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上篇 结构化学基础3

第1章 量子力学基础3

1.1 从经典力学到早期量子论3

1.1.1 黑体辐射与能量量子化3

1.1.2 光电效应与光量子化4

1.1.3 原子光谱与轨道角动量量子化5

1.2 量子力学的建立7

1.2.1 实物微粒的波粒二象性7

1.2.2 Schrodinger方程9

1.2.3 波函数的概率解释10

1.2.4 不确定原理12

1.2.5 量子力学公设14

1.3 阱中粒子的量子特征22

1.3.1 一维无限深势阱中的粒子22

1.3.2 三维无限深势阱中的粒子26

习题27

参考文献31

第2章 原子结构33

2.1 单电子原子的Schrodinger方程及其解33

2.1.1 单电子原子Schrodinger方程的建立33

2.1.2 坐标变换与变量分离33

2.1.3 方程的求解：原子轨道与能级35

2.1.4 virial定理与零点能41

2.2 原子轨道和电子云的图形表示42

2.2.1 作图对象与作图方法：三元函数的降维42

2.2.2 轨道和电子云的径向部分与角度部分的对画图44

2.2.3 轨道和电子云的等值面图与界面图：函数参数化49

2.2.4 轨道和电子云的网格图：坐标参数化51

2.2.5 电子云黑点图52

2.2.6 原子轨道的宇称53

2.3 量子数与可测物理量53

2.3.1 算符与可测物理量53

2.3.2 角动量的空间量子化56

2.4 多电子原子的结构58

2.4.1 多电子原子Schrodinger方程的近似求解58

2.4.2 构造原理与Slater行列式61

2.5 原子结构参数63

2.5.1 电离能63

2.5.2 电子亲和势63

2.5.3 电负性64

2.5.4 化学硬度65

2.6 原子光谱项65

2.6.1 组态与状态65

2.6.2 L-S矢量耦合模型66

2.6.3 原子光谱项和光谱支项的求法67

2.6.4 基谱项的确定：Hund规则71

2.6.5 跃迁选律72

习题75

参考文献79

第3章 双原子分子结构与化学键理论82

3.1 分子轨道理论82

3.1.1 H＋ 2的Schrodinger方程与B.O.近似83

3.1.2 变分原理及其证明83

3.1.3 H＋ 2的Schrodinger方程的变分求解85

3.1.4 共价键的本质87

3.1.5 分子轨道理论要点92

3.1.6 分子轨道的类型94

3.1.7 双原子分子的价层轨道与电子组态96

3.2 价键理论102

3.2.1 H2的Schrodinger方程的变分求解102

3.2.2 电子配对法的量子力学基础103

3.2.3 原子轨道的杂化105

3.3 双原子分子的光谱项108

3.3.1 分子谱项及支项108

3.3.2 非等价组态的谱项109

3.3.3 等价组态的谱项110

习题111

参考文献114

第4章 分子对称性与群论初步117

4.1 对称性概念117

4.2 分子的对称操作与对称元素122

4.2.1 旋转与旋转轴123

4.2.2 反映与镜面124

4.2.3 反演与对称中心124

4.2.4 旋转反映与映轴（旋转反演与反轴）124

4.3 分子点群125

4.3.1 单轴群126

4.3.2 双面群129

4.3.3 高阶群132

4.3.4 无旋转轴群136

4.3.5 确定分子点群的流程图137

4.4 分子对称性与偶极矩、旋光性的关系138

4.4.1 分子对称性与偶极矩138

4.4.2 分子对称性与旋光性139

4.5 群的表示与应用初步143

4.5.1 群的概念143

4.5.2 相似变换与共轭类144

4.5.3 群的表示与特征标144

4.5.4 群论在化学中的应用实例149

习题152

参考文献156

第5章 多原子分子的结构与性质159

5.1 非金属单质的结构化学：8—N法则159

5.2 非共轭分子几何构型与VSEPR规则162

5.3 共轭分子与SHMO法164

5.3.1 丁二烯离域大π键的SHMO处理164

5.3.2 直链和单环共轭体系本征值的图解法167

5.3.3 分子图：π电子密度、π键级、自由价168

5.3.4 共轭效应170

5.4 饱和分子的正则轨道与定域轨道173

5.5 缺电子分子的结构177

5.5.1 缺电子原子化合物的三种类型177

5.5.2 硼烷中的多中心键178

5.5.3 金属烷基化合物中的多中心键181

5.6 多原子分子的谱项182

5.7 配位场理论184

5.7.1 晶体场理论184

5.7.2 配位场理论187

5.7.3 T-S图与电子光谱192

5.8 分子轨道对称性守恒原理193

5.8.1 前线轨道理论193

5.8.2 相关图理论197

习题201

参考文献207

第6章 超分子化学简介210

