結構化學課件

　結構化學簡介

結構化學是在原子- 分子水平上研究物質分子構型與組成的相互關係以及結構和各種運動的相互影響的化學分支學科。它又是闡述物質的微觀結構與其宏觀性能的相互關係的基礎學科。結構化學不但與其他化學學科聯繫密切，而且與生物科學、地質科學、材料科學和醫藥學等各學科的研究相互關聯、相互配合、相互促進。由於許多與物質結構有關的化學數據庫的建立，結構化學也愈來愈被農學家和化工工程師所重視。

　結構化學詳細介紹

結構化學首先是一門直接應用多種近代實驗手段測定分子靜態、動態結構和靜態、動態性能的實驗科學。結構化學它要從各種已知的化學物質的分子構型和運動特徵中歸納出物質結構的規律性，還要從理論上說明爲什麼原子會結合成爲分子，爲什麼原子按一定的量的關係結合成爲數目衆多的形形色色的分子，以及在分子中原子相互結合的各種作用力方式和分子中原子相對位置的立體化學特徵。結構化學還說明某種元素的原子或某種基團在不同的微觀化學環境中的價態、電子組態、配位特點等結構特徵。

另一方面，從結構化學的角度還能闡明物質的各種宏觀化學性能（包括化學反應性能）和各種宏觀非化學性能（包括各種物理性質和許多新技術應用中的技術性能等）與微觀結構之間的關係及其規律性。在這個基礎上就有可能不斷地運用已知的規律性，設法合成出具有更新穎、結構特點更不尋常的新物質，在化學鍵理論和實驗化學相結合的過程中創立新的結構化學理論。與此同時，還要不斷地努力建立新的闡明物質微觀結構的物理的'和化學的實驗方法。

與其他的化學分支一樣，結構化學一般從宏觀到微觀、從靜態到動態、從定性到定量按各種不同層次來認識客觀的化學物質。演繹和歸納仍是結構化學研究的基本思維方法。早期的有關物質化學結構的知識可以說是來自對於物質的元素組成和化學性質的研究。當時人們對化學物質（包括各種單質和爲數不多的幾種化合物），只能從對物質組成的規律性認識，諸如定比定律、倍比定律等加以概括。隨着化學反應當量的測定，人們提出了“化合價”的概念並用以說明物質組成的規律。那時，對於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。

結構化學的產生與有機物分子組成的研究密切相關。有機化學發展的初期，人們總結出許多系列有機物分子中碳原子呈四面體化合價的規律。爲解釋有機物組成的多樣性，人們提出了碳鏈結構及碳鏈的鍵飽和性理論。隨後的有機物同分異構現象、有機官能團結構和旋光異構現象等研究，也爲早期的結構化學研究提供有力的實驗證據，促使化學家從立體構型的角度去理解物質的化學組成和化學性質，並從中總結出一些有關物質化學結構的規律性，爲近代的結構化學的產生打下了基礎。

近代實驗物理方法的發展和應用，爲結構化學提供了各種測定物質微觀結構的實驗方法；量子力學理論的建立和應用又爲描述分子中電子和原子核運動狀態提供了理論基礎。有關原子結構特別是原子中電子殼層的結構以及內力、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，也就從理論上闡明瞭化學鍵的本質，使人們對已提出的離子鍵、共價鍵和配位鍵加深了理解。有關雜化軌道的概念也爲衆多化合物的空間構型作出了合理的闡明甚至預測。原子中電子軌道空間取向的特徵也爲共軛體系（如苯環、丁二烯等）的結構以及它們的特殊化學性質作出瞭解釋。

　結構化學測定方法

近代測定物質微觀結構的實驗物理方法的建立，對於結構化學的發展起了決定性的推動作用。X射線衍射結構化學方法和原理上相當類似的中子衍射、電子衍射等方法的發現與發展，大大地豐富了人們對物質分子(特別是在晶體中的分子)中原子空間排布的認識，並提供了數以十萬種計的晶體和分子結構的可靠結構數據。基於對單質和簡單的無機鹽類（包括礦物）晶體的衍射測定，人們總結出並不斷地精細化了有關原子和離子半徑的數據。對於較爲複雜的化合物晶體，也透過了衍射法測定了鍵長、鍵角等基本參數，還發現了原子之間鍵合方式的多樣性和在不同聚集狀態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大分子結構，其中有些蛋白質的分子量達到十幾萬甚至幾十萬原子量單位。此外，透過晶體衍射的研究，使人們能夠從分子和晶體結構的角度說明這些物質在晶態下的物理性質（如光學性質和電學性質）。

另一類測定結構的方法是譜學方法。譜學方法在提供關於分子能級和運動的資訊，尤其是更精細的和動態的結構資訊方面起着重要的作用。如分子振動光譜（紅外和喇曼光譜）是鑑定物質分子的構成基團的迅速和有力的工具。因而被稱爲化學物質的“指紋”，與電子計算機高速資訊處理功能結合起來，人們已能透過計算機的檢索和識別很快地查明未知物樣品的分子結構。紅外喇曼光譜的理論處理，還能提供有關振動力常數等有關化學鍵特徵的一些數據。其他譜學法有: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）、質譜（見質譜法）、穆斯堡爾譜學、可見-紫外光譜、旋光譜、圓二色性譜(見圓二色性)以及擴展X射線吸收精細結構等。

物質的某些物理常數的測定，也能提供有關分子結構的某些整體資訊，如磁化率、折射率和介電常數的測定等。此外，高放大率、高分辨率的電子顯微鏡還能提供有關物質表面的結構化學資訊，甚至已能提供某些分子的結構形象。