【化学课件】分子的结构与性质课件

分子的结构与性质分子结构与性质是化学学科的核心内容，体现了结构决定性质这一化学基本规律通过深入理解分子的三维空间结构、化学键特征以及分子间相互作用，我们能够预测和解释各种化学现象本课程将系统介绍分子的组成、空间结构、化学键类型等基础知识，并深入探讨分子结构如何影响物理性质和化学性质课程内容涵盖从基础理论到实际应用，从经典实验到前沿科技通过学习，学生将掌握分子结构分析方法，理解结构与性质的内在联系，为进一步学习有机化学、物理化学和材料科学奠定坚实基础什么是分子？分子的基本定义与原子的区别分子是能够独立存在并保持物原子是化学元素的基本单位，质化学性质的最小粒子单位而分子是由原子组成的化合物它由两个或多个原子通过化学最小单位原子可以单独存键结合而成，具有确定的组成在，但分子必须由多个原子结和结构合形成与离子的区别离子是带电荷的原子或原子团，而分子通常是电中性的分子通过共价键结合，离子则通过离子键相互作用形成离子化合物分子的发现历程年道尔顿原子论1803约翰道尔顿提出现代原子理论，为分子概念的建立奠定了基·础他认为不同元素的原子具有不同的质量和性质年阿伏伽德罗假说1811阿伏伽德罗提出在相同温度和压力下，等体积的气体含有相同数目的分子，为气体分子理论提供了重要依据年坎尼扎罗会议1860确立了原子量和分子量的概念，统一了化学界对分子存在的认识，标志着分子理论的正式确立分子的组成原子种类与数目分子式表示方法分子由不同种类和数目的原子组成每种原子在分子中的数目是分子式用化学符号表示分子的组成，如、、等分H₂O CO₂CH₄确定的，决定了分子的基本性质例如，水分子由个氢原子和子式直观地显示了分子中各种原子的种类和数目21个氧原子组成结构式则进一步显示原子间的连接方式，提供更详细的分子结构原子在分子中的排列方式影响分子的形状和性质相同的原子可信息通过分子式可以计算分子量，预测某些基本性质以形成不同的分子，如氧气（）和臭氧（）都由氧原子组O₂O₃成但性质不同分子的空间结构三维空间排布球棍模型空间填充模型线框模型分子在三维空间中具有用球代表原子，用棍代按原子实际大小比例制用线条表示化学键的简特定的几何形状，原子表化学键的分子模型作的模型，更真实地反化模型，便于观察分子间的相对位置决定了分能够清晰显示原子间的映分子的空间占据情的整体骨架结构在复子的立体结构这种空连接关系和相对大小，况有助于理解分子间杂分子结构分析中经常间排布直接影响分子的是最常用的分子结构表相互作用和反应的立体使用这种表示方法物理和化学性质示方法效应化学键的类型共价键离子键原子间通过共用电子对形成的化学键金属原子失去电子成为阳离子，非金属共价键具有方向性和饱和性，键能较原子得到电子成为阴离子，通过静电作大，是分子中最主要的化学键类型用形成的化学键•单键、双键、三键•无方向性和饱和性•极性和非极性共价键•键能与离子电荷相关•σ键和π键•形成离子晶体金属键金属原子失去外层电子形成金属阳离子，电子在整个金属中自由移动形成的化学键•电子海模型•导电导热性好•延展性和可塑性键角与分子形状理论基础VSEPR价层电子对互斥理论认为，分子中价层电子对会相互排斥，采取能量最低的空间排布方式，从而决定分子的几何形状四面体结构当中心原子周围有个电子对时，形成四面体结构，键角为甲烷

4109.5°分子是典型的四面体结构实例三角锥形当中心原子有个成键电子对和个孤对电子时，形成三角锥形结构氨分31子就是典型的三角锥形分子直线型结构当中心原子周围只有个电子对时，形成直线型结构，键角为二氧2180°化碳和氯化铍是典型的直线型分子常见分子的立体结构水分子（₂）二氧化碳（₂）H OCO型结构，键角直线型结构，键角V

