分子和原子的教学课件2

分子和原子教学课件

（二）揭开物质微观世界的神秘面纱欢迎来到分子和原子的奇妙世界！在这个系列的第二部分中，我们将深入探索构成万物的基本单元从最初的原子理论到现代量子力学的解释，这段科学探索之旅充满了惊奇与发现第一章物质的微观粒子构成物质的本质是什么？为什么不同物质具有不同性质？这些问题自古以来就困扰着科学家现代科学告诉我们，一切物质都由极其微小的粒子构成，这些粒子就是分子和原子在本章中，我们将探讨•物质的微粒性质与证据•分子和原子的基本概念•物质状态与分子运动的关系•分子、原子的层级结构物质的微粒性分子的定义原子的定义微粒尺寸分子是保持物质化学性质的最小粒子例如，原子是化学变化中的最小粒子，是构成物质分子和原子非常微小，一般直径在

0.1-

0.5纳一个水分子仍然具有水的所有化学特性，但的基本单位原子参与化学反应，通过重新米之间（1纳米=10-9米）这意味着在一根如果将它分解为氢原子和氧原子，就失去了排列形成新的分子头发丝的直径上，可以排列数万个原子水的特性虽然肉眼无法直接观察到分子和原子，但通过各种实验和现代仪器（如扫描隧道显微镜），科学家已经能够看到并操控单个原子理解物质的微粒性是理解化学本质的基础生活中的物质形态水、空气、盐，背后都是分子和原子水空气H2O我们每天饮用的水是由水分子组成的每我们呼吸的空气主要由氮气N2和氧气O2个水分子由两个氢原子和一个氧原子通过分子组成这些气体分子高速无规则运动，共价键连接而成水分子的特殊结构使其彼此之间的距离相对较大，这解释了气体具有独特的性质，如高沸点、高比热容等，为什么可以被压缩这对生命存在至关重要食盐微观世界与宏观性质NaCl食盐不是由分子构成，而是由钠离子Na+不同物质的宏观性质（如硬度、溶解性、和氯离子Cl-按照固定比例排列形成的离导电性等）都与其微观结构密切相关通子晶体这种规则的排列赋予了食盐其立过研究分子和原子层面的结构，科学家能方体晶体形状够解释和预测物质的性质实验揭示微观粒子存在气体扩散实验液体蒸发现象布朗运动当打开香水瓶时，气味逐渐扩散到整个房间将水放在敞开容器中，会逐渐蒸发这是因为1827年，罗伯特·布朗观察到悬浮在水中的花这是因为香水分子在空气中不断运动，最终均水表面的分子获得足够能量挣脱其他分子的吸粉粒子做无规则运动这是由于水分子不断碰匀分布引，进入空气撞花粉粒子造成的这种扩散现象无法用连续物质模型解释，但可蒸发速率受温度影响，证明了分子运动与温度爱因斯坦在1905年对布朗运动的理论解释为以用分子运动理论很好地解释的关系分子存在提供了有力证据现代直接观测现代科学技术如扫描隧道显微镜STM和原子力显微镜AFM已经能够直接观察并操控单个原子1981年，IBM研究员使用STM首次拍摄到了单个原子的图像，彻底证实了原子的存在物质的三种状态与分子运动固态液态特点特点•分子紧密有序排列•分子排列较松散但仍接近•分子仅在固定位置振动•分子可自由移动但受限•分子间作用力强•分子间作用力中等•具有固定形状和体积•具有固定体积但形状可变例如冰、钢铁、岩石例如水、汽油、酒精气态特点•分子排列极其松散•分子高速无规则运动•分子间作用力很弱•体积和形状都可变例如空气、水蒸气、氢气状态变化与能量物质状态的变化与分子动能和分子间作用力的平衡有关加热时，分子获得更多动能，可能克服分子间引力，导致物质从固态变为液态，再变为气态这就解释了冰融化成水，水蒸发成水蒸气的过程分子和原子的层级关系原子核与电子1原子2分子3物质4物质由分子组成原子由原子核和核外电子组成大多数物质由分子构成，如水H2O、二氧化碳CO

