引言

1、古希腊曾盛行一种叫做“原性论”的哲学，把世界万物的本原归结为四种基本性质——冷、热、干、湿；它们两两结合，便形成四种基本元素——土、水、气、火；四种元素再按不同比例结合，便得到世间万物。原性论认为物质的性质与变化决定了物质的组成与结构。

在通常条件下，除了稀有气体，所有其他元素的原子总是跟同种或异种原子结合而存在，于是有了分子。

2、空气里的O₃却不应多于1.2mg/L，否则有害。

3、1933年，德国生物化学家、病理学家与细菌学家多玛克将第一种磺胺药——对氨基苯磺酰胺应用于医学，因此而荣获1939年诺贝尔生理学或医学奖。磺胺药之所以能杀菌，是由于磺胺药在结构上类似于细菌必须的营养物——对氨基苯甲酸，细菌误将磺胺药当作对氨基苯甲酸，被杀死。

4、贝壳的无机成分主要是CaCO₃，而贝壳有外层和内层之分，分别是两种晶体结构不同的碳酸钙，外壳叫方解石，内层叫霰（xiàn）石，各有各的功能——方解石因坚硬而起保护作用，霰石因光滑而使软体自由移动。

第一章 原子结构与性质

第一节原子结构

1、1920年，丹麦科学家玻尔在他提出的氢原子模型基础上，提出构造原理，随核电荷数递增，新增电子填入原子核外“壳层”的顺序，用原子结构解释元素周期律。5年后，玻尔的“壳层”落实为“能层”与“能级”，厘清了核外电子的可能状态，复杂的原子光谱得以诠释。

1936年，德国科学家马德隆发表了以原子光谱事实为依据的完整的构造原理。

2、焰火、霓虹灯光、激光、荧光、LED 灯光......都与原子核外电子跃迁释放能量有关。

铯和铷是通过原子光谱发现的，其光谱图中有特殊的蓝光和红光。稀有气体氦是分析太阳光谱发现的。

3、离散的谱线

1814年，德国物理学家夫琅禾费发明了分光镜并用来观察太阳光，发现在太阳光谱中有570多条黑线（现知几千条），后人称之为夫琅禾费线。

1859年，德国科学家本生和基尔霍夫发明了光谱仪，证实了夫琅禾费线实质上是原子的吸收光谱，并一一找到对应的元素。

1913年，玻尔创造性地假设，被束缚在原子核外的电子的能量是量子化的，只能取一定数值，称为定态，而原子光谱的谱线是不同定态的电子发生跃迁产生的，因而是离散的而不是连续的谱线。

1925年，德国科学家洪特解释了复杂光谱，得出了过渡元素（包括铬和铜等）的光谱学基态原子的电子排布，为构造原理的确立奠定了基础。

第二节 原子结构与元素的性质

1、元素按其原子核电荷数递增排列的序列称为元素周期系。元素周期表是呈现元素周期系的表格。元素周期系只有一个，元素周期表多种多样。

1869 年，门捷列夫制作了历史上第一张周期表，图 1-14 是该表的修订版，又称短式周期表。

1905 年，配位化学鼻祖维尔纳制作了一特长式周期表，每个周期一行，各族元素、过渡金属、稀有气体、镧系和锕系，各有各的位置，同族元素上下对齐。

1922年，玻尔获诺贝尔奖时做了题为“原子结构”的报告，其中有一张周期表。

2、稀有气体及其化合物的发现

1868年，天文学家洛克耶和杨森在太阳光谱中发现了一种新元素，定名为氦（Helium）。20多年后，英国化学家拉姆齐在研究钇铀矿时发现了一种新气体，求助于光谱学家克鲁克斯，证实这种气体就是氦。在地球上氦也被发现了。

