【化学课件】利用分子结构理论探究物质性质的课件

利用分子结构理论探究物质性质本课主要内容与目标1了解主流分子结构理论2理解结构影响物质性质原理系统学习结构、理论、杂化轨道理论和分子掌握分子几何构型、化学键类型、分子极性等结构因素如Lewis VSEPR轨道理论等核心理论框架何决定物质的物理化学性质3掌握常用判别和分析方法培养结构性质相关分析能力-学会运用理论工具预测分子构型、判断物质性质，培养科学分析和推理能力为什么要研究分子结构结构决定性质指导新材料设计分析化学反应分子的空间构型和化学通过理解结构性质关分子结构理论为理解反-键分布直接决定了物质系，科学家能够有针对应机理、预测反应产物的宏观性质，性质反过性地设计具有特定功能和控制反应条件提供重来也能反映分子结构特的新材料要依据征经典结构性质案例导入-水分子的极性结构二氧化碳的非极性结构碳的同素异形体对比分子采用折线型构型，由于氧原子分子采用直线型构型，两个键金刚石中每个碳原子与四个碳原子形成H2O CO2C=O电负性大，形成极性分子分子间存在的偶极矩相互抵消，形成非极性分子杂化的共价键，构成三维网状结构，sp3强氢键，导致水具有异常高的沸点分子间只有较弱的范德华力，因此硬度极高但不导电石墨中碳原子采用CO2（°）和良好的溶解性这种结构在常温下为气体，沸点很低（杂化，形成平面层状结构，具有导电100C-sp2特征使水成为生命的基础溶剂°）性和润滑性

78.5C分子结构基本概念分子的空间构型化学键分布分子中原子在三维空间的排列方分子内原子间通过共价键、离子式，包括键长、键角和二面角等键或金属键相连，键的类型、数几何参数空间构型直接影响分目和强度决定了分子的稳定性和子的物理和化学性质反应活性原子核电子云模型-现代分子结构理论基于量子力学，将电子描述为概率云分布，通过波函数来描述电子在原子核周围的分布状态化学键类型简介共价键非金属原子间的电子共享•电子对共享离子键•轨道重叠金属与非金属间的电子转移形成分子化合物••电子完全转移金属键•库仑力结合金属原子间的电子海模型•形成离子化合物•电子自由移动•非定域化结合•导电导热性好结构与八隅体规则Lewis八隅体规则基础主族元素倾向于通过得失或共享电子，使最外层达到个电子的稳定构8型（氢为个电子）这是理解化学键形成的重要规则2结构绘制步骤Lewis首先计算总价电子数，确定中心原子，然后分配电子对形成化学键，最后用孤对电子填满各原子的价电子层典型结构实例Lewis以水分子为例有个价电子，两个各有个价电子，总共O6H18个电子与两个形成两个共价键，上还有两对孤对电子O HO价层电子对互斥理论（）VSEPR基本思想分子中心原子周围的价电子对（包括成键电子对和孤对电子）由于静电排斥，会尽可能远离彼此，从而决定分子的空间构型理论假设孤对电子的排斥力大于成键电子对，多重键视为单一电子对区域，排斥强度孤对孤对孤对成键对成键对成键对---预测方法确定中心原子的价电子对数目，根据电子对几何排布预测分子构型，考虑孤对电子对键角的压缩效应判定分子空间结构VSEPR线形构型1个电子对，如、，键角°2CO2BeCl21802三角形构型个电子对，如，键角°3BF3120四面体构型3个电子对，如，键角°4CH

4109.54三角双锥构型个电子对，如，轴向键角°，赤道键角°5PF590120八面体构型5个电子对，如，所有键角°6SF690分子极性与结构分子极性判断考虑分子构型和键极性偶极矩计算各键偶极矩的矢量和对称性分析对称分子通常为非极性电负性差异原子间电负性差决定键极性杂化轨道理论基础杂化sp3个轨道个轨道，四面体构型1s+3p杂化sp2个轨道个轨道，平面三角构型1s+2p杂化sp个轨道个轨道，直线构型1s+1p杂化轨道实例分析甲烷（）三氟化硼（）氯化铍（）CH4BF3BeCl2碳原子采用杂化，形成四个等价的硼原子采用杂化，形成三个键，铍原子采用杂化，形成两个sp3sp2B-F spBe-Cl键，分子呈正四面体构型，键角分子呈平面三角形构型，键角°键，分子呈直线构型，键角°这C-H120180°这种构型使得甲烷分子非常硼原子缺电子，容易与含孤对电子的分种直线型结构使得分子具有高度的对称

