结构与物性期末复习.ppt

1,结构和物性,期末复习,2,考试题型,名词解释（每题4分，共32分）简答题（每题6分，共30分）论述题（每题10分，共20分）计算题（共2题，18分）,3,第一章原子结构和元素周期性质,各种元素的原子按原子核中包含的质子数来区分，原子所含的质子数即为该原子的原子序数（Z）。元素是质子数相同的一类原子的总称。元素是原子种类的概念，原子则是体现元素的最小微粒。原子间通过化学键结合成分子，分子是物质中独立地、相对稳定的存在并保持其组成和特性的最小微粒，是参与化学反应的基本单位。,4,化学中常用不含时间的定态波函数(x,y,z)，在原子和分子体系中分别称作原子轨道（atomicorbital，AO）和分子轨道（molecularorbital，MO)；及其共轭复数*的乘积*（或2）称作电子云，它是空间(x,y,z)点附近粒子出现的几率密度；*d为(x,y,z)点附近体积元d（=dxdydz）中电子出现的几率。,5,一个合格的波函数必须满足单值性、连续性和有限性（即平方可积）等条件。单值，即在空间每一点只能有一个值；连续，即的值不会出现突跃，而且对x，y，z的一级微商也是连续函数平方可积，即波函数的归一化，也就是说，在整个空间的积分必须等于1,6,由量子力学处理微观体系可获得有关受一定势能场束缚的微观粒子的一些共同特征：粒子可以存在多种运动状态，可由1，2，n等描述相应于每个状态能量有确定数值，即粒子的能量只能为E1、E2、E3En等分立的数值存在零点能，不论什么体系处于基态时仍有一定的动能粒子的运动不存在经典的运动轨道而出现几率分布粒子分布呈现波性，可为正值、负值，也可为零。=0的点称为节点，节点多对应的状态能量较高。上述这些微观粒子的特性，统称为量子效应。,7,屏蔽效应第i个电子受到其余电子的排斥，相当于有i电子在原子中心与之相互排斥，抵消了i个原子核正电荷的作用，像是有一定屏蔽作用。,8,由屏蔽常数近似计算原子轨道能屏蔽常数的Slater估算法（适用于n14的轨道）：将电子按内外次序分组：1s2s,2p3s,3p3d4s,4p4d4f5s,5p某一轨道上的电子不受它外层电子的屏蔽，0同一组内0.35（1s组内0.30）相邻内层组电子对外层电子的屏蔽，0.85（d和f轨道上电子的1.00）更靠内各组的1.00。,9,穿透效应：电子避开其余电子的屏蔽，钻到近核区感受到较大的核电荷，使能量降低的效应。如n相同，l越大，能量越高：nsnpndnf,10,基态原子的电子排布,原子处在基态时，其核外电子排布遵循三个原则：保里不相容原理能量最低原理洪特规则,随核电荷数递增，大多数元素的电中性基态原子的电子按顺序填入核外电子运动轨道，叫做构造原理。,11,电子组态：由n,l表示的一种电子排布方式。电子填充的顺序：1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,7s,5f,6d。,12,气态电中性基态原子失去一个电子转化为气态基态正离子所需要的能量叫做第一电离能。一般用In作为电离能的符号，n=1，2，3，.分别叫第一电离能、第二电离能、第三电离能，.。电离能是原子或离子的能量与它失去电子得到的产物的能量之差,如:A(g)A+(g)+eI1=DE=E(A+)E(A)A+(g)A2+(g)+eI2=DE=E(A2+)E(A+),原子的电离能,13,稀有气体的I1总是处于极大值(完满电子层)，碱金属的I1处于极小值(原子实外仅一个电子)，易形成一价正离子；碱土金属的I1比碱金属稍大，I2仍较小，所以易形成二价正离子。除过渡金属外，同一周期元素的I1基本随Z增加而增大(半径减小)；同一族中随Z增加I1减小；因此周期表左下角金属性最强，右上角元素最稳定。过渡金属的I1不规则地随Z增加，同一周期中，最外层ns2相同。核电荷加1，(n1)d轨道加1个电子，所加电子大部分在ns以内，有效核电荷增加不多，易失去最外层的s电子。