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物理化学-化学前沿与进展

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砷钼酸盐化学研究进展与展望

巩培军104753140807 物理化学

摘要:多金属氧酸盐以其丰富多彩的结构及其自身的优良分子特性,包括极性、氧化还原电位、表面电荷分布、形态及酸性,使其在很多领域,尤其是材料、催化、药物等方面具有潜在应用前景,因而受到人们的广泛关注。本文选择目前报道尚少的砷钼杂多化合物为研究重点。

Abstract: Polyoxometalates (POMs), a fascinating class of metal–oxygen cluster compounds with a unique structural variety and interesting physicochemical properties, have been found to be extremely versatile inorganic building blocks in view of their potential applications in catalysis, medicine, and materials. In this paper, the main work has been focused on the rare reported arsenomolybdates. Keywords: polyoxometalates; physicochemical properties; applications

1 多酸概述

多金属氧酸盐化学至今已有近二百年的历史,它是无机化学中的一个重要研究领域[1-3]。早期的多酸化学研究者认为无机含氧酸经缩合可形成缩合酸:同种类的含氧酸根离子缩合形成同多阴离子,其酸为同多酸;不同种类的含氧酸根离子缩合形成杂多酸阴离子,其酸为杂多酸[4]。现在文献中多用Polyoxometalates (多金属氧酸盐) 及Metal-oxygen clusters (金属氧簇)来代表多酸化合物。

从结构上多酸是由前过渡金属离子通过氧连接而形成的金属氧簇类化合物,它的基本的结构单元主要是八面体和四面体。多面体之间通过共角、共边或共面相互连接。根据多面体的连接方式不同,多金属氧酸盐可划分为不同的结构类型,如Keggin、Dawson、Silvertone、Anderson、Lindqvist 和Waugh 结构等,它们被称为多金属氧酸盐最常见的六种基本结构类型(图1)。(1)Keggin 结构,其阴离子通式可表示为[XM12O40]n– (X = P、Si、Ge、As、B、Al、Fe、Co、Cu 等;M = Mo、W、Nb 等);(2)Wells—Dawson 结构,其阴离子通式可表示为[X2M18O60]n– (X = P、Si、Ge、As 等;M = Mo、W 等);(3)Silverton 结构,其阴离子通式为[XM12O42]n– (X = Ce IV等;M = Mo VI 等);(4)Anderson 结构,其阴离子通式为[XM6O24]n– (X = Al、Cr、Te、I 等;M = Mo 等);(5)Lindqvist 结构,其阴离子的通式为[M6O19]n– (M = Nb V、Ta V、Mo VI、W VI等);(6)Waugh 结构,其阴离子通式为[X2M5O23]n– (X = P V等;M = Mo VI等)。其结构又决定其特殊性质的,如强酸性、氧化性、催化活性、光致变色、电致变色、导电性、磁性等。多金属氧酸盐由于各种确定的结构和特异、优越的物理化学性质,使它们在催化[5]、材料科学[6]、化学及医药学[7]等方面具有重要的应用前景。多金属氧酸盐可根据组成不同分为同多(iso)和杂多(hetero)金属氧酸盐两大类。这种分类方法一直沿用早期化学家的观点:即由同种含氧酸盐缩合形成的称同多酸(盐),由不同种含氧酸盐缩合形成的称为杂多酸(盐)。多酸化学经过近两个世纪的发展,已经成为无机化学的一个重要分支和研究领

域.尤其是近二十年来,由于测试技术和表征手段的不断提高及新合成方法的不断涌现,多酸化学取得了突飞猛进的发展,呈现出迅猛发展的势头。

图1 多金属氧酸盐常见的六种基本结构

2 砷钼酸盐的发展及研究现状

P(V)和As(III/V)属于同一主族,性质相似,As原子可以呈现+3价和+5价,应该具有更为丰富的物种,但是与数量众多结构丰富的P–Mo–0簇相比As–Mo–O簇的合成和研究相对落后。尽管人们在很早以前就已经对钼酸盐和砷酸盐的溶液化学进行了研究,但到目前为止确定晶体结构的杂多砷钼酸盐还相对较少,现将已报道的杂原子为As(III/V)的杂多钼酸盐分为以下几类进行阐述。

2.1含五价砷的杂多钼酸盐

含五价砷的的杂多钼酸盐主要包括经典结构的饱和离子及相应的缺位离子形成的化合物及其他类型的化合物。

1967年,Contant R.合成了a–Keggin型的砷钼杂多阴离子[AsMo12O40]3–[8] (如图2.a所示)。阴离子由十二个MoO6八面体和一个AsO4四面体组成,十二个八面体分为四组,每三个八面体通过共边连接形成三金属簇,四个三金属簇通过共顶点连接形成笼状结构,AsO4四面体的四个顶点与三金属簇共顶点相连,整个阴离子呈T d对称性。1981年,法国的https://www.sodocs.net/doc/379105064.html,unay教授通过电化学还原的方法制备了单电子还原的a–Keggin型的钼砷杂多阴离子[AsMo V Mo VI11O40]4–[9],并利用低温顺磁共振研究了Mo V的信号。1990年,Müller教授又报道了四电子还原的a–Keggin型的阴离子[H4AsMo4V Mo VI8O40]3–和两电子还原的β–Keggin型的阴离子[H2AsMo2V Mo VI10O40]3–[10](如图2.b所示),它是由a–Keggin型的钼砷杂多阴离子通过将一组三金属簇旋转60°得到的。

图2 Keggin结构的砷钼杂多阴离子a)a–Keggin型b)β–Keggin型随后人们又得到了单缺位和三缺位的a–Keggin型杂多阴离子[AsMo11O39]6–[11]和[AsMo9O31(OH2)3]3–[12](如图3),它们可分别由完整的Keggin结构中去掉一个八面体和一组共边相连的{Mo3O13}三金属簇得到。

图3. 单缺位和三缺位的a–Keggin型杂多阴离子

a) a–Keggin [AsMo11O39]6–b)a–B–Keggin [AsMoO31(OH2)3]6–

经典结构的杂多钼砷酸盐还有Dawson型。1990年东北师范大学的王恩波教授报道了a–Dawson 结构的砷钼杂多酸H6[As2Mo18O62]·25H2O [13]的合成,它是由两个A–型{a–AsMo9O34}单元结合成一个对称性为D3h的簇。Dawson结构中的上下两个三金属簇称为“极位”,中间的12个八面体称为“赤道位”。1991年王恩波课题组又报道了单缺位的a–Dawson结构砷钼杂多酸盐的合成[14]。

除经典的Keggin和Dawson结构的砷铝杂多化合物以外,还有几例非经典结构的杂多钼砷酸盐被报道。日本的Sasaki Y.教授在1975年报道的杂多阴离子[H4As4Mo12O50]4– [15]是由四组{Mo3O13}三金属簇共顶点(每组三金属簇与另外的三组三金属簇各共用一个顶点)相连形成笼状结构,相邻的三组{Mo3O13}基团的六个MoO6八面体形成{Mo6O6}环状空腔,四个这样的空腔表面,各被一个As V O4所占据,每个As V O4通过共用三个氧原子与{Mo6O6}相连接,另外一个氧原子为端氧(如图4.a所示)。

台湾国立清华大学的从Wang Sue–Lein于1994年报道的杂多化合物(C5H5NH)4[(Mo4O10)(HAs V O4)4][16]也包含有四个As V O4四面体,其中两个砷原子As(2)和As(2a)和两个{Mo2O10}基团相互连接形成六元环,另外两个砷原子分别键合在六元环的两侧(如图4.b所示)。

图4 a)[H4As4Mo12O50]4–b) [(Mo4O10)(HAs V O4)4]4–

1997年,Wang Sue–Lein又利用水热合成的方法(550℃加热8小时)制备了化合物Cs5Mo8O24(OH)2AsO4·2H2O(如图5.a所示),当将化合物Cs5Mo8O24(OH)2AsO4·2H2O在550℃下加热后又得到了与之结构类似的化合物Cs5Mo8O26AsO4[17](如图5.b所示)。[As V Mo8O30H2]5–阴离子由两个晶体学上独立的{Mo4O15H}单元通过一个As原子连接而成,{Mo4O15H}单元中的四个钼原子是共平面的;[As V Mo8O30]7–阴离子由两个晶体学上独立的{Mo4O15}单元通过一个As原子连接而成,{Mo4O15}单元中的四个钼原子接近共平面。

图5 a)[AsMo8O30H2]5–b)[AsMo8O30]7–

除了上述的几个非经典的砷钼杂多阴离子外,还有一类重要的离子。1980年,Hedman B.教授报道了[N(CH3)4]2Na3HMo6As2O26·7H2O[18]的结构,其阴离子为A–[As V2Mo6O26]6–(如图6.a所示)。2007

