普通高等教育“十二五”规划教材：结构化学 pdf epub mobi txt 电子书 下载 在线阅读 2026

内容简介

《普通高等教育“十二五”规划教材：结构化学》共十一章，包括量子力学基础、原子的结构与性质、分子对称性、分子轨道理论、价键理论、配合物的化学键理论、簇合物和团簇、分子的物理性质及次级键、结构分析方法简介、晶体结构、晶体的结构与功能材料。《普通高等教育“十二五”规划教材：结构化学》以化学键理论、结构与性质的关系、结构的测定方法为主线编写，反映当代结构化学新的研究进展和发展趋势。加强应用，在介绍基本概念和基本理论的同时注重介绍应用，并简要通俗地介绍当前理论研究的前沿成果，扩大学生视野，培养学生深入探讨的好奇心。

目录

前言
第一章 量子力学基础
第一节 量子力学实验基础与基本概念的引出
一、能量量子化与光的波粒二象性
二、实物粒子的波动性假设与实验证实
三、德布罗意波的统计解释
第二节 不确定关系
一、不确定关系的表述
二、应用
第三节 量子力学的基本假设
一、波函数
二、力学量的算符表示
三、量子力学的基本方程
四、平均值假设
五、全同性原理
第四节 金属中自由电子的运动与能量量子化
一、能量
二、波函数
*第五节 关于量子力学基本理论的争论
第六节 基本例题解
习题
第二章 原子的结构和性质
第一节 类氢原子体系的薛定谔方程及解
一、类氢原子体系的薛定谔方程
二、分离变量法
三、三个方程的求解与量子数
四、类氢原子的波函数
第二节 量子数的物理意义
一、主量子数n
二、角动量与角量子数l
三、磁量子数m
第三节 原子轨道和电子密度图形
一、概述
二、原子轨道与电子密度径向分布
三、原子轨道角度分布与电子密度角度分布
第四节 多电子原子
一、氦原子的薛定谔方程
二、中心力场近似
三、屏蔽效应和钻穿效应
四、原子体系的哈特里自洽场方法
第五节 电子的自旋与自旋波函数
一、斯特恩-格拉克实验
二、乌仑贝克-古德斯米特电子自旋假设
三、自旋与自旋在磁场方向分量的表达式
四、自旋轨道与自旋波函数
第六节 基态原子核外电子排布的原则
一、泡利不相容原理
二、能量最低原理
三、洪德规则
第七节 原子的量子态和光谱项
*一、多电子原子相互作用的分类
二、电子组态与原子量子态
三、原子光谱项
第八节 原子电离能、电子亲和能和电负性
一、原子电离能和电子亲和能的定义
二、原子的电负性
*第九节 关于价电子的讨论
一、电子在原子核周围有一个相对较大的活动空间
二、库仑力是决定原子结构的主要作用力
三、价电子层
四、价电子的重要性
第十节 基本例题解
习题
第三章 分子的对称性
第一节 对称操作与对称元素
一、旋转轴和旋转操作
二、镜面和反映操作
三、对称中心和反演操作
四、象转轴和旋转反映操作
第二节 分子点群
一、群的数学定义
二、对称操作群
三、群的乘法表
四、分子点群的分类
五、分子点群的判别
第三节 分子的对称性和分子偶极矩、旋光性的预测
一、分子的偶极矩
二、分子的旋光性
*第四节 群的表示初步
一、对称操作的矩阵表示
二、点群的表示
三、特征标
*第五节 浅谈对称性
一、晶体学与群论
二、对称性与守恒定律
三、全同多粒子体系交换对称性对波函数的限制
四、分子轨道对称守恒原理
五、未来的发展
第六节 基本例题解
习题
第四章 分子轨道理论
第一节 氢分子离子与变分法
一、氢分子离子的薛定谔方程
二、原子单位
三、变分法简介
四、用线性变分法求解H+2的薛定谔方程
五、变分法处理H+2所得主要结果的分析
第二节 简单分子轨道理论
一、简单分子轨道理论的要点
二、应用简单分子轨道理论处理H2的结果
第三节 分子轨道的类型、符号和能级顺序
一、类型和符号
二、能级顺序
第四节 双原子分子的结构和性质
一、分子的电子组态与键级
二、同核双原子分子
三、异核双原子分子
第五节 休克尔分子轨道法和共轭分子结构
一、休克尔分子轨道法
二、离域π键形成条件和类型
三、离域效应
四、超共轭效应
第六节 前沿轨道理论与分子轨道对称守恒原理
一、前沿轨道理论
二、分子轨道对称守恒原理
*第七节 当前分子轨道理论的概况
一、哈特里-福克-罗汤方程
二、计算方法
第八节 基本例题解
习题
第五章 价键理论
第一节 海特勒-伦敦处理氢分子的结果
一、海特勒-伦敦法解H2分子结构简介
二、海特勒-伦敦法对氢分子形成共价键的认识
第二节 价键理论的要点及对简单分子的应用
一、价键理论的要点
二、价键理论对简单分子的应用
第三节 价键理论与简单分子轨道理论的比较
