课件课后习题答案无机化学基本原理

“无机化学基本原理”巢晖Tel:Email:无机化学系列课程1基本情况授课时间:11周第6周~第16周总学时:44节,2.5学分课程成绩:平时20%,期中40%,期末40%考试方式:

部分开卷化学研究什么?

2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)2Na(s)+Cl2(g)=2NaCl(s)

研究物质的形成、结构与性质和变化的科学。合成新物质(Synthesis)

物质的组成与结构物质的结构与性质的关系变化的原因。研究的层次：宏观物体（物理）分子，原子，离子（化学）电子，质子，中子等基本粒子（物理）主要是分子层次（原子，离子）以及分子以上的层次(超分子，纳米层次)化学[Mn2(-H2O)(bda)2(py)3(dmf)](DMF)(H2O)2的x-射线结晶学的超分子结构化学是一门中心科学

1.化学是一门承上启下的中心科学。科学可按照它的研究对象由简单到复杂的程度分为上游、中游和下游。数学、物理学是上游，化学是中游，生命等朝阳科学是下游。上游科学研究的对象比较简单，但研究的深度很深。下游科学的研究对象比较复杂，除了用本门科学的方法以外，如果借用上游科学的理论和方法，往往可收事半功倍之效。化学是中心科学，是从上游到下游的必经之地。2.化学又是一门社会迫切需要的中心科学，与我们的衣、食、住、行都有非常紧密的联系。3.化学是与信息、生命、材料、环境、能源、地球、空间和核科学等八大朝阳科学（sun-risesciences)都有紧密的联系、交叉和渗透的中心科学。Nature2001,411,408-409

在多学科的时代，化学面临着自己的学科声望的问题。化学这门重要的中心科学（centralscience）反而被社会看作是伴娘科学（bridesmaidscience）而不受重视。世界著名的Nature杂志也为化学家鸣不平，在2001年发表了社论说：“化学的形象被其交叉学科的成功所埋没”。哈佛大学化学系教授GeorgeWhitesides也同意这种说法：许多化学中最有趣的部分往往被称作别的名字。他说：“我从来没弄清化学家们是怎么回事。他们总是过于谦逊和本分。他们发展出了这些有趣的技术，别人把它们拿走了，他们居然既不喊叫也不抱怨。你从来不会发现一位生物学家会容忍别人把他们所做的东西这样拿走。”

生物化学被称为“分子生物学”，生物大分子的结构化学被称为“结构生物学”，生物大分子的物理化学被称为“生物物理学”，固体化学被称为“凝聚态物理学”，溶液理论、胶体化学被称为“软物质物理学”，量子化学被称为“原子分子物理学”等。人类基因计划的主要内容之一实际上是基因测序的分析化学和凝胶色层等分离化学，但社会上只知道基因学，看不到化学家在其中有什么作用。分子晶体管、分子芯片、分子马达、分子导线、分子计算机等都是化学家开始研究的，但开创这方面研究的化学家却不提出“化学器件学”这一新名词，而微电子学专家马上看出这些研究的发展远景，并称之为“分子电子学”。化学家合成了巴基球C60，于1996年被授予诺贝尔化学奖，后来化学家又做了大量研究工作，合成了碳纳米管。但是许多由这一发明所带来的研究被人们当作应用物理学或纳米科学的贡献。化学:无名英雄?!

化学的二级学科

数学、物理学、化学、生物学等被列为“一级学科”由于不同学科的互相渗透，化学学科又进一步划分出了许多分支学科，即化学的二级学科。(1)无机化学(2)有机化学(3)高分子化学(4)分析化学(5)物理化学放射化学、地球化学、工业化学、农业化学、环境化学、生物化学••••化学的二级学科CHEMISTRY无机化学研究除碳、氢化合物及其衍生物之外的所有元素的单质和化合物的组成、结构、性质、变化规律及其应用。无机化学1869年Mendeleev提出元素周期律无机材料化学——固体无机化学金属有机化学——含有-C-M-键(M代表金属）的一类化合物)生物无机化学——金属离子和生物配体相互作用••••有机化学有机化学(碳的化学)(1000多万种)天然有机化学——研究动物、植物、微生物等天然有机物的结构、性能，并进行人工合成合成有机化学——利用天然的或人工的原料合成各种有机化合物结构有机化学——研究有机物结构理论，并进行结构测定和分析研究碳、氢化合物及其衍生物。分析化学研究物质化学组成及其结构的分析方法。分析化学成份分析：元素分析、色谱、原子吸收光谱、原子发射光谱、极谱分析、电化学分析••••••结构分析：红外光谱、X射线光谱、中子衍射谱、光电子能谱、核磁共振谱、顺磁共谱等现代分析正在向快速、准确、微量、微区、表面、自动化等方向发展。物理化学借助物理学的原理和方法来探求化学变化基本规律的一门化学分支。物理化学化学热力学：研究化学反应过程的能量变化、方向和限度化学动力学：研究化学反应的速率、机理和化学反应的控制结构化学：研究物质的结构及其与物质的性能之间的关系高分子化学分子量为104106的大分子一般化合物的分子量是几十、几百，而高分子化合物的分子量是几万，几十万，由成千上万个小分子单体聚合成链，并蜷曲交织在一起就组成橡胶、纤维或塑料等高分子材料。化学近年的发展和进步现代光、电、磁和计算机的发展和测试水平的进步

