无机化学研究的前沿领域在教学中的应用

第２４卷第２期　２０１１年４月　高等函授学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｉｇｈｅｒ　Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）　Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．２　２Ｏ１１　

·大学教学·　

无机化学研究的前沿领域在教学中的应用　

董　斌　吕仁庆　曹作刚　

（中国石油大学（华东）化学化工学院，山东青岛２６６５５５）　

摘要：近年来，无机化学的发展取得了很大突破，主要表现在有机金属化学、配住化学、无机　固体化学、生物无机化学和富勒烯化学等方面。本文简要介绍了当代无机化学研究的前沿领域，　并对如何在高校无机化学教学中应用这些前沿知识以培养学生学习兴趣和科研思维做出探讨。　关键词：无机化学；前沿；教学　中图分类号：Ｇ６４２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—７３５３（２０１１）０２－－００２９—０３　

无机化学是化学学科中最重要的一个分支，　

是其他分支学科发展的基础。无机化学的教学关　

系到学生对于整个化学学科的理解和认识、兴趣　

的培养和科研思维的掌握等Ｄ］。随着社会的发展　

和科学的进步，无机化学也正处在蓬勃发展的新　

时期。高校教师必须重视无机化学领域的最新发　

展，将其融合进自己的教学过程，开阔学生的思维　

和眼界，培养学生的兴趣和知识素养，使无机化学　

的教学不断与时俱进，推陈出新，始终保持旺盛的　活力和吸引力，为高素质创新型人才的培养打下　

坚实的基础　伽。　

１有机金属化学　

通常将含有金属一碳（Ｍ—Ｃ）键的化合物称为　

有机金属化合物或金属有机化合物，把研究有机　

金属化合物的化学称为有机金属化学。有机金属　

化学是无机化学和有机化学交叠的一门学科，它　

的发展打破了传统的有机化学和无机化学的界　

限，目前又与理论化学、催化、结构化学、生物无机　

化学、高分子科学等交织在一起，已成为现代无机　

化学中第一个活跃的领域。　

第一个金属有机化合物发现于１８２７年，丹麦　

药学家蔡斯（ｗ．Ｃ．Ｚｅｉｓｅ）制得了铂的乙烯络合物　

Ｋ（Ｐｔ（Ｃ。Ｈ　）Ｃｌ。］，即蔡斯盐。此后，有机硅、有　

机钠、有机锌等相继问世并得到应用。１９５１年具　

有特殊结构和类似芳烃的二茂铁被制备和“夹心　式”结构的确认使有机金属化合物正式成为了一　

门独立的化学学科。至今，在这类化合物中发现　

了许多新结构、新键型以及新的反应机理［４］。现　

已发现，周期表中几乎所有金属元素都能和碳结　

合，形成不同形式的金属有机化合物，这对于价键　

理论和催化化学的研究具有重要意义。迄今已先　

后有１Ｏ位科学家因在有机金属化学领域做出的　

巨大贡献而荣获诺贝尔奖。　

笔者在教学过程中，通过在绪论中向学生简　要介绍了有机金属化学的发展情况，让学生们了　

解这一无机化学的前沿研究领域，引起了同学们　

对无机化学的兴趣；在讲述反应速率中催化剂一　

节时，以齐格勒一纳塔催化剂催化聚丙烯反应为　

例，通过详细地描述该催化剂的发现及应用，使学　

生明白了催化剂在催化反应中的催化原理及其在　

工业中的巨大作用，让他们感触到无机化学在实　

际生活中的重要地位，取得了良好的教学效果。　

２配位化学　

配位化学是现代无机化学中一门非常重要的　

边沿学科，它所研究的主要对象为配位化合物。　

配位化合物是金属与无机、有机离子或分子相互　

反应形成的化合物，最早有记载的配合物是１８世　

纪初用作颜料的普鲁士蓝。１８９３年瑞士化学家　

韦尔纳首先提出这类化合物的正确化学式及配位　

理论，因此获得了１９１３年的诺贝尔化学奖，被称　

收稿日期：２０１１－－０２－－０１．　作者简介：董斌（１９８ｏ一），男，山东省德州市人，博士，副教授，研究方向：材料化学与催化　

２９　第２４卷第２期　２０１１年４月　高等函授学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｉｇｈｅｒ　Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）　Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．２　２０１１　