一、理论比较
二、实验检验
第四节 杂化轨道理论
一、杂化轨道理论要点
二、等性杂化轨道的主要类型
三、sp不等性杂化
*第五节 价电子对互斥理论
一、VSEPR判断分子几何构型的规则
二、应用VSEPR分析实例
*第六节 价键理论的发展
一、价键理论的早期工作
二、广义价键理论
三、价键理论的新进展
第七节 基本例题解
习题
第六章 配合物的化学键理论
第一节 概述
*第二节 配合物的价键理论
第三节 晶体场理论
一、中心离子d轨道能级的分裂
二、中心离子d电子的排布——高自旋态和低自旋态
三、晶体场稳定化能
四、扬特勒效应
*第四节 配体场理论简介
一、d1轨道能级在Oh场中的分裂
二、dN原子谱项在配体场中的分裂
第五节 配合物的分子轨道理论初步
一、金属离子的原子轨道分组
二、配体的σ群轨道
三、π分子轨道
第六节 σ-π配键及有关配合物
一、金属羰基配合物中的σ-π配键
二、π配合物的σ-π配键
三、金属夹心配合物
*第七节 配合物化学键理论简述
一、价键理论
二、晶体场理论
三、配体场理论
四、分子轨道理论
第八节 基本例题解
习题
第七章 簇合物和团簇
第一节 主族簇合物
一、硼烷
二、多面体碳烷
第二节 过渡金属簇合物
一、金属簇合物中的M—M键及其特征
二、簇合物的十八电子规则和金属-金属键的键数
三、过渡金属簇合物的分类
第三节 团簇
一、概述
二、几种团簇介绍
第四节 簇合物的催化作用
一、金属簇催化
二、团簇催化
第五节 基本例题解
习题
第八章 分子的物理性质及次级键
第一节 分子的电学性质
一、偶极矩
二、小分子的极化
三、极化率与电容率的关系
四、极化作用与频率的关系
*第二节 分子的磁学性质
一、磁化率
二、物质的磁性分类
三、分子磁矩
四、铁磁性、反铁磁性与亚铁磁性
五、摩尔顺磁磁化率与磁矩的关系
第三节 分子间作用力
一、范德华力的组成
二、兰纳-琼斯势
三、分子间作用力对物质物理性质的影响
四、原子的范德华半径与分子的大小和形状
第四节 次级键
一、氢键
*二、非金属原子间的次级键
*三、金属原子间的次级键
四、分子间配键
第五节 基本例题解
习题
第九章 结构分析方法简介
第一节 分子光谱
一、概述
二、吸收光谱
三、双原子分子的转动光谱
四、双原子分子的振动光谱
五、双原子分子的振动-转动光谱
六、多原子分子的振动光谱
七、红外光谱
八、拉曼光谱简介
九、紫外-可见光谱及其应用
第二节 光电子能谱
一、X射线光电子能谱
二、紫外光电子能谱
第三节 核磁共振
一、核自旋
二、核磁共振
三、化学位移
四、核磁共振谱示例
第四节 基本例题解
习题
第十章 晶体的对称性与X射线衍射法
第一节 晶体结构的周期性和点阵
一、晶体的宏观通性
二、晶体结构的周期性
三、点阵
四、14种空间点阵型式
第二节 晶胞、晶棱和晶面
一、晶胞和晶胞中微粒的位置
二、晶面指标
三、晶棱指标
四、点阵与晶体之间的对应关系
第三节 晶体的宏观对称性
一、晶体的宏观对称元素与对称操作
二、晶体的32种宏观对称类型
三、七个晶系
第四节 晶体的微观对称性
一、平移轴与平移操作
二、螺旋轴与螺旋旋转操作
三、滑移面与滑移反映操作
第五节 实际晶体的缺陷
一、实际晶体与理想晶体
二、实际晶体缺陷的种类
三、单晶体、多晶体和微晶体
第六节 X射线晶体结构分析原理
一、X射线的产生
二、X射线衍射的基本原理
三、晶体衍射方程
四、X射线的衍射强度
五、系统消光
六、常用X射线衍射分析方法
第七节 基本例题解
习题
第十一章 晶体结构与功能材料
第一节 固体能带理论
一、晶体中电子的波函数
二、能带理论的基本原理与能带的种类
*三、能带理论的导出
四、绝缘体、导体和半导体
五、半导体的能带结构
第二节 等径圆球的密堆积与最密堆积空隙
一、等径圆球密堆积
二、最密堆积空隙
第三节 金属晶体
一、金属键
二、单质金属晶体的结构和金属原子半径
三、合金的结构及性质
第四节 离子晶体
一、离子晶体的几种典型的结构形式
二、点阵能的计算
三、离子半径
四、不等径圆球的堆积与多面体空隙
五、离子堆积规律
六、离子的极化
第五节 离子晶体结构的鲍林规则与离子晶体举例
一、鲍林规则
二、离子晶体举例——尖晶石结构
第六节 共价晶体与分子晶体
一、共价晶体
二、分子晶体
*第七节 功能材料晶体
一、超导材料
二、磁性材料
三、有机非线性光学材料
四、液晶高分子材料
第八节 基本例题解
习题
部分习题参考答案
主要参考文献
附录
附录1 基本常数
附录2 能量单位换算

