《化学基础：原子结构与分子间作用》课件

化学基础原子结构与分子间作用课程简介与学习目标课程简介学习目标本课程旨在为学生提供关于原子结构和分子间作用的全面而深入的理解课程内容涵盖原子理论的演变、元素周期表的组织原则、化学键的形成以及分子间作用力的本质及其在不同物质状态下的影响什么是原子？基本概念介绍原子定义原子结构12原子是构成物质的基本单位，原子并非实心球体，而是具有由原子核和核外电子组成原复杂结构的微观粒子原子核子核包含质子和中子，决定了带正电，电子带负电，通过电元素的种类和质量电子则围磁力相互作用电子并非固定绕原子核高速运动，决定了原在某个位置，而是以一定的概子的化学性质率分布在原子核周围原子特性原子的历史发展从古希腊到现代古希腊时期1公元前5世纪，德谟克利特提出原子论，认为物质是由不可分割的微小粒子——原子组成的但这一观点缺乏实验支持，未被广泛接受近代原子论219世纪初，道尔顿提出科学的原子论，认为同种元素的所有原子性质相同，不同元素的原子性质不同道尔顿原子论为化学的发展奠定了基础现代原子理论320世纪初，汤姆逊发现电子，卢瑟福提出原子核式结构模型，玻尔提出定态跃迁理论，量子力学的发展进一步完善了原子结构理论现代原子理论认为原子具有复杂的内部结构，电子的运动具有波粒二象性原子的基本组成部分质子中子电子带正电，位于原子核内，不带电，位于原子核内，带负电，围绕原子核运决定元素的种类影响原子的质量和稳定动，决定元素的化学性性质质子、中子和电子详解质子中子电子质子是带正电荷的亚原子粒子，存在于原中子是不带电荷的亚原子粒子，也存在于电子是带负电荷的亚原子粒子，围绕原子子核中质子的数量决定了元素的原子序原子核中中子的作用是增加原子核的稳核运动电子的排布方式决定了元素的化数，并直接影响元素的化学性质质子质定性同种元素可以有不同数量的中子，学性质电子质量远小于质子和中子，约量约为原子质量单位这些原子被称为同位素中子质量约为原为原子质量单位111/1836子质量单位原子核的结构核力原子核由质子和中子组成，质子带正电，相互排斥，但原子核却能稳定存在，这是因为原子核内存在强大的核力，克服了质子间的电磁斥力核素具有特定质子数和中子数的原子核称为核素同一种元素的不同同位素具有不同的核素核稳定性原子核的稳定性取决于质子数和中子数的比例一般来说，较轻的原子核中质子数和中子数接近，较重的原子核中中子数多于质子数当质子数和中子数的比例偏离稳定范围时，原子核可能发生放射性衰变电子壳层模型电子层具有相同能级的电子构成一个电子层电2子层从内到外依次编号为K、L、M、N等能级1电子只能占据特定的能级，离原子核越电子排布近的能级能量越低，离原子核越远的能级能量越高电子总是先占据能量最低的能级和电子层，然后依次占据能量较高的能级和电子层每个电子层最多容纳的电子数有一定的限3制，例如层最多容纳个电子，层最多K2L容纳个电子8原子序数与原子量原子序数原子量原子序数是原子核内质子的数量，原子量是原子核内质子和中子的数决定了元素的种类每种元素都有量之和，反映了原子的质量由于唯一的原子序数同位素的存在，元素的原子量通常是其各种同位素的平均原子量相对原子质量相对原子质量是以碳原子质量的作为标准，其他原子的质量与之比-121/12较所得的比值相对原子质量是一个无量纲的量元素周期表概述元素排列金属、非金属12元素周期表是根据元素的原子元素周期表可以分为金属区、序数从小到大排列的同一周非金属区和过渡元素区金属期（横行）的元素具有相同的元素通常具有良好的导电性和电子层数，同一族（纵列）的导热性，非金属元素通常具有元素具有相似