(2)化学与现代社会.ppt

第二讲化学的基本原理,一、物质结构原理（微观）二、物质变化原理（宏观）,原理一：化学物质是由分子组成的，分子中的不同元素的原子是以一定的方式联结在一起的。,一、物质结构原理,单质和化合物元素：不能用一般物理或化学的方法再分解成更简单的物质的纯物质，“具有相同原子序数的相同原子构成的物质”单质：由一种元素构成的纯物质化合物：由两种或两种以上的元素化合而成的纯物质,原理二：现在已有大约100多种元素，它们被排列在元素周期表中。这些元素是按照它们核内质子数的递增而排列的，表现出周期性。,元素的概念,具有相同质子数(即核电荷)的同一类原子的总称为元素。同种元素的原子的质子数相同，但中子数不一定相同，因此其质量数也可以不相同，这些具有相同质子数而有不同质量数的原子互为同位素。,例如，氢元素有3种同位素：11H，21H和31H，分别称为氢(氕)、重氢(氘)和超重氢(氚)，氘和氚是制造氢弹的材料。元素铀(U)有23492U，23592U，23892U3种同位素，23592U是制造原子弹的材料和核反应堆的燃料。,同位素的应用1医学上的应用PETPET（PositronEmissionTomography）正电子发射断层成像，基本原理是用超短半衰期同位素标志化合物（小分子），作为示踪剂注入人体,参与体内的生理生化代谢过程。利用放射性同位素衰变放出的正电子与体内的负电子结合释放出两股互成180度的511KeV伽玛光子,被探头的晶体所探测,经过计算机对原始数据重建处理,得到高分辨率、高清晰度的活体断层图像，以显示人脑、心、全身其它器官及肿瘤组织的生理和病理的功能及代谢情况。常用同位素有11C（半衰期20.4分钟）、13N（半衰期9.96分钟）、15O（半衰期2分钟）、18F（半衰期110分钟）、124I（半衰期4.18天）等。,2考古碳十四断代法自然界存在三种碳的同位素：12C（98.9%）、13C(1.19%)、14C(10-10%)，前两者比较稳定，而14C属低能量的放射性元素。碳十四测年法又称放射性同位素（碳素）断代法，14C断代方法由美国芝加哥大学利比（Libby）教授于1949年提出，14C的产生和衰变处于平衡状态，其半衰期为573040年（现在仍使用556830年）。如果生物体一旦死亡，14C得不到补充，其中的14C含量就按放射性衰变规律减少，经过5730年减少为原来的一半。因此可以计算出生物与大气停止交换的年代t，即推算出生物死亡的年代（约6万年以内）。,早期的原子结构理论(1)古代希腊的原子（元素）猜想(2)道尔顿的原子理论-19世纪初(3)卢瑟福(E.Rutherford)的行星式原子模型(4)氢原子光谱-波尔原子模型,原子的结构,原子论的思想最早起源于古代，古希腊哲学家德谟克利特（公元前460前370），他认为：包括人在内的一切都是原子组成的；原子是一种最小的、不可见的、不可再分的物质微粒；虚空则是原子运动的场所，也是实在的存在。（天才的猜想）,古代哲学认为：原子的性质都是相同的，但形状大小不同；万物之所以不同，主要是构成物质本身的原子数目、形状和排列各有不同；物质之所以会变化，主要是这些原子在不停的运动，相互碰撞而变化为万物世界。更为大胆的提出:人的灵魂也是由原子构成，好人、坏人的原子形状是不一样的。,后来，德谟克利特的学生伊壁鸩鲁（公元前340前270），针对这个学说的破绽做了一些补充和完善。古代原子论没有科学实验的验证，但能面对有神论的压力和挑战，是相当有勇气的。,卡尔马克思的博士论文德谟克利特自然哲学与伊壁鸩鲁自然哲学的差别，这位伟人不仅希望洞察物质微观世界，也期待揭示人类社会发展规律。,19世纪初英国化学家Dalton，总结各种元素化合时的质量比例关系，提出了原子学说，他认为物质由原子组成，原子不能创造，也不能毁灭且在化学变化中不可再分割，它们在化学反应中保持本性不变。,英国化学家道尔顿J.Dalton,1911年英国物理学家Rutherford，通过粒子散射实验证明，原子中这个带正电荷的部分集中在一起，被称为原子核。