2、葡萄糖C6H12O6等但某原子是由中心的原子核和围绕其运动的电子组成原子核占据了原子质量的绝大部分，些物质，如金属和离子化合物，不是由分子构成，而是由原子或离子直接构成但体积极小；电子质量很小，但占据了原子的大部分空间分子由原子组成原子核由质子和中子组成分子是由两个或多个原子通过化学键结合而成的稳定粒子例如，水分子由两个氢原原子核是由带正电的质子和不带电的中子组成质子数决定了元素的种类，而质子数子和一个氧原子组成；氧气分子由两个氧原子组成与中子数之和决定了同位素的种类第二章原子的结构探索原子的结构是如何被发现的？这是一个跨越数个世纪的科学探索故事从古希腊哲学家的猜想，到现代科学家的精确测量，人类对原子结构的认识不断深入在本章中，我们将探讨•原子理论的历史发展•关键实验与发现•原子核与电子的结构•原子质量与相对原子质量这段科学探索历程充满了惊人的发现和思想的飞跃，展示了科学方法的力量和人类智慧的光芒道尔顿的原子假说（世纪初）19道尔顿原子学说的主要内容•物质由不可分割的微小粒子—原子组成•同一元素的原子性质相同，不同元素的原子性质不同•化学反应只改变原子的组合方式，原子本身不变•化合物中的元素总是以简单的整数比结合道尔顿原子学说的历史贡献道尔顿将古希腊的原子思想与现代科学实验结合，将原子概念从哲学层面提升到科学层面他的原子学说为后来的化学研究奠定了基础，使化学成为一门定量科学尽管现在我们知道原子是可分的，但道尔顿的许多基本观点仍然正确，特别是关于元素、化合物和化学反应的本质道尔顿将不同元素的原子想象为具有不同质量的小球他创建了第一个元素符号系统，尽管与现代化学符号不同汤姆森发现电子（年）1897阴极射线实验葡萄干布丁模型约瑟夫·汤姆森通过研究阴极射线管中的放电现象，发现了电子的存在他观察到基于电子的发现，汤姆森提出了原子的葡萄干布丁模型•阴极射线被电场偏转向正极，说明其带负电•原子是均匀带正电的球体•通过测量偏转程度，计算出电荷与质量比e/m•带负电的电子嵌在其中，像布丁中的葡萄干•不同气体产生的阴极射线具有相同的e/m值•正电荷与负电荷数量相等，整个原子电中性这些观察结果表明，电子是所有原子中的共同组成部分，是比原子更小的带负电粒子卢瑟福粒子散射实验（年）α1909-1911实验设计与结果结论与原子核的发现卢瑟福和他的学生盖革、马斯登进行了著名的α粒子散射实验基于实验结果，卢瑟福提出了革命性结论•从放射源发射高能α粒子（氦原子核）•原子中心存在高度集中的正电荷区域——原子核•让α粒子穿过极薄的金箔（约几千个原子厚）•原子核体积极小但质量极大（占原子质量的

99.9%以上）•观察α粒子穿过金箔后的散射情况•电子围绕原子核运动，类似行星围绕太阳实验结果令人惊讶•原子内部大部分是空间，这解释了为何大多数α粒子•大多数α粒子（约99%）几乎不偏转地穿过金箔直接穿过•少数α粒子发生较大角度偏转•极少数α粒子（约1/8000）竟然被反弹回来卢瑟福形容这种情况就像向一张薄纸射击，子弹却反弹回来一样不可思议卢瑟福实验示意图粒子与金箔的α碰撞轨迹实验装置说明散射轨迹分析卢瑟福的实验装置主要包括α粒子与金箔原子核相互作用的可能情况•放射源提供高能α粒子（氦原子核）远距离通过α粒子远离原子核通过，几乎不受偏转•准直器将α粒子束聚焦成细束中等距离通过α粒子受到一定程度的库仑•金箔极薄的金属膜，厚度仅约为几千力作用，产生小角度偏转个原子正面碰撞α粒子几乎正面撞击原子核，受•荧光屏用于检测α粒子的散射位置到强烈的排斥力，大角度偏转甚至反弹•显微镜用于观察荧光屏上的闪光实验在真空环境中进行，以避免空气分子对由于原子核体积极小，正面碰撞的概率很低，α粒子轨迹的干扰这解释了为什么只有极少数α粒子发生大角度散射原子核的组成质子中子•带正电荷（+

