無機化學導論
無機化學是研究元素化合物的合成、反應、結構和性質的學科。這門學科通常在學生接觸有機化學之後教授，有機化學涉及碳化合物（通常含有 C-H 鍵）的合成和反應。無機化學涵蓋了元素週期表中所有其他元素的化合物 - 包括分子和擴充套件固體 - 並在有機金屬化學領域與有機化學重疊，在有機金屬化學中，金屬與含碳配體和分子鍵合。無機化學是許多實用技術的基礎，包括催化和材料（結構、電子、磁性等）、能量轉換和儲存以及電子學。無機化合物也存在於生物系統中，它們對生命過程至關重要。
本教科書（最初形式）旨在用於無機化學第一學期課程，涵蓋該領域基礎的結構、鍵合和性質概念。本書的目標是讓學生了解如何利用價鍵理論、晶體場理論和分子軌道理論來描述無機化合物中的鍵合，學習氧化還原和酸鹼平衡的週期性趨勢，並學習固體元素和簡單化合物的結構。在此基礎上，我們將建立一個概念框架，以理解無機固體的穩定性和電子、磁性、電化學和機械性質。我們還將把無機材料的化學與它們當前和新興的應用聯絡起來，特別是在奈米化學領域。在完成本書後，勤奮的學生應該將許多元素週期表中的元素視為好朋友，而其他元素至少應該視為熟悉的朋友。本課程還將幫助學生了解無機化學與當前相關技術問題的聯絡，包括
- 我們在元素週期表中的哪裡應該尋找新的半導體來製造廉價且高效的太陽能電池？
- 鋰電池中有什麼，我們如何改進它們以用於電動汽車？
- 無機化合物如何儲存和隔離氫氣、甲烷和 CO2？
- 發展中國家的一些水源被砷和其他有毒物質汙染。我們如何清潔水？
- 奈米粒子如何為平板顯示器、環境清理、醫療診斷和治療提供更好的技術？
- 手機和電腦中的器件（電晶體、LED、壓電、合金）是如何工作的？
我們希望在本書的未來版本中新增第二學期的主題，包括群論、光譜學、有機金屬化學和生物無機化學。
作者
本書誕生於 2014 年，是賓夕法尼亞州立大學化學 310 和賓夕法尼亞大學化學 2610 學生的合作學習專案。它是一個正在進行中的專案，鼓勵無機化學的學生和教師編輯本書並新增內容。
- 1.1 價鍵理論：路易斯點結構、八隅體規則、形式電荷、共振和等電子原理
- 1.2 分子的形狀（VSEPR 理論）和軌道雜化
- 1.3 鍵極性和鍵強度
- 1.4 討論問題
- 1.5 問題
- 1.6 參考文獻
- 2.1 從原子軌道構建分子軌道
- 2.2 軌道對稱性
- 2.3 σ、π 和 δ 軌道
- 2.4 雙原子分子
- 2.5 軌道填充
- 2.6 π 鍵合的週期性趨勢
- 2.7 三中心鍵合
- 2.8 構建更復雜分子的 MOs：NH3、P4
- 2.9 MO 圖中 σ 和 π 軌道的同源性
- 2.10 π 共軛體系的鏈和環
- 2.11 討論問題
- 2.12 問題
- 2.13 參考文獻
- 3.1 布朗斯臺德和路易斯酸鹼
- 3.2 硬酸和軟鹼
- 3.3 酸鹼反應的靜電-共價 (ECW) 模型
- 3.4 受阻的路易斯對
- 3.5 討論問題
- 3.6 問題
- 3.7 參考文獻
- 4.1 平衡氧化還原反應
- 4.2 電化學電位
- 4.3 拉蒂默圖和弗羅斯圖
- 4.4 耦合平衡的氧化還原反應
- 4.5 普爾拜圖
- 4.6 討論問題
- 4.7 問題
- 4.8 參考文獻
- 5.1 計算過渡金屬配合物中的電子
- 5.2 晶體場理論
- 5.3 光譜化學序列
- 5.4 金屬與配體之間的 π 鍵合
- 5.5 晶體場穩定化能、配對和洪特規則
- 5.6 非八面體配合物
- 5.7 約翰-泰勒效應
- 5.8 四面體配合物
- 5.9 過渡金屬配合物的穩定性
- 5.10 螯合和大環效應
- 5.11 配體取代反應
- 5.12 討論問題
- 5.13 問題
- 5.14 參考文獻
- 6.1 晶胞和晶體結構
- 6.2 布拉維晶格
- 6.3 金屬的晶體結構
- 6.4 金屬中的鍵合
- 6.5 金屬中的導電性
- 6.6 原子軌道和磁性
- 6.7 鐵磁性、亞鐵磁性和反鐵磁性
- 6.8 硬磁體和軟磁體
- 6.9 討論問題
- 6.10 問題
- 6.11 參考文獻
- 7.1 金屬晶體中的缺陷
- 7.2 加工硬化、合金化和退火
- 7.3 金屬和合金的延展性
- 7.4 鐵和鋼
- 7.5 非晶態合金
- 7.6 討論問題
- 7.7 問題
- 7.8 參考文獻
- 8.1 密堆積和間隙位置
- 8.2 與 NaCl 和 NiAs 相關的結構
- 8.3 四面體結構
- 8.4 層狀結構和嵌入反應
- 8.5 TiS2、MoS2 和黃鐵礦結構中的鍵合
- 8.6 尖晶石、鈣鈦礦和金紅石結構
- 8.7 討論問題
- 8.8 問題
- 8.9 參考文獻
- 9.1 離子半徑和半徑比
- 9.2 結構圖
- 9.3 晶體固體的能量學：離子模型
- 9.4 NaCl 和鹵化銀的玻恩-哈伯迴圈
- 9.5 卡普斯廷斯基方程
- 9.6 惰性氣體化合物的發現
- 9.7 高氧化態和低氧化態的穩定化
- 9.8 鹼金屬化物和電負離子
- 9.9 金屬的共振能
- 9.10 鹼金屬氧化物的奇怪情況
- 9.11 晶格能和溶解度
- 9.12 討論問題
- 9.13 問題
- 9.14 參考文獻
- 10.1 金屬-絕緣體轉變
- 10.2 超導體
- 10.3 週期性趨勢：金屬、半導體和絕緣體
- 10.4 半導體：帶隙、顏色、導電性和摻雜
- 10.5 半導體 p-n 結
- 10.6 二極體、LED 和太陽能電池
- 10.7 非晶態半導體
- 10.8 討論問題
- 10.9 問題
- 10.10 參考文獻
- 11.1 物理和長度尺度：腔雷射器、庫侖阻塞、奈米級磁體
- 11.2 半導體量子點
- 11.3 半導體奈米晶體的合成
- 11.4 表面能
- 11.5 奈米級金屬顆粒
- 11.6 奈米材料的應用
- 11.7 討論問題
- 11.8 問題
- 11.9 參考文獻
- 12.1 VIPEr：虛擬無機教學電子資源：無機化學教師和學生的社群
- 12.2 貝洛伊特學院/威斯康星大學影片實驗室手冊
- 12.3 原子和分子軌道（利物浦大學）
- 12.4 互動式 3D 晶體結構（利物浦大學）
- 12.5 附錄 1：元素週期表
- 12.6 附錄 2：選定的熱力學值
- 12.7 附錄 3：鍵能