高等無機化學

1、高等無機化學,碩士研究生學位課,任課教師：楊文勝北京化工大學理學院2010年秋,教學參考書,,《高等無機化學》 陳慧蘭 主編 高等教育出版社, 2005,教學參考書,,《高等無機結(jié)構(gòu)化學》 麥松威 等 主編 北京大學出版社, 2001,《無機化學》申泮文 主編化學工業(yè)出版社, 2002,教學參考書,,,了解無機化學的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 了解無機化學的前沿領(lǐng)域及趨勢 了解本課程教學安排及具體要求,目標&要

2、求,,一、無機化學的沿革與復興二、無機化學的現(xiàn)狀及趨勢三、現(xiàn)代無機化學發(fā)展特點四、本課程內(nèi)容及具體要求,第一節(jié) 無機化學的沿革與復興,,人類出現(xiàn) ～ 無機化學：礦物和無機物,唐代,明代,清代,第一節(jié) 無機化學的沿革與復興,,1828年：有機化學 1828年武勒由氰酸銨制得尿素，動搖了有機物只是生命體產(chǎn)物的觀點，有機化學應運而生。,第一節(jié) 無機化學的沿革與復興,,1887年：物理化學

3、 為研究能掌握無機物和有機物的性質(zhì)和反應的一般規(guī)律, 產(chǎn)生了新的化學分支──物理化學。 (物理化學通常是以1887年德國出版«物理化學學報»雜志為其標志),第一節(jié) 無機化學的沿革與復興,,1800～ 1900：無機化學的建立和發(fā)展的時期在這個時期無機化學家的貢獻是: 發(fā)現(xiàn)新元素 合成已知元素的新化合物 確立了原子量的氧單位 門捷列夫提出了元素周期表 維爾納提出了

4、配位學說,第一節(jié) 無機化學的沿革與復興,,1900 ~ 二次世界大戰(zhàn)：無機化學蕭條時期 突飛猛進的有機化學相比, 無機化學進展緩慢。無重大的發(fā)現(xiàn)和建樹, 缺乏全局性的工作。 當時出版的無機化學教科書, 幾乎都是無機化學的實驗資料庫, 是純粹描述性的無機化學。 在無機化學專業(yè)的教育和培養(yǎng)方面也很薄弱, 只在大學一年級開設(shè)無機化學, 缺乏必要的循環(huán), 也無再提高的機會。教師只能“存在、制備、性

5、質(zhì)、用途”千篇一律，學生學起來枯燥乏味，認為“無機化學”就是“無理化學”，多不感到興趣，因而有志于無機化學的人是寥寥無幾。,第一節(jié) 無機化學的沿革與復興,,二次世界大戰(zhàn)及以后 ~ : 無機化學復興時期 美國曼哈頓工程(原子能計劃 ) 極大地催化了無機化學的發(fā)展，使無機化學進入復興時期。 原子反應堆 ? 新型無機材料 同位素工廠 ? 現(xiàn)代分析分離方法 粒子加速器 ? 超鈾元素的合成 無機化學理論：周期

6、律理論、原子分子結(jié)構(gòu)理論 配位化學理論、無機熱力學動力學理論,第一節(jié) 無機化學的沿革與復興,,戰(zhàn)后和平時期，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展, 無機化學不僅在原有的天地中迅速發(fā)展, 而且還不斷滲透到其他各種學科而產(chǎn)生了新的邊緣學科, 如: 有機金屬化合物化學 無機固體化學 物理無機化學 生物無機化學和無機生物化學,第一節(jié) 無機化學的沿革與復興,,截止到2000

7、年，CA中登錄的無機化學物質(zhì)條目近3000萬種，且以每年100萬種的速度不斷增加。美國無機化學物質(zhì)的產(chǎn)值為4000億美元。 自戰(zhàn)后至今,無機化學已從停滯蕭條時期步入了一個“柳暗花明又一村”的黃金時期。,第二節(jié) 無機化學發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,,無機化學發(fā)展趨勢 與材料科學和生命科學的交叉、融合是無機化學當前的發(fā)展趨勢。無機化學在合成和制備研究中，力求在發(fā)展新的合成方法及路線上下功夫；強調(diào)運用分子設(shè)計和晶體工程