年,东北师范大学的王恩波教授分别制备了B–[As V2Mo6O26]6–和B'–[As V2Mo6O26]6–[19](如图6.b和6.c所示)。

图6 [HxAs V2Mo6O26]6-x的三种异构体

a) A–[HAs V2Mo6O26]5–b)B–[As V2Mo6O26(H2O)]6–c)B'–[As V2Mo6O26(H2O)]6–

A–[HAs V2Mo6O26]5–多阴离子结构为{Mo6O26}环形结构的平面上下分别覆盖着一个AsO4四面体,环形结构由六个MoO6八面体共边相连形成,每一个AsO4四面体与MoO6八面体共角相连。B–[As V2Mo6O26(H2O)]6–阴离子结构与A型异构体相似,都是在{Mo6O26}环形结构的平面上下分别覆盖着一个AsO4四面体形成,但与A型异构体不同的是,在{Mo6O26}环中的两个MoO6八面体通过一个二桥氧、一个三桥氧和一个二桥水共面相连形成{Mo2O9H2}基团,然后与四个共边的MoO6八面体共角相连。B'–[As V2Mo6O26(H2O)]6–与A型和B型异构体不同的是,{Mo6O26}环形结构由五个MoO6八面体和一个MoO5四方锥组成,,在{Mo6O26}环形结构中,一个MoO6八面体和一个MoO5四方锥共边形成{Mo2O9}基团,{Mo2O9}与四个共边的MoO6八面体共角相连。此外,还有许林报道的夹心型的杂多阴离子[Mn2(As V Mo9O33)2]6– [20]。

2.2含混合价砷原子的杂多钼酸盐

含混合价砷原子的杂多铝酸盐主要是帽型结构的饱和及缺位的Keggin型化合物。1993年,zubieta J.利用中温水热合成方法制备了一个双帽混合价的Keggin型化合物

Na0.5H0.5[H4As III2As V Mo8V Mo VI4O40]·4H2O[21]。如图7所示,四组{Mo3O13}基团共角相连围绕着一个中心As V O4四面体,每个{Mo3O13}与中心As V O4共用一个氧原子,形成a–Keggin簇,在其表面,相邻的两组{Mo3O13}基团的四个MoO6八面体构成{Mo4O4}环状空腔,相对位置的两个这样的空腔表面各被一个As III O4帽所占据,每个As III O4帽通过共用其四个氧原子与{Mo4O4}相连接。

图7 杂多阴离子[H4As III2As V Mo8V Mo VI4O40]6–的结构图a)球棍图b)多面体图

1999年,王恩波利用水热合成法制备了单帽三缺位的β–Keggin型的多阴离子[As III As V Mo VI9O34]6–[22],该阴离子由一个{Mo

O13}基团、三个{Mo2O12}基团、一个中心AsO4四面体和一个AsO3三角

3

锥组成。其中{Mo3O13}簇由三个MoO6八面体共边组成,{Mo2O12}簇由两个MoO6八面体共边组成。{Mo3O13}和三组{Mo2O12}共角连接配位于中心四面体杂原子As的周围,每组均与中心AsO4四面体共用一个氧原子,由此形成三缺位Keggin类型{AsMo9O34}簇,AsO3三角锥通过共用三个氧原子键合于{AsMo9O34}簇表面(如图8.a所示)。2002年Süss–Fink报道了a–Keggin型单帽三缺位阴离子[HAs III As V Mo V Mo VI8O34]6–[23](见图8.b)。

图8 单帽三缺位的砷钼多阴离子的球棍图

a)β–Keggin 型[As III As V Mo VI9O34]6–b)a–Keggin型[HAs III As V Mo V Mo VI8O34]6–

2.3含三价砷原子的杂多钼酸盐

Sasaki Y. 于1957年报道的杂多阴离子[As2Mo12O40]6–[24]可以看作是由MoO6八面体通过共边或共角相连形成的两个六员环组成,每一个砷原子由三个氧配位形成三角锥结构分别处于对位位于六员环的中心,如图9所示。

图9 [As2Mo12O40]6–的多面体图

1991年Jeannin报道了杂多阴离子[As3Mo3O15]3–[25]的结构(如图10.a所示)。该阴离子是由一个{Mo3O13}和{As3O7}单元结合而成。{Mo3O13}单元是杂多阴离子中的常见单元,三砷酸根单元具有线性,通过5个共用原子和{Mo3O13}单元连接。位于中间的砷原子同3个钼原子共用一个氧,两边的两个砷原子分别通过两个氧原子与钼原子相连。同时Jeannin还报道了[As6CoMo6O30]4–的结构(如图10.b所示),该结构可看作是由A–型的Anderson结构衍化而来,其中心八面体空穴由钻原子占据,在Anderson结构的两面各结合了一个{As3O3}形成的环,每个环同Anderson结构共用三个氧原子。

图10 a) [As3Mo3O15]3–的球棍图b)[As6CoMo6O30]4–的多面体图

1999年和2007年,王恩波课题组合成了三个结构与之相似但中心的金属原子不同的杂多阴离子[(CuO6)Mo6O18(As3O3)2]4–[26]、[(Mo IV O6)Mo6VI O18(As3III O3)2]2– [27]和[(ZnO6)Mo6O18(As3O3)2]4–,只是Aderson结构的中心原子与[As6CoMo6O30]4–不同,分别为Cu 2+,Mo4+和Zn2+。

利用溶液合成方法Müller制备了三个结构相互关联的As(III)–Mo–O簇合物[(AsOH)3(MoO3)3(AsMo9O33)]7–, [(AsOH)6(MoO3)2(O2MoOMoO2)2(AsMo9O33)2]10–和[(AsOH)4(AsO)2(O2MoOMoO2)2(As–Mo9O33)2]8–[28,29]如图11所示,这三个阴离子都含有以三价As原子为中心的三缺位Keggin簇{AsMo9O33},通过调节pH值阴离子a)可聚合形成阴离子b)和c)。三缺位Keggin簇{AsMo9O33}可看作由三组{Mo3O l3}共角相连围绕着一个中心AsO3三角维形成;{{Mo3O l3}}簇由共边相连的三个MoO6八面体组成,中心三价砷原子有一对孤对电子。

图11 含{AsMo9O33}单元的三个多金属氧酸盐

a) [(AsOH)3(MoO3)3(AsMo9O33)]7–

b) [(AsOH)6(MoO3)2(O2MoOMoO2)2(AsMo9O33)2]10–

c) [(AsOH)4(AsO)2(O2MoOMoO2)2(As–Mo9O33)2]8–

1993年,Zubieta J.利用中温水热合成方法制备了一个新型的砷钼酸盐Na4[Mo4As6O20(OH)2]·9H2O,其多阴离子[Mo4As6O20(OH)2]4–由一个还原态的{Mo V4O16}基团和两个链状的{HAs III3O7}基团构成。四个MoO6八面体通过共边连接形成{Mo V4O16}簇,两个As III O3三角锥和一个As III O2(OH)三角锥共角相连形成链状的{HAs III3O7}基团,每个{HAs III3O7}基团通过共用四个氧原子连接到{Mo V4O16}簇上形成富砷的还原态多阴离子[30](如图12所示)。

图12 富砷的还原态多阴离子[Mo4As6O20(OH)2]4–的结构图

3. 展望

在当今的无机化学合成领域中,设计合成具有新颖结构和奇特性质的新化合物,寻求物质结构的多样性依然是无机化学发展的方向和动力之一。多酸化学的发展更是离不开多金属氧酸盐物种的多样性,而物种的多样性主要依赖于新物种的不段涌现,因此可以说基础研究中的合成工作是多酸发展的不竭动力,同时合成工作也充满了极大的挑战。但是和以往不同的是,多酸化学家在合成新物质的过程中,己经开始有意识的根据人们所需的具有特定功能的材料来进行定向的设计和合成。夹心型杂多化合物和基于多金属氧酸盐的有机一无机杂化合物由于其在光学材料!催化及磁学等领域具有潜在的应用价值而备受人们的关注。相对于数量众多、结构丰富的P–Mo–O簇而言,As–Mo–O簇的化合物种类较少,发展也相对落后,而合成的化合物基本上大都是包含过渡金属和过渡金属有机-无机杂化的含砷多钼酸盐。几乎没有发现包含稀土和过渡—稀土的含砷多钼酸盐。砷钼多酸盐的发展应充满挑战。不过,随着合成方法的多样行和合成条件技术的成熟,相信砷钼多酸盐的发展将更上一层楼!

4. 参考文献

[1] Pope M T, Müller A. Polyoxometalate Chemistry[M]. Kluwer, Dordrecht, 2001, 1–10.

[2] Wang E B, Hu C W, Xu L. Concise of Polyoxometalate Chemistry [M]. Beijing: Chemical Industrial Publishing Company, 1998, 4.

[3] Adam W, Alsters P L, Neumann R. Highly Efficient Catalytic Asymmetric Epoxidation of Allylic Alcohols by an Oxovanadium-Substituted Polyoxometalate with a Regenerative TADDOL-Derived Hydroperoxide[J]. Org Lett (Letter), 2003, 5: 725–728.

