结构化学基础
结构化学基础
结构化学基础
结构化学是研究化学物质的结构，关系和性质的一门学科，它至关重要。
结构化学通过对核苷酸、蛋白质、细胞及其他有机分子进行深入研究来了解化学反应的机理、以及它们对
生理过程的影响。
例如，只有当我们了解了血清素的构造，我们才能研发精准的抗抑郁症药物。
结构化学的基础是分子动力学模型。
分子动力学模型是用来模拟分子的位移、旋转和绑定的理论。
这些运动取决于分子间的相互作用，以及环境中的压力、温度、光照等因素，包
括电子交换等力学力量。
通过分子动力学模型，我们可以模拟分子发生变化的情况，甚至
研究宏观量级的化学反应，从而推导出它们的化学和物理性质。
结构化学也涉及有机化学、生物化学、物理化学、以及分子结构计算等多个学科。
它是一门研究物质结构和性质的综合性学科，既有理论研究，又有实验研究，涉及数学、物理、化学和生物等多个学科。
运用结构化学可以研究生命过程与化学反应的关系，发展出各种
新药物、新材料和新技术。
综上所述，结构化学是研究化学反应机理和生理过程的重要学科，有助于研发各种新药物、新材料以及新技术。
它涉及多领域，并且需要综合运用多学科知识，可以为我们提供很多
科学上的新发现。
结构化学基础
结构化学基础在化学中，人们常使用分子图来代表化学物质。
分子图是一种结构化学的基本工具，能够清晰地表示化学物质的结构和性质。
结构化学是分子图的基础。
它研究分子、离子和它们之间的化学键所构成的化合物的结构、性质和反应。
本文将介绍结构化学的基础知识。
一、化学键的类型化学键是互相链接原子的力。
它们决定了分子的结构和性质。
化学键的类型有以下几种。
1. 静电键静电键是正负电荷之间的吸引力。
它们在离子化合物中非常普遍，比如氯化钠。
在分子化合物中，静电键是非常弱的，因为它们只有在极性分子中才存在。
有时候，静电键出现在共价键中，此时可以称之为极性共价键。
氟气和水分子中就存在这样的极性共价键。
2. 共价键共价键是原子间由共用一对电子而形成的化学键。
共价键分为极性共价键和非极性共价键。
非极性共价键指的是两个非极性原子间的化学键，例如氢气。
而极性共价键指的则是两个原子间，如果原子的电负性存在明显差异，就会形成极性共价键。
极性共价键在分子的化学性质中扮演着重要角色。
3. 金属键金属键是由离子化合物中金属离子与自由电子构成的一种键。
金属键在金属中的性质中起着重要的作用，它使得金属成为了良好的导体和热传导介质。
二、分子几何与习惯表示法分子的几何形状对于分子的化学性质有很大的影响。
在结构化学中，常用杜瓦尔-布拉格方案表示分子几何和结构。
这个方案中，每个原子都用一个符号表示，而它们之间的化学键用线来表示。
在所有的分子几何类型中，最重要的是以下几种。
1. 线性线性分子的共价键通常都是直线分布的。
氧气和碳二氧化分子都是线性分子。
2. 三角形锥形三角形锥形分子中，原子最多有四个邻居。
水分子和氨分子都是三角锥形分子。
3. 四面体四面体分子的原子通常有五个邻居。
一些复杂的离子也属于这一类分子。
三、立体异构体分子的立体异构体是指它们在空间构型方面存在不同的结构形态。
化学家使用手性符号或矢量来表示这些立体异构体。
异构体在化学和医学上都有很多应用。
结构化学基础知识点总结
结构化学基础知识点总结结构化学是化学的一个重要分支，主要研究物质的分子结构及其性质与变化。
以下是结构化学的基础知识点总结：1.化学键：化学键是原子之间的连接。
常见的化学键包括共价键、离子键和金属键。
共价键是通过共享电子对连接原子的，离子键是通过正负离子之间的电荷吸引力连接的，金属键是由金属离子的正电荷和自由电子之间的相互作用连接的。
2.价电子：原子外层的电子称为价电子。
它们决定了原子的化学性质和与其他原子形成化学键的能力。
主族元素的价电子数等于元素的主族号减去10，而过渡金属的价电子数则根据元素的电子排布确定。
3.分子式与结构式：分子式表示化合物中原子的种类和数量，用化学符号和小标数表示，例如H2O表示水分子。
