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Chapter 2 物质结构基础第二章物质结构基础概述世界上种类繁多、琳琅满目的物质，呈现出不同的性质，为什么？因为微观结构的差异，结构决定性质！为深入了解物质的组成、掌握结构和性质变化规律、驾驭化学反应，必须研究物质微观结构。化学是研究物质的组成、结构、性质及化学变化的规律的科学。2.1物质的状态Threestatesofsubstance：solid，liquid，andgas。为什么要介绍？描述物质的性质与状态之间的关系。描述物质的多少(浓度)。例如：实际气体与理想气体更接近的条件是(?)。A.高温高压；B.低温高压；C.高温低压；D.低温低压。1)I...

第二章物质结构基础概述世界上种类繁多、琳琅满目的物质，呈现出不同的性质，为什么？因为微观结构的差异，结构决定性质！为深入了解物质的组成、掌握结构和性质变化规律、驾驭化学反应，必须研究物质微观结构。化学是研究物质的组成、结构、性质及化学变化的规律的科学。2.1物质的状态Threestatesofsubstance：solid，liquid，andgas。为什么要介绍？描述物质的性质与状态之间的关系。描述物质的多少(浓度)。例如：实际气体与理想气体更接近的条件是(?)。A.高温高压；B.低温高压；C.高温低压；D.低温低压。1)Idealgasandrealgas1.气体2)Equationofstateofidealgas①描述理想气体存在的量之间的关系的方程式：pV=nRTp(Pascales,Pa)-pressure；V(metercube,m3)-volume;n(moles)-thenumberofmoles；R(molegasconstant)-8.314kPa·m3·mol-1·K-1；T(Kelvin)-temperature。②简化形式a.atconstantnandT(Boyle’slaw)：p1V1=p2V2b.atconstantnandp(Charle’s-GayLussac’slaw)：V1/T1=V2/T2c.atconstantpandT(Avogadro’slaw)：V1/n1=V2/n2BoyleCharle’sGayLussacAvogadro③方程式的其他形式：pV=(m/M)RT，pM=ρRT④应用：求未知量，为生产服务。n一定时，p1V1/T1=p2V2/T2；n变化时，pV=nRT。例:实验测得310℃，1101kPa下单质气态磷密度2.64g·dm-3，磷的分子式是什么？解：pM=ρRTM=ρRT/p=127.1g·mol-1,则磷分子中的原子数=127/31=4，气态磷的分子式为P4。n=n1+n2+…，T=T1=T2=…，V=V1=V2=…，p=p1+p2+…。Dalton3)Dalton’slawofpartialpressureDalton’slawofpartialvolumen=n1+n2+…，T1=T2=…=T，p1=p2=…=p，V=V1+V2+…。2.Alltheoxygenin450gKClO3canbeconvertedtoO2byheatinginthepresenceofacatalyst.Iftheoxygenwerecollectedoverwaterat20℃and100kPa,whatwouldbethevolumeofgascollected?1.Agaseouscompoundiscomposedof85.7%bymasscarbonand14.3%bymasshydrogen.Itsdensityis2.28g/Lat300Kand101kPa.Determinethemolecularformulaofthecompound.4)Equationofstateofrealgas[p+--------](V-nb)=nRTa(V/n)2Vreal>Videal，preal证明

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了射线是一种带负电的微粒。表明任何物质的原子都可放出带负电荷的电子。由于整个原子是电中性的，因此，原子内部一定带等量电荷的正电微粒。那么，这些电荷是如何分布的？伦琴居里夫妇J.J.ThomsonJ.J.Thomson’s原子模型(1898)1898年，威廉·汤姆逊认为原子是由带正电荷的球体及沉浸在这个正电荷球体里的电子所组成。电子均匀分布在原子内，能自由地运动，并受到一个指向原子中心的电力作用。1904年，在W.汤姆逊模型的基础上，J.J.汤姆逊认为正电球中的电子是分布在一些同心球或同心球壳上，该模型俗称为“葡萄干面包”模型。+++++++++---------③E.Rutherford(1871--1937)的原子“含核模型”J.J.Thomson的学生、英籍新西兰物理学家卢瑟福用α粒子(He2+)轰击金箔，发现粒子绝大多数不会发生偏转，极少数被折射或被反弹回来。