【化学课件】分子的结构和性质课件

分子的结构和性质分子的结构和性质是化学学科的核心内容，它揭示了物质世界微观层面的奥秘通过学习分子结构，我们能够理解为什么不同物质具有不同的性质，为什么化学反应会按照特定的方式进行什么是分子？分子的科学定义分子的基本特性分子是保持物质化学性质的最分子具有一定的空间结构和能小粒子，由两个或多个原子通量状态，能够进行各种运动形过化学键结合而成它是物质式分子间存在相互作用力，组成的基本单元，决定了物质这些作用力影响物质的物理性的基本化学特性和行为质如熔点、沸点和溶解性分子与宏观性质的联系分子与原子的区别原子的特征分子的特征原子是化学反应中的最小粒子，不能再分割而保持元素的化分子是由原子通过化学键结合形成的组合体，是保持化合物学性质在化学反应中，原子重新组合形成新的分子，但原化学性质的最小单位分子可以由相同原子组成（如O₂、子本身不会分解或创造N₂），也可以由不同原子组成（如H₂O、CO₂）每个原子都有独特的核电荷数，决定了元素的种类原子通分子具有特定的空间结构和化学性质，这些性质往往与组成过失去、得到或共享电子来达到稳定的电子构型它的单个原子性质有显著差异例如，水分子的性质与氢原子和氧原子的性质完全不同原子的组成质子中子12带正电荷的粒子，位于原子核内，质子数不带电荷的粒子，与质子一起构成原子等于核电荷数，决定元素的种类和化学性核，中子数的不同形成同位素质核电荷数关系电子核电荷数等于质子数，也等于中性原子的带负电荷的粒子，在原子核外运动，参与43电子数，这是原子序数的基础化学键的形成，决定原子的化学行为原子的结构与电子排布第一电子层（层）K最内层电子层，最多容纳2个电子这是离原子核最近的电子层，电子结合能最高，最难失去第二电子层（层）L第二层电子层，最多容纳8个电子当第一层填满后，电子开始填入第二层，依次类推最外层电子的重要性最外层电子决定原子的化学性质和反应活性原子趋向于达到稳定的电子构型，通常是8电子稳定结构电子排布规律电子按照能量最低原理排布，先填低能级轨道这种排布规律解释了元素周期律和化学性质的周期性变化元素的化学性质来源化学性质的根源最外层电子数决定化学性质1主族元素规律2同主族元素最外层电子数相同周期性变化3元素性质呈现周期性规律电子构型基础4原子结构决定一切化学行为元素的化学性质主要由最外层电子数决定同一主族的元素具有相同的最外层电子数，因此化学性质相似例如，所有碱金属元素最外层都有1个电子，都易失去这个电子形成正离子这种规律性为我们预测未知元素的性质提供了重要依据共价键的形成电子对共享机制两个原子各自提供一个未配对电子，形成共用电子对这种共享使得两个原子都能达到稳定的电子构型，通常是8电子稳定结构共价键的方向性共价键具有明确的方向性和饱和性，这决定了分子的空间构型原子轨道的重叠方式影响键的强度和分子的几何形状稳定分子的形成通过共价键结合的原子形成稳定的分子，整个分子系统的能量比分离的原子更低这种能量降低是化学键形成的驱动力离子键的形成1电子转移过程金属原子失去外层电子形成正离子，非金属原子得到电子形成负离子这种电子转移使两种原子都达到稳定的电子构型2静电作用力正负离子之间产生强烈的静电引力，这种引力就是离子键离子键的强度与离子的电荷数成正比，与离子间距离成反比3晶体结构NaCl氯化钠形成立方晶体结构，每个钠离子周围有6个氯离子，每个氯离子周围有6个钠离子这种规则的三维排列使离子化合物具有高熔点和硬度金属键及能带理论离域电子运动金属中的价电子不局限于特定原子，而是在整个金属晶格中自由移动，形成电子海这种离域化降低了系统总能量，使金属键非常稳定导电性解释能带理论将原子轨道组合成能带，导体的价带和导带重叠或接近，电子容易在能带间跃迁这解释了金属良好的导电性和导热性金属特性金属键的非定向性使金属具有良好的延展性和可塑性电子的离域化还赋予金属特有的金属光泽和不透明性常见化学键种类总结共价键特征离子键特征原子间通过共享电子对结正负离子间的静电作用力，合，具有方向性和饱和性无方向性和饱和性键能较键能适中，形成的分子通常高，形成的化合物熔沸点熔沸点较低根据电负性差高，在熔融状态或水溶液中异可分为极性和非极性共价能导电键金属键特征金属原子间通过离域电子结合，无方向性和饱和性使金属具有良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽分子的空间结构基本类型——分子的空间结构多种多样，主要包括直线型、折线型（弯曲型）、三角平面型、四面体型、三角双锥型和八面体型等这些不同的几何构型是由分子中原子的排列方式和化学键的方向性决定的分子的空间构型直接影响其物理和化学性质，如极性、沸点、溶解性等理解和预测分子的空间结构对于理解物质性质和设计新材料具有重要意义价层电子对互斥理论（）VSEPR基本假设电子对计数价层电子对由于静电斥力而尽可能远1统计中心原子周围的成键电子对和孤离，采用能量最低的空间排列2电子对总数修正因素几何预测4考虑孤电子对的额外斥力对分子构型3根据电子对数目预测基本几何构型的影响VSEPR理论是预测分子空间构型的重要工具该理论认为，分子中心原子周围的价层电子对会相互排斥，并尽可能远离以达到最稳定的构型通过计算电子对数目，我们可以预测分子的基本几何形状，再考虑孤电子对的影响进行修正典型分子的空间构型举例₂直线型₂折线型₄四面体型CO-H O-CH-二氧化碳分子中碳原子形成两个双水分子中氧原子有两个成键电子对和甲烷分子中碳原子形成四个等价的C-键，没有孤电子对根据VSEPR理两个孤电子对孤电子对的额外斥力H键，没有孤电子对四个电子对在论，两个电子对相互排斥，形成180°使键角从理论的

