分子与原子教学课件

分子与原子教学课件第一章物质的微观世界初探物质的世界远比我们肉眼所见的更加复杂和奇妙在这个章节中，我们将初步探索构成万物的微观粒子，理解分子与原子的基本概念，为后续深入学习奠定基础物质由微观粒子构成表象与本质基本单元实验证据物质看似连续均匀，实则由无数微小粒子组分子和原子是构成物质的基本单元，它们决通过气体扩散、溶解、布朗运动等现象，科成，这些粒子间存在空隙，处于持续运动状定了物质的基本性质和化学反应行为学家推断出微粒的存在，尽管我们无法直接态用肉眼观察看不见的分子在运动气体扩散实验布朗运动当我们打开香水瓶，香味会逐渐充满整年，植物学家布朗观察到花粉在水1827个房间这是因为分子在不断运动，从中的不规则运动，这一现象后来被解释浓度高的地方向浓度低的地方扩散为水分子撞击花粉导致的，间接证明了分子的存在分子与原子的定义分子的定义原子的定义关系与层次分子是保持物质化学性质的最小粒子例原子是化学变化中不可再分的最小粒子分子由原子组成，原子由更小的亚原子粒如，一个水分子（₂）具有水的全部化在化学反应中，原子不会被破坏，只会重子（如电子、质子和中子）构成这种层H O学性质，但将其分解为氢原子和氧原子后，新排列组合形成新的分子次结构展示了物质组成的复杂性这些性质就会消失经典科学家故事道尔顿的原子论约翰道尔顿（），英国化学家和物理学家，现代原子论的奠基人·1766-18441启发与灵感道尔顿受到气体混合研究的启发，思考物质组成的本质问题2理论提出年，道尔顿提出原子理论，认为元素由不可分割的原子组成，同一元素的1803原子性质相同，不同元素的原子性质不同3历史意义道尔顿的原子论奠定了现代化学的基础，为物质构成的微观认识提供了科学框架第二章原子不是不可分割的世纪末至世纪初，科学家通过一系列重要实验，推翻了道尔顿原子不可分1920割的假说，揭示了原子的内部结构1电子的发现年，英国物理学家汤姆森通过阴极射线实验发现了电子，证明1897J.J.原子内含有带负电的亚原子粒子2原子核的发现年，卢瑟福通过著名的金箔实验，发现原子中存在高度集中的正电1911荷区域，即原子核卢瑟福粒子散射实验α实验设计惊人发现卢瑟福让助手用放射性物质发射的大多数粒子几乎不偏转地穿过金箔，αα粒子（带正电的氦核）轰击极薄的金但极少数（约个中的个）被80001箔，并观察粒子的散射情况大角度反弹，有些甚至向后反射理论推断原子内部主要是空的，原子质量集中在体积极小的原子核中，原子核带正电，与α粒子相互排斥导致了反弹现象原子核微小而致密的中心实验结果科学意义大部分粒子直接穿过金箔，说明原•α子内部大多是空的少数粒子被大角度散射，表明存在•α密集的带正电中心这一中心体积不到原子的万亿分之一，•却集中了原子大部分质量原子核与核外电子原子核结构核外电子原子核由质子和中子组成电子带负电（单位电荷），质量••-1约为质子的质子带正电（单位电荷），中子1/1836•+1电中性电子在原子核周围高速运动，形成•电子云原子核虽小，却集中了原子以•