[4] Adam W, Alsters P L, Neumann R, et al. Chiral Hydroperoxides as Oxygen Source in the Catalytic Stereoselective Epoxidation of Allylic Alcohols by Sandwich-Type Polyoxometalates: Control of Enantioselectivity through a Metal-Coordinated Template [J]. J Org Chem, 2003, 68: 8222–8231.

[5] Hill C L. Stable, Self-Assembling, Equilibrating Catalysts for Green[J]. Angew Chem Int Ed, 2004, 43:402–404.

[6] S. Kobayashi H, Tomita H, Naito T, et al. New BETS Conductors with Magnetic Anions (BETS =bis(ethylenedithio)tetraselenafulvalene)[J]. J Am Chem Soc, 1996, 118: 368–377.

[7] Wang X, Liu J, Pope M T. New polyoxometalate/starch nanomaterial: synthesis, characterization and antitumoral activity[J]. Dalton Trans, 2003, 957–960.

[8]Souchay P., Contant R. Preparation and reduction of molybdoarsenic acid [J]. Hebd. Sea. Acad. Sci., Ser. C, 1967,256:723–726

[9] Sanchez C., Livage J., Launay J.P., et al. Electron delocalization in mixed–valence molybdenum Polyanions [J]. J.Am.Chem.Soc.,1982,104(11):3194–3202

[10] Müller A., Krickmeyer E., Penk M., et al. [H6As10Mo24O90]8–a Heteropolyanion Comprising Two Linked Spherical Fragments, and Reduced Keggin Anions as Its Degradation Products [J]. Angew. Chem. Int. Ed., 1990,29(l):88–90

[11] Maeda K., Himeno S., Saito A., et al. Preparation and Characterization of 11–molybdoarsenite (II) complex [J]. Bull. Chem. Soc. Jap.,1993,66(6):1693–1698

[12] Hedman B. Multicomponent Polyanions.18. A neutron diffraction study of Na3Mo9PO31(OH2)3·12–13H2O, a compound containing 9–molybdomonophosphate Anions with molybdenum–coordinated water molecules [J]. Aeta.Chem.Scand.,1978,A32(5):439–446

[13] 王恩波,胡长文,周延修,等.Dawson结构砷钼杂多酸(盐)的合成与性质研究[J].化学学报,1990,48:790–796

[14]王恩波,胡长文,刘景福.缺位Dawson结构杂多化合物–17–钼–2–砷酸钾的合成与性质研究[J].科学通报,1991,36(3):197–200

[15] Nishikawa T., Sasaki Y. Crystal structure of ammonium dodecamolybdotetraarsenate(V) tetrahydrate [J]. Chem. Lett.,1975,11:1185–1186

[16] Wang S.L., Hsu K.F., Nieh Y.P. Hydrothermal synthesis and structural characterization of the molybdenum(VI) arsenate (C5H5NH)2[(Mo2O5)(HAs V O4)2]·H2O [J]. J.Chem.Soc., Dalton Trans.: Inorg. Chem.,(1972–1999),1994,11:1681–1684

[17] Hsu K.F., Wang S.L.Cs5Mo8O24(OH)2AsO4·2H2O andCs5Mo8O26AsO4:Two Novel Molybdenum(VI) Asenates Containing Heteropolyanions [AsMo8O30H2]5–and [AsMo8O30]7–[J]. Inorg. Chem., 1997, 36(14):3049–3054

[18] Hedman B. Multicomponent Polyanions. 29. The structure of trisodium bis(tetramethylalmmonium) monohydrogenhexamolybdodiarsenate heptahydrate [J]. Aeta. Crystal. SectionB: Structural Crystallography and Crystal Chemistry,1980,B36(10):2241–2246

[19] Sun C.Y., Li Y.G., Wang E.B., et al. A Series of New Organic–Inorganic Molybdenum Arsenate eomplexes Based on [(ZnO6)(As3O3)2Mo6O18]5–and [HxAs2Mo6O26](6–x)–Clusters as SBUs [J] Inorg.Chem.,2007,46(5):1563–1574

[20] Yang Y.Y. Xu L., Gao G.G., et al. A monomeric Mn2+ion–linked heteropolymolybdoarsenate [Mn2(As V Mo9O33)2]10–: Synthesis, crystal structure and magnetic Properties [J]. J.Mol. Stru., 2008, 886,85–89

[21] Khn M.I., Chen Q., Zubieta J. Hydrothermal synthesis and structure of [H4As III2As V Mo8V Mo VI4O40]–,

A Bicapped Reduced Keggin Speeies [J].Inorg.Chem.,1993,32(13):2924–2928

[22] He Q.L.,Wang E.B., You W., et l.Hydrothermal synthesis and structure of[As III As V Mo VI9O34]6–a monocapped, trivacant Keggin spceies [J].J.Mol.Struct.,1999508:217–221

[23]Fidalgo E.G., Neels A.,Stoeekli–EvansH., et al.New iso and heteropolyoxomolybdates: synthesis and molecular structure of the anions [Mo VI8O26(OH)]5–, [HAs III As V Mo V Mo VI8O34]6–and [HAs III As V Mo V Mo VI8O34{Co(C5H5N)2(H2O)3}]5–[J] .Polyhedron,2002,21:1921–192

[24] Ozawa Y., Sasaki Y.. Synthesis and structure of [(CH3)4N]4Na2[As2Mo12–O42]·2H2O [J].Chem.Lett.,1987,9:1733–1736

[25]Martin–Frere J., Jeannin Y., Robert F., et al.Synthesis and X–ray Structures of Two Unprecedented Heteropolymetalates [As3Mo3O15]3–and [As6CoMo6O30]4–Frist Examples of Linear Triarsenate (III) and Cyclic Triarsenate(III) [J].Inorg.Chem.,1991,30(19):3635–3638

[26] He Q.L.,Wang E.B.. [J].Inorg. Chem.Cornmun.1999,2:399–402

[27] He Q.L.,Wang E.B., Hu C.. Hydrothermal synthesis and structural characterization of a Mixedvalence molybdenum(IV,VI) arsenate(III): Ni(H2NCH2CH2NH2)3[(Mo IV O6)Mo6VI O18(As3III O3)2]·2H2O [J]. J. Mol. Struct., 1999,454:139–143

[28] Müller A., Krickmeyer E., Penk M., et al. [H6As10Mo24O9]8–a Heteropolynion Comprising Two Linked Spherical Fragments, and Reduced Keggin Anions as Its Degradation products [J]. Angew. Chem.Int.Ed.,1990,29(1):88–90

[29]Müller A., Krickmeyer E., Dillinger S., et al. [(AsOH)3(MoO3)3(AsMo9O33)]17–and [(AsOH)6(MoO3)2(O2Mo–O–MoO2)2(AsMo9O33)]10–: Coupling of Highly Negatively Charged Building Blocks [J]. Angew.Chem.int.Ed.,1996,35(2):171–173

[30] Khan M.I.,Chen Q., Zubieta J..Hydrothermal synthesis and crystal and molecular structure of are reduced, arsenic rich heteropolyanion, Na4[Mo4As6O20(OH)2]·9H2O [J]. J. Chem.Soc.,Chem.Cornrnun.,1993,356–357

(整理)化学未来的发展趋势.

