【化学课件】分子、原子结构、化学键课件

分子、原子结构、化学键欢迎来到化学的微观世界！本课程将带领大家深入探索物质的最基本构成单元分子与原子，理解它们之间的相互作用力化学键————这是高中和大学化学学习的重要基础内容学习目标1掌握分子与原子的基本区别理解原子作为化学变化中的最小单位，以及分子作为保持物质化学性质的最小粒子的概念差异2理解原子结构及其模型熟悉从汤姆孙模型到现代量子力学模型的发展历程，掌握电子云概念和轨道理论3熟悉化学键的类型及本质深入理解共价键、离子键、金属键和分子间作用力的形成机制和特点应用知识解释物质性质微观粒子科学发展历程1道尔顿原子假说年，道尔顿提出原子是化学变化中的最小单位，不可1808再分这一假说为现代原子理论奠定了基础2汤姆孙发现电子年，汤姆孙通过阴极射线实验发现了电子，证明原子1897是可分的，提出了葡萄干布丁模型3卢瑟福核式模型年，卢瑟福通过金箔实验发现了原子核，建立了核式1911原子模型，揭示了原子的真实结构4现代量子理论世纪年代，量子力学的发展使我们对原子结构有了更2020深入的理解，建立了现代原子模型原子的基本概念原子核电子原子尺度由质子和中子组成，集带负电荷，质量极小原子直径约为⁻10¹⁰中了原子几乎全部质（约为质子的米，相当于埃如果1量，直径约为⁻），在原子把原子放大到足球场大10¹⁵1/1836米质子带正电荷，中核外的电子云中运动小，原子核只有乒乓球子不带电大小质量数量级原子质量以原子质量单位（）表示，u×⁻千1u≈