8、思想，推進新型化合物的合成及物質(zhì)聚集狀態(tài)的研究；重視無機功能材料的復合、組裝與雜化；加強功能性無機物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系研究，開展介觀和微觀結(jié)構(gòu)的理論研究；無機化學與生命科學的交叉要進一步深化研究的內(nèi)涵，突出無機物生物效應的化學基礎(chǔ)研究；深化金屬生物大分子、無機仿生過程及分子以上層次生物無機化學基礎(chǔ)研究。,－ 《國家自然科學基金項目指南》,第二節(jié) 無機化學發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,,l 現(xiàn)代無機合成l 配位化學l 有機金屬化學l 原子簇化學

9、l 超分子化學l 生物無機化學l 稀土元素化學l 無機固體化學l 核化學和放射化學,第二節(jié) 無機化學發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,,2.1 現(xiàn)代無機合成化學,無機化合物種類甚多，合成方法差別極大，無機合成化學中未開拓的領(lǐng)域很多。發(fā)現(xiàn)一種新合成方法或一種新型結(jié)構(gòu)，將就有一系列新的無機化合物出現(xiàn)。因此無機合成化學是無機化學的前沿熱點研究領(lǐng)域之一。 當前無機合成化學的研究重點是發(fā)展新合成反應、新合成路線和方法、新制備技術(shù)及相關(guān)反

10、應機理的研究。,第二節(jié) 無機化學發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,,2.2 配位化學,配位化合物種類龐大，約占無機化合物的75％以上，因此配位化學是無機化學研究中一個主要方向。 配位化學從上世紀60年代起與生命科學結(jié)合，成為生物無機化學產(chǎn)生的基礎(chǔ)。 配位化學與材料科學也形成了最緊密的結(jié)合。配合物的良好催化作用在有機合成、高分子合成中發(fā)揮了極大作用；在功能材料（如光、電、磁、超導、信息存儲等）領(lǐng)域也展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。,第

11、二節(jié) 無機化學發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,,2.3 有機金屬化學,有機金屬化學研究金屬與有機基團直接相鍵合的化合物，包括了為數(shù)眾多的一大類化合物，它是有機和無機化學相互滲透的邊緣領(lǐng)域，同時又是無機化學極其活躍的新興領(lǐng)域之一。 有機金屬化合物在催化材料、非線性光學材料、半導體材料、液晶材料、抗腫瘤藥物等方面展現(xiàn)了廣闊的應用前景。,第二節(jié) 無機化學發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,,2.4 原子簇化學,原子簇化合物的發(fā)現(xiàn)逐漸形成了一門新興的化學分

12、支學科——原子簇化學。 原子簇化合物的基本類型有：硼烷及硼烷陰離子、金屬原子簇、 富勒烯及其衍生物。 20世紀70年代后由于化學模擬生物固氮、金屬原子簇化合物的催化功能、生物金屬原子簇、超導及新型材料等方面的研究需要，促使（金屬）原子簇化學快速發(fā)展。,第二節(jié) 無機化學發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,,第二節(jié) 無機化學發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,,2.5 超分子化學,超分子化學：就是“超越分子概念的化學”，它是指兩個以上的分子以

13、分子間作用力所形成的有序聚集體的化學。 超分子化學是近年來在一些交叉學科中產(chǎn)生的邊緣學科，從分子化學到超分子化學標志著化學的發(fā)展進入了一個新的歷史階段。,分子化學和超分子化學間及超分子化學與分子器件科學間的關(guān)系：,“分子”和“超分子”的鍵合作用明顯不同。 分子組裝和體現(xiàn)某種特定功能的分子器件和超分子器件是超分子化學的重要研究方向。,第二節(jié) 無機化學發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,,2.5 超分子化學,第二節(jié) 無機化