1.6×10-19库仑）•不带电荷（电中性）•质量约为

1.673×10-27千克•质量略大于质子（

1.675×10-27千克）•数量决定元素种类（原子序数）•与质子通过强核力结合形成稳定原子核•同一元素的所有原子具有相同数量的质子•数量可变，形成同位素例如氢原子核有1个质子，氦有2个，碳有6个，铁有26个例如碳-12有6个中子，碳-14有8个中子，都是碳元素原子核的特性原子核虽然体积极小（直径约为10-15米，比原子小约10万倍），但集中了原子

99.9%以上的质量核内质子和中子排列紧密，被强核力紧密结合在一起强核力是自然界中最强的力，但作用距离极短（仅在10-15米量级有效）它能克服质子间的电磁排斥力，使原子核保持稳定核外电子的运动与排布电子的特性电子排布规律•带负电荷（-

1.6×10-19库仑）电子填充遵循一定规律•质量极小（

9.11×10-31千克，约为质子的1/1836）•低能级先填满•高速运动（接近光速）•同一能级电子尽量不配对（洪特规则）•具有波粒二象性•最外层电子决定元素的化学性质在正常原子中，电子数量等于质子数量，使原子整体呈电中性状态例如电子层结构•氢H1个电子在第一层•碳C2个电子在第一层，4个在第二层电子按能量层次分布在原子核周围，形成所谓的电子层或能级•钠Na2个电子在第一层，8个在第二层，1个在第三层•第一层（K层）最多容纳2个电子•第二层（L层）最多容纳8个电子•第三层（M层）最多容纳18个电子•第四层（N层）及以上更复杂的电子分布原子质量与相对原子质量原子质量的构成相对原子质量原子的质量主要集中在原子核，由质子和中子的质量构成相对原子质量是指一种元素的原子质量与碳-12原子质量1/12的比值（无单位）•质子质量约

1.673×10-27千克例如•中子质量约

1.675×10-27千克•电子质量约

9.11×10-31千克（可忽略不计）•氢的相对原子质量约为

1.008•氧的相对原子质量约为

16.00因此，原子质量近似等于质子数与中子数之和例如，碳-12有6个质子和6个中子，其质量约为12个原子质量单位•铁的相对原子质量约为

55.85原子质量单位元素的相对原子质量通常是考虑了自然界中各种同位素丰度的加权平均值相对分子质量由于原子质量极小，科学家定义了专门的单位•1个原子质量单位u等于碳-12原子质量的1/12相对分子质量是分子中所有原子的相对原子质量之和例如•1u≈

1.66×10-27千克•水H2O2×

1.008+

16.00=

18.016•二氧化碳CO

212.01+2×

16.00=

44.01第三章分子与原子的化学意义在理解了原子的基本结构后，我们需要探索原子如何结合形成分子，以及分子如何决定物质的性质这是理解化学本质的关键在本章中，我们将探讨•分子的结构与模型•化学键的形成机制•分子间作用力•离子的形成与性质•化学反应中的原子与分子角色通过这些内容，我们将建立起从微观结构到宏观性质的桥梁，理解为什么不同物质具有不同的性质，以及化学变化的本质分子结构模型路易斯结构共价键形成路易斯结构是表示分子中原子连接方式的简化模型共价键是通过原子间共享电子对形成的化学键形成过程遵循八电子规则（稳定的电子构型）•用元素符号表示原子•原子通过共享电子使最外层达到8个电子（类似惰性气体构型）•用点表示价电子•氢原子例外，只需2个电子（类似氦的构型）•用线表示共享电子对（化学键）根据共享电子对数量，共价键可分为路易斯结构可以帮助我们理解分子的电子分布和化学键类型•单键共享1对电子，如H—H例如，水分子的路易斯结构为•双键共享2对电子，如O=O•三键共享3对电子，如N≡NH—O—H其中，—表示共价键（共享电子对）电子点式结构电子点式结构更详细地显示了价电子的分布H·Ö·H其中，点表示电子，氧原子周围还有两对孤对电子常见分子示例水分子甲烷分子H2O CH4结构特点结构特点•两个氢原子与一个氧原子以共价键结合•一个碳原子与四个氢原子以共价键结合•分子呈V形，键角约