结构式更详细地表示了化合物中原子之间的连接关系，包括键的类型和数量。
常见的结构式表示方法有线条结构式、希尔伯特投影式和叠式结构式等。
4.共价键的构型理论：共价键的构型理论包括共价键构型、价层电子对斥力理论（VSEPR理论）和化学键混合理论。
共价键构型指的是取得最低能量的共价键构型，包括线性、三角形平面、四面体和八面体等几何形状。
VSEPR理论用于预测分子形状，可以通过电子云对中原子周围的电子对的排列关系来确定分子形状。
化学键混合理论解释了化学键形成的机制，通过重新配对原子的电子，可以形成不同数量和性质的化学键。
5.分子轨道理论：分子轨道理论用于描述分子中的电子分布和性质。
分子轨道是原子轨道的线性组合，可以用分子轨道能级图表示。
共价键形成时，原子轨道的重叠导致分子轨道的形成，其中有两种类型：σ（sigma）轨道和π（pi）轨道。
σ轨道沿化学键方向形成，π轨道则垂直于化学键方向形成。
分子轨道的填充遵循由低能级到高能级的原则，通过分析分子轨道能级可以预测化合物的性质。
6.杂化轨道理论：杂化轨道理论用于描述共价键的形成。
原子的轨道混合以形成杂化轨道，其形状和方向决定了化合物的几何形状。
sp轨道是最常见的杂化轨道，即包含一部分s轨道和一部分p轨道的混合轨道，类似地，sp2和sp3轨道也是常见的杂化轨道。
结构化学基础-资料
经典理论无论如何也得不出这种 有极大值的曲线。
实验曲线 黑体辐射能量分布曲线 波长
Planck能量量子化假设
• 1900年，Planck（普朗克）假定，黑体中原子或分子辐射 能量时作简谐振动，只能发射或吸收频率为,能量为h 的整数倍的电磁能，即振动频率为的振子，发射的能量 只能是0h，1h，2h，……，nh（n为整数）。
▲宏观物体可处于任意的能量状态，体系的能量可以为任意的、连续变化的数值；微 观粒子只能处于某些确定的能量状态，能量的改变量不能取任意的、连续的数值， 只能是分立的，即量子化的。
▲测不准关系对宏观物体没有实际意义（h可视为0）；微观粒子遵循测不准关系，h 不能看做零。所以可用测不准关系作为宏观物体与微观粒子的判别标准。
1.2量子力学基本假设
• 量子力学：微观体系遵循的规律。主要特点是能量量子化和运动的波性。 是自然界的基本规律之一。主要贡献者有：Schrödinger，Heisenberg， Born & Dirac
• 量子力学由以下5个假设组成，据此可推导出一些重要结论，用以解释 和预测许多实验事实。半个多世纪的实践证明，这些基本假设是正确的。
★光子具有一定的动量：p＝mc＝h/c＝h/
(c＝）
★光的强度取决于单位体积内光子的数目（光子密度）。
产生光电效应时的能量守恒：h＝w＋Ek＝h0+mv2/2
（脱出功：电子逸出金属所需的最低能量，w＝h0）
[正式版]结构化学习题解答 《结构化学基础》北京大学出版社ppt资料
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求出本征值。
dx 2
e x ,six n ,2 c o x ,x s 3 ,six n c o xs
[解]：
d2 dx 2
ex
1
e x , ex是
d2 dx 2
的本征函数，本征值为
1；
d2 dx 2
sin
x
1 sin
x, sin
x是
d2 dx 2
பைடு நூலகம்
的本征函数，本征值为
1；
d2 dx 2
2 cos
x
间的几率为：
464×1014s-1，用它作光电池的阴极，当用波长为300nm的紫外光照射该电池时，发射的光电子的最大速度是多少？ 1
根据上述两式及力学公式：
[解] 1 2h( ) 可按下式计算 的平均值。
2
①将能量算符直接作用于波函数，所得常数即为粒子的能量：
h h mv v ② 根据受一定势能场束缚的微粒所具有的0 量子效应和箱中粒子的边界条件
式中，等号左边的物理量体现了粒性，等号右边的物 理量体现了波性，而联系波性和粒性的纽带是Planck
常数。根据上述两式及力学公式： pmv
知，1，2和4三步都是正确的。
