【化学课件】探索分子与原子结构课件

探索分子与原子结构欢迎来到化学世界的微观之旅！在这节课中，我们将深入探索构成物质的最基本单位——分子与原子这是化学学科的核心主题，也是现代科学技术发展的重要基石课程导入什么是万物之源？自然界的奥秘探索的起点从巍峨的高山到浩瀚的海洋，从物质究竟由什么组成？这个古老微小的花朵到庞大的动物，自然而深刻的问题推动着人类科学探界中的一切物质都有着独特而精索的脚步，引领我们走向微观世密的内在结构界的神奇领域科学的力量百科引例一滴水的奥秘惊人的数字微观世界的启发一滴普通的水珠，体积约

0.05毫升，却包含着约

1.67×10²¹个水分这个简单的例子激发我们对微观世界的无限想象每一个水分子都在子这个天文数字超越了我们日常生活的想象范围不停地运动着，碰撞着，构成了我们所见到的液态水如果我们将这些水分子一个个排列起来，其长度将超过地球到月球距从这一滴水开始，我们将踏上探索分子与原子世界的奇妙旅程，发现离的数万倍，这充分展示了微观世界的神奇与浩瀚物质构成的基本秘密物质的微观粒子观分子的定义原子的概念粒子层次关系分子是保持物质化学性质的最小粒子它原子是化学反应中的最小粒子，是构成元从宏观到微观物质→分子→原子→亚原子是由两个或更多原子通过化学键结合而成素的基本单位它不能在化学反应中进一粒子，形成了一个完整的物质结构层次体的稳定结构单元步分割系分子具有特定的化学性质，决定了物质的原子可以单独存在，也可以与其他原子结理解这个层次关系是掌握化学基础知识的基本特征和反应行为合形成分子，是物质世界的基本构建模重要前提块早期物质观回顾1古希腊原子说公元前5世纪，古希腊哲学家德谟克利特提出了朴素的原子学说，认为物质由不可分割的微小粒子原子组成2传统连续论亚里士多德等学者主张物质是连续的，可以无限分割下去，这种观点长期占据主导地位3观念的局限由于缺乏实验手段，早期的物质观主要建立在哲学思辨基础上，缺乏科学实验的支撑和验证化学史上的分子假说道尔顿原子理论1803年，英国化学家道尔顿提出了近代原子理论，为现代化学奠定了理论基础•元素由不可分割的原子组成•同种元素的原子性质相同•化合物由不同原子按固定比例结合阿伏伽德罗分子假说1811年，意大利科学家阿伏伽德罗提出分子概念，区分了原子和分子，解释了气体反应的体积关系•分子是参与化学反应的最小单位•同温同压下，等体积气体含有相同数目的分子实验验证19世纪后期，通过大量化学实验和物理测量，科学家们逐步验证和完善了原子分子理论分子的主要特征质量与体积永恒运动相互作用每个分子都具有确定的质分子处于永不停息的运动分子之间存在相互作用量和体积，虽然极其微状态，运动速度与温度密力，包括吸引力和排斥小，但可以通过精密仪器切相关温度越高，分子力这些力的平衡决定了测量和计算分子的大小运动越剧烈，这是热力学物质的聚集状态和物理性通常以纳米或埃为单位的基础质组合多样不同原子可以按照各种方式组合成分子，形成了自然界中物质的丰富多样性和复杂的化学反应分子的运动现象影响因素分析微观机理解释温度越高，扩散越快，因为分子运动更加剧烈扩散现象观察扩散的本质是分子的无规则热运动红墨水分分子质量越小，扩散越快浓度差越大，扩散将一滴红墨水滴入清水中，我们可以观察到墨子和水分子都在不停地运动，相互碰撞，逐渐驱动力越强水逐渐散开，最终均匀分布在整个容器中这混合这些规律在工业生产、环境保护和生物过程中种现象称为扩散这个过程直接证明了分子运动论的正确性，为都有重要应用价值扩散过程是自发进行的，不需要外力搅拌，完我们理解物质的微观行为提供了有力证据全依赖分子的自然运动实现物质的混合分子的质量与大小×⁻⁶310²水分子质量单个水分子的质量约为3×10⁻²⁶千克，这个数字小得超出了我们的日常经验范围

