对理论张文卿金属原子簇拓扑电子计算理论唐敖庆成键与非键轨道数的(9nL)规则卢嘉锡类立方烷结构规则徐光宪ncp结构和成键规则张乾二多面体分子轨道理论以上理论，从不同角度论述了金属原子簇的内在结构规律。但这些规律均存在一定的局限性。在这一领域内，仅1976年WNLipscomb因其有机硼化合物结构研究而获诺贝尔化学奖；挑战和机遇并存，有待化学家们继续去努力和解决。-36- 4超导材料超导材料 1911年，HKOnnes发现超导现象：当汞冷却到4 K时，其电阻突然消失。这种超导现象提供了十分诱惑的工业前景，但4K的低温让人们失去了应用的信心。19

21、86年，IBM公司瑞士苏黎世研究实验室的JGBednorz和KAMueller报道了一种Cu、O、Ba和La组成的陶瓷材料（完全与过去已知超导体不同的新型材料），在 30 K下，具有超导性能 引发了当时的超导热。而后，休斯顿大学的朱经武等, 研制成功一种氧化物YBa2Cu3O7，其转变温度在90 K，进入了液氮温度区(氮在77K变为液体，所以可用液氮作为致冷剂使材料呈现超导性能)。-37-1988年，又研制出了转变温度为125 K的新型超导材料T12Ca2Ba2Cu3O10。至今，与室温超导材料的前景尚有很大距离，21世纪能否在室温超导材料上有重大突破?这是对化学家和物理学家提出的挑战! 关键

22、：这些混合氧化物的超导机理至今尚未被认识和理解。混合氧化物的超导性一直是物理学家研究的课题，其现在所得到的一些认识和规律没有充分注意到化学结构基础。-不能解释混合氧化物超导体为什么离不开Cu、Ba、Y和Bi这些元素；-不能解释它们的组成为什么和超导性有关；-也不能解释电子在这类材料结构中的运动和超导性的关系。21世纪室温超导化学必然发展世纪室温超导化学必然发展。-38- 5无机晶体材料无机晶体材料 20世纪60年代 激光技术(在方向性、相干性、单色性和高储能性等突出优点 引起了工业、农业、信息、军事等方面的极大兴趣。然而, 激光技术需要对激光光源进行变频、调幅、调相、调偏等处理后, 才能起到信

23、息传递的媒介和能源的作用。这与晶体的非线性光学(NLO)效应有关，要依靠非线性光学晶体来完成这一处理过程 给无机化学提供了一个研究具有非线性光学性质的无机晶体的极好机遇。目前已有优质紫外倍频材料低温偏硼酸钡(BBO)晶体，其空间群为R3c。这是目前输出相干光波长短、倍频效应大、抗光损伤能力高、调谐温度半宽度较宽的紫外非线性光学晶体。类似性能的晶体还有LBO、NAB等。-39-另一类无机晶体是闪烁晶体，可作为高能粒子如电子、g-射线等的探测器。如BGO晶体(锗酸铋、Bi4Ge3O12)具有发光性质。当一定能量的电子、g-射线、重带电粒子进入BGO时，它能发出蓝绿色的荧光 记录荧光的强度和位置，就

24、能计算出入射粒子的能量和位置。现已广泛应用在高能物理、核物理、核医学、核工业、地质勘探筹方面。这类具有特殊功能的无机晶体的合成和生长是固体无机化学研究的一个生长点。人造水晶、金刚石、氟金云母晶体等各种无机功能晶体， 也是目前的几个发展动向。这一领域，会研究出更多、更好的具有特殊功能的晶体材料，将会是21世纪无机化学发展的重要方面。-40- 6稀土化学稀土化学稀土是我国丰产元素，占世界稀土资源的80。稀土包括原子序数5771的15个元素，再加元素周期表同属副族的钪和钇，共计17个元素。稀土元素外层电子结构基本相同；而内层电子结构4f电子能级相近。20世纪，经大量研究，发现稀土在光、电、磁、催化等

25、方面具有独特的功能。含稀土分子筛，在石油催化裂化中可使汽油产率大大提高.硫氧钇铕, 在电子轰击下产生鲜艳的红色荧光，可使彩电的亮度提高1倍.-41-稀土永磁材料用于电机制造，可缩小体积，做到微型化和高效化；高温超导材料中也缺不了稀土元素；稀土元素在农业生产上有增产粮食的作用等。稀土元素由于外层电子结构基本相同，使分离单一稀土元素就相当困难。目前虽有离子交换法、络合萃取法等分离方法，但生产单一稀土元素的成本是很高的，因此稀土元素本身的化学工作还需深入研究，有待获得单一稀土元素的快速简易的好方法。同时稀土元素作为材料研究，在激光、发光、信息、永磁、超导、能源、催化、传感、生物等领域将会作为主攻方向