109.5°压缩到空间中形成正四面体排列，键角为的直线型结构这种对称结构使CO₂

104.5°，形成折线型结构，这使水成

109.5°这种高度对称的结构使甲烷成为非极性分子为极性分子为非极性分子分子的极性及影响因素键的极性原子间电负性差异导致电子云偏向电负性较大的原子，形成极性共价键电负性差异越大，键的极性越强分子的空间构型即使含有极性键，如果分子具有对称的空间结构，各键的偶极矩可能相互抵消，整个分子仍为非极性偶极矩的矢量合成分子的总偶极矩是各个键偶极矩的矢量和只有当矢量和不为零时，分子才显示极性极性对性质的影响极性分子具有较强的分子间作用力，通常熔沸点较高，易溶于极性溶剂，符合相似相溶原理共价键的极性与分子极性

0.4极性键界限电负性差异大于

0.4时形成极性共价键

1.7离子键界限电负性差异大于

1.7时趋向形成离子键°

104.5水分子键角孤电子对压缩导致的实际键角0对称分子偶极矩高度对称分子的净偶极矩为零电负性是原子在分子中吸引电子能力的度量当两个电负性不同的原子形成共价键时，电子云会偏向电负性较大的原子，形成极性共价键然而，分子的整体极性不仅取决于键的极性，还取决于分子的空间构型和各键偶极矩的矢量合成结果分子的杂化轨道理论杂化sp³1一个s轨道与三个p轨道杂化，形成四个等价的四面体杂化轨道杂化sp²2一个s轨道与两个p轨道杂化，形成三个共面的杂化轨道杂化sp3一个s轨道与一个p轨道杂化，形成两个直线型杂化轨道杂化轨道理论解释了分子的空间构型和键角当原子形成分子时，原子轨道会重新组合形成杂化轨道，这些杂化轨道的形状和方向性更适合形成稳定的化学键杂化类型的判断主要根据中心原子周围的电子对数目，这与VSEPR理论相互印证分子轨道理论基础轨道组合原理1两个原子轨道线性组合形成分子轨道，产生一个成键轨道和一个反键轨道成键轨道能量低于原子轨道，反键轨道能量高于原子轨道2第一周期分子H₂分子只涉及1s轨道的组合，形成σ₁s成键轨道和σ*₁s反键轨道电子填入成键轨道使分子稳定存在，而He₂因成键和反键轨道都被填第二周期分子3满而不稳定涉及2s和2p轨道的组合，形成更复杂的分子轨道能级图σ和π轨道的形成解释了多重键的本质和分子的磁性质分子间作用力色散力（伦敦力）偶极偶极力-所有分子都存在的最弱作用力极性分子间的静电作用•瞬时偶极引起的相互作用12•永久偶极间的相互作用•随分子量增大而增强•比色散力强但比氢键弱氢键作用力强度最强的分子间作用力43氢键偶极-偶极力色散力•氢原子与电负性大的原子结合•显著影响物质的物理性质氢键的本质与实例水的氢键网络双螺旋结构蛋白质二级结构DNA水分子间形成的氢键网络使水具有异常DNA中腺嘌呤与胸腺嘧啶间形成两个氢蛋白质中的α-螺旋和β-折叠结构都是通高的沸点（100°C）如果没有氢键，键，鸟嘌呤与胞嘧啶间形成三个氢键过氢键维持的主链中的羰基氧与氨基根据分子量推算，水的沸点应该在-这些氢键稳定了DNA的双螺旋结构，同氢之间形成的氢键决定了蛋白质的稳定80°C左右氢键还解释了冰的密度比液时又足够弱，可以在复制时断开构象态水小的现象固体的结构简述分子晶体分子通过范德华力结合形成的晶体，如冰、干冰等熔沸点较低，硬度小，不导电晶体中保持分子的完整性，分子间作用力相对较弱离子晶体正负离子通过离子键结合的晶体，如NaCl、CaF₂等具有高熔点、高硬度、脆性固态时不导电，熔融态或溶液中能导电金属晶体金属原子通过金属键结合的晶体具有良