《分子的结构与性质》课件

分子的结构与性质探索微观世界的奥秘了解分子结构如何决定物质性质掌握分子科学的基本理论与应用化学与分子的世界分子定义物质关系发展历程能独立存在的最小粒子构成物质的基本单元道尔顿原子说到现代分子理论分子结构的重要性结构决定性质典型分子实例微观结构塑造宏观特性水分子极性影响溶解性日常生活例子巧克力结晶不同形成不同口感原子结构回顾原子核质子和中子构成电子层不同能级轨道分布元素周期表电子排布规律分子轨道理论概述理论提出量子力学基础上发展轨道关系原子轨道线性组合键形成电子在分子轨道中分布共价键的本质电负性相近相似的吸引电子能力电子共享价电子对共用稳定构型形成稳定的电子结构离子键的本质电子转移晶格结构实例氯化钠一方完全得到或失去电子正负离子规则排列钠离子与氯离子电引力金属键与金属结构电子海模型离域电子正离子核浸在价电子海中电子不固定于特定原子金属特性导电性、延展性、热传导氢键与分子间作用力氢键定义X-H...Y（X、Y为电负性强的原子）形成条件氢原子连接到强电负性原子上强度特点比共价键弱，比范德华力强典型例子水分子间、DNA双螺旋结构范德华力与分子相互作用偶极-偶极力诱导力色散力永久偶极矩间相互作用永久偶极诱导临时偶极瞬时偶极间相互作用杂化轨道理论初步不同杂化类型产生不同几何形状sp³四面体；sp²平面三角形；sp线性价层电子对互斥理论（模型）VSEPR电子对互斥电子云最大距离分开空间排布最小化静电排斥形状预测3根据电子对数量判断分子构型分子的形状与立体结构三角形线性如BF₃、SO₃如CO₂、C₂H₂四面体3如CH₄、CCl₄角形三角锥如H₂O、H₂S如NH₃、PF₃力矩与极性分子极性分子非极性分子非对称电荷分布对称电荷分布有净偶极矩无净偶极矩如水、氨如CO₂、CCl₄共振结构与分子的稳定性共振本质真实结构是多种限域结构的混合电子离域电子在多个原子间移动增强稳定性共振能降低总能量多重键与结构差异12单键σ双键σ+π一对电子共享，可自由旋转两对电子共享，平面刚性3三键σ+2π三对电子共享，线性刚性分子轨道与能级图杂化轨道与化学键特性杂化类型键角几何形状典型分子sp³

109.5°四面体CH₄sp²120°平面三角C₂H₄sp180°线性C₂H₂键与键的分子实例σπ键轴向重叠，自由旋转σ键平行重叠，旋转受限π轨道交叠与键的强度轨道重叠程度键长影响电子云交叠面积越大，键越强键长越短，键能越高实验数据C-C347kJ/mol；C=C611kJ/mol分子的对称性与光学活性对称元素手性分子旋转轴、反演中心、对称面不与其镜像重合可旋转偏振光平面弱相互作用与超分子结构主客体识别生物识别DNA配对分子间特异性结合酶与底物精确配合碱基通过氢键配对分子的电子结构与磁性顺磁性反磁性应用实例有不配对电子，被磁场吸引无不配对电子，被磁场排斥磁共振成像（MRI）例O₂分子例N₂分子分子磁性开关分子的电性质极性分子1不均匀电荷分布，水、氨电解质2水溶液能导电，盐类化合物非电解质3不导电，如糖、油半导体4条件性导电，如硅分子的光学性质分子的热性质热稳定性键能决定分解温度比热容单位质量温度变化所需热量水分子特例氢键网络提供高比热分子的物理状态相关性质液态分子聚集但可流动气态分子无序运动，弱相互作用固态分子有序排列在固定位置晶体结构与分子排列分子晶体原子晶体分子间弱相互作用原子间强共价键典型冰、干冰典型金刚石、石英分子的空间构型异构顺反异构位置异构性质差异基团处于双键两侧的空间排布官能团在碳链不同位置熔点、沸点、极性明显不同分子的构象与柔性分子的反应性与结构的关系反应活性位点键的极化空间位阻共振效应高电子密度或低电子密度区电负性差异导致极化分子拥挤程度影响反应电子离域稳定或活化域酸碱性与分子结构酸性强度碱性强度键极化程度影响孤对电子可用性决定共振效应诱导效应4离域削弱酸性吸电子基团增强酸性分子的氧化还原性质分子氧还原氧化态变化O₂→O₂⁻→O₂²⁻→2O²⁻电子转移原子价态升高或降低失电子为氧化，得电子为还原有机小分子的结构与性质不同结构导致不同理化性质甲烷四面体，非极性；乙烯平面，键；苯共轭环，稳定π无机分子的结构与性质分子结构形状极性特性H₂O弯曲形极性高沸点NH₃三角锥极性氢键能力H₂S弯曲形弱极性低沸点生物大分子的结构一级结构三级结构氨基酸序列单一多肽链折叠1234二级结构四级结构螺旋或折叠多条肽链组合αβ分子的实验确定方法X射线衍射红外光谱核磁共振晶体结构精确测定分子振动模式分析原子核化学环境探测质谱法分子量和碎片确定分子建模与计算化学计算机建模能量优化动力学模拟三维可视化分子结构预测最稳定构象分子运动轨迹计算分子的环境与应用材料设计能源应用功能材料分子结构优化新能源转换与存储•导电高分子•光催化分子•光电材料•电池材料•自修复材料•氢能源存储药物设计药效分子结构优化•靶向药物•缓释系统•前药设计分子的特例结构解析富勒烯碳纳米管金属有机框架60个碳原子形成的足球状分子石墨片卷曲形成的管状结构金属离子与有机配体形成的多孔结构分子的结构调控与功能材料结构设计基于目标功能规划分子结构合成方法2精确控制合成路径功能验证测试分子在实际应用中的性能结构与性质的案例分析一水分子H₂O二氧化碳CO₂角形结构，

104.5°直线形，180°强极性，形成氢键非极性分子高沸点（100℃）低沸点（-78℃升华）优良溶剂溶解性差结构与性质的案例分析二6120°苯环碳数键角平面结构，共轭π键sp²杂化，正六边形36共振能单位kcal/mol，稳定性高结构与性质的案例分析三沙利度胺异构体手性效应药物安全R-异构体镇静作用镜像分子与受体相互作用不同S-异构体致畸胎作用分子结构与创新药物设计靶点识别先导化合物确定疾病相关蛋白结构设计能与靶点结合的分子活性验证结构优化体外体内测试药效改善药代动力学性质分子设计与绿色化学原子经济性2催化反应最大限度利用原料原子减少能耗和废物3可降解设计本质安全生命周期结束易分解减少有毒物质使用分子科学的前沿进展分子机器可控纳米运动装置智能材料响应环境变化的分子系统分子电子学单分子导电研究结构与性质的实验探究活动实验设计确定研究问题和变量材料准备收集所需仪器和试剂实验操作严格按照步骤执行数据分析整理结果并得出结论课堂知识回顾与思考分子结构分子性质VSEPR模型、杂化轨道理论极性、磁性、光学特性化学键分子应用共价键、离子键、金属键材料、医药、能源领域4展望与结束语创新探索突破传统分子设计局限学科交叉2物理、生物、材料、信息融合实际应用3解决能源、环境、健康难题。