例：宏观微观

STM(扫描隧道电镜）和AFM(原子力显微镜）原子的真实大小由间接的推导到直接观察到原子Cu原子在Si表面的STM照片（放大250million)WO3-x晶体剪切面的高分辩电镜图，研究固体的缺陷NMR(核磁共振）、X光衍射等推断C60的结构C60,旋转100万次/秒1991年，美国加州大学伯克利分校的Hawkins用此化合物得到C60的X射线照片[Os(O)4(py)2(C60)]化学近年的发展和进步2.

新化合物的大量出现

近3000万种（CA登录到2000年）

20世纪末，每年报导100万种，美国的化学物质的产值为4000亿美元

美国杜邦公司的口号:“化学造就更好的物质，创造更美好生活”

惰气化合物；非整比化合物（缺陷）超分子化合物（主客化合物）；电子化合物化学近年的发展和进步3.化学与其他学科的渗透和交叉化学与生命:

例如，cis-Pt(NH3)2Cl2与DNA作用的抗癌特性；有机化合物的非对称合成（手性合成）化学与材料:磁性材料，非线性光学材料，超导材料，发光材料例：彩色显示器：CRT(阴极射线管)液晶FED(场发射显示模块)平板显示，纳米技术和纳米材料：C60,碳纳米管，碳笼包合物单层碳纳米管束D.E.Luzzi,etal,Nature396,323-324(1998)多层碳纳米管Thesmallestcarbonnanotube

High-resolutionelectronmicroscopeimageofa4Åtubule(sidewallsaremarkedbylines)confinedinsidean18-shellcarbonnanotubeSumioIijimaetalNature

408,50(2000)金属富勒烯包合物化学近年的发展和进步4.化学与日常生活和社会生活密切相关

实用科学

正效应：人体健康、药物化学、自然资源利用、能源、环保

负效应：有害于环境和人类的健康化学使正负作用两者平衡，发展正效应，消除负效应。高分子材料药品、食品、染料、食品添加剂、化妆品咖啡因的分子结构无机化学的发展无机化学学科是随着元素发现而逐步发展起来的.因而可以说,在科学发展进程中,无机化学是化学学科的鼻祖,最初的化学就是无机化学。在19世纪的前50年,不仅发现了半数以上的元素,而且进行了这些元素简单化合物性质的研究。到了19世纪中期,为有机化学的光谱研究的热点时期;而在1900年左右,物理化学方面的探索成为新的研究高潮。相比而言,将近一个世纪,人们忽略了无机化学的研究。材料、能源、信息、粮食、环境和资源的需要。曼哈顿工程原子能计划是一项综合性工程,它涉及到物理学和化学的各个领域，尤其向无机化学提出了更多的课题：

原子反应堆的建立，促进了具有特殊性能的新无机材料的合成的研究；

同位素工厂的建设,促进了各种现代分析、分离方法的发展;

各种粒子加速器的建造,推动了超铀元素的合成;

随着原子能计划的实施,以及量子力学和物理测试手段在无机化学中的应用,使得无机化学在理论(如周期系理论、原子分子理论、配位化学理论、无机化学热力学、无机反应动力学)上也渐趋成熟。第二次世界大战中美国的曼哈顿工程(原子能计划)

极大地“催化”了无机化学的发展,使无机化学步入了所谓“复兴”时期。无机药物砒霜As3+治疗白血病顺铂抗癌药物Gd3+肿瘤诊断

通过对水稻叶表面存在液滴滚动的各向异性的机理研究，发现该现象是由于其表面微/纳米结构的定向排列的结果上左图为水滴在水稻叶表面的各向异性照片；右图为水稻叶表面的微观结构电镜照片（Adv.Mater.2002,14,1857)；仿照水稻微米结构排列方式制备出三维各向异性的碳纳米管微结构阵列(J.Am.Chem.Soc.2004,125,14996)仿生纳米材料白光LED材料SiC-耐热高强结构材料石墨烯目前世界上已知的强度最高的材料-比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍

法国皇帝拿破仑曾经说过：“笔比剑更有威力”。由美国哥伦比亚大学的两名华裔科学家李成古和魏小丁研究发现。这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至还为“太空电梯”超韧缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门，能让科学家梦寐以求的23000英里长太空电梯在不久的将来成为现实！从石墨上剥离出一些石墨烯薄片，粘到1平方英寸的硅片上，在电子显微镜下进行观察，硅片小孔上发现合适的单原子厚的石墨烯薄片，用原子尺寸的金属和钻石探针对它们进行穿刺，从而测试它们的强度。化学的特点：实验性强的科学

没有实验就没有发现：居里夫妇发现铀矿石的放射性比提纯后铀化合物强，估计有一种放射性更强的新元素存在，1899-1902间的4年内，经过上万次的重结晶，从8吨沥青铀矿得到0.1g的RaCl2，测定了镭Ra的原子量。

没有实验就没有理论的进步和发展：1986年氧化物高温超导的发现，促进了超导理论。研究化学的方法实践→认识→再实践→再认识

物质世界中千变万化的化学现象都是通过化学实验观察到的，化学中的一些学说、定律都是在实验的基础上综合归纳而得到的，并且在实验中鉴别修正，反过来再指导实验。因此有人说：化学是一门实验科学。这句话充分强调了实验的重要性。稀有气体的发现英国物理学家Ramsay领导的科研小组在1894~1900期间，用他们敏锐的洞察力和高超的实验技术，发现了从He到Rn的六种稀有气体元素。1904年Ramsay获得了诺贝尔化学奖。稀有气体的发现

1894年，Ramsay的科研小组从空气中分离出1升N2气测得其重为1.257g，而从氮化物中分离出的1升N2气测得其重为1.251g。

小数点后第三位的差异引起了他们的注意，经多次实验所得结果仍是相同的，于是排除了实验误差的因素，他们断定，引起小数点后第三位的差异的原因肯定是从空气中分离出的N2气中还含有其他物质，于是经过进一步的分离，除去了氮气后，还剩下1%的气体，这些气体极其稳定，不与任何物质反应，在放电管中发出特殊的辉光—于是他们兴奋的宣布：发现了一个新的元素，根据它的特殊的稳定性，命名为氩（Ar），拉丁文的意思是：不活泼。稀有气体的发现

1895年，他们又从空气中分离出了氦He元素，而这一元素在当时被认为只有太阳大气中才有的元素。

1898年他们又陆续发现了氖Ne、氪Kr、氙Xe。

1900年他们在放射性矿物中发现了氡Rn。至此完成了周期表中的零族元素，并命名为“惰性气体”。

这一发现充分说明化学来源与实验，化学是实验科学。

人们的认识是永无休止的。1962年，加拿大年轻的化学家N.Bartlett的工作又使人们对已经认识的“惰性气体”有了新的认识，知道了“惰性气体”并非绝对惰性。Bartlett的实验N.Bartlett当时是在做一项实验：

使下列反应进行：O2+PtF6→O2+[PtF6]-

，制备O2+[PtF6]-晶体。实验的过程中Bartlett联想到：O2的第一电离能为1171.5KJ/mol,

而Xe的第一电离能为1175.7KJ/mol，两者非常相近。既然O2可以电离出一个电子发生这个反应，Xe也应该可以失去一个电子发生这个反应，生成Xe+[PF6]-。然后Bartlett又用晶格能理论推算了一旦生成Xe+[PF6]-的晶格能仅比O2+[PF6]-的晶格能小41.8KJ/mol,这一结果表明：Xe+[PF6]-

一旦生成尚能稳定存在。Bartlett的实验

于是N.Bartlett在室温下，将Xe和PtF6的蒸气通入一个密闭的容器中，结果：产生了红色的晶体Xe+[PF6]-。

这是第一个真正的稀有气体化合物，这一发现振动了当时的化学界，在两年之内,有接近上百篇文章进行此方面的报道.同时动摇了人们的“稀有气体绝对惰性”的概念。于是人们将惰性气体更名为稀有气体，从此揭开了稀有气体研究的新篇章，同时修正了化学键理论：既稳定的八偶体，在一定的条件下仍可发生化学反应。启示

Bartlett的发现是在化学电离理论和晶格能理论指导下产生的，这一发现充分说明了理论指导实践的道理。

化学家不仅要有一个好脑子，还要有一双敏锐的眼睛、一副灵巧的双手，只有这样才能及时发现问题，产生好的想法，在用双手去实现自己的想法，才能成为一个优秀的化学家。大学教学

在中学阶段每堂课讲授的内容少，课堂中反复总结、练习、测试，作业量大，强调课内解决问题。大学阶段，以培养学生自主学习的习惯、学习能力、发现问题、解决问题以及创新能力为目标。课时紧，每节课讲授的内容多，进度快，作业量少，很少课堂练习，强调自学能力的提高。