白春礼:对化学未来的发展趋势的阐述以及对于广大化学工作 者的期望 发布时间:2011-06-07 【字 号:小中大】谈一下化学未来的发展,有四点趋势。化学将向更广度、更深层次的方向延伸;新工具的不断创造和应用促进化学创新发展;绿色化学将引起化学化工生产方式的变革;化学在解决战略性,全局性,前瞻性重大问题当中将继续发挥更大的作用。 化学向更广更深的层次延伸体现在几个方面,对原子,分子的认识将更为深入,多层次分子研究更为系统,创造新分子,新材料的基础上更加注重功能性。超分子是一个分子结构与宏观性能的关键纽带,是产生更高级结构的基础。如何设计超分子结构和材料,对复杂生命体系的理解和模拟及调控都是前沿的课题。这是化学向更深层次,更复杂拓展的延伸。 新工具的创造和应用会促进化学的发展,随着技术能力和仪器设备的不断进步,空前准确和灵敏的仪器不断被创造和应用,科学家不仅能在原子,分子甚至电子层次观察并研究微观世界的性质,而且能够对其物质结构和能量过程进行操控。1981年,人类实现了观察单个原子的愿望,实现了移动单个原子和单个分子,促进了化学的创新和发展。同步辐射及各种实验方法和技术的改进,使同步辐射光源在化学研究领域中发挥重要的作用,比如真空紫外辐射光可以在量的水平上观察化学共振态。原位气固反应X射线吸收精细结构谱实验新方法,各种应用促进了化学向更深层次的发展。 绿色化学将促进化学化工生产方式的变革,绿色化学不仅是对现有过程的改进和新过程的研究,未来化学的研究将更加注重绿色产品设计的理念。绿色化学将注重经济,高效,制备与人类生活相关的物质,绿色化学不仅是创造可持续的化学产品,也需要变废为宝,将今天的废弃物变为明天有用的资源,将引起化学化工的变革。美国在1995年设立了总统绿色化学挑战奖,07年通过了绿色化学研究和发展法案。日本在上世纪90年代旨在防止全球气候变暖,在21世纪重建绿色地球的新阳光计划开始实施,主要内容为能源和环境技术研究开发。97年德国提出为环境而研究的计划。化学家开发了大量的化学合成反应,制备人类息息相关的物质,超过80%的化学生产需要催化剂,70%以上的化学化工过程使用溶剂。我们现在考虑如果从合成方法学来讲,原子经济学,计算化学,绿色化学结合,合成方法学的角度上进行绿色化学的研究。80%化学品的生产需要催化剂,如何通过发展新型的高效催化剂高稳定性,并且在制造的过程中对环境是无害,使用的过程可以回收再利用,使催化剂不污染环境这也是一个非常重要的方面。70%以上的化学化工过程要使用溶剂,我们要采用绿色的溶剂,二氧化碳做溶剂,离子液体,聚乙二醇等等使之更加清洁和可持续。绿色化学还需要变废为宝,把引起气候变暖的二氧化碳转化利用,通过开发新的技术进行转化应用。前不久我们曾经在宝钢与新西兰研究一个新的技术,利用钢厂的尾气对二氧化碳进行转化研究。秸秆,树木,藻类转化为燃料,重要化学品核材料,木质素,纤维素为原料的新化学反应,粘土等天然无毒原料在材料科学中的应用,不仅是创造新一代的可持续的化学产品,还要考虑如何变废为宝,这是下一步发展的重要方面。 第四方面,化学在解决全局性,前瞻性,战略性的重大问题中会发挥重要的作用,社会的发展不断对化学发展提出新的需求,比如能源危机要求我们如何像光合作用那样高效的利用太阳能。前不久有仿造树叶的光合作用来高效利用太阳能。环境保护方面如何控制降解驱除污染,资源利用方面必须做到合理高效的利用资源,最大显著的利用资源,材料方面绿色化及智能化,可再生循环利用,社会安全方面防患于未然,比如易燃品,爆炸品的检查和防护,有很多的工作需要化学家发挥更大的作用。 刚才讲了环境,能源,资源利用等方面,在材料化学方面,要设计铸造分子,生命科学方面不仅是研究生命起源,调控机制,疾病发生机制和药物的作用机制,在脑科学和认知科学方面,如何在生物分子的水平上认识结构,化学都有十分重要的作用。

21世纪的化学前沿

21世纪的化学前沿 人们经常说:化学无所不在,所以化学的对象也几乎无所不包。传统上,根据研究对象和方法的不同一般把化学分为5个分支领域,即无机化学、有机化学、分析化学、物理化学和高分子化学。下面逐一介绍。 1无机化学 无机化学是研究无机化合物的性质及反应的化学分支。无机化合物包括除碳链和碳环化合物之外的所有化合物,因此,无机化合物种类众多,内容丰富。人类自古以来就开始了制陶、炼铜、冶铁等与无机化学相关的活动,到18世纪末,由于冶金工业的发展,人们逐步掌握了无机矿物的冶炼、提取和合成技术,同时也发现了很多新元素。到19世纪中叶,已经有了统一的原子量数据,从而结束了原子量的混乱局面。虽然当时人们已经积累了63种元素及其化合物的化学及物理性质的丰富资料,但是这些资料仍然零散而缺乏系统。为此,德国学者D6bereiner,Meyer、法国学者deChancourrois以及英国学者Newlands,Odling等先后做了许多元素分类的研究工作。至1871年,俄国学者Mendeleev发表了“化学元素的周期性依赖关系”一文并公布了与现行周期表形式相似的Mendeleev周期表。元素周期律的发现奠定了现代无机化学的基础。元素的周期性质是人们在长期科学实践活动中通过大量的感性材料积累总结出来的自然规律,它把自然界的化学元素看做一个有内在联系的整体。正确的理论用于实践会显示出其科学预见性。按周期律预言过的15种未知元素,后来均陆续被发现;

按周期律修改的某些当时公认的原子量,后来也都得到证实,如In,La,Y,Er,Ce,Th等。至1961年,原子序数由1-103的元素全部被发现,它们填满了周期表的第一至第六周期的全部以及第七周期的前面16个位置。尔后,又依次发现了元素104(1969年),105(1970 年),106(1974年),107(1981年),108(1986年),109(1982年),110(1994年),111(2019年),112(2019年)和114(2019年)等。人类究竟还能发现多少新元素?据核物理理论的预测,175号元素可以稳定存在,当然这种预测是否正确还需要实验的验证。至今耕耘周期系来发现和合成新化合物仍是化学科学的传统工作。 20世纪以来,由于化学工业及其他相关产业的兴起,无机化学又有了更广阔的舞台。如航空航天、能源石化、信息科学以及生命科学等领域的出现和发展,推动了无机化学的革新步伐。在过去30年里,新兴的无机化学领域有无机材料化学、生物无机化学、有机金属化学、理论无机化学等等。这些新兴领域的出现,使传统的无机化学再次焕发出勃勃生机。 2有机化学 有机化学是一门研究碳氢化合物及其衍生物的化学分支,也可以说有机化学就是有关碳的化学。在19世纪初期,碳元素的化学远比金属以及其他常见元素(如硫、磷和氮)的化学落后。1828年,德国化学家FeiderichWohler发现用无机化合物NH4Cl和AgOCN氰酸银)作用生成NH4OCN(氰酸钱),蒸发该溶液所得白色结晶是它的异构体CO(NH)2(尿素),后者是动物体内的有机物。人工合成尿素是有史

物理化学专业硕士研究生培养方案(070304)分解

物理化学专业硕士研究生培养方案(070304) 一、培养目标 为了适应我国社会主义建设事业的需要,培养德、智、体全面发展的物理化学化学专业人才,所培养的研究生应达到如下水平: 1、具有高度的政治理论水平和觉悟,能够用辩证唯物主义观点观察和分析事物。遵纪守法,有良好的道德品质和团结合作精神。爱祖国、爱人民、热爱社会主义。 2、具有严谨的治学态度,实事求是的科学精神,坚实的理论基础和广泛的专业知识以及熟练的实验技能。能够独立进行科学研究,勇于探索、创新、刻苦勤奋,并能胜任高等学校化学基础课和物理化学专业课的教学工作。能够熟练地阅读英文专业书刊,并能用英文撰写物理化学专业方面的研究论文。 3、身心健康。 二、研究方向 A、绿色物理化学B生物物理化学 C. 化学电源材料 D. 计算化学与分子设计 E 催化化学 F. 纳米材料化学 三、学习年限 学习年限为三年。一年半时间完成硕士学位的必修课和选修课,至少获得35学分。剩余一年半时间从事科学研究,完成硕士学位论文,并通过论文答辩。如果研究生能在较短的时间内将规定的课程学完,并得到足够的学分,通过论文答辩,可提前毕业。必要时,研究生经批准也可适当延长学业,但最多不超过一年。四、课程设置 见课程设置表。 五、考核方式 研究生的必修课均为考试课程,采取试卷的形式进行笔试,选修课可以根据情况采取考试或考查的方式进行考核。考试课程成绩按百分制,75分为合格;考查课程按优秀、良好、及格和不及格四级记分制评定成绩。由主讲教师出卷并批改给出成绩,考后及时把成绩上报研究生学院,登记在《研究生考试考查成绩登记表》〉中并由主讲教师签名。 六、学位论文 硕士研究生用不少于一年的时间参加科学研究及撰写学位论文,不计学分。 硕士研究生一般应在第三学期内完成论文的选题工作,要求最迟于第四学期开学后的前两个月内提交学位论文计划,并向所属教研室或指导小组做开题报告,经讨论认为选题合适且计划切实可行者,方能正式开展论文工作。第四学期5~6月份结合中期考核对学位论文的进展情况进行检查。 学位论文应在导师指导下,由研究生本人独立完成。论文作者应了解所研究方向的最新成就,对所研究的课题应有创新。论文工作要有足够的工作量。论文的字数一般不少于3万字。 研究生必须学完规定的课程,考核成绩合格并完成学术活动或实习活动,获得规定的学分后,方能申请论

