化學(xué)中的多面體

前言

　　我和多面體結(jié)緣已超過半個世紀(jì)。早在20世紀(jì)50年代中期，我曾參加制作教學(xué)和科研用的上百件晶體結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)的模型，糊制課堂展示用的晶體外形多面體，通過這些工作使我對多面體有了實(shí)際的認(rèn)識。60年代初，我依靠多面體的知識及晶體的空間對稱性，利用非常有限的衍射數(shù)據(jù)，較完美地測定出Ag（Ag6O3）NO3的晶體結(jié)構(gòu)，闡明它的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)，大大地增加了我對多面體的興趣。70年代起，我主講結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)課時，較深入地探討圓球密堆積中的配位多面體，探討其中空隙多面體的分布和連接方式，闡述金屬和離子化合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，獲得較好的教學(xué)效果。80年代，我利用文獻(xiàn)中對各種多面體骨架的價電子數(shù)目、相關(guān)結(jié)構(gòu)的理論解釋，以及所積累的數(shù)據(jù)，提出計(jì)算多面體骨架鍵價數(shù)的公式，用于硼烷及金屬原子簇化合物的鍵價和化學(xué)鍵，較好地闡明原子簇化合物的結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用。80年代后期以來的20年間，我應(yīng)香港中文大學(xué)麥松威教授和李偉基教授的邀請，十多次訪問香港，共同編寫了《現(xiàn)代化學(xué)的晶體學(xué)》和《高等無機(jī)結(jié)構(gòu)化學(xué)》。在這過程中，對各類化合物結(jié)構(gòu)中存在的多面體及原子間化學(xué)鍵有了較系統(tǒng)的了解和歸納，我們還進(jìn)一步探討研究了各種原子簇化合物多面體骨架的空間結(jié)構(gòu)、鍵價數(shù)、化學(xué)鍵和它們性質(zhì)間的聯(lián)系，并在國內(nèi)外出版的書籍中加以介紹。在這期間，化學(xué)領(lǐng)域中出現(xiàn)的球碳及其化合物、合金、主族元素和過渡金屬元素簇合物等多面體結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，使我對結(jié)構(gòu)化學(xué)和多面體幾何學(xué)問的聯(lián)系深感興趣。我和多面體的緣份也進(jìn)一步加深?！　∩鲜鲞@些緣份，使我萌發(fā)了寫作本書的意愿，將我長期以來所得的心得體會，加以歸納整理，為學(xué)習(xí)化學(xué)特別是結(jié)構(gòu)化學(xué)寫一本參考教材。希望它有助于讀者在學(xué)習(xí)化學(xué)時將紙面上的二維結(jié)構(gòu)知識，擴(kuò)展到三維空間，加深對結(jié)構(gòu)和性能的理解，也希望它在讀者的科研工作中起到啟迪思維作用，更深入有效地提高對所研究的化合物的結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用之間關(guān)系的認(rèn)識?！　≡诒緯霭嬷H，作者深切地感謝北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院和香港中文大學(xué)化學(xué)系的同仁長期對我的關(guān)懷與幫助，使我能在這兩塊肥沃的寶地上耕耘寫作。感謝中山大學(xué)施開良教授審閱本書書稿，并提供寶貴意見。感謝鄭月娥同志細(xì)致的編輯加工。　　在化學(xué)科學(xué)的汪洋大海中，本書的一孔之見，難免有所偏頗和差錯，懇請讀者不吝指正。

內(nèi)容概要

本書將化學(xué)中的結(jié)構(gòu)化學(xué)和數(shù)學(xué)中的幾何學(xué)結(jié)合在一起，用多面體幾何學(xué)了解分子和晶體中原子排布的規(guī)律性和圖像。以幾何學(xué)中對多面體的分類為依據(jù)，由簡到繁、由淺入深，由基礎(chǔ)的內(nèi)容到化學(xué)學(xué)科前沿的新進(jìn)展，用作者提出的計(jì)算多面體骨架鍵價數(shù)的方法，分析原子間的成鍵情況，同時以數(shù)百幅精美的結(jié)構(gòu)圖形引導(dǎo)讀者將二維結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到三維空間，分析多面體結(jié)構(gòu)中原子間所形成的化學(xué)鍵，探討分子和晶體的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和應(yīng)用的關(guān)系，提高認(rèn)識水平。     本書可作學(xué)習(xí)無機(jī)化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)的參考教材，也可供相關(guān)科研人員參考。

作者簡介

周公度，浙江省泰順縣人。北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授。1953年畢業(yè)于四川大學(xué)化學(xué)系，1957年北京大學(xué)研究生畢業(yè)，留校任教至1992年退休。此后，應(yīng)香港中文大學(xué)聘請任教及合作著述半年，應(yīng)邀訪問美國普渡大學(xué)半年，并繼續(xù)在國內(nèi)外講學(xué)、著書。長期從事晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)和科學(xué)研究工作。先后到清華、南開、中山、四川等30多所大學(xué)和研究所講學(xué)，被中國科技大學(xué)研究生院、北京師范大學(xué)和蘭州大學(xué)等校聘為兼職教授。發(fā)表科研論文和教學(xué)文章80多篇，撰寫教材和專著十多本。這些書籍已被許多大學(xué)采用作教材和參考書，已被國內(nèi)外許多圖書館收藏，其中美國國會圖書館已收藏他的著作八本，他成為該館中文科技圖書著作最多的作者之一。在這些著作中，《結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)》自1989年出版以來，已獲得國家級優(yōu)秀獎，已在新加坡出了英文版，在臺灣出了繁體字版，美國國會圖書館科技部亞非館說該書是他們收藏的圖書中最受讀者歡迎的一本。他和香港中文大學(xué)麥松威教授合著的《現(xiàn)代化學(xué)的晶體學(xué) 結(jié)構(gòu)資料述評》，1992年在紐約出版后，國際同行將該書譽(yù)為“珍寶盒子”、“一塊寶石”、“最好的一本綱要”等。