26、。-42- 7生物无机化学生物无机化学 生物无机化学酝酿于20世纪50年代，诞生于60年代。在短短的半个世纪有了很大发展。早在化学与生物学融合 生物化学.生物化学研究对象: 各种生物功能分子，生物学家多注意功能. 化学进入这个领域之后，更注意结构与功能的关系.当时最为直接的结构测定方法是X-射线晶体结构分析，而获得生物大分子单晶是一个难题. Perutz(对肌红蛋白和血红蛋白的结构和作用机理研究)获得诺贝尔化学奖时, 生物无机化学就开始萌芽 生物化学和结构化学开始结合 产生了以测定生物功能分子结测定生物功能分子结构和阐明作用机理构和阐明作用机理为内容的新领域。-43-同时，在生物化学深入到涉及

27、金属离子的生物过程时，必然地与当时正在迅速发展起来的配位化学结合。原来研究溶液配位化学的主要学者均纷纷研究生物配体和金研究生物配体和金属离子的溶液化学属离子的溶液化学。R. J. P. Williams, D. D. Perrin, K. B. Yatzimirskii，D. R. Williams 等等先后进入这个领域，使之成为生物无机化学的另外一个分支。后来人们认为，晶体结构与生物介质中的结构未必相同，应该研究溶液中的结构和构象研究溶液中的结构和构象。恰在此时，核磁共振技术大发展，为研究生物大分子的溶液结构创造了条件。于是开拓了结构化学和溶液化学结合、探索含金属生物大大分子结构与功能关系分

28、子结构与功能关系的新领域。生物无机化学的另外一个分支, 是通过合成模型化合模型化合物或结构修饰研究结构物或结构修饰研究结构机理关系机理关系，它是合成化学介入生物无机化学的结果。-44-这三个分支构成了生物无机化学主流。虽然研究思路和方法有所改变，但都以认识含无机认识含无机元素的生物功能分子的结构和功能关系元素的生物功能分子的结构和功能关系为目的，采取分离分离出单一生物分子出单一生物分子 测定其结构测定其结构 研究有关反应机理以及研究有关反应机理以及结构与功能关系结构与功能关系的研究模式。这样的研究取得了许多重要成果，使人们对必需元素和含它们的生物分子认识更加深入。但近年来，这种传统生物无机化学

29、研究, 受到一系列实际问题的挑战。归结起来，这些实际问题大都涉及无机涉及无机物的生物效应物的生物效应，或生物体对无机物的应答问题。例, 无机药物作用机理，无机物中毒机理、环境物质和能损伤生物体的机理等。在这类问题的研究中，共同的核心问题是从分子、细胞到整体三个层次, 回答构成药理、毒理作用的基本化学反应和这些反应引起的生物事件。-45-把生物无机化学提高到细胞层次 研究细胞和无机物作用时细胞内外发生的化学变化 是生物效应的基础。生物无机化学的发展对无机化学的启发和推动作用：混合配体配合物化学、多金属多配体体系的化学、金属的异常价态、金属-硫簇化学、分子内和分子间电子传递、自由基化学等等。显然生

30、物无机化学在未来既可以推动生物学发展，也可以促进化学向新的层次开拓。 8无机金属与药物无机金属与药物 古代医药 取材于自然界(植物，动物，矿物)重金属砷、汞、锑等 化合物毒性较大逐渐被合成有机药物所替代.-46-近年来，随着科技发展、认识深化和新的发现，对以金属为基础的药物有了新层次的认识。-1965年, 美国Rosenberg在研究电场对大肠杆菌生长速度的影响时，发现所用的铂电极与营养液中的成分形成的六氯合铂和一些顺式的含铂络合物顺式的含铂络合物能够抑制大肠杆菌的细胞分裂，但对细菌生长的影响却很小。这一偶然的发现引起了广泛的关注，美国癌症研究所立即组织对这些络合物进行广泛的研究和临床试验。结

31、果表明，含铂络合物抑制癌细胞的分裂有显著疗效。现已证实多种顺铂(Pt(NH3)2C12)及其一些类似物对子宫癌、肺癌、睾丸癌有明显疗效。-中药复方中有使用金属金的经验，但不知其机理。最近发现含金化合物的代谢产物Au(CN)2-, 有抗病毒作用，而且金化合物可以抑制NADPH氧化酶，从而阻断自由基链传递，有助于终止炎症反应。-47-Cl-NH3PtIICis-Pt(II)(NH3)2Cl2 Trans-Pt(II)(NH3)2Cl2-48-中药复方中使用砒霜和雄黄，最近发现三氧化二砷促进细胞凋亡，使现代医学接受了用砷化合物做治疗用的可能性。-目前用铬化合物治疗糖尿病、用锌化合物预防治疗流感，都已