,14,原子的电子亲和能,气态原子获得一个电子成为一价负离子所放出的能量称为电子亲和能(负值)。电子亲和能的绝对值一般约比电离能小一个数量级，测定的可靠性较差；Y值随原子半径减小而增大，但电子间的排斥力相应增大，所以同一周期和同一族内元素的Y值都没有单调变化的规律；,15,在许多反应中，并非单纯的电子得失，单纯的形成离子。而是电荷的部分转移，或者说是电子的偏移。因而应该有一个量，综合考虑电离能和电子亲合能，可以表示分子中原子拉电子的能力的大小。用它来正确判断元素在化学反应中的行为。电负性是用以量度原子对成键电子吸引能力相对大小的结构参数。分子的极性越大，离子键成分越多，电负性也可看作是原子形成负离子倾向相对大小的量度。,原子的电负性,16,周期表中电负性的特点：金属的电负性小，非金属的电负性大，2可作为金属和非金属的分界点；同周期从左到右电负性增加，同族从上到下电负性减小；电负性差别大离子键为主，电负性相近的非金属元素以共价键结合，金属元素以金属键结合，还有过渡性化学键，电负性是研究键型变异的重要参数；稀有气体在同一周期中电负性最高。Ne的电负性最大(4.79)，几乎不能形成化学键；Xe(2.58)比F和O的电负性小，可形成氟化物和氧化物，Xe和C的电负性相近，可形成共价键。,17,电子能谱,电子能谱常用能量确定的光子或电子作激发源，照射样品使之电离，发射出电子，这些电子带有试样表面的信息，也具有特征能量，分析电离产生的电子的数量和动能（Ek），求得电子在样品中的结合能（Eb）：利用结合能（或动能）为横坐标，被激发电离产生的电子数目为纵坐标，所得的图谱称为电子能谱。,18,电子能谱的基本原理是光电效应当激发源照射到原子上，把能量传递给电子，电子获得能量从原子中发射出去，产生所测量的光电子信号内层电子发射后留下空穴，外层电子会跃迁到空穴并释放能量，这些释放出的能量有两种结局：一种是以荧光X射线的形式发射出去，一种是传递给另一个外层电子，激发它发射出去，产生Anger电子。,19,据激发源的不同，电子能谱又分为:紫外光电子能谱UltravioletPhotoelectronSpectroscopy(UPS)X射线光电子能谱X-RayPhotoelectronSpectroscopy(XPS)俄歇电子能谱AugerElectronSpectroscopy(AES),20,紫外光电子能谱UltravioletPhotoelectronSpectroscopy(UPS),21,利用紫外光作光源测量样品中电子的结合能或电离能，以求得分子或原子中价层电子所处能级及其分布情况。UPS可用来研究表面上分子或原子的轨道能级的高低和性质以及化学键的情况。由于光源能量较低，线宽较窄（约为0.01eV),只能使原子的外层价电子、价带电子电离，并可分辨出分子的振动能级,因此被广泛地用来研究气体样品的价电子和精细结构以及固体样品表面的原子、电子结构。,22,X射线光电子能谱X-RayPhotoelectronSpectroscopy(XPS),23,利用单色X射线可使原子内层能级上的电子电离而发射出电子。原子内层能级的高低对各种原子具有特征性，不同元素之间谱线重叠较少，适合于作元素分析，早期称作ESCA。而分子中或固体中原子的化学环境不同，屏蔽效应不同，使处于不同环境中的相同的原子由于屏蔽差异、能级高低也略有差异，可用以区分原子周围的环境。,24,俄歇电子能谱AugerElectronSpectroscopy(AES),25,俄歇电子的激发源通常是电子束或X射线。一般俄歇电子能谱指电子束为激发源，但是光电子能谱除了具有光电子峰以外，也有俄歇电子峰。激发态离子M+去激发有两种可能性：这两个过程是并存的。俄歇电子是样品受电子或X射线照射电离出内层电子后，接着一个高能级电子跃迁到内层电子空位所释放能量导致发射一个二次电子。俄歇电子的动能反映原子能级的特征，但它和激发辐射的能量无关。,26,第二章化学键和分子结构,原子组成分子有严格的规律性，有一定的联接方式，以一定的组成构成分子。