104.5°180°氧原子杂化碳原子杂化•sp³•sp两个孤对电子两个双键••C=O极性分子非极性分子••氨分子（₃）甲烷（₄）NH CH三角锥形结构，键角正四面体结构，键角107°

109.5°氮原子杂化碳原子杂化•sp³•sp³一个孤对电子四个单键••C-H极性分子非极性分子••分子的极性与偶极矩极性判定方法分子极性取决于分子中键的极性和分子的几何形状如果分子中各键偶极矩的矢量和不为零，则分子具有极性•键的电负性差异•分子几何形状•对称性分析偶极矩的计算偶极矩是衡量分子极性大小的物理量，等于电荷量与电荷间距离的乘积偶极矩越大，分子极性越强•单位德拜（D）•矢量性质•实验测定方法极性的应用意义分子极性直接影响物质的溶解性、沸点、介电常数等性质，在化学反应和生物过程中起着重要作用•溶解性预测•分离提纯•生物膜透过性分子的杂化轨道杂化sp直线型，键角180°杂化sp²平面三角形，键角120°杂化sp³四面体型，键角

109.5°杂化轨道理论解释了分子的空间构型和成键特点当原子成键时，不同类型的原子轨道会重新组合形成能量相等的杂化轨道杂化sp³形成四面体结构，杂化形成平面三角形，杂化形成直线型结构杂化类型直接决定了分子的几何形状和化学性质sp²sp分子的共振结构苯的共振结构六个碳原子形成的平面正六边形电子离域化电子在整个分子中均匀分布π结构稳定性共振能提供额外稳定性共振结构是描述某些分子真实结构的理论工具当分子无法用单一结构准确描述时，需要用多个共振结构的杂化来表示苯分Lewis子是最典型的共振结构实例，其真实结构是两个结构的杂化体共振使分子获得额外的稳定能，称为共振能或离域能Kekulé分子的大小与摩尔质量×⁻⁰

6.0210²³10¹阿伏伽德罗常数分子尺度摩尔物质所含的分子数目典型分子直径的数量级（米）118水的摩尔质量的摩尔质量（）H₂O g/mol分子的摩尔质量等于分子中所有原子的原子量之和，是重要的物理量通过摩尔质量可以进行化学计算，确定反应物和产物的质量关系分子大小通常用分子直径或分子体积来衡量，大多数小分子的直径在纳米范围内分子大小影响扩散速

0.1-1率、渗透性等性质分子的能级结构基态能级能级跃迁电子占据最低能量轨道的稳定状态电子在不同能级间的转移过程电子云分布光谱产生电子在分子中的概率分布能级跃迁产生特征光谱信号分子的能级结构描述了电子在分子中的能量分布状态电子占据不同的分子轨道，形成复杂的能级体系当电子从高能级跃迁到低能级时，会发射特定频率的光子，产生分子光谱这是分子结构分析的重要依据分子间作用力作用力类型强度特点实例kJ/mol氢键有方向性，较水分子间氢键10-40强偶极偶极极性分子间作分子间作-5-25HCl用用色散力普遍存在非极性分子间