的化学性质较差的导电性和导热性过渡元素位于金属区和非金属区之间，具有一些特殊的性质预测元素性质3元素周期表可以用来预测元素的性质例如，同一族元素的化学性质相似，随着原子序数的增加，元素的金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱元素周期表的发展历史早期探索1世纪末，拉瓦锡等人开始对元素进行分类，但缺乏统一的标准18门捷列夫2年，门捷列夫根据元素的原子量和化学性质，编制了第一张1869元素周期表，并成功预测了一些未知元素的性质现代周期表3世纪初，莫斯莱发现元素的原子序数与射线光谱之间存在关20X系，确定了原子序数是元素排列的依据现代元素周期表是根据元素的原子序数排列的元素周期表的基本结构周期族分区周期是指元素周期表中的横行，共有7个周族是指元素周期表中的纵列，共有18个族根据原子最后填充电子的轨道类型，可以期每个周期的元素具有相同的电子层数同一族的元素具有相似的化学性质，这是将元素周期表分为s区、p区、d区和f区s随着原子序数的增加，元素的性质呈现规因为它们的原子最外层电子数相同主族区元素是指第1和2族元素，p区元素是指律性变化元素是指第

1、2和13-17族元素，副族元第13-18族元素，d区元素是指第3-12族元素是指第族元素素，区元素是指镧系元素和锕系元素3-12f周期律的科学意义预测元素理解规律周期律揭示了元素性质随原子序数周期律是化学学习和研究的重要工变化的规律性，可以用来预测未知具通过周期律，我们可以更好地元素的性质门捷列夫就是利用周理解元素的性质及其变化规律，从期律成功预测了镓、锗等元素的性而更好地进行化学反应设计和新材质料开发指导意义周期律对于化学理论的发展具有重要的指导意义基于周期律，科学家们提出了各种各样的化学键理论和分子结构理论，从而更深入地理解了物质的本质原子轨道与电子排布原子轨道原子轨道是电子在原子核周围空间运动的概率分布区域原子轨道具有特定的形状和能量，用量子数来描述电子排布电子排布是指电子在原子轨道上的分布情况电子排布决定了元素的化学性质电子排布遵循一定的规则，例如能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则价电子价电子是指原子最外层电子，决定了元素的化学性质价电子参与化学键的形成元素的化学性质主要取决于其价电子的数目和排布电子排布的基本规则能量最低原理泡利不相容原理12电子总是先占据能量最低的原一个原子轨道最多容纳两个自子轨道旋方向相反的电子洪特规则3电子总是优先占据不同的原子轨道，且自旋方向相同、、、轨道介绍S P D F轨道轨道轨道轨道S P D F球形对称，只能容纳个电子哑铃形，有三个互相垂直的形状复杂，有五个轨道，可形状非常复杂，有七个轨道，2PDF每个电子层都有一个轨道轨道，可以容纳个电子从以容纳个电子从第三层开可以容纳个电子从第四层S61014第二层开始有轨道始有轨道开始有轨道PDF化学键的基本类型离子键共价键金属键由阴阳离子之间的静电由原子之间共用电子对由金属原子之间的自由作用形成形成电子形成离子键形成机制电子转移活泼金属原子失去电子，形成带正电的阳离子；活泼非金属原子得到电子，形成带负电的阴离子静电作用阴阳离子之间存在强大的静电作用，使它们相互吸引，形成离子键离子化合物离子键形成的化合物称为离子化合物，通常具有较高的熔点和沸点，易溶于水，在熔融状态或水溶液中能导电共价键的特点电子共享方向性原子之间通过共用电子对形成共价共价键具有方向性，共价键形成的键，使每个原子都达到相对稳定的分子具有特定