14、學發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,,2.6 生物無機化學,生物無機化學是最近一二十年才迅速發(fā)展起來的一門無機化學與生物化學之間的邊緣學科。生物無機化學研究的范圍很廣，一方面，它應用無機化學（特別是配位化學）的理論原理和實驗方法研究生物體中無機金屬離子的形態(tài)和功能，闡明金屬離子和生物大分子形成的配合物的結(jié)構(gòu)與生物功能的關(guān)系；另一方面，又要研究如何應用上述原理和規(guī)律為人類服務，特別是為人類的健康服務。,第二節(jié) 無機化學發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,,2.6 生物無

15、機化學,研究金屬離子在生命體中的生理生化行為，是目前十分重要的研究領(lǐng)域。如：血紅素，細胞色素，葉綠素，維生素，鐵蛋白，鉬鐵蛋白，鋅蛋白，硒蛋白，鈣調(diào)蛋白及幾十種重要的金屬酶的結(jié)構(gòu)與存在形式，生理生化功能，毒副作用等。,高自旋亞鐵脫氧 低自旋正鐵氧合 Fe-N 218pm Fe-N 201pm,血紅蛋白血紅素,第二節(jié) 無機化學發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,,2.6 生物無機化學,應用研究方面：抗癌藥物（順鉑）

16、，稀土放療，艾茲?。s多酸），營養(yǎng)滋補品（各類補鈣、鐵、鋅、鍺、硒制劑）。生物無機化學是配位化學、生物化學、醫(yī)學、營養(yǎng)化學、環(huán)境科學等學科相互滲透互相融合的產(chǎn)物。,第二節(jié) 無機化學發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,,2.7 稀土元素化學,稀土是中國的豐產(chǎn)元素，世界稀土資源的 80％在中國。 稀土在光、電、磁、催化等方面具有獨特的功能。如:含稀土的分子篩在石油催化裂化中可使汽油產(chǎn)率大大提高；硫氧釔銪在電子轟擊下產(chǎn)生鮮艷的紅色熒光，可使

17、彩電的亮度提高1倍；稀土永磁材料用于電機制造，可縮小體積，做到微型化和高效化；在高溫超導材料中也缺不了稀土元素。,第二節(jié) 無機化學發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,,2.8 無機固體化學,無機固體化學是研究固體物質(zhì)(包括材料)的制備、組成結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的科學。是一門涉及物理、化學、晶體學和多種技術(shù)學科的邊緣學科。 無機固體材料是當今社會的三大支柱－材料、能源、信息的基礎(chǔ)。無機固體化學與無機固體材料密切相關(guān)，是無機固體材料研究開發(fā)的理論基

18、礎(chǔ)。,第二節(jié) 無機化學發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,,2.9 核化學和放射化學,20世紀上半葉，從發(fā)現(xiàn)放射性元素、核裂變、人工放射性，到核反應堆的建立，核爆炸的毀滅性破壞等，核化學和放射化學一直是十分活躍和開創(chuàng)性的前沿領(lǐng)域。 到后半個世紀，放射性同位素和核技術(shù)在分析化學、生命科學、環(huán)境科學、醫(yī)學等方面緊密結(jié)合，使其應用和交叉研究蓬勃發(fā)展起來。,第三節(jié) 現(xiàn)代無機化學發(fā)展特點,,l 從宏觀到微觀l 從定性描述到定量化方向發(fā)展l

19、靜態(tài)與動態(tài)（過程）相結(jié)合l 既分化又綜合，出現(xiàn)許多邊緣學科,第三節(jié) 現(xiàn)代無機化學發(fā)展特點,,3.1 從宏觀到微觀,20世紀的無機化學進入到物質(zhì)內(nèi)部深層次的研究階段，也即進入了微觀水平的研究階段。人們現(xiàn)在不只研究無機化合物的宏觀性質(zhì)，而且更重視物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)的研究，即原子、分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)特別是原子、分子中電子的行為和運動規(guī)律的研究，從而建立了以現(xiàn)代化學鍵理論為基礎(chǔ)的化學結(jié)構(gòu)理論體系。,第三節(jié) 現(xiàn)代無機化學發(fā)展特點,,3.1 從宏觀到微

