本書共十一章, 包括量子力學(xué)基礎(chǔ)、原子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、分子的對稱性、分子軌道理論、價(jià)鍵理論、配合物的化學(xué)鍵理論、簇合物和團(tuán)簇、分子的物理性質(zhì)及次級鍵、結(jié)構(gòu)分析方法簡介、晶體的對稱性與X射線衍射法、晶體結(jié)構(gòu)與功能材料。
《普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材：結(jié)構(gòu)化學(xué)》共十一章，包括量子力學(xué)基礎(chǔ)、原子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、分子對稱性、分子軌道理論、價(jià)鍵理論、配合物的化學(xué)鍵理論、簇合物和團(tuán)簇、分子的物理性質(zhì)及次級鍵、結(jié)構(gòu)分析方法簡介、晶體結(jié)構(gòu)、晶體的結(jié)構(gòu)與功能材料。《普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材：結(jié)構(gòu)化學(xué)》以化學(xué)鍵理論、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系、結(jié)構(gòu)的測定方法為主線編寫，反映當(dāng)代結(jié)構(gòu)化學(xué)新的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢。加強(qiáng)應(yīng)用，在介紹基本概念和基本理論的同時(shí)注重介紹應(yīng)用，并簡要通俗地介紹當(dāng)前理論研究的前沿成果，擴(kuò)大學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生深入探討的好奇心。
前言
第一章 量子力學(xué)基礎(chǔ)
第一節(jié) 量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)與基本概念的引出
一、能量量子化與光的波粒二象性
二、實(shí)物粒子的波動(dòng)性假設(shè)與實(shí)驗(yàn)證實(shí)
三、德布羅意波的統(tǒng)計(jì)解釋
第二節(jié) 不確定關(guān)系
一、不確定關(guān)系的表述
二、應(yīng)用
第三節(jié) 量子力學(xué)的基本假設(shè)
一、波函數(shù)
二、力學(xué)量的算符表示
三、量子力學(xué)的基本方程
四、平均值假設(shè)
五、全同性原理
第四節(jié) 金屬中自由電子的運(yùn)動(dòng)與能量量子化
一、能量
二、波函數(shù)
*第五節(jié) 關(guān)于量子力學(xué)基本理論的爭論
第六節(jié) 基本例題解
習(xí)題
第二章 原子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)
第一節(jié) 類氫原子體系的薛定諤方程及解
一、類氫原子體系的薛定諤方程
二、分離變量法
三、三個(gè)方程的求解與量子數(shù)
四、類氫原子的波函數(shù)
第二節(jié) 量子數(shù)的物理意義
一、主量子數(shù)n
二、角動(dòng)量與角量子數(shù)l
三、磁量子數(shù)m
第三節(jié) 原子軌道和電子密度圖形
一、概述
二、原子軌道與電子密度徑向分布
三、原子軌道角度分布與電子密度角度分布
第四節(jié) 多電子原子
一、氦原子的薛定諤方程
二、中心力場近似
三、屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)
四、原子體系的哈特里自洽場方法
第五節(jié) 電子的自旋與自旋波函數(shù)
一、斯特恩-格拉克實(shí)驗(yàn)
二、烏侖貝克-古德斯米特電子自旋假設(shè)
三、自旋與自旋在磁場方向分量的表達(dá)式
四、自旋軌道與自旋波函數(shù)
第六節(jié) 基態(tài)原子核外電子排布的原則
一、泡利不相容原理
二、能量最低原理
三、洪德規(guī)則
第七節(jié) 原子的量子態(tài)和光譜項(xiàng)
*一、多電子原子相互作用的分類
二、電子組態(tài)與原子量子態(tài)
三、原子光譜項(xiàng)
第八節(jié) 原子電離能、電子親和能和電負(fù)性
一、原子電離能和電子親和能的定義
二、原子的電負(fù)性
*第九節(jié) 關(guān)于價(jià)電子的討論
一、電子在原子核周圍有一個(gè)相對較大的活動(dòng)空間
二、庫侖力是決定原子結(jié)構(gòu)的主要作用力