如何学习无机化学

课程特点：（1）概念多、理论多、公式多、计算（应用）多，容易混淆；（2）概念抽象，难于理解，如微观结构理论、热力学、动力学基础等。建议：（1）课前预习；（2）善于归纳、总结；（3）作业练习；（4）适当地查阅一些文献，注重知识、资料的积累。

参考书目1.华彤文等，《普通化学原理》，北京大学出版社，2001。2.严宣申等，《普通无机化学》（第2版），北京大学出版社，1999。3.武汉大学等，曹锡章等修订，《无机化学》（第3版，上、下册），高等教育出版社，1994。4.宋天佑，程鹏，王杏乔，《无机化学》（上册），高等教育出版社，2004。5.宋天佑，徐家宁，程功臻，《无机化学》（下册），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.蔡少华,龚孟濂,刘杰，《无机化学习题解答》，中山大学出版社，2004。无机化学与材料研究所InstituteofInorganicChemistryandMaterials化学南楼丰盛堂化学北楼所办公室地址：丰盛堂B202电话：84110921无机化学与材料研究所InstituteofInorganicChemistryandMaterials2001年成立无机化学与材料研究所无机化学学科是国家重点学科和广东省重点学科，无机化学课程是国家理科基地创建名牌课程和广东省精品课程具有一级学科博士学位授予权，设有博士后流动站2005年批准成立“生物无机和合成化学”教育部重点实验室丰盛堂二期工程BISC教师队伍24名教师来自两岸三地,其中:

中科院院士：苏锵、计亮年长江学者特聘教授:陈小明杰出青年基金获得者：陈小明、童明良、鲁统部、毛宗万

教育部新世纪优秀人才计划：童明良、鲁统部、巢晖教授：10人博士生导师：12人

具有境外学习研究经历：21人毕业学校：15所大学年轻教师：18人国内外的影响国内一流，国际有较大影响的研究所。（应邀写国际综述论文7篇，国际会议邀请报告50人次，JACS、Angew.Chem.等世界一流化学刊物发表论文每年3－4篇，SCI论文占全校1/6，论文被引用占全校1/3）。培养出2位“全国百篇优秀博士学位论文获得者”，同时4位同学获提名奖。多名学生获德国“洪堡”和“日本学术振兴会”奖学金。主要的研究方向

生物无机化学稀土光电磁材料化学功能配合物化学主要的研究方向

生物无机化学

稀土光电磁材料化学功能配合物化学

广东省化学会理事长，第六至八届欧亚化学大会国际顾问委员会委员，第五至八届国际应用生物无机化学会议国际组织委员会委员；第11届国际生物无机化学会议国际组委会委员，OrientalJ.Chem.国际顾委，先后担任MetalBasedDrug、高校化学学报等刊物编委。从事金属酶的结构、功能和作用机制规律性研究。发表学术论文500多篇，被他引1500多篇次。在26个大型国际学术会议作邀请报告和口头报告，应邀到20多个国家的科研单位演讲访问。作为第一完成人获得省部级科技成果奖8项，国家级优秀教学成果二等奖一项。第三届国家教委优秀教材二等奖一项。获得国家发明专利4项。2000年4月国务院授予“全国先进工作者”的光荣称号。

计亮年院士毛宗万教授博士生导师赵修毅副教授硕士生导师巢晖教授博士生导师黄锦汪教授博士生导师生物无机化学研究人员高峰讲师生物无机化学基金项目:

国家973,国家自然科学重点基金,国家自然科学基金,国家杰出青年基金,广东省自然科学基金,广东省科技计划项目,广州市科技计划项目…研究课题：

金属配合物与DNA/RNA生物大分子的相互作用

DNA生物功能的化学调控金属酶的化学修饰与生物发酵工程金属酶模拟及仿生催化无机药物的设计与合成生物酶的分子改造主要的研究方向

生物无机化学稀土光电磁材料化学

功能配合物化学苏锵院士

中国物理学会发光分支学会的名誉理事长，中国稀土学会发光专业委员会名誉主任，第2届国际稀土光谱会议的主席，第3届国际f元素会议国际科学委员会委员，01年巴西国际稀土会议的国际顾问委员会委员。02年国际固体化学讨论会国际顾委。03年波兰第四届国际稀土光谱、结构与合成会议国际顾委。先后担任《化学学报》、《中国化学》等刊物的编委，《发光学报》的副主编。99年底起任中山大学教授。从事稀土光、电、磁材料的合成方法与材料性能等研究工作。在国内外学术刊物上发表论文300余篇，获授权发明专利17项。著有《稀土化学》等专著。

稀土光电磁材料