因此，分子中原子之间存在着一定的强烈的相互作用。把分子或一些晶体中,两个或两个以上原子(或离子)之间的强烈相互作用(强的结合力),称为化学键。,27,金属键、离子键和共价键的比较,28,共价键本质,轨道的成键作用，实质上是将分子两端原子外侧的电子抽调到两个原子核之间，增加了核间区域的电子云。聚集在核间的电子云同时受到两个原子核的吸引，即核间的电子云把两个原子核结合在一起，这就是的成键本质。,29,分子轨道理论,对m个核和n个电子组成的分子体系，体系总的波函数为。在B-O近似并采用原子单位后，体系的Hamilton算符为:,（1）单电子近似,30,与讨论多电子原子结构的方法一样，仍采用单电子近似（轨道近似）将体系总的Hamilton算符及波函数拆分成单电子的Hamilton算符及单电子波函数。分子中单电子的Schrdinger方程为：,就称为分子轨道（分子中单电子波函数），称为分子轨道能量。,31,分子轨道是原子轨道的线性组合，即,n个原子轨道的参与组合，组成n个分子轨道。一般地，n为偶数时，其中个为成键轨道，为反键轨道（也可能出现非键轨道）；n为奇数时，肯定会出现非键轨道。,（2）LCAO-MO（linearcombinationofatomicorbitals）,32,（3）成键原则,成键三原则,能量相近原则,对称性一致原则,最大重叠原则,33,（4）电子构造原理,电子排布,能量最低原理,Pauli不相容原理,Hund规则,34,分子轨道的分布特点和分类,绕键轴为柱状对称,MO分类：,H2的HOMO:g,+,H2的LUMO:u,_,35,键级,n:成键电子数n*:反键电子数,键级、键长、键能、振动频率之间存在一定关系。,键级:,振动波数与力常数之间的关系为：,36,有包含键轴的一个节面,37,有包含键轴的二个节面,38,双原子分子的结构和性质,同核双原子分子分子轨道能级的高低由下面两个因素决定，即构成分子轨道的原子轨道的能级高低及其重叠情况,39,同核双原子分子的分子轨道能级顺序：1s1s2s2s2pz2px=2py双键双键双键单键单键单键,49,3.孤对电子对比成键电子对肥大，对相邻电子对的排斥较大。,价电子对间排斥力大小顺序：lplplpbpbpbp孤电子对间排斥力随角度的减小迅速增大：夹角90o的构型，lplp斥力很大，构型不稳定；lplp必须排列在夹角90o的构型中，斥力小，稳定。,4.电负性高的配体，吸引价电子能力强，价电子离中心原子较远，占据空间相对较小。,50,杂化轨道理论,杂化轨道,杂化轨道：在一个原子中不同原子轨道的线性组合称为原子的轨道杂化，杂化后的原子轨道称为杂化轨道。,杂化的目的：更有利于成键。,杂化的动力：受周围原子的影响。,51,杂化的规律轨道的数目不变，空间取向改变；杂化轨道能与周围原子形成更强的键，或安排孤对电子，而不会以空的杂化轨道存在。,杂化后的原子轨道沿一个方向更集中地分布，当与其他原子成键时，重叠部分增大，成键能力增强。,52,共轭分子中的离域键,共轭分子及其形成条件,离域键：形成化学键的电子不局限于两个原子的区域，而是在由多个原子形成的分子骨架中运动，这种由多个原子形成的型化学键称为离域键。,具有离域键呈现共轭效应的分子称为共轭分子,53,形成离域键的条件：共轭原子必须同在一个平面上，每个原子提供一个方向相同的P轨道；电子数小于参加成键的P轨道数的二倍。,离域键的表示：离域键用nm表示，n为原子数，m为电子数。,54,配位键,配位键又称配位共价键(coordinatecovalentbond)，或简称配键。其特点是成键的一对电子不是由两个原子各提供一个，而是由其中一个原子提供一对电子和另一个原子共用。配位化合物：又称络合物，是一类含有中心金属原子（M）和若干配位体（L）的化合物（MLn）。,55,离子键,离子化合物是指由正负离子结合在一起形成的化合物，它是由电负性较小的金属元素与电负性较大的非金属元素生成。在离子化合物中，金属元素将部分价电子转移给非金属元素。