32、成功的在临床试用。金属化合物被发现具有药物治疗作用，说明人们对无机金属及其化合物的药理作用已在深化和逐步认识。含矿物中药复方，其治疗效果是肯定的，但其中的药理作用药理作用和化学问题，化学问题，尚须不断研究和进一步深入。这一领域在21世纪将会成为医药研究的一个重要发展方向。-49- 9核化学和放射化学核化学和放射化学 20世纪上半叶，从发现放射性元素、核裂变、人工放射性，到核反应堆的建立，核爆炸的毁灭性破坏等，核化学和放射化学一直是十分活跃和开创性的前沿领域。但到了后半个世纪，由于核电站和核武器发展的需要，核化学和放射化学转向以生产和处理核燃料为中心，自身的科学研究和新的发现相对减少。放射性同位

33、素和核技术在分析化学、生命科学、环境科学、医学等方面紧密结合，使其应用和交叉研究蓬勃发展起来。核化学和放射化学的发展动向：-50- (1)超重元素超重元素“稳定岛稳定岛”能找到吗能找到吗? 20世纪60年，Myers和Nilsson等核物理学家, 从核内存在着核子壳层和幻数的理论模型出发，提出了超重元素存在“稳定岛稳定岛”的学说，即在核质子数Z = 114和中子数N = 186 的幻数附近，有一些超重原子核特别稳定，其寿命可能长达若干年甚至1015年，这些长寿命的超重元素构成了一个“稳定岛稳定岛”。在这一学说吸引下，近30多年来无数核科学家通过各种方法从自然界和核反应中去寻找这个梦寐以求的境地

34、稳定稳定岛岛。至1999年6月，美国的Lawrence Berkeley实验室(LBL)，德国的Darmstadt重离子研究会(GSI)和俄罗斯的Dubna联合核子研究所(JINR)，分别用重粒子轰击方法，合成了超重元素114、116和118，但由于加速器流强不够和反应截面在10-12靶，所以只获得了极少几个原子。-51-有关证实研究已在重复进行。这意味超重元素“稳定岛”将有可能存在。可以设想21世纪重粒子加速器的流强增大，使产生超重元素的原子数目大增，再加上分离、探测仪器的改进，超重元素的化学研究将有现实性了，有人预言“稳定岛”的发现者将会荣获诺贝尔化学奖或物理奖。 (2)核医学和放射性药物

35、核医学和放射性药物核医学重要支柱是放射性药物，主要用于多种疾病的体外诊断和体内治疗，还可在分子水平上研究体内的功能和代谢。21世纪将在单光子断层扫描仪(SPECT)药物方面有新的突破；将会用放射性标记的放免活性和专一性极强的“人抗人”单克隆抗体作为“生物导弹”，定向杀死癌细胞；而中枢神经系统显像， 将推动脑化学和脑科学的发展。-52-(3)核分析技术将以其高灵敏度等优点向纵深发展核分析技术将以其高灵敏度等优点向纵深发展 放射性示踪技术和核分析技术，始终因灵敏度很高的优点， 在各个领域中得到广泛应用是有机化学中最重要的基础学科之一 创造新有机分子的主要手段和工具发现新反应、新试剂、新方法和新理论

36、有机合成的基础是各类基本合成反应，不论合成多么复的应用。核分析方法对未来的分析化学：-物种分析 (speciation)-分子活化分析-生物-加速器质谱学(bio-accelerator mass spectrometry，Bio-AMS)-粒子激发X-射线发射(particle induced X-ray emission，PIXE)，-包括包括:-53- 扫描质子微探针(scanning proton microprobe，SPM)- a-粒子质子X-射线谱仪(alpha proton X-ray spectrometer，APXS) 综上所述，无机化学的研究范围极其广阔，在21世纪的展望

37、, 只能重点列举这九个方面，不可能面面俱到。最关键的是创新和发现，一旦有了新的发现和突破，就又可能发展成为一个新的研究和应用领域。-54-Chapter 2. 20世纪末化学基础学科的世纪末化学基础学科的动向看未来发展趋势动向看未来发展趋势 物理化学物理化学物理化学 研究所有物质体系的化学行为的原理、规律和方法的学科涵盖从微观到宏观对结构与性质的关系规律 化学过程机理及其控制的研究。物理化学分支学科：物理化学分支学科：结构化学，化学热力学，化学动力学，液体界面化学，催化，电化学，量子化学等。20世纪，物理化学里程碑世纪，物理化学里程碑: 化学键本质、分子间相互作用、分子结构的测定、表面形态与结

