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簡明結構化學教程(三版)(簡體書)
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簡明結構化學教程(三版)(簡體書)

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商品簡介
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目次
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商品簡介

《簡明結構化學教程(第3版)》是《簡明結構化學教程》的第三版,簡明介紹了結構化學的相關理論知識,具體內容包括量子力學基礎,原子的結構與性質,分子的對稱性,分子軌道理論,價鍵理論,配合物的化學鍵理論,分子的物理性質及次級鍵,結構分析方法簡介,晶體結構。力求做到基本概念、基本理論嚴謹,反映科學的進展,突出重點,深入淺出,有利于讀者的學習和理解。
《簡明結構化學教程(第3版)》適合用作高等院校結構化學課程教材,也可供相關科研人員參考使用。

名人/編輯推薦

《簡明結構化學教程(第3版)》為高等學校教材之一。

本書于2001年出版第二版,至今已過去10年了,今天看起來,書中有些內容需要更新,有些內容需要深入與加強,因此作者在原書的基礎上進行了大幅度的修改與補充,甚至有的整章重新編寫,作為第三版出版。
本書以化學鍵理論、結構與性質的關系、結構的測定方法三條主線編寫,仍然保持簡明的特點,突出主要內容,全書共分九章。
(1) ;重寫量子力學基礎一章。?增加了量子力學實驗基礎一節,介紹了黑體輻射,光電效應內容;?原書以假設形式介紹量子力學基本原理,大部分是二十年前的寫法。我們做了更新,選取張永德教授所著《量子力學》(2002年)采用的五點假設,認為更具有科學性。由于態疊加原理可包含在波函數假設中,本章不再作為五點假設提出,引入平均值假設(測量假設)。因篇幅的限制,第五點假設選用泡利原理,不采用全同性原理。
(2) ;修訂了第二章(原子的結構和性質)。?重寫了四個量子數的物理意義,更換了電子密度角度分布圖;?增加了“原子體系的自洽場方法”,主要目的是介紹中心平均力場近似;重寫了電子自旋假設;?說明了引入光譜項的原因:由于多電子原子體系薛定諤方程關于勢能項的計算不夠準確,因而解得的波函數精確度不夠,所以應用波函數不能解釋光譜的精細結構,采用角動量的耦合可較好地解釋光譜精細結構。
(3) ;修改第三章分子的對稱性,引入點群分類表。
(4) ;修訂第四章分子軌道理論。?引入維里定理,討論H+2形成過程中動能與勢能變化;?增加分子的電子組態和鍵級;?刪掉三張圖及相關內容。
(5) ;修訂第五章價鍵理論。增加了價鍵理論與分子軌道理論的比較。
(6) ;修訂第六章配合物化學鍵理論,重寫了配合物分子軌道理論初步一節,增加了金屬夾心配合物、硼烷和缺電子多中心鍵各一節。
(7) ;修訂了第七章分子的物理性質及弱化學鍵。重寫了分子的磁學性質,增加了次級鍵內容,精簡了分子電學性質與分子間作用力內容。
(8) ;將第八章結構分析方法簡介分成兩部分:?分子光譜;?電子能譜(新增加的內容);刪去了多原子分子的振動光譜與紫外光譜中的部分內容。
(9) ;重寫了第九章晶體結構。?強調應用布拉維準則劃分十四種空間點陣型式,不能用它劃分晶系;?增加晶體的宏觀特性;?重寫了晶體微觀對稱性、X射線分析方法,增加了單晶結構分析法;?重寫了固體能帶理論;?增加了等徑圓球密堆積空隙。
本書各章習題詳細解答,參見《簡明結構化學學習指導(附習題及解答)》一書(化學工業出版社,2004年)。
希望第三版的《簡明結構化學教程》能夠做到基本概念、基本理論嚴謹,反映科學的進展,突出重點,深入淺出,有利于讀者的學習與理解。
感謝化學工業出版社楊菁編輯對修訂教材出版給予的支持與幫助。
夏少武
2011年5月于青島科技大學
第二版前言
結構化學,主要是研究原子、分子和晶體結構以及結構與性能之間相互關系的一門基礎科學。近幾十年,這門科學獲得迅速發展,結構化學觀點不僅滲透到化學各個分支學科領域,同時在生物、材料、礦冶、地質等技術科學中也得到應用。
本書對第一版的內容進行了修改與補充,增加了分子對稱性一章(第三章),重寫了配合物分子軌道理論初步介紹(第六章四節)與金屬鍵和金屬的一般性質(第九章九節)兩節。增加了習題答案和索引,改正了原書的印刷錯誤。