的空间构型电子结构极性共价键可以分为极性共价键和非极性共价键极性共价键是指共用电子对偏向电负性较大的原子，非极性共价键是指共用电子对不偏向任何原子金属键的特征自由电子金属原子失去外层电子，形成金属阳离子和自由电子1金属阳离子2金属阳离子有规律地排列形成晶格金属键作用3自由电子在金属阳离子之间自由运动，形成金属键金属键是金属具有良好导电性和导热性的原因分子间作用力概述氢键范德华力静电作用含有氢原子的分子之间分子之间普遍存在的一带电分子或离子之间存形成的一种特殊的分子种较弱的分子间作用力在的一种分子间作用力间作用力氢键的形成与重要性形成条件氢键是由含有氢原子的分子与电负性很强的原子（如氧、氮、氟）之间形成的氢原子与电负性很强的原子形成共价键后，氢原子带部分正电荷，可以与另一个分子的电负性很强的原子形成氢键影响性质氢键对物质的物理性质有重要影响例如，水分子之间存在氢键，导致水的沸点较高，密度在℃时最大氢键对生物大分子的结构和功4能也有重要影响生命过程氢键广泛存在于蛋白质、等生物大分子中，对维持它们的结构和DNA功能起着重要作用例如，双螺旋结构就是通过氢键连接的DNA范德华力的科学原理诱导偶极瞬时偶极可以诱导相邻分子产生诱导偶极2瞬时偶极1由于电子的运动，分子中会出现瞬时偶极吸引力瞬时偶极和诱导偶极之间存在吸引力，称为范德华力范德华力是一种较弱的分子3间作用力，但普遍存在于所有分子之间静电相互作用离子间作用偶极间作用离子偶极作用-带相反电荷的离子之间存在静电吸引力，极性分子之间存在偶极-偶极作用偶极矩离子与极性分子之间存在离子-偶极作用带相同电荷的离子之间存在静电排斥力较大的分子之间作用力较强离子电荷越大，极性分子偶极矩越大，作离子键就是一种典型的静电相互作用用力越强原子间相互作用的能量变化吸引势能当原子相互接近时，原子间存在吸引力，体系势能降低1排斥势能2当原子过于接近时，原子间存在排斥力，体系势能升高平衡距离3原子间存在一个平衡距离，在该距离下体系势能最低原子间的相互作用力为零化学键强度比较离子键1离子键强度通常较高，离子化合物具有较高的熔点和沸点共价键2共价键强度因成键原子的种类和成键方式而异共价化合物的熔点和沸点通常低于离子化合物金属键3金属键强度因金属种类的不同而异金属的熔点和沸点与其金属键强度有关分子结构与空间构型价层电子对互斥理论分子构型影响性质价层电子对互斥理论认为，分子中的价层常见的分子构型包括直线形、V形、平面分子的空间构型对其物理性质和化学性质电子对（包括成键电子对和孤对电子对）三角形、正四面体形、三角双锥形和正八有重要影响例如，水分子的V形构型使之间存在排斥力，这些电子对总是尽可能面体形分子构型与其中心原子的价层电其具有极性，从而影响水的溶解性和沸点地远离彼此，从而决定了分子的空间构型子对数和孤对电子对数有关分子极性与分子间作用极性分子非极性分子分子中正负电荷分布不均匀，存在分子中正负电荷分布均匀，不存在偶极矩的分子称为极性分子极性偶极矩的分子称为非极性分子非分子之间存在偶极-偶极作用力极性分子之间主要存在范德华力溶解性一般来说，极性分子易溶于极性溶剂，非极性分子易溶于非极性溶剂这是因为相似的分子间作用力有利于溶解分子间相互作用的影响因素分子大小分子越大，分子间作用力越强这是因为大分子具有更大的表面积，可以形成更多的分子间接触分子极性极性分子之间的分子间作用力比非极性分子之间的分子间作用力强这是因为极性分子之间存在偶极偶极作用力-分子形状分子形状会影响分子间的接触面积，从而影响分子间作用力形状规则的分子之间接触面积较大，分子间作用力较强物质状态与分子间作用固体液体气体分子间作用力很强，分子排列紧密有序，具分子间作用力较强，分子排列较紧密，但可分子间作用力很弱，分子排列松散，可以自有固定的形状和体积以自由流动，具有固定的体积，但形状不固由扩散，既没有固定的形状，也没有固定的定体积水的独特分子结构形构型氢键生命之源V水分子是V形分子，氧原子与两个氢原子水分子之间存在氢键，导致水具有较高的水是生命之源，地球上所有的生命活动都形成共价键，键角约为

