結(jié)構(gòu)化學(xué)課件
結(jié)構(gòu)化學(xué)簡(jiǎn)介
結(jié)構(gòu)化學(xué)是在原子- 分子水平上研究物質(zhì)分子構(gòu)型與組成的相互關(guān)系以及結(jié)構(gòu)和各種運(yùn)動(dòng)的相互影響的化學(xué)分支學(xué)科。它又是闡述物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)與其宏觀性能的相互關(guān)系的基礎(chǔ)學(xué)科。結(jié)構(gòu)化學(xué)不但與其他化學(xué)學(xué)科聯(lián)系密切，而且與生物科學(xué)、地質(zhì)科學(xué)、材料科學(xué)和醫(yī)藥學(xué)等各學(xué)科的研究相互關(guān)聯(lián)、相互配合、相互促進(jìn)。由于許多與物質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)的化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，結(jié)構(gòu)化學(xué)也愈來(lái)愈被農(nóng)學(xué)家和化工工程師所重視。
結(jié)構(gòu)化學(xué)詳細(xì)介紹
結(jié)構(gòu)化學(xué)首先是一門(mén)直接應(yīng)用多種近代實(shí)驗(yàn)手段測(cè)定分子靜態(tài)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)和靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能的實(shí)驗(yàn)科學(xué)。結(jié)構(gòu)化學(xué)它要從各種已知的化學(xué)物質(zhì)的分子構(gòu)型和運(yùn)動(dòng)特征中歸納出物質(zhì)結(jié)構(gòu)的規(guī)律性，還要從理論上說(shuō)明為什么原子會(huì)結(jié)合成為分子，為什么原子按一定的量的關(guān)系結(jié)合成為數(shù)目眾多的形形色色的分子，以及在分子中原子相互結(jié)合的各種作用力方式和分子中原子相對(duì)位置的立體化學(xué)特征。結(jié)構(gòu)化學(xué)還說(shuō)明某種元素的原子或某種基團(tuán)在不同的微觀化學(xué)環(huán)境中的價(jià)態(tài)、電子組態(tài)、配位特點(diǎn)等結(jié)構(gòu)特征。
另一方面，從結(jié)構(gòu)化學(xué)的角度還能闡明物質(zhì)的各種宏觀化學(xué)性能（包括化學(xué)反應(yīng)性能）和各種宏觀非化學(xué)性能（包括各種物理性質(zhì)和許多新技術(shù)應(yīng)用中的技術(shù)性能等）與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系及其規(guī)律性。在這個(gè)基礎(chǔ)上就有可能不斷地運(yùn)用已知的規(guī)律性，設(shè)法合成出具有更新穎、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)更不尋常的新物質(zhì)，在化學(xué)鍵理論和實(shí)驗(yàn)化學(xué)相結(jié)合的過(guò)程中創(chuàng)立新的結(jié)構(gòu)化學(xué)理論。與此同時(shí)，還要不斷地努力建立新的闡明物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的物理的和化學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法。
與其他的化學(xué)分支一樣，結(jié)構(gòu)化學(xué)一般從宏觀到微觀、從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、從定性到定量按各種不同層次來(lái)認(rèn)識(shí)客觀的化學(xué)物質(zhì)。演繹和歸納仍是結(jié)構(gòu)化學(xué)研究的基本思維方法。早期的有關(guān)物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的知識(shí)可以說(shuō)是來(lái)自對(duì)于物質(zhì)的元素組成和化學(xué)性質(zhì)的研究。當(dāng)時(shí)人們對(duì)化學(xué)物質(zhì)（包括各種單質(zhì)和為數(shù)不多的幾種化合物），只能從對(duì)物質(zhì)組成的規(guī)律性認(rèn)識(shí)，諸如定比定律、倍比定律等加以概括。隨著化學(xué)反應(yīng)當(dāng)量的測(cè)定，人們提出了“化合價(jià)”的概念并用以說(shuō)明物質(zhì)組成的規(guī)律。那時(shí)，對(duì)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說(shuō)是一無(wú)所知。