6.1 超分子的概念210

6.2 分子间相互作用211

6.2.1 van der Waals作用211

6.2.2 氢键212

6.2.3 π—π堆积作用216

6.2.4 疏水效应217

6.3 分子识别与自组装217

6.3.1 分子识别217

6.3.2 自组装217

6.4 超分子实例218

6.4.1 具有分形结构的树状大分子219

6.4.2 杯芳烃／球碳配合物219

6.4.3 球碳的超分子220

6.4.4 卟啉类分子组装的人工天线系统220

6.4.5 轮烷、索烃和纽结220

6.4.6 超分子多面体和“分子胶囊”221

6.5 晶体工程223

习题223

参考文献225

第7章 晶体的点阵结构与X射线衍射法227

7.1 晶体的性质与结构特征227

7.2 现代科技中的晶体材料229

7.3 晶体结构的周期性和点阵230

7.3.1 结构基元与点阵230

7.3.2 点阵单位和晶格238

7.3.3 平移群241

7.3.4 晶胞242

7.4 晶体结构的对称性244

7.4.1 晶体的对称操作和对称元素244

7.4.2 32种晶体学点群251

7.4.3 7种晶系和6种晶族253

7.4.4 14种空间点阵型式258

7.4.5 点阵点、直线点阵、平面点阵的指标261

7.4.6 空间群263

7.4.7 晶体对称性各种概念的相互关系266

7.5 X射线衍射法266

7.5.1 晶体对X射线的相干散射267

7.5.2 衍射方向与晶胞参数268

7.5.3 衍射强度与晶胞中原子的分布272

7.5.4 多晶粉末衍射275

7.6 实际晶体中的缺陷278

7.6.1 固有点缺陷278

7.6.2 杂质点缺陷278

习题279

参考文献284

第8章 金属晶体与离子晶体的结构286

8.1 金属单质的晶体结构286

8.1.1 等径圆球最密堆积：A1，A3型结构286

8.1.2 最密堆积结构中的空隙类型290

8.1.3 非最密堆积结构294

8.1.4 空间利用率294

8.1.5 金属原子半径297

8.2 离子晶体的结构和性质298

8.2.1 离子键和晶格能298

8.2.2 离子半径302

8.2.3 离子半径比与配位数的关系303

8.2.4 离子堆积与晶体结构305

8.2.5 二元离子晶体的结晶化学规律314

8.2.6 多元离子晶体的结晶化学规律：Pauling规则314

8.2.7 硅酸盐的结构简介317

8.2.8 钙钛矿型结构321

8.2.9 离子极化效应322

8.2.10 结晶化学定律与键型变异原理323

习题324

参考文献329

下篇 结构化学选学333

第9章 新型功能材料的结构简介333

9.1 准晶态材料333

9.2 高温超导材料337

9.3 储氢合金338

9.4 纳米材料339

9.4.1 碳纳米管340

9.4.2 氮化硼纳米管343

9.4.3 单层石墨（石墨烯）344

9.4.4 分子器件与分子机器346

9.5 光子晶体348

9.6 左手材料349

习题350

参考文献352

第10章 结构分析原理355

10.1 分子中的量子化能级355

10.2 分子光谱356

10.2.1 转动光谱356

10.2.2 振动光谱360

10.2.3 电子光谱367

10.3 核磁共振谱369

10.3.1 核自旋磁矩的量子化与核磁能级369

10.3.2 核磁共振371

10.3.3 化学位移372

10.3.4 自旋耦合与自旋分裂375

10.3.5 一级谱的简单规律性376

10.4 光电子能谱378

10.4.1 基本原理378

10.4.2 仪器382

10.4.3 紫外光电子能谱382

10.4.4 X射线光电子能谱384

10.4.5 Auger能谱386

习题387

参考文献392

第11章 计算化学简介395

11.1 量子化学计算基本原理395

11.1.1 从头计算方法395

11.1.2 本征方程的矩阵表述与厄米方阵对角化395

11.1.3 HFR方程397

11.1.4 计算方法398

11.1.5 基组400

11.2 三种基本的任务类型：SP，OPT，FREQ402

11.2.1 Gaussian程序简介402

11.2.2 分子几何构型的输入403

11.2.3 分子势能面上的驻点409

11.2.4 单点能量计算409

11.2.5 分子几何构型优化416

11.2.6 频率分析420

11.3 HyperChem程序应用简介424

11.3.1 概述424

11.3.2 分子模型的构建424

11.3.3 分子几何构型的优化426

11.3.4 单点能计算427

11.3.5 红外光谱的计算429

11.3.6 电子光谱的计算430

11.3.7 分子势能曲线的计算432

11.3.8 生物大分子的构建432

习题434

参考文献437

附录439