【化学课件】分子与反应课件

分子与反应——化学核心概念导学欢迎进入化学的微观世界！在这里，我们将探索构成物质的最小单位——分子，以及它们之间发生的神奇反应化学是一门研究物质组成、结构、性质及其变化规律的科学，而分子和化学反应正是化学学科的核心内容课程学习导航1分子基础知识从分子的定义、发现历程到构成特点，建立分子概念基础2分子运动与性质探索分子的运动规律、间作用力及其物理化学性质3化学反应原理掌握化学反应类型、机理、速率控制和平衡理论实际应用拓展分子的科学定义基本定义与原子的区别重要意义分子是能够独立存在并保持物质化学分子由两个或多个原子通过化学键结分子概念的建立使我们能够从微观角性质的最小粒子它是化学变化中的合而成，而原子是化学变化中不可再度理解物质的组成和性质，为解释化基本单位，决定着物质的化学特性和分的最小粒子分子可以分解为原学现象和预测化学反应提供了理论基反应行为子，但原子在化学反应中保持不变础分子概念的历史发展道尔顿原子论（1803年）现代分子理论英国化学家道尔顿提出原子论，为分子概念的建立奠定了基础他认随着量子力学的发展，人们对分子结构和化学键的认识不断深化，形为原子是不可分割的最小粒子成了完整的分子理论体系123阿伏伽德罗假说（1811年）意大利科学家阿伏伽德罗提出，在相同温度和压强下，相同体积的气体含有相同数目的分子，确立了分子概念分子的基本构成原子组合形式分子式的表示分子由两个或多个原子通过共价键、离子键等化学键结合而成分子式用元素符号和下标数字表示分子的组成，如H₂O表示水不同原子的组合方式决定了分子的种类和性质例如，氢原子和分子由2个氢原子和1个氧原子构成分子式是化学式的一种，氧原子可以形成水分子H₂O准确反映了分子的原子组成比例化学键的强度和类型影响着分子的稳定性和反应活性共价键是通过分子式，我们可以计算分子的相对分子质量，预测分子的基最常见的分子内化学键，通过电子对共享实现原子间的结合本性质，并为化学反应方程式的书写提供依据分子的多样性分类双原子分子三原子分子多原子分子由两个原子组成的分子，由三个原子组成，如二氧含有多个原子的复杂分如氧气O₂、氢气H₂、氯化碳CO₂、水H₂O、臭氧子，如氨气NH₃、甲烷气Cl₂等这类分子结构O₃等这类分子开始显现CH₄、苯C₆H₆等结构简单，是理解分子概念的出不同的空间构型复杂，性质多样基础大分子由成千上万个原子组成的分子，如蛋白质、DNA、聚合物等具有复杂的生物功能和工业应用价值分子的微观尺度⁻10¹

3.34×10²²⁰分子直径分子数量米级别，极其微小1克水中的分子个数18相对分子质量水分子的相对质量分子的尺度极其微小，肉眼无法直接观察一个水分子的直径约为

2.8×10⁻¹⁰米，比细菌小约1万倍尽管单个分子质量极小，但由于阿伏伽德罗常数的存在，宏观物质中包含的分子数量极其庞大正是这种微观与宏观的巨大差异，使得我们需要用统计的方法来研究分子的集体行为，从而理解宏观物质的性质和变化规律分子构成物质的多样性气态物质分子间距离大，运动激烈，形态可变如氧气、氮气等单质气体和二氧化碳等化合物气体液态物质分子间距离适中，有一定流动性水、酒精等液体分子通过氢键等作用力保持液态固态物质分子排列紧密有序，形状固定冰、糖等固体分子通过各种分子间作用力形成稳定结构高分子材料长链状大分子形成的材料，具有独特的机械性能和化学稳定性，广泛应用于现代工业分子的永恒运动温度影响运动证据温度越高，分子运动越剧烈；布朗运动是分子