109.5稳定，是最简单的烷烃分子子结合形成配位化合物性分子轨道理论简介原子轨道组合能级分布两个原子轨道线性组合形成分子轨道，成键轨道能量低于原子轨道，反键轨道数目守恒能量高于原子轨道分子稳定性电子填充键级（成键电子数反键电子数）电子按能量递增顺序填入分子轨道，遵=-，键级越大分子越稳定循泡利原理和洪特规则/2分子的分子轨道能级与磁性O2顺磁性解释键级计算激发态分析分子在和反键轨的键级为，表明存分子轨道理论成功解释了的光O2π*2pxπ*2py O28-4/2=2O2道上各有一个未配对电子，根据洪在双键结构，与结构预测一谱性质和化学反应活性，特别是其Lewis特规则平行排列，使呈现顺磁致作为氧化剂的行为O2性共价键本质与多重键154单键长度C-C（皮米）pm134双键长度C=C（皮米）pm120三键长度C≡C（皮米）pm347键能C-CkJ/mol键与键判别σπ键特征σ轨道头对头重叠，电子云沿键轴对称分布，强度大，可自由旋转键特征π轨道侧对侧重叠，电子云在键轴两侧分布，强度较小，阻碍旋转多重键结构双键含个键个键，三键含个键个键1σ+1π1σ+2π共振结构与离域电子苯环共振碳酸根离子硝酸根离子苯分子的个电子在整个环状结构中离域⁻离子存在三种等价的共振结构，⁻离子通过电子离域形成稳定结6πCO3²πNO3π分布，形成稳定的共轭体系实际结构是电子在三个氧原子间离域分布，使得三个构，三个键具有相同的键长和键能，N-O两种极限结构的共振杂化体，所有键键长相等，增强了离子的稳定性体现了共振稳定化效应C-C C-O长相等分子的立体化学手性分子概念生物活性差异含有手性碳原子（连接四个不同基团的碳原子）的分子具有手对映异构体在生物体内往往表现出完全不同的生理活性例如，性，存在互为镜像但不能重合的两种立体异构体，称为对映异构左旋多巴可治疗帕金森病，而右旋多巴则无效这说明了分子立体体结构的重要性•左旋（）构型•酶的手性识别L-•右旋（）构型•药物的立体选择性D-•光学活性差异•天然产物的手性特征分子间作用力分类氢键的产生及对性质的影响氢键形成条件氢原子与电负性强的原子（、、）共价结合，并与另一个电F ON负性强的原子靠近对物理性质影响显著提高物质的熔点、沸点和粘度，如比沸点高约H2O H2S°100C3生物大分子结构维持蛋白质二级结构（螺旋、折叠）和双螺旋结构的α-β-DNA稳定性溶解性影响能形成氢键的物质在水中溶解度大，如醇类、糖类等离子极化与极化率极化现象极化能力规律在电场作用下，离子的电子云发阳离子电荷高、半径小的离子生畸变，正负电荷中心不重合，极化能力强；阴离子电荷高、产生偶极矩极化程度与离子的半径大、电子构型为电子型18大小、电荷和电子构型有关的离子易被极化对性质的影响离子极化增强了离子间的共价性，影响化合物的熔点、溶解性和颜色如因极化程度大而呈黄色且难溶于水AgI晶体结构类型与性质差异分子晶体原子晶体低熔点、质软、不导电极高熔点、极硬、不导电•范德华分子晶体•金刚石结构离子晶体金属晶体•氢键分子晶体•石英结构高熔点、硬而脆、熔融时导电•分子间力弱•碳化硅结构导电导热、延展性好•型结构•密堆积结构NaCl•型结构体心立方CsCl••闪锌矿结构•电子海模型2配位化合物的分子结构理论价键理论中心离子提供空轨道，配体提供电子对形成配位键晶体场理论配体产生的静电场使中心离子轨道发生能级分裂d颜色与磁性跃迁产生颜色，未配对电子数决定磁性d-d配位化合物实例络离子络离子异构现象[FeCN6]4-[AgNH32]+铁离子采用杂化，与六个氰离子形银离子与两个氨分子形成直线型配位化配位化合物存在几何异构（顺反异构）d²sp³成八面体构型的配位化合物由于氰离合物，采用杂化这种结构使得氯化和光学异构现象如存sp[Coen2Cl2]+子为强场配体，使得铁离子为低自旋状银在氨水中的溶解