绪论 Introduction 我的宗旨: To our students, whose enthusiasm and curiosity have often inspired us, and whose questions and suggestions have sometimes taught us Chemistry has often been called the central science, because a basic knowledge of chemistry is essential for the study of biology, physics, geology, ecology and many other subjects 1.二十世纪,特别是二十世纪后期,化学有了突飞猛进的发展 (1)冠醚( crown ether)的发现( The discovery of crown ether): 第一个冠醚的发现纯属偶然。工业化学家(杜邦公司)C. J. Pedersen要从一种单基保 护邻苯二酚(1)与二氯二乙醚(2)制备双苯酚(3) OH 0(邻经苯氧基 当用了稍微不纯的化合物()(含有一些未经保护的酚),还得到了非常少的(0.4%)六醚(4) (二苯并(18)冠醚 (4) KMnO4可溶于其中,呈紫红色,他又合成了 (12C4) (l5C5) 能放入的离子:Li (21C7) (24C8) cst 它们可以用来识别碱金属离子,从而开创了超分子化学( super molecular chemistry)的先 河。 Pedersen获得了1989年的 Nobel chemistry prize (2)Ns阳离子的首次露面( the discovery of the pentanitrogen ion): 在无水HF中,-78℃下,由N2F2与AsFs反应:N2F2+AsFs=[N2F]AsF6],将 N2F J[AsH6与HN3(叠氮酸)反应:N2FAsF6]+HN3=NAsF6]+HF 科学家惊讶的是N3居然能存在,当然N比O2+的氧化性更强:N+e→→(5/2)N2, Ns与水或有机物可发生爆炸反应。科学家正在试图制备纯氮原子的化合物N]N3], a: [NS J[ASF6 ] HN3=[NS"[N3 ]+AsFs +HF 这样,就首次合成出同种元素组成的不仅是单质,NsN3]可以是离子化合物,但至今还 未实现这一反应
1 绪 论 Introduction 我的宗旨： To our students, whose enthusiasm and curiosity have often inspired us, and whose questions and suggestions have sometimes taught us. 一、Chemistry ── the Central Science Chemistry has often been called the central science, because a basic knowledge of chemistry is essential for the study of biology, physics, geology, ecology and many other subjects. 1．二十世纪，特别是二十世纪后期，化学有了突飞猛进的发展。 (1) 冠醚（crown ether）的发现（The discovery of crown ether）： 第一个冠醚的发现纯属偶然。工业化学家（杜邦公司）C. J. Pedersen 要从一种单基保 护邻苯二酚（1）与二氯二乙醚（2）制备双苯酚（3）： OH O O Cl O Cl OH HO O O O ＋ (1) (2) (3) （邻羟基苯氧基 －乙基醚） 当用了稍微不纯的化合物(1)(含有一些未经保护的酚)，还得到了非常少的（0.4%）六醚(4) O O O O O O （4） KMnO4 可溶于其中，呈紫红色，他又合成了 O O O O （12C4） Li + 12 O O O O O （15C5） Na + O O O O O O O O O O O O O O O （21C7） Cs + （24C8） 15 21 24 能放入的离子： 它们可以用来识别碱金属离子，从而开创了超分子化学（super molecular chemistry）的先 河。Pedersen 获得了 1989 年的 Nobel chemistry prize. (2) N5 ＋ 阳离子的首次露面（the discovery of the pentanitrogen ion）： 在无水 HF 中，−78℃下，由 N2F2 与 AsF5 反应：N2F2 + AsF5 [N2F ＋ ][AsF6 － ]，将 [N2F ＋ ][AsF6 － ]与 HN3（叠氮酸）反应：[N2F ＋ ][AsF6 － ] + HN3 [N5 ＋ ][AsF6 － ] + HF。 科学家惊讶的是 N5 ＋居然能存在，当然 N5 ＋比 O2 ＋的氧化性更强：N5 ＋ + e (5/2) N2， N5 ＋与水或有机物可发生爆炸反应。科学家正在试图制备纯氮原子的化合物[N5 ＋ ][N3 － ]， 即：[N5 ＋ ][AsF6 － ] + HN3 [N5 ＋ ][N3 － ] + AsF5 + HF 这样，就首次合成出同种元素组成的不仅是单质，[N5 ＋ ][N3 － ]可以是离子化合物，但至今还 未实现这一反应。 （二苯并（18）冠醚-6）
