无机化学导论
无机化学是研究元素化合物的合成、反应、结构和性质的学科。这门学科通常在学生接触有机化学之后教授，有机化学涉及碳化合物（通常含有 C-H 键）的合成和反应。无机化学涵盖了元素周期表中所有其他元素的化合物 - 包括分子和扩展固体 - 并在有机金属化学领域与有机化学重叠，在有机金属化学中，金属与含碳配体和分子键合。无机化学是许多实用技术的基础，包括催化和材料（结构、电子、磁性等）、能量转换和储存以及电子学。无机化合物也存在于生物系统中，它们对生命过程至关重要。
本教科书（最初形式）旨在用于无机化学第一学期课程，涵盖该领域基础的结构、键合和性质概念。本书的目标是让学生了解如何利用价键理论、晶体场理论和分子轨道理论来描述无机化合物中的键合，学习氧化还原和酸碱平衡的周期性趋势，并学习固体元素和简单化合物的结构。在此基础上，我们将建立一个概念框架，以理解无机固体的稳定性和电子、磁性、电化学和机械性质。我们还将把无机材料的化学与它们当前和新兴的应用联系起来，特别是在纳米化学领域。在完成本书后，勤奋的学生应该将许多元素周期表中的元素视为好朋友，而其他元素至少应该视为熟悉的朋友。本课程还将帮助学生了解无机化学与当前相关技术问题的联系，包括
- 我们在元素周期表中的哪里应该寻找新的半导体来制造廉价且高效的太阳能电池？
- 锂电池中有什么，我们如何改进它们以用于电动汽车？
- 无机化合物如何储存和隔离氢气、甲烷和 CO2？
- 发展中国家的一些水源被砷和其他有毒物质污染。我们如何清洁水？
- 纳米粒子如何为平板显示器、环境清理、医疗诊断和治疗提供更好的技术？
- 手机和电脑中的器件（晶体管、LED、压电、合金）是如何工作的？
我们希望在本书的未来版本中添加第二学期的主题，包括群论、光谱学、有机金属化学和生物无机化学。
作者
本书诞生于 2014 年，是宾夕法尼亚州立大学化学 310 和宾夕法尼亚大学化学 2610 学生的合作学习项目。它是一个正在进行中的项目，鼓励无机化学的学生和教师编辑本书并添加内容。
- 1.1 价键理论：路易斯点结构、八隅体规则、形式电荷、共振和等电子原理
- 1.2 分子的形状（VSEPR 理论）和轨道杂化
- 1.3 键极性和键强度
- 1.4 讨论问题
- 1.5 问题
- 1.6 参考文献
- 2.1 从原子轨道构建分子轨道
- 2.2 轨道对称性
- 2.3 σ、π 和 δ 轨道
- 2.4 双原子分子
- 2.5 轨道填充
- 2.6 π 键合的周期性趋势
- 2.7 三中心键合
- 2.8 构建更复杂分子的 MOs：NH3、P4
- 2.9 MO 图中 σ 和 π 轨道的同源性
- 2.10 π 共轭体系的链和环
- 2.11 讨论问题
- 2.12 问题
- 2.13 参考文献
- 3.1 布朗斯台德和路易斯酸碱
- 3.2 硬酸和软碱
- 3.3 酸碱反应的静电-共价 (ECW) 模型
- 3.4 受阻的路易斯对
- 3.5 讨论问题
- 3.6 问题
- 3.7 参考文献
- 4.1 平衡氧化还原反应
- 4.2 电化学电位
- 4.3 拉蒂默图和弗罗斯图
- 4.4 耦合平衡的氧化还原反应
- 4.5 普尔拜图
- 4.6 讨论问题
- 4.7 问题
- 4.8 参考文献
- 5.1 计算过渡金属配合物中的电子
- 5.2 晶体场理论
- 5.3 光谱化学序列
- 5.4 金属与配体之间的 π 键合
- 5.5 晶体场稳定化能、配对和洪特规则
- 5.6 非八面体配合物
- 5.7 约翰-泰勒效应
- 5.8 四面体配合物
- 5.9 过渡金属配合物的稳定性
- 5.10 螯合和大环效应
- 5.11 配体取代反应
- 5.12 讨论问题
- 5.13 问题
- 5.14 参考文献
- 6.1 晶胞和晶体结构
- 6.2 布拉维晶格
- 6.3 金属的晶体结构
- 6.4 金属中的键合
- 6.5 金属中的导电性
- 6.6 原子轨道和磁性
- 6.7 铁磁性、亚铁磁性和反铁磁性
- 6.8 硬磁体和软磁体
- 6.9 讨论问题
- 6.10 问题
- 6.11 参考文献
- 7.1 金属晶体中的缺陷
- 7.2 加工硬化、合金化和退火
- 7.3 金属和合金的延展性
- 7.4 铁和钢
- 7.5 非晶态合金
- 7.6 讨论问题
- 7.7 问题
- 7.8 参考文献
- 8.1 密堆积和间隙位置
- 8.2 与 NaCl 和 NiAs 相关的结构
- 8.3 四面体结构
- 8.4 层状结构和嵌入反应
- 8.5 TiS2、MoS2 和黄铁矿结构中的键合
- 8.6 尖晶石、钙钛矿和金红石结构
- 8.7 讨论问题
- 8.8 问题
- 8.9 参考文献
- 9.1 离子半径和半径比
- 9.2 结构图
- 9.3 晶体固体的能量学：离子模型
- 9.4 NaCl 和卤化银的玻恩-哈伯循环
- 9.5 卡普斯廷斯基方程
- 9.6 惰性气体化合物的发现
- 9.7 高氧化态和低氧化态的稳定化
- 9.8 碱金属化物和电负离子
- 9.9 金属的共振能
- 9.10 碱金属氧化物的奇怪情况
- 9.11 晶格能和溶解度
- 9.12 讨论问题
- 9.13 问题
- 9.14 参考文献
- 10.1 金属-绝缘体转变
- 10.2 超导体
- 10.3 周期性趋势：金属、半导体和绝缘体
- 10.4 半导体：带隙、颜色、导电性和掺杂
- 10.5 半导体 p-n 结
- 10.6 二极管、LED 和太阳能电池
- 10.7 非晶态半导体
- 10.8 讨论问题
- 10.9 问题
- 10.10 参考文献
- 11.1 物理和长度尺度：腔激光器、库仑阻塞、纳米级磁体
- 11.2 半导体量子点
- 11.3 半导体纳米晶体的合成
- 11.4 表面能
- 11.5 纳米级金属颗粒
- 11.6 纳米材料的应用
- 11.7 讨论问题
- 11.8 问题
- 11.9 参考文献
- 12.1 VIPEr：虚拟无机教学电子资源：无机化学教师和学生的社区
- 12.2 贝洛伊特学院/威斯康星大学视频实验室手册
- 12.3 原子和分子轨道（利物浦大学）
- 12.4 交互式 3D 晶体结构（利物浦大学）
- 12.5 附录 1：元素周期表
- 12.6 附录 2：选定的热力学值
- 12.7 附录 3：键能