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽电子在晶格中自由移动形成电子海原子晶体原子通过共价键形成的空间网状结构，如金刚石、石英等具有极高的熔点和硬度，一般不导电（除石墨等特例）能带理论与固体分类导体特征半导体特征绝缘体特征价带和导带重叠或部分填充，电子可价带与导带之间存在较小的禁带宽度价带与导带之间存在很大的禁带宽度以自由移动在导体中，费米能级位（通常1-3eV）在室温下少量电子（通常3eV）在常温下电子几乎于能带内部，电子容易获得能量跃迁可以从价带激发到导带，产生有限的不可能从价带跃迁到导带，因此不导到更高能级，因此具有良好的导电导电性电性•电阻率中等（10⁻³-10⁹Ω·m）•电阻率很高（10¹²Ω·m）•电阻率很低（10⁻⁸-10⁻⁶Ω·m）•温度升高电阻减小•禁带宽度大•温度升高电阻增大•典型例子硅、锗、砷化镓•典型例子陶瓷、玻璃、橡胶•典型例子铜、银、金等金属分子的动态特性分子振动分子转动平移运动分子中原子围绕平衡位置的分子作为整体围绕其质心的分子质心在空间中的移动，周期性运动，包括伸缩振动转动运动转动能级与分子这种运动决定了气体分子的和弯曲振动振动频率与化的转动惯量相关，线型分子扩散和温度相关的动能平学键强度和原子质量相关，和非线型分子的转动特征不移动能直接与温度相关这是红外光谱的理论基础同共振结构某些分子可以用多个Lewis结构表示，真实结构是这些共振结构的杂化体共振稳定化能使分子更加稳定分子动力学基础气态分子运动完全自由的随机运动1液态分子运动2受限制的平移和转动固态分子运动3主要为振动运动温度与运动4温度反映分子平均动能分子动力学理论描述了不同聚集态下分子运动的特征在气态时，分子间距离很大，相互作用力很弱，分子可以自由运动液态时分子间距离适中，存在一定的相互作用，分子运动受到限制但仍能相对移动固态时分子被束缚在固定位置，主要进行振动运动热力学对分子结构的影响稳定性评估分子的热力学稳定性由其相对能量决定能量越低的结构越稳定，在平衡条件下占主导地位活化能概念分子从一种构型转变为另一种构型需要克服能量障碍，这个障碍就是活化能活化能决定了反应速率反应活性关联分子结构影响其反应活性，具有高能量、不稳定结构的分子通常更容易发生化学反应多重键与分子的稳定性三重键特征1最强但最短的共价键，如C≡C、C≡N键能最高但反应活性较强双键特征2由一个σ键和一个π键组成，如C=C、C=O比单键短且强单键特征3最长但最稳定的共价键，可以自由旋转，如C-C、C-H共振结构某些分子具有共振结构，实际结构介于极限结构之间，获得额外稳4定性化学键的多重性直接影响分子的稳定性和反应性虽然多重键的键能更高，但π电子云的存在使得多重键通常比单键更容易发生化学反应共振结构的存在可以使分子获得额外的稳定化能，这解释了苯环等芳香化合物的特殊稳定性分子的官能团及其性质官能团是决定有机化合物化学性质的原子团相同官能团的化合物通常表现出相似的化学性质，这是有机化学分类和预测反应的基础例如，所有含羟基（-OH）的化合物都表现出醇的特性，能够发生氧化、酯化等反应官能团的电子结构决定了其反应活性含有孤对电子的官能团（如羟基、氨基）通常表现为亲核试剂，而含有空轨道或正电荷的基团则表现为亲电试剂理解官能团的性质对于预测和设计有机反应至关重要分子的光谱性质红外光谱原理紫外可见光谱原理-分子振动能级的跃迁产生红外吸收不同化学键的振动频率电子在分子轨道间的跃迁产生紫外-可见光吸收共轭体系不同，形成特征的红外吸收峰C-H、O-H、C=O等键都有的存在降低了电子跃迁所需的能量，使吸收向长波长移动特定的吸收频率范围红外光谱是鉴定分子结构的重要工具，通过分析吸收峰的位有机分子的颜色与其电子结构密切相关扩展的π共轭体系置、强度和形状，可以确定分子中存在的官能团和化学键类使分子能够吸收可见光，从而呈现颜色这解释了为什么苯型并芘等多环芳烃呈现深色结构与物质的性质基础案例——₂的极性特征₂的非极性特征H