1892年，英国物理学家瑞利与英国化学家拉姆齐通过实验和光谱，发现了氩（Argon）。

1898年，拉姆齐与人合作又在液态空气中发现了三种新元素，分别命名为氪（Krypton）、氖（Neon）、氙（Xenon）。

1900年，发现放射性元素镭发生衰变释放的气体也是一种新元素，到1923年被最后定名为氡（Radon）。

2006年，第七周期最后一种元素被人工合成，后定名为Oganesson，元素符号为Og，中文名称为奥气。

1962年巴特利特合成了氙的第一个化合物XePtF₆，不久，在三个不同实验室里又分别合成了XeF₂、XeF₄和XeF₆三种简单化合物。所有稀有气体都能形成化合物。

汞蒸气由汞原子构成。

第一节 共价键

1、ATP是嵌在细胞线粒体膜上的“ATP合酶”生产的。

ATP合酶像一个会旋转的泵，膜内外H⁺浓度的差别推动了这个泵旋转，每秒钟旋转100圈，每转一圈，抽入合成ATP的原料分子，生产出3个ATP分子。图中的α、β、γ、C等符号是组成蛋白质的代号提出ATP合酶的“质子泵”理论的米切尔（P.Mitchel）和解析出这个酶精巧的蛋白质结构的沃尔克（J.Walker）分别获得了1978年和1997年诺贝尔化学奖。

2、F-F的键能比Cl-Cl的键能低，N-H的键能比C-H的键能低。

C-O、N-O、O-O的键能依次降低。C=O、N=O、O=O的键能依次降低。

第二节 分子的空间结构

1、一些分子的空间结构模型

C₆₀：12个正五边形和20个正六边形组成，又叫足球烯。

SF₆：正八面体形。

椅式C₆H₁₂ 比船式C₆H₁₂ 稳定。

B₁₂：正二十面体。

2、价层电子对互斥模型预测分子空间结构时，不能用于预测以过渡金属为中心原子的分子。

第三节 分子结构与物质的性质

1、臭氧分子中的共价键是极性键，臭氧分子是极性分子。

2、表面活性剂和细胞膜

（1）表面活性剂的有机分子，分子的一端有极性，称为亲水基团，分子的另一端几乎没有极性，称为疏水基团。例如，烷基磺酸根离子R-SO₃^-。

表面活性剂在水中会形成亲水基团向外、疏水基团向内的胶束。由于油渍等污垢是疏水的，会被包裹在胶束内腔，这就是肥皂和洗涤剂的去污原理。

这些分子之所以称为表面活性剂，是由于它们会分散在水的液体表面形成一层疏水基团朝向空气的单分子层，又称单分子膜，从而大大降低水的表面张力。

（2）人体细胞和细胞器的膜是双分子膜，双分子膜是由大量两性分子（一端有极性，另一端无极性）组装而成的。

3、分子结构修饰与分子的性质

分子结构修饰是指不改变分子的主体骨架，保持分子的基本结构不变，仅改变分子结构中的某些基团而得到的新分子。分子结构被修饰后，分子的性质发生了改变。

例如，用三个氯原子取代蔗糖分子中的三个羟基，就得到三氯蔗糖。

三氯蔗糖的甜度是蔗糖的600倍，没有异味，具有热量值极低、安全性好等优点，可供糖尿病患者食用，被认为是近乎完美的甜味剂。

布洛芬具有抗炎、镇痛、解热作用，但口服该药对胃、肠道有刺激性，可以对该分子进行成酯修饰。

4、邻羟基苯甲醛中的分子内氢键，发生在羟基的H和醛基的O上。

5、氢键是蛋白质具有生物活性的高级结构的重要原因，DNA双螺旋的两个螺旋链也正是通过氢键相互结合的。

6、巴斯德与手性

1848年，法国科学家巴斯德发现，实验室合成的酒石酸盐与得自葡萄（发酵酿酒）的酒石酸盐不同，前者无光学活性（不能使偏振光的偏振面旋转），是因为合成的酒石酸盐有两种光学上不对称的晶体。他细心地通过实验把这两种不对称晶体成功分离，并证实它们都有光学活性。

他假设，分子的不对称性是生命的机理之一。为验证他的假设，巴斯德使合成酒石酸盐的溶液沾染霉菌，结果发现溶液渐渐提高光学活性，由此他得出结论：霉菌只利用两种晶体之一。