1.6610²⁷克氢原子质量约为1u原子结构模型综述波尔模型与量子突破卢瑟福核式模型年波尔引入量子概念，提出电子在固1913汤姆孙葡萄干布丁模型年基于金箔实验提出，原子中心有一定轨道上运动现代量子力学模型则用概率1911年提出，认为原子是一个带正电的球个很小的原子核，电子在核外运动这个模云描述电子分布，更准确地反映了微观粒子1904体，电子像葡萄干一样嵌在其中这个模型型首次揭示了原子的真实结构，但无法解释的波粒二象性特征解释了原子的电中性，但无法解释后来的实原子的稳定性和光谱现象验现象虽然后来被推翻，但在科学发展史上具有重要意义电子云与轨道理论轨道轨道概率密度概念s p球形对称，轨道最小，、轨道哑铃形，沿、、轴方向分布，分别电子云表示电子在原子核周围出现的1s2s3s xy z依次增大轨道在原子核周围形成球称为、、轨道轨道在原子概率密度分布电子云越密集的区s pxpy pzp状电子云，概率密度在原子核处最核处的概率密度为零，存在节面域，电子出现的概率越大大每个轨道最多容纳个电子，三个现代原子理论不再说电子在固定轨道p2p每个轨道最多容纳个电子，是最基轨道共可容纳个电子运行，而是用概率描述电子的空间分s26本的原子轨道类型布原子核及各类核素核素概念氢的同位素具有相同质子数和中子数的氕（）个质子，个H-110原子称为核素每种核素都中子；氘（）个质H-21有确定的质量数和原子序子，个中子；氚（1H-数，是原子的基本分类单）个质子，个中子312位它们化学性质相同但物理性质不同同位素应用碳用于考古年代测定，铀用于核能发电，医用同位素-14-235用于疾病诊断和治疗同位素技术在科学研究和工业生产中应用广泛核外电子排布基础洪特规则电子优先单独占据简并轨道1泡利不相容原理2同一轨道最多容纳自旋相反的个电子2能量最低原理3电子优先占据能量较低的轨道电子排布遵循三个基本规则，能量最低原理确保原子处于最稳定状态，泡利不相容原理限制了每个轨道的电子数目，洪特规则说明了在等价轨道中电子的分布方式这些规则共同决定了元素的电子构型和化学性质元素周期律与周期表初步同周期规律同主族规律原子半径递减，电离能递增原子半径递增，电离能递减•核电荷数增加•电子层数增加•电子层数相同•最外层电子数相同12•核对外层电子引力增强•屏蔽效应增强周期表意义化学性质周期性揭示元素性质的内在规律金属性、非金属性呈周期性变化43•预测未知元素性质•区为活泼金属s•指导化学反应•区右端为非金属p•材料设计基础•区为过渡金属d原子与分子的区别原子特性分子特性概念图示关系原子是化学变化中的最小单位，在化分子是保持物质化学性质的最小粒原子构成分子，分子构成物质在物学反应中不能再分原子可以单独存子，由原子通过化学键结合而成分理变化中分子保持不变，在化学变化在，也可以结合形成分子稀有气体子可以由相同原子组成（如₂、中分子发生改变但原子种类和数目不O在常温下以单原子分子形式存在₂），也可以由不同原子组成（如变N₂、₂）H OCO原子的化学性质主要由其最外层电子理解这种层次关系对于学习化学反数决定，这也是元素分类和周期律的分子在化学反应中可以分解为原子，应、化学方程式配平等后续内容具有基础原子重新组合形成新的分子，这是化重要意义学反应的本质概念回顾与互动提问原子定义快速问答什么是原子？原子由哪些基本粒子组成？原子核的组成是什么？这些基础概念需要熟练掌握符号表示练习学会用化学符号正确表示原子和分子，如表示氢原子，₂H H表示氢分子，区分原子符号和分子式的写法概念辨析训练通过具体例子区分原子与分子氦气中存在氦原子，氢气中存在氢分子，加深对概念的理解分子的本质与构成分子是由两个或多个原子通过化学键结合形成的电中性粒子，是保持化合物化学性质的最小单元不同的原子组合方式形成了丰富多彩的分子世界氢分子（₂）是最简单的双原子分子，氧分子（₂）含有双键，二氧化碳（₂）呈直线型结构，水分子（₂）呈折H OCO H O线型每种分子都有其独特的几何构型和化学性质分子式与结构式表示方法分子式结构式电子式水₂H O H-O-H H:Ö:H氨气₃NH H-N-H|H H:Ṅ:H|H甲烷₄型型CH H-C-H H:Ċ:H乙烯₂₄₂₂C H H C=CH H:Ċ::Ċ:H分子式表示分子的组成，结构式显示原子间的连接关系，电子式展现共用电子对的分布掌握这些表示方法对理解分子结构和化学反应机理非常重要化学键的定义化学键的本质物质多样性的根源化学键是原子间的强相互化学键解释了为什么少数作用力，使原子结合形成几种元素能形成数百万种分子或晶体这种作用力不同的化合物不同的成的本质是电性的，涉及电键方式产生了丰富多彩的子的重新分布物质世界化学键的作用化学键不仅决定了分子的稳定性，还影响物质的物理和化学性质，如熔点、沸点、硬度、电导性等化学键存在的普遍性共价化合物离子化合物金属单质如₂、₂、如、₂如铁、铜、银等，H OCO NaClCaF₃等，原子间等，通过离子间的金属原子通过金属NH通过共用电子对结静电引力结合，形键结合，形成金属合，形成稳定的分成离子晶体结构晶体，具有独特的子结构物理性质稀有气体例外稀有气体原子最外层电子达到稳定结构，通常以单原子分子存在，分子间只有微弱的范德华力化学键的分类框架共价键原子间共用电子对形成离子键阴阳离子间静电作用力金属键金属原子与自由电子结合分子间作用力氢键和范德华力等弱相互作用化学键按强度和性质可分为几大类型共价键和离子键是主要的化学键类型，决定了化合物的基本性质金属键解释了金属的特殊性质分子间作用力虽然较弱，但对物质的物理性质有重要影响，如沸点、溶解性等理解这个分类体系有助于系统学习不同类型化学键的特点和应用共价键的形成与性质轨道重叠电子共用原子轨道相互重叠，形成共价键的基原子共用电子对，达到稳定电子构型础八隅规则分子形成原子倾向于获得个价电子的稳定结8共价键使原子结合成稳定的分子构常见共价键实例1氢气单键，两个氢原子共用一对电子，形成最简单的共价单键H-H1氯气单键，每个氯原子贡献一个电子形成共用电子对Cl-Cl2氧气双键，两个氧原子间共用两对电子，键能较大O=O3氮气三键，氮原子间共用三对电子，是最强的共价键之一N≡N极性键与非极性键非极性共价键极性共价键电负性概念相同原子间形成的共价键，如、不同原子间形成的共价键，如、电负性是原子在分子中吸引电子的能H-HH-Cl、等由于两个原子的电负等由于原子电负性不同，共用力氟的电负性最大（），金属元Cl-Cl O=OH-O

