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| 編輯推薦： |
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这本书是中国人民大学附属中学化学教研组在经过了北京大学和清华大学的大学先修培训以及课程教学实践后，提供给人大附中学有余力的学生一本大学化学先修课程教学参考书。人大附中化学组加入并开展大学先修课的教学实践是源于对北京大学、清华大学先修课程改革的认同，它致力于中学基础教育和高等教育的衔接，为少数学有余力的学生发展自己的学术兴趣而提供多样化的选择。
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| 內容簡介： |
物质结构知识是化学高等教育的基础和核心内容，但在中学化学教育中比较薄弱，本书的编写主要致力于中学基础教育和高等教育的衔接。物质结构是本书的核心内容，涉及较多物理和数学知识，编写中尽可能地回避高深的数理知识，基于中学生的知识层面将相关的基本化学原理进行了详细阐述。全书共4章，包括原子结构、共价键理论与分子结构、晶体结构和配位化合物等。书中还给学生们提供了部分前沿文献，为学生拓展学科视野，阅读专业文献起到抛砖引玉的作用。
本书可作为中学生选修大学先修课程的基础教材或发展自己学术兴趣的参考书。
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| 關於作者： |
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冯姝 中学一级教师，毕业于清华大学有机光电子与分子工程教育部重点实验室，物理化学专业，理学博士学位。人大附中大学先修课程-大学化学课程负责人。具备丰富的教学经验和扎实的学术基础。所教学生多次获得北京大学大学先修大学化学A等级以上，所指导学生中多人在中国化学奥林匹克竞赛初赛、决赛中获得奖项。
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| 目錄：
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目录
第一章原子结构
第一节原子模型
一、原子学说
二、原子模型
三、核外电子
第二节核外电子排布规则
一、核外电子的描述
二、核外电子排布
第三节元素周期表与元素周期律
一、价电子与氧化数
二、屏蔽效应与有效核电荷数
三、原子半径
四、电离能与电子亲和能
五、电负性
小结
习题
第二章共价键理论与分子结构
第一节经典路易斯结构
第二节近代价键理论
一、共价键的本质和特点
二、杂化轨道理论
第三节分子轨道理论
第四节价层电子对互斥模型与分子空间构型
第五节分子的极性
第六节分子间作用力和氢键
一、分子间作用力
二、氢键
小结
习题
第三章晶体结构
第一节晶体的基本概念
一、晶体的宏观特征
二、晶体的微观特征平移对称性
三、晶胞
第二节常见晶体类型
一、分子晶体
二、原子晶体
三、金属晶体
第三节典型离子晶体结构简介
一、离子晶体
二、晶格能
习题
第四章配位化合物
第一节引言
第二节配合物的基本概念
一、配合物的定义
二、配位化合物的组成
三、配体和配位数
四、配合物或配离子的几何形状
五、配合物的命名
第三节配合物的同分异构现象
一、基本概念
二、结构异构
三、立体异构
第四节配合物的成键理论
第五节配合物的应用
习题
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| 內容試閱：
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本书是中国人民大学附属中学人大附中化学教研组在经过北京大学和清华大学的多次培训和大学先修课课程教学实践后，决定提供给人大附中选修大学先修课程、学有余力的学生的一本学习参考教材。人大附中化学教研组加入并开展大学先修课的教学实践是源于对大学先修课程改革的认同，它致力于中学基础教育和高等教育的衔接，为少数学有余力的学生发展自己的学术兴趣而提供多样化的选择。大学先修课的课程标准不能过高也不能过低，与之前已有的学科竞赛也完全不同。既然是大学课程，因而必须要采用大学的教学和学习方法，需要关注的是题目背后的原理； 然而由于中学和大学的学习方法有很大差异，在中学里需要掰开揉碎地讲授一个月的内容，在大学里可能只需要一个星期，因此大学先修课课堂上的时间永远是不够的，学生要在课下阅读、学习和思考，在课堂上充分利用时间讨论。