形成具有较稳定的电子组态的正负离子。正负离子也可以由多原子组成，例如NH4+、NO3-、SO42-等等。正负离子之间由静电力作用结合在一起，这种化学键称为离子键。,56,离子键和点阵能,点阵能（晶格能）的定义及计算,离子键的强弱可以用点阵能的大小来度量，点阵能又称晶格能或结晶能。,点阵能定义为：在0K时，1mol离子化合物中的正、负离子由相互远离的气态，结合成离子晶体时所放出的能量。相当于下式反应的内能改变。,57,利用热化学循环（玻恩-哈伯循环）计算点阵能,直接进行实验测定U比较困难，Born和Haber曾根据热力学第一定律设计热力学循环求点阵能(理论依据是热力学第一定律)，以NaCl为例,58,Na(s)Na(g),S（升华能）=108.4kJ.mol-1,Na(g)Na+(g)+e,I（电离能）=495.0kJ.mol-1,Cl2(g)Cl(g),D（离解能）=119.6kJ.mol-1,Cl(g)+eCl-(g),Y（电子亲和能）=-348.3kJ.mol-1,Na(s)+,Cl2(g)NaCl(s),Hf（生成热）=-410.9kJ.mol-1,U=HfSID-Y=-785.6kJ/mol,59,分子间作用力：（1）非极性分子间：色散力（2）非极性分子和极性分子间：诱导力，色散力。（3）极性分子间：取向力，诱导力，色散力。,分子间作用力和氢键,60,氢键如HF分子中，半径减小，它内层电子的带部分正电荷的氢原子与附近的HF分子中含孤电子对并带部分负电荷的F原子间产生的静电吸引力，即氢键。同种分子间可产生氢键，不同种分子间也可产生氢键。,61,气相水的结构,四面体形电荷分布体系,H2OH-FH2OH-ClH2OH-CNH2OH-OH,质子受体,质子给体,水的气态二聚体,第三章氢和氧的化学,62,溶液浓度的表示方法,(a)用溶质质量分数表示，即溶质质量在全部溶液质量中所占的分数(b)用100g溶剂中溶解溶质的克数表示(c)单位溶液体积中所含溶质的量，叫物质的量浓度，简称浓度，单位用moldm-3。,63,溶解度,溶解度：100g水中可溶解该化合物的克数不同物质在水中的溶解度大不相同“相似相溶”是一种判断物质溶解度大小的规则，有利于我们定性地进行判断,64,溶度积常数,在表达难溶盐在水中的溶解度以及其溶解和沉淀的平衡情况时，常用溶度积表示。例如分别将AgCl和CaF2固体加入水中，只有极少的一部分溶解。溶解和沉淀达成平衡，溶液中离子浓度保持恒定，其溶度积常数Ksp表示如下：AgClAg+Cl-Ag+=Cl-Ksp=Ag+Cl-=1.710-10CaF2Ca2+2F-2Ca2+=F-Ksp=Ca2+F-2=1.4610-10离子的浓度用moldm-3为单位,H2O,H2O,65,酸碱强度的估计,酸碱的强度可根据它的结构予以估计氢化物酸HmX。这类酸由H和非金属元素X化合而成，水溶液呈酸性，一般而言X的电价低，半径大，容易电离，酸性较强，按X在周期表中的位置可表示如下：,66,简单含氧酸(HO)mXOn。酸的强度决定于n的数值n的数值表明和中心X原子连接的O的数目，X和O间形成XO配键。从X原子提供一些电子到X和O之间，使X带正电性。X原子又从HO中的氧原子抽调来一些电子，削弱HO间的结合力，使酸性增强。,67,(HO)mXOnp-型酸。酸的逐级解离常数K1K2K3，例如H3PO4的K1=7.0810-3，K2=6.310-8，K3=4.410-13。每级约差10-5。各级电离常数差别的根源在于电离后与X相连的荷负电的氧原子(XO-)，不象配键XO从X抽调电子，反而由O向X供给负电荷，这种供给电荷的效应大体上等于一个配键的吸电子效应。例如，HSO4-的解离常数(亦即H2SO4的K2)与H2SO3的K1大致相等。,68,氧化还原反应,氧化的定义是失去电子，氧化态升高；还原的定义是得到电子，氧化态降低。使另一物质氧化的物质为氧化剂，如O2、F2、C12等，反应时它本身被还原；使另一物质还原的物质为还原剂，如C、H2、Al等，反应时它本身被氧化。