【化学课件】分子与原子 化学键课件

分子与原子化学键化学是研究物质组成、结构、性质及其变化规律的科学分子与原子是构成物质的基本单位，而化学键则是连接原子形成分子的纽带理解这些微观粒子的结构和相互作用，是掌握化学知识的基础本课程将带领大家探索微观世界的奥秘，从原子的基本结构到分子的形成，从化学键的类型到物质性质的决定因素通过系统学习，我们将深入理解结构决定性质这一化学核心思想本课学习目标理解分子、原子的基本掌握化学键的主要类型12概念与形成掌握原子的基本结构，理解电学习离子键、共价键、金属键子排布规律，认识分子的组成的形成机理和特点，理解分子和表示方法间作用力理解微观结构与宏观性质的内在联系3建立结构与性质的关系，能够预测和解释物质的物理化学性质为什么要学习原子和分子？探索物质本质原子和分子是构成物质的基本单位，理解它们的结构和性质是认识物质世界的基础理解现实世界从微观角度解释宏观现象，如为什么钻石坚硬而石墨柔软，为什么水在常温下是液体推动科技发展分子水平的理解为新材料开发、药物设计、纳米技术等前沿领域提供理论基础物质的最小单位原子原子的基本概念原子的独特性原子是化学反应中的最小单位，不能再分割每个原子都有独特每种元素的原子都有独特的结构特征，这决定了元素的化学性的结构，决定了元素的化学性质原子虽然极其微小，但它们的质比如氢原子只有一个电子，而碳原子有六个电子这种差异组合构成了我们周围所有的物质导致了元素间截然不同的化学行为从最简单的氢原子到复杂的重元素原子，每种原子都有其特定的原子的这种独特性使得我们的世界如此丰富多彩，从简单的水分性质和行为模式理解原子结构是掌握化学知识的第一步子到复杂的生物大分子，都是由不同原子按特定方式组合而成原子的基本结构原子核质子位于原子中心，由质子和中子组成，几乎集带正电荷，质子数决定元素种类，也就是原中了原子的全部质量子序数核外电子中子带负电荷，在核外空间高速运动，决定原子不带电荷，与质子一起构成原子核，影响原的化学性质子的稳定性常见原子模型玻尔模型1年提出，电子在固定轨道上运动，解释了氢原子光谱，但1913有局限性电子云模型2现代量子力学模型，电子以概率云形式存在，更准确描述原子结构轨道理论3基于薛定谔方程，描述电子在原子中的能量状态和空间分布元素周期表简介118已知元素目前科学家已发现的元素总数7周期数按电子层数划分的水平行数18族数按最外层电子数划分的竖直列数92天然元素自然界中天然存在的元素种类电子排布基本规则能层概念电子按能量高低分布在不同能层，用、、、等表示K LM N亚层划分每个能层又分为不同的亚层，用、、、表示s pd f规则2n²每个能层最多容纳个电子，其中为能层序数2n²n填充顺序电子优先填充能量较低的轨道，遵循泡利原理和洪德规则稳定结构稀有气体外层结构——八电子结构最外层个电子的结构最稳定8稀有气体模型氦、氖、氩等稀有气体具有稳定的电子构型结合动力原子趋向于获得稳定的电子构型，这是形成化学键的根本动力什么是分子？基本定义组成特点分子是由两个或多个原子通过化分子可以由同种原子组成，如氧学键结合形成的粒子，是保持物气分子₂，也可以由不同种原O质化学性质的最小单位分子可子组成，如水分子₂分子H O以独立存在，具有特定的化学和的性质不仅取决于组成原子的种物理性质类，还与原子的排列方式密切相关存在形式在不同条件下，分子可以以气体、液体或固体形式存在分子间的相互作用力决定了物质的物态和许多物理性质，如熔点、沸点和溶解性等分子的构成同种原子构成不同原子构成许多分子由相同种类的原子组成，这类分子通常是单质氧气分更多的分子是由不同种类的原子按一定比例结合形成的化合物子₂由两个氧原子结合而成，氮气分子₂由两个氮原子构水分子₂由个氢原子和个氧原子构成，二氧化碳₂由O NH O21CO1成个碳原子和个氧原子构成2这些分子虽然由同种原子组成，但其性质与单个原子完全不同这类分子的性质既不同于组成它的各种原子，也与原子的简单混例如，氧原子具有强烈的化学活性，而氧分子相对稳定合物不同分子中原子的排列方式对分子性质起着决定性作用分子的化学式表达元素符号表示用元素符号表示分子中包含的原子种类，如表示碳原子，表示氧原C