现代物理化学材料研究进展

功能化石墨烯及其应用 摘要:石墨烯(graphene)是最近发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料,它的特殊单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质。有关石墨烯的基础和应用研究已成为当前的前沿和热点课题之一。本文就目前石墨烯的制备方法、功能化方法以及在化学领域中的应用作一综述,阐述石墨烯应用于化学修饰电极、化学电源、催化剂和药物载体以及气体传感器等方面的研究进展,并对石墨烯在相关领域的应用前景作了展望。 关键词:石墨烯;碳材料;石墨烯氧化物;石墨烯功能化;石墨烯应用 1 简介 碳材料是自然界中非常奇妙的一种材料,它可以形成世界上最硬的金刚石,也可以形成软的石墨。近几十年,碳纳米材料一直是研究的热点领域,继1985年发现富勒烯[1]和1991年发现碳纳米管[2],2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈?海姆和当斯坦丁?诺沃肖洛夫成功制备出了石墨烯[3]。石墨烯的发现充实了碳材料家族,形成了从零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。 石墨烯是拥有sp2杂化轨道的二维碳原子晶体,具有蜂巢状的晶体结构,是目前世界上最薄的材料一单原子厚度的材料,它的厚度仅为0.335nm。其独特的热学、力学和电学性能使它迅速成为当前材料科学和凝聚态物理研究中的一个热点,对于改善聚合物材料的性能具有重要意义[4]。为了充分发挥石墨烯的优良性质,改善其成型加工性,一般通过引入特定的官能团对石墨烯进行有效的功能化改性,进一步拓宽其应用领域。 2 石墨烯/聚合物纳米复合材料的制备及其性质 2.1 石墨烯/聚合物纳米复合材料的制备 在石墨烯/聚合物复合材料的制备过程中,石墨烯在聚合物基体中的分散是一个很关键的问题,好的分散能够最大限度地增加纳米填料的表面积,而表面积的大小将会影响到与纳米填料相邻的聚合物的链的运动,从而影响整个聚合物基体的性能。常见的处理方法包括溶液处理、原位聚合和熔融处理。 2.1.1 溶液处理 氧化石墨可以通过化学方法和热处理的方法达到完全剥离的状态。首先,能够将氧化石墨剥离成单层的氧化石墨烯片主要是因为一些含氧官能团(环氧基团、羟基和羧基等)的存在,而这些含氧官能团能够直接将氧化石墨分散在水和一些有机溶剂中。这些单层的氧化石墨片随后可以被一些还原剂还原,例如水合肼、二甲基肼、硼氢化钠和维生素C。氧化石墨的还原能够部分地恢复其共轭结构[5,6]。 因此,就可以很容易地利用溶液共混的方式来制备石墨烯聚合物纳米复合材料。这个方法包括了三个步骤:首先是将石墨烯通过超声的方式分散在有机溶剂中,然后加入聚合物,最后通过挥发或蒸馏的方式除去溶剂。到目前为止,己经有许多种不同

化学学科发展前沿

当代无机化学发展前沿 【论文摘要】: 无机化学是化学学科里其它各分支学科的基础学科,在近年来取得较突出的进展,主要表现在固体材料化学、配位化学等方面。未来无机化学的发展特点是各学科交叉纵横相互渗透,用以解决工业生产与人民生活的实际问题。文章就当代无机化学研究的前沿与未来发展趋势做了简要阐述。 当前无机化学的发展趋向主要是新型的无机化合物的合成和应用,以及新的研究领域的开辟和建立。因此21世纪理论与计算方法的运用将大大加强理论和实验更加紧密的结合。同时各学科间的深入发展和学科间的相互渗透,形成许多学科的新的研究领域。例如,生物无机化学就是无机化学与生物学结合的边缘学科;固体无机化学是十分活跃的新兴学科;作为边沿学科的配位化学日益与其它相关学科相互渗透与交叉。 根据国际上最新进展和我国的具体情况,文章就“无机合成与制备化学研究进展”和“我国无机化学最新研究进展”两个方面进行阐述: 一、无机合成与制备化学研究进展 无机合成与制备在固体化学和材料化学研究中占有重要的地位, 是化学和材料科 学的基础学科。发展现代无机合成与制备化学, 不断地推出新的合成反应和路线或改进和绿化现有的陈旧合成方法, 不断地创造与开发新的物种, 将为研究材料结构、性能(或功能) 与反应间的关系、揭示新规律与原理提供基础。近年来无机合成与制备化学研究的新进展主要表现为以下几个方面: (一)极端条件合成 在现代合成中愈来愈广泛地应用极端条件下的合成方法与技术来实现通常条件下无法进行的合成, 并在这些极端条件下开拓多种多样的一般条件下无法得到的新化合物、新物相与物态。超临界流体反应之一的超临界水热合成就是无机合成化学的一个重要分支。 (二)软化学合成 与极端条件下的合成化学相对应的是在温和条件下功能无机材料的合成与晶 化, 即温和条件下的合成或软化学合成。由于苛刻条件对实验设备的依赖与技术上的不易控制性, 减弱了材料合成的定向程度。而温和条件下的合成化学——即“软化学合成”,正是具有对实验设备要求简单和化学上的易控性和可操作性特点, 因而在无机材料合成化学的研究 领域中占有一席之地。 (三)缺陷与价态控制 缺陷与特定价态的控制是固体化学和固体物理重要的研究对象, 也是决定和优化 材料性能的主要因素。材料的许多性质如发光、导电、催化等都和缺陷与价态有关。晶体生长行为和材料的反应性与缺陷关系密切, 因此, 缺陷与价态在合成中的控制显然成为重要的科学题。缺陷与特定价态的生成和变化与材料最初生成条件有关, 因此,可通过控制材料生成条件来控制材料中的缺陷和元素的价态。 (四)计算机辅助合成 计算机辅助合成是在对反应机理有了了解的基础上进行的理论模拟过程。国际上一般为建立与完善合成反应与结构的原始数据库, 再在系统研究其合成反应与机理的基础

物理化学的研究与进展

《物理化学的研究与进展》结课总结 姓名:关怀学号:12013017 摘要:作为一门simina课程,《物理化学的研究与进展》的课堂形式以展示交流为主,小组成员之间分工合作,就某一物理化学研究前沿领域进行信息收集,整理和展示。我们小组先后对锂离子电池、传感器的原理与应用、相变化的原理与应用、先进材料等方面进行探究。以互联网资源为主,查阅相关领域的理论研究发展轨迹及相应的应用,并以小组为单位将探究成果用ppt的形式展现。在这个过程中,每个人的搜索信息整理信息的能力以及成员之间的交流合作都得到了明显的提升。 关键词:物理化学的进展、锂离子电池、传感器、相平衡、先进材料 正文 一、物理化学的研究与进展 物理化学是以物理的原理和实验技术为基础,研究化学体系的性质和行为,发现并建立化学体系中特殊规律的学科。随着科学的迅速发展和各门学科之间的相互渗透,物理化学与物理学、无机化学、有机化学之间存在着越来越多的互相重叠的新领域,从而不断地派生出许多新的分支学科,如物理有机化学、生物物理化学、化学物理学等。物理化学还与许多非化学的学科有着密切的联系,如冶

金过程物理化学、海洋物理化学。 一般公认的物理化学的研究内容大致可以概括为三个方面: 1.化学体系的宏观平衡性质以热力学的三个基本定律为基础,研究宏观化学体系(含有分子数目量级在10左右的体系)在气态、液态、固态、溶解态以及高分散状态的平衡态物理化学性质及其规律性。由于以平衡态为前提,时间不再是变量。属于这方面的物理化学分支学科有化学热力学、化学统计力学、溶液化学、胶体化学和表面化学。 2.化学体系的微观结构和性质以量子力学为理论基础,研究分子、分子簇和晶体的结构,物体的体相中原子和分子的空间结构、表面相的结构,以及结构与物性之间的关系与规律性。属于这方面的物理化学分支学科有结构化学、晶体化学和量子化学。 3.化学体系的动态性质研究由于化学或物理因素的扰动而引起的体系的化学变化过程速率和变化机理。此时,时间是与过程密切相关的重要变量之一。属于这方面的物理化学分支学科有化学动力学、化学动态学、催化科学与技术、光化学、电化学、磁化学、声化学、力化学(以摩擦化学为代表)等。 在理论研究方面,快速大型电子计算机和数值方法的广泛应用,扩展了量子化学在定量计算方面的能力。研究对象不仅涉及大分子,还可用以模拟复杂体系的动态过程。福井谦一提出的前线轨道理论以及R.B.伍德沃德和R.霍夫曼提出