精彩书摘

　　第一章 量子力学基础
　　结构化学是研究原子、分子和晶体的微观结构，阐述分子和晶体的成因；研究结构与性能之间的关系；以及测定分子和晶体结构实验方法的学科。因此结构化学是化学各学科、各专业的重要基础理论课程。
　　量子力学是研究微观粒子（电子、原子、分子等）运动规律的理论，是深入探讨物质结构及其性能关系的理论基础。结构化学讨论的对象是分子结构，涉及电子、原子等微观粒子，这些粒子的运动规律服从量子力学基本原理，所以本章内容是学习结构化学必备的基础知识。
　　本章简单介绍量子力学诞生的实验基础，引出微观粒子的能量量子化与波粒二象性两个最基本、最重要的概念。以假设的形式介绍量子力学基本原理① ，并应用讨论无限深势阱中的电子。同时，扼要地介绍了关于量子力学基本理论的争论。
　　第一节 量子力学实验基础与基本概念的引出
　　人们把牛顿（Newton）力学、热力学、统计力学、麦克斯韦（ Maxwell）电磁理论等称为经典物理学，将量子力学以及在其基础上发展起来的量子场论称为量子理论。
　　19 世纪末，经典物理学已发展得相当完善，大多数物理学家相信，理论上不会有什么新的发现，以后的工作只是如何应用现有的理论解决具体问题及提高计算结果的精确度。可是在19 世纪末到20 世纪初，发现了一些新的实验现象，如黑体辐射、光电效应、原子线状光谱等，都是经典物理学无法解释的。这些现象揭示了经典物理学的局限性，暴露了经典物理学与微观粒子运动规律的矛盾，从而为量子力学的创立提出了要求和准备了条件。
　　一、能量量子化与光的波粒二象性
　　1.黑体辐射和能量量子化
　　实验证明物体在任何温度下都向周围发射电磁波，即产生辐射，物体发出的辐射能以及辐射能按波长的分布主要取决于物体的温度，所以这种辐射称为热辐射。热辐射是自然界普遍存在的现象。物体发射电磁波的同时也吸收周围其他物体所发射的电磁波。如果物体在单位时间辐射出的能量恰好等于吸收其他物体辐射出来的能量，则辐射过程达到平衡，称为平衡热辐射。
　　对于外来的辐射，物体有反射或吸收作用。如果一个物体在任何温度下都能将投射于其上的辐射全部吸收而无反射，这种物体就称为绝对黑体，简称黑体。自然界没有真正的黑体，绝对黑体显然是一种理想模型。一个带有小孔的空腔可以近似看作黑体，如图1 1 所示。所有射入该小孔的辐射会在空腔内经过多次反射才可能由小孔射出空腔，而每次反射，腔壁都吸收一部分能量，经多次反射后，仅有极微弱的能量从小孔逸出，实际上可以忽略不计，认为空腔中的辐射全部被吸收，因此可以把开有小孔的空腔视为黑体。
　　……

