【化学课件】分子结构与化学反应综合课件

分子结构与化学反应综合课件本课件适用于高中或大学化学课程，致力于理论与实际的充分结合我们将全面解析分子结构与化学反应之间的深层关系，帮助学生建立起微观世界与宏观现象之间的桥梁导入化学世界的微观本质分子是物质的基本单位化学反应的核心是分子结构变化分子保持物质化学性质的最小粒子，是我们理解物质世界的所有化学反应本质上都是分子基础结构的重新排列和组合过程结构影响反应为何如此重要？分子与原子的区别分子的定义原子的特征分子是保持物质化学性质的最小粒子，由两个或多个原子通过化原子是参与化学反应的基本单位，是化学变化中不可再分的最小学键结合而成分子可以独立存在，具有该物质的全部化学性粒子在化学反应中，原子的种类和数目保持不变，只是重新组质合例如，水分子由两个氢原子和一个氧原子组成，具有水的所有化水分子与氧气分子的对比很好地说明了这一点水分子含有氢原学性质，如能够参与酸碱反应、氧化还原反应等子和氧原子，而氧气分子只含有氧原子，两者的性质完全不同原子的结构简述电子云核电荷数电子在核外空间运动，形成电质子数等于核电荷数，决定元原子核子云，决定原子的化学性质素的种类和原子序数电子分层由质子和中子组成，集中了原子的全部正电荷和几乎全部质电子按能量高低分层排布，遵量循特定的排布规律电子排布与化学性质最外层电子决定性质最外层电子数直接影响原子的化学活性和反应倾向，是化学性质的决定因素八隅体规则原子倾向于获得稳定的电子构型，通常是最外层个电子的稳8定结构氖与钠的差异氖原子最外层已有个电子，化学性质稳定；钠原子最外层只8有个电子，易失去电子1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金属原子失去电子形成阳离子，学键，常见于非金属元素之间非金属原子得到电子形成阴离键能适中，具有方向性和饱和子，通过静电作用形成的化学性，是分子结构的主要构成方键键能较强，无方向性式金属键金属原子失去价电子形成金属阳离子，价电子在整个金属晶体中自由运动，形成电子海这种键合方式赋予金属特有的性质分子的空间构型1理论VSEPR价层电子对互斥理论，预测分子空间构型的重要理论基础2直线型分子如二氧化碳分子，键角为度，分子呈直线型排列1803折线型分子如水分子，由于孤电子对的排斥作用，呈现折线型结构4三角型分子如氨分子和甲烷分子，分别呈三角锥型和正四面体型分子的极性电负性差异产生极性当分子中原子间电负性差异较大时，会产生偶极矩，形成极性分子电负性是原子吸引电子能力的量度极性影响溶解性极性分子易溶于极性溶剂，非极性分子易溶于非极性溶剂，这就是相似相溶原理的微观解释极性决定反应性分子极性影响分子间作用力强弱，进而影响物质的熔沸点、化学反应活性等重要性质分子轨道理论简介分子轨道形成原子轨道重叠形成分子轨道能级分布成键轨道能量低，反键轨道能量高键与键σπ不同重叠方式形成不同类型化学键分子轨道理论从量子力学角度解释了化学键的本质原子轨道线性组合形成分子轨道，电子在分子轨道中运动这一理论能够很好地解释分子的稳定性、磁性等性质化学键的理论发展路易斯结构理论最早的共价键理论，用电子点式表示分子结构杂化轨道理论解释分子空间构型，预测键角和分子形状分子轨道理论从量子力学角度全面解释化学键本质和分子性质化学键理论的发展经历了从经验到理论、从定性到定量的过程每一次理论突破都加深了我们对分子结构和化学反应本质的理解，为现代化学的发展奠定了坚实基础路易斯结构与结构式电子点式表示成键电子对孤电子对用点表示价电子，线表参与形成化学键的电子不参与成键的电子对，示共价键，直观显示分对，决定分子中原子间影响分子空间构型和化子中电子分布情况的连接方式学性质结构式练习通过绘制₂、₃CO NH等分子的路易斯结构，掌握基本方法原子间相互作用力范德华力氢键分子间普遍存在的弱相互作用力，包括氢原子与电负性强的原子形成的特殊分色散力、诱导力和取向力子间作用力，强于一般范德华力水的异常性质聚集态性质氢键的存在使水具有异常高的比热容和这些弱作用力决定了物质的聚集态，影熔沸点，以及冰的密度小于水响熔沸点、粘度等宏观性质分子的稳定性因素436154键能键长C-H