99.9%上的质量电子分布和排布决定了原子的化学性•质核内强相互作用力克服电磁排斥力，•使原子核稳定最外层电子参与化学反应，称为价•电子核电荷数与原子质量Z A0核电荷数质量数电荷平衡原子核内质子数，决定了原子核内质子数和中子数正常原子中，核电荷数元素的化学性质，在周期之和，近似等于原子质量，质子数电子数，使原Z==表中表示为原子序数表示为子整体电中性Z A电子层与排布电子层结构电子在原子核周围并非随机分布，而是按照能量大小排列在不同的电子层中第一层（层）最多容纳个电子•K2第二层（层）最多容纳个电子•L8第三层（层）最多容纳个电子•M18依此类推，外层容纳电子数量增加•最外层电子的重要性最外层电子（价电子）决定了原子的化学活性通常，最外层电子数为时（满足八隅8律），原子最稳定离子的形成中性原子质子数电子数，电荷平衡=电子转移原子失去或得到电子，打破电荷平衡离子形成形成带正电的阳离子或带负电的阴离子阳离子（正离子）阴离子（负离子）原子失去电子后，质子数电子数，带正电原子得到电子后，质子数电子数，带负电荷如钠原子（）失去个电子形成钠荷如氯原子（）得到个电子形成氯Na1Cl1离子（⁺）离子（⁻）Na Cl金属元素易失去电子形成阳离子，半径比原子小第三章分子的形成化学键的本质共价键形成化学键是原子间通过电子相互作用形当两个或多个原子共享电子对时，形成的稳定联系，使原子结合成分子或成共价键例如，₂分子中两个氢H晶体原子各贡献一个电子，共享形成一个电子对能量与稳定性共价键形成时释放能量，使体系达到较低的能量状态，增加稳定性原子通过形成共价键，使最外层电子达到稳定的八电子结构路易斯结构示意路易斯结构表示方法用元素符号表示原子核和内层电子•用点（）表示价电子•·用线（）表示共享电子对（共价键）•—单线表示单键，双线表示双键，三线表示三键•绘制步骤计算总价电子数

1.路易斯结构是表示分子或离子中原子间化学键和未共享电确定中心原子和骨架结构

2.子对的方法，由美国化学家路易斯于年提出G.N.1916连接原子，满足各原子价电子数

3.检查八电子规则是否满足

4.常见分子示例水（₂）二氧化碳（₂）甲烷（₄）H OCO CH弯曲分子，键角约°氧原子与两个氢原子线性分子，两个碳氧双键虽然键极性显著，四面体分子，键角约°碳原子与四个氢原

104.5C=O

109.5形成共价键，还有两对孤电子对极性分子，具有但由于分子对称，整体极性抵消在常温常压下为子形成单键非极性分子，溶解性差，是最简单的强大的氢键作用，决定了水的特殊性质气体，是重要的温室气体烃类化合物和天然气主要成分分子模型的优势与局限分子模型的优势分子模型的局限直观展示分子的空间结构和化学键静态模型无法展示分子的动态变化••帮助理解分子性质与结构的关系简化了电子云的复杂分布••预测分子的化学反应性和物理性质难以精确表达量子效应••辅助新材料和药物的设计开发对复杂生物大分子建模有困难••提供教学和科研的可视化工具随科学发展需不断更新完善••量子力学视角下的原子经典物理学的困境按照经典电磁学，带电粒子做加速运动会辐射能量，电子应该迅速坍缩进原子核，但实际上原子是稳定的量子理论的突破量子力学引入了能量量子化概念，认为电子只能占据特定的能级，不允许连续变化电子不再被视为粒子，而是具有波粒二象性的量子，其位置由概率分布描述电子云模型经典物理学无法解释为什么带负电的电子不会坍缩进带正电的原子核，也无法解释氢原子光谱的线状特征黑体辐射与能量量子化经典理论失败经典理论预测黑体在高频段应辐射无限能量（紫外灾难），与实验不符普朗克量子假说年，普朗克假设能量只能以最小单位（量子）传递，不允许连续1900hν变化理论成功量子假说完美解释了黑体辐射曲线，成为量子物理学的奠基石光电效应与爱因斯坦光子学说光电效应现象爱因斯坦的解释当光照射到金属表面时，能够激发电子逸出实验发现年，爱因斯坦提出光子学说，认为1905只有当光的频率超过阈值时，才能观察到光电效应光是由能量为的光子（能量包）组成的••hν光强度只影响逸出电子数量，不影响电子能量每个光子只能与一个电子相互作用••电子的最大动能与光频率成正比电子吸收光子全部能量，部分用于克服逃逸功，剩余转化为动能••氢原子光谱与玻尔模型玻尔的量子化轨道模型年，丹麦物理学家尼尔斯玻尔提出氢原子模型，引入三个量子假设1913·电子只能在特定的圆形轨道中运动，轨道能量是量子化的

