《分子组成与化学键》课件

分子组成与化学键课程介绍与学习目标课程概述学习目标本课程将深入探讨分子和化学键的知识，旨在帮助学生理解物质世•理解分子的概念和基本特征界的基本组成原理，并掌握相关概念和理论•掌握不同类型的化学键的形成机制和特点•了解化学键对物质性质的影响什么是分子？定义分子是由两个或多个原子通过化学键结合形成的，是构成物质的基本单元不同的分子组成不同的物质，并具有不同的性质例子•水分子H2O•二氧化碳分子CO2分子的基本定义定义特性分子是由两个或多个原子通过化学键结合形成的，是构成物质的基•具有固定的原子组成本单元分子可以是同种原子或不同种原子结合形成的•具有确定的空间结构原子的结构原子核原子核是原子中心的一个致密区域，包含质子和中子质子带正电荷，中子不带电荷电子原子核与电子排布原子核电子排布原子核包含质子和中子，决定了原子的质量和化学性质原子核的质子数决定了原子的种类，即元素元素周期表简介元素周期表按照原子序数递增周期表中的每一行被称为周期，12排列的元素表格，元素周期表每个周期包含具有相似电子层反映了元素的周期性变化规律，数的元素而每一列被称为族，以及元素之间的相互关系它同一族元素具有相似的化学性是化学学习的重要工具质，因为它们具有相同的价电子数原子如何形成化学键原子间的吸引力1原子之间通过相互作用力，例如电磁力，而发生吸引或排斥在某些情况下，原子之间会形成化学键，相互结合成分子电子参与2化学键的形成主要涉及原子最外层电子（价电子）的相互作用原子会通过得失或共享电子来达到稳定结构稳定结构3原子通过形成化学键，使得电子排布更加稳定，例如达到八电子稳定结构，从而降低能量化学键的类型概述共价键离子键金属键两个或多个原子通过共金属原子和非金属原子金属原子之间通过共享享电子对形成的化学键之间通过得失电子形成自由电子形成的化学键共价键通常出现在非金的化学键，形成的化合金属键赋予金属独特的属原子之间物通常为离子化合物导电性和延展性共价键基本原理电子共享两个原子通过共享电子对形成共价键，每个原子都提供一个电子来形成电子对1稳定结构2通过共享电子，原子可以达到八电子稳定结构，从而降低能量，提高稳定性分子形成3两个或多个原子通过共价键结合形成分子，例如水分子H2O和二氧化碳分子CO2共价键的形成机制原子靠近两个原子互相靠近，当它们之间距离足够近时，它们的电子云会发生重叠电子云重叠两个原子最外层的价电子云发生重叠，形成一个共享的电子对，同时产生吸引力共价键形成当吸引力大于排斥力时，两个原子就会形成共价键，并形成一个稳定的分子单键、双键和三键单键双键三键两个原子之间共享一对电子形成的共价键，两个原子之间共享两对电子形成的共价键，两个原子之间共享三对电子形成的共价用一条直线表示，例如甲烷中的用两条平行线表示，例如乙烯中键，用三条平行线表示，例如氮气中CH4C-C2H4N2键的键的键H C=C N≡N极性共价键电负性差异极性12形成共价键的两个原子之间，由于电子对偏移，共价键两端电负性存在差异，导致电子对形成局部正电荷和局部负电荷，偏向电负性较强的原子使得共价键具有极性偶极矩3极性共价键具有一定的偶极矩，可以用矢量表示，方向指向电负性较强的原子非极性共价键无极性2由于电子对均匀分布，共价键两端没有局部电荷，因此没有极性，被称为非极性共价键电负性相等形成共价键的两个原子之间，电负性相1同，电子对均匀分布在两个原子之间偶极矩为零非极性共价键的偶极矩为零，因为共价键3两端没有局部电荷离子键的形成电子得失1金属原子倾向于失去电子形成带正电的阳离子，非金属原子倾向于得到电子形成带负电的阴离子静电吸引2形成的阳离子和阴离子之间存在静电吸引力，这种吸引力被称为离子键离子化合物3通过离子键结合形成的化合物称为离子化合物，例如氯化钠和氯化钾NaCl