结构化学课件0.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,结构化学,是以量子力学为基础，联系无机化学，有机化学实验事实讨论原子，分子化学键理论的一门科学，本课程供大学师范类院校化学类专业作本科基础课教材，也可作材料、化工、生物化学等专业使用，还可供从事与化学、化工有关类别工作人员作参考。,学习本课程需具备,高等数学、大学物理、线性代数、无机化学、有机化学,等课程基础。,结构化学是以量子力学理论为基础，联系无机化学、有机化学等大量实验事实讨论原子、分子化学键理论的一门学科。,结构化学,-,课程介绍,本课程阐述原子间以什么样的结合力形成分子、原子的组成及连接方式是怎样决定分子的几何构型，并表现出独特的物理与化学性质，使读者了解,“结构决定性能，性能反映结构”,，从而建立起“结构-性能-应用”的渠道。,课程内容包含量子力学基础知识，原子结构理论、多原子分子结构及研究它们的,HMO,方法，晶体点阵结构及,X,射线衍射，金属结构及性质，离子化合物的结构与性质。,物质结构（结构化学）,是在原子、分子水平上，深入到电子层次，研究物质的微观结构及其宏观性能关系的科学。其内容涉及用量子力学原理与方法研究化学问题，进而建立物质结构理论；提出与创造结构分析方法；剖析以生物在分子为主的复杂物质的结构。这一门课我们采用的是北京大学出版社出版的,结构化学基础,一书。这本书是北京大学化学院结构化学（即物质结构）基础教材。内容主要包括：,结构化学,-,内容提要,课程简介,量子力学基础知识、原子的结构和性质、分子的结构和性质、化学键理论、晶体化学、研究结构的实验方法等。,结构化学,是一门直接应用多种近代实验手段测定分子静态、动态结构和静态、动态性能的实验科学。它要从各种已知化学物质的分子构型和运动特征中，归纳出物质结构的规律性；还要从理论上说明为什么原子会结合成为分子，为什么原子按一定的量的关系结合成为数目众多的、形形色色的分子，以及在分子中原子相互结合的各种作用力方式，和分子中原子相对位置的立体化学特征；结构化学还要说明某种元素的原子或某种基团在不同的微观化学环境中的价态、电子组态、配位特点等结构特征。,结构化学,是在原子、分子水平上研究物质分子构型与组成的相互关系，以及结构和各种运动的相互影响的化学分支学科。它是阐述物质的微观结构与其宏观性能的相互关系的基础学科。,另一方面，从结构化学的角度还能阐明物质的各种宏观化学性能，和各种宏观非化学性能与微观结构之间的关系及其规律性。在这个基础上就有可能不断地运用已知的规律性，设法合成出具有更新颖、结构特点更不寻常的新物质，在化学键理论和实验化学相结合的过程中创立新的结构化学理论。与此同时，还要不断地努力建立新的阐明物质微观结构的物理的和化学的实验方法。,与其他的化学分支一样，结构化学一般从宏观到微观、从静态到动态、从定性到定量按各种不同层次来认识客观的化学物质。演绎和归纳仍是结构化学研究的基本思维方法。,早期的有关物质化学结构的知识可以说是来自对于物质的元素组成和化学性质的研究。当时人们对化学物质，只能从对物质组成的规律性认识，诸如定比定律、倍比定律等加以概括。随着化学反应当量的测定，人们提出了“化合价”的概念并用以说明物质组成的规律。那时，对于原子化合成分子的成因以及原子在分子中的排布方式可以说是一无所知。,结构化学,的产生与有机物分子组成的研究密切相关。有机化学发展的初期，人们总结出许多系列有机物分子中碳原子呈四面体化合价的规律。为解释有机物组成的多样性，人们提出了碳链结构及碳链的键饱和性理论。随后的有机物同分异构现象、有机官能团结构和旋光异构现象等研究，也为早期的结构化学研究提供有力的实验证据，促使化学家从立体构型的角度去理解物质的化学组成和化学性质，并从中总结出一些有关物质化学结构的规律性，为近代的结构化学的产生打下了基础。,近代实验物理方法的发展和应用，为结构化学提供了各种测定物质微观结构的实验方法；量子力学理论的建立和应用又为描述分子中电子和原子核运动状态提供了理论基础。