前言/序言

探寻物质世界的奥秘：一部超越基础的化学视角 图书名称： 物质的形与力：现代化学前沿与交叉学科的深度对话 图书简介： 本书旨在为具备一定化学基础的读者，特别是高等教育阶段学习者、科研工作者以及对现代科学前沿抱有浓厚兴趣的专业人士，提供一个审视化学学科深度、广度及其与其他前沿科学交叉融合的全新视角。我们不再局限于传统“结构化学”所侧重的原子排列、轨道杂化和晶体结构等基础框架，而是将目光投向更具动态性、功能性和系统性的现代化学领域。 本书的核心理念是：化学是理解和操控物质性能的终极语言。 我们将深入探讨当前化学研究中最活跃、最具颠覆性的几个方向，力求展现化学如何驱动材料科学、生命科学乃至信息技术的革命。 第一部分：超越平衡态——动态化学与反应性的精微调控 在传统的化学结构描述中，我们常常关注体系的最低能量状态。然而，现代化学研究的焦点正越来越多地转向反应动力学和过渡态理论的精确量化。 本部分将首先回顾经典碰撞理论的局限性，并引入量子反应动力学的最新进展。我们将详细讨论如何利用飞秒/阿秒激光光谱技术对分子振动、转动以及化学键的断裂与形成过程进行实时“录像”。这不再是静态的结构快照，而是对能量如何在分子间和分子内传递的实时追踪。例如，我们将探讨非绝热过程在光催化和光化学反应中的关键作用，以及如何通过精确控制激发态的寿命和弛豫路径来设计高效的能量转换系统。 随后，我们会深入研究催化科学的革命。重点不再是寻找新型催化剂，而是调控催化活性位点的动态环境。我们将讨论单原子催化（SACs）的构筑原理及其超越传统纳米颗粒的独特优势，以及如何利用先进的原位/谱学技术（如同步辐射X射线吸收谱、表面等离子体共振增强拉曼散射等）实时监测反应过程中活性中心的结构演变和电子态变化。此外，生物催化——酶的工作机制，也将从结构稳定性的角度，扩展到对水合层和微环境影响下动态构象变化的深入分析。 第二部分：功能化与自组装——从分子到宏观系统的设计 结构化学关注的是“分子如何构成”，而本部分聚焦于“我们如何设计分子使其具有特定的功能”以及“分子如何自发组织成具有新颖宏观特性的复杂体系”。 我们将全面探讨功能导向的分子设计。这包括： 1. 有机光电材料的精细调控： 详细解析共轭聚合物和有机小分子的能级结构如何影响电荷传输、激子分离与复合效率。重点分析分子内电荷转移（ICT）态、反式/顺式异构化对有机太阳能电池（OSCs）和有机发光二极管（OLEDs）性能的制约与优化策略。我们将剖析非平面性和分子间堆积模式如何影响薄膜形貌和器件效率。 2. 超分子化学与自组装： 超越传统的晶体工程，我们关注的是动态共价化学（DCvC）和配位化学在构建复杂结构中的应用。重点解析拓扑化学的概念，以及如何利用非经典相互作用（如C-H···π，卤键等）来指导动态共价网络（COFs/MOFs）的定向生长。这些材料的功能性不再局限于吸附，而是扩展到气体分离、选择性传感和信息存储。 3. 软物质化学的新范式： 深入讨论液晶、两亲性嵌段共聚物和智能水凝胶的界面行为和相变机制。我们将从界面热力学的角度出发，解释这些材料如何对外部刺激（pH、温度、光照）产生可逆的形态变化，以及这些变化在药物递送和软机器人技术中的潜在应用。 第三部分：化学的边界拓展——与信息科学和生命科学的深度融合 现代化学已不再是孤立的学科，它正成为连接生命过程和信息技术的核心桥梁。 1. 化学与生物系统的接口： 我们将研究化学生物学的前沿课题。这包括生物正交化学，即如何在活细胞环境中进行精确的化学修饰而不干扰正常的生理过程。重点分析点击化学（Click Chemistry）的高效性及其在蛋白质标记、生物成像中的应用。此外，我们还将探讨合成生物学对新型代谢途径的构建中，化学合成单元和生物元件的整合策略。 2. 化学信息学与高通量筛选： 随着计算能力的提升，计算化学已从验证性工具转变为预测性引擎。本部分将详细介绍机器学习（ML）和深度学习（DL）在化学领域的应用，例如利用图神经网络（GNNs）预测分子性质、优化反应条件，以及加速新材料的逆向设计（Inverse Design）。我们将探讨高通量实验平台（HTE）如何与数据驱动的预测模型相结合，形成“实验-模拟-预测”的闭环优化流程。 3. 量子化学在材料科学中的前沿应用： 区别于基础量子化学对轨道和电子结构的描述，本部分聚焦于多体微扰理论（如GW近似、贝特-萨德帕理论）如何精确预测半导体材料的激发态、载流子分离能和缺陷能级，为下一代电子器件和光电器件的设计提供理论支撑。 总结与展望： 本书超越了对结构本身的静态描述，强调的是结构、性质与功能之间的动态、可逆和可控的关系。它引导读者从微观的量子行为到宏观的功能实现，体验化学作为一门中心科学在解决21世纪重大挑战中不可替代的作用。阅读本书，读者将获得分析和设计新型功能物质系统的理论工具和前沿视野。