本書在內容的選材上突出了實用性。選擇了化學鍵理論(第四、五、六章)、分子光譜(第八章)、晶體化學(第九章)等為主要內容,使學生通過對化學鍵理論的學習,為深入學習有關的知識打下基礎;通過對分子光譜的學習,為應用紅外、紫外可見光譜對物質進行定性定量分析打下基礎;通過對晶體組成結構與性能之間關系的學習,為催化、材料科學的學習打下基礎。考慮到物質的物理性質在工程中應用較多,還編寫了分子的物理性質及弱化學鍵一章(第七章)。其他章節的介紹都是為以上內容服務的。如第一章只講清楚本書所必需的量子力學基礎知識。第二章主要介紹構成化學鍵的基石——原子軌道。第三章通過對分子對稱性的介紹,目的是認識分子結構的特點,以求說明分子的有關性質,并為深入學習、廣泛應用化學鍵理論、光譜和晶體結構等打下基礎。章末附有習題,便于學生學習。
結構化學所介紹的理論內容較深,開始學習有一定難度,尤其是第一章量子力學基礎知識,它是本書的難點。根據多年的教學體會,以戴維遜革末電子衍射實驗為中心講述電子的波粒二象性,闡明德布羅意波的統計解釋;以假設形式介紹量子力學基本原理,是比較成功的。
本書主要是為40學時左右的選修課、65學時左右的必修課編寫的。對于有“”的標題,40學時選修課可不講;對有“”的標題,根據教學情況可講部分內容。對于65學時必修課,則可考慮講授本書的絕大部分內容。
本書的主要對象是化工類及有關專業的大學生、研究生。
在此特別要感謝南開大學趙學莊教授;福州大學陳天明教授;哈爾濱工業大學徐崇泉教授;北京化工大學曹維良教授;西北輕工業學院李臨生教授;廣東工學院黃柳書教授;華東理工大學馬樹人教授等提出的寶貴意見,作者根據這些意見對本書進行了修改和補充。
本書是山東省改革試點課程系列教材之一,獲得2001年山東省教學成果獎。
由于本人水平有限,書中不當之處難免,敬請讀者批評指正。
夏少武
2001年于青島
第一版前言
結構化學,主要是研究原子、分子和晶體結構以及結構與性能之間相互關系的一門基礎科學。近幾十年,這門科學獲得迅速發展,結構化學觀點不僅滲透到化學各個分支學科領域,同時在材料、礦冶、地質等技術科學中也得到應用。
自1978年化工類及有關專業開設結構化學課以來,還沒有看到一本適合工科院校教學要求的教材。考慮到工科院校的培養方向,筆者根據自己十余年的教學體會,編寫了這本書。
本書在內容的選材上突出了實用性。選擇了化學鍵理論(三、四、五章)、分子光譜(七章)、晶體化學(八章)等為主要內容:使學生通過對化學鍵理論的學習,為深入學習有關的知識打下基礎;通過對分子光譜的學習,為應用紅外、紫外——可見光譜對物質進行定性定量分析打下基礎;通過對晶體組成結構與性能之間關系的學習,為催化、材料科學的學習打下基礎。考慮到物質的物理性質在工程中應用較多,還編寫了分子的物理性質及弱化學鍵一章(六章)。其他章節的介紹都是為以上內容服務的。如第一章只講清楚本書所必需的量子力學基礎知識;第二章主要介紹構成化學鍵的基石——原子軌道。關于分子對稱性,考慮化工類專業特點及時數限制則不予以介紹。至于點群,則在晶體學點群中簡單講述。每章最後一節為基本例題解。章末附有習題,便于學生學習。
本書的編寫始終遵循理論來自實踐又指導實踐的原則。因此在講述一些重要理論時,都要介紹理論的實驗基礎,并講述理論在具體問題上的應用。
本書所介紹的基本概念、基本原理要求清晰準確。考慮工科院校課程設置多,學生閱讀時間較少,因此對認為應該介紹的內容,力爭作到較詳細地敘述,多利用一些圖表說明。文字要求深入淺出,盡量使學生不感到內容抽象難懂,便于讀者自學。
筆者認為一本大學教材,不僅要介紹知識,而且要適當地介紹思考問題的方法。因此,在編寫此書時對這一點作了初步嘗試,即在講述某些科學家的工作時,適當地介紹其創造性的思維方法,目的是培養學生用微觀結構的觀點和方法來分析、解決化學問題的能力。
結構化學所介紹的理論內容較深,開始學習有一定難度,尤其第一章量子力學基礎知識,它是本書的難點。根據多年的教學體會,以戴維遜革末電子衍射實驗為中心講述電子的波粒二象性,闡明德布羅意波的統計解釋;以假設形式介紹量子力學基本原理,是比較成功的。
本書主要是為40學時左右的選修課、60學時左右的必修課編寫的。對于有“”的標題,40學時選修課可不講;對有“”的標題,根據教學情況可講部分內容。對于60學時必修課,則可考慮講授本書的絕大部分內容。
對于本書內容,曾在1994年7月青島化工學院召開的“工科(師范)結構化學教學研究討論會”上討論過,代表們提出許多有益的建議。特別要感謝南開大學趙學莊教授;福州大學陳天明教授;哈爾濱工業大學徐崇泉教授;北京化工大學曹維良教授;西北輕工業學院李臨生教授;廣東工學院黃柳書副教授;化東理工大學馬樹人副教授;遼陽石油化工高等專科學校田春云、李晝副教授等提出的寶貴意見,作者根據這些意見對本書進行了修改和補充。
在此,還要特別感謝鄧叢豪院士,他那獻身于科學與教育事業的精神催人前進,是他使筆者對量子化學的學習深入了一個層次,進而走向科研之路,因此才有可能編寫出本書。
由于本人水平有限,書中不當之處難免,敬請讀者批評指正。
夏少武
19946年于青島