正是基于这样的需求，虽然有的人认为没有教材的约束可以扩展教师的思维，给学生以更广阔的探索空间，然而在课程教学的过程中学生的需求就变得日渐迫切。在他们阅读大量专业性极强的文献的过程中，发现自己知识体系的缺乏。而参与人大附中课程教学和设计的几位教师结合自己以往的经验也体会到，大量摄取资料固然重要，读到一本具有完整的科学体系和衔接性的书籍也是助益良多。学生的渴望激发了教师们创造的热情。本书虽集合了人大附中化学教研组各位教师的所学所长，但是毕竟是我们对于大学先修课教材编写的初次探索与尝试，定会有不足之处，欢迎各位专家、读者的指点和建议。中国人民大学附属中学化学教研组
2017年3月
第三章晶体结构
第一节晶体的基本概念一、 晶体的宏观特征
走进化学实验室，你能见到许多固体，如蜡状的白磷P4、黄色的硫黄S、紫黑色的碘I2和高锰酸钾KMnO4、蓝色的硫酸铜CuSO45H2O、白色的碳酸钙CaCO3等。放眼世界，自然界中绝大多数矿物也都是固体。通常人们说的固体可分为晶体和非晶体。在宏观上，晶体有别于橡胶、玻璃、琥珀、树脂等非晶体的最普遍的本质特征是它的自范性，即： 晶体能够自发地呈现封闭的规则多面体的外形。非晶体物质则没有自范性。有规则的多面体外形是指结晶的自然生长过程中所形成的外形，而不是指加工成某种特定的几何外形图31。
图31几种常见的晶体
单一的晶体多面体叫做单晶。有时两个体积大致相当的单晶按一定规则生长在一起，叫做双晶； 许多单晶以不同取向连在一起，叫做晶簇。有些晶体很小，肉眼看来是细粉末，似乎没有晶面，但借助于光学显微镜或电子显微镜也可以观察到它们整齐而又规则的外形（图32）。
图32某些晶体的显微照片
本质上，晶体的自范性是晶体中粒子在微观空间里呈现周期性的有序排列的宏观表象。相反，非晶体中粒子的排列则相对无序，因而无自范性。除了自范性外，晶体的宏观特征还有均一性、各向异性等。晶体的质地均匀，具有确定的熔点借此可以间接地确定某一固体是否为晶体。晶体的强度、导热、导电、光学性质等物理性质常因晶体取向不同而异，叫做各向异性。在石英表面涂一薄层石蜡，用热的针尖接触蜡面中央，接触点周围石蜡熔化成椭圆形而不呈圆形。这表明石英各个方向导热性不同。再例如，把画有图案的纸放在一块透明的方解石下面，透过方解石观察，可以看到这个图案有两个影像，这是由于方解石对光线有双折射性，等等。17世纪中叶丹麦矿物学家Stoeno在仔细研究石英晶体时发现，石英晶面的形状大小尽管变化多端，但对应晶面间的夹角却是相等的。即不论哪一种形状的石英晶体，其a面与b面所成的夹角都相等，b面与c面、c面与a面之间的夹角也相等。这就是晶体学的第一个定律晶面夹角守恒定律。这个定律在寻找矿物、鉴定矿物等工作中至今还有实用价值图33。
图33石英晶体的不同外形与晶面
二、 晶体的微观特征平移对称性在晶体的微观空间中，原子呈现周期性的整齐排列。对于理想的完美晶体，这种周期性是单调的、不变的。如图34所示，图中两个箭头方向上，相隔一定的距离，总有完全相同的原子排列出现。若向其他任何方向画一箭头，结果一样。这是晶体的普遍特征，叫平移对称性。
图34晶体微观特征平移对称性
图中斜上箭头方向的一个平移量约相当于向上箭头方向一个平移量的5倍
相反，非晶体不具有晶体微观结构的平移对称性。图35所示为SiO2的晶体和非晶体投影示意图，从图中可以看出，晶体微观空间里的原子排列，无论近程还是远程，都是周期性有序结构，而非晶体只在近距有序而远距无序，无周期性规律。
图35晶体SiO2和非晶体SiO2的投影示意图
三、 晶胞为了描述晶体在微观空间里原子的排列，无须画出千千万万个原子，只需在晶体微观空间里取出一个基本单元即可。这种描述晶体结构的基本单元叫晶胞。一般来说，晶胞是平行六面体结构，它代表晶体的基本重复单位，整块晶体可以看作是由完全等同的晶胞无隙并置地堆积而成的。完全等同可从化学上等同和几何上等同两个方面来理解。化学上等同指晶胞里原子的数目和种类完全等同； 几何上等同既指所有晶胞的形状、取向、大小等同，也指晶胞里原子的排列包括空间取向完全等同。无隙并置即相邻晶胞之间没有任何间隙，一个晶胞与它的比邻晶胞是完全共顶角、共面、共棱的，取向一致，从一个晶胞到另一个晶胞只需平移，不需转动，进行或不进行平移操作，整个晶体的微观结构没有区别。例如，图36所示为金属铜的一个晶胞。它是一个立方体，含有4个铜原子。