0.28分子直径水分子的直径约为

0.28纳米，相当于1米的三十五亿分之一，需要特殊显微镜才能观察10²³数量级对比一滴水中的分子数量是10²³数量级，这个数字比地球上的沙粒总数还要多得多1836质量比例一个质子的质量约为一个电子质量的1836倍，显示了原子内部结构的不均匀性分子的可分性水分子完整电解分解在正常条件下，水分子保持其完整结构，通过电解过程，水分子被分解为氢原子和具有水的一切化学性质，包括能够溶解许氧原子，分别形成氢气和氧气分子多物质循环转换原子重组这个过程可以逆转，氢气和氧气在适当条分解得到的氢原子和氧原子可以重新组件下可以重新化合生成水，体现了物质转合，形成新的分子，展示了原子的不灭性换的可逆性和可组合性原子的定义及意义化学反应单位原子是化学反应中不可再分的最小粒子构成基础原子是构成分子和离子的基本单元元素本质每种元素都对应一种特定的原子类型原子概念的确立是化学发展史上的重要里程碑它不仅解释了物质的组成，还为理解化学反应的本质提供了理论基础原子的不可分割性是相对于化学反应而言的，在核反应中原子仍然可以发生变化原子的命名与分类氢元素碳元素最简单的原子，只有一个质子和一个电子，是宇生命元素的基础，能形成多样的化合物，是有机宙中最丰富的元素化学的核心重元素氧元素如金、铀等重元素，具有特殊的物理化学性质和支持燃烧和呼吸的重要元素，地球大气的重要组应用价值成部分目前已知的118种元素中，每种元素都对应一种特定的原子这些原子按照质子数的递增顺序排列在元素周期表中，展现出明显的周期性规律原子的结构初探金箔实验设计用粒子轰击极薄的金箔，观察粒子的散射情况α意外发现大部分粒子直接穿过，少数发生大角度偏转α模型提出原子中心有一个致密的原子核，周围是空旷的电子区域卢瑟福的金箔实验彻底改变了人们对原子结构的认识实验结果表明，原子并非如布丁模型所描述的那样是均匀分布的，而是具有明确的核壳结构这一发现为现代原子理论奠定了基础卢瑟福模型概述空间结构特点组成粒子分布原子的绝大部分空间是空的，质量几乎全部集中在体积极小的原子核原子核位于原子的中心，由质子和中子紧密结合而成，带正电核外中原子核的体积约占整个原子体积的万亿分之一电子在原子核周围的空间中高速运动这种结构类似于太阳系，原子核就像太阳，电子像行星围绕核心运电子的运动轨道不是固定的圆形路径，而是在一定的概率范围内分动，因此也称为行星模型布，形成电子云的概念原子的组成粒子粒子名称电荷性质相对质量在原子中的位置质子带正电（+1）1原子核内中子不带电

（0）1原子核内电子带负电（-1）1/1836核外空间这三种基本粒子的发现和性质确定是20世纪物理学的重大成就质子和中子构成原子核，决定了原子的质量；电子围绕原子核运动，决定了原子的化学性质质子、中子与电子的对比质量对比质子和中子的质量几乎相等，都约为