微粒波的波长服从下式： u/
u 式中， 是微粒的传播速度，它不等于微粒的运动
速度，但3式中用了 v/ ，显然是错的。
在4式中， Eh 无疑是正确的，这里的E
2 m 已知一维势箱中粒子的归一化波函数为：
2 0 ，箱长应该等于半波长的整数倍，即：
2.99810 m s 3（ 式①]金b中解）属，箱钾粒 中是的子 粒微临坐 子粒阈标 的的频的S传c率平h播r为o均d速5i值.n度g；e，r方它程不，等在于求微解3粒过4的程运中动会速自度然，得但到3与式上中述用结了果相同8的能级，表显达1然式是（错参的见。周公度、段连云编1著4《结1构化学1基2 础》
大一结构化学基础知识点
大一结构化学基础知识点结构化学是化学的重要分支之一，它研究分子的结构以及与结构之间的相互作用关系。
在大一的学习中，我们需要掌握一些基础的结构化学知识点，下面将对其中的一些重点内容进行介绍。
1. 原子与元素周期表原子是物质的基本单位，由质子、中子和电子组成。
质子带正电荷，中子不带电，电子带负电荷。
元素周期表是化学中常用的工具，按照原子序数和元素性质排列了所有已知元素。
周期表中的每个元素都有自己独特的原子结构和化学性质。
2. 化学键与分子结构化学键是原子之间的连接，用于稳定分子结构。
常见的化学键有共价键、离子键和金属键等。
共价键是通过共用电子对形成的，可进一步分为极性共价键和非极性共价键。
离子键是通过正负电荷相互吸引形成的，金属键是金属原子间的电子云形成的。
3. 分子几何结构分子几何结构与原子间的化学键相关。
分子结构分为线性结构、平面三角形结构、四面体结构等。
分子几何结构决定了分子的空间排布和分子性质。
4. 有机化合物有机化合物主要由碳和氢组成，也包含其他元素。
有机化合物是生物体的组成部分，广泛存在于自然界和人工合成的化合物中。
大一阶段学习的有机化合物包括烃类、醇类、醛类、酮类、酸类等。
5. 化学反应与反应速率化学反应是物质转化过程，涉及到化学键的破裂和生成。
反应速率是指反应物浓度变化的快慢。
影响反应速率的因素包括浓度、温度、催化剂等。
6. 氧化还原反应氧化还原反应是化学反应中常见的一类反应，涉及到电子的转移。
在反应中，氧化剂接受电子而被还原，还原剂失去电子而被氧化。
氧化还原反应是许多重要化学反应的基础。
7. 化学平衡与动态平衡化学平衡是指反应物浓度和生成物浓度不再发生明显变化的状态。
动态平衡是指正反应和逆反应同时进行，速率相等达到平衡。
化学平衡和动态平衡是化学反应可逆性的重要特征。
8. 功能团与有机化合物命名有机化合物常常包含不同的功能团，如羟基、醛基、胺基等。
根据有机化合物中的功能团，可以进行系统命名和常用命名。
结构化学基础
读书笔记
01 思维导图
03 精彩摘录 05 目录分析
目录
02 内容摘要 04 阅读感受 06 作者简介
思维导图
本书关键字分析思维导图
应用
化合物
结构
化学
基本概念
特征
包括
化学
介绍
结构 一章
材料
基础
配位
性质
高分子化合物
有机化合物
原子
金属
内容摘要
内容摘要
《结构化学基础》是一本全面介绍结构化学的教材，涵盖了结构化学的基本概念、原理和应用。 以下是本书的内容摘要： 这一章主要介绍了原子结构和元素周期表的关系。介绍了原子核的结构和电子的运动状态，然后 介绍了原子能量的量子化和原子光谱的规律性。详细介绍了元素周期表和元素性质的周期性。 这一章主要介绍了分子结构和化学键的基本概念。介绍了分子轨道理论的基本原理和应用，然后 介绍了共价键、离子键和金属键等不同类型的化学键。介绍了分子间相互作用和氢键等概念。 这一章主要介绍了晶体结构和物理性质的关系。介绍了晶体结构的特征和分类，然后介绍了晶体 结构分析和晶体的性质。介绍了晶体的缺陷和非晶体的结构特征。 这一章主要介绍了配位化合物和金属有机化合物的结构和性质。介绍了配位化合物的结构和性质， 包括配位体、配位数和配位反应等。
精彩摘录