KCl离子键的特征高熔点易溶于水离子键是一种强烈的静电吸引力，水是极性溶剂，可以破坏离子化合因此离子化合物具有较高的熔点和物中的离子键，使其溶解在水中沸点导电性离子化合物在熔融状态或溶液中可以导电，因为离子可以自由移动金属键的基本概念12电子海静电吸引金属原子失去价电子形成自由电子，金属原子核与自由电子之间存在静电这些自由电子在金属晶格中自由移吸引力，这种吸引力被称为金属键动，形成电子海“”3金属性质金属键赋予金属独特的物理性质，如良好的导电性、导热性和延展性金属键的电子特性自由电子1金属原子失去的价电子在金属晶格中自由移动，这些电子被称为自由电子导电性2自由电子可以自由移动，因此金属具有良好的导电性导热性3自由电子可以传递热量，因此金属具有良好的导热性延展性4金属原子之间可以滑动，因此金属具有良好的延展性，可以被拉伸或弯曲分子的极性极性分子非极性分子分子中原子之间的电负性差异导致电子分布不均匀，形成局部正电分子中原子之间的电负性差异很小或不存在，电子均匀分布，因此荷和局部负电荷，从而使分子具有极性分子不具有极性极性分子与非极性分子极性分子非极性分子例如水分子，氧原子电负性较大，电子对偏向氧原子，导致例如二氧化碳分子，碳原子和氧原子电负性相近，电子对均H2O CO2氧原子带局部负电荷，氢原子带局部正电荷，从而使水分子具有极匀分布，因此二氧化碳分子不具有极性性分子间的作用力氢键范德华力1氢原子与电负性较大的原子（如氧、氮、分子之间由于电子云的瞬间极化而产生的氟）形成的特殊共价键2弱相互作用力诱导偶极力偶极偶极力-4极性分子与非极性分子之间由于电子云的极性分子之间由于偶极矩的相互作用而产3诱导极化而产生的吸引力生的吸引力氢键形成条件作用•氢原子与电负性较大的原子（如氧、氮、氟）形成极性共价键氢键是分子间作用力中最强的一种，对许多物质的物理性质（如熔点、沸点）和化学性质（如溶解性）有重要影响•氢原子与另一个电负性较大的原子之间形成的静电吸引力范德华力伦敦色散力偶极偶极力诱导偶极力-由于电子云的瞬间极化而产生的吸引力，极性分子之间由于偶极矩的相互作用而极性分子与非极性分子之间由于电子云所有分子之间都存在伦敦色散力产生的吸引力的诱导极化而产生的吸引力共价键的电子构型电子点结构用电子点表示原子的价电子，可以直观地表示原子之间的电子共享方式，并预测共价键的形成价层电子对互斥理论价层电子对之间的排斥力，决定了共价分子的空间构型，可以解释分子的几何形状路易斯电子点结构12原子符号价电子用元素符号表示原子用点来表示原子的价电子，每个点代表一个电子3共享电子将电子点画在两个原子之间，表示它们共享电子形成共价键价层电子对互斥理论中心原子1理论认为，中心原子周围的价电子对相互排斥，它们会尽量远离彼此空间结构2价电子对之间的排斥力决定了分子的空间结构，可以解释分子的几何形状预测构型3根据价电子对的数目，可以预测分子的几何构型，例如线性、三角形平面、四面体等等分子的空间结构键角几何构型12共价键之间的夹角，影响着分分子中原子在空间的排列方式，子的形状和性质决定了分子的形状和性质立体构型3分子中原子在空间的具体排列，包括立体异构体和对映异构体分子的几何构型线性三角形平面四面体四角锥两个原子以直线排列，例如二三个原子以三角形排列，例如四个原子以四面体排列，例如五个原子以四角锥排列，例如氧化碳的构型硼酸的构型甲烷的构型磷酸的构型CO2H3BO3CH4H3PO4价键理论简介基本原理解释性质价键理论认为，原子通过共享电子价键理论可以解释分子的几何形状、形成共价键，每个原子都贡献一个键长、键能和分子的稳定性电子来形成共价键局限性价键理论无法解释某些分子的性质，例如顺磁性、双键和三键的形成等等杂化轨道理论原子轨道1原子轨道是原子中电子运动的空间区域，例如轨道、轨道和s