三、價(jià)電子層
四、價(jià)電子的重要性
第十節(jié) 基本例題解
習(xí)題
第三章 分子的對稱性
第一節(jié) 對稱操作與對稱元素
一、旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)操作
二、鏡面和反映操作
三、對稱中心和反演操作
四、象轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)反映操作
第二節(jié) 分子點(diǎn)群
一、群的數(shù)學(xué)定義
二、對稱操作群
三、群的乘法表
四、分子點(diǎn)群的分類
五、分子點(diǎn)群的判別
第三節(jié) 分子的對稱性和分子偶極矩、旋光性的預(yù)測
一、分子的偶極矩
二、分子的旋光性
*第四節(jié) 群的表示初步
一、對稱操作的矩陣表示
二、點(diǎn)群的表示
三、特征標(biāo)
*第五節(jié) 淺談對稱性
一、晶體學(xué)與群論
二、對稱性與守恒定律
三、全同多粒子體系交換對稱性對波函數(shù)的限制
四、分子軌道對稱守恒原理
五、未來的發(fā)展
第六節(jié) 基本例題解
習(xí)題
第四章 分子軌道理論
第一節(jié) 氫分子離子與變分法
一、氫分子離子的薛定諤方程
二、原子單位
三、變分法簡介
四、用線性變分法求解H+2的薛定諤方程
五、變分法處理H+2所得主要結(jié)果的分析
第二節(jié) 簡單分子軌道理論
一、簡單分子軌道理論的要點(diǎn)
二、應(yīng)用簡單分子軌道理論處理H2的結(jié)果
第三節(jié) 分子軌道的類型、符號和能級順序
一、類型和符號
二、能級順序
第四節(jié) 雙原子分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)
一、分子的電子組態(tài)與鍵級
二、同核雙原子分子
三、異核雙原子分子
第五節(jié) 休克爾分子軌道法和共軛分子結(jié)構(gòu)
一、休克爾分子軌道法
二、離域π鍵形成條件和類型
三、離域效應(yīng)
四、超共軛效應(yīng)
第六節(jié) 前沿軌道理論與分子軌道對稱守恒原理
一、前沿軌道理論
二、分子軌道對稱守恒原理
*第七節(jié) 當(dāng)前分子軌道理論的概況
一、哈特里-福克-羅湯方程
二、計(jì)算方法
第八節(jié) 基本例題解
習(xí)題
第五章 價(jià)鍵理論
第一節(jié) 海特勒-倫敦處理氫分子的結(jié)果
一、海特勒-倫敦法解H2分子結(jié)構(gòu)簡介
二、海特勒-倫敦法對氫分子形成共價(jià)鍵的認(rèn)識
第二節(jié) 價(jià)鍵理論的要點(diǎn)及對簡單分子的應(yīng)用
一、價(jià)鍵理論的要點(diǎn)
二、價(jià)鍵理論對簡單分子的應(yīng)用
第三節(jié) 價(jià)鍵理論與簡單分子軌道理論的比較
一、理論比較
二、實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)
第四節(jié) 雜化軌道理論
一、雜化軌道理論要點(diǎn)
二、等性雜化軌道的主要類型
三、sp不等性雜化
*第五節(jié) 價(jià)電子對互斥理論
一、VSEPR判斷分子幾何構(gòu)型的規(guī)則
二、應(yīng)用VSEPR分析實(shí)例
*第六節(jié) 價(jià)鍵理論的發(fā)展
一、價(jià)鍵理論的早期工作
二、廣義價(jià)鍵理論
三、價(jià)鍵理論的新進(jìn)展
第七節(jié) 基本例題解
習(xí)題
第六章 配合物的化學(xué)鍵理論
第一節(jié) 概述
*第二節(jié) 配合物的價(jià)鍵理論
第三節(jié) 晶體場理論
一、中心離子d軌道能級的分裂
二、中心離子d電子的排布——高自旋態(tài)和低自旋態(tài)
三、晶體場穩(wěn)定化能
四、揚(yáng)特勒效應(yīng)
*第四節(jié) 配體場理論簡介
一、d1軌道能級在Oh場中的分裂
二、dN原子譜項(xiàng)在配體場中的分裂
第五節(jié) 配合物的分子軌道理論初步
一、金屬離子的原子軌道分組
二、配體的σ群軌道
三、π分子軌道
第六節(jié) σ-π配鍵及有關(guān)配合物
一、金屬羰基配合物中的σ-π配鍵
二、π配合物的σ-π配鍵
三、金屬夾心配合物
*第七節(jié) 配合物化學(xué)鍵理論簡述
一、價(jià)鍵理論
二、晶體場理論
三、配體場理論
四、分子軌道理論
第八節(jié) 基本例題解
習(xí)題
第七章 簇合物和團(tuán)簇
第一節(jié) 主族簇合物
一、硼烷
二、多面體碳烷
第二節(jié) 過渡金屬簇合物
一、金屬簇合物中的M—M鍵及其特征
二、簇合物的十八電子規(guī)則和金屬-金屬鍵的鍵數(shù)
三、過渡金屬簇合物的分類