104.5°这种V形构沸点、较高的表面张力和较大的密度异常离不开水水作为一种优良的溶剂，可以型使水分子具有极性氢键对水的性质有重要影响溶解各种各样的物质，为生物体提供营养和代谢场所水的热容量大，可以维持地球的温度平衡生物大分子中的分子间作用蛋白质DNA蛋白质的二级结构（如螺旋和双螺旋结构通过氢键连接碱αβDNA折叠）和三级结构都受到氢键、范基配对原则（A与T配对，G与C配德华力和疏水作用等分子间作用力对）也是由氢键决定的DNA的结的影响蛋白质的结构决定其功构保证了遗传信息的准确传递能多糖多糖是由单糖分子通过糖苷键连接而成的大分子多糖的结构和功能也受到分子间作用力的影响蛋白质折叠与分子间力二级结构蛋白质的二级结构是指多肽链中局部区域2的折叠方式，如螺旋和折叠二级结构αβ的形成受到氢键的影响一级结构1蛋白质的一级结构是指氨基酸的排列顺序一级结构决定了蛋白质的基本框架三级结构蛋白质的三级结构是指整个多肽链的空间排列方式三级结构的形成受到氢键、范德华力、疏水作用和二硫键等分子间作用3力的影响原子结构对化学性质的影响价电子原子的化学性质主要由其价电子决定价电子的数目和排布方式决定了原子与其他原子形成化学键的能力电负性电负性是指原子吸引电子的能力电负性越大的原子，吸引电子的能力越强电负性差异会影响化学键的极性原子半径原子半径是指原子的大小原子半径会影响原子与其他原子之间的距离，从而影响化学键的强度化学反应中的电子转移氧化还原反应氧化剂还原剂氧化还原反应是指有电子转移的反应氧氧化剂是指在氧化还原反应中得到电子的还原剂是指在氧化还原反应中失去电子的化是指失去电子的过程，还原是指得到电物质，具有氧化性常见的氧化剂包括氧物质，具有还原性常见的还原剂包括氢子的过程氧化还原反应总是同时发生，气、氯气和高锰酸钾等气、碳和金属等一个物质失去电子，必然有另一个物质得到电子原子结构与化学反应活性电离能电子亲和能电离能是指从气态原子中移去一个电子亲和能是指气态原子得到一个电子所需的能量电离能越小，原电子所释放的能量电子亲和能越子越容易失去电子，化学反应活性大，原子越容易得到电子，化学反越高应活性越高活化能活化能是指反应物分子转化为活化络合物所需的能量活化能越小，化学反应速率越快，化学反应活性越高同位素的概念与应用同位素1同位素是指具有相同质子数但不同中子数的原子同位素的化学性质几乎相同，但物理性质略有差异稳定同位素2稳定同位素是指不会发生放射性衰变的同位素稳定同位素广泛应用于科学研究和工业生产中放射性同位素3放射性同位素是指会发生放射性衰变的同位素放射性同位素广泛应用于医学诊断和治疗、核能发电和考古年代测定等领域同位素在科学研究中的作用年代测定示踪原子光谱分析利用放射性同位素的衰利用同位素的示踪效应利用同位素的质量差异变规律可以进行年代测可以研究化学反应的机可以进行光谱分析，如定，如碳-14年代测定法理和生物代谢的途径质谱分析可以用于测定可以用于测定考古文物将同位素标记的化合物同位素的丰度的年代引入反应体系或生物体内，通过检测同位素的分布可以了解反应或代谢的过程放射性衰变基本原理衰变类型半衰期衰变规律放射性衰