说明了原子中存在一个几乎集中了全部原子质量、而大小仅为原子大小万分之一的带正电荷微粒，即原子核。卢瑟福的原子“含核式模型”(1911年)：每个原子中心有一个带正电荷的体积很小的原子核，核外为电子所环绕；原子核所带的正电荷等于核外电子所带的负电荷数；整个原子呈电中性，原子的质量几乎全部集中在原子核上。到此为止，在总结前人认识的基础上，结合当时的最新发现，由卢瑟福提出的原子模型应该是很完善的。该模型建立在Newton经典力学理论基础上。根据该理论，电子在运动速度改变时，要发射电磁波，能量降低。结果是：(1)发射光谱连续；(2)原子煙灭。NewtonE.RutherfordE.Rutherford’s原子模型(1911)continuousspectrum实际情况如何呢？continuousspectrum2)TheemissionspectrumofthehydrogenatomandBohrtheory①spectrallinesofatomichydrogen--linespectrum+-H2gasEMradiationlinespectra656.3nm486.1nm434.0nm410.2nmprism高压放电管氢原子没有煙灭及发射不连续光谱的事实，说明原子结构经典模型错误。氢、氦、锂、钠、钡、汞、氖的发射光谱(从上到下)氢原子光谱特点：不连续的线状光谱；谱线波长分布服从Balmer公式：--=R∞(----------)221n211λ式中，λ-波长，(m)，n-大于2的正整数。R∞-Rydberg常数，1.097373107m-1，n=3，Hα谱线，n=4，Hβ谱线，n=5，Hγ谱线，n=6，Hδ谱线。后又在紫外和红外区发现氢光谱的其他谱线，波长服从Rydberg公式：--=R∞(----------)n121n2211λn1、n2：为正整数，且n10，放热)（吸热为负，放热为正，与焓的相反）HHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSClArKCa-50-100050100-150-200-250150200250300350kJ/mol电负性表示原子在分子中吸引电子的能力，其值越大，吸引电子的能力越强。电负性变化规律：①同一周期从左到右，电负性增大；②同一主族自上而下，电负性递减；③副族元素电负性变化不明显。电负性判据：衡量元素金属性或非金属性的强弱。小于2，金属元素大于2，非金属同一元素氧化态不同，电负性不同。e.ElectronegativityFr0.7Cs0.79Rb0.82K0.82Na0.93Li0.98H2.20Ra0.9Ba0.89Sr0.95Ca1.00Mg1.31Be1.57At2.2Po2.0Bi2.02Pb2.33Tl2.04I2.66Te2.1Sb2.05Sn1.96In1.78B2.96Se2.55As2.18Ge2.01Ga1.81Cl3.16S2.58P2.19Si1.90Al1.61F3.98O3.44N3.04C2.55B2.04Rn---Xe---Kr---Ar---Ne---He---ElectronegativityincreasesElectronegativityIncreasesIAIIAIIIAIIBVIIA0IIIBVIIIIB失去电子的倾向增加层数增加核对外层电子的约束力减弱得电子的倾向增加层数减少核对外层电子的约束力增强核的电荷数减少，半径增加，失电子倾向增加核的电荷数增加，半径减少，失电子倾向减少易得电子形成稳态易失电子形成稳态规律相同但变化不明显2.3化学键(chemicalbond)diamond(金钢石)graphite(石墨)fullerene(富勒烯)分子是物质独立存在并保持其化学特性的最小微粒，物质的性质主要取决于分子的性质，而分子的性质是由分子的结构决定的。因此，要了解物质的性质，首先就要了解分子本身的结构-----化学键；同时还要了解分子间的作用情况----分子间作用力。化学键：大多数物质通过某种强的相互作用将两个或多个原子(离子)结合成分子，这种分子内相邻原子间的强烈的相互作用就称为化学键。分子间作用力：VanderWaalsforce，(hydrogenbond)1.离子键当电负性较小的活泼金属和电负性较大的活泼非金属元素相互靠近(反应)时，前者易失去电子成为正离子，后者易得到电子成为负离子，从而正负离子之间以静电引力结合在一起，形成了离子型化合物。ionicbondcovalentbondmetallicbond。化学键Cs+Cl-Na+Cl-生成离子键的条件：原子间电负性相差一般要大于2.0。Na++Cl-NaClNaCl(5)ioniccharge：离子电荷越高，对反离子的吸引力越大，化合物熔点越高。如CaO-2590℃；KF-856℃。(1)nature：electrostacticattractionbetweenanion(Mn+)&cation(Xn-)。(2)characteristics：non-directional，non-saturated。(3)r+/r-越大，周围异号离子越多。