1.67×10⁻²⁷千克而电子的质量仅为质子质量的1/1836，显得极其轻微电荷性质质子带一个单位正电荷，电子带一个单位负电荷，两者电荷大小相等但符号相反中子不带电，保持电中性空间分布质子和中子紧密结合在原子核中，占据极小的空间但包含了原子的几乎全部质量电子在核外广阔空间中运动稳定性差异在原子核外，自由中子不稳定，会发生β衰变质子和电子在正常条件下相对稳定，是构成稳定原子的基础原子核和核外电子原子核构成原子核由质子和中子组成，通过强相互作用力紧密结合核力是自然界四种基本力中最强的力电子运动核外电子在原子核的库仑引力作用下，以极高的速度围绕原子核运动，速度可达光速的百分之一电子云概念现代量子力学描述电子的运动状态为概率云，不是确定的轨道，而是电子出现概率的分布能级结构电子在不同的能级上运动，能级越高离核越远电子可以在不同能级间跃迁，吸收或释放能量原子的电中性在正常状态下，原子中质子数等于电子数，也等于核电荷数由于质子带正电，电子带负电，且电荷大小相等，所以整个原子呈电中性这种电荷平衡是原子稳定存在的基础，也是物质宏观上呈电中性的微观原因当原子失去或得到电子时，就会形成带电的离子原子序数与元素种类原子序数定义元素性质决定原子序数等于原子核中质子的数原子序数决定了元素的基本化学性目，也等于核外电子的数目它是质相同原子序数的原子属于同一每种元素的身份证号，具有唯一种元素，具有相同的化学性质性元素周期表按原子序数递增的顺序原子序数从1（氢）到118（Og），排列，展现出元素性质的周期性变每个数字对应一种确定的元素化规律分类意义原子序数是元素分类和命名的科学依据它比原子量更能准确地反映元素的本质特征通过原子序数，我们可以预测元素的电子排布、化学性质和在周期表中的位置同位素概念氕（）¹H普通氢原子，原子核只含一个质子，是最简单的原子在自然界中含量最多，约占氢元素的