由于氧化反应和还原反应总是一起发生，所以称这种形式的反应为氧化还原反应(oxidation-reduction或redoxreaction)。氧化还原反应是一种氧化剂从一种还原剂中取得电子的反应，是电子转移的反应。,69,碳在周期表的A族，有4个价电子，电负性中等，不容易丢失电子成正离子，也不容易获得4个电子形成稀有气体电子组态，而容易形成由共价键结合的化合物。纯粹由碳原子组成的晶体有金刚石、石墨和球碳三种。,第四章碳和氮的化学,70,一个物体和它在镜中的像如同人的左右两只手，虽然相似但不完全相同，不可能单纯通过平移和转动使其叠合，这种性质叫手性(chirality)。具有手性的分子叫手性分子。手性分子都可能有旋光性。一对对映异构体在旋光性质上构成一对旋光异构体，它们旋光的方向不同，但旋光的角度相同。将一对对映异构体化合物等量混合，称为外消旋混合物。,手性和旋光性,71,氨基酸和蛋自质,由天然蛋白质水解所得的氨基酸为L型-氨基酸。直接和COOH相连的碳原子称碳，R中和碳相连的碳原子为碳，和碳相连的为碳等等。,L型-氨基酸的结构,72,蛋白质是氨基酸缩聚失水成肽键相连的链型多肽大分子。在多肽链中，由肽键相连的重复单位称为氨基酸残基或残基。通常以分子中残基的数目来命名多肽分子。例如含八个残基的多肽分子称为八肽分子。,73,多肽和蛋白质分子的结构中，最具特色的是存在肽键。肽键是指多肽分子中CN键和相邻的CO键中的电子共同形成的多中心键。这时组成CO键的电子能和N原子上的孤对电子一起，共同形成离域键，使CN间有双键成分，键长缩短，C、N和周围原子共处在一个平面上。,肽键结构示意图,74,什么是表面?,凝聚态(液态、固态)物质与其饱和蒸气或空气达成平衡时，在两相紧密接触、约有几个分子厚度的过渡区，称为该凝聚态的表面（surface）。,什么是界面?,不同相态之间，两相紧密接触、约有几个分子厚度的过渡区，称为该两相的界面（interface）。,第七章界面化学,75,表面现象的本质,处在界面层的分子，由于两相密度不等，其作用力不能相互抵销,体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是对称的，各个方向的力彼此抵销；,正由于这剩余价力的存在，使界面层显示出一些独特的性质。,76,什么是表面张力？,表面张力的单位是：,在一定温度和压力下，在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种张力作用于边界单位长度线段上的表面收缩力，称为表面张力。这种力垂直于单位长度的边界，指向液体内部并与表面相切。,77,表面活性剂,一种物质甲能显著降低另一种物质乙的表面张力，通常就说甲对乙有表面活性。能显著降低水的表面张力的溶质叫作表面活性剂。表面活性剂是一类有机化学试剂。表面活性剂分子结构的特征为两亲的分子：它一端带极性基团，能和水形成氢键，亲水；另一端为非极性烃基，疏水。,78,表面活性剂在溶液中将出现两个基本性质：表面吸附和定向排列。表面吸附是指表面活性剂分子从溶液内部移至表面，在表面上富集，使表面层浓度高于溶液内部的浓度。定向排列是指表面活性剂分子在溶液表面形成定向排列的吸附层，以疏水基团朝向气相，亲水基团插入水中，满足疏水基团逃离水环境的要求。表面活性剂的这两个基本性质，使它在溶液中可以形成多种形式的分子有序组合体。,79,表面活性物质在水溶液中形成胶束所需要的最低浓度叫“临界胶束浓度”，称作CMC值。这个临界胶束浓度与溶液表面达到饱和吸附时所对应的浓度是一致的。,80,81,疏水效应,在水溶液中，非极性分子或基团结合在一起的力量称为疏水效应(又称为疏水作用或疏水键)。疏水效应的本质并非由于非极性分子之间有较高的吸引力，而是因为水分子和水分子之间的氢键力很强，把非极性分子或非极性基团挤压在一起的结果，这样可以使体系的能量降低。相同的原因，分散在水中的油滴会自动地聚在一起，形成一个大油滴，