第三節(jié) 團(tuán)簇
一、概述
二、幾種團(tuán)簇介紹
第四節(jié) 簇合物的催化作用
一、金屬簇催化
二、團(tuán)簇催化
第五節(jié) 基本例題解
習(xí)題
第八章 分子的物理性質(zhì)及次級鍵
第一節(jié) 分子的電學(xué)性質(zhì)
一、偶極矩
二、小分子的極化
三、極化率與電容率的關(guān)系
四、極化作用與頻率的關(guān)系
*第二節(jié) 分子的磁學(xué)性質(zhì)
一、磁化率
二、物質(zhì)的磁性分類
三、分子磁矩
四、鐵磁性、反鐵磁性與亞鐵磁性
五、摩爾順磁磁化率與磁矩的關(guān)系
第三節(jié) 分子間作用力
一、范德華力的組成
二、蘭納-瓊斯勢
三、分子間作用力對物質(zhì)物理性質(zhì)的影響
四、原子的范德華半徑與分子的大小和形狀
第四節(jié) 次級鍵
一、氫鍵
*二、非金屬原子間的次級鍵
*三、金屬原子間的次級鍵
四、分子間配鍵
第五節(jié) 基本例題解
習(xí)題
第九章 結(jié)構(gòu)分析方法簡介
第一節(jié) 分子光譜
一、概述
二、吸收光譜
三、雙原子分子的轉(zhuǎn)動(dòng)光譜
四、雙原子分子的振動(dòng)光譜
五、雙原子分子的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)光譜
六、多原子分子的振動(dòng)光譜
七、紅外光譜
八、拉曼光譜簡介
九、紫外-可見光譜及其應(yīng)用
第二節(jié) 光電子能譜
一、X射線光電子能譜
二、紫外光電子能譜
第三節(jié) 核磁共振
一、核自旋
二、核磁共振
三、化學(xué)位移
四、核磁共振譜示例
第四節(jié) 基本例題解
習(xí)題
第十章 晶體的對稱性與X射線衍射法
第一節(jié) 晶體結(jié)構(gòu)的周期性和點(diǎn)陣
一、晶體的宏觀通性
二、晶體結(jié)構(gòu)的周期性
三、點(diǎn)陣
四、14種空間點(diǎn)陣型式
第二節(jié) 晶胞、晶棱和晶面
一、晶胞和晶胞中微粒的位置
二、晶面指標(biāo)
三、晶棱指標(biāo)
四、點(diǎn)陣與晶體之間的對應(yīng)關(guān)系
第三節(jié) 晶體的宏觀對稱性
一、晶體的宏觀對稱元素與對稱操作
二、晶體的32種宏觀對稱類型
三、七個(gè)晶系
第四節(jié) 晶體的微觀對稱性
一、平移軸與平移操作
二、螺旋軸與螺旋旋轉(zhuǎn)操作
三、滑移面與滑移反映操作
第五節(jié) 實(shí)際晶體的缺陷
一、實(shí)際晶體與理想晶體
二、實(shí)際晶體缺陷的種類
三、單晶體、多晶體和微晶體
第六節(jié) X射線晶體結(jié)構(gòu)分析原理
一、X射線的產(chǎn)生
二、X射線衍射的基本原理
三、晶體衍射方程
四、X射線的衍射強(qiáng)度
五、系統(tǒng)消光
六、常用X射線衍射分析方法
第七節(jié) 基本例題解
習(xí)題
第十一章 晶體結(jié)構(gòu)與功能材料
第一節(jié) 固體能帶理論
一、晶體中電子的波函數(shù)
二、能帶理論的基本原理與能帶的種類
*三、能帶理論的導(dǎo)出
四、絕緣體、導(dǎo)體和半導(dǎo)體
五、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)
第二節(jié) 等徑圓球的密堆積與最密堆積空隙
一、等徑圓球密堆積
二、最密堆積空隙
第三節(jié) 金屬晶體
一、金屬鍵
二、單質(zhì)金屬晶體的結(jié)構(gòu)和金屬原子半徑
三、合金的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)
第四節(jié) 離子晶體
一、離子晶體的幾種典型的結(jié)構(gòu)形式
二、點(diǎn)陣能的計(jì)算
三、離子半徑
四、不等徑圓球的堆積與多面體空隙
五、離子堆積規(guī)律
六、離子的極化
第五節(jié) 離子晶體結(jié)構(gòu)的鮑林規(guī)則與離子晶體舉例
一、鮑林規(guī)則
二、離子晶體舉例——尖晶石結(jié)構(gòu)
第六節(jié) 共價(jià)晶體與分子晶體
一、共價(jià)晶體
二、分子晶體
*第七節(jié) 功能材料晶體
一、超導(dǎo)材料
二、磁性材料
三、有機(jī)非線性光學(xué)材料
四、液晶高分子材料
第八節(jié) 基本例題解
習(xí)題
部分習(xí)題參考答案
主要參考文獻(xiàn)
附錄
附錄1 基本常數(shù)
附錄2 能量單位換算
第一章 量子力學(xué)基礎(chǔ)