度大大增加在顺式和反式两种异构体，体现了立体态，表现为抗磁性化学的重要性物质性质与分子结构的综合影响因素宏观物理性质熔沸点、硬度、导电性等分子间相互作用氢键、范德华力、偶极力分子极性与构型偶极矩、对称性、空间排布化学键类型与强度离子键、共价键、金属键分子结构对熔点沸点影响/溶解性与分子结构相似相溶原理极性溶质易溶于极性溶剂，非极性溶质易溶于非极性溶剂这是由于相似的分子间作用力类型导致的极性的贡献极性分子能与水形成偶极偶极相互作用，增强溶解性如乙醇既有极-性羟基又有非极性烷基氢键的作用能够形成氢键的物质在水中溶解度通常很大，如糖类、醇类、胺类等含有羟基或氨基的化合物分子大小影响随着烷基链长度增加，醇类在水中的溶解度逐渐下降，体现了疏水作用的增强结构影响电导性金属晶体导电机理共价晶体的差异离子化合物特征金属中存在自由移动的电子海，在电场金刚石中所有价电子都参与共价键形固态离子化合物中离子被束缚在晶格作用下电子定向移动形成电流导电性成，无自由电子，因此不导电石墨具中，不能自由移动，因此不导电熔融与电子密度和迁移率有关，温度升高时有层状结构，层内存在离域电子，可以状态下离子可自由移动，具有导电性π电阻增大导电小分子气体的结构与属性分子特征分子特征CO2H2O直线型构型，分子非极性，只折线型构型，分子极性强，存有较弱的伦敦色散力常温下在氢键沸点异常高，具有极为气体，易液化，在水中溶解大的比热容，是优良的溶剂，度中等，能与水反应生成碳酸具有独特的密度温度关系-性质差异分析两种气体的溶解性、反应性和物理性质差异都源于其分子结构的不同的直线型和的折线型决定了它们截然不同的性质表现CO2H2O卤素分子的结构与性质溶解度规律极性与反应性在不同溶剂中的溶解度遵循相似相溶原分子间作用力递增所有卤素分子都是非极性的，但由于原子理在中溶解度大呈紫色，在水中I2CS2F2到I2，分子量增大，伦敦色散力增强，半径和电负性不同，它们的化学活性递溶解度小但可与形成络离子KI I3-导致物态从气体逐渐变为固体，颜色也从减，最活泼，相对稳定F2I2无色加深到紫黑色有机分子结构对性质影响1234烷烃特征烯烃特征炔烃特征支链效应只含单键和键，含双键，分子不饱含三键，高度不饱支链增多使分子更紧凑，C-C C-H C=C C≡C分子饱和，化学性质相对和，容易发生加成反应，和，既可发生加成反应，分子间作用力减弱，沸点稳定，主要发生取代反应双键附近电子密度高又可发生取代反应降低，辛烷值提高芳香族分子的结构与稳定性苯环结构芳香稳定性六个碳原子形成正六边形，每个碳原子离域电子系统使苯环具有特殊稳定π杂化，电子完全离域2性，不易发生加成反应sp2π取代反应共振能芳香环倾向于保持其稳定结构，主要发苯的实际结构比任何一个结构都Kekulé生亲电取代反应稳定约150kJ/mol氨基酸分子结构与功能两性离子结构侧链多样性氨基酸在生理下以两性离子种天然氨基酸具有不同的侧pH20形式存在，氨基质子化带正电，链基团，包括非极性、极性、R羧基去质子化带负电，分子整体酸性和碱性等类型，决定了蛋白呈电中性但内部有电荷分离质的多样性和功能特异性空间构象影响氨基酸的立体构象（型或型）决定其生物活性天然蛋白质只含型L DL氨基酸，这种手性选择性对生命过程至关重要材料化学中的结构性质关系-碳纳米管由石墨烯片卷曲形成的一维纳米材料，具有优异的力学性能和独特的电学性质单壁碳纳米管的导电性取决于其手性和直径，可以是金属性或半导体性石墨烯特性单层石墨烯是目前已知最薄的材料，具有极高的载流子迁移率和机械强度其独特的线性能带结构使电子表现出相对论性质，在电子器件中有广阔应用前景富勒烯分子以为代表的笼状碳分子，具有独特的球形结构其内部空腔可以包络其他原子或分子，在药物载体和超导材料方面显示出巨大潜力C60药物分子结构决定性状结构修饰效应分子识别机制副作用控制药物分子的微小结构变化可能导致药药物与受体的相互作用具有高度的结构通过优化分子结构可以提高选择性，减效、毒性和代谢的显著差异特异性和立体选择性少不良反应分析实例水和二氧化碳水的三相共存的临界现象CO2水分子间存在强氢键网络，使其具有异常的物理性质氢键的形分子为线型非极性分子，分子间只有较弱的范德华力其CO2成和断裂导致水在°和°分别发生相变冰的密度比临界温度较低（°），在常温常压下易升华这种性质0C100C