(3)1999年《 Science》杂志上报导二氧化碳原子晶体的发现( the atonic crystal of 美国 Lawrence Livemore国家实验室(LLNL)科学家将CO2转化为具有类似SO2的原子 晶体:在-40℃,将液态CO2装入高压容器中,用Nb:YbLF4激光器加热到1800K和 40GPa高压,CO2在微米级的红宝石基片上(或者铂薄膜上),形成类似SiO2的原子晶体 Chemistry is an experiment science. Most discoveries in chemistry are made in laboratory 诺贝尔物理学奖得主,美籍华裔科学家朱棣文博士在北京出席”2000年国际拉曼光谱 会议“之后,在上海交大,作了题为“斯坦福大学BOX研究实例分析”的专题报告,广 泛深入地论述了生物与物理的统一,生物与其它学科融合发展的历史和现状,以及斯坦福 大学等世界著名高等学府在BO-X研究领域的最新研究方向与未来的应用前景,并回答了 部分学生和教师的提问: 问:“您认为在未来的生物科学方面,最有可能的突破点在哪里?” 朱:在交叉科学方面,那些在各自领域最优秀的科学家,用他们最新的技术共同完成的交 叉课题。 问:“您得了诺贝尔奖以后,仍在研究领域非常活跃,您是怎么样保持研究激情的?” 朱:对我来讲,最有兴趣的事就是在实验室里做实验。在实验室,不断通过探索,将自已 想知而未知的问题找到答案,就能使自己的学术思想保持年轻 二、怎样上无机化学课?怎样学好无机化学课? 1.无机化学课程的安排( The schedule of inorganic chemistry course 在《无机化学习题》中已列出二十章 第一章气体、液体和溶液的性质 第十一章卤素 第二章化学热力学基础及化学平衡 第十二章氧族元素 第三章化学动力学基础 第十三章氮族元素 第四章电离平衡 第十四章碳族元素 第五章沉淀反应 第十五章硼族元素 第六章氧化还原反应、电化学 第十六章配位化合物 第七章原子结构和元素周期表 第十七章铜、锌分族 第八章化学键和分子、晶体结构 第十八章过渡元素(I) 第九章稀有气体 第十九章过渡元素(II) 第十章碱金属和碱土金属 第二十章镧系、锕系元素和核化学 2.无机化学与其它学科的关系。无机化学为什么要放在第一学期上? (The relationship of inorganic chemistry and other subjects) (1) Analytical Chemistry (2)Physical Chemistry (3)Structural Chemistry Inorganic Chemistry 4) Coordination Chemistry 都有密切关系 无机化学是基础,是学习其它(5) Organic Chemistry 各科的基础,是提高学生化学 素质的第一步 (6)Rare Earth Chemistr (7) Biochemist 3.怎样学好无机化学这门课程( How do you study this course to get well?): 2
2 (3) 1999 年《Science》杂志上报导二氧化碳原子晶体的发现（the atonic crystal of cavbon dioxide） 美国 Lawrence Livemore 国家实验室(LLNL)科学家将 CO2 转化为具有类似 SiO2 的原子 晶体：在−40℃，将液态 CO2 装入高压容器中，用 Nb : YbLiF4 激光器加热到 1800K 和 40GPa 高压，CO2 在微米级的红宝石基片上(或者铂薄膜上)，形成类似 SiO2 的原子晶体。 Chemistry is an experiment science. Most discoveries in chemistry are made in laboratory. 诺贝尔物理学奖得主，美籍华裔科学家朱棣文博士在北京出席”2000 年国际拉曼光谱 会议“之后，在上海交大，作了题为“斯坦福大学 BIO-X 研究实例分析”的专题报告，广 泛深入地论述了生物与物理的统一，生物与其它学科融合发展的历史和现状，以及斯坦福 大学等世界著名高等学府在 BIO-X 研究领域的最新研究方向与未来的应用前景，并回答了 部分学生和教师的提问： 问：“您认为在未来的生物科学方面，最有可能的突破点在哪里？” 朱：在交叉科学方面，那些在各自领域最优秀的科学家，用他们最新的技术共同完成的交 叉课题。 问：“您得了诺贝尔奖以后，仍在研究领域非常活跃，您是怎么样保持研究激情的？” 朱：对我来讲，最有兴趣的事就是在实验室里做实验。在实验室，不断通过探索，将自已 想知而未知的问题找到答案，就能使自己的学术思想保持年轻。 二、怎样上无机化学课？怎样学好无机化学课？ 1．无机化学课程的安排（The schedule of inorganic chemistry course）： 在《无机化学习题》中已列出二十章： 第一章 气体、液体和溶液的性质 第二章 化学热力学基础及化学平衡 第三章 化学动力学基础 第四章 电离平衡 第五章 沉淀反应 第六章 氧化-还原反应、电化学 第七章 原子结构和元素周期表 第八章 化学键和分子、晶体结构 第九章 稀有气体 第十章 碱金属和碱土金属 第十一章 卤素 第十二章 氧族元素 第十三章 氮族元素 第十四章 碳族元素 第十五章 硼族元素 第十六章 配位化合物 第十七章 铜、锌分族 第十八章 过渡元素（I） 第十九章 过渡元素（II） 第二十章 镧系、锕系元素和核化学 2．