結(jié)構(gòu)化學(xué)的產(chǎn)生與有機(jī)物分子組成的研究密切相關(guān)。有機(jī)化學(xué)發(fā)展的初期，人們總結(jié)出許多系列有機(jī)物分子中碳原子呈四面體化合價(jià)的規(guī)律。為解釋有機(jī)物組成的多樣性，人們提出了碳鏈結(jié)構(gòu)及碳鏈的鍵飽和性理論。隨后的有機(jī)物同分異構(gòu)現(xiàn)象、有機(jī)官能團(tuán)結(jié)構(gòu)和旋光異構(gòu)現(xiàn)象等研究，也為早期的結(jié)構(gòu)化學(xué)研究提供有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，促使化學(xué)家從立體構(gòu)型的角度去理解物質(zhì)的化學(xué)組成和化學(xué)性質(zhì)，并從中總結(jié)出一些有關(guān)物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的規(guī)律性，為近代的結(jié)構(gòu)化學(xué)的產(chǎn)生打下了基礎(chǔ)。
近代實(shí)驗(yàn)物理方法的發(fā)展和應(yīng)用，為結(jié)構(gòu)化學(xué)提供了各種測(cè)定物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)方法；量子力學(xué)理論的建立和應(yīng)用又為描述分子中電子和原子核運(yùn)動(dòng)狀態(tài)提供了理論基礎(chǔ)。有關(guān)原子結(jié)構(gòu)特別是原子中電子殼層的結(jié)構(gòu)以及內(nèi)力、外力引起運(yùn)動(dòng)變化的理論，確立了原子間相互作用力的本質(zhì)，也就從理論上闡明了化學(xué)鍵的本質(zhì)，使人們對(duì)已提出的離子鍵、共價(jià)鍵和配位鍵加深了理解。有關(guān)雜化軌道的概念也為眾多化合物的空間構(gòu)型作出了合理的闡明甚至預(yù)測(cè)。原子中電子軌道空間取向的特征也為共軛體系（如苯環(huán)、丁二烯等）的結(jié)構(gòu)以及它們的特殊化學(xué)性質(zhì)作出了解釋。
結(jié)構(gòu)化學(xué)測(cè)定方法
近代測(cè)定物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)物理方法的建立，對(duì)于結(jié)構(gòu)化學(xué)的發(fā)展起了決定性的推動(dòng)作用。X射線衍射結(jié)構(gòu)化學(xué)方法和原理上相當(dāng)類似的中子衍射、電子衍射等方法的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展，大大地豐富了人們對(duì)物質(zhì)分子(特別是在晶體中的分子)中原子空間排布的認(rèn)識(shí)，并提供了數(shù)以十萬(wàn)種計(jì)的晶體和分子結(jié)構(gòu)的可靠結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。基于對(duì)單質(zhì)和簡(jiǎn)單的`無(wú)機(jī)鹽類（包括礦物）晶體的衍射測(cè)定，人們總結(jié)出并不斷地精細(xì)化了有關(guān)原子和離子半徑的數(shù)據(jù)。對(duì)于較為復(fù)雜的化合物晶體，也通過(guò)了衍射法測(cè)定了鍵長(zhǎng)、鍵角等基本參數(shù)，還發(fā)現(xiàn)了原子之間鍵合方式的多樣性和在不同聚集狀態(tài)下分子間作用力方式的多樣性，尤其是運(yùn)用X射線晶體衍射方法測(cè)定了近三百種生物體中存在的蛋白質(zhì)大分子結(jié)構(gòu)，其中有些蛋白質(zhì)的分子量達(dá)到十幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)原子量單位。此外，通過(guò)晶體衍射的研究，使人們能夠從分子和晶體結(jié)構(gòu)的角度說(shuō)明這些物質(zhì)在晶態(tài)下的物理性質(zhì)（如光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)）。
另一類測(cè)定結(jié)構(gòu)的方法是譜學(xué)方法。譜學(xué)方法在提供關(guān)于分子能級(jí)和運(yùn)動(dòng)的信息，尤其是更精細(xì)的和動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)信息方面起著重要的作用。如分子振動(dòng)光譜（紅外和喇曼光譜）是鑒定物質(zhì)分子的構(gòu)成基團(tuán)的迅速和有力的工具。因而被稱為化學(xué)物質(zhì)的“指紋”，與電子計(jì)算機(jī)高速信息處理功能結(jié)合起來(lái)，人們已能通過(guò)計(jì)算機(jī)的檢索和識(shí)別很快地查明未知物樣品的分子結(jié)構(gòu)。紅外喇曼光譜的理論處理，還能提供有關(guān)振動(dòng)力常數(shù)等有關(guān)化學(xué)鍵特征的一些數(shù)據(jù)。其他譜學(xué)法有:核磁共振譜、順磁共振譜、電子能譜（包括光電子能譜、X 射線光電子能譜、俄歇電子能譜）、質(zhì)譜（見(jiàn)質(zhì)譜法）、穆斯堡爾譜學(xué)、可見(jiàn)-紫外光譜、旋光譜、圓二色性譜(見(jiàn)圓二色性)以及擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)等。
物質(zhì)的某些物理常數(shù)的測(cè)定，也能提供有關(guān)分子結(jié)構(gòu)的某些整體信息，如磁化率、折射率和介電常數(shù)的測(cè)定等。此外，高放大率、高分辨率的電子顯微鏡還能提供有關(guān)物質(zhì)表面的結(jié)構(gòu)化學(xué)信息，甚至已能提供某些分子的結(jié)構(gòu)形象。
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