C-C单位为，键能越大分子越稳定单位为，键长与键能成反比关系kJ/mol pm6苯环电子数遵循规则的芳香性电子数4n+2分子稳定性主要由共价键能、键长以及特殊的共振结构决定苯分子是芳香性化合物的典型代表，其六个碳原子形成正六边形，每个碳原子都是杂化，形成大键体系sp²π共振结构的存在使苯分子比预期的更加稳定，这种额外的稳定性被称为共振能或离域能，是芳香性化合物的重要特征分子结构与物质性质物质结构特点主要性质应用领域二氧化硅三维网状结构硬度大、熔点建筑材料、光高纤石墨烯二维平面结构导电性强、柔电子器件、复韧性好合材料金刚石三维金刚石型极高硬度、绝切割工具、装结构缘性饰品分子结构直接决定了物质的宏观性质网状结构的物质通常具有较高的熔沸点和硬度，而层状结构的物质则表现出各向异性的特征分子的三维建模及测定射线衍射X通过晶体对射线的衍射图样确定分子三维结构X电子显微镜高分辨率观察分子和原子排列的直接方法光谱技术红外、核磁共振等光谱提供分子结构信息双螺旋发现DNA射线衍射技术在生物大分子结构解析中的经典应用X孤电子对与价层电子孤电子对是影响分子空间构型的重要因素水分子的氧原子有两对孤电子对，使得水分子呈现折线型结构，键角约为°氨分子的氮原

104.5子有一对孤电子对，使分子呈三角锥型孤电子对的存在还影响分子的极性和氢键形成能力水分子和氨分子都能形成氢键，这与它们的孤电子对密切相关，进而影响了这些物质的沸点、溶解性等重要性质轨道杂化理论详解多重键的分子结构单键结构双键结构三键结构乙烷分子中的单键，只含一个键，可乙烯分子中的双键，含一个键和一个乙炔分子中的三键，含一个键和两个C-CσC=CσC≡Cσ以自由旋转，分子构型灵活键，限制分子旋转，呈平面型键，分子呈直线型，反应活性最高ππ共振结构实例1碳酸根离子共振2苯分子的共振三个氧原子等同，电荷平均分六个碳原子形成的环状结构，布，实际结构是各个共振式的电子完全离域，所有键πC-C杂化体，键长介于单双键之间键长相等，具有特殊稳定性3共振能的影响共振结构使分子比任何单一结构式都更稳定，降低了分子的总能量，影响反应活性分子间作用力决定物质状态气态分子间作用力很弱，分子运动剧烈，无固定形状和体积液态分子间作用力适中，分子排列相对有序，有固定体积但无固定形状固态分子间作用力强，分子排列高度有序，有固定形状和体积相变过程温度和压力变化导致分子间作用力强弱改变，引起物质状态转变化学反应的实质旧键断裂过程新键生成过程化学反应首先需要断裂反应物分子中的化学键，这个过程需要吸原子重新组合形成新的化学键，这个过程会释放能量，称为键形收能量，称为键解离能不同化学键的强度不同，所需的断键能成能新键的形成使产物分子达到稳定状态也不同反应的总能量变化等于断键吸收的能量减去成键释放的能量如断键过程通常是反应的限速步骤，决定了反应的活化能大小强果成键释放的能量大于断键吸收的能量，反应为放热反应；反之键难以断裂，反应速率较慢；弱键容易断裂，反应速率较快为吸热反应反应分类与机理取代反应加成反应一个原子或基团被另一个原子或基团取分子中的不饱和键与其他分子或原子结1代合重排反应消除反应分子内原子或基团重新排列，改变连接3从分子中消除某些原子或基团，形成不方式饱和键分子结构与反应路径反应物结构分析分析反应物的分子结构特点，确定反应活性位点和可能的反应方式电子密度分布、官能团性质等都影响反应路径选择过渡态结构形成过渡态是反应过程中能量最高的状态，其结构介于反应物和产物之间过渡态的稳定性直接影响反应的活化能和反应速率产物结构确定根据反应机理和热力学稳定性，确定最终产物的分子结构产物的稳定性影响反应的方向和平衡位置催化剂与活化能催化剂的作用机理催化剂通过提供新的反应路径，降低反应的活化能，但不改变反应的热力学性质酶催化的分子基础酶的活性位点与底物分子具有高度的结构互补性，实现高效专一的催化作用分子识别机制催化剂分子结构决定其对特定反应物的选择性，实现高效的分子识别和催化中间体与活性中心碳正离子中间体自由基中间体碳原子失