变主要有三种类型α衰变、β衰半衰期是指放射性同位素衰变至原来一半放射性衰变遵循指数衰变规律随着时间变和γ衰变α衰变是指原子核释放一个α所需的时间半衰期是放射性同位素的重的推移，放射性同位素的含量逐渐减少，粒子（氦核）；衰变是指原子核释放一个要特征参数，不同的放射性同位素具有不但衰变速率不变β粒子（电子或正电子）；衰变是指原子同的半衰期βγ核释放一个射线（高能光子）γ原子结构与光谱学光谱光谱分析原子光谱光谱是指物质发射或吸收的光的波长分光谱分析是指利用光谱来分析物质的组原子光谱是由原子中电子的能级跃迁产布光谱可以分为发射光谱和吸收光谱成和结构光谱分析是一种重要的分析生的每种元素都有其独特的光谱，因发射光谱是物质发射的光的光谱，吸收方法，广泛应用于化学、物理、生物和此可以通过原子光谱来识别元素光谱是物质吸收的光的光谱医学等领域能级跃迁与光谱图吸收光谱当原子吸收特定波长的光时，电子会从低能级跃迁到高能级，产生吸收光谱吸收光谱的波长与跃迁的能量有关发射光谱当电子从高能级跃迁到低能级时，会释放特定波长的光，产生发射光谱发射光谱的波长与跃迁的能量有关光谱图光谱图是光谱的图形表示光谱图可以用来分析物质的组成和结构光谱图的峰值位置和强度与物质的性质有关量子力学对原子结构的解释波粒二象性不确定性原理薛定谔方程量子力学认为，电子具有波粒二象性，既量子力学的不确定性原理认为，不能同时量子力学的薛定谔方程可以用来描述电子具有波动性，又具有粒子性电子的波动精确地测定电子的位置和动量测量电子在原子核周围的运动状态薛定谔方程的性表现为电子在原子核周围的概率分布，的位置越精确，对其动量的测量就越不精解可以得到电子的能量和概率分布粒子性表现为电子具有一定的能量和动量确，反之亦然现代原子理论发展量子电动力学1量子电动力学是描述光和物质相互作用的理论量子电动力学可以精确地计算原子的能级和光谱量子色动力学2量子色动力学是描述强相互作用的理论量子色动力学可以描述原子核的结构和性质标准模型3标准模型是描述基本粒子的理论标准模型可以解释所有已知的基本粒子和它们之间的相互作用电子显微镜的应用透射电子显微镜扫描电子显微镜原子力显微镜透射电子显微镜可以观察材料的内部结构，扫描电子显微镜可以观察材料的表面形貌，原子力显微镜可以探测材料表面的原子结构，分辨率可达纳米分辨率可达纳米分辨率可达纳米

0.

110.1原子成像技术breakthrough原子分辨率显微镜扫描隧道显微镜冷冻电镜原子分辨率显微镜可以清晰地观察到材料中扫描隧道显微镜可以探测材料表面的电子结冷冻电镜可以观察生物大分子的结构，为生的原子排列，为材料科学的研究提供了重要构，为表面科学的研究提供了重要的手段物学和医学的研究提供了重要的技术的工具分子间作用的实际应用材料设计药物设计催化反应通过调控分子间作用力可以设计具有特定通过研究药物分子与靶标蛋白之间的相互分子间作用力在催化反应中起着重要作用性质的材料例如，通过增强分子间作用作用，可以设计具有更好疗效的药物药催化剂通过与反应物分子形成中间体，降力可以提高材料的强度和熔点物分子与靶标蛋白之间的相互作用主要通低反应的活化能，从而加速反应速率过分子间作用力实现材料科学中的分子间作用聚合物液晶聚合物的力学性能、热性能和光学液晶分子之间存在较强的分子间作性能都受到分子间作用力的影响用力，使其具有特殊的排列方式和通过调控聚合物的分子量、链结构光学性质液晶广泛应用于显示器、和分子间作用力可以设计具有特定温度计和传感器等领域性能的聚合物材料纳米材料纳米材料的表面效应和量子效应使其具有独特的性质纳米材料的分子间作用力对其稳定