吴国庆化学基本概念新进展

某些化学基本概念的新进展2007年10月30日黄山吴国庆[e-mail]子曰：“知之者不如好之者，好之者不好乐之者。”译文——孔子说：“懂得某种学问比不上喜爱它，喜爱它不如把研究这种学问作为快乐。”最近新闻•硝酸在水的表面是弱酸！2007年度诺贝尔化学奖固体表面化学研究GerhardErtlSurfacechemistrypioneer格哈德•埃特尔，1936年出生于德国的巴特坎施塔特，1965年从慕尼黑技术大学获得化学博士学位，是柏林马普学会弗里茨-哈伯研究所的名誉教授。自1988年以来第一位获奖德国人2007年10月10日“应该永不放弃，尽可能解决问题”。“你必须有耐心，那是非常重要的。”——Ertl•表面化学应用•1.清洗铂金表面的碳氧化物。2.空调系统中的氟利昂，通过小冰晶体表面化学反应破坏臭氧层。3.金属表面暴露在氧气中时生锈。4.电子工业中，制作半导体元件。5.人造肥料中所含的氨，是通过氮和氢在金属（如教科书中提到的铂铑合金网）表面生成。化学的定义•化学是研究物质的组成、结构、性质和变化的一门自然科学。从定性向定量、从宏观向微观、从描述性向推理性•化学是研究分子层次以及以超分子为代表的分子以上层次的化学物质的组成、结构、性质和变化的科学。•化学是一门研究分子和超分子层次的化学物种的组成、结构、性质和变化的自然科学。•系统的观察和实验是科学不同于其他人类活动最本质的特征。21世纪的化学是一门实验与理论互相推动并驾齐驱的科学。•概而言之，化学研究包括对化学物质的（1）分类；（2）合成；（3）反应；（4）分离；（5）表征；（6）设计；（7）性质；（8）结构；（9）应用以及（10）它们的关系。《无机化学》第四版（2002）超原子superatom什么是超原子(superatom)？•同种原子形成的原子簇像一个原子一样跟其他原子结合。•典型例子：Al13I://=2005超原子的周期表元素进化宇宙的历史——元素之生大爆炸后诞生那些轻核素？恒星中诞生哪些核素？•比铁更重的元素是在质量超过8M的红巨星（s过程）和超新星爆炸过程（所有过程）合成的，有中子、质子俘获反应（s过程、r过程和p过程）以及散裂反应（x过程）：•中子、质子俘获合成重元素•*s过程115In(n,)116In…209Bis是slow的缩写•*r过程254Cfr是rapid的缩写•*p过程116Sn(,n)115Sn;112Ca(p,)113Inp是质子•散裂反应(x过程)合成轻元素Li、Be、B。人造元素2006年IUPAC周期表(部分)11811611411211311524998Cf+4820Ca→294118Uuo+31n294118Uuo→290116Uuh+42He(1.29milliseconds)290116Uuh→286114Uuq+42He(14.4milliseconds)286114Uuq→282112Uub+42He(230milliseconds)24395Am+4820Ca→287115Uup+41n24395Am+4820Ca→288115Uup+31n同位素总数已知核素知多少？已知核素总数5000其中稳定核素200•TheIsoSpinLaboratorycouldhelpexpandthenumberofdifferentatomicnucleiavailableforstudyandpossibleexploitationfromapproximately270tomorethan5,000,creatinganentirelynewfieldofnuclearphysics.Thechartshowsallknownelementsandisotopesbetweenhydrogenanduranium.Thenumberofprotonsisplottedontheverticalaxis,neutronsareplottedhorizontally.Everyisotopehasauniquenumberofprotonsandneutrons.Theblacksolidboxesrepresenttheabout200stableistotopesfoundinnature;manyofwhichhavebeenacceleratedintheSuperHILAC,88-inchCyclotron,andtheBevelac.TheproposedIsoSpinLaboratorywillalsoacceleratetheradioactiveisotopesshownincolorandincreasethenumberofavailablebeamstoabout2000.化学物质知多少？TheLatestCASRegistryNumber®andSubstanceCountDate10/18/200708:52:15ESTCount32,792,050organicandinorganicsubstances2007年10月18日美国化学会最新登记数总计32,792,050有机和无机物质网站：®15,990,126商业可买到的化学品Commerciallyavailablechemicals合金配位化合物矿物混合物聚合物（高分子）盐类AlloysCoordinationcompoundsMineralsMixturesPolymersSaltsUpdateddailywithapproximately12,000newsubstancerecords化学平衡在什么情形下达成？