結(jié)構(gòu)化學(xué)是研究原子、分子和晶體的微觀結(jié)構(gòu)，闡述分子和晶體的成因；研究結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系；以及測定分子和晶體結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)方法的學(xué)科。因此結(jié)構(gòu)化學(xué)是化學(xué)各學(xué)科、各專業(yè)的重要基礎(chǔ)理論課程。
量子力學(xué)是研究微觀粒子（電子、原子、分子等）運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論，是深入探討物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其性能關(guān)系的理論基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)化學(xué)討論的對象是分子結(jié)構(gòu)，涉及電子、原子等微觀粒子，這些粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律服從量子力學(xué)基本原理，所以本章內(nèi)容是學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)必備的基礎(chǔ)知識。
本章簡單介紹量子力學(xué)誕生的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，引出微觀粒子的能量量子化與波粒二象性兩個(gè)最基本、最重要的概念。以假設(shè)的形式介紹量子力學(xué)基本原理①，并應(yīng)用討論無限深勢阱中的電子。同時(shí)，扼要地介紹了關(guān)于量子力學(xué)基本理論的爭論。
第一節(jié) 量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)與基本概念的引出
人們把牛頓（Newton）力學(xué)、熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、麥克斯韋（Maxwell）電磁理論等稱為經(jīng)典物理學(xué)，將量子力學(xué)以及在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的量子場論稱為量子理論。
19世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)已發(fā)展得相當(dāng)完善，大多數(shù)物理學(xué)家相信，理論上不會(huì)有什么新的發(fā)現(xiàn)，以后的工作只是如何應(yīng)用現(xiàn)有的理論解決具體問題及提高計(jì)算結(jié)果的精確度。可是在19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，發(fā)現(xiàn)了一些新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如黑體輻射、光電效應(yīng)、原子線狀光譜等，都是經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的。這些現(xiàn)象揭示了經(jīng)典物理學(xué)的局限性，暴露了經(jīng)典物理學(xué)與微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的矛盾，從而為量子力學(xué)的創(chuàng)立提出了要求和準(zhǔn)備了條件。
一、能量量子化與光的波粒二象性
1.黑體輻射和能量量子化
實(shí)驗(yàn)證明物體在任何溫度下都向周圍發(fā)射電磁波，即產(chǎn)生輻射，物體發(fā)出的輻射能以及輻射能按波長的分布主要取決于物體的溫度，所以這種輻射稱為熱輻射。熱輻射是自然界普遍存在的現(xiàn)象。物體發(fā)射電磁波的同時(shí)也吸收周圍其他物體所發(fā)射的電磁波。如果物體在單位時(shí)間輻射出的能量恰好等于吸收其他物體輻射出來的能量，則輻射過程達(dá)到平衡，稱為平衡熱輻射。
對于外來的輻射，物體有反射或吸收作用。如果一個(gè)物體在任何溫度下都能將投射于其上的輻射全部吸收而無反射，這種物體就稱為絕對黑體，簡稱黑體。自然界沒有真正的黑體，絕對黑體顯然是一種理想模型。一個(gè)帶有小孔的空腔可以近似看作黑體，如圖11所示。所有射入該小孔的輻射會(huì)在空腔內(nèi)經(jīng)過多次反射才可能由小孔射出空腔，而每次反射，腔壁都吸收一部分能量，經(jīng)多次反射后，僅有極微弱的能量從小孔逸出，實(shí)際上可以忽略不計(jì)，認(rèn)為空腔中的輻射全部被吸收，因此可以把開有小孔的空腔視為黑體。
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