O子，表示氢原子元素符号是国际通用的化学语言，简洁明了H下标数字表示数量元素符号右下角的数字表示该种原子在分子中的个数如₂表示CO一个分子含有个碳原子和个氧原子，₂₄表示含有个氢原12H SO2子、个硫原子和个氧原子14分子式的意义分子式不仅表示分子的组成，还能帮助我们计算分子的相对分子质量，预测分子的某些性质，是进行化学计算和化学反应分析的重要工具分子的性质空间结构组成决定性质化学行为每个分子都有特定的三分子的性质由组成原子分子的化学反应活性、维空间结构，原子在空的种类、数量以及它们物理性质等都与其内部间中的排列方式决定了的排列方式共同决定原子的相互作用密切相分子的形状和性质关稳定性分子的稳定性取决于原子间化学键的强度和分子的整体能量状态化学键的提出相互作用力原子间存在强烈的相互作用力化学键本质这种力被称为化学键，是连接原子的纽带稳定性保证化学键维持分子和化合物的稳定存在化学键类型总览离子键共价键阴阳离子间的静电吸引力，常见于金属原子间通过共用电子对形成的化学键，与非金属化合物多见于非金属元素间分子间作用力金属键分子与分子之间的相对较弱的相互作用金属原子间通过自由电子形成的特殊化力学键离子键定义阳离子失去电子的金属原子阴离子得到电子的非金属原子静电吸引正负离子间的库仑力离子化合物形成稳定的离子晶体离子键形成过程电子转移1钠原子失去最外层电子，氯原子得到这个电子，两者都达到稳定的电子构型离子形成2钠原子变成⁺离子，氯原子变成⁻离子，分别带有正电荷Na Cl和负电荷静电吸引3正负离子因静电作用相互吸引，形成稳定的离子键，构成NaCl晶体离子键特性晶体结构离子化合物形成规则的晶体结构，如的立方晶系，离子按一定规NaCl律排列熔点较高由于离子间静电作用力强，离子化合物通常具有较高的熔点和沸点导电性能在熔融状态或水溶液中，离子可以自由移动，表现出良好的导电性机械性质离子晶体通常硬度大但脆性强，受到冲击时容易沿晶面断裂共价键定义基本概念形成条件共价键是原子间通过共用电子对形成的化学键参与成键的原子共价键通常在电负性相近的原子间形成，特别是非金属原子之各提供一个或多个电子，形成共用电子对，这些电子对同时受到间原子通过共享电子达到最外层电子的稳定结构两个原子核的吸引与离子键不同，共价键具有方向性和饱和性，这决定了分子的空共价键主要存在于非金属元素之间，是分子化合物中最常见的化间构型和化学性质共价键是维持分子结构的主要力量学键类型共价键的形成使原子达到稳定的电子构型共价键形成案例分子形成电子共用形成的₂分子比单独的氢原子更稳定，原子靠近H两个氢原子各提供一个电子形成共用电子这种稳定性来源于共用电子对降低了整个两个氢原子相互靠近时，各自的电子轨对，这对电子同时受到两个氢原子核的吸体系的能量，可用或表示1sH-H H H道开始重叠，电子云密度在两核之间增引，将两个原子牢固地结合在一起大，形成成键的条件共价键特点方向性强度大空间结构共价键具有明确的方向共价键的键能通常较共价键的方向性决定了性，原子轨道重叠的方大，使分子具有相对稳分子的三维空间构型向决定了化学键的方向定的结构饱和性每个原子能形成的共价键数目有限，取决于其价电子数单键、双键、三键键型共用电子实例键长键能对数单键对₂₂较长较小1H,Cl双键对₂₂中等中等2O,CO三键对₂较短较大3N,CO极性共价键与非极性共价键非极性共价键极性共价键当两个相同原子形成共价键时，共用电子对不发生偏移，如当电负性不同的原子形成共价键时，共用电子对偏向电负性较大₂、₂、₂等这种键中电子云分布均匀，不存在电荷分的原子，如中电子对偏向原子，使带部分负电荷，带H ClO HCl ClClH离现象部分正电荷非极性共价键形成的分子整体上电荷分布均匀，分子不显示极极性共价键中存在电荷分离，键具有一定的极性这种极性影响性这类分子通常具有对称的空间结构分子的物理化学性质，如溶解性、沸点等化学键与电负性电负性定义原子在化合物中吸引电子的能力1周期性规律同周期从左到右递增，同族从上到下递减氟的电负性最大氟是电负性最大的元素，值为