运动的宏观体温度越低，分子运动越缓慢，现，通过显微镜可以观察到小但永远不会完全停止颗粒的无规则运动无规则运动实际意义分子始终处于无规则的热运动分子运动是扩散、溶解、化学状态，这种运动永不停息，是反应等现象的微观基础，解释物质的基本属性之一了许多宏观物理化学现象2314分子运动的实验证据固体间的扩散液体中的扩散将铜片和锌片紧密接触并加热，在接触面气体扩散现象在静止的水中滴入一滴红墨水，颜色会逐会形成铜锌合金层这证明即使在固体打开香水瓶后，香味很快就能在房间内传渐扩散至整个容器这个过程无需外力搅中，原子也在缓慢运动并相互扩散播，这是香水分子在空气中扩散的结果拌，完全依靠分子的自发运动实现分子从浓度高的地方向浓度低的地方运动，最终达到均匀分布经典扩散实验演示实验设计原理解释取一只透明玻璃杯，装入室温下的清水小心地将一小颗高锰酸高锰酸钾分子在水中发生电离，产生的离子在水分子的热运动撞钾晶体投入水中，观察颜色变化过程注意不要搅拌，让分子自击下做无规则运动，从浓度高的区域向浓度低的区域扩散然扩散这个实验直观地证明了分子运动理论，说明分子始终处于运动状实验现象紫红色逐渐从投放点向四周扩散，最终整杯水呈现均态，扩散是分子运动的宏观表现温度升高时扩散速度明显加匀的淡紫色扩散速度与水温、晶体大小等因素有关快分子间相互作用力范德华力1最弱的分子间作用力偶极-偶极作用2极性分子间的静电作用氢键3含氢键的分子间强相互作用离子键4离子化合物中的强静电作用共价键5分子内原子间最强的化学键分子间同时存在引力和斥力，当分子距离适中时，引力和斥力达到平衡这些作用力决定了物质的聚集状态、熔沸点、溶解性等重要性质理解分子间作用力是掌握物质性质和化学反应的关键分子间距的状态差异分子结构与物理性质分子大小影响1分子量越大，分子间作用力越强，熔沸点越高分子极性影响2极性分子间作用力强于非极性分子，熔沸点较高氢键的特殊作用3形成氢键的分子具有异常高的熔沸点分子结构决定物理性质的规律帮助我们预测和解释物质的行为例如，水由于氢键的存在而具有异常高的沸点，这对地球生命的存在至关重要理解这些规律对材料设计和工业应用具有重要指导意义分子的化学反应活性分子稳定性反应活性位点1化学键强度决定分子在反应中的稳定程分子中电子密度较低或较高的区域容易2度，影响反应的难易程度和条件要求发生化学反应，成为反应的活性中心电子效应空间位阻效应4分子内电子分布的变化影响化学键的极分子的立体结构影响反应物的接近和碰3性和反应性，决定反应的方向和机理撞，从而影响反应速率和产物选择性分子构型对反应的影响线型分子如CO₂，具有对称性，偶极矩为零，化学性质稳定，但在特定条件下可发生反应弯曲型分子如H₂O，具有极性，容易形成氢键，反应活性较高，是良好的溶剂和反应介质四面体分子如CH₄，空间结构紧凑，化学性质相对稳定，但在高温或催化条件下可发生反应原子与分子的辩证关系原子是基础原子是构成分子的基本单位，决定分子的基本性质分子是整体分子表现出原子所没有的新性质，体现整体性特征化学反应本质化学反应是分子的分解与重新组合，原子重新排列在化学反应中，原子是守恒的，而分子是变化的这一认识帮助我们理解质量守恒定律的本质，也为化学方程式的配平提供了理论依据原子与分子的关系体现了化学变化的本质特征化学反应的科学定义分子层面的变化能量的转换化学反应是旧分子化学键的断裂化学反应伴随着能量的吸收或释和新分子化学键的形成过程在放断裂化学键需要消耗能量，这个过程中，原子重新