无机化学

无机化学是研究无机化合物的化学,是化学领域的一个重要分支。通常无机化合物与有机化合物相对,指不含C-H键的化合物,因此一氧化碳、二氧化碳、二硫化碳、氰化物、硫氰酸盐、碳酸及碳酸盐等都属于无机化学研究的范畴。但这二者界限并不严格,之间有较大的重叠,有机金属化学即是一例。

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基本资料

无机化学是研究无机化合物的化学,是化学领域的一个重要分支。通常无机化合物与有机化合物相对,指不含C-H键的化合物,因此一氧化碳、二氧化碳、二硫化碳、氰化物、硫氰酸盐、碳酸及碳酸盐等都属于无机化学研究的范畴。但这二者界限并不严格,之间有较大的重叠,有机金属化学即是一例。 中文名称无机化学 外文名称Inorganic Chemistry

?基本简介

  无机化学(Inorganic Chemistry)是研究无机物质的组成、性质、结构和反应的科学,它是化学中最古老的分支学科。无机无机化学是研究无机化合物的化学,是化学领域的一个重要分支。通常无机化合物与有机化合物相对,指不含C-H键的化合物,因此一氧化碳、二氧化碳、二硫化碳、氰化物、硫氰酸盐、碳酸及碳酸盐等都属于无机化学研究的范畴。但这二者界限并不严格,之间有较大的重叠,有机金属化学即是一例。  物质包括所有化学元素,碳化合物以外的化合物,5种和其他几种的简单的碳化合物。(除二氧化碳、一氧化碳、碳酸、二硫化碳、碳酸盐等简单的碳化合物仍属无机物质外,其余均属于有机物质。)  无机化学是除碳氢化合物及其衍生物外,对所有元素及其化合物的性质和他们的反应进行实验研究和理论解释的科学,是化学学科中发展最早的一个分支学科。  过去认为无机物质即无生命的物质,如岩石、土壤,矿物、水等;而有机物质则是由有生命的动物和植物产生,如蛋白质、油脂、淀粉、纤维素、尿素等。1828年德意志化学家维勒从无机物氰酸铵制得尿素,从而破除了有机物只能由生命力产生的迷信,明确了这两类物质都是由化学力结合而成。现在这两类物质是按上述组分不同而划分的。化学还有其它细分类。

发展历程

  如至少在公元前6000年,中国原始人即知烧粘土制陶器,并逐渐发展为彩陶、白陶,釉陶和瓷器。公元前5000年左右,人类发现天然铜性质坚韧,用作器具不易破损。后又观察到铜矿石如孔雀石(碱式碳酸铜)与燃炽的木炭接触而被分解为氧化铜,进而被还原为金属铜,经过反复观察和试验,终于掌握以木炭还原铜矿石的炼铜技术。以后又陆续掌握炼锡、炼锌、炼镍等技术。中国在春秋战国时代即掌握了从铁矿冶铁和由铁炼钢的技术,公元前2世纪中国发现铁能与铜化合物溶液反应产生铜,这个反应成为后来生产铜的方法之一。  化合物方面,在公元前17世纪的殷商时代即知食盐(氯化钠)是调味品,苦盐(硫酸镁)的味苦。公元前五世纪已有琉璃(聚硅酸盐)器皿。公元七世纪,中国即有焰硝(硝酸钾)、硫黄和木炭做成火药的记载。明朝宋应星在1637年刊行的《天工开物》中详细记述了中国古代手工业技术,其中有陶瓷器、铜、钢铁、食盐、焰硝、石灰、红矾、黄矾、等几十种无机物的生产过程。由此可见,在化学科学建立前,人类已掌握了大量无机化学的知识和技术。  古代的炼丹术是化学科学的先驱,炼丹术就是企图将丹砂(硫化汞)之类药剂变成黄金,并炼制出长生不老之丹的方术。中国金丹术始于公元前2、3世纪的秦汉时代。公元142年中国金丹家魏伯阳所著的《周易参同契》是世界上最古的论述金丹术的书,约在360年有葛洪著的《抱朴子》,这两本书记载了60多种无机物和它们的许多变化。约在公元8世纪,欧洲金丹术兴起,后来欧洲的金丹术逐渐演进为近代的化学科学,而中国的金丹术则未能进一步演进。  金丹家关于无机物变化的知识主要从实验中得来。他们设计制造了加热炉、反应室、蒸馏器、研磨器等实验用具。金丹家所追求的目的虽属荒诞,但所使用的操作方法和积累的感性知识,却成为化学科学的前驱。  由于最初化学所研究的多为无机物,所以近代无机化学的建立就标志着近代化学的创始。建立近代化学贡献最大的化学家有三人,即英国的玻意耳、法国的拉瓦锡和英国的道尔顿。  玻意耳在化学方面进行过很多实验,如磷、氢的制备,金属在酸中的溶解以及硫、氢等物的燃烧。他从实验结果阐述了元素和化合物的区别,提出元素是一种不能分出其他物质的物质。这些新概念和新观点,把化学这门科学的研究引上了正确的路线,对建立近代化学作出了卓越的贡献。  拉瓦锡采用天平作为研究物质变化的重要工具,进行了硫、磷的燃烧,锡、汞等金属在空气中加热的定量实验,确立了物质的燃烧是氧化作用的正确概念,推翻了盛行百年之久的燃素说。拉瓦锡在大量定量实验的基础上,于1774年提出质量守恒定律,即在化学变化中,物质的质量不变。1789年,在他所著的《化学概要》中,提出第一个化学元素分类表和新的化学命名法,并运用正确的定量观点,叙述当时的化学知识,从而奠定了近代化学的基础。由于拉瓦锡的提倡,天平开始普遍应用于化合物组成和变化的研究。  1799年,法国化学家普鲁斯特归纳化合物组成测定的结果,提出定比定律,即每个化合物各组分元素的重量皆有一定比例。结合质量守恒定律,1803年道尔顿提出原子学说,宣布一切元素都是由不能再分割、不能毁灭的称为原子的微粒所组成。并从这个学说引伸出倍比定律,即如果两种元素化合成几种不同的化合物,则在这些化合物中,与一定重量的甲元素化合的乙元素的重量必互成简单的整数比。这个推论得到定量实验结果的充分印证。原子学说建立后,化学这门科学开始宣告成立。  19世纪30年代,已知的元素已达60多种,俄国化学家门捷列夫研究了这些元素的性质,在1869年提出元素周期律:元素的性质随着元素原子量的增加呈周期性的变化。这个定律揭示了化学元素的自然系统分类。元素周期表就是根据周期律将化学元素按周期和族类排列的,周期律对于无机化学的研究、应用起了极为重要的作用。  目前已知的元素共109种,其中94种存在于自然界,15种是人造的。代表化学元素的符号大都是拉丁文名称缩写。中文名称有些是中国自古以来就熟知的元素,如金、铝、铜、铁、锡、硫、砷、磷等;有些是由外文音译的,如钠、锰、铀、氦等;也有按意新创的,如氢(轻的气)、溴(臭的水)、铂(白色的金,同时也是外文名字的译音)等。  周期律对化学的发展起着重大的推动作用。根据周期律,门捷列夫曾预言当时尚未发现的元素的存在和性质。周期律还指导了对元素及其化合物性质的系统研究,成为现代物质结构理论发展的基础。系统无机化学一般就是指按周期分类对元素及其化合物的性质、结构及其反应所进行的叙述和讨论。  19世纪末的一系列发现,开创了现代无机化学;1895年伦琴发现 X射线;1896年贝克勒尔发现铀的放射性;1897年汤姆逊发现电子;1898年,居里夫妇发现钋和镭的放射性。20世纪初卢瑟福和玻尔提出原子是由原子核和电子所组成的结构模型,改变了道尔顿原子学说的原子不可再分的观念。  1916年科塞尔提出电价键理论,路易斯提出共价键理论,圆满地解释了元素的原子价和化合物的结构等问题。1924年,德布罗意提出电子等物质微粒具有波粒二象性的理论;1926年,薛定谔建立微粒运动的波动方程;次年,海特勒和伦敦应用量子力学处理氢分子,证明在氢分子中的两个氢核间,电子几率密度有显著的集中,从而提出了化学键的现代观点。  此后,经过几方面的工作,发展成为化学键的价键理论、分子轨道理论和配位场理论。这三个基本理论是现代无机化学的理论基础。