物理化学-化学前沿与进展资料

砷钼酸盐化学研究进展与展望 巩培军104753140807 物理化学 摘要:多金属氧酸盐以其丰富多彩的结构及其自身的优良分子特性,包括极性、氧化还原电位、表面电荷分布、形态及酸性,使其在很多领域,尤其是材料、催化、药物等方面具有潜在应用前景,因而受到人们的广泛关注。本文选择目前报道尚少的砷钼杂多化合物为研究重点。 Abstract: Polyoxometalates (POMs), a fascinating class of metal–oxygen cluster compounds with a unique structural variety and interesting physicochemical properties, have been found to be extremely versatile inorganic building blocks in view of their potential applications in catalysis, medicine, and materials. In this paper, the main work has been focused on the rare reported arsenomolybdates. Keywords: polyoxometalates; physicochemical properties; applications 1 多酸概述 多金属氧酸盐化学至今已有近二百年的历史,它是无机化学中的一个重要研究领域[1-3]。早期的多酸化学研究者认为无机含氧酸经缩合可形成缩合酸:同种类的含氧酸根离子缩合形成同多阴离子,其酸为同多酸;不同种类的含氧酸根离子缩合形成杂多酸阴离子,其酸为杂多酸[4]。现在文献中多用Polyoxometalates (多金属氧酸盐) 及Metal-oxygen clusters (金属氧簇)来代表多酸化合物。 从结构上多酸是由前过渡金属离子通过氧连接而形成的金属氧簇类化合物,它的基本的结构单元主要是八面体和四面体。多面体之间通过共角、共边或共面相互连接。根据多面体的连接方式不同,多金属氧酸盐可划分为不同的结构类型,如Keggin、Dawson、Silvertone、Anderson、Lindqvist 和Waugh 结构等,它们被称为多金属氧酸盐最常见的六种基本结构类型(图1)。(1)Keggin 结构,其阴离子通式可表示为[XM12O40]n– (X = P、Si、Ge、As、B、Al、Fe、Co、Cu 等;M = Mo、W、Nb 等);(2)Wells—Dawson 结构,其阴离子通式可表示为[X2M18O60]n– (X = P、Si、Ge、As 等;M = Mo、W 等);(3)Silverton 结构,其阴离子通式为[XM12O42]n– (X = Ce IV等;M = Mo VI 等);(4)Anderson 结构,其阴离子通式为[XM6O24]n– (X = Al、Cr、Te、I 等;M = Mo 等);(5)Lindqvist 结构,其阴离子的通式为[M6O19]n– (M = Nb V、Ta V、Mo VI、W VI等);(6)Waugh 结构,其阴离子通式为[X2M5O23]n– (X = P V等;M = Mo VI等)。其结构又决定其特殊性质的,如强酸性、氧化性、催化活性、光致变色、电致变色、导电性、磁性等。多金属氧酸盐由于各种确定的结构和特异、优越的物理化学性质,使它们在催化[5]、材料科学[6]、化学及医药学[7]等方面具有重要的应用前景。多金属氧酸盐可根据组成不同分为同多(iso)和杂多(hetero)金属氧酸盐两大类。这种分类方法一直沿用早期化学家的观点:即由同种含氧酸盐缩合形成的称同多酸(盐),由不同种含氧酸盐缩合形成的称为杂多酸(盐)。多酸化学经过近两个世纪的发展,已经成为无机化学的一个重要分支和研究领

材料化学前沿

材料化学研究前沿和发展展望 摘要:材料是人类发展的铺路石,从古至今材料伴随着人类的发展而发展,到了21世纪更是成为了材料的世纪。工业、军事、航空航天、生物、能源等都与材料密不可分。材料的研究前沿和发展成为众多科技工作者关注的对象。 能源、材料与信息是现代科技的基础,而材料是发展工程、信息、新能源等高科技的重要物质基础,是当代前沿科学技术领域之一。由于现代科技的不断进步,各个科学领域对材料的需求量越来越大,对其性能的要求也越来越高,甚至其形态规格,也由三维块状材料向二维薄膜材料、一维纤维材料和准零维纳米材料发展。就此,本文将对材料化学的研究前沿和发展展望作简要讨论。 1 材料研究前沿 随着时代的不断发展,人类所使用的材料也由简到繁,由少到多。人类从石器时代走来,经历了上千年的风风雨雨,人类使用的器具也由石器到青铜,再到铁器……慢慢地,到现在使用的许多高品质的化学材料。不光在我们的生活中,在当今世界的许多高科技领域,材料的品质和发展得到了极大的重视和进步,其中处于当前研究前沿并收到科学界、工业界广泛关注的,主要有纳米材料、先进陶瓷材料、功能薄膜材料等等。 1.1 纳米材料之概论 纳米是一个极小的度量单位,一纳米等于十的负九次方米,所以纳米级的材料由于它是由极小的微粒组成,因而具有许多其他材料所不具备的性质,因此在大量科学领域中纳米材料的开发和使用成为其领域发展和进步的重中之重。而纳米材料则由于其优良的特性成为科学界青睐的对象,其特性主要表现在表面效应、小尺寸效应和量子尺寸效应。 (1)微粒随着粒径变小,比表面积将会明显增大,则表面原子所占的百分数会显著增加,即微粒表面具有极高活性的原子所占百分数增加,进而导致纳米材料可以直接和空气发生剧烈反应,这就是在材料研究中不可忽视的表面效应。 (2)纳米粉体的粒径和光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度形成透射深度等物理特征尺寸相当或更小时引起一系列宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。其中具体又可以分为特殊的光学性质、热学性质、磁学性质以及力学性质。鉴于其作为纳米颗粒的优越性,可以取适当的材料作为高效率的光热、光电转换材料,可应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。且其特殊力学效应在于良好的韧性和延展性,它这新奇的力学性质使之应用前景十分宽广。 (3)量子尺寸效应则为当纳米材料能级间距大于热能、电场能或磁场能的平均能级间距时,就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性。例如原本可导电的金属在纳米粉体时可以变成优良的绝缘体等。纳米材料正是在纳米粉体的基础上建立和发展起来的,迄今为止纳米材料已经诞生了十多年,而其在许多高科技领域中的广泛应用也使得纳米材料成为科学界关注的热点。许多领域都在应用不同功能的纳米材料,但是现在用得最多的有纳米磁性材料、纳米催化材料、纳米生物材料和纳米光学材料等。其中纳米催化材料和纳米生物材料又是与人类日常生活联系得最为紧密的:汽车前进过程中因为汽油的不完全燃烧,排气管排出的尾气中含有大量的一氧化碳、二氧化氮等有毒有害气体,危害人类健康,破坏

化学学科的前沿方向与优先领域

化学学科的前沿方向与优先领域基础学科在整个自然科学体系中占有十分重要的地位和作用。由基础科学研究产生的大量新思想、新理论、新效应等为应用科学提供了理论基础,对现代技术的发展有巨大的推动作用。国内外大量事实说明,"科学理论不仅更多地走在技术和生产的前面,而且为技术、生产的发展开辟着各种可能的途径"。基础研究是社会与科学发展的基础,而基础学科的建设与发展,是基础科学研究的基础。 化学和其它科学一样,是认识世界和改造世界重要学科。它与物理科学、生命科学等相互渗透,不断形成新的交叉学科。 学科的前沿方向与优先领域为: (1)合成化学; (2)化学反应动态学; (3)分子聚集体化学; (4)理论化学; (5)分析化学测试原理和检测技术新方法建立; (6)生命体系中的化学过程; (7)绿色化学与环境化学中的基本化学问题; (8)材料科学中的基本化学问题; (9)能源中的基本化学问题; (10)化学工程的发展与化学基础。 今日化学何去何从 今日化学何去何从?对于这个问题有两种回答:第一种回答:化学已有200余年的历史,是一门成熟的老科学,现在发展的前途不大了;21世纪的化学没有什么可搞了,将在物理学

与生物学的夹缝中逐渐消微。第二种回答:20世纪的化学取得了辉煌的成就,21世纪的化学将在与物理学、生命科学、材料科学、信息科学、能源、环境、海洋、空间科学的相互交叉,相互渗透,相互促进中共同大发展。本文主张第二种回答。 1. 20世纪化学取得的空前辉煌成就并未获得社会应有的认同 在20世纪的100年中,化学与化工取得了空前辉煌的成就。这个“空前辉煌”可以用一个数字来表达,就是2 285万。1900年在Chemical Abstracts(CA)上登录的从天然产物中分离出来的和人工合成的已知化合物只有55万种。经过45年翻了一番,到1945年达到110万种。再经过25年,又翻一番,到1970年为236.7万种。以后新化合物增长的速度大大加快,每隔10年翻一番,到1999年12月31日已达2 340万种。所以在这11年中,化学合成和分离了2 285万种新化合物、新药物、新材料、新分子来满足人类生活和高新技术发展的需要,而在1900年前的历史长河中人们只知道55万种。从上面的数字还可以看出,化学是以指数函数的形式向前发展的。没有一门其他科学能像化学那样在过去的100年中创造出如此众多的新化合物。这个成就用“空前辉煌”来描述并不过分。但“化学家太谦虚”(这句话是Nature 杂志在2001年的评论中说的,参见文献[1]),不会向社会宣传化学与化工对社会的重要贡献。因此20世纪化学取得的辉煌成就,并未获得社会应有的认可。 2.20世纪发明的七大技术中最重要的是信息技术、化学合成技术和生物技术 报刊上常说20世纪发明了六大技术: ①包括无线电、半导体、芯片、集成电路、计算机、通讯和网络等的信息技术; ②基因重组、克隆和生物芯片等生物技术; ③核科学和核武器技术; ④航空航天和导弹技术; ⑤激光技术; ⑤纳米技术。