有关原子结构特别是原子中电子壳层的结构以及内力、外力引起运动变化的理论，确立了原子间相互作用力的本质，也就从理论上阐明了化学键的本质，使人们对已提出的高子键、共价键和配位键加深了理解有关杂化轨道的概念，也为众多化合物的空间构型作出了合理的阐明甚至预测。,近代测定物质微观结构的实验物理方法的建立，对于结构化学的发展起了决定性的推动作用。,X,射线衍射方法和原理上相当类似的中子衍射、电子衍射等方法的发现与发展，大大地丰富了人们对物质分子中原子空间排布的认识，并提供了数以十万种计的晶体和分子结构的可靠结构数据。此外，通过晶体衍射的研究，使人们能够从分子和晶体结构的角度说明这些物质在晶态下的物理性质。,另一类测定结构的方法是谱学方法。谱学方法在提供关于分子能级和运动的信息，尤其是更精细的和动态的结构信息方面起着重要的作用。如分子振动光谱是鉴定物质分子的构成基团的迅速和有力的工具。因而被称为化学物质的“指纹”，与电子计算机高速信息处理功能结合起来，人们已能通过计算机的检索和识别很快地查明未知物样品的分子结构。红外喇曼光谱的理论处理，还能提供有关振动力常数等有关化学键特征的一些数据。其他谱学法有：核磁共振谱、顺磁共振诺、电子能谱、质谱、穆斯堡尔谱学、可见紫外光谱、旋光谱、圆二色性谱以及扩展,X,射线吸收精细结构等。,物质的某些物理常数的测定，也能提供有关分子结构的某些整体信息，如磁化率、折射率和介电常数的测定等。此外，高放大率、高分辨率的电子显微镜还能提供有关物质表面的结构化学信息，甚至已能提供某些分子的结构形象。,量子化学是近代结构化学的主要理论基础。量子化学中的价键理论、分子轨道理论以及配位场理论等，不但能用来阐明物质分子构成和原子的空间排布等特征，而且还用来阐明微观结构和宏观性能之间的联系。由于量子化学计算方法的发展和逐步提高完善，加上高速电子计算机的应用，有关分子及其不同聚集状态的量子化学方法已有可能用于特殊材料的“分子设计”和制备方法的探索，把结构化学理论推向新的高度。,当今结构化学主要研究新构型化合物的结构化学，尤其是原子簇结构化学和金属有机化合物。这一类研究涉及“化学模拟生物固氮”等在理论研究上极其重要的课题，以及寻找新型高效的工业催化剂等与工农业生产息息相关的应用研究课题。,稀土元素的结构化学与中国丰富的稀土元素资源的综合利用的关系非常密切。有关的研究对于中国稀土工业的发展具有重要的意义。,表面结构和表面化学反应的研究与工业生产上的非均相催化反应关系极为密切，有关的研究对于工业催化剂，尤其是合成氨等工业生产用的新型催化剂的研制具有理论指导的作用。,激光光谱学和激光化学的研究，对于快速动态结构和快速化学反应动态过程等研究方法的建立有着深远的影响，并且可能导致新的结构化学研究手段的建立。激光作用下的化学反应过程更具有独特之处。,结构化学的信息工程的研究能充分利用电子计算机的高速、高效率，充分发挥结构化学数据库的作用，对于新的半经验理论和新的结构化学理论的提出将有重大的影响。有关方法的建立将对于“分子设计”的实现起着重要的作用。,目前，结构化学已成为一门不但与其他化学学科联系密切，而且与生物科学、地质科学、材料科学等各学科的研究相互关联、相互配合、相互促进。由于许多与物质结构有关的化学数据库的建立，结构化学也越来越被农学家和化工工程师所重视。,诸言,-,结构化学的内容，方法,动态结构：,化学反应之时，结构随时间而变化。,从一静态结构到另一静态结构，如中,间产物，过渡态，激发态,结构化学：,是研究原子、分子和晶体的微观结构，研究原子、分子中电子的运动规律，研究物质的微观结构和宏观性能之间关系的一门科学。,结 构：,几何结构和电子结构。,结 构：,静态结构和动态结构。,静态结构：,稳定状态之时，结构不随时间而变化。,电子结构,主要是指描述电子运动规律的波函数，即原子轨道和分子轨道，通过轨道相互作用了解化学键的本质。,几何结构,主要是指分子或晶体中原子空间布排的立体结构。,结构化学的研究方法和学习方法,发 展 史：,1900 至今（简介之）,研究方法：,其一 演绎法，理论到实验。,其二 归纳法，实验到理论。,学习方法：,1.重视理论与实践之间的密切联系；,2.要学会用抽象思维和运用数学工具来处理问,题方法；,3.要恰当的运用类比，模拟，对比和其它方法；,4.要理论联系实际。