【化学课件】分子与原子结构分析课件

分子与原子结构分析课程导入香味的传播盐的溶解日常现象的本质当您打开香水瓶时，芬芳的气味会迅速食盐投入水中会逐渐消失，形成均匀的传播到整个房间这个现象背后隐藏着盐水溶液这个过程涉及钠离子和氯离分子运动的秘密香水分子从瓶中逸子与水分子之间的相互作用，展现了微出，在空气中不断运动并扩散观粒子的复杂行为为什么要研究分子与原子解释物质变化理解物质本质分子与原子理论为我们提供了通过研究分子与原子结构，我理解物质变化的根本依据无们能够深入了解物质的本质特论是燃烧、腐蚀还是合成，所性这种认识帮助我们预测物有化学现象都可以从微观角度质的行为，设计新材料，开发得到合理解释新技术化学反应模型基础分子的定义与发现分子的科学定义阿伏伽德罗的贡献分子是保持物质化学性质的最小意大利化学家阿伏伽德罗在1811粒子它是由两个或多个原子通年提出了著名的阿伏伽德罗定过化学键结合而成的稳定结构单律在相同温度和压力下，相同元分子的组成和结构决定了物体积的任何气体都含有相同数目质的化学性质和反应特性的分子这一重要发现为分子理论奠定了基础历史意义分子概念的提出标志着化学从定性描述向定量分析的重大转变它为原子分子理论的建立提供了重要支撑，推动了现代化学的发展分子的运动性扩散现象分子处于永恒的无规则运动中不同物质的分子会相互扩散，直至达到均匀分布这解释了香味传播和气体混合等现象溶解过程糖分子在水中的溶解是分子运动的典型例子糖分子与水分子相互作用，逐渐分散到整个溶液中，形成均匀的糖水温度影响温度升高会增加分子的运动速度这就是为什么热水能更快溶解糖，香味在温暖环境中传播更迅速的原因分子的间隔与压缩性气体的可压缩性液体的难压缩性固体的结构特点气体分子间距离很大，液体分子间距离较小，固体分子排列最为紧存在大量空隙，因此气分子排列相对紧密，因密，分子间距离最小，体具有很强的可压缩此液体几乎不能被压因此固体具有固定的形性氧气可以被压缩装缩水在常温常压下保状和体积，基本无法被入钢瓶，体积大幅缩小持固定的密度，压缩效压缩而分子数量不变果微乎其微分子的组成与结构水分子₂结构决定性质H O由两个氢原子和一个氧原子组成，呈弯曲结构氧原子位于顶点，两不同的原子组合和空间排列造就了分子的独特性质分子的几何构型个氢原子分布在两侧，键角约为

104.5°直接影响其物理化学特性和反应活性二氧化碳₂CO由一个碳原子和两个氧原子组成，呈直线型结构碳原子位于中心，两个氧原子对称分布在两侧，分子呈线性构型原子是什么原子的定义化学变化中的最小粒子道尔顿原子学说英国化学家约翰道尔顿提出·现代化学基础奠定了原子分子理论基础原子是物质的基本构成单元，在化学反应中不能再分割道尔顿的原子学说虽然在某些方面已被现代理论修正，但其核心思想仍然是现代化学的重要基础原子的发现和研究推动了整个化学学科的发展原子的基本结构电子云围绕原子核的电子分布区域•电子高速运动形成原子核电荷平衡•带负电荷位于原子中心，含有质子和中子质子数等于电子数•体积极小但质量集中•原子整体呈电中性•带正电荷•维持稳定结构主要亚原子粒子粒子名称符号相对质量电性位置质子⁺原子核p1+1中子原子核n10电子⁻电子云e1/1836-1亚原子粒子是构成原子的更小单元质子决定了元素的种类，中子影响原子的质量和稳定性，而电子则主要决定原子的化学性质这三种粒子的不同组合造就了元素周期表中丰富多样的原子种类原子核结构核心组成质子与中子紧密结合形成原子核核电荷数等于质子数，决定元素种类核力作用强核力维持核子间的稳定结合原子核虽然体积极小，仅占原子总体积的十万亿分之一，但却集中了原子以上的质量核电荷数是原子的身份证，不同的核电