去电子形成的带正电荷含有未配对电子的高活性中间中间体，具有空的轨道三级体，容易发生链式反应自由基p碳正离子比二级和一级更稳定，的稳定性与取代基的性质和数目因为有更多烷基的给电子效应密切相关碳负离子中间体碳原子得到电子形成的带负电荷中间体，具有一对孤电子对吸电子基团能够稳定碳负离子中间体电子效应与反应性诱导效应共轭效应超共轭效应通过键传递的电子效通过键体系传递的电键与键之间的相互作σπσπ应，距离越远效应越子效应，使电子离域分用，进一步稳定分子结弱，影响分子的极性分布，增强分子稳定性构和反应中间体布反应活性调控通过改变分子结构，调节电子效应，实现对反应活性的精确控制空间效应立体障碍大基团阻碍反应进行几何异构双键限制旋转产生顺反异构空间排斥原子间距离过近产生排斥作用空间效应在化学反应中起着重要作用立体障碍会阻碍反应物分子的接近，降低反应速率，甚至改变反应的选择性顺反异构现象很好地说明了分子空间结构对性质的影响顺式异构体由于相同基团在空间中靠近，往往不如反式异构体稳定这种空间效应在药物分子设计中尤为重要，不同的空间构型可能导致完全不同的生物活性反应速率与空间结构热力学与动力学热力学稳定性动力学可反应性由产物的相对能量决定，热力学稳定的由反应的活化能决定，活化能低的反应产物能量更低，更加稳定路径更容易进行竞争反应温度的影响同一反应物可能同时发生多个反应，产低温有利于动力学控制产物，高温有利物分布由动力学和热力学因素共同决定于热力学控制产物的形成分子的对称性与异构1结构异构分子式相同但原子连接方式不同，如正丁烷和异丁烷2几何异构双键或环状结构限制旋转产生的异构，如顺反异构3光学异构分子不能与其镜像重合，具有手性特征的立体异构4构象异构单键旋转产生的不同空间排列，能量差异较小分子立体化学基础手性碳原子连接四个不同原子或基团的碳原子，是产生光学活性的关键对映异构体互为镜像但不能重合的一对异构体，具有相同的物理性质但不同的光学活性旋光性质手性分子能够使偏振光的振动平面发生旋转，是重要的物理性质生物活性差异乳酸和丙氨酸的不同对映体在生物体内具有完全不同的生理功能分子结构与物质颜色共轭体系的形成分子中存在交替的单双键结构，电子可以在整个体系中离域分布，形π成大键体系共轭体系越长，电子离域程度越高π电子跃迁与吸光当光能等于分子轨道间的能级差时，电子发生跃迁并吸收相应波长的光共轭体系降低了轨道间能级差，使吸收波长向长波方向移动颜色的产生机理分子吸收特定波长的光后，反射或透射的光呈现互补色染料分子通常含有大的共轭体系，能够吸收可见光区域的光线高分子结构与反应链式结构模型2单体与重复单元聚合反应机理高分子由许多重复单元通过共价键单体是合成高分子的原料分子，重包括加聚反应和缩聚反应两大类，连接形成长链结构，分子量可达数复单元是高分子链中重复出现的基反应机理决定了高分子的结构和性万到数百万本结构单位质高分子材料的结构特性分子链排列链段运动性高分子链在空间中的排列方式决定了材料的宏观性质无规线团高分子链段的运动能力影响材料的玻璃化转变温度和力学性质状态下，分子链缠绕复杂，材料表现出橡胶弹性链段运动受到分子链刚性、侧基大小和分子间作用力的影响当分子链规整排列时，可以形成结晶区域，显著提高材料的强度和刚性大多数高分子材料都是结晶区和非结晶区的混合体结晶区中分子链排列整齐，链段运动受限，表现出较高的模量非结晶区中分子链排列无序，链段运动相对自由，表现出较好的韧性高分子化学反应机理链增长反应逐步增长反应活性种与单体快速加成，链长迅速增长，反官能团间逐步反应，分子量逐渐增加，反应应时间短时间较长结构调控交联反应通过控制反应条件实现对高分子结构的精确线型分子间形成化学键，构建三维网状结构调节分子结构与材料性能材料类型分子结构特点主要性能典型应用导电高分子大共轭体系电导率可调柔性电子器件π合成纤维线型分子链强度高、轻质纺织品、复合材料热塑性塑料线型或支化结可塑性好包装材料、日构用品热固性树脂三维网状结构耐热性强绝缘材料、胶黏剂高分子材料的性能与其分子结构密切相关导电高分子通过引入共轭体系实现电子传导，合成纤维通过分子链的