104.5°（非线性）•四个C-H键呈四面体排列，键角约

109.5°•氧原子一侧电子云密度大，形成极性分子•碳原子采用sp3杂化轨道形成四个等价键•极性导致水分子间形成氢键，赋予水独特性质•分子对称，电荷分布均匀，为非极性分子分子的结构决定了其性质例如，水分子的极性使其成为优良的溶剂，能溶解许多极性物质；而甲烷的非极性特性使其难溶于水但易溶于非极性溶剂分子间作用力氢键偶极偶极作用-当氢原子与强电负性原子（如F、O、N）结合时，形极性分子之间由于电荷不均匀分布而产生的吸引力成的特殊分子间引力•强度中等（约2-10kJ/mol）•强度较强（约20kJ/mol）•典型例子HCl分子之间，丙酮分子之间•典型例子水分子之间，DNA碱基对之间•影响影响物质的沸点、熔点和溶解性•影响提高沸点，影响溶解性，决定生物大分子分子极性越大，这种作用力越强结构氢键是水的特殊性质（高沸点、表面张力等）的根本原因范德华力由于电子云瞬时不对称分布导致的弱吸引力•强度较弱（约

0.5-5kJ/mol）•典型例子非极性分子之间（如N

2、CH4等）•影响决定惰性气体液化温度，影响分子晶体结构分子量越大，范德华力一般越强分子间作用力虽然比共价键弱得多，但对物质的宏观性质有决定性影响它们决定了物质的物理状态（气、液、固）、熔点、沸点、溶解性等关键性质离子的形成与电荷离子的定义与类型离子特性离子是带电的原子或原子团根据带电性质分•带电性离子带有正电或负电，可导电为•半径变化阳离子比原子小，阴离子比原子大阳离子失去电子后带正电的离子，如Na+、Ca2+、NH4+•稳定性离子通常比原子更稳定（具有惰性气体电子构型）阴离子获得电子后带负电的离子，如Cl-、O2-、SO42-•形成晶体离子间通过静电引力形成有序离子的形成晶体结构离子化合物离子形成的本质是原子通过得失电子达到稳定的电子构型（通常是满足八电子规则）离子化合物由正负离子通过离子键结合而成•金属元素易失去电子形成阳离子（如钠失•通常为晶体固体，熔点和沸点高去1个电子形成Na+）•固态不导电，熔融态或水溶液中导电•非金属元素易获得电子形成阴离子（如氯•易溶于水，难溶于非极性溶剂获得1个电子形成Cl-）例如NaCl、CaCO