目次

第一章 量子力學基礎
一、量子力學產生的背景
1 黑體輻射與光電效應
2 實物粒子的波粒二象性
3 德布羅意波的統計解釋
二、不確定關系
1 不確定關系的表述
2 應用
三、量子力學的基本假設
1 波函數
2 力學量的算符表示
3 量子力學的基本方程
4 平均值假設
5 泡利(Pauli)不相容原理
四、一維無限深方勢阱
1 能量
2 波函數
五、基本例題解
習題

第二章 原子結構
一、類氫原子
1 類氫原子的定態薛定諤方程
2 球坐標系的分離變量法
3 三個方程的求解與量子數
4 類氫原子的波函數
二、量子數的物理意義
1 主量子數n
2 角動量與角量子數l
3 磁量子數m
三、原子軌道和電子密度圖形
1 概述
2 原子軌道與電子密度徑向分布
3 原子軌道角度分布與電子密度角度分布
四、多電子原子的結構
1 氦原子的薛定諤方程
2 中心力場近似
3 屏蔽效應
4 原子體系的哈特利(Hartree)自洽場方法
五、電子的自旋與自旋波函數
1 施登-蓋拉赫(Stern-Gerlach)實驗
2 電子自旋假設
3 自旋與自旋在磁場方向分量的表達式
4 自旋軌道與自旋波函數
六、基態原子核外電子排布的原則
1 泡利(Pauli)不相容原理
2 能量最低原理
3 洪德(Hund)規則
七、原子的量子態和光譜項
1 電子組態與原子量子態
2 原子光譜項
八、原子電離能、電子親和能和電負性
1 原子電離能和電子親和能的定義
2 原子的電負性
九、基本例題解
習題

第三章 分子的對稱性與分子點群
一、對稱操作與對稱元素
1 旋轉軸和旋轉操作
2 鏡面和反映操作
3 對稱中心和反演操作
4 象轉軸和旋轉反映操作
二、分子點群
1 群的定義
2 對稱操作群
3 群的乘法表
4 分子點群的分類
5 分子點群的判別
三、分子的偶極矩和旋光性的預測
1 分子的偶極矩
2 分子的旋光性
四、基本例題解
習題