31.1C液态水小，这在自然界中具有重要意义使成为理想的制冷剂和萃取溶剂CO2•氢键网络结构•弱分子间相互作用•异常的密度温度关系•低临界点特性-•高比热容和汽化热•超临界流体应用分析实例金刚石和石墨10金刚石硬度莫氏硬度标准最高级0金刚石电导率绝缘体，不导电1石墨硬度莫氏硬度很低，质软10⁵石墨电导率，良好导体S/m实例氯化钠与氯化氢离子晶体特征分子晶体特征NaCl HCl和通过离子键结合形分子通过偶极偶极力和Na+Cl-HCl-成三维网状结构，每个离子被范德华力结合，分子间作用力六个反号离子包围强烈的库相对较弱，因此熔点极低（-仑作用力使其熔点高达°），常温下为气体114C°801C结构决定性质差异两种化合物虽然都含有氯元素，但由于化学键类型和晶体结构完全不同，导致它们的物理性质存在巨大差异，体现了结构决定性质的基本规律分子结构理论在新材料研发中的应用功能导向设计根据目标性能反推分子结构计算机辅助设计分子模拟预测材料性能合成路线优化3理论指导实验合成策略结构理论基础量子化学与分子力学前沿突破机器学习与分子属性预测大数据驱动基于海量分子结构和性质数据库，训练深度学习模型，实现结构性质关系的-自动学习和预测算法优化AI图神经网络、循环神经网络等先进算法能够更好地处理分子的拓扑结构信息，提高预测精度药物发现加速技术显著缩短新药研发周期，从数年减少到数月，大幅降低研发成本和风险AI材料创新在催化剂、电池材料、半导体等领域，辅助设计正在推动材料科学的革命性AI进展分子结构表征实验方法射线衍射核磁共振红外光谱X精确测定晶体结检测分子中不同通过分子振动频构中原子的三维环境下的原子率识别官能团，坐标，分辨率可核，提供分子连快速判断分子中达埃级别，是结接性和动态信存在的化学键类构生物学的重要息，特别适用于型和分子间相互工具溶液中的分子作用质谱分析测定分子质量和碎片离子，配合其他方法确定分子式和结构信息分子模拟与建模大分子折叠预测分子动力学模拟利用计算方法预测蛋白质从一级序列到三量子力学计算通过牛顿运动方程模拟分子的运动轨迹，级结构的折叠过程，这对理解生命过程和基于薛定谔方程求解分子的电子结构，预研究分子在不同温度和压力下的行为，揭药物设计具有重要意义测分子几何构型、能量和光谱性质密度示动态过程和相变机制泛函理论（）是目前最常用的方法DFT结构理论辅助反应机理分析过渡态理论反应过程中能量最高的中间态决定了反应的活化能和反应速率，通过计算过渡态结构可以理解反应机理反应路径分析分子结构变化路径影响反应选择性和产物分布，立体化学效应在决定反应结果中起关键作用催化剂设计理解催化剂表面结构与活性的关系，通过结构调控实现高效、选择性的催化反应典型反应实例、反应机理的立体化学差异，反应的协同机理，SN1SN2Diels-Alder都体现了结构对反应过程的决定作用结构性质反推与新物质设计-性质目标确定结构特征分析明确所需材料的具体性能指标，如导电基于已知的结构性质关系，确定实现-性、磁性、光学性质等2目标性质所需的分子结构特征合成验证分子设计优化4实验合成设计的分子，测试实际性质，运用计算化学方法设计和优化候选分子验证理论预测的准确性结构，预测其性质常见误区与注意事项忽略空间构型的误区过分依赖结构Lewis仅从分子式判断性质而不考虑三维结构例如，顺式和反式异构结构只是分子结构的简化表示，不能完全反映电子的真实Lewis体虽然分子式相同，但物理性质可能截然不同必须综合考虑分分布需要结合分子轨道理论和量子力学概念来全面理解分子结子的几何构型构•几何异构体性质差异•共振结构的误解•分子极性判断错误•忽略轨道杂化•忽略立体化学效应•电子离域化认识不足典型例题判定分子极性1。