无机化学研究的前沿领域在教学中的应用

无机化学研究的前沿领域在教学中的应用

第24卷第2期2021年4月高等函授学报(自然科学版)

Journal of H igher Correspondence Education(Natural Sciences) Vol. 24No. 2 2021

无机化学研究的前沿领域在教学中的应用 董 斌 吕仁庆 曹作刚

(中国石油大学(华东) 化学化工学院, 山东青岛266555)

摘 要:近年来, 无机化学的发展取得了很大突破, 主要表现在有机金属化学、配位化学、无机固体化学、生物无机化学和富勒烯化学等方面。本文简要介绍了当代无机化学研究的前沿领域, 并对如何在高校无机化学教学中应用这些前沿知识以培养学生学习兴趣和科研思维做出探讨。

关键词:无机化学; 前沿; 教学中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1006-7353(2021) 02-0029-03

无机化学是化学学科中最重要的一个分支, 是其他分支学科发展的基础。无机化学的教学关系到学生对于整个化学学科的理解和认识、兴趣的培养和科研思维的掌握等。随着社会的发展

和科学的进步, 无机化学也正处在蓬勃发展的新时期。高校教师必须重视无机化学领域的最新发展, 将其融合进自己的教学过程, 开阔学生的思维和眼界, 培养学生的兴趣和知识素养, 使无机化学的教学不断与时俱进, 推陈出新, 始终保持旺盛的活力和吸引力, 为高素质创新型人才的培养打下坚实的基础[2-3]。1有机金属化学

通常将含有金属) 碳(M -C) 键的化合物称为有机金属化合物或金属有机化合物, 把研究有机金属化合物的化学称为有机金属化学。有机金属化学是无机化学和有机化学交叠的一门学科, 它的发展打破了传统的有机化学和无机化学的界限, 目前又与理论化学、催化、结构化学、生物无机化学、高分子科学等交织在一起, 已成为现代无机化学中第一个活跃的领域。

第一个金属有机化合物发现于1827年, 丹麦药学家蔡斯(W. C. Zeise) 制得了铂的乙烯络合物K 1Pt (C 2H 4) Cl 32, 即蔡斯盐。此后, 有机硅、有机钠、有机锌等相继问世并得到应用。1951年具有特殊结构和类似芳烃的二茂铁被制备和/夹心

式0结构的确认使有机金属化合物正式成为了一门独立的化学学科。至今, 在这类化合物中发现了许多新结构、新键型以及新的反应机理。现已发现, 周期表中几乎所有金属元素都能和碳结合, 形成不同形式的金属有机化合物, 这对于价键

理论和催化化学的研究具有重要意义。迄今已先后有10位科学家因在有机金属化学领域做出的巨大贡献而荣获诺贝尔奖。

笔者在教学过程中, 通过在绪论中向学生简要介绍了有机金属化学的发展情况, 让学生们了解这一无机化学的前沿研究领域, 引起了同学们对无机化学的兴趣; 在讲述反应速率中催化剂一节时, 以齐格勒) 纳塔催化剂催化聚丙烯反应为例, 通过详细地描述该催化剂的发现及应用, 使学生明白了催化剂在催化反应中的催化原理及其在工业中的巨大作用, 让他们感触到无机化学在实际生活中的重要地位, 取得了良好的教学效果。2配位化学 配位化学是现代无机化学中一门非常重要的边沿学科, 它所研究的主要对象为配位化合物。配位化合物是金属与无机、有机离子或分子相互反应形成的化合物, 最早有记载的配合物是18世纪初用作颜料的普鲁士蓝。1893年瑞士化学家韦尔纳首先提出这类化合物的正确化学式及配位理论, 因此获得了1913年的诺贝尔化学奖, 被称 收稿日期:2021-02-01.

作者简介:董斌(1980-) , 男, 山东省德州市人, 博士, 副教授, 研究方向:材料化学与催化.

