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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ms28

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