化學：《揭示物質結構的奧秘》范志光

1、1專題專題1 揭示物質結構的奧秘揭示物質結構的奧秘宇宙是由什么東西構成的？宇宙是由什么東西構成的？最早可以追溯到公元前最早可以追溯到公元前450年以前，我國當時的哲學家年以前，我國當時的哲學家墨翟（公元前墨翟（公元前479381）說，）說，“非半不斫（非半不斫（zhu）則）則不動，說在端不動，說在端” ，意思是物質到了沒有一半的時候，意思是物質到了沒有一半的時候，就不能掰開它了。就不能掰開它了。他稱物質的微粒為他稱物質的微粒為“端端”，意思是不能再被，意思是不能再被分割的質點。分割的質點。與此同時，與此同時，2人類探索物質結構的歷史人類探索物質結構的歷史3（1）、）、 公元前公元前5世紀，古希

2、臘世紀，古希臘哲學家哲學家德謨克利特德謨克利特等人認為等人認為 ：萬物是由大量的不可分割的萬物是由大量的不可分割的微粒構成的，即原子。微粒構成的，即原子。1人類探索原子結構的歷史人類探索原子結構的歷史4（2）、）、19世紀初，英國科世紀初，英國科學家學家道爾頓道爾頓提出近代原提出近代原子學說，他認為：子學說，他認為：物質由原子組成，原子物質由原子組成，原子不能被創(chuàng)造也不能被毀不能被創(chuàng)造也不能被毀滅，在化學變化中原子滅，在化學變化中原子不可再分割，它們的化不可再分割，它們的化學性質在化學反應中保學性質在化學反應中保持不變。持不變。5（3）、）、1811年年,阿伏阿伏加德羅加德羅提出了分子提出了分

3、子的概念的概念,他認為氣體他認為氣體分子是由幾個原子分子是由幾個原子構成的。構成的。 1860年，國際化年，國際化學界確立了原子分學界確立了原子分子論。子論。62.原子結構模型的演變原子結構模型的演變7公元前公元前5世紀，古希臘世紀，古希臘哲學家哲學家德謨克利特德謨克利特提出提出古典原子論：萬物是由古典原子論：萬物是由大量的不可分割的微粒大量的不可分割的微粒構成的，即構成的，即原子原子，物質，物質分割只能到原子為止。分割只能到原子為止。德謨克利特 1.古希臘古希臘德謨克利特德謨克利特 古典原子論古典原子論8道爾頓原子模型 19世紀初，英國科學家道爾頓提出近代原子學說，他認為原子是微小的不可分割

4、的實心球體。2.道爾頓道爾頓 近代原子論近代原子論(1803)9不同元素化合時，這些元素的原子按簡單整數(shù)不同元素化合時，這些元素的原子按簡單整數(shù)比結合成化合物。比結合成化合物。化學元素均由不可再分的原子構成；化學元素均由不可再分的原子構成；原子在一切化原子在一切化學變化中均保持其不可再分性；學變化中均保持其不可再分性；同一種元素的原子在質量和性質上都相同，不同一種元素的原子在質量和性質上都相同，不同的元素在質量和性質上都不相同；同的元素在質量和性質上都不相同；道爾頓錯誤錯誤錯誤錯誤錯誤錯誤直到直到 1811年，意大利物理學家阿佛加德羅年，意大利物理學家阿佛加德羅(AAvogadro，1776-

5、1856)提出分子概念加以補充，提出分子概念加以補充，發(fā)展成為發(fā)展成為“原子原子-分子論分子論”。10原子是一個半徑大約為原子是一個半徑大約為10101010米的球體，正電米的球體，正電荷均勻地分布于整個球體，電子則稀疏地嵌在荷均勻地分布于整個球體，電子則稀疏地嵌在球體中，這是一個類似葡萄干面包的原子模型球體中，這是一個類似葡萄干面包的原子模型3. 1903年 英國湯姆葡萄干面包原子模型11盧瑟福（盧瑟福（E ERutherfordRutherford）的）的“行星模型行星模型”。盧瑟福用。盧瑟福用粒粒子束（子束（HeHe2+2+）轟擊一塊金箔，并）轟擊一塊金箔，并用熒光屏探測用熒光屏探測粒子

6、（粒子（HeHe2+2+）方）方向改變的程度。向改變的程度。ZnS屏屏粒子束粒子束鉛塊鉛塊屏屏4.盧瑟福帶核原子結構模型的提出依盧瑟福帶核原子結構模型的提出依(1911)據(jù)：據(jù)：12通過通過 粒子散射實驗，盧瑟福提出了原子結構的行星粒子散射實驗，盧瑟福提出了原子結構的行星模型：模型：原子是由帶正電荷的質量很集中的很小的原子核和它原子是由帶正電荷的質量很集中的很小的原子核和它外面運動著的帶負電荷的電子組成的一個體系，就像外面運動著的帶負電荷的電子組成的一個體系，就像行星繞太陽運轉一樣。行星繞太陽運轉一樣。13補充（不做要求）： 雖然，盧瑟福的行星模型能成功地解釋一些現(xiàn)雖然，盧瑟福的行星模型能成功