上海交通大学物理化学教学大纲

★先修课程: 无机化学、分析化学、有机化学、基础化学实验、大学数学、大学物理等。 ★适用专业: 化学专业。 ★教材: 《物理化学》(第五版),傅献彩等编,高等教育出版社,2005 ★教学参考书: 《物理化学简明教程》(第三版),山东大学印永嘉等编,高等教育出版社; 《物理化学》,胡英等编,第四版,高等教育出版社。 Physical Chemistry.6th ed., Atkins P.W.,Oxford University Press.(有中译本) 附:关于教材 本课程采用的教材是由南京大学教师编写高等教育出版社出版(2005年)的《物理化学》(第五版),它是普通高等教育"十一五"国家级规划教材。第五版是在第四版的基础上,遵照教育部高等学校化学与化工学科教学指导委员会2004年通过的"化学专业和应用化学专业化学教学基本内容"进行了适当的调整和增删,并总结近年来教学研究和教学改革成果修订而成的。全书重点阐述了物理化学的基本概念和基本理论,同时考虑到不同读者的需要也适当介绍了一些与学科发展趋势有关的前沿内容。 ★本课程的性质、地位、作用和任务 本课程是高等院校化学专业的一门重要基础课,为化学专业二级学科。课程以化学热力学、化学动力学、电化学、表面化学和胶体化学为基本结构,主要内容有化学热力学第一、二、三定律、相平衡和化学平衡;电解质溶液、可逆电池的电动势、电解与极化作用;化学动力学基础一、二;表面化学和胶体化学。 通过对本课程的学习,一方面使学生掌握物理化学的基本知识,掌握处理问题的基本方法;了解该研究领域的一些新进展,从而进一步扩大知识面,打好专业基础,加深对先行课程如无机化学、有机化学、分析化学的理解,做到知识面宽、基础深。另一面进一步培养学生的独立工作能力,提高学生的自学能力,学习前人提出问题、考虑问题和解决问题的方法,逐步培养独立思考和独立解决问题的能力,以便在生产实践和科学研究中碰到问题时,能得到一些启发和帮助。 ★实施本课程教学任务的方法、手段 本课程以课堂讲授为主、自学和讨论为辅的方式组织教学,采用多媒体投影辅助教学手段,并通过阅读主要参考书目、网上查询、资料整理和专题讨论,加深对物理化学基本原理的了解,并掌握该学科的前沿发展动态。对每章进行一次习题课,以巩固难掌握的知识点,并掌握运用物理化学方法初步解决问题的能力。 物理化学课堂教学纲要 绪论(1 学时) 一、知识点 着重阐明物理化学的意义、介绍物理化学的研究内容以及学习物理化学的方法。 二、教学内容与教学方法 教学内容 1. 物理化学的建立与发展 2. 物理化学的目的和内容 3. 物理化学的研究方法 4. 物理化学课程的学习方法

化学前沿综述

化学前沿综述报告 摘要:催化剂的概念以及在新能源和环境治理中的应用,如:煤燃烧、废水处理。关键字:催化剂煤燃烧废水处理 化学前沿综述课不是一门只是教授书本知识的课程。在这里我学到了很多新鲜、实际的知识,大大拓宽了知识面。从中了解了当前化学各学科大致的发展方向以及如何在实际中将所学到的化学专业知识应用起来。在“化学反应动力学前沿简介”报告中我了解到了固体表面特征、固体表面孔的类型、固体表面力与吸附的关系、以及吸附原理、吸附平衡及其表征方法。在“自组装与光子晶体”报告中我了解了光子晶体是将两种或两种以上介质材料排列成具有光波长量级的一维、二维或三维周期结构的人工晶体。由于光子晶体具有光子带隙,光子局域等特性, 所以它具有巨大的应用前景。在“过渡金属催化的碳氢键活化”报告中我了解了碳氢键活化反应都需要对底物进行卤化或金属化等预活化步骤,因此过渡金属催化的通过碳氢键活化直接构筑碳-碳键的方法就成为构筑碳-碳键的绿色经济的途径。在这门课中也是我对催化剂有了新的了解和认识,催化剂在实际应用是广泛的,如在新能源和环境治理中。 当前新能源问题和环境治理是社会关注的热点,而催化剂在这两个领域将是很有作为的。新能源领域:我国是能源消耗大国,而在我国能源消耗结构中,煤占有重要地位。所以合理有效开发利用煤是一个具有现实意义的课题。环境治理方面:我国和全球都面临着严重的环境问题,其中水污染尤为严重,治理也就尤为迫切。所以利用催化剂在治理水污染具有长远意义。下面就简述一下催化剂的概念和在工业实际中的应用。 催化剂会诱导化学反应发生改变,而使化学反应变快或减慢或者在较低的温度环境下进行反应。催化剂在工业上也称为触媒。化学催化剂的应用历史很长,特别在石油化工、精细化工、有机化工和生物化工中,可以说,催化技术已成为化学工业最关键的核心技术之一。据统计,到目前为止,人类所掌握的化学反应80%以上必须在催化剂存在下才能实现。在化学工业生产中,最常用的催化剂是无机酸和无机碱。催化剂对化学反应速率的影响非常大,有的催化剂可以使化学反应速率加快到几百万倍以上。催化剂一般具有选择性,它仅能使某一反应或某

应用化学专业前沿应化11-2

应用化学学科前沿 高分子材料

前言: 高分子材料也称聚合物材料,它是以高分子化合物(树脂)为基体,再配以其他添加剂(助剂)所构成的材料。高分子材料包括天然高分子材料,如棉、麻、丝、毛等;由天然高分子原料经过化学加工而成的改性高分子材料,如粘胶纤维、醋酸纤维、改性淀粉等;由小分子化合物通过聚合反应合成的合成高分子材料,如聚丙烯树脂、顺丁橡胶、丙烯酸涂料等。由于高分子材料概括性太大,先介绍几种不同高分子材料的发展现状。

高分子材料是材料领域中的新秀,它的出现带来了材料领域中的重大变革。高分子材料与其他的各种材料(如木材、陶瓷、金属、水泥、棉、毛、丝、皮革、纸张等)并驾齐驱,在各种工业部门得到了广泛的应用,这主要是高分子材料本身具有许多的优良特性,例如塑料质地轻盈、加工成型方便,可以制成各种生活用品;工程材料具有较高强度,可以代替金属,由于高分子材料的相对密度为1.0~1.4,是钢铁相对密度的1/8、铝的1/2,这对于要求减轻自重的应用,有特殊的意义。 从我们以前学过的化学知识中可以知道,高分子材料其实是有机化合物, 有机化合物是碳元素的化合物.除碳原子外, 其他元素主要是氢、氧、氮等.碳原子与碳原子之间, 碳原子与其他元素的原子之间, 能形成稳定的结构.碳原子是四价, 每个一价的价键可以和一个氢原子键连接, 所以可形成为数众多的、具有不同结构的有机化合物.有机化合物的总数已接近千万种, 远远超过其他元素的化合物的总和, 而且新的有机化合物还不断地被合成出來.這样, 由於不同的特殊结构的形成, 使有机化合物具有很独特的功能.高分子中可以把某些有机物结构(又称为功能团)替换, 以改变高分子的特性.高分子具有巨大的分子量, 达到至少1万以上, 或几百万至千万以上, 所以, 人们將其称为高分子、大分子或高聚物. 高分子的种类繁多,随着化学合成工业的发展和新聚合反应和方法的出现,种类不断增加,就要进行分类。可以根据来源、性质、用途、结构等不同的角度进行多种分类。依据材料的性能和用途,可以将聚合物分为塑料、纤维、橡胶、涂料、粘合剂、功能高分子、离子交换树脂等;按应用功能分类可以分为通用高分子如塑料、纤维、橡胶、涂料、粘合剂等,功能高分子如具有光电磁等物理功能的高分子、高分子药物等,特殊功能高分子如耐热、高强度的聚碳酸酯等,仿生高分子如高分子催化剂、模拟酶等。 高分子材料可以人为合成,那是不是代表着人们可以随心所欲的合成自己需要的材料呢?答案当然是否定的。就目前人类的科学发展水平来看,想随心所欲的合成高分子材料是不可能的。先来看看目前高分子材料的发展现状以及发展前景吧。 随着高分子材料合成与加工的技术进步,塑料在各行业得到广泛、深入的应

2017研究前沿_化学与材料科学

2017 研究前沿 中国科学院科技战略咨询研究院 中国科学院文献情报中心 科睿唯安 七、化学与材料科学 1. 热点前沿及重点热点前沿解读 1.1 化学与材料科学 Top 10 热点前沿发展态势 化学与材料科学领域Top10热点前沿主要分布在太阳能电池、有机合成、纳米技术、超级电容器、自由基聚合、上转换发光等领域。与2013-2016 年相比,2017年 Top10热点前沿既有延续又有发展。在太阳能电池领域,关于钙钛矿太阳能电池和聚合物太阳能电池的研究连年入选热点前沿或新兴前沿。在今年的Top10热点前沿中,聚合物太阳能电池延续了去年对非富勒烯受体(小分子和聚合物)的关注,钙钛矿太阳能电池则侧重空穴传输材料研究。在有机合成领域,碳氢键的活化反应也是连年入选,往年侧重在钌、铑等贵金属的催化转化,今年是非贵金属钴的催化转化,另外今年还突出了间位碳氢键的活化。在纳米技术领域,不仅继续有具体的前沿研究入选,而且首次出现宏观的研究概念――纳米组装学。在超级电容器领域,基于纳米孔碳电极(2014年)、纳米二氧化锰电极材料(2016年)的超级电容器曾经入选热点前沿或新兴前沿,今年入选的是基于NiCo2S4电极材料的超级电容器。在自由基聚合领域,继2014年入选新兴前沿后,光引发的聚合反应今年成为热点前沿。在上转换发光领域,“三重态-三重态湮灭上转换”入选热点前沿。