取向排列获得高强度，这些都体现了结构决定性能的基本原理案例水的异常性质分子极性分析水分子呈折线型，氧原子电负性强，使键具有强极性，分子偶极O-H矩较大氢键网络形成每个水分子可形成个氢键，构建三维氢键网络结构，显著影响物理性4质冰的结构特殊性冰中氢键形成开放的六元环结构，使冰的密度小于液态水，这是极其罕见的现象生命意义水的异常性质对地球生命至关重要，冰浮于水面保护了水下生物的生存环境案例二氧化碳与硅酸的结构差异₂气体结构CO直线型分子，双键强度大，分子间作用力弱C=O₂网状结构SiO硅氧四面体通过共价键连接形成三维网状巨分子性质差异分析3结构差异导致₂为气体，₂为高熔点固体CO SiO虽然₂和₂分子式相似，但由于和原子大小和成键特性的差异，形成了完全不同的结构碳原子小，能形成稳定的键，因CO SiOC Siπ此₂为分子晶体硅原子大，难以形成键，只能通过键形成网状结构COπσ这个对比很好地说明了原子性质如何影响分子结构，进而决定物质的宏观性质理解这种结构性质关系是化学学习的核心内容-案例有机合成中的分子结构靶向设计选择性优化代谢稳定性根据生物靶点的结构特通过微调分子结构，提考虑药物在体内的代谢征，设计具有互补结构高药物对特定靶点的选途径，设计代谢稳定的的药物分子择性和亲和力分子结构合成可行性平衡分子设计的理想性与实际合成的可操作性生活实例聚乙烯与橡胶聚乙烯的线型结构橡胶的交联结构加工性能对比分子链呈线型排列，链间只有范德华力，通过硫化形成三维网状结构，具有优异的线型结构可热塑成型，交联结构一旦形成可塑性好但强度有限，广泛用于塑料袋和弹性和耐磨性，是轮胎和密封件的理想材难以重新加工，体现了分子结构对材料加容器制造料工性能的决定作用现代研究前沿分子机器设计能够执行机械功的分子装置，实现纳米尺度的精确操控，2016年诺贝尔化学奖获奖项目超分子自组装利用非共价相互作用，使分子自发组装成有序的超分子结构，应用于药物载体和功能材料智能响应材料能够感知环境变化并做出相应响应的材料，通过分子结构设计实现温度、等刺激响应pH分子纳米技术在分子水平上设计和制造功能器件，为未来电子学和医学带来革命性变化环境化学中的分子结构污染物结构分析生物降解机制不同结构的有机污染物具有不同的环境微生物通过特定酶系统分解污染物，降行为和毒性效应2解速率与分子结构密切相关环境修复技术绿色化学设计4利用分子结构特性，开发高效的污染物从源头设计易降解、低毒性的化学品，去除和转化技术减少环境污染荧光分子与传感技术荧光发光机理分子吸收光子后电子跃迁到激发态，回到基态时发射荧光，共轭结构是荧光产生的基础探针分子设计将荧光基团与识别基团结合，当与目标分子结合时荧光性质发生变化，实现高敏感检测生化检测应用荧光探针广泛应用于细胞成像、测序、蛋白质检测等生物医学领域DNA技术发展趋势向着更高灵敏度、更好选择性、更强生物相容性的方向发展分子结构预测与计算化学理论基础建立密度泛函理论（）为分子结构计算提供了量子力学基础通过求解DFT薛定谔方程，可以预测分子的几何构型、能量和性质计算方法选择根据分子大小和精度要求选择合适的计算方法小分子可用高精度方法，大分子系统需要平衡精度和计算成本软件工具应用现代计算化学软件如、等为研究者提供了强大的Gaussian VASP分子建模和计算平台，大大提高了研究效率常见误区解析空间构型误解反应性判断偏差常见错误是将分子式等同于分子单纯根据官能团判断反应性，而结构，忽略了三维空间构型的重忽略了分子整体结构的影响电要性实际上，相同分子式可能子效应、空间效应等因素都会影对应多种不同的空间结构响反应活性键长键角理解错误认为所有相同类型的化学键具有相同的键长和键角，实际上周围环境和杂化状态会显著影响键参数趣味知识诺贝尔化学奖与分子结构许多诺贝尔化学奖都与分子结构研究相关年，沃森、克里克和威尔金斯因发现双螺旋结构获奖年，克拉默、马库斯等人1962DNA1985因发现富勒烯₆₀获奖C这些重大发现不仅推进了基础科学的发展，更为人类社会带来了巨大变革结构的发现开启了分子生物学时代，富勒烯的发现推动了纳米DNA材料科学的发展。