无机化学与其它学科的关系。无机化学为什么要放在第一学期上？ （The relationship of inorganic chemistry and other subjects） (1) Analytical Chemistry (2) Physical Chemistry (3) Structural Chemistry Inorganic Chemistry (4) Coordination Chemistry 都有密切关系 (5) Organic Chemistry (6) Rare Earth Chemistry (7) Biochemistry 3．怎样学好无机化学这门课程（How do you study this course to get well ?）： 无机化学是基础，是学习其它 各科的基础，是提高学生化学 素质的第一步
从无机化学的内容来看,分成三大类: (1)Chemical principles,(2) Chemical theories, (3)Elemental chemistry (1)和(2)归属于 Theoretical Chemistry,(3)归属于 Descriptive Chemistry 我们既不能忽视理论化学,更不能忽视描述化学,这两个方面都要重视。因为在现阶 段化学仍然是一门实验科学,各种化学理论的基础仍然是长期以来的大量实践。美国加州 大学 Mahan教授认为:“目前有一种倾向,即在大学一年级化学课程中逐渐增加化学基本 概念、原子、分子的电子结构等,而往往去掉一些描述性化学,但我认为,如果学生和教 师忽视了物质的性质是推动化学发展的一种基本动力的事实,那将是一种错误。” 总得来说,学好化学要用科学方法,要付出辛勤的劳动 对化学原理:弄清定义,基本公式,多做练习,熟练运用 对化学理论:发展历史,物理概念,物理图像,抽象思维; 对元素化学:反复记忆,反复对比,不断总结,理论解释。 4.教学参考书 《无机化学》上、下册(武大、北师大、大连理工大学) 《普通化学原理》北大 Principles of Modern Chemistry )5th edition David W. Oxtoby Basic Inorganic Chemistry )3rd edition, Cotton Descriptive Inorganic Chemistry 2 2nd edition, Geoff Rayner-Canham Concepts and Models of Inorganic Chemistry > 3rd edition, B. E. Douglas General and Inorganic Chemistry 2nd edition, N.S. Akhmetov Chemistry - the Central Science )8th edition, TL.Brown 《 Chemistry》L& P. Pauling 《 The Nature of Chemical Bond》L. Pauling 关于作业问题:为什么要编写《无机化学习题》?因为几乎所有教科书后面的习题都 已有习题集形式出的书。每次课后布置3-5题 homework,基本上每一章学完后交 次作业 6.关于考试:每学期考两次,期中一次,期末一次。一学年总共四次 试题类型:选择题,填空题,问答与计算等。总共120分(20分附加分,英文命题) 三、 Naming Inorganic Compounds( Nomenclature) 1.命名( Nomenclature)来自拉丁文的 nomen(name)和 calare(cal) 在无机物的命名中,我们考虑三类物质的命名:离子化合物( lonic compounds)、 分子化合物( molecular compounds)和酸( acids) 首先我们要介绍元素的命名 2. The name of elements II but eleven of elements are given a symbol corresponding to one or two letters in the English name 在十一种元素符号中,一个来自德文:钨 w tungsten( wolfram) 其他十个来自拉丁文(括号内为拉丁文) Na sodium (natrium Ag silver (argentums K potassium(kalium) Au gold (aurum
3 从无机化学的内容来看，分成三大类： (1) Chemical principles，(2) Chemical theories， (3) Elemental chemistry (1)和(2)归属于 Theoretical Chemistry，(3)归属于 Descriptive Chemistry。 我们既不能忽视理论化学，更不能忽视描述化学，这两个方面都要重视。因为在现阶 段化学仍然是一门实验科学，各种化学理论的基础仍然是长期以来的大量实践。美国加州 大学 Mahan 教授认为：“目前有一种倾向，即在大学一年级化学课程中逐渐增加化学基本 概念、原子、分子的电子结构等，而往往去掉一些描述性化学，但我认为，如果学生和教 师忽视了物质的性质是推动化学发展的一种基本动力的事实，那将是一种错误。” 总得来说，学好化学要用科学方法，要付出辛勤的劳动。 对化学原理：弄清定义，基本公式，多做练习，熟练运用； 对化学理论：发展历史，物理概念，物理图像，抽象思维； 对元素化学：反复记忆，反复对比，不断总结，理论解释。 4．