4.0键型判断电负性差值大小决定化学键的类型和极性结构式与电子式写法₂结构式CO，碳原子与两个氧原子形成双键，分子呈直线形O=C=O₃结构式NH氮原子与三个氢原子形成单键，分子呈三角锥形电子式表示用小点或叉号表示电子，清楚显示共用电子对和孤对电子空间构型结合理论预测分子的三维空间结构VSEPR分子间作用力类型范德华力氢键分子间普遍存在的弱相互作用当氢原子与电负性很强的原子力，包括取向力、诱导力和色散（如、、）相连时，氢原子F ON力虽然单个范德华力很弱，但与另一个电负性强的原子间形成大量分子聚集时作用显著，影响的特殊相互作用氢键比范德华物质的物理性质力强但比共价键弱分子晶体实例干冰（固态₂）通过范德华力结合，冰通过氢键形成特殊结构这些CO分子间作用力决定了分子晶体的熔点、沸点和其他物理性质范德华力取向力1极性分子间由于永久偶极矩相互作用产生的引力，强度与温度和分子极性有关诱导力2极性分子使邻近的非极性分子产生诱导偶极，进而相互吸引的力色散力3所有分子间都存在的力，由瞬时偶极引起，是唯一存在于非极性分子间的分子间力氢键水分子氢键生物大分子水分子间通过氢键形成复杂的网络结双螺旋结构通过氢键维持稳定，蛋DNA构，使水具有异常高的沸点白质二级结构也依赖氢键2溶解性影响冰的结构氢键影响物质的溶解性，能形成氢键的冰中每个水分子与四个相邻水分子形成物质易溶于水氢键，形成开放的六角形结构金属键简介金属离子电子海导电性金属原子失去价电子后失去的价电子形成自由自由电子的存在使金属形成正离子，在晶格中电子云，在整个金属晶具有良好的导电和导热规则排列体中自由移动性能延展性金属键的非方向性使金属具有良好的延展性和可塑性原子的结合本质能量最低原理原子结合追求整个体系能量的最低状态稳定结构通过化学键形成比单独原子更稳定的结构分子体系构建复杂的分子和晶体结构体系分子与晶体的联系分子晶体离子晶体由分子通过分子间作用力结合形成的晶体，如干冰、冰、固体氨由阴阳离子通过离子键结合形成的晶体，如氯化钠、氟化钙等等分子晶体中存在独立的分子单位，分子内部有强的共价键离子晶体中不存在独立的分子，整个晶体可视为一个大分子分子晶体通常熔点较低，硬度小，不导电升华时分子间作用力离子晶体通常熔点高，硬度大，固态时不导电但熔融态导电溶被破坏，但分子本身保持完整，因此化学性质基本不变解时离子键被破坏，产生自由移动的离子电子式在键形成中的应用形成过程NaCl原子失去个电子变成⁺，原子得到个电子变成⁻，用电子Na1Na Cl1Cl式可清楚表示电子转移过程和最终的离子结构₂形成过程H O氧原子与两个氢原子各共用一对电子，电子式显示氧原子周围有两对共用电子对和两对孤对电子，形成弯曲的分子构型₃形成过程NH氮原子与三个氢原子各共用一对电子，电子式表明氮原子还有一对孤对电子，这对孤对电子影响分子的空间构型和化学性质分子空间构型基础理论VSEPR价层电子对互斥理论，认为价电子对相互排斥，倾向于距离最远的排列直线形分子₂分子中碳原子周围有个电子对，呈直线形排列，键角CO2180°型分子V₂分子中氧原子周围有个电子对，其中对孤对电子使分子呈型H O42V三角锥形₃分子呈三角锥形，孤对电子的排斥作用影响键角大小NH分子模型动手体验选择原子球根据分子式选择相应颜色和大小的原子球，不同元素用不同颜色表示连接化学键用棍状连接件表示化学键，单键用单根，双键用两根平行的连接件观察空间结构组装完成后从不同角度观察分子的三维结构，理解分子的实际形状对比分析组装多个不同分子，比较它们的空间构型差异，加深对结构的理解化学反应的本质旧键断裂1₂分子中的键和₂分子中的键断裂，需要吸收能量HH-H ClCl-Cl新键形成2氢原子与氯原子结合形成键，生成分子，释放能量H-Cl HCl能量变化3反应的热效应取决于断裂旧键吸收的能量与形成新键释放能量的差值化学键能436498键能键能H-H O=O氢分子中氢氢键的键能，单位氧分子中氧氧双键的键能kJ/mol946413键能键能≡N NC-H氮分子中氮氮三键的键能，是最强的共价键之一碳氢单键的平均键能，有机化合物中最常见的键化学键能表举例化学键键能键长特点pmkJ/mol最简单的共价H-H43674键有机物骨架键C-C347154不饱和化合物C=C615134炔烃特征键≡C C812120影响物质性质的关键键型水₂的性质二氧化碳₂的性质H O CO水分子通过氢键形成复杂的分子间网络，使水在常温下呈液态，₂分子间只有较弱的范德华力，在常温常压下呈气态虽然CO具有相对较高的沸点（）水分子的极性使其成为优良的键具有极性，但由于分子的直线形结构，整个分子呈非极100°C C=O极性溶剂性水的异常物理性质如密度反常、比热容大等都与氢键密切相关₂易升华（），不易液化，这些性质都与其分子间CO-