第24卷第2期2021年4月高等函授学报(自然科学版)

Journal of H igher Correspondence Education(Natural Sciences) Vol. 24No. 2 2021

为/配位化学之父0。配位化学的应用领域很广, 主要包括金属的提取和分离、催化、化学分析、生物化学、医学等。通常有三种理论对配位化学进行解释, 即价键理论、晶体场理论和分子轨道理论, 当前应用最广泛的是分子轨道理论。随着分析、合成技术的不断发展, 配位化学目前已经渗透到有机化学、分析化学、物理化学和生物化学等领域, 这些交叉领域一方面推动和发展了配位化学基础理论; 另一方面, 其研究成果也被广泛应用于催化工业、生物模拟过程、新材料制备等诸多领域。其中超分子化学已成为了配位化学的一个主要发展方向, 超分子化学是指分子间弱相互作用和分子组装的化学。分子间的相互作用形成了各种化学、物理和生物中高选择性的识别、反应、传递和调制过程。而这些过程就导致超分子的光电功能和分子器件的发展[5], 比如电荷转移型导电配合物超分子材料的分子设计研究, 对于合成高导电性的材料具有重要意义。

配位化学前沿知识在教学中的应用可谓丰富多彩。在原子结构、分子结构、配位化合物等章节中, 可以向学生介绍相关的前沿知识, 加深学生对配位理论和配位键的理解。比如, 向学生介绍新型配合物特别是配位超分子化合物的基础无机合成及其结构研究取得的成果, 丰富了配位键的内涵, 加深了同学们对配位键的理解和认识; 介绍配合物在与材料

科学和生命科学相结合的过程中产生的新材料、新性能, 使得枯燥的配位理论讲解有了鲜活的例证做补充, 开阔了学生的眼界, 调动了学生的积极性。3无机固体化学

无机固体化学是无机化学、固体物理以及材料科学的交叉领域, 实现了在原子水平上研究材料的组成、结构和性能的关系, 研究内容涉及固相中的化学反应、晶体的合成和生长、固体的组成和结构、固体的表面化学等; 目标在于探索无机固体物质作为新材料应用的可能性。

无机固体化学在新材料领域的一个重要研究内容就是超导材料。1911年荷兰物理学家昂尼斯发现金属汞在412K 温度下具有零电阻的特性, 这就是超导现象, 昂尼斯因此获得了1913年的诺贝尔物理学奖[6]。为了实现超导材料的应用, 人们一直在探索提高临界温度的高温超导材料。直到1986年高温超导体的研究才取得了重大的突破, 美国科学家柏诺兹和缪勒发现钡镧铜氧化物在35K 时显示超导性。这一发现开辟了陶瓷超导研究的新思路。他们因此获得了1987年诺贝尔物理学奖, 并掀起了以寻找高临界温度超导体为目标的/超导热0, 全世界有众多研究小组参与了这场竞赛。美国、日本、中国的科学家都做出了自己的贡献, 目前氧化物超导材料的临界温度已提高到了160K 左右。2021年日本科学家宣布发现了新型超导体) ) ) 二硼化镁, 临界转变温度达90K 。二硼化镁超导性研究的意义在于:¹与氧化物超导材料相比, 二硼化镁是常规超导体, 其超导机制可以用BCS 理论解释; º氧化物高温超导体成本高、脆性大, 难以加工成线材, 而二硼化镁则价格低廉, 并易于制成线材。美国依阿华大学的研究小组已合成出二硼化镁细线, 其特点是高密度, 低电阻率。»二硼化镁超导体的发现, 使简单化合物超导体研究重新受到关注, 对于开发新型的高温超导材料具有重大的理论意义。

在教学过程中, 主要是在绪论和元素部分介绍无机固体化学。在绪论部分介绍超导材料研究的发展和现状, 主要讲述我国科学家在超导领域取得的科研成果, 激发同学们的爱国热情和对化学学习的兴趣; 在硼元素一节中, 向学生介绍超导材料中的二硼化镁的发现、结构、应用和意义。不仅使同学们了解了这种新型超导材料的性质和特点, 加深对于硼元素的结构与性质的认知, 而且培养了学生们的环保理念, 一举数得。超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。目前的铜、铝输电线路会耗费15%的电能, 仅在中国每年的电力损失即以千亿度计, 相当于新建十几个火力发电厂。在低碳环保日益成为社会发展主流的今天, 超导材料的研究显得越发重要和意义非凡。4生物无机化学