,这里所指的结构和运动规律，涉及原子和分子层次的空间排布，涉及微观粒子所遵循的量子力学规律，它包括原子中电子的分布和能组合、分子的化学组成、分子的空间构型和构象、分子中电子的分布、化学键的性质和分子的能量状态、晶体中原子的空间排布、晶体的能量状态等内容。结构化学根据结构决定性能、性能反应结构的基本原则，探讨物质的结构与性能间的关系。,研究对象：,结构化学,是研究原子、分子和晶体的微观结构，研究原子和分子运动规律，研究物质的结构和性能关系的科学，是化学的一个重要分支。,很明显，物质的动态结构的研究要以研究静态结构所得成果为基础，其内容也比较复杂。本课程作为一门基础课将主要探讨物质的静态结构。,当我们研究的是处于稳定状态下物质的内部结构时，这种结构不随时间而变化，称之为,静态结构,。,如果我们要进而研究物质的化学反应是如何发生的，那就要研究反应物分子如何因相互作用而使其结构发生变化，从而使原来的静态结构转变为另一种新的静态结构。这种在化学反应过程中分子结构变化的过程就称之为,动态结构,。,研究物质结构主要采取两条途径：,其一,是以演绎的方法为主，即是从微观质点运动的普遍规律，即量子力学规律出发，先研究原子内电子运动的规律，其中包括电子和原子核以及电子之间相互作用的规律，由此推论原子的性质，特别要阐明元素周期律的本质。进而研究原子是如何组成分子或如何组成晶体的。为此，要探讨分子中电子在两个或多个原子核作用下以及相互作用下其运动的规律，由此探讨化学键的本质。,研究途径：,如要研究动态结构，还要研究在整个化学反应过程中电子状态如何随着原子核的相对运动而发生变化，并讨论这种变化如何制约着化学反应的进行。,其二,是以归纳为主的方法，主要用一些物理测试的手段，如,X,射线结构分析、原子光谱、分子光谱、电学及磁学性质的测定、核磁共振、电子自旋共振等方法来研究物质内部原子的排列及运动状况、原子和分子中电子的运动状态等。,当对很多个别具体对象进行测量后，再总结成规律。当然这些测试方法的原理，也是以量子理论为基础的。其中有一种称做原子参数图示方法或键参数函数方法，可以总结出对冶金、化工等科学技术上有实际意义的规律。这些规律对于发展化学健理论也有其价值。,两条途径中，前者主要是,量子化学,的主要内容，后者主要是,物理测试,方法等的内容。当然这两部分内容彼此间还是有密切联系的。前者的基本理论都是来源于实践，在由实践总结成基本理论时，归纳法也起了很重要的作用。后者又依靠前者作为理论基础，在由基本理论指导新实验技术的建立和发展时，演绎法也有重要的作用。,“物质结构”这门学科是在十九世纪末叶逐步发展起来的。当时由于生产力的不断提高，实验技术有了很大的发展。有一些物理学家观察到许多现象，用当时已经非常成熟、理论体系已经非常完整的经典物理学理论无法加以说明，甚或与其推论完全相反。最主要的发现有：电子的发现、元素的天然放射现象的发现、黑体辐射现象的规律的发现等。这就迫使人们对经典物理学的体系提出革命性的见解，并逐步发展新的理论体系。,1900年普朗克,(,M.Planck),提出量子论，是在微观领域内对经典物理学第一次强有力的冲击，且为以后量子力学理论的建立作了良好开端。,发展简史：,1905年,爱因斯坦（,A.Einstein）,提出相对论，在高速运动的物体的力学方面对经典力学提出重要修正与补充。过后他又在量子论和相对论基础上以光电现象作为实验基础，提出光的量子论，把对微观世界物质运动的规律的研究又推进了一大步。,1913年,玻尔(,N.Bohr),则把他们的理论与卢瑟福(,E.Rutherford),的原子有核模型巧妙地结合起来，第一次提出原子结构的量子理论，首次提出原子内部电子运动状况具有不连续性即量子化特性的思想，又提出定态的概念，并成功地把氢原子光谱现象与氢原子内电子运动的定态相联系起来，为运用光谱现象研究原子的内部结构提供了理论基础与成功的经验。玻尔理论的发展，使化学键的电子理论得以建立，使得化学基础理论的发展进入一个新的阶段。