为“配位化学之父”。配位化学的应用领域很广，　

主要包括金属的提取和分离　催化、化学分析、生　

物化学、医学等。通常有三种理论对配位化学进　

行解释，即价键理论、晶体场理论和分子轨道理　

论，当前应用最广泛的是分子轨道理论。随着分　

析、合成技术的不断发展，配位化学目前已经渗透　

到有机化学、分析化学、物理化学和生物化学等领　

域，这些交叉领域一方面推动和发展了配位化学　

基础理论；另一方面，其研究成果也被广泛应用于　

催化工业、生物模拟过程、新材料制备等诸多领　

域　其中超分子化学已成为了配位化学的一个主　

要发展方向，超分子化学是指分子问弱相互作用　

和分子组装的化学。分子间的相互作用形成了各　

种化学、物理和生物中高选择性的识别、反应、传　

递和调制过程。而这些过程就导致超分子的光电　

功能和分子器件的发展［５］，比如电荷转移型导电　

配合物超分子材料的分子设计研究，对于合成高　

导电性的材料具有重要意义。　

配位化学前沿知识在教学中的应用可谓丰富　

多彩。在原子结构、分子结构、配位化合物等章节　

中，可以向学生介绍相关的前沿知识，加深学生对　

配位理论和配位键的理解。比如，向学生介绍新　

型配合物特别是配位超分子化合物的基础无机合　

成及其结构研究取得的成果，丰富了配位键的内　

涵，加深了同学们对配位键的理解和认识；介绍配　

合物在与材料科学和生命科学相结合的过程中产　

生的新材料、新性能，使得枯燥的配位理论讲解有　

了鲜活的例证做补充，开阔了学生的眼界，调动了　

学生的积极性。　

３无机固体化学　

无机固体化学是无机化学、固体物理以及材　

料科学的交叉领域，实现了在原子水平上研究材　

料的组成、结构和性能的关系，研究内容涉及固相　

中的化学反应、晶体的合成和生长、固体的组成和　

结构、固体的表面化学等；目标在于探索无机固体　

物质作为新材料应用的可能性。　

无机固体化学在新材料领域的一个重要研究　

内容就是超导材料。１９１１年荷兰物理学家昂尼　

斯发现金属汞在４．２Ｋ温度下具有零电阻的特，　性，这就是超导现象，昂尼斯因此获得了１９１３年　

的诺贝尔物理学奖［６］。为了实现超导材料的应　

３０　用，人们一直在探索提高临界温度的高温超导材　

料。直到１９８６年高温超导体的研究才取得了重　

大的突破，美国科学家柏诺兹和缪勒发现钡镧铜　

氧化物在３５Ｋ时显示超导性。这一发现开辟了　

陶瓷超导研究的新思路。他们因此获得了１９８７　

年诺贝尔物理学奖，并掀起了以寻找高临界温度　

超导体为目标的“超导热”，全世界有众多研究小　

组参与了这场竞赛。美国、日本、中国的科学家都　

做出了自己的贡献，目前氧化物超导材料的临界　

温度已提高到了１６０Ｋ左右。２００８年日本科学家　

宣布发现了新型超导体——二硼化镁，临界转变　

温度达９０Ｋ。二硼化镁超导性研究的意义在于：　①与氧化物超导材料相比，二硼化镁是常规超导　

体，其超导机制可以用ＢＣＳ理论解释；②氧化物　

高温超导体成本高、脆性大，难以加工成线材，而　

二硼化镁则价格低廉，并易于制成线材。美国依　

阿华大学的研究小组已合成出二硼化镁细线，其　

特点是高密度，低电阻率。③二硼化镁超导体的　

发现，使简单化合物超导体研究重新受到关注，对　

于开发新型的高温超导材料具有重大的理论意　

义。　

在教学过程中，主要是在绪论和元素部分介　

绍无机固体化学。在绪论部分介绍超导材料研究　

的发展和现状，主要讲述我国科学家在超导领域　

取得的科研成果，激发同学们的爱国热情和对化　

学学习的兴趣；在硼元素一节中，向学生介绍超导　

材料中的二硼化镁的发现、结构、应用和意义。不　

仅使同学们了解了这种新型超导材料的性质和特　

点，加深对于硼元素的结构与性质的认知，而且培　

养了学生们的环保理念，一举数得。超导材料最　

诱人的应用是发电、输电和储能。目前的铜、铝输　

电线路会耗费１５　的电能，仅在中国每年的电力　