99.97%荷数对应不同的化学元素强核力克服质子间的静电斥力，维持原子核的稳定结构电子排布规律层电子排布K最内层电子壳层，最多容纳个电子层电子能量最低，结合最紧密，2K最难失去这是所有原子都具有的基础电子层层电子排布L第二电子壳层，最多容纳个电子层又可细分为和轨道，电子优8L s p先填充能量较低的轨道，然后填充轨道sp层电子排布M第三电子壳层，最多容纳个电子层包含、、轨道，电子18M sp d填充遵循能量最低原理和保利不相容原理玻尔原子模型电子轨道能级跃迁电子在固定轨道上运动，每个轨道对应电子吸收或释放能量时在轨道间跳跃特定能量量子化概念光谱产生能量只能取特定的离散值，不能连续变电子跃迁释放特定频率的光子形成光谱化线现代原子模型进展电子云模型波粒二象性现代量子力学描述电子在原子中电子既具有粒子性质又具有波动的分布不是确定的轨道，而是概性质德布罗意波长公式揭示了率云电子出现的概率密度在空微观粒子的波动特征，为量子力间中呈现复杂的三维分布模式学奠定了理论基础不确定性原理海森堡不确定性原理指出，无法同时精确测定电子的位置和动量这一原理深刻改变了我们对微观世界的认识化学元素与同位素元素定义具有相同质子数的原子集合称为化学元素质子数决定了元素的化学性质和在周期表中的位置氢的同位素氢有三种同位素普通氢、氘和氚它们质子数相¹H²H³H同但中子数不同，化学性质基本相同质量数差异同位素间的质量差异源于中子数不同这种差异在核反应和同位素分离技术中具有重要应用价值元素周期表简介门捷列夫发现年俄国化学家门捷列夫根据原子量排列元素，发现了元素1869性质的周期性变化规律，创建了第一个科学的元素周期表现代周期表现代周期表按原子序数排列，包含个周期和个族横行为周718期，纵列为族，体现了电子结构的规律性变化周期律应用元素周期律揭示了原子结构与元素性质间的内在联系，为预测未知元素性质和指导化学研究提供了重要工具原子的相对质量单位

121.66碳基准实际质量-12国际标准以碳原子质量的作原子质量单位约等于⁻千克-121/

1211.66×10²⁷为原子质量单位

6.02阿伏伽德罗常数摩尔物质含有个粒子

16.02×10²³原子的大小与质量原子半径范围质量数据范围原子半径通常在到埃米之间，其中埃米等于⁻米氢原子质量跨度很大，从氢原子的⁻千克到铀原子的

0.53110¹⁰

1.67×10²⁷原子半径最小约为埃米，而铯原子半径可达埃米⁻千克质量主要集中在原子核中

0.

532.