,由于玻尔原子结构理论在进一步发展中遇到难以克服的困难，,1924年,法国青年物理学家德布罗意（,de,Broglie,）,用与光的量子论相类比的方法提出电子等微观质点的运动兼具波动性的见解，后来他的这一假说得到实验的证明，于是薛定谔（,Schrodinger,）、,海森堡(,Heisenberg,）、,狄拉克（,Dirac,）,等在这一假说的基础上有选择地吸取了经典物理学的光辉成就，建立了量子力学理论。从此物质的微观结构的研究就获得比较可靠而有效的理论基础。从,1927年,开始就诞生了量子化学这门新学科，种种物理测试方法进一步建立起来。这使得化学键的理论进一步得到发展，有力地推动了化学基础理论的研究。,目前，由于电子计算机的迅速发展，量子化学的比较严格较为精确的计算日益成为可能。同时各种物理测试的手段也得到突飞猛进的发展，特别是光电子能谱技术的兴起，以无可辩驳的实验事实直接证明了量子化学中所用单电子轨函模型的合理性，使理论计算与实验研究能更紧密地结合起来。可预见，化学的基础理论及实验方法都将有进一步的发展。在两个世纪内发展起来的传统的实验与理论紧密相结合的化学研究方法在吸收了量子化学理论方法及物理测试的实验方法后将如虎添翼，取得更加光辉的成就。,绪论,第一章 量子力学基础知识,第二章 原子的结构和性质,第三章 共价键和双原子分子的结构和性质,第四章 分子的对称性,第五章 多原子分子的结构和性质,第六章 配位化合物的结构和性质,第七章 次级键及超分子的结构化学,第八章 晶体的点阵结构和晶体的性质,第九章 金属的结构和性质,第十章 离子化合物的结构化学,课程内容,本课程为化学系各本科专业的一门重要基础课程，包括的各部分内容如下：,1要重视,理论与实践,之间的密切联系。,“,物质结构化学,”,虽是一门理论性比较强的学科，但它与其他学科一样，一切理论概念都是来源于实践，一切理论性的结论都要用实践来加以检验，,“,物质结构,”,在这一方面还有其特点，那就是理论与实验之间的关系往往不是很简单。对于实验数据往往要经过一系列的理论处理才能与现有的理论推论相比较。而理论往往也要根据具体条件作一番逻辑论证或数学运算才可得出可与实验相比较的结论。例如原子光谱与原子结构理论之间的关系就是如此。,在学习方法上应注意之点：,2,要努力学会应用,抽象思维,及,数学工具,处理问题。在处理理论与实验结果之间的关系时往往要运用逻辑推理与数学运算。在表达量子力学基本规律时也必要运用数学方法从量上表达各种因素所起的作用及其相互关系。这要求我们努力把物理概念和数学表达式密切地联系起来。此外，在由基本理论推得具体结论时也要运用数学方法，这时要密切注意,“,起始条件,”,和,“,边界条件,”,的具体意义，并要明确所得结果的物理意义。,在,“,物质结构,”,中，由于计算比较复杂的问题就要遇到难以克服的数学上的困难。这时往往采用一些简化的模型，突出地反映其中某一个因素或某几个因素所起的作用。对这些简化的模型进行理论计算，可得到一些新的概念和规律，我们就可运用这些概念和规律分析比较复杂的问题。我们要善于掌握所用模型的具体意义，特别要明确其所突出表现的因素，并适当地对其结果加以估价，并能与实验事实结合起来用来分析处理比较复杂的问题。,3,要能恰当,运用类比,的方法。我们既要密切注意微观现象与宏观现象之间具有本质的差异，也要注意其间可能有的密切的联系。我们往往可以利用这种联系运用类比的方法去认识微观现象的某些特点。例如微观质点的运动兼具微粒性与波动性，这是微型现象与宏观现象最基本的差异。但无论其微粒性这个侧面还是波动性这个侧面都与宏观的粒子运动及波动有相似之处。到目前为止，我们对微观质点的具体特点及其所表现波动性还认识得很不全面、很不具体。,我们就可利用类比的方法从宏观的粒子运动及波动的规律得到启发去掌握量子力学的基本概念、所用模型及某些数学运算的物理意义。当然，我们要注意，这种类比的逻辑根据是不够充分的，所得结果正确与否或其可靠程度均得由,实践来检验,。但是由于这种方法立足于已有知识基础之上，同时兼有启发思路、提供线索、举一反三、触类旁通的作用，因此常在获得科学新发现中起着重要的作用。,总之，在学习结构化学时，要重视从衍射法、光谱法和磁共振法等实验所得的实验数据以及新产品表现出来的性能，这是我们认识物质结构的第一性内容。一切要领和原理都来源于实践，而所得理论的正确性又要由初中来检验。