《结构化学基础》这本书为我们提供了许多有用的概念和理论，这些概念和 理论不仅有助于我们更好地理解物质的微观结构和性质，还可以帮助我们更好地 理解和应用化学学科中的各种概念和原理。这些精彩摘录只是其中的一部分，但 它们可以帮助我们更好地理解这本书的内容和价值。
阅读感受
阅读感受
在完成《结构化学基础》的阅读之后，我深深地感受到了这本书的深度和价 值。作为一本专门探讨结构化学的著作，它不仅提供了对这一领域的基本理解， 同时也为我们揭示了化学反应的微观机制和物质的基本结构。
4结构化学基础
C2
ˆ ˆ ˆ , C , C 2 ,, C n1 , nC E ˆn ˆn n 2
O H 2C
H2 C
CH 2 C H2 O
C2
ˆ ˆ1 ˆ D2群, E, C2 ,2C2
Dnh 群
4n个对称操作
对称元素 Cn，nC2 （Cn） ，h
n 1 n 1 ˆ E, C n ,, C n , nC 2 , h , S n ,, S n (C n h ), n v (C 2 h )
n 1
n
1
i xy C 2 n z C 2 z
n
1
3. 分子点群确定
H C F Cl
一氟一氯一溴甲烷
C1 群：仅一个对称操作
Br
E
H Cl F H F Cl
Ci 群：仅两个对称操作
E, i
二氟二氯乙烷
Cs 群：仅两个对称操作
旋转对称操作或旋转轴对称元素符号中的 n 标记转动的角度 旋转角 = 2/n =360/n 如旋转角为120度时，n为3，此时必有有C3 轴 又称三重轴，即实施该旋转对称操作 3 次即复原
C2 C3
O H H
H
N H H
1.1 旋转操作和对称轴 Cn
必过分子中心的直线
C1轴任何分子都存在，其 对应不动操作，表成：
E
可实可虚，特定角度
C
C2
2
C3
N H H H
O H H
1个主轴C6, 6个付轴C2
分子存在轴Cn，则必有对应的n个旋转操作。k用于区分n个不 同的旋转操作。
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经典定义
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。
化学的新定义
化学是主要研究从原子、分子片、分子、超分子，到分子和原子的各种不同尺度和不同复 杂程度的聚集态和组装态的合成和反应，分离和分析，结构和形态，物理性能和生物活性及其 规律和应用的自然科学 –徐光宪
德拜(1884～1966)美国物理化学家
1914年将X射线衍射技术用于测定化合物晶体的分 子结构。此法的推广和应用，大大促进了结构化学的 发展。于1936年获奖
巴顿(1918～1998) 英国化学家
40年代巴顿和哈塞尔提出了“构象分析”概念，用 于研究分子 特性与分子中原子的复杂空间三维结 构之间的关系，对发展立体化学理论作出了贡献， 于1969年获奖 D.霍奇金(1910～1994) 英国女化学家
结构化学基础
个人简介
教育背景
➢ 98年，山东大学化学系，学士 ➢ 01年，山东大学晶体所，晶体材料国家重点实验室，硕士 ➢ 04年，中科院上海技术物理所，红外物理国家重点实验室，博士
研究方向
➢ 超分子结构化学－配位超分子的结构多样性和超分子异构 ➢ 材料物理与化学－金属超分子配合物及其纳米复合材料在发光、
维兰德(1877～1957) 德国化学家
1924年测定了胆酸及多种同类物质的化学结构，于1927年获奖。 胆酸存在于动物胆汁中，在人体内帮助油脂的水解和吸收，降低 血液中胆固醇含量 H.费舍尔(1881～1945) 德国化学家
1921至1929年测定了血红素结构，指出血红素参与生物体内氧的输送； 1927至1939年确定了叶绿素的分子结构。于1930年获奖
Chemical crystallography – powder analysis
powder
powder sample in glass capillary
STADI-P Stoe Powder diffractometer
Chemical crystallography – powder analysis