0.05-40诱导力极性诱导非极在水中溶解2-10I₂性分子间作用力是决定物质宏观性质的重要因素氢键是最强的分子间作用力，具有明显的方向性范德华力包括偶极偶极作用、诱导作用和色散力，-虽然单个作用较弱，但数量庞大时也能产生显著影响分子的稳定性热力学稳定性分子在平衡条件下的稳定程度，由吉布斯自由能变化决定动力学稳定性分子发生化学反应的速率快慢，由活化能高低决定实际案例分析金刚石在常温下热力学不稳定但动力学稳定，因此能长期存在分子稳定性包括热力学稳定性和动力学稳定性两个方面热力学稳定性反映分子在给定条件下是否趋向于发生反应，而动力学稳定性反映反应进行的快慢许多物质虽然热力学不稳定，但由于反应速率极慢而能够长期存在分子结构与物理性质熔点与沸点关联极性影响溶解性分子间作用力越强，物质的熔点和沸点越高极性分子由于偶极相似相溶原理表明极性物质易溶于极性溶剂，非极性物质易偶极作用通常比同等大小的非极性分子具有更高的沸点溶于非极性溶剂分子极性是决定溶解性的主要因素-氢键显著提高沸点水溶性与极性相关••分子量增大沸点升高脂溶性与非极性相关••支链减少沸点降低氢键促进溶解••分子结构与化学性质活泼性与空间结官能团反应性电子效应影响构官能团是决定有机分子诱导效应和共轭效应会分子的立体结构影响反化学性质的关键结构改变分子中电子密度分应活性空间位阻较大不同官能团具有特征的布，从而影响反应位点的分子反应速率通常较化学反应，如羟基的取的活性和反应机理的选慢，而张力较大的环状代反应、羰基的加成反择分子则容易开环反应应等氢键应用实例水的异常性质双螺旋稳定DNA水分子间形成的氢键网络导致水具有异DNA分子中腺嘌呤与胸腺嘧啶间形成2常高的熔点和沸点冰的密度比液态水个氢键，鸟嘌呤与胞嘧啶间形成3个氢小，使得冰能浮在水面上，保护水中生键，这些氢键维持双螺旋结构的稳定物性•高比热容•碱基配对特异性•高表面张力•遗传信息保存•良好的溶剂性质•复制保真性蛋白质结构维持蛋白质分子内和分子间的氢键对维持其二级结构（α-螺旋、β-折叠）和三级结构起着关键作用，影响蛋白质功能•二级结构稳定•酶活性中心维持•蛋白质折叠分子极性与溶解性相似相溶原理有机溶剂应用极性物质易溶于极性溶剂，非苯、甲苯等非极性有机溶剂能极性物质易溶于非极性溶剂够溶解油脂、橡胶等非极性物这是由于相似的分子间作用力质乙醇、丙酮等极性溶剂则使得溶解过程在能量上有利能溶解糖类、盐类等极性物质生物膜透过性生物膜主要由磷脂双分子层构成，具有疏水内核小的非极性分子容易透过膜，而极性分子需要载体蛋白协助转运非极性分子的性质聚集态结构与性质冰的晶体结构水分子通过氢键形成开放的四面体网络结构，每个水分子与个4相邻水分子形成氢键，导致冰的密度比液态水小液态水的结构液态水中氢键网络不断断裂和重新形成，分子排列相对无序，密度比冰大，具有流动性和可压缩性水蒸气的性质气态水分子间距离较大，氢键基本消失，分子运动剧烈，表现为理想气体行为，体积远大于液态分子轨道理论简介分子轨道形成原子轨道线性组合形成分子轨道成键轨道能量降低，电子密度增加反键轨道能量升高，电子密度减少分子轨道理论能够很好地解释氧气分子的顺磁性氧气分子的分子轨道电子构型为，最高占据轨道中有两个未配对电子，使氧气具有顺磁性这一理论成功预测σ₁s²σ*₁s²σ₂s²σ*₂s²σ₂pz²π₂px²π₂py²π*₂px¹π*₂py¹了许多分子的磁性和光谱性质分子光谱与能级红外光谱拉曼光谱检测分子振动频率，识别官能团特征基于分子极化率变化，提供振动信息，峰，广泛用于有机化合物结构鉴定与红外光谱互补，适用于对称分子分析核磁共振谱紫外可见光谱提供原子核环境信息，确定分子结构和反映电子跃迁信息，确定共轭体系范构象，是最重要的结构分析手段围，测定物质浓度和纯度结构异构与性质差异正丁烷结构与性质异丁烷结构与性质分子式，为直链烷烃结构分子呈锯齿形排列，分子间接分子式，为支链烷烃结构分子较为紧凑，分子间接触面C₄H₁₀C₄H₁₀触面积大，范德华力较强积小，范德华力较弱沸点沸点•-