63.95×10²⁵•氢原子

0.53埃米•氢原子质量

1.67×10⁻²⁷kg•碳原子

0.77埃米•碳原子质量

1.99×10⁻²⁶kg•铁原子

1.26埃米•铁原子质量

9.27×10⁻²⁶kg分子与原子的对比比较项目分子原子定义保持化学性质的最小化学变化中的最小粒粒子子组成由原子构成由亚原子粒子构成稳定性在化学反应中可分解在化学反应中不可分实例₂、₂、₂、、O H O COO H C物质的微粒模型宏观现象观察到的物质性质和变化微观解释用分子原子理论解释宏观现象建立模型构建微粒模型描述物质结构从宏观到微观的思维转化是学习化学的关键通过建立微粒模型，我们能够用看不见的微观粒子运动来解释看得见的宏观现象这种科学思维方法帮助我们深入理解物质世界的本质规律分子间作用力范德华力氢键作用力的平衡分子间普遍存在的弱相氢原子与电负性强的原分子间同时存在引力和互作用力，包括色散子间形成的特殊相互作斥力，在平衡位置时净力、偶极相互作用等用氢键比范德华力力为零温度和压力的这些力虽然较弱，但对强，是水具有特殊性质变化会打破这种平衡，物质的物理性质有重要的重要原因导致物态变化影响分子间距与物态变化固态特征分子间距最小，排列最规则有序分子只能在平衡位置附近振动，不能自由移动因此固体具有固定的形状和体积，密度最大液态特征分子间距适中，排列相对无序分子可以滑移但仍保持一定接触液体具有固定体积但形状可变，能够流动气态特征分子间距很大，排列完全无序分子可以自由运动，相互碰撞气体既无固定形状也无固定体积，具有很强的可压缩性分子运动速度与能量关系原子的可分性与不可分性化学反应中的不可分性核反应中的可分性在化学反应中，原子作为最小单位参与反应，不会分裂或合并在核反应中，原子核可以发生裂变或聚变重核裂变释放巨大能原子种类和数目在反应前后保持不变，只是重新组合形成新的分量，是核电站的工作原理轻核聚变也能释放能量，是太阳发光子发热的机制这种不可分性是化学方程式配平和质量守恒定律的理论基础原核反应涉及原子核内部结构的改变，可以改变元素种类，释放的子的化学身份由其核电荷数决定，在化学过程中保持不变能量远大于化学反应这体现了原子在不同层次上的不同行为特征现代仪器分析技术电子显微镜技术射线晶体学X扫描隧道显微镜和原子利用射线衍射技术分析晶体STM X力显微镜能够达到原子结构，精确测定原子在晶格中AFM级分辨率，直接观察单个原子的位置这项技术在材料科学的排列这些技术使我们能够和结构生物学中发挥着重要作看到原子世界的真实面貌用光谱分析方法通过分析物质与电磁辐射的相互作用，获得分子结构信息不同的光谱技术提供互补的结构细节，构建完整的分子图像拉曼光谱与红外谱分子振动检测拉曼光谱和红外光谱都能检测分子的振动模式每种分子都有独特的振动指纹，如同人的指纹一样具有识别性结构信息获取通过分析振动频率和强度，可以确定化学键的类型、分子的对称性和官能团的存在这些信息对分子结构鉴定至关重要有机分子鉴定在有机化学中，红外光谱是鉴定未知化合物的重要手段C-、、等特征峰的位置和形状提供了丰富的结构信H O-HC=O息原子与分子的空间构型杂化sp²平面三角形构型，键角120°•三氟化硼BF₃杂化杂化sp sp³•乙烯C₂H₄线性分子构型，键角四面体构型，键角180°