pd轨道杂化轨道2当原子形成共价键时，原子轨道会重新组合形成新的轨道，称为杂化轨道空间结构3杂化轨道理论可以解释共价分子的空间结构，例如杂化轨道sp3导致四面体构型，杂化轨道导致三角形平面构型sp2分子轨道理论基础分子轨道成键与反键电子填充分子轨道是由原子轨道线性组合形成的，分子轨道可以分为成键轨道和反键轨道，电子填充分子轨道遵循洪特规则和泡利不是整个分子中电子运动的空间区域成键轨道能量较低，反键轨道能量较高相容原理，可以解释分子的稳定性和化学性质化学键的强度键能断裂一个摩尔的化学键所需的能量，键能越大，化学键越强键长原子核之间的距离，键长越短，化学键越强键能与键长键强度1键能和键长是衡量化学键强度的重要指标，键能越大，键长越短，化学键越强键稳定性2化学键的强度决定了分子的稳定性，键强度越大，分子越稳定，越不易断裂键角的概念影响因素键角受中心原子价电子对的数目、原子的大小和电负性等因素的影响定义影响性质共价键之间的夹角，是指连接中心原子两个键角影响着分子的形状、极性和反应活性，原子核的连线之间的夹角从而影响物质的性质213分子的立体构型12异构体立体异构体具有相同的分子式，但原子在空间排原子在空间排列方式不同的异构体，列方式不同的分子被称为异构体例如顺式异构体和反式异构体3对映异构体互为镜像，但不能重叠的立体异构体，例如手性分子分子极性与性质关系极性分子非极性分子•具有较高的沸点和熔点•具有较低的沸点和熔点•可以作为溶剂溶解其他极性分子•可以作为溶剂溶解其他非极性分子•在电场中会发生取向•在电场中不会发生取向有机分子中的化学键碳氢键碳碳键有机化合物中常见的一种化学键，碳原子之间形成的化学键，可以是例如烷烃、烯烃和炔烃单键、双键或三键，决定了有机化合物的结构和性质碳氧键碳原子与氧原子之间形成的化学键，例如醛、酮、羧酸和酯无机分子中的化学键离子键共价键12金属原子与非金属原子之间形非金属原子之间形成的化学键，成的化学键，例如氯化钠例如水和二氧化碳NaCl H2O和氧化镁MgO CO2金属键3金属原子之间形成的化学键，例如铜和铁Cu Fe化学键对物质性质的影响熔点和沸点1化学键越强，物质的熔点和沸点越高，因为需要更多的能量才能破坏化学键溶解性2极性分子更容易溶解在极性溶剂中，非极性分子更容易溶解在非极性溶剂中反应活性3化学键的强度决定了物质的反应活性，键强度越弱，物质越容易发生化学反应分子间相互作用的重要性物理性质分子间作用力决定了物质的物理性质，如熔点、沸点、黏度和表面张力化学性质分子间作用力可以影响物质的溶解性、反应速度和生物活性不同类型化学键的比较离子键强短金属与非金属之间，电负性差异大共价键中等中等非金属之间，电子共享金属键弱长金属原子之间，自由电子共享化学键的形成条件能量电负性电子云原子之间形成化学键需要能量，通过电子原子之间的电负性差异影响化学键的类型，原子之间的电子云重叠程度决定了化学键云的重叠和相互作用，可以降低能量，使电负性差异越大，越容易形成离子键的强度，重叠程度越高，化学键越强体系更加稳定原子的电负性定义周期性变化12原子吸引电子对的能力，用电电负性在元素周期表中呈现一负性表示，电负性越高，吸引定的周期性变化，同一周期从电子对的能力越强左到右电负性逐渐增大，同一族从上到下电负性逐渐减小影响成键类型3原子之间的电负性差异决定了化学键的类型，电负性差异越大，越容易形成离子键电子云与成键电子云重叠1两个原子最外层的价电子云发生重叠，形成一个共享的电子对，同时产生吸引力成键区域2电子云重叠的区域称为成键区域，在这个区域内，电子密度较高，吸引力最大化学键形成3当吸引力大于排斥力时，两个原子就会形成化学键，并形成一个稳定的分子化学键的量子力学解释薛定谔方程电子云利用量子力学中的薛定谔方程可以量子力学理论认为，电子在原子核描述原子和分子的电子结构，并解周围的运动不能用经典的轨道描述，释化学键的形成机制而是以电子云的形式存在电子排布量子力学可以解释电子的排布规律，并预测化学键的类型和强度成键过程的能量变化能量降低成键能原子