4.0性相同，共用电子对不偏向任一原电子对偏向电负性大的原子，形成部素电负性较小电负性差值可以预测子，电荷分布均匀分正负电荷键的类型和极性这类分子通常是非极性分子，具有较电负性差值在之间通常形成理解电负性概念有助于判断分子的极

0.4-

1.7低的沸点和熔点，难溶于极性溶剂如极性共价键，这种键的极性影响分子性、预测化学反应的方向和解释物质水的性质和化学行为的性质离子键形成机制原子阶段离子形成静电引力晶体结构钠原子失去个电子，氯原⁺和⁻离子分别具有稳阴阳离子间的库仑引力形成离子按一定规律排列形成离1Na Cl子得到个电子定的电子构型离子键子晶体1离子化合物性质高熔点高沸点电导性特点离子键是强相互作用力，需固体离子化合物不导电，因要大量能量才能破坏离子晶为离子被束缚在晶格中无法体结构典型的离子化合物自由移动但熔融态或水溶如熔点高达°，液中离子可以自由移动，因NaCl801C这使得离子化合物在常温下此具有良好的电导性多为固体溶解性规律许多离子化合物易溶于极性溶剂如水，但难溶于非极性溶剂溶解过程涉及离子与溶剂分子的相互作用，需要克服晶格能共价化合物与离子化合物对比性质共价化合物离子化合物实例成键方式电子共用电子转移₂H Ovs NaCl熔沸点相对较低相对较高₂°°H O100C vsNaCl801C电导性一般不导电熔融或溶液导电糖水盐水vs溶解性溶于相似溶剂多溶于极性溶剂油脂食盐vs混合类型化合物如₂₂含有离子键（⁺₂⁻）和共价键（），含有离子键（⁺⁻）和共价键（），体现了化学键类型的复杂性Na ONa-O²O-O NaOHNa-OH O-H金属键及金属晶体结构自由电子海金属原子失去价电子形成金属阳离子，价电子在整个金属中自由移动，形成电子海延展性解释当金属受到外力时，原子层可以相对滑动而不破坏金属键，因为电子海可以重新调整导电性机理自由电子在电场作用下定向移动形成电流，这解释了金属良好的导电和导热性质金属光泽自由电子能够吸收和反射各种频率的光，使金属表面呈现特有的金属光泽分子间作用力范德华力分子间普遍存在的弱相互作用力，包括色散力、诱导力和取向力这种力很弱但影响物质的物理性质，如沸点和溶解性分子量越大，范德华力越强氢键作用氢原子与电负性很强的原子（、、）结合后，与另一个F ON电负性强的原子间形成的特殊作用力氢键比范德华力强，对物质性质影响显著宏观性质影响水的异常高沸点、冰的密度小于液态水、双螺旋结构DNA的稳定性等都与氢键密切相关理解分子间作用力有助于解释生物大分子的结构和功能氢键的本质与意义氢键形成条件必须有氢原子与、、等电负性强的原子结合，形成极性很强的F ON X-H键氢原子带部分正电荷，能与另一个电负性强的原子形成氢键对沸点的影响氢键使物质的沸点显著升高水的沸点比同族的₂、₂高得多，H SH Se氨的沸点比磷化氢高，都是氢键作用的结果生物学意义氢键是维持蛋白质二级结构、双螺旋结构的重要力量氢键的可逆DNA性使生物大分子能够在变性和复性之间转换，这对生命过程至关重要冰的特殊结构冰中每个水分子通过氢键与四个相邻水分子结合，形成开放的立体网状结构，使冰的密度小于液态水，这一性质对地球生态系统具有重要意义典型分子的空间结构分子的空间结构由价层电子对互斥理论（）预测₂呈直线型，键角°；₂呈弯曲型，键角°；VSEPR CO180H O