,结论：原子的直径约为1010m，电子的直径约为1015m，原子核的直径约在1016m1014m之间。电子的质量极小，原子的质量几乎全部集中在核上。但卢瑟福的理论不能精确指出原子核上的正电荷数。,带核的原子模型：原子由原子核和核外电子组成，原子核带正电荷，并位于原子中心，电子带负电荷，在原子核周围空间做高速运动，就像行星绕太阳运转一样。整个原子是电中性的。核电荷数(Z)=质子数=核外电子数质量数(A)=质子数(Z)+中子数(N),存在矛盾：1.核外电子不会毁灭2.原子光谱是不连续的，是线状的,氢光谱在可见范围内有五根比较明显的谱线：一条红、一条青、一条蓝、两条紫，通常用H、H、H、H、H来表示，它们的波长依次为656.3、486.1、434.0、410.2和397.0nm,波尔（Bohr）模型,主要观点：1）电子绕核作圆周轨道运动，在一定的轨道上具有一定的能量，电子处于定态。定态的原子不辐射能量，也不吸收能量，为稳定状态。其中能量最低的定态为基态，其余叫激发态。角动量量子化。,2）电子由一个定态跃迁到另一个定态时，吸收或发射频率为：=E/h；3）波尔半径a。，基态，n=1。,波尔模型的不足：1）电子运动轨道理解为宏观的确定路线，又人为引进量子化条件，两者是矛盾的；2）只成功地解释氢原子和类氢原子的光谱，对多电子原子的光谱无法解释；3）波尔模型是带心铁环状原子，后来实验测定的是球形原子。,现代的原子结构理论量子力学理论认为：电子在整个原子空间都有可能出现，电子运动并不是真有确定的轨道，只是在各处出现的概率密度不同，因而运动状态也不同。电子在核外空间的运动是有规律的，处于某种运动状态，用波函数来描述，常称为原子轨道。,s状态电子云,p状态电子云,d状态电子云,电子自旋运动一些光谱实验表明光谱谱线在磁场中出现分裂现象（Zeeman效应），说明电子除轨道运动外还有其他运动。物理学家后来提出电子自旋的假设，即电子具有不依赖轨道运动的自旋运动（2种），具有固定的角动量和相应的磁矩。,原理三：原子联结的方式将强烈地影响化学物质的性质。也即，不同的化学键决定着不同物质的性质。,C20,C80,C180,C240,C540,球烯家族的一些可能结构,另外，两种化学物质间，即使存在着完全相同的原子键合，只要空间排列不同，两种化学物质的性质就可区分开来。,镜象,分子,左手与右手互为镜象.你能用一种实际操作把左手变成右手吗？对于手做不到的,对于许多分子也做不到。这种分子就是手性分子。,许多药物的有效成份只有左旋异构体有活性,右旋异构体无效甚至有毒副作用。仅举几例,它们的有效对映体和另一对映体的构型与作用如下：乙胺丁醇:SS，抗结核菌（抗结核药）RR，导致失明氯霉素RR，抗菌SS，抗菌活性低酮基布洛芬S，抗炎R，防治牙周病,化学键概念：化学键概念是化学基本理论的重要组成部分。化学键是指两个相邻原子之间的相互作用力。要断开化学键，需要吸收能量，而生成化学键时，则将释放能量，这种能量用键能表示。,(1)离子键氯化钠(NaCl)是最典型的离子化合物，带正电的Na+和带负电的Cl借静电作用力相结合，这种强烈的静电作用力称为离子键，由离子键结合成的化合物叫离子化合物。,离子键的特点：1、既无方向性，也无饱和性，离子化合物是由正负离子通过离子键相互交替连结而成的晶体结构。2、离子键的离子性与元素的电负性差有关。,(2)共价键原子可以通过共用电子对形成八电子稳定结构，这种原子间的作用力称为共价键。,共用电子对,共用电子对,共价键的本质：原子相互接近时，由于原子轨道的重叠，原子间通过共用自旋方向相反的电子对使体系能量降低，由此形成共价键。,共价键的特点：1、共价键的形成是原子核对共用电子对的吸引力。2、电子对在两核周围的空间运动时，在两核间空间出现的几率最大。,金刚石晶莹美丽，光彩夺目，是自然界最硬的矿石。在所有物质中，它的硬度最大。在所有单质中，金刚石的熔点最高，达3823K。,典型的共价键,(3)金属键由自由电子和金属原子间产生没有方向性的“胶合”作用力，称为金属键。