要重视微观粒子运动所遵循的量子力学规律，掌握微观现象的特点，努力把物理概念数学表达式密切地联系起来。要重视,结构和性能,间的联系，了解各种物质具有其特性的结构根源，了解各种结构所必然出现的性能，了解理论的实际应用，加深对事物本质认识。学以致用，通过学习更有效地为祖国的建设服务。,本课程为化学系各本科专业的一门重要基础课程，其任务是使学生掌握微观物质运动的基本规律，获得原子、分子及晶体结构的基本理论、基础知识，了解物质的结构与性能关系，了解研究分子和晶体结构的近代物理方法的基本原理，加深对前修课程，如无机化学、有机化学等的有关内容的理解，为后课程的学习打下必要的基础；通过本课程的学习，培养学生能从物质结构与物质性质（性能）相互关系的基本规律出发，分析和解决问题。,教学大纲,结构化学教学大纲,一、本课程的目的和任务,本课程包括四部分的内容，各部分的内容和基本要求如下：,1,量子力学基础和原子结构,这部分内容在第一、二章中讲授。要求了解量子力学的基本假设，掌握氢原子的薛定谔方程及求解要点，提高对原子结构的认识，深入理解原子轨道的意义、性质和空间图象。了解多电子原子中心力场近似法及,He,原子的变分法处理，了解核外电子排布的依据，了解角动量的偶合及原子光谱的意义。,二、本课程的基本要求,这部分内容主要在第三、五、六及十章中讲授。要求重点掌握化学键的三个基本理论：分子轨道理论、价键理论和配位场理论。其中第三章要求了解线性变分法处理,H,2,+,和,H,2,，,了解共价键本质及典型的双原子分子的电子排布。第五章要求掌握价键理论在多原子分子结构中的应用，了解价电子对互斥理论，了解,SP,杂化轨道的组成及键角公式。掌握,HMO,方法及其在共轭分子中的应用，了解前线轨道理论，了解范德华引力等分子间作用力的本质第六章要求掌握配位场理论在配合物结构中的应用，以及,s-p,配键配合物和多原子,p,键配合物的结构。在第十章中了解非金属单质的结构，硼烷、氢的结构化学。,2,化学键理论和分子结构,3,点阵理论和晶体结构,。,这部分内容主要在第七、八、九章中讲授。要求掌握晶体周期性结构的特点及由此特点决定晶体的各种性质。了解单晶、多晶衍射法的基本原理，了解金属、离子化合物、分子化合物等各类晶体结构的基本型式及规律。,4,分子性质及测定分子和晶体结构的实验方法,。,这部分内容主要在第三、四、五及七章中讲授。要求根据分子的几何构型确定分子所属的点群，了解群的表示和特征标表的意义。了解偶极矩、磁化率与分子结构的关系。要求着重了解分子光谱、核磁共振谱、,X,射线衍射等方法所依据的基本原理，以及这些方法在测定结构中的作用和应用范围，为了解与掌握现代化学中的重要实验方法打下初步的基础。,绪论 结构化学课程的任务、内容和学习方法,第一章 量子力学基础知识,（课堂讲授6学时）,1 微观粒子的运动特征,2 量子力学基本假设,3 角动量本征方程及其解,4,箱中粒子的,Schrodinger,方程及其解,三、讲授大纲、实习内容及学时安排,本课程安排讲授51学时，附有,“,*,”,的内容不作要求。,第二章 原子的结构和性质,（课堂讲授8学时）,1 单电子原子的薛定谔方程及其解,2 量子数及其意义,3 波函数和电子云的图形,4 多电子原子的结构,5 元素周期表与元素周期性质,6 原子光谱,第三章 双原子分子的结构和性质,（课堂讲授6学时）,1,H,2,+,的结构和共价键的本质,2 分子轨道理论,3 同核双原子分子的结构,4 异核及双原子分子的结构,5,H,2,分子的结构和价键理论,6 分子光谱,7 光电子能谱,第四章 分子的对称性,（课堂讲授4学时）,1 对称操作和对称元素,2 对称操作群与对称元素的组合,3 分子的点群,4 分子的偶极矩和极化率,5 分子的对称性和旋光性,*6 群的表示,第五章 多原子分子的结构和性质,（课堂讲授8学时）,l,价电子对互斥理论,（,VSEPR）,2,杂化轨道理论和离域分子轨道理论,3 休克尔分子轨道法（,HMO,法）,4 离域键和共轭效应,5 分子轨道对称性和反应机理,6 硼烷及其有关化合物的结构,7 非金属元素的结构特征,8 共价键的键长和键能,第六章 配位化合物的结构和性质,（课堂讲授6学时）,l.,配位场理论要点,2.,-,配键与有关配合物的结,构和性质,3.