无机化学-教案-中南大学

1 绪 论 主要内容： 化学的定义与分类 无机化学的研究对象与新进展 重点难点： 化学的近代概念与相邻学科的关系 无机化学的新近展 教学目的： 了解化学学科的概貌 了解无机化学的研究对象 授课学时：0.5学时 具体讲解内容： 什么是化学？化学是一门什么样的学科？我们学化学能学到什么东西？这是我们首先要清楚的。 什么是化学？ 化学是研究物质的组成、结构、性质以及变化规律的科学。 无机化学：研究无机物质的组成、性质、结构和变化规律的科学，它是化学中最古老的分支学科。 无机物质包括了除有机化合物以外的所有化学元素及其化合物，因此无机化学的研究范围及其广泛。 化学是一门什么样的学科？ 化学首先是一门实验学科，然后才是一门理论学科。要学好化学毫无疑问应该要首先注意实验和生活中的化学。 化学实验是化学科学赖以生存和发展的基础。对于学生来说实验是获取化学经验知识和检验化学知识的重要内容和途径。没有一个对实验的认真的态度是无法做好实验的，而做不好实验则会影响你化学的学习。 化学理论的学习其实就是一句话：专心一点，多问、多想。 化学原理：定义，公式，多做，总结；化学理论：理论发展，物理概念，物理图像，抽象思维；元素化学：反复记忆，对比，总结，原理解释。 我们学化学能学到什么东西？ 如果把化学只定位在学习上那是错误的，化学本身就是一种生活，是一种方法论。当你真正喜欢化学的时候你会发现它是多么的有趣。如果你真正的陷进化学中去了，你会情不自禁地运用化学思维。 什么是化学思维呢？就是你看待世界的角度是用化学的情绪去观察。比如在某地发现了一种矿泉水，商人首先想到的是如何来赚钱；学地理的首先想到的是矿泉水是来自哪个岩层；生物学家想到的是矿泉水里面有哪种菌类；而化学家想的的是里面有哪些元素。以镜子为例，学英语的会想到mirror这个单词；学物理的想到它成的是一个等大正立的虚象；学化学的则想到镜子是银镜反应，该原理可用于工业制镜，制保温瓶胆。 2

化学的思维也是一个发展的和联系的过程。化学更关心的是物质的内部组成和结构，以及组成和性质的关系。用化学的角度去看待物质世界，主要是从分子的角度去看待这个世界。因此在化学的引导下你会深入到眼睛看不到，手模不到的微观世界，深入到分子、原子的层次去认识自然的奥秘。要达到这个层次，你需要一个扩大了的感觉，需要一些感觉的延伸，需要应用各种仪器和方法。其实原子结构本身就是通过仪器和推论得出来的。 化学也在改变着我们的生活，进入我们的下意识里面。我们穿的衣服，我们用的物品都是经过一个化学过程，都是离不开化学的。

三 无机化学的发展历史 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. 并且, 许多基于无机化学方面的工作, 导致化学基础理论的形成. 最基础的理论之一是物质的量的计算。可以通过不同的途径合成出组成相同的化合物, 如氧化物的制备途径: (1)金属在空气中加热; (2) 碳酸盐加热分解; (3) 从溶液中沉淀得到氢氧化物, 加热脱水等。在以上系列变化中, 不管途径如何, 得到产物的分子式不变, 要符合Dalton原子理论的"组成恒定"法则. 而且, 在各变化过程中, 可以准确计算各物质的量。 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. 如: 1800年左右, 人们经过探索研究, 发现了 NCl3 的强爆炸性质和HF的强腐蚀性. 而那时, 尽管牛奶和血液研究被普遍重视, 直至1820年, 也只有少数的有机化合物为人们所知, 更谈不上有机化学理论的发展了。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。随后, 元素周期表形成, 放射化学开展, 非水溶剂和过渡金属化合物研究等, 标志着现代无机化学阶段的开始。1930年, 现代无机化学成为人们新的研究热点. 典型的代表研究为: Stock等: 乙硼烷的氢桥键(变形的价键理论); 硅的研究 Werner等: 过渡金属配合物化学 Karus 等: 非水溶剂, 放射化学 同时, 发展了现代无机化学的理论, 并应用于解决化学中的疑难问题, 这些理论包括: 建立于波动性质之上的基本粒子发现和原子结构, 衍生出现代无机化学的价键理论和分子结构理论; 以及过渡金属配合物中的晶体场理论等。 四 无机化学的近代发展 以上研究奠定了现代无机化学的基础, 并拓宽了现代无机化学的领域. 鉴于人们对于理论和实验科学体系的研究要求和新材料的生产应用需求, 以及对从前研究甚少的元素性质的了解渴望, 刺激无机化学研究进入了一个崭新的时代(近代发展始于1950年).此时, 对于原子能量的研究, 集中于重过渡金属元素和镧系元素(发现了 Zr 和 Hf 的化学性质的相似性和中子吸收性质的不同);电子工业和随之而来的计算机行业的发展, 促进了为人鲜知的半导体材料(Ga, Ge, 3