99.98%氘（）²H重氢原子，原子核含一个质子和一个中子在自然界中含量约

0.02%，是制造重水的原料氚（）³H超重氢原子，原子核含一个质子和两个中子具有放射性，半衰期约

12.3年，用于核聚变反应核外电子的分层排布层（第一层）1K距离原子核最近的电子层，最多可容纳2个电子K层电子结合能最大，最难失去2层（第二层）L第二个电子层，最多可容纳8个电子L层又可分为2s和2p亚层，电子填充遵循一定规律层（第三层）3M第三个电子层，最多可容纳18个电子包含3s、3p、3d亚层，结构更加复杂4更外层随着层数增加，电子层能量升高，距核距离增大，电子容量按2n²规律增长电子层结构规律电子排布与元素周期表周期性规律同一周期的元素，从左到右最外层电子数依次递增第一周期最外层电子数从1到2，第二周期从1到8这种递增规律直接反映在元素的化学性质变化上，从金属性逐渐过渡到非金属性族的特征同一族（纵列）的元素具有相同的最外层电子数，因此化学性质相似比如碱金属族最外层都有1个电子族序数通常等于最外层电子数，这个规律帮助我们快速判断元素的化学行为性质预测通过电子排布可以预测元素的金属性、非金属性、化合价以及形成化合物的类型最外层电子数决定了元素在化学反应中是倾向于失去电子、得到电子还是共用电子常见元素的电子排布示例氢（）氦（）碳（）氧（）H HeC O电子排布1（K层1个电电子排布2（K层2个电电子排布2,4（K层2电子排布2,6（K层2子）作为最简单的原子）K层已满，形成稳个，L层4个电子）最个，L层6个电子）最子，氢原子是研究原子结定的电子构型，因此氦是外层4个电子使碳能形成外层6个电子，倾向于得构的理想模型惰性气体多样的共价键到2个电子达到稳定结构元素化学性质与最外层电子活泼金属惰性气体最外层电子数1-3个最外层电子数8个（氦为2个）•易失去电子形成正离子•电子结构稳定，化学性质不活泼•具有良好的导电导热性•很难与其他元素化合•如钠、镁、铝等元素•如氦、氖、氩等元素中等活泼活泼非金属最外层电子数4个最外层电子数5-7个•既不易失去也不易得到电子•易得到电子形成负离子•主要通过共价键结合•或与其他原子共用电子•如碳、硅等元素•如氟、氯、氧等元素原子结构模型演化道尔顿模型1803年提出实心球模型，认为原子是不可分割的实心小球虽然简单，但确立了原子的基本概念汤姆逊模型1904年提出葡萄干布丁模型，认为原子是带正电的球体，电子像葡萄干一样嵌在其中卢瑟福模型1911年提出行星模型，原子核居中，电子像行星一样围绕原子核运动奠定了现代原子理论基础波尔模型1913年引入量子概念，提出电子在固定轨道上运动，解释了氢原子光谱，开创了量子力学先河波尔理论及原子能级量子化轨道能量跃迁波尔提出电子只能在特定的圆形轨道上运动，这些轨道对应不同的能当电子从高能级跃迁到低能级时，会释放出特定频率的光子，其能量量状态，称为能级电子在这些轨道上运动时不会辐射能量等于两个能级之间的能量差反之，电子吸收光子后可以从低能级跃迁到高能级每个轨道都有确定的半径和能量值，轨道半径与主量子数的平方成正比离核越远的轨道，电子的能量越高这个理论成功解释了氢原子光谱的线状特征，每条谱线对应一个特定的能级跃迁过程现代原子轨道理论电子云概念现代量子力学认为电子不是在固定轨道上运动，而是在原子核周围的空间中按一定概率分布，形成电子云波函数描述电子的运动状态用波函数ψ来描述，|ψ|²表示在空间某点找到电子的概率密度不同的波函数对应不同的轨道轨道形状s轨道呈球形，p轨道呈哑铃形，d轨道和f轨道形状更复杂这些轨道形状决定了分子的几何构型能级分裂除了主量子数外，还有角量子数、磁量子数和自旋量子数，四个量子数完全确定电子的运动状态分子结构初步化学键连接原子通过化学键相互结合形成分子原子组合两个或更多原子按一定方式结合稳定结构形成比单独原子更稳定的结构单元分子的形成是原子追求稳定电子构型的结果原子通过共用电子对、电子转移或金属键等方式结合，形成具有确定组成和结构的分子分子中原子间的结合力称为化学键，包括共价键、离子键和金属键等类型分子的几何形状线性分子折线形分子三角形分子如CO₂、BeCl₂如H₂O、H₂S等，如BF₃、SO₃等，等，原子呈直线排分子呈V字形，键中心原子周围有三列，键角为180°角小于180°孤电个原子呈等边三角这种结构使分子具子对的存在影响了形排列，键角为有对称性和特定的分子的几何形状120°物理性质四面体分子如CH₄、CCl₄等，中心原子周围四个原子呈四面体排列，键角为

109.5°，是最常见的分子构型之一分子模型展示水分子（₂）二氧化碳（₂）甲烷（₄）H OCO CH呈V形结构，键角约

104.5°氧原子的两对孤呈直线形结构，O-C-O键角为180°碳原子呈正四面体结构，H-C-H键角为

109.5°碳电子对使分子偏离线性结构，形成弯曲的几何与两个氧原子形成双键，分子具有对称的线性原子位于四面体中心，四个氢原子位于顶点，形状构型结构高度对称共价键及分子的形成原子靠近两个氢原子相互靠近时，各自的1s电子轨道开始重叠原子间距离逐渐缩小，电子云开始相互影响在这个过程中，核与核之间的斥力和电子与核之间的引力达到动态平衡电子配对两个氢原子的未配对电子形成共用电子对，自旋方向相反电子在两个原子核之间的区域出现概率增大共用电子对同时受到两个原子核的吸引，使得原子间形成稳定的化学键分子生成形成氢分子H₂，具有比两个单独氢原子更低的能量和更高的稳定性分子中原子间距离约为