原子簇化合物的结构与性质,*4 物质的磁性和磁共振,第七章,次级键及超分子结构化学,（课堂讲授0学时）,1.,键价和键的强度,2.氢的结构化学,3.,非氢键型次级键,4,范德华力和范德华半径,5,分子的形状和大小,6,超分子结构化学,第八章 晶体的点阵结构和晶体的性质,（课堂讲授6学时）,1 晶体结构的周期性和点阵,2 晶体的对称性,3 晶体的结构的表达和应用,4 晶体的点群和群符号,5 晶体的,X,射线衍射原理,第九章 金属的结构和性质,（课堂讲授2学时）,1 金属的性质和金属键,2 球的密堆积和金属单质的结构,3 合金的结构和性质,4,固体表面的结构和性质,5,准晶,6 非晶态合金,第十章 离子化合物的结构化学,（课堂讲授2学时）,1 离子键和点阵能,2 离子半径,3 离子配位多面体及其连接方式,4 若干典型离子化合物的结构,*5 硅酸盐的结构化学,1,周公度、段连运：,结构化学基础,，北京大学出版社，1996年，第二版。,2,徐光宪、王祥云：物质结构，高等教育出版社，1987年，第二版。,3,潘道皑、赵成大和郑载兴:物质结构，高等教育出版社，1989年，第二版,四、推荐教学参考书,4.,L.,Pauling,EB Wilson,陈洪生译，量子力学导论，科学出版社，,1964,5.,谢有畅，邰美成，结构化学，人民教育出版社,1983,6.,何福诚，朱正和，结构化学，高等教育出版社,1984,7.,张乾二，林连堂，王南钦，休克尔矩阵图形方法，科学出版社,1983,8.,Cotton,著：群论在化学中的应用，福建科技出版社,1999,9.,M,Karplus,&R.N.Porter:Atom Molecules,10.,U.M,ller,.Inorganic Structural Chemistry,Iohn Wilery,&Sons Ltd,1993,11.,M.Ladd.Introduction to physical chemistry 3rd Edition,Cambridge University Press,1998,12.,W.L.Bragg,Atomic Structure of minerals,13.,冯端等：金属物理学,(,第一册,),科学出版社,2000,14.,周公度:无机结构化学,科学出版社,1982,15.,L.,Pauling,著，卢嘉锡等译，化学键本质（第三版），上海科技出版社,1981,考试成绩分布,平时成绩(作业)：10%,期中成绩：2030%,期末成绩：6070%,考试题型,1.填空题（20分）,2.选择题（10分）,3.判断题（10分）,4.证明题（20分）,5.计算题（20分）,6,.概念题（20分）,现代物理化学是研究所有物质体系的化学行为的原理、规律和方法的学科。捅盖从微观到宏观对结构与性质的关系规律、化学过程机理及其控制的研究。它是化学以及在分子层次上研究物质变化的其他学科领域的理论基础。在物理化学发展过程中，逐步形成了若干分支学科：结构化学，化学热力学，化学动力学，液体界面化学，催化，电化学，量子化学等。20世纪的物理化学随着物理科学发展的总趋势偏重于微观的和理论的研究，取得不少起里程碑作用的成就，如化学键本质、分子间相互作用、分子结构的测定、表面形态与结构的精细观察等等。,21世纪物理化学的发展趋势,一.是宏观和介观研究应该加强；,二.是微观结构研究要由静态、稳态向动态、瞬态发展，包括反应机理研究中的过渡态问题，催化反应机理与微观反应动力学问题等；,三.是应该参与到复杂性研究中去，在物质体系中化学复杂性是直接关系人类生存与进步的，也是可以用实验方法研究的。总之，留给21世纪物理化学家的问题甚多。,目前看来有三个方面的问题,结构化学研究从单纯为了阐明分子结构已发展到研究物质的表面结构、内部结构、动态结构等。结构分析可借助于现代波谱技术和衍射分析来进行，最直接的测定是晶体结构分析，它可分为两类，即,x-,射线衍射分析和显微成像方法。能“看到”原于的原子层次分辨的各种显微技术将会给结构化学家提供有力的武器，来探索生物大分子、细胞、固体表面等的结构和变化。