104.5₃呈平面三角型，键角°；₄呈正四面体型，键角°BF120CH

109.5孤电子对的存在会压缩键角，如₃的键角为°，小于正四面体角度分子构型直接影响物质的极性、化学活性和生物NH107活性分子轨道理论简介分子轨道形成键与键氧气分子磁性σπ原子轨道线性组合形成分子轨道，包键由原子轨道沿键轴方向重叠形成，氧气分子的分子轨道电子排布显示存σ括成键轨道和反键轨道电子优先填键的重叠程度大，键能高键由轨在两个未成对电子，这解释了液氧为πp入能量较低的成键轨道，反键轨道的道侧面重叠形成，重叠程度小，键能什么能被磁铁吸引这是价键理论无电子会削弱化学键相对较低法解释的现象分子轨道理论能更好地解释某些分子单键为键，双键含一个键和一个分子轨道理论为理解分子的电子结构σσπ的性质，如氧气的顺磁性键，三键含一个键和两个键和化学行为提供了更深入的理论基σπ础杂化轨道理论杂化sp直线型分子，键角°180杂化sp²平面三角型，键角°120杂化sp³四面体型，键角°

109.5杂化轨道理论解释了原子如何形成特定的分子几何构型碳原子的四个杂化轨道指向正四面体的四个顶点，这解释了甲烷分sp³子的四面体结构和碳原子的四价性质乙烯中碳原子采用杂化，形成平面结构和双键乙炔中碳原子采用杂化，形成直线sp²sp结构和三键杂化理论是理解有机化合物结构的重要工具配位键与配合物配位键定义中心原子配体类型一种特殊的共价键，通常是过渡金属离含有孤电子对的分共用电子对完全由子，具有空的价轨子或离子，如一个原子（配体）道，能够接受电子₃、₂、NH H O提供给另一个原子对如⁺、⁻、⁻等，Cu²CN Cl（中心原子）⁺、⁺等能够提供电子对形Fe³Ag成配位键配合物实例₃₄⁺[CuNH]²呈深蓝色，₆⁻呈[FeCN]³血红色，配合物通常具有特征颜色和独特性质物质微观结构与宏观性质微观结构宏观性质原子排列、化学键类型、分子构型决熔沸点、硬度、导电性、溶解性等可定物质的基本特征观察的物理化学性质材料设计性质预测根据需要的性质设计相应的微观结通过微观结构分析预测和解释宏观性构，指导新材料开发质的变化规律水分子的氢键网络解释了水的高沸点和表面张力的离子键决定了其高熔点和在水中的溶解性金刚石的共价网络结构使NaCl其成为最硬的天然物质理解结构与性质的关系是化学的核心内容元素周期表的应用周期性规律同周期元素原子半径递减，电离能递增；同主族元素原子半径递增，金属性增强性质预测利用周期律预测未知元素性质，如门捷列夫成功预测了锗、镓、钪的存在和性质工业应用卤素活性顺序₂₂₂₂指导提取工艺氯气置换F ClBr I溴，溴置换碘反应预测根据元素位置预测化学反应的可能性和产物，指导化学合成路线设计元素化合价与键型元素常见化合价键型倾向典型化合物钠离子键₂+1NaCl,Na O镁离子键₂+2MgO,MgCl碳共价键₂₄+4,-4CO,CH氮共价键₃₃-3,+5NH,HNO氧共价键₂₂-2H O,CO元素的化合价与其最外层电子数密切相关金属元素倾向于失去电子形成正离子，非金属元素倾向于得到电子形成负离子或通过共用电子形成共价键过渡元素可能有多种化合价状态常见物质结构模型展示苯的共振结构金刚石结构石墨结构对比苯分子（₆₆）具有特殊的共轭每个碳原子与个相邻碳原子形成石墨中碳原子采用杂化，形成层状C Hπ4sp³sp²电子体系，个电子在苯环上方和下杂化的四面体结构，构成三维网状共结构层内碳原子通过强共价键结6π方形成电子云这种离域效应使苯环价晶体这种结构使金刚石成为最硬合，层间通过弱范德华力结合未参比预期的更稳定，键长介于单键和双的天然物质，熔点极高与杂化的轨道形成离域键pπ键之间金刚石不导电，因为所有价电子都参这种结构使石墨具有导电性、润滑性苯的共振结构解释了其独特的化学性与成键，没有自由电子和可劈裂性，与金刚石性质截然不质，如易发生取代反应而难发生加成同反应计算题电子式结构式的/书写₂电子式书写₃电子式书写CO NH碳原子有个价电子，每个氧氮原子有个价电子，每个氢45原子有个价电子碳与两个原子有个价电子氮与三个61氧原子各形成两对共用电子对氢原子分别形成一对共用电子（双键），满足八隅规则电对，氮原子还有一对孤电子对子式电子式呈三角锥型O::C::O练习要点书写电子式时要注意确定中心原子，计算总价电子数，满足八隅规则（氢原子为二电子稳定结构），合理分配孤电子对和成键电子对案例水的氢键结构分子间氢键水分子中氧原子的孤电子对与相邻水分子的氢原子形成氢键每个水分子最多可以形成个氢键氧原子的个孤电子对各接受个氢键，个氢原子各提供4212个氢键1冰的晶体结构在冰中，水分子通过氢键形成六角形的开放性立体网状结构这种结构比液态水更疏松，因此冰的密度比水小，能够浮在水面上，这对维持水体生态系统具有重要意义氢键对性质的影响氢键使水的沸点达到°，远高于同族化合物₂（°）氢键还赋予水较大的表面张力、较高的比热容等特殊性质，这些性质对地球上生命的100C HS-60C存在至关重要案例离子键的结构NaCl氯化钠采用面心立方晶体结构，每个⁺离子被个⁻离子包围，每个⁻离子也被个⁺离子包围，配位数为这种Na6Cl Cl6Na6高度有序的排列使离子间的静电引力最大化⁺离子半径为，⁻离子半径为晶格能高达，这解释了的高熔点（°）和在水中Na