In和Se)的发展;另外一个显著特点是, 在相关行业中造就了大批人才, 包括科学家和技术人员。 在过去的近50年中, 人们对于新方法, 新理论, 新领域(如金属在生物体系的发展), 新材料, 新催化剂, 高产出和低污染等的追求, 强力促进了无机化学的发展.以致于在周期表中非稳定的Tc 也被发现可用于医药之中. 除了特别不稳定的元素, 人们的追求遍布了整个周期表中的每一种元素, 这些元素的性质均有据可查。 随着无机化学的迅速发展, 它也成为人们所感兴趣的学习和工作的学科. 但并未能解决所有学生提出的问题, 而且, 编写的教科书在出版之际, 其中的一些数据就和理论就已经过时了. 如此, 要求学科的内容随着新的发现而不断改进。 如: "惰性气体"的概念已经为人们普遍接受. 随着1962年第一个氙的化合物的出现, 引起轰动, 以致于在两年之内, 有接近上百篇文章进行此方面的报道, 同时, 将"惰性气体"的改为"稀有气体"。超导体临界温度从5K提高到23K的过程是十分漫长的. 另一个激动人心的例子, 是1986年临界温度为40K的超导体的报道. 在临界温度以下, 超导体的电阻为零. 这种超导体的是一种复合氧化物, 含有铜, 稀土和碱土元素. 高温超导体引起轰动的原因是它本身有望应用于各种电器设备. 高温超导体的组成为YBa2Cu3O7-x, x 约为0.1。1990年, 发现了碳60(利用石墨电极, 高温电弧放电, 形成含有C60的混合物, 分离得到纯产物), 围绕着它的发现, 人们对合成方法进行了大量研究, 之后, 又有大量有关利用C60为原料进行合成的报道。 以上的例子说明, 促进学科发展的因素为纯科学研究和应用性研究. 这些研究均以前人的知识为基础. 无机化学是基于元素周期表而建立起来的系统化学. 因此, 学习无机化学, 必须牢固掌握基础知识, 同时, 要了解学科的发展动态. 这一点对于任何学科的学习都适用。 化学的近代史是从1774年拉瓦锡（Lavosier）提出元素概念结束燃素论后，道尔顿（Dalton）于1803年提出原子学说，使化学进入了持续至今以原子论为主线的新时期。化学进入近代化学时期后，最基本的理论是原子分子理论，不同元素代表不同原子；分子是由原子在空间按一定方式或结构结合而成；分子的结构直接决定其性能；分子进一步形成聚集物。 化学是研究原子、分子片、结构单元、高分子、原子分子团簇、超分子、生物大分子、分子和原子的各种不同维数、不同尺度和不同复杂程度的聚集态和组装态，直到分子材料、分子器件和分子机器的合成和反应，制备、剪裁和组装，分离和分析，结构和构象，粒度和形貌，物理和化学性能，生理和生物活性及其输运和调控的作用机制，以及上述各方面的规律，相互关系和应用的一门自然科学。 与物理不同的是，化学主要研究： （1）物质（substance）的组成和结构及其性能与组成和结构的关系；（2）物质的组成和结构变化（化学变化或化学反应）以及伴随这些变化的效应。 4

物理则主要探讨： （1）物体与其组成无关的特性以及物质无需联系其组成和结构的一般性质；（2）并不改变其组成和结构的变化（物理变化）。 化学是在原子水平上研究物质的组成、结构和性能以及相互转化的学科。在称为化学反应的转化中，原子相互结合的方式或结构是要改变的。从天然资源中制取，物质一般要通过化学反应与分离过程相结合的化学过程，普遍地进行于包括生物界在内的大自然中。能源工业在很大程度上也有赖于化学过程。 化学作为一门核心、实用、创造性科学，已经为人类认识物质世界和人类的文明进步做出了巨大的贡献。面对生命科学、材料科学、信息科学等其它学科迅猛发展的挑战和人类对认识和改造自然提出的新要求，化学在不断开拓新的研究领域和思路的同时，不断地创造出新的物质以满足人民的物质文化生活，造福人类。在这100年中，在《美国化学文摘》上登录的天然和人工合成的分子和化合物的数目已从1900年的55万种，增加到1999年底的2340万种。 没有别的科学能象化学那样制造出如此众多的新分子、新物质。 当前，资源的有效开发利用、环境保护与治理、社会和经济的可持续发展、能源问题、生命科学、人口与健康和人类安全、高新材料的开发和应用等向化学科学工作者提出一系列重大的挑战性难题，迫切需要化学家在更深更高层次上进行化学的基础和应用基础研究，发现和创造出新的理论、方法和手段，并从学科自身发展和为国家目标服务两个方面不断提出新的思路和战略设想，以适应21世纪科学发展的需求。 从1828年到这世纪的90年代的60余年中，无机化学、有机化学、物理化学三个学科皆有长足的进展。无机化学家发现了20多种新元素，合成了大量的已知元素的各种各样的化合物，确立了定比定律（1860年），并提出了以O=16为基准的元素原子量，创立了近代自然科学基石之一的元素周期律，奠定了配位化学的基础（Werner，1893年）。拿美国来说，无机化学已成为化学研究生的热门专业，在美国化学历届年会上宣读的论文数最多的常是无机化学。较能反映这种情况的是各国无机化学及其分支学科的学报的创办与发行。 拿美国来说，无机化学已成为化学研究生的热门专业，在美国化学历届年会上宣读的论文数最多的常是无机化学。较能反映这种情况的是各国无机化学及其分支学科的学报的创办与发行。 无机化学学报最早创办的是1892年德国《无机和普通化学学报》，然后到1995年才出现英国的《无机及核化学学报》和1956年苏联德《无机化学学报》，期间相隔60多年之久。到二十世纪60年代，继英、苏之后，美（1962年）、法（1964年）、瑞士（1967年）等国无机化学报均争相问世。