教学参考书： 《无机化学》上、下册（武大、北师大、大连理工大学） 《普通化学原理》 北大 《 Principles of Modern Chemistry 》5th edition David W. Oxtoby 《 Basic Inorganic Chemistry 》3rd edition, Cotton 《 Descriptive Inorganic Chemistry 》 2nd edition, Geoff Rayner-Canham 《 Concepts and Models of Inorganic Chemistry 》 3rd edition, B. E. Douglas 《 General and Inorganic Chemistry 》 2nd edition, N.S. Akhmetov 《 Chemistry — the Central Science 》8th edition, T. L. Brown 《 Chemistry 》 L.&P.Pauling. 《 The Nature of Chemical Bond 》L. Pauling 5．关于作业问题：为什么要编写《无机化学习题》？因为几乎所有教科书后面的习题都 已有习题集形式出的书。每次课后布置 3－5 题 homework，基本上每一章学完后交一 次作业。 6．关于考试：每学 期考两次，期中一次，期末一次。一学年总共四次。 试题类型：选择题，填空题，问答与计算等。总共 120 分(20 分附加分，英文命题)。 三、Naming Inorganic Compounds(Nomenclature) 1．命名（Nomenclature）来自拉丁文的 nomen（name）和 calare（call） 在无机物的命名中，我们考虑三类物质的命名：离子化合物（Ionic compounds）、 分子化合物（molecular compounds）和酸（acids）。 首先我们要介绍元素的命名 2．The name of Elements All but eleven of elements are given a symbol corresponding to one or two letters in the English name 在十一种元素符号中，一个来自德文：钨 W tungsten（wolfram） 其他十个来自拉丁文（括号内为拉丁文）： Na sodium（natrium） Ag silver（argentums） K potassium（kalium） Au gold（aurum）
Fe iron( ferrum coppe g mercury( hydrargyrum Pb lead(plumbum 3.离子化合物命名( Names of ionic compounds) (1) positive ions(cations a.单原子离子 monatomIc ion Na sodium ion zInc Ion Al+ aluminum ion b.不同电荷的阳离子 Cations of differing charges Fez+ iron(II) ion (ferrous ion) Cu copper(I)ion(cuprous ion Cu- copper(II) ion(cupric ion c.非金属原子形成的阳离子 Cations formed from nonmetal atoms以-um结尾(形成 多原子离子, Polyatomic MH H3O hydronium ion (2)negative ions(anions) a. monatomic anions:以-ide结尾 H hydride ion 0-- oxide ion N- nitride ion 少数简单的多原子阴离子也以-ide结尾 OH hydroxide ion cn cyanide ion oxide ion b. polyatomic anions:以-ate或-ite结尾 NO3 nitrate SO42-sulfate NO, nitrite SO3- sulfite CIO4 perchlorate CIO: chlorate ClO, chlorite ion Clo hypochlorite ion c. anions derived by adding h to an oxyanio 加 hydrogen或 dihydrogen HCO3 hydrogen carbonate ion H2PO4 dihydrogen phosphate ion 旧的方法也用bi-前缀来表示:HSO4 bisulfate ion Hco3 bicarbonate ion (3)the name of ionic compounds BaBr? barium bromide Al(NO3 )3 aluminum nitrate Cu(cio)4 copper(il) perchlorate(cupric perchlorate) 4.酸的命名( Names of acides) (1)无氧酸(即阴离子以-ide结尾的酸) 前缀 hydro-+元素名称+后缀- ic acid HCI hydrochloric acid H2s hydrosulfuric acid (2)含氧酸( oxyacids) HCIO4 perchloric acid HCIO3 chloric acid HCIO chlorous acid HCio hypochlorous acid 5.二元分子化合物的命名( Names of binany molecular compounds) (1)数字前缀:mono-(1)、di-(2)、tri-(3)、ta(4)、 penta-(5)、hexa-(6)、 hepta-(7) octa-(8)、nona-(9)、deca-(10)