生物无机化学又称无机生物化学, 是无机化学、生物、医学等多种学科的交叉领域。其研究对象是生物体内的金属(和少数非金属) 元素及其化合物, 特别是痕量金属元素和生物大分子配体形成的生物配合物, 如各种金属酶、金属蛋白等。生

物无机化学的本质是应用无机化学的理论原理和实验方法研究生物体中无机金属离子的行为, 阐明金属离子和生物大分子形成的配合物的结构与生物功能的关系; 主要目的是研究如何应用这些原理和规律为人类利益服务。生物无机化学的产生和发展差不多经历了半个世纪, 而作为一个独立学科的建立, 却是近40年的事情, 通常人们把国际期刊Journal of Inorg anic Biochem istry 的创立(1971年) 作为标志。

金属酶中金属原子常是活性中心的组成部分, 如羧肽酶和碳酸酐酶都是锌酶, 前者能催化肽和蛋白质分子羧端氨基酸的水解, 后者能催化体内代谢产生的二氧化碳的水合反应。一系列的金属酶还含其他金属离子, 许多氧化还原酶含价态可变的铁、铜、钼、钴等过渡金属元素, 如固氮酶是含铁、钼原子的酶, 由铁蛋白和铁钼蛋白组成, 在生物体中能催化氮合成氨的反应。其他如金属蛋白、叶绿素、离子载体等都是生物无机化学研究的内容。 在实际教学中, 生物无机化学的前沿知识可以在配位键和配位化合物中引述, 因为大多数的生物无机化合物都是金属配合物。介绍这方面的知识不仅可以加深学生对配位键的理解, 而且对于配合物在现实生活中的应用会有更为直接和感性的认识, 有利于引发学生的好奇心和求知欲。5富勒烯化学

除金刚石、石墨外, 科学家们又发现了以新的单质形态存在的碳单质) 富勒烯, 其中比较重要的C 60。C 60是一种由60个碳原子构成的分子, 形似足球, 由12个五边形和20个六边形组成。其中, 每个碳原子以sp 2杂化轨道与相邻的三个碳原子相连, 剩余的未参加杂化的一个p 轨道在C 60球壳的外围和内腔形成球面大7键, 从而具有芳香性。由于是受到了建筑学家富勒的启发而提出的C 60结构, 所以用他的名字Buckminster -fullerene 来命名C 60, 后来又将包括C 60在内的所有含偶数个碳所形成的分子通称为Fuller, 中译名为富勒烯[7]。目前, 科学家们已经基本明确富勒烯的形成机理, 并合成分离了小至C 20、大至C 240的富勒烯。作为该领域的权威专家, 中科院化学所王春儒研究员表示:/诸多异乎寻常的性能, 使富勒烯对化学、物理、材料、医药、微电子等 领域产生了深远影响, 在应用方面显示出诱人前景。0现在富勒烯已在电子器件、功能塑料、电解质和医药等方面得到实际应用, 不久之后还将诞生非金属电缆、非金属电路板等富勒烯产品。

事实上, 在富勒烯之后还有两种结构的碳材料引起了世界范围内的高度关注, 即碳纳米管和石墨烯。1991年日本NEC 公司电镜专家饭岛澄男(Iijima) 在高分辨透射电子显微镜下意发现了碳纳米管。碳纳米管具有典型的层状中空结构特征, 管身由六边形碳环微结构单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构, 或者称为多边锥形多壁结构。碳纳米管的硬度与金刚石相当, 却拥有良好的柔韧性, 可以拉伸。同时由于其一维纳米结构而拥有出色的导电性、导热性等, 还有望用作为分子导线, 纳米半导体材料, 催化剂载体, 分子吸收剂和近场发射材料等。科学家们预测碳纳米管将成为21世纪最有前途的纳米材料。

2021年英国曼彻斯特大学的Andre K. Geim 等制备出了单层碳原子二维片状结构) 石墨烯。石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它不仅是已知材料中最薄的一种, 还非常牢固坚硬; 作为单质, 它在室温下传递电子的速度比已知导体都快[8]。石墨烯在原子尺度上结构非常特殊, 必须用/相对论量子物理学0才能描绘。石墨烯比钻石还坚硬, 强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。/太空电梯0的最大障碍之一, 就是如何制造出一根从地面连向太空卫星、长达23000英里并且足够强韧的缆线, 美国科学家证实, 地球上强度最高的物质/石墨烯0完全适合用来制造太空电梯缆线! 石墨烯还是目前已知导电