0.5°C•-

11.7°C熔点熔点•-

138.3°C•-

159.4°C密度密度•

0.579g/mL•

0.551g/mL结构异构体虽然分子式相同，但由于原子连接方式不同导致性质差异显著直链分子通常比支链分子具有更高的沸点，这是由于直链分子间作用力更强的缘故空间异构（手性分子）手性概念分子与其镜像不能重叠的性质称为手性手性分子通常含有手性碳原子，即连接四个不同基团的碳原子对映异构体互为镜像关系的手性分子称为对映异构体它们具有相同的物理性质，但旋光性相反，生物活性可能完全不同医药领域重要性许多药物分子具有手性，不同对映体的药效和副作用差异巨大沙利度胺事件突出了手性在药物开发中的重要性手性合成技术现代医药工业越来越重视单一对映体药物的开发，催生了不对称合成、手性拆分等先进技术热力学与分子结构-

28669.9水形成焓水的熵值的标准生成焓液态水在时的标准摩尔熵H₂+½O₂→H₂O kJ/mol298K J/mol·K-237水形成自由能水在标准条件下的生成自由能kJ/mol分子结构直接影响热力学参数键能决定了反应的焓变，分子的复杂程度和运动自由度影响熵值，两者共同决定吉布斯自由能变化分子间作用力强的物质通常具有更负的生成焓，而复杂分子由于运动方式多样通常具有较大的熵值动力学与立体效应分子碰撞理论邻位效应对位效应反应速率与有效碰撞频率相邻位取代基的立体位阻和电对位取代基主要通过电子效关分子体积越大，有效碰子效应显著影响反应活性应影响反应，立体位阻较撞截面积越小，反应速率通邻位大基团会阻碍反应物接小供电子基团活化芳环，常越慢立体位阻是影响反近，降低反应速率吸电子基团使芳环失活应速率的重要因素反应选择性立体效应决定反应的区域选择性和立体选择性空间位阻较小的位点更容易发生反应，产生主要产物分子的色彩与结构可见光吸收分子选择性吸收特定波长光共轭体系电子离域降低能级差π发色团产生颜色的分子结构单元助色团影响颜色深浅的取代基分子的颜色与其电子结构密切相关共轭体系越长，电子离域程度越大，能级差越小，吸收光的波长越长，颜色越深胡萝卜素πHOMO-LUMOβ-因其长共轭链而呈橙红色，叶绿素的卟啉环系统使其呈现绿色现代染料工业正是基于这些结构颜色关系开发各种有机染料-分子的磁性顺磁性分子含有未配对电子的分子表现出顺磁性，在外磁场中被吸引氧气分子是典型的顺磁性分子，含有两个未配对电子•NO自由基•过渡金属配合物•有机自由基抗磁性分子所有电子配对的分子表现出抗磁性，在外磁场中被排斥大多数有机分子和稀有气体都是抗磁性的•惰性气体分子•饱和有机化合物•闭壳层离子分子磁性材料通过分子设计可以制备具有特定磁性的材料，在信息存储、磁共振成像等领域有重要应用前景•单分子磁体•有机铁磁体•自旋交叉配合物氧化还原性与分子结构电子得失能力分子的氧化还原性由其电子结构决定含有易失电子原子的分子表现出还原性，而含有易得电子原子的分子表现出氧化性高锰酸钾氧化性离子中锰处于价，具有强氧化性其结构中键MnO₄⁻+7Mn-O的极性使锰原子易于接受电子，发生还原反应亚铁离子还原性离子具有电子构型，易失去一个电子形成更稳定的构Fe²⁺d⁶d⁵型的，因此表现出强还原性Fe³⁺拉曼实验观察分子结构激光照射样品使用单色激光照射待测分子样品，大部分光发生瑞利散射，少量光发生拉曼散射，频率发生改变检测散射光频率收集散射光并分析其频率变化频率差对应分子振动能级，提供分子结构和化学键信息谱图解读分析水分子在区域出现伸缩振动峰，在3200-3600cm⁻¹O-H