3、MgSO4等钠与氯反应生成氯化钠初始状态反应前•钠原子Na最外层1个电子，不稳定•氯原子Cl最外层7个电子，不稳定这两种原子都不满足八电子规则，处于不稳定状态电子转移反应过程中，钠原子失去1个电子，氯原子获得1个电子•Na→Na++e-（钠原子失去1个电子）•Cl+e-→Cl-（氯原子获得1个电子）这个过程是自发的，因为反应后的体系能量更低，更稳定离子结合反应后•钠离子Na+最外层电子构型类似氖Ne，稳定•氯离子Cl-最外层电子构型类似氩Ar，稳定•Na+和Cl-通过静电引力形成离子键形成的NaCl是典型的离子化合物，以离子晶体形式存在氯化钠晶体中，Na+和Cl-以1:1比例交替排列，形成面心立方晶格结构每个离子被6个相反电荷的离子包围这种有序排列使晶体能量最低，结构最稳定钠和氯原子及离子结构示意图钠原子与钠离子氯原子与氯离子钠原子Na电子结构氯原子Cl电子结构•原子序数11•原子序数17•电子排布2-8-1•电子排布2-8-7•最外层1个电子（不稳定）•最外层7个电子（不稳定）钠离子Na+电子结构氯离子Cl-电子结构•失去1个电子后•获得1个电子后•电子排布2-8•电子排布2-8-8•呈现类似氖Ne的稳定构型•呈现类似氩Ar的稳定构型•离子半径（102pm）小于原子半径（186pm）•离子半径（181pm）大于原子半径（99pm）钠原子失去电子的趋势很强，因为这样可以获得稳氯原子获得电子的趋势很强，因为只需一个电子就定的电子构型能达到满层构型离子形成过程体现了原子追求稳定电子构型的普遍趋势这种稳定性主要由量子力学中的能量最小化原理决定分子和原子在化学反应中的角色分子的角色原子的角色分子是保持物质化学性质的基本单位，在化学反应中原子是化学变化中的最小粒子，在化学反应中•作为反应物和生成物•保持身份不变（元素守恒）•保持物质的化学特性•重新排列，形成新的化学键•发生碰撞，导致反应•通过共享或转移电子形成化学键•形成和断裂化学键•可形成离子参与反应例如，在燃烧反应中在任何化学反应中，原子数量守恒，仅仅是它们的排列方式发生了变化这是化学方程式平衡的基础CH4+2O2→CO2+2H2O甲烷分子和氧气分子碰撞，重新组合形成二氧化碳分子和水分子微观理解化学反应从微观角度看，化学反应本质是

1.分子间碰撞

2.原有化学键断裂

3.原子重新排列

4.新的化学键形成

5.能量释放或吸收量子力学视角下的原子从轨道模型到电子云模型原子轨道概念经典的玻尔模型将电子描述为围绕原子核在量子力学中，电子存在于称为原子轨道的行星式轨道，但这一模型存在多种缺陷的空间区域•s轨道球形概率分布•无法解释多电子原子的光谱•p轨道哑铃形概率分布•违背了不确定性原理•d轨道更复杂的形状•不能解释化学键的形成•f轨道最复杂的形状量子力学提出了电子云模型每个轨道由四个量子数描述•电子不在确定轨道上运动•主量子数n能级大小•只能描述电子出现在某区域的概率•角量子数l轨道形状•这种概率分布形成电子云•磁量子数ml轨道方向•自旋量子数ms电子自旋方向经典物理学与量子力学的转折年11900普朗克提出能量量子化假说，解释黑体辐射问题他假设能量不是连续的，而是以最小单位（量子）存在2年1905这打破了经典物理学能量连续变化的观念，开启了量子理论的先河爱因斯坦运用量子概念解释光电效应，提出光子photon理论他认为光不年3仅表现为波，也表现为粒子（光子）1913这进一步挑战了经典物理学的波动理论，引入了波粒二象性概念玻尔提出原子模型，解释氢原子光谱他假设电子只能在特定能级轨道运动，能量变化只能通过量子跃迁4年1923-1924这是第一个将量子理论应用于原子结构的模型德布罗意提出物质波假说，认为所有粒子（包括电子）都具有波动性年51925-1926这一假说后来被实验证实，为量子力学的发展奠定了基础海森堡提出矩阵力学，薛定谔提出波动方程，建立了现代量子力学的数学基础这两种表述后来被证明是等价的，共同构成了量子力学的理论框架量子力学的诞生是20世纪物理学最重大的革命之一，它彻底改变了人类对微观世界的认识虽然其概念违反直觉、难以理解，但它成功解释了经典物理无法解释的现象，并为现代技术（如激光、半导体、核能等）提供了理论基础电子云模型示意图，展示电子分布概率电子云模型的核心概念原子轨道的量子描述量子力学中的电子云模型描述了电子在原子中的分布特点薛定谔方程解出的原子轨道具有以下特点•电子不存在于确定的位置•s轨道球形对称，核外第一层仅有s轨道•只能描述电子在特定区域出现的概率•p轨道沿三个坐标轴方向的哑铃形，从第二层开始出现•概率分布形成云状区域•d轨道更复杂的形状，从第三层开始出现•电子云密度代表电子出现概率大小•f轨道最复杂的形状，从第四层开始出现•电子云形状反映原子轨道特性原子轨道的填充遵循能量最低原理和泡利不相容原理，形成元素周期表的周期性规律与经典物理学中电子的行星式轨道不同，电子云模型反映了微观粒子的量子特性电子云与化学键电子云模型成功解释了化学键的形成机制•共价键原子轨道重叠，电子云共享•离子键电子完全转移，形成离子间静电引力•金属键金属原子共享自由电子云教学小结物质的微粒构成原子结构化学变化本质•物质由分子、原子等微观粒子构成•原子由原子核和核外电子组成•化学反应是原子重新排列的过程•分子是保持物质化学性质的最小粒子•原子核含有质子和中子•化学键形成源于原子稳定性趋势•原子是化学变化中的最小粒子•质子数决定元素种类•分子间作用力影响物质宏观性质•微粒运动状态决定物质的物理状态•电子排布决定化学性质•元素在化学变化中守恒•量子力学解释电子分布规律通过本课程的学习，我们从微观角度理解了物质的构成及其变化规律这些知识不仅帮助我们理解自然现象，也是现代化学、材料科学、生物技术等领域的理论基础微观粒子虽然无法直接观察，但它们的行为决定了我们周围世界的一切性质从水的沸点到金属的导电性，从食物的味道到药物的疗效，都可以从分子和原子层面得到解释课堂互动分子和原子知识小测验选择题简答题

