第四节 现代化学.pdf

第四节 大科学时代 ——现代化学 现代化学的基本理论 ——原子结构和元素周期律本质 ——化学键和量子化学 现代化学的主要内容 ——无机化学与分析化学的发展(以研究元素及其化合物性质为主要内容;以研究物质化学 组成的鉴定方法为主要内容) ——结构化学的发展(物质的微观结构与宏观性质间的关系) ——有机化学和高分子化学的发展(以研究碳氢化合物为主要内容;研究高分子化合物的合 成、化学反应、物理化学、物理、加工成型、应用等方面的一门新兴的综合性学科 ) 化学的新发展 ——分子设计及核素理论 一、现代化学的基本理论 1、原子结构和元素周期律本质 • 量子力学的原子模型揭示了原子中的电子壳层结构。电子 云的密度、分布方向、形状决定了电子能量的大小；能量 分布具有壳层分布的特征，不同的电子层对应着不同的能 量级别(简称能级）。 • 元素周期律本质： 第一，元素原子的电子层结构的周期性决定着元素性质的周 期性； 第二，原子的外层电子结构(包括最外层电子和次外层电子） 决定着元素的化学特征. 2 、化学键和量子化学 • 化学健的理论 价键理论（Valence Bond Theory ）简称VB理论，又 称电子配对法，是1927年德国化学家海特勒 （W.Heitler ）和伦敦（F.Lodon ）运用量子力学原理 处理H 分子结果的推广。 2 分子轨道理论（Molecular Orbital Theory ）简称MO 理论，1932年，美国化学家，马利肯和洪特提出。 配位场理论（Ligand field theory ）简称LF理论，由 贝特等在1929年提出。它是晶体场理论与分子轨道理 论相结合的产物，它成功地解释了络合物（配合物, 也叫错合物）的有关问题。 化学键 • 是指组成分子的原子之间的电磁相互作用力即化学 结合力的形式。其基本类型有离子键、共价键和金 属键三种。 离子键是依靠正离子与负离子间的静电引力所产生 的化学键。 共价键是原子或原子团通过共有电子对而结合的化 学键。 金属键是金属中的原子和离子依靠自身的运动互相 连接的化学键。 量子化学的主要内容 • 研究原子、分子及晶体的微观结构，揭示物质微观结构与它 的性能之间的内在联系。 • 研究分子中的化学键，研究分子中原子之间结合力的形式。 目前，它所总结出的各种化学键类型在解释金属材料、晶体 材料与半导体材料的结构与性能方面，已获得重大成就。 • 研究催化作用。从70年代开始，人们运用量子力学的理论和 方法去研究催化课题，为催化学科开辟新的途径。量子化学 在多相催化、匀相催化及酶催化方面的研究迅速开展，有力 地推动催化科学的发展。 二、现代化学的主要内容 • 结构化学——结构化学系统地研究分子和晶体的结构及其与物 质性能之间的关系。 • 现代分析化学——是一门综合性学科，它应用化学、物理学、 电子学、数学和生物学的原理、方法，探讨物质的组成、结构 以及微区薄层的状态，对解决工农业生产和科学研究中的许多 实际问题有重要意义。 • 现代合成化学——研究如何应用现代化学的原理和方法合成一 些新物质的一门学科。合成化学为人类开辟了材料来源的新天 地；塑料、人造橡胶、人造纤维、各种涂料、粘合剂等合成材 料的制造给人类生活带来极大的方便。 • 高分子化学——主要研究高分子化合物的基本制备方法、聚合 反应的理论和机理、特征结构与特征性能的关系、加工成型及 其应用等。 化学的新发展 • 分子设计也称分子工程学。分子设计是在量子化学和结构化 学进展中产生的。量子化学、结构化学等学科的研究成果证 明：分子的性能完全决定于它的组成和结构。性能是结构的 表现，结构是性能的根据。 • 核素理论——核素就是指各种不同的原子核。随着核素研究 的发展，科学家们提出了一些假说。例如，有人提出“核素 周期律”假说，试图揭示原子核内部的规律性，并以核素图 的形式出现；有人