排列组形成新化学键会释放能量，反应合，形成具有不同性质的新物的总能量变化决定反应是放热还质是吸热质量守恒原理虽然分子发生了变化，但参与反应的原子种类和数量保持不变，因此反应前后的总质量相等，这是质量守恒定律的微观基础化学反应方程式的书写1写出化学式根据反应物和生成物的化学性质，正确写出各物质的分子式，用箭头表示反应方向2配平化学方程式根据质量守恒定律，调整各物质前的系数，使方程式两边原子种类和数目相等3标注反应条件在箭头上方或下方注明反应所需的温度、压强、催化剂等条件4标注物质状态用符号标注各物质的聚集状态s固体、l液体、g气体、aq水溶液化学反应的基本类型化合反应分解反应置换反应两种或多种物质结合生一种化合物分解成两种一种单质与一种化合物成一种新物质的反应，或多种较简单物质的反反应，生成另一种单质如A+B→AB体现了应，如AB→A+B体和另一种化合物，如A+分子的合成过程现了分子的分解过程BC→AC+B复分解反应两种化合物相互交换成分，生成两种新化合物的反应，如AB+CD→AD+CB化合反应实例分析氢气燃烧反应反应特点分析2H₂+O₂→2H₂O，这是最典型的化合反应实例氢分子和该反应是放热反应，生成的水蒸气在常温下冷凝成液态水反应氧分子在点燃条件下化合生成水分子，反应剧烈且放出大量热需要点燃或加热作为引发条件，一旦开始就能自发进行能从分子角度看，这个反应体现了简单分子通过化学键的重组形成反应过程中，氢氧分子中的化学键断裂，原子重新排列形成水分更复杂分子的过程，是化合反应的典型代表子中的氢氧键这个反应在工业上用于制备氢能燃料电池分解反应的典型案例1反应方程式2H₂O₂→2H₂O+O₂↑，过氧化氢在二氧化锰催化下分解生成水和氧气2反应机理过氧化氢分子中的氧氧键相对较弱，在催化剂作用下容易断裂，重新组合形成更稳定的水分子和氧分子3实际应用医用双氧水杀菌、实验室制氧气、火箭推进剂等，体现了分解反应在生产生活中的重要作用4催化剂作用MnO₂作为催化剂大大加快反应速率，但本身在反应前后保持不变，可重复使用置换反应的经典实例反应原理Zn+H₂SO₄→ZnSO₄+H₂↑，活泼金属锌置换出硫酸中的氢，体现了金属活动性顺序的规律锌原子失去电子变成锌离子，氢离子得到电子变成氢分子实验现象锌片表面产生大量气泡，溶液温度升高，锌片逐渐溶解产生的氢气可以收集并检验其燃烧性质，证明置换反应的发生工业应用这类反应在金属冶炼、电镀工业中广泛应用通过控制反应条件，可以实现金属的提取和表面处理，具有重要的实用价值复分解反应示例离子交换AgNO₃+NaCl→AgCl↓+NaNO₃，银离子与氯离子结合形成难溶的氯化银沉淀推动力分析反应能够进行的原因是生成了难溶物AgCl，降低了体系的自由能应用价值在分析化学中用于离子检验，在摄影工业中制备感光材料复分解反应的本质是离子在溶液中的重新组合反应能够发生的条件通常是生成沉淀、气体或弱电解质，这些产物的形成为反应提供了推动力酸碱中和反应机理氢离子结合盐的形成HCl+NaOH→NaCl+H₂O，酸提供的酸根离子与金属阳离子结合形成盐，体12H⁺与碱提供的OH⁻结合生成水分子现了离子化合物的形成过程pH值变化能量释放43反应过程中溶液pH值趋向中性，可用指中和反应放出热量，这是强酸强碱电离示剂或pH计监测反应进程能与水的形成能的差值氧化还原反应基础电子转移1反应的本质特征氧化剂与还原剂2得失电子的反应物质氧化数变化3元素化合价的升降配平原则4电子得失数目相等反应