损失即以千亿度计，相当于新建十几个火力发电　

厂。在低碳环保日益成为社会发展主流的今天，　

超导材料的研究显得越发重要和意义非凡。　

４生物无机化学　

生物无机化学又称无机生物化学，是无机化　

学、生物、医学等多种学科的交叉领域。其研究对　

象是生物体内的金属（和少数非金属）元素及其化　

合物，特别是痕量金属元素和生物大分子配体形　

成的生物配合物，如各种金属酶、金属蛋白等。生　第２４卷第２期　２０１１年４月　高等函授学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｉｇｈｅｒ　Ｃｏｒｒｅｓｐ０ｎｄｅｎｃｅ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）　Ｖｏ１．２４　ＮＯ．２　２Ｏ１１　

物无机化学的本质是应用无机化学的理论原理和　

实验方法研究生物体中无机金属离子的行为，阐　

明金属离子和生物大分子形成的配合物的结构与　

生物功能的关系；主要目的是研究如何应用这些　

原理和规律为人类利益服务。生物无机化学的产　

生和发展差不多经历了半个世纪，而作为一个独　

立学科的建立，却是近４０年的事情，通常人们把　

国际期刊Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ　Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ的创　

立（１９７１年）作为标志。　金属酶中金属原子常是活性中心的组成部　

分，如羧肽酶和碳酸酐酶都是锌酶，前者能催化肽　

和蛋白质分子羧端氨基酸的水解，后者能催化体　

内代谢产生的二氧化碳的水合反应。一系列的金　

属酶还含其他金属离子，许多氧化还原酶含价态可　

变的铁、铜、钼、钴等过渡金属元素，如固氮酶是含　铁、钼原子的酶，由铁蛋白和铁钼蛋白组成，在生物　

体中能催化氮合成氨的反应。其他如金属蛋白、叶　

绿素、离子载体等都是生物无机化学研究的内容。　

在实际教学中，生物无机化学的前沿知识可　

以在配位键和配位化合物中引述，因为大多数的　

生物无机化合物都是金属配合物。介绍这方面的　

知识不仅可以加深学生对配位键的理解，而且对　

于配合物在现实生活中的应用会有更为直接和感　

性的认识，有利于引发学生的好奇心和求知欲。　

５富勒烯化学　

除金刚石、石墨外，科学家们又发现了以新的　

单质形态存在的碳单质一富勒烯，其中比较重要　

的Ｃ　。。Ｃ　。是一种由６０个碳原子构成的分子，形　

似足球，由１２个五边形和２Ｏ个六边形组成。其　

中，每个碳原子以ｓｐ　杂化轨道与相邻的三个碳　

原子相连，剩余的未参加杂化的一个Ｐ轨道在Ｃ。。　

球壳的外围和内腔形成球面大Ⅱ键，从而具有芳　

香性。由于是受到了建筑学家富勒的启发而提出　

的Ｃ６。结构，所以用他的名字Ｂｕｃｋｍｉｎｓｔｅｒ－　

ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ来命名ｃ　。，后来又将包括ｃ　。在内的所　

有含偶数个碳所形成的分子通称为Ｆｕｌｌｅｒ，中译　

名为富勒烯［７］。目前，科学家们已经基本明确富　

勒烯的形成机理，并合成分离了小至Ｃ２。、大至　

Ｃ　。的富勒烯。作为该领域的权威专家，中科院　

化学所王春儒研究员表示：“诸多异乎寻常的性　

能，使富勒烯对化学、物理、材料、医药、微电子等　领域产生了深远影响，在应用方面显示出诱人前　

景　”现在富勒烯已在电子器件、功能塑料、电解质　

和医药等方面得到实际应用，不久之后还将诞生　

非金属电缆、非金属电路板等富勒烯产品。　

事实上，在富勒烯之后还有两种结构的碳材　

料引起了世界范围内的高度关注，即碳纳米管和　

石墨烯。１９９１年日本ＮＥＣ公司电镜专家饭岛澄　

男（Ｉｉｊｉｍａ）在高分辨透射电子显微镜下意发现了　

碳纳米管。碳纳米管具有典型的层状中空结构