(4)ionicradii：d=r++r-吸引力(正负离子间)=排斥力(电子间、原子核间)离子半径越小，离子间的吸引力越大，离子化合物的熔点、沸点越高。r(pm)：60(Li+)95(Na+)133(K+)m.p.(℃)：1040(LiF)995(NaF)856(KF)r(pm)：99(Ca2+)133(K+)132(O2-)133(F-)(6)electronicconfigurationofion：2e：Li+--1s2；Be2+--1s28e：F---2s22p6；Cl---3s23p6；S2---3s23p6；O2---2s22p618e：Ag+--4s24p64d10；Hg2+--5s25p65d1018+2e：Sn2+--4s24p64d105s2；Pb2+--5s25p65d106s29~17e：Fe2+--3s23p63d6；Cr2+--3s23p63d3；Mn2+--3s23p63d52.共价键由相同原子形成的单质分子(如H2、O2、N2)和由电负性相近的元素原子形成的化合物(如HCl、H2O、NH3)不能用离子键理论解释。因为原子的核外电子间是互相排斥的，原子之间不应结合在一起。为了解释以上事实，可用共价键理论。当同种元素或电负性相差不是很大的不同种元素相互靠近(反应)时，一般以共价键结合形成共价单质或共价化合物，即生成分子的两原子分别提供未成对电子参与成键，这些电子为两者共有。共价键形成过程理论解释有两种：价键理论(valencebondtheory-VB)和分子轨道理论(moleculeorbitaltheory-MO)。1)价键理论①Lewis’sclassicaltheory(1916)：a)分子中原子通过共用电子对形成共价键。b)每个原子尽可能达到稳定的稀有气体原子的电子构型。不足：不能解释电子为什么不互相排斥。HH...OONN...②Heitler-Londontheory(1927)：用量子力学理论处理两个氢原子形成氢分子过程，体系能量变化情况。a)自旋相反的单电子原子可配对形成共价键；b)原子轨道成键满足最大重叠原理。R0D0ER-458KJ/mol74pma.电子配对原理：当两个原子各有一个自旋相反的未成对电子时，可配对形成稳定的、公用的共价单键。有两个或三个单电子可形成双键或三键。b.能量最低原理：自旋相反的单电子配对使体系能量降低。c.原子轨道最大重叠原理：原子轨道重叠越大，两核间电子概率密度越大，形成的共价键越牢固。价键理论基本要点：总之，价键理论认为，共价键是有自旋相反的电子配对，按原子轨道最大重叠方式形成，使体系能量最低。③Pauling-Slatertheory：对前两个理论加以系统化。4)propertiesofcovalentbond：原子轨道在空间的不同伸展方向决定了共价键具有方向性，也决定了共价分子的空间构型。HCl1s2p++ClHyx++--xy2pxHH2py1s1sH2OOa.结合力的本性是电性的。b.共用电子对不是固定在重叠区。c.saturated。d.directional。5)typesofcovalentbond-σbondandbondσbondbond正常共价键(表示“—”,σ—,—)配位共价键(表示“”,σ,)++--xpx-px+-x+px-s++xs-s++zzx--yypz-pz++--zzyypy-pyx例2：说明O2中的共价键类型。O2中的共价键为一个“σ–bond”、一个“π–bond”。zy+x-+---++Oxy+z+-+--+O+HHHHH2中的共价键为“σ–bond”。例1：说明H2中的共价键类型。N2中的共价键为一个“σ–bond”、两个“-bond”。例3：说明N2、CO中的共价键类型。OC+OCCO中的共价键为一个“σ–bond”、一个“-bond”、一个由O到C的“→bond”。zy+x-+---++Ny+zx-+---++N价键理论较好地说明了共价键的本性，但对分子结构中的某些特征仍不能进行圆满解释。如：C-1s22s22px12py1只能形成两个共价键，键角应为90º，实际上，在CH4、C2H4、C2H2中与其他原子都形成4个共价键。1s22s22px12py12pz0共价键参数键长：分子中成键两原子核间的距离。键角；分子中相邻两键间的夹角。键能：298.15K、100kPa时，断开单位物质的量的气态物质的化学能而生成气态原子所需的能量。2)hybridorbitaltheory①basicconcepthybridization：为提高成键能力使分子更稳定，不同类型的原子轨道趋向于重新组合成具有不同能量、形状、方向的新原子轨道(hybridorbital)。轨道杂化特征：(1)能量相近(ns-np)，(ns-np-nd)，[(n-1)d-ns-np];(2)成键能力增强;(3)轨道数目前后相同;(4)轨道空间取向不同.+xyzxyzhybridizationsorbitalpxorbitalxzyxzyxzy

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