109.5°•二氧化碳CO₂•甲烷CH₄•乙炔C₂H₂•水分子H₂O弯曲元素周期律与原子结构1原子半径变化同周期从左到右原子半径递减，因为核电荷增加而电子层数不变同族从上到下原子半径递增，因为电子层数增加电离能变化同周期从左到右电离能递增，同族从上到下电离能递减这反映了原子失去电子的难易程度随核电荷和原子半径的变化3电负性变化电负性是原子吸引电子的能力同周期从左到右电负性递增，同族从上到下电负性递减氟是电负性最强的元素离子与原子的关系电子得失原子得到或失去电子形成离子阳离子形成金属原子失去电子形成正离子阴离子形成非金属原子得到电子形成负离子离子的形成遵循原子趋向稳定电子构型的规律金属原子通常失去外层电子达到稳定的惰性气体电子构型，形成阳离子非金属原子则通过得到电子完成最外层八电子稳定结构，形成阴离子分子的极性与非极性极性分子特征非极性分子特征溶解性规律分子中存在电荷分离，形成正负电荷中分子中电荷分布均匀，正负电荷中心重极性分子易溶于极性溶剂，非极性分子心不重合的偶极子水分子是典型的极合非极性分子的偶极矩为零，在电场易溶于非极性溶剂这就是相似相溶原性分子，氧原子带部分负电荷，氢原子中不会发生取向理的分子基础带部分正电荷•甲烷CH₄水₂•H O•二氧化碳CO₂氨₃•NH•氮气N₂•氯化氢HCl分子的键型共价键离子键氢键原子间通过共用电子对形成的化学阳离子和阴离子间的静电引力离子氢原子与电负性强的原子间的特殊相键共价键具有方向性和饱和性，是键没有方向性和饱和性，是典型的非互作用氢键介于化学键和分子间力有机分子的主要成键方式键的强度定域化学键盐类化合物主要通过离之间，对分子的性质有重要影响，如取决于原子间的电负性差异和轨道重子键结合水的高沸点叠程度化学键理论简述价键理论分子轨道理论描述化学键形成的经典理论，强调原子从分子整体角度描述化学键，电子在整2轨道的重叠和电子的定域化个分子范围内运动反应机理应用杂化轨道理论键理论指导化学反应机理研究，预测反解释分子几何构型，原子轨道重新组合应路径和产物形成等价的杂化轨道常见原子与分子的应用氮气应用化学性质稳定，广泛用作保护气体在食品包装、电子工业和金属焊接中防止氧化液氮用于超低温冷冻保存氧气应用支持燃烧和呼吸，是生命必需的气体工业上用于钢铁冶炼、化工生产和医疗急救臭氧层保护地球免受紫外线伤害二氧化碳应用植物光合作用的原料，也是重要的工业气体用于制造干冰、碳酸饮料和灭火器同时也是主要的温室气体实验水的电解实验装置电解器、直流电源、电极和收集装置两个电极分别连接电源正负极，插入稀硫酸溶液中进行电解实验现象通电后两极产生气泡，阳极产生氧气，阴极产生氢气氢气和氧气的体积比约为，符合水分子₂的组成2:1H O化学方程式₂₂₂电解过程中水分子分解为氢气和氧2HO→2H+O气，验证了水的分子组成和原子不可分割性实验分子运动探究5153扩散时间溶解时间加热效果花香在室温下分钟内传播至整个教室糖块在常温水中完全溶解需要约分钟加热后溶解时间缩短到分钟左右5153通过对比实验数据，我们可以得出分子处于永恒运动状态的结论温度升高会加速分子运动，这解释了为什么热水溶解糖的速度更快，香味在温暖环境中传播更迅速原子结构对物质性质影响物质类型原子结构特点典型性质实例金属外层电子数导电、导热、铁、铜、铝少，易失电子延展性非金属外层电子数绝缘、脆性、碳、氯、硫多，易得电子多样性惰性气体外层电子饱和化学性质稳定氦、氖、氩原子的电子结构直接决定了元素的化学性质和物理性质金属原子由于外层电子较少且结合不紧密，形成了独特的金属键和电子海模型，赋予金属良好的导电导热性纳米技术与原子操控单原子精度制备现代纳米技术已能实现单原子级别的材料制备和操控扫描隧道显微镜不仅能观察原子，还能移动和重排单个原子，为纳米器件制造奠定基础碳纳米材料碳纳米管和石墨烯是典型的原子尺度材料它们由碳原子按特定方式排列形成，具有优异的机械强度、导电性和导热性，在电子器件和复合材料中应用广泛实际应用前景纳米技术在医学、能源、环境等领域展现巨大潜力纳米药物载体可实现靶向治疗，纳米催化剂提高反应效率，纳米传感器实现超灵敏检测新材料中的分子结构有机高分子由小分子单体聚合形成的长链分子塑料、橡胶、纤维等都是高分子材料，其性能取决于分子链的结构和排列方式功能分子材料具有特殊功能的分子材料，如导电聚合物、形状记忆合金、智能响应材料等这些材料的功能源于其独特的分子结构设计荧光分子应用荧光分子在受到激发后能发出特定波长的光广泛应用于生物标记、传感检测、显示技术等领域，为科研和工业提供重要工具分子生物学结构DNA双螺旋结构遗传信息的载体碱基配对和特异性结合A-T C-G糖磷酸骨架脱氧核糖和磷酸交替连接的双螺旋结构是分子结构与功能完美结合的典型例子两条反向平行的多核苷酸链通过氢键连接，形成稳定的双螺旋结构碱基DNA配对的特异性保证了遗传信息的准确复制和传递，体现了分子结构决定生物功能的重要原理化学反应中的分子变化反应物分子反应开始时的分子状态，具有特定的化学键和空间构型反应物分子必须具备足够的能量才能发生反应键的断裂与形成化学反应过程中旧键断裂，新键形成这个过程需要活化能，决定了反应的速率和条件要求生成物分子反应结束后形成的新分子，具有不同于反应物的性质原子种类和数目保持不变，但重新组合材料科学中的原子排列射线衍射X分析晶体结构的重要手段•布拉格方程晶体结构单晶与多晶•衍射图谱原子在三维空间中的有序排列不同的晶体形态和性质•结构解析•立方晶系•单晶硅•六方晶系•多晶钢铁•单斜晶系•非晶玻璃宇宙中的原子起源恒星核聚变超新星爆发恒星内部的高温高压条件下，轻原子核大质量恒星生命末期的剧烈爆炸，产生聚变形成重原子核，释放巨大能量比铁更重的元素并散布到宇宙中生命元素行星形成碳、氮、氧等生命必需元素通过恒星核星际尘埃和气体在引力作用下聚集，形合成过程产生并传播成行星和生命所需的重元素环境中的分子检测技术空气质量监测水质分析技术自动监测仪利用光谱分析、电化水中有害分子的快速检测对保障学传感等技术实时检测空气中的饮水安全至关重要色谱法、光有害分子、二氧化硫、谱法、电化学法等分析技术能够PM