巴斯德的这个实验开启了化学成为生命科学基础的大门，意义重大。

7、双氧水的分子结构为

第三章 晶体结构与性质

第一节物质的聚集状态与晶体的常识

1、等离子体

气态物质在高温或者在外加电场激发下，分子发生分解，产生电子和阳离子等。这种由电子、阳离子和电中性粒子组成的整体上呈电中性的物质聚集体称为等离子体。

等离子体是一种特殊的气体，存在于我们周围。例如，在日光灯和霓虹灯的灯管里，在蜡烛的火焰里，在极光和雷电里，都能找到等离子体。

等离子体中含有带电粒子且能自由运动，使等离子体具有良好的导电性和流动性，因此等离子体用途十分广泛。例如，运用等离子体显示技术可以制造等离子体显示器；利用等离子体可以进行化学合成；核聚变也是在等离子态下发生等。

2、液晶

1888年，奥地利人莱尼采尔发现，苯甲酸胆甾酯加热达到熔点后，先呈浑浊态，再加热达一定温度时，浑浊态变透明清亮态。

1889年，德国人莱曼将上述熔点至澄清点温度范围内的物质状态命名为液晶，后称热致液晶。相对于热致液晶，从溶液中获得的液晶称为溶致液晶，即胶束等。

液晶是介于液态和晶态之间的物质状态，既具有液体的流动性、黏度、形变性等，又具有晶体的某些物理性质，如导热性、光学性质等，表现出类似晶体的各向异性。

高清液晶电视

3、制备晶体的三种途径都可制得有重要价值的大晶体。

（1）芯片的基质是单晶硅，它是由熔融态硅制备的，俗称“拉单晶”。

（2）用于制造激光器的KH₂PO₄大晶体是由水溶液结晶出来的。

（3）CVD宝石级钻石，则是由烷烃（如CH₄）在微波炉里以等离子体分解出的碳通过化学气相沉积（简称CVD）得到的。

4、准晶

准晶，是一种介于晶体和非晶体之间的固体。在准晶的原子排列中，其结构是长程有序的（周期性），这一点和晶体相似；但是准晶不具备平移对称性，这一点又和晶体不同。

1982年4月8日，以色列科学家谢赫特曼（因发现准晶体获2011年诺贝尔化学奖）首次在电子显微镜下观察到一种“反常”现象：铝锰合金的原子采用一种不重复、非周期性但对称有序的方式排列。

这种准晶体也同斐波那契序列有关。随着数字的增大，两数间的比值越来越接近黄金分割率。准晶体中原子间的距离也完全符合黄金分割率。

普通晶体具有的是二次、三次、四次或六次旋转对称性，但是准晶的布拉格衍射图具有其他的对称性，例如五次对称性或者更高的六次以上对称性。五次对称性和周期性是不能共存的。

矿石界的蛋白石，有机化学中的硼环化合物，生物学中的病毒，都显示出五次对称特征。

第二节 分子晶体与共价晶体

1、金属镁与二氧化碳的反应实验

取两块大小相同的干冰，在一块干冰中央挖一个小穴，撒入一些镁粉，用红热的铁棒把镁点燃，将另一块干冰盖上，你会看到镁粉在干冰内继续燃烧，像冰灯中装进一个电灯泡一样，发出耀眼的白光。（切勿用手接触干冰，以免冻伤！）

2Mg+CO₂=点燃=2MgO+C

2、天然气水合物

许多气体可以与水形成水合物晶体。

19世纪初,英国化学家戴维，发现氯可形成化学式为Cl₂·8H₂O的水合物晶体。

海底和大陆冰川或永久冻土底部存在大量天然气水合物晶体。这种晶体的主要气体成分是甲烷，又称甲烷水合物。它的外形像冰，又称“可燃冰”。它在常温常压下会迅速分解释放出可燃的甲烷。