第四章 分子軌道理論
一、氫分子離子
1 氫分子離子的薛定諤方程
2 變分法簡介
3 用線性變分法求解H+2的薛定諤方程
4 變分法處理H+2所得主要結果的分析
二、簡單分子軌道理論
1 簡單分子軌道理論的要點
2 應用簡單分子軌道理論處理H2的結果
三、分子軌道的類型、符號和能級順序
1 類型和符號
2 能級順序
四、雙原子分子的結構和性質
1 分子的電子組態與鍵級
2 同核雙原子分子
3 異核雙原子分子
五、休克爾分子軌道法和共軛分子結構
1 休克爾分子軌道法
2 離域π鍵形成條件和類型
3 離域效應
4 超共軛效應
六、前沿軌道理論與軌道對稱守恒原理
1 前沿軌道理論
2 分子軌道對稱守恒原理
七、基本例題解
習題

第五章 價鍵理論
一、海特勒-倫敦處理氫分子的結果
1 簡介海特勒-倫敦法解H2分子的薛定諤方程
2 氫分子的全波函數
二、價鍵理論的要點及對簡單分子的應用
1 價鍵理論的要點
2 價鍵理論對簡單分子的應用
三、價鍵理論與簡單分子軌道理論的比較
1 理論比較
2 實驗檢驗
四、雜化軌道理論
1 雜化軌道理論要點
2 等性雜化軌道的主要類型
3 sp不等性雜化
*五、價電子對互斥理論(VSEPR)
1 VSEPR判斷分子幾何構型的規則
2 應用VSEPR分析實例
六、基本例題解
習題

第六章 配合物的化學鍵理論
一、概述
二、配合物的價鍵理論
三、晶體場理論
1 中心離子d軌道能級的分裂
2 中心離子d電子的排布——高自旋態和低自旋態
3 晶體場穩定化能
4 姜-泰勒(John-Teller)效應
四、配合物的分子軌道理論初步
1 金屬離子的原子軌道分組
2 配體的σ群軌道
3 π分子軌道
五、σ-π配鍵及有關配合物
1 金屬羰基配合物中的σ-π配鍵
2 π配合物的σ-π配鍵
3 金屬夾心配合物
六、硼烷與缺電子多中心鍵
1 硼烷的定義與分類
2 三中心雙電子鍵
3 惠特規則
七、基本例題解
習題

第七章 分子的物理性質及次級鍵
一、分子的電學性質
1 偶極矩
2 小分子的極化
3 克勞修斯-莫索第方程與德拜方程
4 勞倫茲-勞倫茨方程
*二、分子的磁學性質
1 磁化率
2 物質的磁性分類
3 分子磁矩
4 鐵磁性、反鐵磁性與亞鐵磁性
5 摩爾順磁磁化率與磁矩的關系
三、分子間作用力
1 范德華力的組成
2 蘭納-瓊斯(Lennard-Jones)勢
3 分子間作用力對物質物理性質的影響
4 原子的范德華半徑
四、次級鍵
1 氫鍵
2 其他種類的次級鍵
五、基本例題解
習題

第八章 結構分析方法簡介
一、分子光譜
1 概述
2 吸收光譜的幾種表示法
3 雙原子分子的轉動光譜
4 雙原子分子的振動光譜
5 多原子分子的振動光譜
6 拉曼光譜簡介
7 紫外-可見光譜及其應用
二、光電子能譜(PES)
1 X射線光電子能譜(XPS)
2 紫外光電子能譜(UPS)
三、基本例題解
習題