2.5氮氧化物等污染物的浓度可以精检测重金属离子、有机污染物和确测量和记录细菌等实时监测网络建立覆盖全国的环境监测网络，实现污染物的实时监测和预警大数据分析帮助识别污染源和传播规律，为环境治理提供科学依据分子的自组装现象自组织原理分子间相互作用驱动自发组装纳米结构形成有序的纳米级结构自发产生蛋白质折叠3氨基酸序列决定三维结构分子自组装是自然界中普遍存在的现象，从细胞膜的形成到蛋白质的折叠都遵循这一原理分子间的非共价相互作用如氢键、范德华力等引导分子有序排列，形成具有特定功能的超分子结构这一过程为仿生材料设计提供了重要启示量子化学初步10-3±½主量子数角量子数自旋量子数n l描述电子能级的主要参数，描述轨道形状，电子内禀角动量的量子化表示n=1,2,

3...s0,p1,d2,f3量子化学揭示了原子和分子中电子的量子化行为能级的离散性解释了原子光谱的线状特征，轨道理论为化学键的形成提供了量子力学基础四个量子数完整描述了电子在原子中的状态分子模拟与人工智能计算化学模拟利用量子力学和统计力学原理，计算机能够模拟分子的行为和性质分子动力学模拟揭示分子运动规律，密度泛函理论预测分子结构和反应性机器学习应用人工智能算法能够从大量分子数据中学习规律，预测新分子的性质深度学习模型在药物设计、材料发现等领域展现出强大的预测能力药物分子筛选大型语言模型和机器学习算法加速新药发现过程通过虚拟筛选技术，从数百万个候选分子中快速识别具有治疗潜力的化合物。