1.下列说法正确的是（）

1.简述卢瑟福α粒子散射实验的主要内容及其对原子结构认识的贡献•A.原子不可再分

2.解释为什么水的沸点比同周期的其他氢化物•B.分子是化学变化中的最小粒子（如H2S）高得多？•C.原子核占据原子的大部分体积

3.从微观角度解释物质的三种状态及其相互转化•D.原子的质量主要集中在原子核

2.下列微粒中，最外层电子数相同的是（）思考题•A.Na和Mg•B.Na+和Ne

1.如果没有中子，原子结构会有什么不同？这将•C.O2-和N3-如何影响物质的性质？•D.Cl-和S2-

2.为什么同族元素具有相似的化学性质？请从电判断题子结构角度解释

3.量子力学与经典物理学在解释原子结构方面有任何物质都是由分子构成的（错）哪些根本区别？原子核的体积很小，但质量占原子总质量的99%以上（对）氢键是一种特殊的共价键（错）拓展阅读与实验建议制作分子模型观看电子运动动画使用分子模型套件或自制材料，构建常见分子的三维模型推荐观看以下科学动画和视频资源•水分子H2O的V形结构•《原子世界探秘》系列科教片•甲烷CH4的四面体结构•《量子力学与原子结构》在线课程•二氧化碳CO2的直线型结构•《从道尔顿到薛定谔原子模型的演变》纪录片•苯C6H6的平面六边形结构•扫描隧道显微镜观察原子排列的实验视频通过亲手制作，加深对分子空间构型的理解这些视觉资源能帮助形成更直观的微观世界概念生活中的分子现象观察注意观察日常生活中的分子现象并思考其原理•水面上的张力现象（水滴在硬币上堆叠）•香水分子的扩散过程•水的三态变化（冰融化、水蒸发、水蒸气凝结）谢谢聆听！探索微观世界，开启科学之门分子和原子的世界虽然微小，但它们构成了我们所知的一切理解微观世界的规律，是我们认识自然、改造世界的基础希望本课程能激发您对科学的热爱和探索精神！。