之间形成化学键的过程是一个能量降低的过程，释放能量，成键过程释放的能量称为成键能，成键能越大，化学键越强体系更加稳定化学键的动态平衡123不断振动键长变化动态平衡化学键并非静止的，原子之间始终在不断地由于振动，化学键的键长会发生微小的变化化学键的振动和变化处于动态平衡状态，并振动非完全断裂或形成分子的稳定性化学键强度电子排布空间结构化学键越强，分子越稳定，因为需要更多电子排布越稳定，分子越稳定，例如八电合理的分子空间结构可以提高分子的稳定的能量才能破坏化学键子稳定结构性，例如四面体构型比平面构型更加稳定化学键的断裂与重组化学反应断裂1化学反应是指物质的化学键断裂和重组的化学反应中，旧的化学键断裂，需要吸收过程，导致物质发生变化2能量能量变化重组4化学反应中的能量变化决定了反应的热力化学反应中，新的化学键形成，释放能量3学和动力学过程化学键在生物系统中的应用生物大分子的形成酶的催化作用生物大分子，如蛋白质、核酸和多酶是生物催化剂，通过形成化学键，糖，都是由许多小分子通过化学键降低反应活化能，加速生物化学反连接而成，化学键是生物大分子结应的进行构和功能的基础药物作用机制药物通过与靶蛋白形成化学键，发挥治疗作用，如抗生素、抗病毒药物等化学键在材料科学中的意义材料性能材料设计化学键决定了材料的物理和化学性质，如强度、硬度、导电性、导材料科学家通过调控化学键，设计和合成具有特殊性能的新材料，热性和耐腐蚀性例如高强度合金、超导材料和纳米材料现代化学研究中的新进展计算化学光谱学12利用计算机模拟和计算方法，利用光谱技术研究化学键的振研究化学键的结构和性质，为动和旋转，为化学键的结构和新材料和药物的设计提供理论性质提供实验数据基础纳米技术3在纳米尺度上研究化学键的形成和断裂，为纳米材料和纳米器件的开发提供理论指导化学键理论的发展历程早期理论1世纪末，人们开始认识到原子之间存在相互作用力，并提出了19早期的化学键理论价键理论2世纪初期，价键理论被提出，解释了共价键的形成和分子的空20间结构分子轨道理论3世纪中期，分子轨道理论被发展起来，更加准确地解释了化学20键的形成和分子的电子结构分子结构与功能关系结构决定功能1分子结构决定了分子的性质和功能，例如酶的活性中心和药物的靶点化学键的作用2化学键是分子结构的基础，不同的化学键赋予分子不同的性质和功能研究意义3研究分子结构与功能关系，可以帮助我们理解生命现象和物质性质，并设计合成具有特定功能的分子化学键研究的前沿领域新型化学键计算化学纳米材料研究新型化学键的形成和性质，例如超强利用计算机模拟和计算方法，研究化学键在纳米尺度上研究化学键的形成和断裂，化学键、非传统化学键和非共价键的结构和性质，为新材料和药物的设计提为纳米材料和纳米器件的开发提供理论指供理论基础导课程总结与知识回顾分子与化学键不同类型化学键分子是构成物质的基本单元，化学共价键、离子键和金属键是三种主键是原子之间相互作用力的表现形要的化学键类型，各自具有独特的式，决定了物质的性质和变化形成机制和特点化学键理论价键理论和分子轨道理论可以解释化学键的形成和分子的电子结构，为理解物质性质提供了理论基础学习重点与难点梳理12化学键的类型化学键的强度重点掌握共价键、离子键和金属键的了解键能、键长和键角的概念，以及形成机制和特点它们对物质性质的影响3价键理论和分子轨道理论理解价键理论和分子轨道理论的基本原理，以及它们在解释化学键中的应用课后思考题请举例说明化学键对物质性质请解释为什么金属具有良好的12的影响导电性和延展性请比较和对比共价键、离子键和金属键的异同3参考文献与拓展阅读参考资料拓展阅读•《普通化学》第五版，邢其毅等编著，高等教育出版社•《化学键与分子结构》第四版，徐光宪等编著，高等教育出版社•《化学原理》第八版，Atkins等编著，清华大学出版社•《化学键理论及其应用》第二版，唐明理等编著，科学出版社。