条件5温度、浓度、催化剂影响氧化还原反应是化学反应中最重要的类型之一，涉及电子的转移理解电子转移的规律有助于掌握反应机理，预测反应产物，并指导实际应用氧化还原反应实例反应分析实验现象Fe+CuSO₄→FeSO₄+Cu，铁原子失去2个电子变成Fe²⁺离铁片表面析出红色的铜，溶液颜色由蓝色逐渐变为浅绿色这个子，铜离子得到2个电子变成铜原子这是典型的单质与盐的置颜色变化直观地反映了化学反应的进行过程换反应该反应在工业上用于湿法炼铜，利用废铁回收铜离子，既经济又反应中铁被氧化，化合价从0升到+2；铜被还原，化合价从+2降环保，体现了氧化还原反应的实际应用价值到0电子从铁原子转移到铜离子，体现了氧化还原的本质高分子化学反应1加聚反应单体分子通过加成反应连接成长链，如乙烯聚合成聚乙烯反应过程中分子量急剧增大2缩聚反应单体间脱去小分子（如H₂O）形成聚合物，如尼龙和聚酯的合成产物具有规整的化学结构3工业应用塑料、橡胶、纤维等材料的生产都基于高分子化学反应，是现代化学工业的重要基础化学反应的微观本质分子碰撞1反应物分子必须发生有效碰撞才能反应化学键断裂2旧的化学键在能量作用下发生断裂原子重排3原子按新的方式重新组合排列新键形成4形成新的化学键，生成反应产物化学反应的微观过程揭示了物质变化的本质规律有效碰撞理论帮助我们理解反应条件对反应速率的影响，为优化反应条件提供理论指导化学反应的基本条件温度条件浓度影响压强作用催化剂温度影响分子运动速率反应物浓度决定分子碰对于气体反应，压强影催化剂能降低反应活化和碰撞频率，是控制反撞的几率，浓度越高，响分子间距离和碰撞频能，加快反应速率，但应速率的重要因素大有效碰撞越频繁，反应率，高压有利于反应的不改变反应的热力学性多数反应需要适当的温速率越快进行质度才能进行活化能与反应机理活化能概念过渡态理论1分子发生反应必须克服的最小能量障反应过程中形成能量最高的不稳定中间2碍，决定了反应的难易程度和所需条件状态，是理解反应机理的关键温度效应催化作用机理4温度升高增加了具有足够能量越过活化催化剂通过提供新的反应路径，降低活3能障碍的分子数目化能，从而加速反应进行反应路径与中间体反应物具有一定化学势能的初始状态分子，为反应提供原料和能量基础活化络合物反应过程中形成的高能量过渡态，键的断裂和形成同时发生中间产物多步反应中形成的相对稳定的中间物质，可以被检测和分离最终产物反应完成后形成的稳定产物，具有不同于反应物的化学性质化学反应速率的定量描述Δc/Δt mol/L·s速率公式常用单位浓度变化量与时间变化量的比值摩尔每升每秒2-4反应级数浓度对速率的影响程度反应速率的定量表达为化学动力学研究提供了数学基础通过测定不同条件下的反应速率，可以确定反应的速率方程，揭示反应机理，指导工业生产的优化实际应用中，反应速率的控制对于提高产率、降低成本、确保安全具有重要意义不同的反应体系需要采用不同的速率控制策略影响反应速率的关键因素反应物浓度反应温度浓度增加使分子碰撞频率提高，反应速率加快这是最直观和容易温度每升高10°C，反应速率通常增加2-4倍温度影响分子运动速率控制的因素，在工业生产中通过调节浓度来控制反应速度和活化分子比例，是控制反应速率的重要手段催化剂存在反应物状态催化剂通过降低活化能，显著提高反应速率，但不影响反应的起始固体颗粒大小、气体压强、溶液pH值等物理状态都会影响反应速率和终了状态选择合适的催化剂是化学工业的关键技术增大接触面积有利于反应进行浓度影响