38、构的精细观察.-55-存在的问题：存在的问题：- 宏观和介观研究应该加强- 微观结构研究，静态、稳态 动态、瞬态包括: 反应机理研究中的过渡态问题催化反应机理与微观反应动力学问题- 参与到复杂性研究中去:物质体系中化学复杂性直接关系人类生存与进步的是可用实验方法研究的. 1结构化学结构化学从单纯阐明分子结构 发展到研究物质表面结构、表面结构、内部结构、动态结构内部结构、动态结构等。结构分析结构分析 可借助于现代波谱技术波谱技术和衍射分析衍射分析, 来进行最直接的测定是晶体结构分析晶体结构分析，它可分为两类，即X-射射线衍射分析线衍射分析和显微成像显微成像方法。-56-能“看到”原子的原子层次分

39、辨的各种显微技术, 将会给结构化学家提供有力的武器，来探索生物大分子、细胞、固体表面等的结构和变化.1982年诺贝尔化学奖得主, AKlug, 开创了“晶体电子显微学”，并用于揭示核酸蛋白质复合物的结构。这种三维重构技术使电子显微镜的视野从二维空间发展到三维空间。AMCormack, 发明了X-射线断层诊断仪(CT)用于医学诊断，获得1979年诺贝尔生理学或医学奖。生物大分子的结构研究过去主要依赖X晶体结构分析做静态研究。由于实际上它们都是在溶液中发挥功能，而且它们的结构是易变的，所以20世纪后期用核磁共振谱法研究大分子在溶液中的动态结构引起人们重视(R. Ernst, 1991年诺贝尔化学奖

40、)。-57-催化剂研究推动了表面结构研究，用STM或AFM以及其它谱学方法研究催化表面的结构以及催化过程，也都有重要成果 .2化学热力学化学热力学是较早发展起来的物理化学学科。热力学原理研究物质体系中的化学现象和规律;宏观可测性质和热力学函数体系稳定性、变化方向和变化的程度1968年, L. Onsager (不可逆过程热力学理论不可逆过程热力学理论) 和1977年, IPrigogine(非平衡热力学非平衡热力学, 提出耗散结构理论耗散结构理论)分别获得诺贝尔化学奖 标志着非平衡态热力学研究取得了突破性的进展。-58-热力学第一、二、三定律热力学第一、二、三定律 现代物理化学的基础不足：只能

41、描述静止状态（适用于可逆平衡态体系）而自然界所发生的大部分化学过程是不可逆过程应从非平衡态和不可逆过程来研究21世纪的热点研究领域世纪的热点研究领域:-生物热力学和热化学研究(细胞生长过程的热化学研究、蛋白质的定点切割反应热力学研究、生物膜分子的热力学研究等)- 非线性和非平衡态化学热力学与化学统计学研究- 分子-分子体系的热化学研究(包括分子力场、分子与分子的相互作用)等也是重要方面.-59-3化学动力学化学动力学 化学动力学 研究化学反应速率和机理的学科(阐明化学反应进行的条件对化学反应过程速率的影响，了解化学反应机理，探索物质结构与反应能之间的关联)。20世纪的突破：世纪的突破：- NS

42、emenov的化学链式反应理论（1956年诺贝尔化学奖）- DRHerschbach与李远哲李远哲的微观反应动力学的研究，发展了交叉束方法，并应用于化学反应研究（1986年诺贝尔化学奖）- AHZewail用飞秒激光技术，研究超快过程和过渡态(1999年诺贝尔化学奖)。21世纪新展望：世纪新展望：-60-21世纪新展望：世纪新展望：-分子束技术与激光结合研究态-态反应动力学- 立体化学动力学 研究反应过程中反应物分子的大小、形状和空间取向对反应活性以及速率的影响- 飞秒激光 研究化学反应和控制化学反应过程等。 4催化催化 催化剂化学研究中的永久的主题只要有化学反应化学反应，就有如何加快反应速度加快反应速度的问题，就会有催化剂催化剂的研究。-61-催化剂应用于催化剂应用于:-化工生产(石油化工、天然气化工、煤化工等)-能源-农业(光合作用等)-生命科学、医药根据催化剂的物理和化学性质，可将其分为根据催化剂的物理和化学性质，可将其分为: (1)多相催化多相催化 固体催化剂(分子筛、金属、金属氧化物、硫化物） 催化反应 在固-气相的界面上（大部分化学工