性能最出色的材料, 这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力, 研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品, 能用来生产未来的超级计算机。

在原子结构一章时向同学们讲授富勒烯的结构、碳纳米管、石墨烯等相关知识, 把理论中的原子结构化学键与当前无机化学前沿领域结合起来, 有助于引起学生们的学习兴趣和对科研工作的向往。不仅取得了很好的教学效果, 而且对于培养学生的科研兴趣和好奇心意义重大。 (下转第33页)

QZ x -PZ y =2Q(mx m -1P +x m P x ) -2x m P P y =2Q(mx m-1P -mx m-1P -y n Q x ) -2x m P P y =-2y n QQ x -2x m PP y =2x P (Q x -P y ) 将(4) 代人(2) 便得

L (Z) =e 2x m P =e -Z dZ =Z

即公式(2) 转化成:L ==。2x P x P -y Q 同样可以证明:如果方程m Mdx +n N dy

x y =0中的P 、Q 关于各变量具有连续的偏导数, 且

满足y M -x N =0和y M +x N X 0, 则对于该方程公式(2) 成为如下形式:L (x , y ) =y M +x N

同样可以证明:如果方程(1) 中的P 、Q 关于各变量具有连续的偏导数, 满足x P -y Q =0, x m P +y n Q X 0, (m 、n 为整数) , 则公式(2) 可转化成如下形式: (5) x P +y Q n m

注记3 若方程Mdx +dy =0中的 L (x , y ) =

例2 求方程(1+) dx -(+y 2) dy =0 一个积分因子。 解 所给方程可以改写成 (+y 2) dx -(1+) dy =0x y y x 2令M =+y , N =-(1+) , yM +xN =y x 0, yM -xN =2(x +y 3) X 0, 所以按注记3原方

L (x , y ) = =。yM -x N 2(x +y )

M 、N 关于各变量具有连续的偏导数, 且满足y n M +x N =0, y M -x N X 0, (m 、n 为整数) , 则对于该方程公式(2) 成为如下形式: L (x , y ) =n y M -x m N

[1]中山大学数学力学系常微分方程组. 常微分方程 [M ]. 北京:人民教育出版社, 1978:40.

[2]王柔怀, 伍卓群. 常微分方程讲义[M ]. 北京:人民教 育出版社, 1963:44-46.

[3]潘鹤鸣. 几种特殊类型积分因子的求法及其在解微分

方程中的应用[J]. 巢湖学院学报, 2021, 5(3) :18-21. [4]伍军. 求解积分因子的几种方法[J]. 新疆师范大学学

报(自然科学版) , 2021, 25(1) :104-108. 证明 这时因为x m #+y n #=y n M

x y +x N =0, 所以由注记2知, 所给方程有积分因子L (x , y ) ==m n x #M -y #N x y y M -x N (上接第31页)

[1]吕仁庆, 曹作刚. 大学生化学实验邀请赛培训的启示 [J].石油教育, 2021(1) :80-82.

[2]钟国清. 无机及分析化学课程改革的实践与思考 [J].化工高等教育, 2021, 97(5) :11-13.

[3]康诗钊, 穆劲. 5高等无机化学6教材建设的思考[J]. 化工高等教育, 2021, 101(3) :101-104.

[4]郭建, 庄顺等. 神奇的构筑块二茂铁炔基在光电功能

分子中的应用[J].2021, 21(12) :2589-2594. [5]张红芬, 潘景浩. 卟啉及金属卟啉的应用[J].化学 教育, 2021, 4:3-6.

[6]高秀岭, 刘敬华. 神奇新材料的偶然发现[J].化学 教育, 2021, 7:9-10.

[7]朱妙琴. 富勒烯) C60的结构、性质及应用[J].浙江 教育学院学报, 2021(6) :52-56.

[8]代波, 邵晓萍等. 新型碳材料) 石墨烯的研究进展 [J].材料导报, 2021, 24(2) :17-21.