OCO水分子的折线型结构和O-H键的极性二氧化碳的直线型对称结构使其成为1使其成为强极性分子，具有高沸点、非极性分子，常温下为气体，溶解性2良好的溶解能力有限宏观性质表现分子间作用力差异4结构差异导致两者在聚集态、溶解3水分子间形成氢键，而CO₂分子间只性、化学反应性等方面截然不同有较弱的色散力结构与熔沸点关系结构对溶解性的影响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是因为相似的分子间作用力使得溶解过程在热力学上有利氢键的作用能形成氢键的物质通常在水中有良好的溶解性醇、胺、羧酸等含有-OH、-NH₂、-COOH基团的化合物都能与水形成氢键分子大小的影响即使含有极性基团，当非极性部分过大时，整个分子的溶解性会下降如长链脂肪酸在水中的溶解性很差离子化合物特例离子化合物的溶解性取决于晶格能和水合能的平衡晶格能小、离子水合能大的化合物更易溶解金属与非金属分子的结构差异金属结构特征非金属分子特征金属中存在离域电子，形成电子海模型电子不属于特定非金属化合物中电子通常被局域在特定的原子或化学键上原子，可以在整个金属晶格中自由移动这种离域化使金属共价键具有明确的方向性和饱和性，决定了分子的特定几何具有良好的导电性和导热性构型金属键没有方向性和饱和性，因此金属原子可以与多个邻近局域电子使得大多数共价化合物不导电，只有在特殊情况下原子结合，形成紧密堆积的晶体结构这种结构赋予金属良（如石墨中的离域π电子）才具有导电性分子间通过较弱好的延展性和可塑性的范德华力结合，因此通常熔沸点较低分子结构的预测与模型构建球棍模型空间填充模型用球代表原子，棍代表化学按原子的范德华半径比例显键的模型能够清晰显示原示分子的真实大小和形状子的连接方式和分子的基本能够展示分子的空间占据情几何形状，便于理解化学键况和表面特征，有助于理解的方向性和分子的空间构型分子间的相互作用分子建模软件现代计算化学软件如ChemDraw、Gaussian、VMD等可以精确计算和预测分子结构通过量子力学计算优化分子几何构型，预测物理化学性质结构决定色与味1颜色的分子基础有机分子的颜色源于其电子结构，特别是共轭π电子系统扩展的共轭体系降低了HOMO-LUMO能级差，使分子能够吸收可见光而呈现颜色2气味的结构依赖分子的气味与其形状、大小和官能团密切相关嗅觉受体识别特定的分子结构特征，相似结构的分子往往具有相似的气味特征3味觉的分子机制甜味、苦味等味觉是分子与味觉受体结合的结果分子的立体结构、氢键能力和疏水性区域都影响其与受体的结合能力和味觉强度生物大分子的结构层次一级结构蛋白质的氨基酸序列，由肽键连接形成多肽链这是蛋白质结构的基础，决定了所有高级结构的形成不同的氨基酸序列产生不同的蛋白质功能二级结构局部的规则空间结构，如α-螺旋和β-折叠片这些结构通过主链原子间的氢键稳定，是蛋白质折叠的重要中间层次三级结构整个多肽链的三维空间构型，通过侧链相互作用形成包括疏水作用、氢键、离子键和二硫键等多种相互作用