卡尔(1918～) 美国物理化学家
50年代初豪普特曼与卡尔合作开发了应用 X射线衍射确 定物质晶体结构的直接计算 法，为分子晶体结构测定作出 了开创性的 贡献，于1985年获奖
克卢格(1926～)英国生物化学家
1968年将电子显微镜和X射线衍射 法两种技术结合起来， 发明了显微影像 重组技术，于1982年获奖。该技术为 测 定生物大分子结构开创了一条新路
从实验学科向理论学科的转变
1998年诺贝尔化学奖获得者Kohn和Pople认为：“量子化学已经发展成为广大化学家所使 用的工具，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。化学不再是纯粹的实验科学了”
Nobel Prizes --- in structural chemistry
1933至1956年用X射线衍射法测定了胆固醇、维生素B12、 青霉素等生物化学物质的分子结构。于1964年获奖
Nobel Prizes - in structural chemistry
赫兹伯格(1904～1999) 加拿大物理化学家
1928至1971年运用光谱学阐明了多种分子的电子结构 与 运动，特别是在自由基的研究中取得了卓越成就， 促进了 物理化学、量子化学、天体物理学的发展。于 1971年获奖
2．理解为主，记忆为辅 （预习--- 复习 --- 总结) 3．发展的观点
分子超分子，微观介观（纳米）宏观，相对论？光速不变？
·豪普特曼(1917～) 美国数学家 利用显微影像重组技术探明的烟 草花叶病毒的局部结构
Chemical crystallography – single crystal analysis
Stoe IPDS
Image Plate Diffraction System
KappaCCD X-ray Crystallography Facility
Hollow Tubular Metal-Organic Architectures
Protein
结构化学学习
怎样学
1．3+2+1原则
3种理论：量子理论，化学键理论，点阵理论 3种结构：原子结构，分子结构，晶体结构 3个基础：量子化学基础，对称性原理基础，结晶化学基础 2个因素：电子因素，空间因素 1条主线：结构决定性能，性能反映结构
非线性光学、磁学等方面的性质和应用 ➢ 理论化学－超分子配合物结构和性质之间的关系研究和理论计算
➢ 教师博客：/panm/
结构化学
任务
在自然科学中，探明物质的结构是理论研究的基础。用化学手段和方法研究物质结构的科学 称为结构化学。当我们从自然界或实验室获得一种新的化学物质时，首要的任务是测定它们的详
.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0Leabharlann 6.07.08.0
22-T-hTetha,edetga, deg
X10E 1 x 10
Assembly of Coordination Nanotube
N
N N
N
HgCl2 = DMF or DMSO
N N N
N N
N N
N
N N
N N
N N
N N
16.8 Å
[Hg4Cl8(bbimms)4](DMSO)2 --- Nanotube
single crystal size < 0.5 mm
Chemical crystallography – single crystal analysis
Diffraction image from a single crystal
Stoe IPDS Image Plate Diffraction System
Diffraction image from a powder
/Convert 2.10 for MS Windows 3.1x Scan no. = 1 Lambda1,lambda2 = 1.540 Observed Profile
powder
3. 0
X10E 5
2. 0
x 105
1. 0
CoCuontsunts