結(jié)構(gòu)化學(xué)課件
結(jié)構(gòu)化學(xué)簡介
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)和各種運動的相互影響的化學(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。由于許多與物質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)的化學(xué)數(shù)據(jù)庫的建立，結(jié)構(gòu)化學(xué)也愈來愈被農(nóng)學(xué)家和化工工程師所重視。
結(jié)構(gòu)化學(xué)詳細介紹
結(jié)構(gòu)化學(xué)首先是一門直接應(yīng)用多種近代實驗手段測定分子靜態(tài)、動態(tài)結(jié)構(gòu)和靜態(tài)、動態(tài)性能的實驗科學(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)型和運動特征中歸納出物質(zhì)結(jié)構(gòu)的規(guī)律性，還要從理論上說明為什么原子會結(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位置的立體化學(xué)特征。結(jié)構(gòu)化學(xué)還說明某種元素的原子或某種基團在不同的微觀化學(xué)環(huán)境中的價態(tài)、電子組態(tài)、配位特點等結(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。在這個基礎(chǔ)上就有可能不斷地運用已知的規(guī)律性，設(shè)法合成出具有更新穎、結(jié)構(gòu)特點更不尋常的新物質(zhì)，在化學(xué)鍵理論和實驗化學(xué)相結(jié)合的過程中創(chuàng)立新的結(jié)構(gòu)化學(xué)理論。與此同時，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)的實驗方法。
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)到動態(tài)、從定性到定量按各種不同層次來認識客觀的化學(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)的知識可以說是來自對于物質(zhì)的元素組成和化學(xué)性質(zhì)的研究。當(dāng)時人們對化學(xué)物質(zhì)（包括各種單質(zhì)和為數(shù)不多的幾種化合物），只能從對物質(zhì)組成的規(guī)律性認識，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)量的測定，人們提出了“化合價”的概念并用以說明物質(zhì)組成的規(guī)律。那時，對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是一無所知。
結(jié)構(gòu)化學(xué)的產(chǎn)生與有機物分子組成的研究密切相關(guān)。有機化學(xué)發(fā)展的初期，人們總結(jié)出許多系列有機物分子中碳原子呈四面體化合價的規(guī)律。為解釋有機物組成的多樣性，人們提出了碳鏈結(jié)構(gòu)及碳鏈的鍵飽和性理論。隨后的有機物同分異構(gòu)現(xiàn)象、有機官能團結(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)研究提供有力的實驗證據(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)。
近代實驗物理方法的發(fā)展和應(yīng)用，為結(jié)構(gòu)化學(xué)提供了各種測定物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的實驗方法；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動狀態(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、外力引起運動變化的理論，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)，使人們對已提出的離子鍵、共價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。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)測定方法
近代測定物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的實驗物理方法的建立，對于結(jié)構(gòu)化學(xué)的發(fā)展起了決定性的推動作用。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物質(zhì)分子(特別是在晶體中的分子)中原子空間排布的認識，并提供了數(shù)以十萬種計的晶體和分子結(jié)構(gòu)的可靠結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)�；趯钨|(zhì)和簡單的`無機鹽類（包括礦物）晶體的衍射測定，人們總結(jié)出并不斷地精細化了有關(guān)原子和離子半徑的數(shù)據(jù)。對于較為復(fù)雜的化合物晶體，也通過了衍射法測定了鍵長、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，尤其是運用X射線晶體衍射方法測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)的分子量達到十幾萬甚至幾十萬原子量單位。此外，通過晶體衍射的研究，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)于分子能級和運動的信息，尤其是更精細的和動態(tài)的結(jié)構(gòu)信息方面起著重要的作用。如分子振動光譜（紅外和喇曼光譜）是鑒定物質(zhì)分子的構(gòu)成基團的迅速和有力的工具。因而被稱為化學(xué)物質(zhì)的“指紋”，與電子計算機高速信息處理功能結(jié)合起來，人們已能通過計算機的檢索和識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（見質(zhì)譜法）、穆斯堡爾譜學(xué)、可見-紫外光譜、旋光譜、圓二色性譜(見圓二色性)以及擴展X射線吸收精細結(jié)構(gòu)等。
物質(zhì)的某些物理常數(shù)的測定，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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