書籍目錄

第1章 緒言第2章 多面體幾何學(xué)  2.1 多面體概述  2.2 多邊形面  2.3 正多面體  2.4 半正多面體（Ⅰ）  2.5 半正多面體（Ⅱ）  2.6 半正多面體（Ⅰ）的對偶多面體  2.7 多面體模型的制作  參考文獻(xiàn)第3章 化學(xué)中的四面體  3.1 概述  3.2 主族元素及其化合物結(jié)構(gòu)中的四面體  3.3 過渡金屬元素化合物結(jié)構(gòu)中的四面體  3.4 晶體結(jié)構(gòu)中的四面體  3.5 硅酸鹽結(jié)構(gòu)中的四面體  參考文獻(xiàn)第4章 化學(xué)中的八面體  4.1 八面體結(jié)構(gòu)在化學(xué)中的廣泛性  4.2 多面體原子簇中的化學(xué)鍵  4.3 八面體簇合物的結(jié)構(gòu)  4.4 晶體中八面體的連接  4.5 同多酸和雜多酸結(jié)構(gòu)中的八面體  參考文獻(xiàn)第5章 化學(xué)中的立方體、五角十二面體和三角二十面體  5.1 導(dǎo)言  5.2 化學(xué)中的立方體  5.3 化學(xué)中的五角十二面體  5.4 硼的單質(zhì)和化合物結(jié)構(gòu)中的三角二十面體  5.5 金屬簇合物結(jié)構(gòu)中的三角二十面體第6章 化學(xué)中的半正多面體  6.1 球碳及其化合物的半正多面體  6.2 封閉型硼烷多面體結(jié)構(gòu)中的化學(xué)鍵  6.3 球碳多面體和硼烷多面體的比較  6.4 化學(xué)中的棱柱體和反棱柱體  6.5 沸石分子篩中的多面體  6.6 一些單質(zhì)和化合物結(jié)構(gòu)中的多面體  參考文獻(xiàn)第7章 化學(xué)中的不規(guī)整多面體第8章 化學(xué)結(jié)構(gòu)中多層包含的多面體第9章 晶體學(xué)中的多面體索引

章節(jié)摘錄

　　第1章　緒言　　本書將化學(xué)中的結(jié)構(gòu)化學(xué)和數(shù)學(xué)中的幾何學(xué)結(jié)合在一起，用多面體幾何學(xué)了解分子和晶體中原子排布的規(guī)律性和圖像，討論分子和晶體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。　　多面體是由點(diǎn)、線、面等幾何元素構(gòu)成的一種立體圖像，它簡潔多姿、引人人勝，點(diǎn)、線、面間的幾何參數(shù)相互協(xié)調(diào)統(tǒng)一、奇巧和諧。多面體幾何學(xué)是研究現(xiàn)實(shí)世界中空間形式的科學(xué)，是建筑設(shè)計(jì)、制造物件、探索創(chuàng)新等各行各業(yè)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)之一?！　≡谖⒂^世界中，原子互相協(xié)調(diào)、對稱和諧地排列出來的形象，蘊(yùn)藏著豐富的科學(xué)內(nèi)涵，等待人們?nèi)ヌ剿餮芯?。結(jié)合多面體幾何學(xué)，研究化學(xué)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，提高對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的認(rèn)識水平，對促進(jìn)化學(xué)科學(xué)的發(fā)展將會起著重要的作用?！　』仡櫄v史，放眼世界。地球上最大的實(shí)心的多面體建筑是4800年前建造的胡夫金字塔，它位于埃及首都開羅市郊的吉薩。塔身由230多萬塊平均重約2.5噸的多面體形巨石砌成，每塊巨石均經(jīng)精工磨制，堆砌后縫隙嚴(yán)密連小刀也插不進(jìn)去。胡夫金字塔為四方錐形，如圖1.1.1（a）所示，塔高146.6m，這是地球到太陽距離（即149 504000km）的十億分之一。底面為正方形，各邊長度相等，每條邊長230.1 m，底面和錐面的夾角為51.87°。人們多么希望找到資料和信息，探索當(dāng)年設(shè)計(jì)者為什么要建造這么巨大的多面體，研究它的設(shè)計(jì)和大小尺寸所蘊(yùn)含著的內(nèi)涵?！　W(xué)習(xí)化學(xué)，了解結(jié)構(gòu)。化學(xué)家測得在室溫下穩(wěn)定存在的最小的多面體是P4分子，它是由4個磷原子組成的正四面體，其形狀如圖1.1.1（b）所示。它的6條邊長度相等，都是O.222 nm，1 nm（納米）是1 m（米）長度的十億分之一。從這個結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)，人們會聯(lián)想出一系列問題：微小的分子為什么呈現(xiàn)多面體形狀？磷原子靠什么作用力相互結(jié)合成四面體？為什么最小的多面體分子不是由同族的氮原子組成的N4四面體分子？在單質(zhì)和化合物中，原子間究竟能形成什么樣的多面體？　　下面以近二十多年發(fā)現(xiàn)的兩件事為例，說明在你身邊常常就存在著一些重要的科學(xué)內(nèi)容（包括和多面體有關(guān)的內(nèi)容），等待人們?nèi)ヌ剿鳌?/pre>








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