在天然气水合物晶体中，甲烷在水合物晶体里是装在以氢键相连的几个水分子构成的笼内，因而又称笼状化合物。

估计全球的海底和冰川底部藏在天然气水合物中的天然气，总量超过煤、石油和天然气等化石燃料的总和的两倍，是巨大的潜在能源。

3、金伯利岩富含金刚石。

（1）高压合成金刚石

用高压釜施加高温高压并加入金属镍等金属催化剂，石墨可转化为金刚石。

（2）低压合成金刚石

用甲烷等简单的碳氢化合物跟大量氢气混合，在微波炉里形成低温低压的等离子体在硅等基质上沉积，得到金刚石。这是目前合成高质量单晶金刚石的主要合成方式。

4、硬度：硬度是衡量固体软硬程度的指标。硬度有不同的标度，最普通的硬度标度是画痕硬度，即摩氏硬度，以固体互相刻画时出现刻痕的固体的硬度较低。金刚石不能被任何天然矿物刻画出刻痕，因而是最硬的。以金刚石的硬度为10，以另9种天然矿物为代表，可将摩氏硬度分为十度。

硬度的代表物质的摩氏硬度：

金刚石10、刚玉9、黄玉8、石英7、正长石6、磷灰石5、萤石4、方解石3、石膏2、滑石1。

5、SiO₂和硅酸盐的结构

在低温石英的结构中，顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链，这一结构决定了它具有手性（左、右型）。

硅酸盐的阴离子结构丰富多样，既有有限数目的硅氧四面体构建的简单阴离子，如 SiO₄^4-、Si₂O₇^6-、(SiO₃)₆^12-（六元环）等，也有以硅氧四面体为结构单元构成一维、二维、三维无限伸展的共价键骨架。金属离子则以离子键与阴离子或阴离子骨架结合。部分 Si 被 Al 取代则得到铝硅酸盐。

第三节金属晶体和离子晶体

1、大量离子晶体的阴离子或阳离子不是单原子离子，有的还存在电中性分子（如H₂O、NH₃等）。例如，CaCO₃、K₂SO₄、(NH₄)₂SO₄、CuSO₄·5H₂O、Cu(NH₃)₄SO₄·H₂O等，在这些离子晶体中还存在共价键、氢键等。然而，贯穿整个晶体的主要作用力仍是阴、阳离子之间的作用力。

2、离子液体

室温或稍高于室温时呈液态的离子化合物定义为离子液体。

离子晶体的熔点，有的很高，如CaO的熔点为2613°C，有的较低，如NH₄NO₃、Ca(H₂PO₄)₂的熔点分别为170°C、109°C。

引入有机基团可降低离子化合物的熔点，如C₂H₅NH₃NO₃的熔点只有12°C，常温下呈液态。

大多数离子液体含有体积很大的阴、阳离子。常见的阴离子如四氯铝酸根（AlCl₄^-）、六氟磷酸根（PF₆^-）、四氟硼酸根（BF₄^‑）等，常见的阳离子如季铵离子（R₄N⁺，即NH₄⁺的H被烃基R取代）、带烃基侧链的咪唑、嘧啶等有环状含氮结构的有机胺正离子等。

离子液体作溶剂，有难挥发的优点，这是由于离子液体的粒子全都是带电荷的离子。

离子液体有良好的导电性，用作电化学研究的电解质。许多离子液体被用作有机合成的溶剂和催化剂。

3、纳米晶体

纳米晶体是晶体颗粒尺寸在纳米（10-9m）量级的晶体。

纳米晶体相对于通常的晶体，在声、光、电、磁、热等性能上常会呈现新的特性。以熔点为例，当晶体颗粒小至纳米量级，熔点会下降。

晶体颗粒小于200nm时，晶粒越小，金属铅的熔点越低，主要原因是晶体的表面积增大。

第四节 配合物与超分子

1、叶绿素、血红素和维生素 B12 都是配合物，它们的配体大同小异，是一种称为卟啉的大环有机化合物，而中心离子分别是镁离子、亚铁离子和钴离子。以下是叶绿素的结构：

2、硫酸镍溶于氨水形成[Ni(NH₃)₆]SO₄蓝色溶液。

3、工业盐酸（俗称粗盐酸）呈亮黄色，已证明了这是配合物[FeCl₄]^-的颜色。