性和组装行为有重要影响生物医学中的分子识别抗原抗体抗原抗体之间的特异性结合是生物免疫的基础抗原抗体之间的相互作用主要通过分子1间作用力实现酶底物2酶与底物之间的特异性结合是酶催化反应的基础酶与底物之间的相互作用主要通过分子间作用力实现药物靶标3药物与靶标蛋白之间的特异性结合是药物发挥疗效的基础药物与靶标蛋白之间的相互作用主要通过分子间作用力实现纳米技术与分子间相互作用自组装1纳米材料的自组装是指纳米材料在没有外界干预的情况下，自发地形成有序结构的现象分子间相互作用是纳米材料自组装的驱动力纳米器件2通过控制分子间相互作用可以构建各种各样的纳米器件，如纳米传感器、纳米开关和纳米马达等这些纳米器件具有广泛的应用前景纳米药物3纳米药物是指将药物分子封装在纳米材料中，使其具有靶向性和缓释性的药物分子间相互作用对纳米药物的稳定性和释放行为有重要影响环境科学中的分子作用机制吸附降解迁移污染物在土壤、水体和污染物的降解是指污染污染物的迁移是指污染大气中的吸附行为受到物在环境介质中被分解物在不同环境介质中转分子间作用力的影响成无害物质的过程分移的过程分子间相互通过研究污染物与环境子间相互作用会影响污作用会影响污染物的迁介质之间的相互作用，染物的降解速率和降解移方向和迁移速率可以预测污染物的迁移产物和转化化学工业中的分子设计催化剂设计分离剂设计添加剂设计通过设计具有特定结构的催化剂分子，可通过设计具有特定亲和力的分离剂分子，通过设计具有特定功能的添加剂分子，可以提高化学反应的速率和选择性分子间可以实现对混合物的分离分子间相互作以改善材料的性能分子间相互作用在添相互作用在催化剂的设计中起着重要作用用在分离剂的设计中起着重要作用加剂的设计中起着重要作用前沿研究与未来展望超分子化学分子机器超分子化学是研究分子之间相互作分子机器是指由分子组装而成的具用的化学分支超分子化学的研究有特定功能的器件分子机器的研成果可以应用于材料科学、生物医究成果可以应用于纳米技术、生物学和纳米技术等领域医学和信息技术等领域人工智能将人工智能技术应用于分子设计，可以加速新材料的开发和药物的发现人工智能可以预测分子的性质和相互作用，从而提高分子设计的效率原子结构研究的最新进展超快光谱超快光谱可以实时观测原子和分子的运动过程，为研究化学反应的机理提供了重要的手段单分子光谱单分子光谱可以研究单个分子的性质，为理解分子间相互作用提供了新的视角计算化学计算化学可以模拟原子和分子的行为，为材料设计和药物发现提供了重要的工具分子间作用的计算机模拟分子动力学蒙特卡罗方法密度泛函理论分子动力学模拟可以模拟原子和分子的运蒙特卡罗方法可以模拟原子和分子的统计密度泛函理论是一种量子力学方法，可以动轨迹，从而研究物质的性质和行为分行为，从而研究物质的性质和行为分子用来计算原子和分子的电子结构和能量子间作用力是分子动力学模拟的关键参数间作用力是蒙特卡罗方法的重要输入参数密度泛函理论可以预测分子的性质和相互作用课程总结与学习回顾核心概念回顾重要应用回顾12原子结构、元素周期表、化学材料科学、生物医学、环境科键、分子间作用力是本课程的学和化学工业是分子间作用力核心概念掌握这些概念是理的重要应用领域了解这些应解化学的基础用可以帮助我们更好地理解化学的价值未来发展展望3超分子化学、分子机器和人工智能是化学的未来发展方向关注这些领域可以帮助我们更好地把握化学的发展趋势鼓励与启发化学的魅力化学是一门充满魅力的学科，它不仅可以帮助我们理解物质的本质，还可以为我们创造美好的生活希望通过本次学习，您能对化学产生浓厚的兴趣，并将其应用于实践中，为社会发展做出贡献！。