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基础篇——结构化学基本理论与方法 1

第1章 量子力学基本原理和简单应用 1

1.1 微观粒子的运动特征 1

1.1.1 量子力学诞生的实验基础 1

1.1.2 实物微粒的波粒二象性 4

1.1.3 测不准原理 5

1.2 量子力学基本假定及其推论 6

1.2.1 假定Ⅰ——微观粒子的状态和波函数 6

1.2.2 假定Ⅱ——力学量和算符 7

1.2.3 假定Ⅲ——本征函数、本征值和本征方程 9

1.2.5 假定Ⅴ——保里(Pauli)原理 11

1.2.4 假定Ⅳ——态的叠加原理 11

1.3 量子力学简单体系及其应用 12

1.3.1 一维势箱中的自由粒子运动 12

1.3.2 三维势箱中的自由粒子运动 14

1.3.3 一维简谐振子模型 15

1.3.4 简单模型的近似应用 16

习题一 18

参考文献 19

第2章 原子的结构和性质 20

2.1 单电子原子的薛定锷方程及其解 20

2.1.1 单电子原子的薛定锷方程 20

2.1.2 方程的求解 21

2.2 量子数和有关物理量 25

2.2.1 主量子数n和体系的能量 26

2.2.2 角量子数l和轨道角动量 26

2.2.3 磁量子数m和角动量在磁场方向的分量 27

2.2.4 自旋量子数s和自旋磁量子数ms 28

2.3 波函数和电子云图形 29

2.3.1 ψ-γ图和ψ2-γ图 29

2.3.2 电子云径向分布图 29

2.3.3 原子轨道的等值线图 30

2.3.4 原子轨道轮廓图 30

2.3.5 波函数的角度分布图 31

2.4.1 多电子原子薛定锷方程的近似解 32

2.4 多电子原子的结构 32

2.4.2 原子轨道能 34

2.4.3 原子核外的电子排布 35

2.5 原子光谱 35

2.5.1 原子的能态 35

2.5.2 原子光谱 38

习题二 40

参考文献 41

第3章 双原子分子的结构和性质 42

3.1 变分法 42

3.1.1 变分法原理 42

3.1.2 线性变分法 43

3.2.1 H？的薛定锷方程及变分法求解 44

3.2 H？的结构和共价键的本质 44

3.2.2 Haa、Hab、Sab的意义和H？的结构 45

3.2.3 共价键的本质 46

3.3 分子轨道理论和双原子分子结构 47

3.3.1 分子轨道理论要点 47

3.3.2 分子轨道图形特点和分类 49

3.3.3 同核双原子分子结构 51

3.3.4 异核双原子分子结构 53

习题三 53

参考文献 54

4.1.1 定域轨道和离域轨道的概念 55

4.1 定域分子轨道和离域分子轨道 55

第4章 多原子分子的结构和性质 55

4.1.2 共价键分子的键能和键长 58

4.2 杂化轨道理论 59

4.2.1 杂化轨道的夹角和分子构型 60

4.2.2 杂化轨道中组合系数的确定 61

4.3 HMO法和共轭分子结构 63

4.3.1 HMO理论 63

4.3.2 丁二烯分子的HMO法处理 64

4.3.3 HMO的三角函数法求解 67

4.3.4 离域π键分子的性质 72

4.4 分子轨道的对称性和反应机理 73

4.4.1 前沿轨道理论 73

4.4.2 分子轨道对称守恒原理(能量相关理论) 76

4.4.3 分子轨道能级转化图 77

4.5 配位化合物的结构与性质 79

4.5.1 配位化合物的概述 79

4.5.2 配位场理论简介 80

4.5.3 σ-π配键化合物和配位催化 84

习题四 85

参考文献 87

第5章 分子的对称性和群论知识 88

5.1 对称操作和对称元素 88

5.1.1 旋转操作和旋转轴 88

5.1.3 反映操作和镜面 90

5.1.4 旋转反演操作和反轴 90

5.1.2 反演操作和对称中心 90

5.1.5 旋转反映操作和映轴 91

5.2 群和对称元素的组合 92

5.2.1 群的定义 92

5.2.2 群的乘法表 92

5.2.3 对称元素的组合 93

5.3 分子的点群 94

5.4 分子的对称性与分子的性质 97

5.4.1 分子的旋光性 97

5.4.2 分子的电性质 98