4 Fe iron（ferrum） Cu copper（cuprum） Sn tin（stannum） Hg mercury（hydrargyrum） Pb lead（plumbum） Sb antimony（stibium） 3．离子化合物命名（Names of ionic compounds） (1) positive ions (cations) a．单原子离子 monatomic ion Na＋ sodium ion Zn2+ zinc ion Al3+ aluminum ion b．不同电荷的阳离子 Cations of differing charges Fe2+ iron(II) ion （ferrous ion） Cu＋ copper(I) ion（cuprous ion） Fe3+ iron (III) ion （ferric ion） Cu2+ copper(II) ion（cupric ion） c．非金属原子形成的阳离子 Cations formed from nonmetal atoms 以-ium 结尾（形成 多原子离子，Polyatomic ions） MH4 ＋ ammonium ion H3O ＋ hydronium ion (2) negative ions (anions) a．monatomic anions：以-ide 结尾 H － hydride ion O2− oxide ion N3− nitride ion 少数简单的多原子阴离子也以-ide 结尾 OH－ hydroxide ion CN－ cyanide ion O2 2− peroxide ion b．polyatomic anions：以-ate 或–ite 结尾 NO3 － nitrate SO4 2− sulfate NO2 － nitrite SO3 2− sulfite ClO4 － perchlorate ClO3 － chlorate， ClO2 － chlorite ion ClO－ hypochlorite ion c．anions derived by adding H＋ to an oxyanion 加 hydrogen 或 dihydrogen HCO3 － hydrogen carbonate ion H2PO4 － dihydrogen phosphate ion 旧的方法也用 bi-前缀来表示：HSO4 － bisulfate ion HCO3 − bicarbonate ion (3) the name of ionic compounds BaBr2 barium bromide Al(NO3)3 aluminum nitrate Cu(ClO)4 copper(II) perchlorate (cupric perchlorate) 4．酸的命名（Names of acides） (1) 无氧酸（即阴离子以-ide 结尾的酸） 前缀 hydro- + 元素名称 + 后缀-ic acid HCl hydrochloric acid H2S hydrosulfuric acid (2) 含氧酸 (oxyacids) HClO4 perchloric acid HClO3 chloric acid HClO2 chlorous acid HClO hypochlorous acid 5．二元分子化合物的命名（Names of binany molecular compounds） (1) 数字前缀：mono-(1)、di-(2)、tri-(3)、tetra-(4)、penta-(5)、hexa-(6)、hepta- (7)、 octa-(8)、nona-(9)、deca-(10)
(2)第二个元素名称以-ide结尾,用希腊(数字)前缀表示原子个数。遇到两个元音, 可以省略一个 (3)实例:Cl2 o dichlorine monoxide, NF3 nitrogen trifluoride N204 dinitrogen tetroxide P4S10 phosphorus decasulfide Traditional names: H20 water CaCO3 marble chalk limestone NH a(OH)2 slaked NaHCO: bal Nacl table salt MgSO4 7H20 epson salt N20 laughing gas CaSO4 2H20 gypsum ick lin Na2 CO3. 