无机化学 Inorganic Chem istry Lecture 张祖德 中国科学技术大学化学系 二零零五年六月
前言 化学是一门中心科学,无机化学是化学的基础学科。《无机化学》课程是面向大学一年 级( freshman)学生的课程。为了使新学生在较短的时间内适应大学的学习方法,更好地掌 握无机化学的基础知识,我把自己多年使用的教案,经过反复修改,打印出来,印成讲义, 发给我授课的同学。 无机化学内容分成三大部分:化学原理、化学理论和描述化学。其核心内容是化学理 论,这是各物质之间化学变化的实质所在。本教案的特点是应用化学理论来指导描述化学的 学习。 化学理论部分恰恰是无机化学教学中的难点。由于大一学生的数学基础有限,所以在 化学理论中只能讲授量子力学对微观粒子运动描述的一些重要结论,这就要求学生首先要相 信这些结论,掌握这些结论,运用这些结论来总结归纳元素与化合物的性质,如6s2惰性电 子对效应,元素周期表的对角线关系,配合物的晶体场理论,软硬酸碱理论等等。 本教案属于本人的备课笔记,不是讲义,更不是著作,所以在形式上是不拘一格的, 是中英文的 mixture。我认为培养研究型大学的学生,一定要能够阅读国内外的核心期刊的 论文,迅速掌握英文的专业词汇是当务之急,希望本教案在提高学生的英语著作和文献方面 能起到一定的作用。 本教案是我几十年教学的结晶。教案也是我在各类教学过程中向学生学习的收获。正 如我在绪论中引用的:“ To our students, whose enthusiasm and curiosity have often inspired us and whose questions and suggestions have sometimes taught us”摘自《 Chemistry- The Central Science》T.L. Brown等著)这段话,真实地反映出我在教学过程中与学生相处的日子里, 学生对我的教育,学生对问题的深入研究,学生提出的一些好的建议,都对我的无机化学教 学给予了极大帮助,所以我特别欢迎学生在无机化学答疑时间内提出自己的问题和建议,共 同讨论,相互提高。 有了这本教案,学生是否可以不听课,只要看教案,就可以掌握大一的无机化学知识 了呢?我觉得这个问题是应因人而异的。如果学生看了我的教案和其他教材,确实能掌握无 机化学知识,在无机化学考试中获得优秀,当然可以通过自学来掌握无机化学,因为自学能 力对人的一生都产生重大影响。如果你没有很强的自学能力,我建议还是以听课为主,因为 教案是无声的,讲课是绘声绘色。我相信绝大部分学生会选择听课的。据我的经验,听讲要 比自己看书记得更牢一些。当然排除那些淡而无味,照本宣科的讲课 本教案的出版首先得到了教务处在经费上的大力支持,本人深表敬意和感谢。2003级 李甫等五名同学利用2004年暑假,根据我的手稿,打印出了《无机化学教案》初稿。2004 年10月份张翠平同志对初稿进行了修订,充实和统一排版,我向他们表示感谢。本教案的 各章节已在2005级学生中试用过,他们对这些章节存在的一些错误和问题,提出了自己的 意见和建议,得到了及时的改正,我向2005级学生在使用本教案初稿时带来的不便表示歉 意,对他们提出的宝贵意见表示感谢。 《无机化学教案》虽然经过我多次的阅读,修改,也经过2005级学生的使用,但由于 本人的水平有限,难免存在错误和不足,希望使用本教材的学生和化学同仁提出宝贵意见 本人不胜感激。 张祖德 2005-5-20于科大
前 言 化学是一门中心科学，无机化学是化学的基础学科。《无机化学》课程是面向大学一年 级（freshman）学生的课程。为了使新学生在较短的时间内适应大学的学习方法，更好地掌 握无机化学的基础知识，我把自己多年使用的教案，经过反复修改，打印出来，印成讲义， 发给我授课的同学。 无机化学内容分成三大部分：化学原理、化学理论和描述化学。其核心内容是化学理 论，这是各物质之间化学变化的实质所在。本教案的特点是应用化学理论来指导描述化学的 学习。 化学理论部分恰恰是无机化学教学中的难点。由于大一学生的数学基础有限，所以在 化学理论中只能讲授量子力学对微观粒子运动描述的一些重要结论，这就要求学生首先要相 信这些结论，掌握这些结论，运用这些结论来总结归纳元素与化合物的性质，如 6s2惰性电 子对效应，元素周期表的对角线关系，配合物的晶体场理论，软硬酸碱理论等等。 本教案属于本人的备课笔记，不是讲义，更不是著作，所以在形式上是不拘一格的， 是中英文的 mixture。我认为培养研究型大学的学生，一定要能够阅读国内外的核心期刊的 论文，迅速掌握英文的专业词汇是当务之急，希望本教案在提高学生的英语著作和文献方面 能起到一定的作用。 本教案是我几十年教学的结晶。教案也是我在各类教学过程中向学生学习的收获。