第九章 晶體結構
一、晶體結構的周期性和點陣
1 晶體的宏觀通性
2 晶體結構的周期性
3 點陣
4 十四種空間點陣型式
二、晶胞、晶棱和晶面
1 晶胞和晶胞中微粒的位置
2 晶面指標
3 晶棱指標
4 點陣與晶體之間的對應關系
三、晶體的宏觀對稱性
1 晶體的宏觀對稱元素與對稱操作
2 晶體的32種宏觀對稱類型
3 七個晶系
四、晶體的微觀對稱性
五、實際晶體的缺陷
1 實際晶體與理想晶體
2 實際晶體的缺陷
3 單晶體、多晶體、微晶體
六、X射線晶體結構分析原理
1 X射線的產生
2 X射線衍射的基本原理
3 布拉格方程
4 常用X射線衍射分析方法
七、固體能帶理論
1 晶體中電子的能帶
2 絕緣體、導體、半導體
3 半導體的能帶結構
八、等徑圓球的密堆積與最密堆積空隙
1 等徑圓球的密堆積
2 最密堆積空隙
九、金屬晶體
1 金屬鍵
2 單質金屬晶體的結構和金屬原子半徑
十、離子晶體結構
1 離子晶體的幾種典型的結構型式
2 點陣能的計算
3 離子半徑
十一、離子晶體結構的鮑林(Pauling)規則與離子晶體舉例
1 鮑林規則
2 離子晶體舉例——尖晶石結構
十二、共價晶體與分子晶體
1 共價晶體
2 分子晶體
十三、基本例題解
習題
附錄1
附錄2 參考習題答案
附錄3 索引
參考文獻

書摘/試閱

前幾章介紹了原子、分子的性質。然而通常物質不是以單個原子或分子狀態存在,而是以大量原子、分子的聚集狀態——氣體、液體、固體等狀態存在。固體物質可以分為晶體和無定形體兩大類。無定形體如玻璃、松香等,其分子像液體那樣不規則地排列著,可以看做過冷狀態的液體。自然界的固體物質中,絕大多數是晶體,因此對晶體的研究是非常重要的。常見的晶體有食鹽、水晶(透明的二氧化硅晶體)等。晶體中的微粒(原子、離子、分子等)在空間有規律地排列著,晶體的許多特性都和微粒排列的規律性即結構周期性有關。
為了深入認識晶體結構的周期性將其抽象為點陣,不同的晶體可能有不同的點陣結構,點陣是從幾何角度研究晶體結構的周期性。基于晶體結構的周期性,晶體具有對稱性。晶體的規則外形呈現出宏觀對稱性;晶體的點陣結構呈現出微觀對稱性。
大量微觀粒子(原子、離子、分子)緊密地有規則地結合成晶體的原因是微粒之間存在一定的相互作用,這些相互作用決定了微粒的堆積方式與晶體的結構。微粒的堆積方式可分為等徑圓球堆積和不等徑圓球堆積。由微粒間的相互作用,可分為共價鍵、離子鍵、金屬鍵以及次級鍵。根據晶體結合鍵型的不同,可分為金屬晶體、離子晶體、共價晶體、分子晶體和次級鍵晶體等。如果把晶體看做一個大分子,由于晶體具有結構周期性,使晶體中電子的運動受到限制,只有晶體的價電子才有可能不再束縛于個別原子,在晶體中共有化運動。采
1.晶體的宏觀通性
(1)具有確定的熔點
將晶體加熱只有達到一定溫度才開始熔化,直到晶體全部熔化後溫度才開始上升,這個溫度就是熔點。非晶體如玻璃,隨著溫度升高逐漸變軟,進而變成流動性較高的液體,沒有固定的熔點。晶體與非晶體這種差別是由于晶體具有結構周期性決定的。因為晶體各部分按同一方式排列,使得構成晶體的微粒間有一定的結合能,當溫度升高到微粒的熱運動達到結合能時晶體開始熔融,故有一定的熔點。
非晶體由于無結構周期性,因此無固定熔點。
(2)各向異性與均勻性
晶體的某些物理性質與方向有關,如電導率、折射率、機械強度等,在不同的方向上具有不同的值。僅以石墨的電導率為例,在與層平行方向上的數值約為層垂直方向上的104倍。晶體的這種特性稱為各向異性。但是晶體也有一些物理性質與方向無關。例如密度在各個方向都相同,晶體的這種性質稱為均勻性。
晶體的各向異性和均勻性,都取決于晶體結構的周期性,由于使不同方向上微粒的排列方式不同,在宏觀上表現為各向異性。但與方向無關的物理量的測定是統計平均結果,在宏觀E表現為均勻性。

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