1.2 重点热点前沿——三价钴催化的碳氢键活化反应 传统的合成化学基于活性官能团的相互转化,通常需要繁琐的预官能团化步骤。而碳氢键的直接化学转化可以避免这一过程,大大提高反应的原子经济性和步骤经济性,因而受到广泛关注并取得蓬勃发展。近十年来,过渡金属催化的碳氢键直接官能团化反应已成为重要的合成工具,特别是贵金属(铑、钌、铱、铂、金、银等)催化成果显著。然而,高昂的成本以及对环境可能造成的不利影响限制了贵金属催化的大规模应用。因此,越来越多的研究人员将目光转向储量丰富、成本低廉的第一行过渡金属(锰、铁、钴、镍、铜等)。这点在《研究前沿》系列报告中也得以体现:在2013年和2014年的报告中,“钌、铑催化的碳氢键活化反应”进入化学领域Top10热点前沿,本年度则是“钴催化的碳氢键活化反应”入选。钴催化的碳氢键活化反应可分为低价钴(CoⅡ)催化和高价钴(CoⅢ)催化两类。本研究前沿是高价钴催化的碳氢键活化反应。2013年,日本东京大学金井求(Motomu Kanai)教授和川岛茂裕(Shigehiro Kawashima)博士报道了Cp*CoⅢ(Cp*= 五甲基环戊二烯)络合物催化的2-苯基吡啶碳氢键活化直接加成到亚胺、烯酮上的反应。此后,研究人员不断扩大Cp*Co Ⅲ催化剂的应用围并研究其催化机理。与其替代对象Cp*RhⅢ相比,Cp*CoⅢ不仅可用于前者催化的反应,而且由于反应活性差异,导致可能采取不同的反应路线从而生成不同的产物。 如表31所示,在本研究前沿中,德国、日本、美国、国以及中国等国家或地区发表了多篇核心论文。日本东京大学、德国哥廷根大学、明斯特大学、美国耶鲁大学、国基础科学研究院等研究机构在该领域做出了突出贡献。大学、大学、中科院化物所等研究机构的工作也比较突出。

物理化学基本原理在相关学科中的应用

物理化学基本原理在环境工程专业的应用摘要:我国环境污染越来越严重,许多环境问题急需解决,而物理化学提供了许多基本原理,我们可以运用这些原理来解决环境问题,本文中介绍了几种处理环境问题的物理化学的基本原理以及介绍了物理化学对环境保护做出的贡献。 关键字:物理化学环境工程化学固化土壤淋洗动电修复贡献 物理化学是在物理和化学两大学科基础上发展起来的。它以丰富的化学现象和体系为对象,大量采纳物理学的理论成就与实验技术,探索、归纳和研究化学的基本规律和理论,构成化学科学的理论基础。物理化学的水平在相当大程度上反映了化学发展的深度。 物理化学的研究内容大致可以概括为三个方面:化学体系的宏观平衡性质,以热力学的三个基本定律为理论基础,研究宏观化学体系在气态、液态、固态、溶解态以及高分散状态的平衡物理化学性质及其规律性。在这一情况下,时间不是一个变量。属于这方面的物理化学分支学科有化学热力学。溶液、胶体和表面化学。化学体系的微观结构和性质以量子理论为理论基础,研究原子和分子的结构,物体的体相中原子和分子的空间结构、表面相的结构,以及结构与物性的规律性。属于这方面的物理化学分支学科有结构化学和量子化学。化学体系的动态性质研究由于化学或物理因素的扰动而引起体系中发生的化学变化过程的速率和变化机理。在这一情况下,时间是重要的变量。属于这方面的物理化学分支学科有化学动力学、催化、光化学和电化。随着学科的交叉,渗透与融合的不断深入,物理化学也显得越来越重要了,它不仅在化学,还在生命、材料、能源、环境等领域中也发挥着重要作用。在此,我们介绍一些物理化学基本原理在环境方面的应用。 一,环境工程中的物理化学技术 1,化学固化 在重金属污染土壤修复技术中运用化学固化,固化的方法就是加入土壤添加剂改变土壤的理化性质,通过重金属的吸附或沉淀作用来降低其生物的有效性。污染土壤中的毒害重金属被固定后,不仅可减少想土壤深层和地下水迁移,而且可能重建植被。固化方法的关键在于成功地选择一种经济而有效的固化剂,固化剂的种类很多,常用的主要有石灰、磷灰石、沸石、磷肥、海绿石、含铁氧化物材料、堆肥和钢渣等,不同的固化剂固定重金属的机理不同,如施用是非主要通过重金属自身的水解反应极其与碳酸钙的共沉淀反应机制降低土壤中的重金属的移动性,沸石是碱金属或碱土金属的水化硅酸盐晶体,含有大量的三维晶体结构、很强的例子交换能力及独特的分子结构,从而通过离子交换吸附和专性吸附降低土壤中的重金属的有效性,向土壤添加富含铁锰氧化物的物料,铁锰氧化物能专性吸附重金属,使其生物有效性降低,大多数重金属磷酸盐的溶解度很低,因此有关羟基磷灰石对重金属的固化效果、机理和影响因素报道很多。固化方法能在原位固化重金属,从而大大降低成本。但是固化方法并不是一个永久的措施,因为重金属知识改变其在土壤中的存在形态,仍留在土壤中。 2,土壤淋洗 土壤淋洗是通过逆转离子交换、吸附、沉淀等反应机制,把土壤固相中的重金属转移到土壤液相。将挖掘出的地表土经过初期筛选去除表面残渣,分散土壤大块后,与一种提取剂充分混合,经过第二步筛选分离后,用水淋洗出去残留的提取剂,处理后“干净”的土壤可归还原位被再利用,富含重金属的废水可进一步处理回收重金属和提取剂。土壤淋洗技术的关键是寻找一种提取剂,既能提取各种形态的重金属,又不能破换土壤的结构。提取剂很多,包括有机或无机酸、碱、盐等。 3,动电修复 动电修复是指在污染土壤中插入电机对,并通过低直流电,污染物在电场作用下向电机室运输,从而通过工程化的手机系统手机起来,进行集中处理。在电场作用下,污染物主要

物理化学研究内容及其发展史

物理化学研究内容及其发展史 摘要: 物理化学是化学学科的理论理论基础。物理化学是以物理的原理 和实验技术为基础,研究化学体系的性质和行为,发现并建立化学体 系中特殊规律的学科。随着科学的迅速发展和各门学科之间的相互渗 透,物理化学与物理学、无机化学、有机化学在内容上存在着难以准 确划分的界限,从而不断地产生新的分支学科。物理化学的研究在各 个方面的应用越来越广泛。[1]物理化学是一门发展潜力很大的学科! 关键词: 物理化学,发展,学科形成,前景 物理化学是以物理的原理和实验技术为基础,研究化学体系的性质和行为, 发现并建立化学体系中特殊规物理化学律的学科。随着科学的迅速发展和各门 学科之间的相互渗透,物理化学与物理学、无机化学、有机化学在内容上存在 着难以准确划分的界限,从而不断地产生新的分支学科,例如物理有机化学、 生物物理化学、化学物理等。物理化学还与许多非化学的学科有着密切的联系, 例如冶金学中的物理冶金实际上就是金属物理化学。 1 物理化学简介 1.1建立化学体系中特殊规律的学科 化学学科的发展经历了若干个世纪。而物理化学则是以物理的原理和实验技术为基础,研究化学体系的性质和行为,发现并建立化学体系中特殊规律的学科。[1]物理化学是化学学科的理论基础,它从物质的物理现象与化学现象的联系入手,去探求化学变化的基本规律。 [2] 一般公认的物理化学的研究内容大致可以概括为三个方面:化学体系的宏观平衡性质以热力学的三个基本定律为理论基础,研究宏观化学体系在气态、液态、固态、溶解态以及高分散状态的平衡物理化学性质及其规律性。在这一情况下,时间不是一个变量。属于这方面的物理化学分支学科有化学热力学。溶液、胶体和表面化学。 1.2物理化学发展的新阶段 化学体系的微观结构和性质以量子理论为理论基础,研究原子和分子的结构,物体的体相中原子和分子的空间结构、表面相的结构,以及结构与物性的规律性。属于这方面的物理化学分支学科有结构化学和量子化学。化学体系的动态性质研究由于化学或物理因素的扰动而引起体系中发生的化学变化过程的速率和变化机理。在这一情况下,时间是重要的变量。属于这方面的物理化学分支学科有化学动力学、催化、光化学和电化学。物理化学被认为一门实验与理论并重的科学,基于物理理论的计算已成为化学不可缺少的组成部分,标志着物理化学发展进入了新的阶段。[3]

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