0.95ÅCl

1.81Å786kJ/mol NaCl801C的强极性溶剂化离子键的无方向性使离子晶体具有脆性案例金属晶体的特殊性质

8.96铜的密度，紧密堆积的金属原子形成高密度结构g/cm³1083铜的熔点°，金属键强度决定了较高的熔点C401银的导热系数，自由电子传导热量，银是最佳热导体W/m·K×

6.310⁷银的电导率，自由电子定向移动形成电流S/m金属的优异性质源于金属键的特殊性质自由电子海模型解释了金属的导电、导热、延展性和金属光泽不同金属的性质差异与原子结构和晶体类型有关典型实验食盐溶解与电解溶解过程观察固体加入水中逐渐溶解，溶液变得透明水分子的偶极与离子NaCl相互作用，破坏离子晶格，形成水合离子2导电性测试用导电性测试仪检测溶液，灯泡发亮，证明溶液中存在可移动NaCl的离子纯水几乎不导电，说明离子是导电的载体3电解实验电解熔融，阴极产生金属钠，阳极产生氯气这直接证明了NaCl由⁺和⁻离子组成，验证了离子化合物的理论NaCl NaCl4结果分析实验结果支持离子键理论离子化合物在极性溶剂中电离，离子可以在电场中定向移动，电解可以还原出组成元素典型实验水的电解实验装置电解槽装入稀硫酸溶液（增强导电性），插入惰性电极（铂或石墨），连接直流电源在电极上方倒置试管收集气体产物电解反应阴极₂⁻₂⁻；阳极₂₂⁺⁻总反应₂₂₂2H O+2e→H↑+2OH2H O→O↑+4H+4e2HO→2H↑+O↑现象观察阴极产生无色气体（氢气），阳极产生无色气体（氧气），体积比约为氢气能燃烧，氧气能助燃，证明了气体的身份2:1结构验证电解产生氢气和氧气的体积比为，证明水分子的组成为₂，验证了水分子中氢氧原子个数比为的结论2:1HO2:1结构与性质关系点评共价网络固体离子晶体硬度极高，熔点很高脆性，高熔点，溶液导电•金刚石最硬天然物质•易溶于水NaCl•石英耐高温耐腐蚀•₂难溶于水CaF•碳化硅超硬材料•熔融态都导电分子晶体金属晶体熔沸点低，较软导电导热，延展性好4•冰密度小于水•银最佳导体•干冰易升华•金抗腐蚀性强•碘紫色蒸汽•铁强度高。