,在元素周期表中，大约80%是金属元素。金属键没有饱和性和方向性。金属晶体的物理性质和结构特点都与金属键密切相关。金属单质或合金有许多共性：能导热、能导电、富有展延性、有金属光泽等。,金属能带理论有助于理解金属的物理性质,绝缘体,半导体,导体,配合物的定义：含有中心原子或离子（M）并被若干配位体（L）配位而形成的化合物（MLn），称为配合物。M与L结合的方式是：M提供空轨道，L提供孤对电子与M共享，形成配键LM,(4)配位键,(5)分子间作用力氢键,冰中的氢键,蛋白质和核酸中的氢键：蛋白质是由一定序列的氨基酸缩合形成的多肽链分子，它富含形成氢键结合的能力。,DNA的双螺旋结构,二、物质变化原理,物质变化以及规律1、化学反应的能量变化;2、化学反应的限度与方向以及影响因素;3、化学反应的速率和过程以及影响因素。,原理一（化学热力学第一定律）：化学反应过程中不只是发生了物质的变化，也伴随着能量的变化，能量的变化遵循守恒定律。不会凭空产生，也不会凭空消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。化学反应的能量转化或变换的方式就是传热和做功。,这个定律阐述了：在体系和周围的环境之间产生了能量交换时，总能量保持恒定。因此，不消耗外加能量而能够连续做功的永动机是不可能存在的。也就是说：一个能对外界做功的装置，必须向装置直接提供能量。如：微波炉加热，要提供电能；或通过降低自己的内能来提供能量。电池和煤、石油燃烧。,原理二（化学热力学第二定律）：如果反应的产物比起始物质更不稳定时，这种反应将不会发生。化学反应将自发地到达低能量的状态。化学反应也会向着混乱度变得最大的方向进行。,问题的提出：如：一块石头从高处落下,热能,反之，加热石头，会不会回到原来的高度？,第一定律不能回答能量传递和交换时，正向和逆向过程的难易！,实际上生活中还有一些现象：（1）一杯水会自动冷却，但会不会自动从大气中吸取能量而煮沸？（2）冰棒会自动融化，鱼池中的水会不会自动把热传出去而结冰？,自发过程,自发过程,同样，化学反应也有类似的问题：,如果向锌盐的酸性溶液中通入氢气（常压），能否有金属锌析出？,回答：可能性是微乎其微！,？,热力学第二定律的一种表述：不可能从单一热源吸收热，使之完全转化为功，而不引起其他变化。还有另一种表述：不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化。即：热是不能完全无条件地转化为功，因此，一切自发过程都是不可逆的。,化学热力学第二定律指出化学反应的方向和限度，能自发进行的化学反应，应该是熵增加的过程或吉布斯自由能降低的过程的反应。（判据）,自发过程,冰的融化,建筑物的倒塌,体系有趋向于最大混乱度的倾向，体系混乱度增大有利于反应自发地进行。,原理三（化学反应动力学）：即使反应是有利的，产物的能量比起始物质低，混乱度比起始物质大，反应也不一定必须进行得很快。有些化学反应从能量上看是有利的，但需要时间足够长，不会立即发生。这里有动力学因素。,如：在常温下：,同样：汽车尾气中含有CO和NO,其如能自动反应：(G=-344.8KJ/mol),放置1万年仍看不出生成H2O的迹象！,观察不到自动反应，不能自动消除污染！,虽然反应以低能量的产物为终止，仍需要一些额外的能量以便通过不稳定的过渡阶段。大多数化学反应在加热时都能加快，或利用催化剂加快反应，有反应速率的因素。,化学反应速率基本理论1、碰撞理论2、过渡态理论,碰撞理论,过渡态理论,温度对反应速率的影响碰撞的取向过渡态模型,催化剂可改变反应速度，是因为催化剂改变了反应的活化能。但对热力学不允许进行的反应（G0），使用催化剂是徒劳的,乙烯加氢的催化反应,催化乙烯的反应加氢,实物,原理,当前化学发展和前沿热点1.认识化学反应过程的化学反应动态学和以混合量子与经典方法的含时统计理论为代表的理论化学2.具有生物活性,具有光,电,磁等性能的功