无机化合

配位化合物

  以经典配位化学理论的角度来看,主族元素构成的配体(如H?O、NH?、Cl?、CN?)向金属原子贡献一对电子,形成配位键从而构成配位化合物。而在现代的配位化合物中,几乎所有无机和有机化合物都可以被作为配体,从某种意义上也可以将所有的化合物都归到配位化合物的范畴中,经典理论中的“金属”在这里通常是3到13族元素及镧系和锕系金属。  配位化合物的异构现象十分普遍。维尔纳在1914年合成并且而后光学拆分的Hexol([Co((OH)2Co(NH3)4)3]6+)是第一个不含碳的手性化合物,[1] 而相关的领域被称为超分子配位化学。

主族元素化合物

  四氮化四硫(S4N4)的复杂结构引发了无机化学家的兴趣。  主族元素化合物主要指1-2族(除氢之外)和13-18族元素形成的化合物,有时3族的Sc、Y和La及12族的Zn、Cd和Hg也因为反应性类似而被包含在内。[3]  很多主族元素化合物自从化学被发现之初便被研究,例如很多单质硫、白磷和氧气的二元化合物,以及卡尔·博施和弗里茨·哈伯在二十世纪初发明的合成氨技术更是极大地激励了无机合成化学的发展。  典型的主族元素化合物有:SiO2、SnCl4和N2O。它们之中有很多都可被归为“有机金属化合物”的范畴,例如B(CH3)3,由于其分子中含有有机基团的缘故。很多主族元素化合物也存在于自然界中——例如体液中的离子、DNA中的磷酸基团以及许多酶中的中心金属原子,而它们也因此被划在“生物无机化学”的范围之下。相反地,某些缺少氢的有机化合物也可被划分为无机化合物,比如富勒烯、碳纳米管和二元碳氧化物。

过渡金属化合物

  聚酞菁铜是与血红素相关的过渡金属化合物。  过渡金属化合物包含的是4-11族元素所形成的化合物。尽管有时也会考虑3族和12族的元素,但一般主要认为它们属于主族元素化合物的范畴。  过渡金属配合倾向很强,其化合物构型也有很大不同,从钛的四面体型(例如TiCl4)到钴配合物的八面体型,再到某些镍配合物的平面正方结构。很多过渡金属化合物是重要的生物分子,比如血红素中的铁。

有机金属化合物

  一般把有机金属化合物定义为含有M-C-H键的化合物,[4] 其中的金属M既可以是主族元素,也可以是过渡金属。但在很多情况下有机金属化合物的范围被延伸,高度亲脂的金属羰基化合物和金属醇盐也被包含在内。  有机金属化合物之所以被单独归为一类,是因为它们中的有机基团对于氧化和水解较为敏感,且制备方法也较经典的配位化合物苛刻。很多包含弱配位能力配体(如烃类、H2和N2)的配位化合物,也成功在低配位能力溶剂中制得。

原子化合物

  原子簇化合物存在于各类化合物中,通常被定义为:凡以3个或3个以上原子直接键合构成的多面体或笼为核心,连接外围原子或基团而形成的结构单元

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