结构化学讲稿
哈尔滨工业大学应用化学系
化学与应用化学教研室
强亮生
2007年9月
第一讲
简单说明结构化学在哈工大的历史沿革和现状.
为了使同学们对本课程的全貌和有关要求有一个大体的了解,首先要上一次绪论课.
绪论
讲五个问题
结构化学的研究对象
学习结构化学的目的
主要的学习内容
学习方法
参考书
1.1 研究对象
简单说"结构化学是研究原子,分子晶体结构,以及结构与性能关系的一门基础科学."那就是说结构化学实际上也是基础课,而对于化学系的同学来说,一提到基础化学,就会联系到有机,无机,分析,物化这四大化学,现在我问同学们一个问题:四大化学中最难学而且研究原理和规律最多的是哪一门化学呢 无疑是物理化学.物化已学过了,请同学们回忆一下,其中最主要的内容.实际上是两部分:
化学热力学—解决反应的方向和限度问题(做法是只考虑始终态,借助状函)
化学动力学—解决反应快慢问题(做法是考虑具体过程)
学完物化后同学们自然会提出这样一个问题:为什么不同的反应其方向和限度会有所不同呢 其反应的速率又会有较大的差别呢 原因在于反应的本质不同.那就是说还要有解决反应本质问题的学科,这就是结构化学.
结构化学——解决反应的本质问题(微观,定量)
本质问题实为根源问题,解决根源问题相对于解决规律和原理问题更为困难,故结构化学比物化更难学,之所以难学,是因为结构化学的基础是量子力学,研究的是微观粒子的运动规律,而微观例子的运动规律缺乏基础(实验),尚不很清楚.若说物化是天书的话,结构则是天书之天书.既然如此难学,那在学时比较少的情况下,为什么还要学呢
1.2 学习目的
化学是中心学科,作为化学工作者,没有理由不从化学的本质和根源上解决问题.
培养抽象思维的方法,建立结构的观点,用结构的观点认识问题,分析问题,解决问题(从化学的角度培养).
那么结构化学到底可以帮我们解决哪些实际问题呢
1.2.1 了解化学反应的本质
为什么有的反应能进行,有的反应则不能.可以通过物质结构的知识来说明,通过具体的例子来说明.
汽车尾气的治理(得针对污染途径)
污染途径: N2 + O2 2NO
NO + O2 NO2
NO2 + H2O 城市烟雾
现在如果给同学们一个治理课题,该如何考虑呢
关键是要在NO上做文章,消除NO有个途径:
① 让NO转换成无害气体
② 不让NO生成
① 2NO N2 + O2 (回归大自然是最理想的)
能否行得通,要用热力学的知识来判断.由有关计算可知:= -173.38 kJ/mol,=2.6×1030 判断结果是:非但可以进行,而且趋势很大.实际不然,原因是速率太慢,要加快反应速度,同学们说,应采取什么措施呢 加热或加催化剂.再给出一组数据= -180.74 kJ/mol,= -0.025kJ/mol.k 显然加热不成,比较可行的办法是加催化剂,因为催化剂改变反应的途径,相应地降低反应的活化能,↓,↑.如何选催化剂呢 则应知道为什么高,通过分子轨道理论,具体是通过前线轨道理论,可知其高的原因是反应物分子的分子轨道对称性不匹配(微观可逆行原理),这又用到了分子轨道对称守衡原理,这就是结构化学的问题.与此类似 C2H4 + H2 C2H6 = -101.01 kJ/mol,无催化剂Ni不反应,只有加Ni才成,即亦是用前线轨道理论来解释.
② 不让NO生成——富氧膜(分子筛)
只许O2通过,不许N2通过,要求N2不能超过3%,此膜最早是日本的富井千一研究,因为日本只重视应用研究不重视基础研究,而美国比较重视基础研究,故其与美国进行合作研究,最后研究成功,用在医学上,代替氧气瓶.

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