材料结构化学：第一章 绪论

1、 结构化学是研究原子、分子、固体的微观结构，结构化学是研究原子、分子、固体的微观结构，运动规律，物质结构与性能关系的科学运动规律，物质结构与性能关系的科学. . 两个核心内容：两个核心内容：一、描述微观粒子运动规律的波函数（轨道），通一、描述微观粒子运动规律的波函数（轨道），通过其相互作用了解化学键的本质。过其相互作用了解化学键的本质。二、分子和晶体中原子的空间排布，了解分子和晶二、分子和晶体中原子的空间排布，了解分子和晶体的立体结构。体的立体结构。绪论绪论1-溴丙烷（单分子）氧化铝（晶体结构）结构是指几何结构和电子结构，两者密切联系在一起的：结构是指几何结构和电子结构，两者密切联系在一起的：

2、 有怎样的几何结构，就决定了有怎样的电子运动状态和能级，有怎样的几何结构，就决定了有怎样的电子运动状态和能级，电子运动状态和能级又决定了怎样的几何结构最为稳定。电子运动状态和能级又决定了怎样的几何结构最为稳定。由此得到这些质点的一系列物理和化学性质，人们能以此来由此得到这些质点的一系列物理和化学性质，人们能以此来研究化学键理论、分子间作用力、化学反应理论以及各种光谱、研究化学键理论、分子间作用力、化学反应理论以及各种光谱、波谱和电子能谱理论；研究分子空间构型和构象、晶体中原子波谱和电子能谱理论；研究分子空间构型和构象、晶体中原子的空间排布、晶体的能量状态，进而研究各种性能和结构的关的空间排布、

3、晶体的能量状态，进而研究各种性能和结构的关系。系。石墨：层状结构。层状结构。质软具有油腻感，硬度质软具有油腻感，硬度1，能导电。，能导电。用作抗磨材料、润滑剂、集成电路零件和可控硅烧用作抗磨材料、润滑剂、集成电路零件和可控硅烧结载体结载体. 单原子层石墨，是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料。 作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为米材料，石墨烯被称为“黑金黑金”，是，是“新材料之王新材料之王”。金刚石空间四面体空间四面体透明的用作宝石，经磨琢而

4、成钻石。透明的用作宝石，经磨琢而成钻石。黑金刚石以及不透明的用作钻头、耐火材料。黑金刚石以及不透明的用作钻头、耐火材料。硬度硬度10，最硬的物质，最硬的物质.富勒烯C60 足球状、笼状足球状、笼状超导性能超导性能在高压下在高压下C60可转变为金刚石可转变为金刚石,以富勒烯以富勒烯C60为基础的催化剂为基础的催化剂.碳纳米管：坚韧的碳纤维，其强度为钢的100倍，重量则只有钢的1/6；太空梯；分子导线；纳米半导体材料结构化学的重要观点：结构化学的重要观点： 当任何一种物体的性质和物体的结构（以原当任何一种物体的性质和物体的结构（以原子、分子和组成它的更小的粒子来表示）联系起子、分子和组成它的更小的

5、粒子来表示）联系起来时，那么这种性质是最容易、最清楚地被认识来时，那么这种性质是最容易、最清楚地被认识和被理解的和被理解的. L.Pauling 化学理论的最重要作用是提供一种思维体制化学理论的最重要作用是提供一种思维体制，以总结更新知识，以总结更新知识. R. Hoffmann分子几何结构主要有如下三个主要影响因素： 1.原子种类:2.原子个数:3.原子排列:1. 原子种类:碳元素: sp2 平面O例如：例如： sp3 正四面体2.原子个数 分类： 单原子分子 双原子分子 多原子分子 聚合物1-溴丙烷（单分子）氧化铝（晶体结构） 单原子分子(monatomic molecule)就是只有一个

6、原子构成的分子。 通常情况下只有稀有气体单质（例如氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）、氡（Rn）等）是单原子分子构成的。双原子分子 双原子分子指所有由两个原子组成的分子。双原子分子内的化学键通常是共价键。 很多非金属元素（包括氢、氮、氧、氟、氯、溴、碘等）的单质均是双原子分子。其他元素（如磷）也可能以双原子分子构成单质。 以双原子分子存在的化合物包括一氧化碳、一氧化氮等，称为异核双原子分子O2原子排列:例如：烷烃的同分异构体正己烷乙基苯分子几何构型的表达（几何结构）： 1. 各原子的直角坐标 2. 键长、键角和二面角H2O2（双氧水）的结构（双氧水）的结构 实验测得O-

7、O键长为1.475 , O-H键长为0.95 ，HOO为94.8，HOO/OOH=-111.5，把两个氧原子编号为1和2，其它两个氢原子为3和4。其几何构型(如图3-1-2)表达为：第1号O原子的3个参考原子皆不存在，也就不存在它的坐标。R211.475 。R320.95 ,32194.8。R410.95 ,41294.8,412/123111.5。H2O2的几何构型 疑问：几何结构的特征如何划分？归类？答：分子点群来归类正四面体正八面体nC轴向群无nvChDnhD起点线型分子有n个大于2的高次轴立方群有i无i无轴群vC正四面体正八面体dThO无nCiCsC1C有有i无 或 i2nnnS有 （ 为偶数， ）)3(n有hnS有nCnhC2CnC有n个垂直于 轴的2CnC 无垂直于 轴的二面体群有d有v有h没有nDndDhvCD 分子点群：根据分子的空间形状特征，用点群理论来描述和标记电子结构 原子或分子中的电子运动状态和电子具有的能级zxdS轨道Pz轨道轨道F2分子轨道能级图 分子电荷分布(电子结构） 原子的电负性顺序影响电荷分布：O C H如何描述如何描述电子结构电子结构：以量子力学为基础；以量子力学为基础；找到描述一般微观体系的方程波函数找到描述一般微观体系的方程波函数；描述单个