•温度一定。•封闭体系。•体系的微粒数必须足够多。血液pH=7.4是缓冲溶液导致的吗？以下图形是晶系的图形吗？立方四方正交单斜三斜六方菱方晶体学国际表2002年版定义为latticesystem建议译为点阵系或者晶胞系Latticetype≠latticesystemLatticetype≠crystalsystem晶胞是最小单元吗？什么叫正当晶胞•举例：MCl2层型晶体分子结构的认识顺序的探讨•1。分子的组成和分子式。•2。分子的中心原子的确定。•3。共价键的基本类型。共用电子对。π键和σ键。•4。化合价的概念。•5。分子的立体结构——VSEPR。•6。杂化理论。•7。大Π键。•8。分子间的作用。•9。结构式的问题。•10。分子轨道理论。VSEPR是不需要结构式的分子立体结构的判定（价层电子对互斥模型VSEPR）中心原子没有孤对电子时，VSEPR模型=分子立体结构模型中心原子有孤对电子时，VSEPR模型≠分子立体结构模型价层电子对的定义——中心原子周围的σ-轨道的电子对数确定中心原子的孤对电子数是建立VSEPR的关键•中心原子的总电子数•第七主族(F、Cl、Br、I）7e•第六主族(O、S、Se、Te）6e•第五主族（N、P、As、Sb、Bi)5e•第四主族（C、Si、Ge、Sn、Pb)4e•第三主族（B、Al、Ga、In、Tl)3e•第二主族（Be、Mg、Ca···）2e•正或负离子要减去或加上离子电荷绝对值。•中心原子与端位原子键合需要的电子数•端位原子H1X1O2N3P3C4总之=8-族序数=族序数中心原子上的孤对电子数的确定•1。中心原子的价电子总数=中心原子族序数•2。中心原子与一个端位原子形成共价键用去的电子数=8-端位原子族序数（H=1例外)•3。若是负离子，在中心原子价电子总数上加负电荷数•4。若是正离子，在中心原子价电子总数上减正电荷数•5。剩余的电子数除二等于中心原子上的孤电子对数举例：SO3SO2O3N3-H3O+CO32-SO42-杂化轨道模型•VSEPRAY2AY3AY4•杂化轨道spsp2sp3•C:\fromWU\原子轨道晶体结构ppt的动画\杂化轨道flash动画.swf•AY3有AX3EoAX2E1•例CH2OSO3CO32-SO2O3NO2•AY4有AX4EoAX3E1AX2E2•例CH4NH4+SO42-NH3SO32-H3O+H2O分子间作用的多样性C-H·····π•ThecasesinwhichC-H...πinteractionshavebeendescribedinproteinsincludetheformationofcomplexesofproteinswithligandsorcofactorssuchasthehemegroup(Nishioetal.1998)anddesignofserineproteasesinhibitors(Shimohigashietal.1996,1999).PreviousstudieshavealsoshownthatC-H...πinteractionsareevenresponsibleforthestabilizationofstructuralelementssuchasalphaor310helicesornon-prolinecispeptidebonds(Brandletal.,2001).π-π相互作用化学是一门中心科学•1.化学是一门承上启下的中心科学，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（建材、家具）、行（汽车、道路）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（sunrisesciences)都有紧密的联系、交叉和渗透的中心科学。•=qrl321世纪化学四大难题•如何建立精确有效而又普遍适用的化学反应的含时多体量子理论和统计理论？•如何确立结构和性能的定量关系？•如何揭示生命现象的化学机理？•如何揭示纳米尺度的基本规律。稿源：科学时报第一个世纪难题首先要研究的问题•(1)充分了解若干个重要的典型的化学反应的机理，以便设计最好的催化剂，实现在最温和的条件进行反应，控制反应的方向和手性，发现新的反应类型，新的反应试剂。•(2)在搞清楚光合作用和生物固氮机理的基础上，设计催化剂和反应途径，以便打断CO2,N2等稳定分子中的惰性化学键。•(3)研究其它各种酶催化反应的机理。酶对化学反应的加速可达100亿倍，专一性达100%。如何模拟天然酶，制造人工催化剂，是化学家面临的重大难题。•(4)充分了解分子的电子、振动、转动能级，用特定频率的光脉冲来打断选定的化学键——选键化学的理论和实验技术。第二个世纪难题首先要研究的问题•(1)分子和分子间的非共价键的相互作用的本质和规律。•(2)超分子结构的类型，生成和调控的规律。•(3)给体-受体作用原理。•(4)进一步完善原子价和化学键理论，特别是无机化学中的共价问题。•(5)生物大分子的一级结构如何决定高级结构？高级结构又如何决定生物和生理活性？•(6)分子自由基的稳定性和结构的关系。•(7)掺杂晶体的结构和性能的关系。•(8)各种维数的空腔结构和复杂分子