1982年诺贝尔化学奖得主,A.,Klug,开创了“晶体电子显微学”，并用于揭示核酸;蛋白质复合物的结构。这种三维重构技术使电子显微镜的视野从二维空间发展到三维空间。,1.结构化学,AM,Cormack,发明了,X-,射线断层诊断仪(,CT,),用于医学诊断，获得1979年诺贝尔生理学或医学奖。总之在结构化学领域随着分析仪器和测定精度的日新月异，新型结构分析仪器的不断推陈出新，结构化学在21世纪将会大展宏图。生物大分子的结构研究过去主要依赖,X-,晶体结构分析做静态研究。由于实际上它们都是在溶液中发挥功能，而且它们的结构是易变的，所以20世纪后期用核磁共振谱法研究大分子在溶液中的动态结构引起人们重视(,RErnst,1991,年诺贝尔化学奖)。催化剂研究推动了表面结构研究，用,STM,或,AFM,以及其他谱学方法研究催化表面的结构以及催化过程，也都有重要成果。,2化学热力学,这是物理化学中较早发展起来的一个学科。它用热力学原理研究物质体系中的化学现象和规律，根据物质体系的宏观可测性质和热力学函数关系来判断体系的稳定性、变化方向和变化的程度。1968年,L.,nsager,因研究不可逆过程热力学理论和1977年,I.,Prigogine,因创立非平衡热力学提出耗散结构理论而分别获得诺贝尔化学奖，这标志着非平衡态热力学研究取得了突破性的进展。热力学第一、二、三定律虽是现代物理化学的基础，但它们只能描述静止状态，在化学上只适用于可逆平衡态体系，而自然界所发生的大部分化学过程是不可逆过程。因此对于大自然发生的化学现象，应从非平衡态和不可逆过程来研究。21世纪的热点研究领域有生物热力学和热化学研究，如细胞生长过程的热化学研究、蛋白质的定点切割反应热力学研究、生物膜分子的热力学研究等；另外，非线性和非平衡态的化学热力学与化学统计学研究，分子分子体系的热化学研究(包括分子力场、分子与分子的相互作用)等也是重要方面。,3化学动力学,化学动力学是研究化学反应速率和机理的学科。其主要目的是阐明化学反应进行的条件对化学反应过程速率的影响，了解化学反应机理，探索物质结构与反应能之间的关联。20世纪化学动力学有两大突破：一是,N.,Semenov,的化学链式反应理论，获1956年诺贝尔化学奖；另一个是,D.R.,Herschbach,与李远哲的微观反应动力学的研究，发展了交叉束方法，并应用于化学反应研究，获1986年诺贝尔化学奖。再测是,A.H.,Zewail,用飞秒激光技术研究超快过程和过渡态。由于这一贡献，,Zewail,获1999年诺贝尔化学奖。化学动力学作为化学的基础研究学科将会在21世纪有新的发展，如利用分子束技术与激光相结合研究态态反应动力学，用立体化学动力学研究反应过程中反应物分子的大小、形状和空间取向对反应活性以及速率的影响，以及用飞秒激光研究化学反应和控制化学反应过程等。,4催化,催化剂是化学研究中的永久的主题。催化是自然界存在的促进化学反应速度的特殊作用，生物体内产生的化学反应均藉助于酶催化。生物催化如此定向、如此精确地进行着，至今人们还难于模拟酶催化反应。催化剂是一种加速化学反应而在其过程中自身不被消耗掉的物质，它可使化学反应速度增大几个到十几个数量级。只要有化学反应，就有如何加快反应速度的问题，就会有催化剂的研究。在化工生产(如石油化工、天然气化工、煤化工等)、能源、农业(光合作用)、生命科学、医药等领域均有催化剂的作用和贡献。,根据催化剂的物理和化学性质，可将其分为以下几类。,(1)多相催化 这类催化剂是固体材料如分子筛、金屑、金属氧化物、硫化物等。催化反应发生在固-气相的界面上，大部分化学工业流程均为多相催化，如合成氨、石油催化裂化等。,(2)均相催化 这类催化剂通常是含有金属的复杂分子，催化反应在气相或液相中进行，催化剂和反应物均溶解于气相或液相中，如烃烯聚合，茂金属催化等。,(3)光催化 吸收光能促进化学反应，如光合作用。,(4)电催化 利用化学方法使电极表面具有催化活性。,(5)酶催化和仿酶催化 酶在生物体内起着重要的催化作用，同时酶也可用于工业生产，如用酒曲造酒。酶是一种高分子量的蛋白质，天然酶的结构测定以及催化活性与机理研究是21世纪催化研究的前沿领域，也是一项十分复杂和棘手的工作，有待各个学科交叉(化学、物理和生物)配合研究和仪器与方法的创造。