5.5 群表示理论及其在化学中的应用 100

5.5.1 群的表示 100

5.5.2 特征标的性质和特征标表 101

5.5.3 应用举例 102

参考文献 106

习题五 106

第6章 结构分析方法简介 107

6.1 分子光谱原理 107

6.1.1 分子内部的运动和分子光谱 107

6.1.2 双原子分子的转动光谱 109

6.1.3 双原子分子的振动光谱 111

6.1.4 多原子分子的振动光谱 115

6.1.5 拉曼(Raman)光谱 116

6.2 核磁共振 117

6.2.1 核磁共振的一般原理 117

6.1.6 分子的电子光谱 117

6.2.2 化学位移 119

6.2.3 自旋-自旋耦合作用 120

习题六 122

参考文献 124

第7章 晶体学基础 125

7.1 晶体结构的周期性和点阵 125

7.1.1 晶体结构的特征 125

7.1.2 点阵和结构基元 126

7.1.3 晶胞和空间点阵单位 129

7.2 晶体结构的对称性 130

7.2.1 晶体的对称元素和对称操作 130

7.2.2 晶系和晶体学点群 132

7.2.3 空间群 134

7.2.4 晶面指标和晶面间距 135

7.2.5 理想晶体与实际晶体 137

7.3 晶体的X射线衍射 137

7.3.1 X射线的产生及其对晶体的衍射 137

7.3.2 衍射方向 138

7.3.3 衍射强度 141

7.3.4 多晶X射线衍射法 142

习题七 145

参考文献 146

8.1.1 金属键和金属的通性 147

8.1 金属的结构和性质 147

第8章 简单晶体的结构和性质 147

8.1.2 金属单质的三种典型结构 151

8.1.3 金属的原子半径 153

8.1.4 合金的结构和性质 154

8.2 离子晶体的结构和性质 157

8.2.1 离子晶体的几种典型结构 157

8.2.2 离子键和点阵能 158

8.2.3 离子半径 160

8.2.4 离子晶体的结晶化学规律(鲍林规则) 161

8.2.5 离子极化和键型变异 163

8.3 共价键晶体、分子晶体和液晶 163

8.3.1 共价键晶体 163

8.3.3 液晶 164

8.3.2 分子晶体 164

习题八 166

参考文献 167

拓展篇——功能材料的结构基础 168

第9章 导电性功能材料 168

9.1 材料的电学性能概述 168

9.2 物质的导电性 169

9.2.1 电导率 169

9.2.2 电阻率与温度的关系 169

9.2.3 超导性 170

9.3 共轭分子体系材料的导电性 170

9.4 电荷转移复合物 172

9.5 有机共轭分子的掺杂体系 175

9.6 离子导电 176

9.7 超导性根源和超导材料 178

9.7.1 超导性理论 178

9.7.2 金属超导材料 180

9.7.3 有机超导材料的研究 181

9.7.4 超导材料的应用 182

参考文献 182

第10章 光功能材料 183

10.1 分子的激发态及其性质 183

10.1.1 分子的激发态 183

10.1.2 激发态的性质 185

10.1.3 分子的受激跃迁 186

10.2 激发能的耗散 187

10.2.1 激发能的自发发射——荧光和磷光 187

10.2.2 激发能的受激发射——激光 188

10.3 激基缔合物和激基复合物 188

10.4 光活性材料 190

10.4.1 引言 190

10.4.2 光引发剂和光敏剂的通性 190

10.4.3 光引发剂 192

10.4.4 光敏剂 193

10.4.5 光敏涂料 195

10.4.6 光敏抗蚀剂 196

10.4.7 太阳能的化学转换 199

10.4.8 光致变色功能高分子 201

10.4.9 生物体系的光化学现象 203

参考文献 205

第11章 功能转换材料 206

11.1 压电材料 206

11.2 光电转换材料 208

11.3 磁光材料和声光材料 210

11.3.1 磁光材料 210

11.3.2 声光材料 211

参考文献 211

附录一 习题参考答案(摘选) 212

附录二 单位制、物理常数和换算因子 215

附录三 晶体的230个空间群的记号 217