图36铜晶胞
因为晶胞只是晶体微观空间里的一个基本单元，在它的上下左右前后无隙并置地排列着无数晶胞，而且所有晶胞的形状及其内部的原子种类、个数及几何排列是完全相同的。因而，晶胞的顶角原子是8个晶胞共用的，晶胞棱上的原子是4个晶胞共用的，晶胞面上的原子是2个晶胞共用的（图37）。因此，金属铜的一个晶胞的原子数＝818 612＝4。
图37原子在晶胞的顶角、棱、面上以及晶胞内时，一个晶胞平均占有的原子数
通常用向量xa yb cz中的x，y，z组成的三数组来表达晶胞中原子的位置，如图38所示。
图38晶胞中的原子坐标与计数示例
晶胞的几何特征可用边长关系和夹角关系确定。平行六面体的3个边长a、b、c以及所成的3个夹角bc、ca、ab总称晶胞参数。共有7种不同几何特征的晶胞，称为布拉维系（表31）。它们的名称、晶胞参数及实例如下：
表31布拉维系
晶系晶 胞 参 数晶 体 实 例
立方cubica＝b＝c，＝＝＝90Cu、NaCl六方hexagonala＝bc，＝＝90，＝120Mg、AgI四方tetragonala＝bc，＝＝＝90SnO2菱方rhombohedrala＝b＝c，＝＝90Bi正交orthorhombicabc，＝＝＝90I2、HgCl2单斜monoclinicabc，＝＝90S、KClO3三斜triclinicabc，90CuSO45H2O
立方晶系又有简单立方、面心立方、体心立方之分，正交晶系可以有4种型式，四方和单斜晶系各有两种型式，三斜晶系、六方晶系和菱方晶系各有一种型式。19世纪中叶，法国晶体学家布拉维Bravais严密地推论出晶体共有14种空间点阵型式，也叫布拉维点阵型式（图39）。
图3914种布拉维点阵型式
由相对原子质量、相对分子质量、阿伏加德罗（Avogadro）常量以及晶体密度等数据可以算出晶体中原子间距离的数量级是10-10 m。到19世纪末，人们发现X射线的波长也在这个数量级。20世纪初，W.H.Bragg和W.L.Bragg父子推导出著名的布拉格（Bragg）方程，即晶面对X射线反射，出现衍射峰的条件是2dsin＝n（图310）。
图310晶面对X射线的反射
从实验数据可以获得衍射峰的角度，当X射线波长已知时，即可利用布拉格方程求出晶面间距d。晶体中原子、分子排列方式不同，种类不同，出现衍射峰的位置及强度也不同，在记录仪上可以看到分立的斑点或者谱线，从而可推测晶体的结构。在同一条件下摄取的非晶体图谱中却看不到分立的斑点或敏锐的谱线（图311）。
图311非晶态SiO2和晶态SiO2 XRD图谱的对比
第二节常见晶体类型一、 分子晶体
只含分子的晶体称为分子晶体。例如，图312中的碘晶体只含有I2分子，属于分子晶体。在分子晶体中，分子内的原子间以共价键结合，而分子之间的作用力是分子间作用力范德华力和氢键。分子间作用力相比于离子键、共价键等化学键是一种很弱的作用力，因而分子晶体具有低熔点的特性。但分子晶体的熔点并不完全取决于分子间力的大小，还与分子在晶体里堆积的紧密程度有关。分子堆积紧密，空间利用率高，也会使熔点升高。例如，近球状的金刚烷的熔点高达269℃，是已知烷烃中熔点最高的。
图312碘晶体的结构示意图
哪些晶体属于分子晶体呢？绝大多数有机物属于分子晶体已知的500多万种有机物中多数是分子晶体。无机物中较典型的分子晶体有： ①所有非金属氢化物，比如H2O、H2S、NH3、HCl、CH4等； ②部分非金属单质，如X2卤素、O2、S8、N2、P4、C60等； ③部分非金属氧化物，如CO2、P4O6、SO2等； ④几乎所有的酸。分子间作用力比较弱，导致分子在晶体的微观空间里堆积时会尽可能地利用空间，但分子的形状、分子间是否存在具有方向性的氢键以及分子的极性强弱均会影响分子的堆积方式和空间利用率。如果分子间作用力只是范德华力，若以一个分子为中心，其周围通常可以有12个紧邻的分子，如图313的O2和C60，分子晶体的这一特征称为分子密堆积。
图313O2和C60的分子晶体结构
然而，分子间还有其他作用力的分子晶体，如我们最熟悉的冰，就是堆积不紧密的分子晶体的典型代表。通常冰具有六方晶胞，由于分子间存在作用力较大而方向性很强的氢键，每个水分子周围只有4个水分子，类似金刚石中碳的配位情形，空间利用率很低，以致冰融化后密度反而升高（图314）。
图314冰和液态水的结构对比
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