正 如我在绪论中引用的：“To our students, whose enthusiasm and curiosity have often inspired us, and whose questions and suggestions have sometimes taught us”摘自《Chemistry – The Central Science》 T. L. Brown 等著）这段话，真实地反映出我在教学过程中与学生相处的日子里， 学生对我的教育，学生对问题的深入研究，学生提出的一些好的建议，都对我的无机化学教 学给予了极大帮助，所以我特别欢迎学生在无机化学答疑时间内提出自己的问题和建议，共 同讨论，相互提高。 有了这本教案，学生是否可以不听课，只要看教案，就可以掌握大一的无机化学知识 了呢？我觉得这个问题是应因人而异的。如果学生看了我的教案和其他教材，确实能掌握无 机化学知识，在无机化学考试中获得优秀，当然可以通过自学来掌握无机化学，因为自学能 力对人的一生都产生重大影响。如果你没有很强的自学能力，我建议还是以听课为主，因为 教案是无声的，讲课是绘声绘色。我相信绝大部分学生会选择听课的。据我的经验，听讲要 比自己看书记得更牢一些。当然排除那些淡而无味，照本宣科的讲课。 本教案的出版首先得到了教务处在经费上的大力支持，本人深表敬意和感谢。2003 级 李甫等五名同学利用 2004 年暑假，根据我的手稿，打印出了《无机化学教案》初稿。2004 年 10 月份张翠平同志对初稿进行了修订，充实和统一排版，我向他们表示感谢。本教案的 各章节已在 2005 级学生中试用过，他们对这些章节存在的一些错误和问题，提出了自己的 意见和建议，得到了及时的改正，我向 2005 级学生在使用本教案初稿时带来的不便表示歉 意，对他们提出的宝贵意见表示感谢。 《无机化学教案》虽然经过我多次的阅读，修改，也经过 2005 级学生的使用，但由于 本人的水平有限，难免存在错误和不足，希望使用本教材的学生和化学同仁提出宝贵意见， 本人不胜感激。 张祖德 2005-5-20 于科大
录 绪 The Scientific Method 第一章气体、液体和溶液的性质 6 Supercritical Extraction 第二章化学热力学基础与化学平衡 Hot and Cold packs 46 ntro raer and nd Ludwing boltzmann 第三章化学动力学基础 Depletion of Stratospheric Ozone 第四章电离平衡与酸碱理论 第五章沉淀反应 Solubility Equilibria 第六章氧化一还原反应和电化学 Ammonium Nitrate 第七章原子结构和元素周期律 How the Periodic Table Was Developed l15 第八章化学键和分子、晶体结构 Using X-ray to Determine Crystal Structure s区和p区元素化学引言 146 第九章稀有气体 149 Bonding in Noble Gas Compounds 第十章氢、碱金属和碱土金属 153 Lithium and mental health 63 sotopes in Chemistry 第十一章卤素 The Discovery of the Perbromate lon Swimming Pool Chemistry 177 第十二章氧族元素 Disulfide bonds and hair The Chemistry of Photography 第十三章氮族元素 Nauru, the Worlds Richest Island 第十四章碳族元素 The Discovery of Buckminsterfullerene 第十五章硼族元素 211 An Alternative View of Bonding in Boron Trifluoride nic fibers
目 录 绪 论 1 The Scientific Method 5 第一章 气体、液体和溶液的性质 6 Supercritical Extraction 25 第二章 化学热力学基础与化学平衡 26 Hot and Cold Packs 46 Entropy， Disorder, and Ludwing Boltzmann 47 第三章 化学动力学基础 48 Depletion of Stratospheric Ozone 61 第四章 电离平衡与酸碱理论 62 Stomach Acidity 74 第五章 沉 淀 反 应 75 Solubility Equilibria 81 第六章 氧化─还原反应和电化学 82 Ammonium Nitrate 95 第七章 原子结构和元素周期律 96 How the Periodic Table Was Developed 115 第八章 化学键和分子、晶体结构 117 Using X-ray to Determine Crystal Structure 145 s 