CO₂和分别出现弯曲和伸缩振动峰1340cm⁻¹2350cm⁻¹射线衍射测定分子结构X晶体制备射线衍射X获得高质量单晶样品射线与晶体相互作用产生衍射X蛋白质结晶布拉格定律••小分子重结晶衍射强度测量••温度湿度控制多角度数据收集••三维建模结构解析构建精确的分子三维模型计算机处理衍射数据原子位置精修相位问题解决••键长键角分析电子密度图计算••结构验证原子坐标确定••电子显微镜与单分子观察扫描隧道显微镜原子力显微镜透射电子显微镜利用量子隧道效应，可以观察到原子通过测量探针与样品间的相互作用力利用电子束穿透超薄样品，可以观察STM AFMTEM级别的表面结构通过扫描探针在样品表来获得图像不仅能观察导电样品，还可分子内部结构在生物大分子结构研究中面移动，测量隧道电流变化来构建表面形以研究绝缘体和生物分子的结构发挥重要作用，分辨率可达亚纳米级貌图像适用范围广内部结构观察••原子级分辨率•无需导电样品高分辨率成像••表面敏感•可在液体中工作结构动态研究••实时观察能力•分子的宏观应用药物设计靶点识别确定疾病相关的生物分子靶点先导化合物发现与靶点结合的活性分子结构优化改进分子结构提高药效和安全性现代药物设计高度依赖分子结构知识阿司匹林通过乙酰化修饰抑制环氧化酶活性，青霉素的内酰胺环结构是其抗菌活性的关键β-分子对接技术可以预测药物与靶蛋白的结合模式，指导药物分子的结构改造人工智能和计算化学的发展正在革命性地改变药物发现过程分子的宏观应用材料科学聚合物材料设计纳米材料特性聚合物的性能直接取决于单体分子结构和聚合方式聚乙烯的简碳纳米管的独特结构赋予其优异的力学和电学性能石墨烯的二单结构使其具有良好的化学稳定性，而聚苯乙烯的苯环结构提供维结构使其成为理想的电子材料，富勒烯的笼状结构可用于药物了刚性载体分子量分布控制量子尺寸效应••立体规整性调节表面积体积比大••功能基团引入特殊电子性质••大气分子结构与环境臭氧层保护机制温室气体分子特征分子的弯曲结构使其能够、、等分子具有O₃CO₂CH₄N₂O吸收紫外线臭氧氧气循环特定的红外吸收谱，能够吸收-维持平流层臭氧浓度，保护地地表辐射的长波红外线，产生球生物免受有害紫外辐射温室效应分子振动模式决定吸收频率环保分子设计开发臭氧友好的制冷剂分子，设计可生物降解的塑料分子，研发高效的捕获分子，都需要深入理解分子结构与性能关系CO₂能源分子结构环保分解与降解分子可降解分子特征可生物降解材料通常含有易被酶攻击的化学键，如酯键、醚键、酰胺键等这些键在自然环境中能被微生物分解聚乳酸（）结构PLAPLA分子主链含有酯键，在土壤中可被微生物分解为乳酸，进一步代谢为CO₂和H₂O是重要的生物可降解塑料酶解机理特定酶能够识别和切断特定的化学键通过分子设计可以控制材料的降解速率和降解产物，实现环境友好环境影响评估分子结构设计必须考虑降解产物的环境安全性理想的可降解材料应完全矿化为无害的小分子化合物。