,模拟金属酶是模仿酶的活性中心，即模拟其中某些活性氨基酸与金属的配位设计合成配合物，形成配位催化，以简化和模仿酶催化过程。由于酶的结构十分复杂，搞清楚酶催化过程，决非短期研究能解决。但酶活性中心的结构信息引起人们的关注，企图仿照天然酶人工制造化学酶。这是设计和合成新催化剂的一个新途径。如不对称催化氢化的手性催化剂就是利用铑或钌的手性配合物，使脱氢氨基酸催化氢化成光学活性的,a-,氨基酸，其对映选择性与酶催化的结果可相比美。模拟酶催化领域在21世纪将会有重大突破。,在20世纪，尽管化学家们研制成功了无数种催化剂，并应用于工业生产。但对催化剂的奥妙所在，即作用原理和反应机理还是没有完全搞清楚。因此科学家们还不能完全随心所欲地设计某一特定反应高效催化剂，而要靠实验工作去探索，以比较多种催化剂的性能，筛选出较好的催化剂。所以研究催化剂及其催化过程的科学，还将进 一步深入和发展。用组合化学法快速筛选催化剂将是21世纪的重要研究课题。,5量子化学,20世纪量子力学和化学相结合，对化学键理论和物质结构的认识起着十分重要的作用，量子化学已经发展成为化学以及有关的其他学科在解释和预测分子结构和化学行为的通用手段。20世纪中量子化学曾经将化学带入一个新时代。在这个新时代里实验和理论能够共同协力探讨分子体系的性质。如从,1928年,L.C.,Pauling,提出的价键理论，,R.S.,Mulliken,的分子轨道理论，到,H.A.,Bethe,的配位场理论，,R.B.Woodward,和,R.Hoffmann,的分子轨道对称守恒原理，福井谦一的前线轨道理论，一直到1998年诺贝尔化学奖得主,WKohn,的电子密度泛函理论和,J.A.,Pople,的量子化学计算方法和模型化学(,Model Chemistry)。,这一发展过程整整化了70年的时间。纵观量子化学发展的历史过程，不难看出，只有量子力学基本原理和化学实验密切结合，量子化学的理论研究才能不断出现新的突破和开创新局面。现在根据量子化学计算可以进行分子的合理设计，如药物设计、材料设计、物性预测等。20世纪中有人预见以量子化学为基础可以解决和认识化学实验中的所有问题。但是目前尚未形成研究分子层次的统一的理论，对许多化学现象和问题还不能用统一的理论来归纳、理解和认识。如分子的平衡性质和非平衡态，反应的过渡态和反应途径，分子-分子体系的相互作用等，都有待于从化学实验结果提高到理性认识。能否出现化学的统一理论，将有待于化学家们的创造和努力。,Basics of Quantum Mechanics,Quantum Mechanics is the Foundation of Chemistry,The hierarchy of life:,Quantum Mechanics-Physics-Chemistry-Biology,Basics of Quantum Mechanics,Quantum Mechanics Explains the Structure of Atoms and Molecules,Quantum mechanics can explain the structure of atoms and molecules as well as how atoms can combine to form molecules.,Basics of Quantum Mechanics,Quantum Mechanics Explains How Molecules React,Quantum mechanics can explain how molecules react with each other,as well as how light interacts with matter at the molecular and atomic level.,Basics of Quantum Mechanics,Quantum Mechanical Basis of Atomic Structure,Dirac,s prophecy and simple atomic models.,谢谢！,