力的综合结果四级结构多个多肽链组装形成的复合体结构不同亚基通过非共价相互作用结合，形成具有特定生物功能的蛋白质复合物材料科学中的分子结构设计高分子材料功能陶瓷复合材料智能材料通过设计分子链结构、通过控制晶体结构和缺将不同性质的组分在分分子结构能够响应外界支化度和交联密度来调陷分布设计具有特殊电子或纳米尺度上复合，刺激（温度、pH、光控聚合物的机械性能、学、磁学或光学性能的通过界面设计实现性能照等）发生可逆变化的热稳定性和加工性能陶瓷材料原子的排列的协同增强分子间相材料通过分子设计实分子量分布和立体规整方式决定了材料的能带互作用决定了复合效现形状记忆、自修复等性是关键参数结构和功能特性果功能纳米材料的分子结构与特殊性质量子尺寸效应小尺寸效应电子运动受到尺寸限制晶格结构发生变化•能级从连续变为分立•熔点降低表面效应宏观量子隧穿•光学性质可调控•比热容增大纳米材料表面原子比例极高纳米粒子的量子行为•量子点发光现象•磁性行为改变•表面能显著增加•隧穿电导现象•化学活性增强•单电子传输•催化性能改善•超导性增强2314环保与分子设计1生物降解材料设计设计含有易被微生物分解的化学键的聚合物，如聚乳酸（PLA）和聚羟基烷酸酯（PHA）这些材料在自然环境中能够完全降解为无害物质2无毒溶剂开发开发水基溶剂系统和离子液体替代传统有机溶剂通过分子设计降低挥发性和毒性，减少对环境和人体健康的危害3催化剂分子工程设计高效、选择性强的催化剂分子，提高反应效率，减少副产物生成仿生催化剂和单原子催化剂是重要发展方向4可再生原料利用从生物质中提取或合成功能分子，如纤维素衍生物、木质素基材料等通过分子改性提高性能，实现石油化工产品的绿色替代新药研发与分子设计靶点识别与验证确定疾病相关的蛋白质靶点，通过结构生物学手段解析靶点的三维结构理解靶点的活性位点特征和结合机制是药物设计的基础先导化合物发现通过高通量筛选、基于片段的药物发现或计算机辅助设计寻找具有活性的先导化合物评估其结合亲和力、选择性和初步的药理活性分子优化改造基于构效关系优化先导化合物的结构，改善其效力、选择性、药代动力学性质和安全性通过引入不同官能团调节分子性质临床前评价评估候选药物的体内外活性、毒性、药代动力学等性质通过动物实验验证药物的安全性和有效性，为临床试验做准备奇妙的氢键生活中的应用——遗传信息存储尼龙合成纤维纸张与纤维素DNADNA双螺旋结构中，腺嘌呤与胸腺嘧啶尼龙分子链间通过酰胺基团形成的氢键纸张的强度来源于纤维素分子间的氢键形成两个氢键，鸟嘌呤与胞嘧啶形成三使其具有优异的机械强度和弹性氢键网络纤维素分子上的羟基能够形成分个氢键这种特异性氢键配对确保了遗的存在使尼龙纤维在拉伸时能够承受很子间氢键，将纤维束缚在一起这种氢传信息的准确复制和传递，是生命延续大的应力而不断裂，广泛用于制造服键网络是纸张机械强度的主要来源的分子基础装、绳索等竞赛拓展分子轨道与反磁性顺磁性/反磁性物质顺磁性物质所有电子都配对的分子表现为反磁性，在外磁场中被微弱排含有未配对电子的分子表现为顺磁性，在外磁场中被吸引斥反磁性是所有物质都具有的性质，来源于电子轨道运动顺磁性的强度与未配对电子数目成正比，可以通过EPR波谱对外磁场的响应法检测典型例子包括大多数有机分子（如苯、甲烷）和闭壳层离子典型例子包括O₂分子（含两个未配对电子）、NO分子（含（如Na⁺、Cl⁻）反磁性的强度与分子中电子的数目和一个未配对电子）和大多数过渡金属配合物分子轨道理论轨道半径有关能够准确预测分子的磁性质。