78.5°C这些特殊性质使水成为生命活动不可缺少的物质作用力较弱有关在高压下可形成干冰，用作冷冻剂分子的对称性与极性极性分子特征非极性分子特征分子中电荷分布不均匀，存在电分子中电荷分布均匀，不存在电偶极矩如、₂、₃偶极矩如₂、₂、₂、HCl H O NHH OCO等极性分子易与其他极性分子甲烷等非极性分子间主要通过相互作用，影响溶解性和沸点范德华力相互作用实际应用相似相溶原理极性物质易溶于极性溶剂，非极性物质易溶于非极性溶剂这一规律广泛应用于萃取、分离等化工过程分子轨道理论简介分子轨道键键电子配对σπ原子轨道线性组合形成分子轨道沿键轴方向重叠形成的轨道侧面重叠形成的共价键电子按能级顺序填入分子轨轨道共价键道前沿研究方向超强材料药物设计分子电子学石墨烯、碳纳米管等新基于分子识别和化学键利用单分子构建电子器型碳材料具有独特的化理论设计新型药物分件，开发下一代超小型学键结构和优异性能子，提高药效和选择性电子设备绿色化学设计环境友好的化学反应和催化剂，减少有害物质的产生化学键与生活实例食盐蔗糖₁₂₂₂₁₁塑料聚合物NaCl CHO离子键形成的化合物，在水中电离产生复杂的共价化合物，分子内通过共价键连由小分子单体通过共价键聚合形成的高分⁺和⁻离子离子键的强度使食盐具接，分子间通过氢键相互作用其甜味来子化合物分子链之间的范德华力和可能Na Cl有较高的熔点，在烹饪中稳定存在，为食源于特定的分子构型与味觉受体的相互作的氢键决定了塑料的机械性能和热性能物提供咸味用分子水平观世界纳米尺度分子机器在纳米尺度上，分子的行为直接决定材人工设计的分子机器可以在分子水平执料的宏观性质行特定功能技术创新生物启发分子水平的精确控制推动新技术的突破从生物大分子的精巧结构中获得设计灵3性发展感误区与澄清连续性过渡化学键类型之间存在连续性过渡，没有绝对的界限混合键型许多化合物同时具有多种键型的特征相对概念键的极性和离子性是相对概念，程度有差异化学键理论发展简史年理论11916Lewis路易斯提出电子对理论，奠定了现代化学键理论的基础，解释了共价键的本质年量子力学21927海特勒和伦敦用量子力学方法处理氢分子，建立了第一个定量的共价键理论年价键理论31931鲍林发展了价键理论，引入杂化轨道概念，解释了分子的空间构型现代发展4分子轨道理论、密度泛函理论等现代理论不断完善，计算化学蓬勃发展巩固练习判断键型根据元素的电负性差值判断、₂、₂中的化学键类型，并NaCl HOCO解释判断依据电子式书写写出₃、₃、₂的电子式和结构式，标出孤对电子的位置NH PClSO空间构型预测利用理论预测₃、₄、₃的分子空间构型VSEPR BFSF ClF性质比较比较、、的沸点高低，并从化学键角度解释原因HF HClHBr小组研讨讨论主题实例分析分子结构的微小改变如何导致物质性质的巨大差异？探讨结构与讨论药物分子中左旋体和右旋体的差异，分析同分异构体如正丁性质的关系，寻找生活中的具体实例烷和异丁烷的性质差异例如金刚石与石墨都是碳的同素异形体，但由于原子排列方式探讨蛋白质变性的分子机理，理解为什么高温能改变蛋白质的性不同，性质截然不同一个坚硬透明，一个柔软黑色质这些例子都体现了结构决定性质的重要原理课堂小结核心理念结构决定性质是化学的核心思想化学键理论掌握离子键、共价键、金属键的形成和特点原子分子基础3理解原子结构、电子排布、分子构成等基本概念实践应用将理论知识与实际生活和科学研究相结合拓展思考超导材料高温超导体的发现推动了对电子配对机制和晶体结构的深入研究智能材料形状记忆合金、自修复材料等展现了化学键在材料设计中的重要作用能源材料太阳能电池、锂电池等新能源技术的发展依赖于对化学键的精确调控生物医学基因治疗、靶向药物等生物医学技术在分子水平上操控化学键。