1.在允许的轨道上运动时，电子不会辐射能量

2.电子从高能级跃迁到低能级时，发射能量为的光子

3.ΔE=hν玻尔模型成功解释了氢原子光谱，预测了谱线的波长，为量子力学的发展奠定了重要基础氢原子发射的光谱呈现出规律性的线状结构，经典物理学无法解释这种现象分子轨道理论简介基本概念分子轨道形成分子轨道理论认为，原子轨道重叠形两个原子轨道重叠可形成两个分子轨成分子轨道，电子在整个分子范围内道一个能量较低的成键轨道和一个运动，而不仅仅属于某个原子能量较高的反键轨道成键与反键电子占据成键轨道使分子稳定，占据反键轨道则使分子不稳定分子的稳定性由成键电子与反键电子的差值决定分子与原子在生活中的应用水与生命氧气与呼吸纳米材料水分子的独特结构使其成为生命之源其高氧分子是有氧呼吸的关键，通过血红蛋白运纳米材料的特殊性能源于原子排列方式碳比热容稳定环境温度，强溶解性支持生化反输至全身细胞在细胞内，氧气参与能量释原子不同排列形成金刚石、石墨、富勒烯和应，毛细作用帮助植物输送养分人体约放过程，维持生命活动所需的供应石墨烯等，具有截然不同的性质，广泛应用ATP由水组成，维持着生命活动于电子、医药、能源等领域60%实验演示与互动分子模型制作电子云模拟盐溶解过程使用彩色球和连接棒，学生可以构建水、二氧使用量子化学可视化软件，展示不同原子轨道通过计算机动画或实验演示，观察晶体化碳、甲烷等分子的三维模型，直观理解分子NaCl的电子云形状，帮助学生建立量子力学的直观溶解为⁺和⁻离子的过程，理解离子化几何构型Na Cl认识合物的性质课堂小结微观世界基础原子结构物质由分子和原子构成，分子是保持物质化学原子由原子核和核外电子组成原子核内有质性质的最小粒子，原子是化学变化中不可再分子和中子，核外电子按能级分布，最外层电子的最小粒子决定化学性质量子认识分子结构现代科学用量子力学解释原子结构，电子具有原子通过化学键结合形成分子，分子的几何构波粒二象性，其分布由概率波函数描述，能量型和电子分布决定了物质的物理化学性质是量子化的复习与思考题12基础概念辨析实验分析分子和原子的区别是什么？请举例说明元素和化合物在微观粒子组成卢瑟福粒子散射实验说明了什么？如果所有粒子都直接穿过金箔，αα上的不同这将说明原子结构是怎样的？34应用理解综合思考电子层排布如何影响化学性质？请解释为什么同族元素具有相似的化量子力学对原子结构的认识与经典物理有何本质区别？这种区别如何学性质影响我们对微观世界的理解？拓展阅读推荐科学家传记《原子的发现者卢瑟福传》•视频资源《量子革命先驱普朗克的科学人生》•中国大学原子结构与周期律《玻尔与量子物理学的诞生》•MOOC•科普视频量子力学十分钟入门《多学科天才道尔顿的科学贡献》••教材与专著实验演示看得见的原子世界•《化学原理》第章（原子结构专题）虚拟实验室原子与分子交互模拟•3-5•3D《量子化学导论》（微观粒子基础）•《物质结构》（适合高中生阅读的科普读物）•谢谢聆听！探索微观世界，开启科学之门。