0.74埃这种通过电子共享形成的化学键称为共价键，是分子中最常见的结合方式离子键与分子结构电子转移原子状态钠原子失去1个电子变成Na⁺离子，氯原子钠原子最外层有1个电子，氯原子最外层有得到1个电子变成Cl⁻离子，都达到稳定结7个电子，都不是稳定的八电子结构构晶体形成静电吸引大量正负离子按一定规律排列，形成离子带正电的Na⁺和带负电的Cl⁻通过静电引晶体，如食盐晶体的立方结构力相互吸引，形成离子键分子的表征方法分子式表示结构式表示分子式只表示分子中各种原子的数目，如甲烷的分子式为CH₄，表示结构式不仅表示原子数目，还显示原子间的连接顺序和化学键类型含有1个碳原子和4个氢原子甲烷的结构式清楚显示碳原子与四个氢原子的连接乙醇的分子式为C₂H₆O，表示含有2个碳原子、6个氢原子和1个氧原乙醇的结构式CH₃CH₂OH表明了碳链结构和羟基的位置，能够区分子，但不能显示原子间的连接方式同分异构体晶体中的分子结构分子晶体离子晶体由分子通过分子间作用力结合形成由正负离子通过离子键结合形成的的晶体，如冰、干冰等分子保持晶体，如氯化钠、氯化铯等具有完整性，通过较弱的范德华力结规律的几何排列结构合离子晶体一般熔点较高，硬度较分子晶体通常熔点较低，硬度不大，在水中容易电离导电大，在熔化时分子结构不发生变化共价晶体原子通过共价键在三维空间中连接形成的晶体，如金刚石、石英等具有网状共价键结构共价晶体硬度很大，熔点很高，一般不导电，化学性质稳定分子间作用力范德华力氢键物理性质聚集状态所有分子间都存在的微弱吸引氢原子与电负性强的原子（如分子间作用力决定物质的熔分子间作用力的强弱决定物质力，包括取向力、诱导力和色N、O、F）结合时产生的特殊点、沸点、溶解性等物理性在常温下的存在状态气态、散力距离越近，作用力越分子间作用力，比普通范德华质，但不影响分子内部的化学液态还是固态强力强键分子运动对宏观现象的影响分子的永恒运动是许多宏观现象的微观基础香水的扩散、气体的膨胀、物质的溶解、液体的蒸发等日常现象都可以用分子运动理论来解释温度升高时，分子运动加剧，扩散速度加快，气体体积增大这些看似简单的现象背后都蕴含着深刻的分子运动规律原子与分子的数量巨大×

6.0210²³阿伏伽德罗常数1摩尔物质所含的微粒数目，这个数字大得超出想象18水的摩尔质量18克水约含

6.02×10²³个水分子，相当于一汤匙的水量12碳的摩尔质量12克碳-12同位素恰好含有阿伏伽德罗常数个碳原子

22.4气体摩尔体积标准状况下，1摩尔气体的体积约为

22.4升化学反应中的原子守恒1反应物阶段反应开始前，反应物分子含有特定数目和种类的原子例如，氢气和氧气分子分别含有氢原子和氧原子2反应过程化学反应过程中，分子被拆解，原子重新组合化学键断裂和形成，但原子本身保持不变3生成物阶段反应结束后，生成物中原子的种类和数目与反应物完全相同，只是重新组合成新的分子4守恒规律质量守恒定律的微观基础就是原子守恒，这是配平化学方程式的理论依据原子的核外电子变化电子转移电子共享离子型化合物形成时发生共价化合物形成时发生•金属原子失去外层电子•原子间共用电子对•非金属原子得到电子•电子在原子间重新分布•形成正负离子•形成共价键能量变化原子核稳定电子重排伴随能量变化化学反应中保持不变•化学键断裂吸收能量•质子数不变•化学键形成释放能量•中子数不变•决定反应的热效应•原子种类不变。