速率的实验验证温度对反应速率的影响实验1低温反应（10°C）分子运动缓慢，碰撞频率低，反应速率明显较慢许多反应在低温下几乎不能进行，需要加热才能启动2室温反应（25°C）大多数反应的标准测定温度，反应速率适中这是比较不同反应活性的参考温度，便于数据的标准化处理3高温反应（50°C）分子运动剧烈，有效碰撞大幅增加，反应速率显著提高但过高温度可能导致副反应增加或产物分解4反应控制策略工业生产中需要在反应速率和能耗、安全性之间找到最佳平衡点，选择最经济的反应温度催化剂的神奇作用催化剂的基本特征催化剂能够显著降低反应的活化能，提供新的反应路径，使反应在较温和的条件下进行重要的是，催化剂在反应前后保持化学性质不变，可以重复使用催化机理分析催化剂通过与反应物形成中间络合物，降低了反应的能量障碍这种中间络合物比原来的反应物更容易发生反应，从而加快了整个反应过程工业催化应用现代化学工业中约85%的化学反应都使用催化剂从石油炼制到药物合成，从环境保护到新能源开发，催化技术是化学工业发展的关键驱动力压强对气体反应速率的影响压强增加气体分子间距离减小，单位体积内分子数增多碰撞频率提高分子密度增大导致有效碰撞次数显著增加反应速率加快更多的有效碰撞使反应速率大幅提升压强对气体反应速率的影响主要体现在分子浓度的变化上增加压强实际上是增加了气体的浓度，从而提高了反应速率这一原理在工业合成气反应中得到广泛应用需要注意的是，压强对反应速率的影响程度与反应的分子数变化有关分子数减少的反应对压强变化更敏感，这为工业反应条件的优化提供了指导反应速率的数学表达与计算速率方程推导实际计算示例对于反应aA+bB→cC+dD，反应速率v=k[A]ᵐ[B]ⁿ，其中k是以制氧反应为例2H₂O₂→2H₂O+O₂在MnO₂催化速率常数，m和n是反应级数通过实验测定可以确定这些参数下，反应速率v=k[H₂O₂]通过测定不同时间点H₂O₂的浓的具体数值度变化，可以计算出速率常数速率常数k只与温度和催化剂有关，不随浓度变化阿伦尼乌斯实验数据显示，加入催化剂后反应速率提高了约1000倍，充分方程k=Ae^-Ea/RT描述了k与温度的关系，其中Ea是活化能体现了催化剂对反应速率的巨大影响作用过氧化氢催化分解的速率研究化学反应的可逆性逆向反应动态平衡生成物转化为反应物的过程，正逆反应速率相等时达到的动随着生成物浓度增加而速率加态平衡状态，各物质浓度保持快恒定正向反应平衡特征反应物转化为生成物的过程，动态性、条件性和相对性是化随着反应物浓度降低而速率减学平衡的基本特征，外界条件慢改变会影响平衡位置2314动态平衡的建立过程1反应初期反应物浓度高，正反应速率大；生成物浓度低，逆反应速率小反应主要向正方向进行2反应中期随着反应进行，反应物浓度降低，生成物浓度增加，正反应速率减小，逆反应速率增大3平衡状态正逆反应速率相等，各物质浓度不再发生净变化，达到动态平衡此时v正=v逆化学平衡是一个动态过程，分子水平上反应仍在进行，但宏观上各物质的浓度保持不变理解这一动态特征对于掌握化学平衡原理至关重要化学平衡的移动规律浓度影响温度影响压强影响增加反应物浓度或升高温度，平衡向增大压强，平衡向减少生成物浓度，吸热反应方向移动；气体分子数减少的平衡向正反应方向降低温度，平衡向方向移动；减小压移动；反之则向逆放热反应方向移动强，平衡向气体分反应方向移动子数增加的方向移动催化剂影响催化剂同等程度地加快正逆反应速率，不影响平衡位置，但能缩短达到平衡的时间。