10H20 washing soda A Closer Look The Scientific Method operates. However, it experiments to understand nature seems like such ure. but rather that the laws of nature describe ought to us now, but there the behavior of matt before the seventeenth century, when experiments At many stages of our studies we may propose ex- rarely used. The ancient Greeks, for example, did not rely planations of why nature behaves in a particular way. If a on experiments to test their ideas tive in predicting facts yet to be observed, it is called a the- same problem in exactly the same way, there de- ory or model. A theory is an explanation of the general nes for the practic ence that have n principles of certain phe with considerable evidence s the scientific method. These guidelines in facts to support it. Figure 1.15v. We begin by collecting information, or data, As we proceed through this text, we will rarely have observation and exp t. However, the collection the opportunity to discuss the doubts, conflicts, clashes of of information is not the ultimate goal. The goal is to find personalities, and revolution e a pattern or sense of order in our observations and to un- to our present ideas. We need to be aware that just because derstand the origin of this order. we can spell out the results of science so concisely and mean that scientific progress patterns that lead us to a tentative explanation or hypothe- is smooth, certain, and predictable. Some of the ideas we tually, we may be able to tie together a great number of involved large numbers of scientists. We gain our view of terms of a single statement or equation the natural world by standing on the shoulders of the sci- verbal entists who came before us, Take advantage of this view. atement or a mathematical equation that summarizes a broad As you study, exercise your imagination. Don,'t be afraid to ions and experiences. We tend to think of ask daring questions when they occur to you. You may be the laws of nature as the basic rules under which nature fascinated by what you discover! Find patterns, Formulate and test approach to problems that pattems in the observations, formulating hypotheses to exp nents. Those hypotheses that with ch tests and ful in explaining and predicting behavior become known as
5 (2) 第二个元素名称以-ide 结尾，用希腊（数字）前缀表示原子个数。遇到两个元音， 可以省略一个 (3) 实例：Cl2O dichlorine monoxide ， NF3 nitrogen trifluoride， N2O4 dinitrogen tetroxide ， P4S10 tetraphosphorus decasulfide Traditional names： H2O water CaCO3 marble chalk limestone NH3 ammonia Ca(OH)2 slaked lime CO2(s) dry ice NaHCO3 baking soda NaCl table salt MgSO4·7H2O epson salt N2O laughing gas CaSO4·2H2O gypsum CaO quick lime Na2CO3·10H2O washing soda