20、觀,與此要求相適應，現(xiàn)代的許多新的研究方法，例如光譜學的、能譜學的、磁學的以及射線晶體學的方法也都是在分子水平上進行研究工作的?，F(xiàn)代無機化學不再是“無理”化學，而是既有翔實的實驗資料又有堅實的理論基礎(chǔ)的完全的科學。,第三節(jié) 現(xiàn)代無機化學發(fā)展特點,,3.2 從定性描述到定量化方向發(fā)展,現(xiàn)代無機化學尤其是理論無機化學和結(jié)構(gòu)無機化學，已普遍應用線性代數(shù)、群論、矢量分析、拓撲學、數(shù)學物理等現(xiàn)代的數(shù)學理論和方法，并且應用電子計算機進行科學計算，

21、對許多反映結(jié)構(gòu)信息及物理化學性能的物理量進行數(shù)學處理。這種數(shù)學計算又與高靈敏度、高精確度和多功能的定量實驗測定方法相結(jié)合，使對無機化合物性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的研究達到了精確定量的水平。,第三節(jié) 現(xiàn)代無機化學發(fā)展特點,,3.3 靜態(tài)與動態(tài)（過程）相結(jié)合,合成－結(jié)構(gòu)表征和測定的研究模式屬于靜態(tài)結(jié)構(gòu)研究模式，為人們留下一大批新的化學物質(zhì)的資料，是化學界的重要財富。 化學作為研究物質(zhì)化學變化的科學，也重視化學反應過程的研究，但由于方法和

22、思路的限制，化學反應歷程的早期研究僅限于小分子參與的宏觀動力學研究，且只能研究速率較慢的簡單反應。 停留技術(shù)及各種快速檢測和收集數(shù)據(jù)的手段才使人們有可能研究快速反應過程。近年來把微觀概念引進反應過程研究的微觀反應動力學有了重大突破。形成現(xiàn)代化學的一個熱點。,第三節(jié) 現(xiàn)代無機化學發(fā)展特點,,3.4 既分化又綜合，出現(xiàn)許多邊緣學科,20世紀的無機化學一方面是加速分化，另一方面卻又是各分支學科之間的相互綜合、相互滲透，形成了

23、許多新興的邊緣學科。如： 無機化學 ＋ 有機化學 ＝ 有機金屬化合物化學 生物化學 ＋ 無機化學（配位化學） ＝ 生物無機化學 固體物理 ＋ 無機化學 ＝ 無機固體化學 無機化學 ＋ 高分子化學 ＝ 無機高分子化學,現(xiàn)代無機化學既有理論又有事實,它把最新的量子力學成就作為自己闡述元素和化合物性質(zhì)的理論基礎(chǔ), 也力圖用熱力學、動力學的知識去揭示無機反應的方向和歷程。無機化學家

24、不是單純地提供實驗結(jié)果而是也在不遺余力地進行理論探索。他們擅長于實驗合成，也勝任于對自己的實驗發(fā)現(xiàn)作出理論說明。無機化學涉獵的范圍很寬,周期表中的100多種元素以及除烴和烴衍生物以外的所有化合物都是無機化學的研究對象。因此無機化學的研究任務異常繁重, 但同時也說明:無機化學是一門豐富多彩具有無限發(fā)展前途的學科。,小 結(jié),第四節(jié) 本課程內(nèi)容及具體要求,,4.1 課程主要內(nèi)容,《高等無機化學》課程報告,內(nèi)容：無機化學前沿領(lǐng)域研究進展

25、 (參考2009年及以后相關(guān)領(lǐng)域Top文獻1~2篇)要求：準備PPT，報告時間10分鐘以內(nèi) 1~3人一組時間：每章內(nèi)容結(jié)束后,第四節(jié) 本課程內(nèi)容及具體要求,,4.2 課程具體要求,化學類,材料類,《高等無機化學》課程論文,內(nèi)容：無機化學前沿領(lǐng)域研究進展要求：從研究生院網(wǎng)站上下載課程論文封面 將PPT以講稿形式每6頁打印在一張紙上時間：做報告時交PPT