区和 p 区元素化学引言 146 第九章 稀有气体 149 Bonding in Noble Gas Compounds 152 第十章 氢、碱金属和碱土金属 153 Lithium and Mental Health 163 Isotopes in Chemistry 164 第十一章 卤 素 165 The Discovery of the Perbromate Ion 176 Swimming Pool Chemistry 177 第十二章 氧族元素 178 Disulfide Bonds and Hair 187 The Chemistry of Photography 187 第十三章 氮族元素 188 Nauru, the World’s Richest Island 201 第十四章 碳族元素 202 The Discovery of Buckminsterfullerene 210 第十五章 硼族元素 211 An Alternative View of Bonding in Boron Trifluoride 220 Inorganic Fibers 220
第十六章配位化合物 221 The Trans effect 第十七章铜、锌分族 The preservation of books 第十八章过渡元素(I) Technetium in Diagnostic Treatment Medicine Ziegler-Natta catalysts 第十九章过渡元素(I) 270 Platinum Complexes and Cancer 277 第二十章镧系元素和锕系元素 278 ppendix Appendix 1 An Element Crossword Appendix 2 Thermodynamic Properties of Some Selected Inorganic Compounds Appendix 3 Standard Half-Cell Electrode Potentials of Selected Elements Appendix 4 Charge Densities of Selected lons Appendix 5 Selected Bond Energies Appendix 6 lonization Energies of Selected Metal Appendix 7 Electron Affinities of Selected Nonmetals 312 Appendix 8 Electron Configurations of the Elements 313 Appendix 9 Selected Lattice Energies 315 Appendix 10 Selected Hydration Enthalpies Appendix 11 Selected lonic Radii 17
第十六章 配位化合物 221 The Trans Effect 247 第十七章 铜、锌分族 249 The Preservation of Books 255 第十八章 过渡元素（I） 256 Technetium in Diagnostic Treatment Medicine 268 Ziegler-Natta catalysts 269 第十九章 过渡元素（II） 270 Platinum Complexes and Cancer 277 第二十章 镧系元素和锕系元素 278 Superconductivity 280 Appendix Appendix 1 An Element Crossword 281 Appendix 2 Thermodynamic Properties of Some Selected Inorganic Compounds 284 Appendix 3 Standard Half –Cell Electrode Potentials of Selected Elements 301 Appendix 4 Charge Densities of Selected Ions 308 Appendix 5 Selected Bond Energies 310 Appendix 6 Ionization Energies of Selected Metals 311 Appendix 7 Electron Affinities of Selected Nonmetals 312 Appendix 8 Electron Configurations of the Elements 313 Appendix 9 Selected Lattice Energies 315 Appendix 10 Selected Hydration Enthalpies 316 Appendix 11 Selected Ionic Radii 317