7、地解釋一些現(xiàn)象，但它立即遭到全世界大多數(shù)科學家反對。因為象，但它立即遭到全世界大多數(shù)科學家反對。因為根據(jù)經典物理理論，任何作加速運動的電荷都要輻根據(jù)經典物理理論，任何作加速運動的電荷都要輻射電磁波，這必然引起兩種后果：射電磁波，這必然引起兩種后果：1，不斷輻射能量，電子將沿螺旋線漸漸趨近原，不斷輻射能量，電子將沿螺旋線漸漸趨近原子核，最后落到核中而湮沒。子核，最后落到核中而湮沒。2，電子不停的，連續(xù)的輻射電磁波，電磁波的波，電子不停的，連續(xù)的輻射電磁波，電磁波的波長會發(fā)生連續(xù)的變化，因此，所有的原子都應發(fā)射長會發(fā)生連續(xù)的變化，因此，所有的原子都應發(fā)射連續(xù)光譜。連續(xù)光譜。14事實并非如此：首先：

8、從未發(fā)生過原子塌縮的現(xiàn)象。首先：從未發(fā)生過原子塌縮的現(xiàn)象。其次：原子在正常情況下不輻射電磁波其次：原子在正常情況下不輻射電磁波這些現(xiàn)象盧瑟福也無法解釋，那該怎么辦呢？155.玻爾原子模型(1913) 尼爾斯尼爾斯玻爾玻爾（Niels Henrik David Bohr, 1885-1962）因原子結構和原子輻射的研究，獲得了1922年的諾貝爾物理學獎。 他把盧瑟福的有核原子模型和普朗克的量子論結合起來，提出了著名的“玻爾理論”原子的定態(tài)假設和頻率法則。 他的電子波動模型就是對電子粒子模型的補充。 p p8 8166.電子云模型在奧地利科學家薛定諤所建立的波動方程的基礎上，迅速發(fā)展起一門新的學科

9、：量子力學。這是現(xiàn)代研究原子，分子結構的理論依據(jù)。17 電子云：描述核外電子運動特征的圖象。電子云：描述核外電子運動特征的圖象。 電子云中的小黑點：電子云中的小黑點： 并不是表示原子核外的一個電子并不是表示原子核外的一個電子, ,而是而是表示電子在此空間出現(xiàn)的機率。表示電子在此空間出現(xiàn)的機率。 電子云密度大的地方說明電子出現(xiàn)的機電子云密度大的地方說明電子出現(xiàn)的機會多，而電子云密度小的地方說明電子出會多，而電子云密度小的地方說明電子出現(xiàn)的機會少?，F(xiàn)的機會少。電子云電子云18人類認識原子的歷史進程19原子原子原子核原子核核外電子核外電子(帶負電帶負電)質子質子(帶正電帶正電)中子中子(不帶電不帶電

10、) 原子的結構原子的結構相對質量1.007相對質量1.008質量為質子的1/1836核內質子數(shù)核外電子數(shù)核內質子數(shù)核外電子數(shù)核電荷數(shù)核電荷數(shù)(Z)質量數(shù)質量數(shù)(A) 質子數(shù)質子數(shù)(Z)中子數(shù)中子數(shù)(N)20XAZ說明說明: X-表示元素符號表示元素符號 A-表示質量數(shù)表示質量數(shù) Z-表示質子數(shù)表示質子數(shù) 中子數(shù) N=A-Z原子中質子數(shù)、質量數(shù)的符號表示法：原子中質子數(shù)、質量數(shù)的符號表示法：21Xabcde討論討論: X若代表元素符號若代表元素符號,那么那么a.b.c.d.e各表示什么含義各表示什么含義?a: 質量數(shù)質量數(shù)b: 質子數(shù)質子數(shù)c: 所帶的電荷數(shù)所帶的電荷數(shù)d: 組成粒子的原子數(shù)組成

11、粒子的原子數(shù)e: 化合價化合價22 口算：口算： 15P 、 92U、82Pb、47Ag各原子各原子的質子數(shù)、質量數(shù)和中子數(shù)各是多少？的質子數(shù)、質量數(shù)和中子數(shù)各是多少？問題討論問題討論 同一種原子中質子數(shù)和中子數(shù)是否總是相等？同一種原子中質子數(shù)和中子數(shù)是否總是相等？ 原子是否都有中子？原子是否都有中子？ 質量數(shù)與相對原子質量有什么關系？質量數(shù)與相對原子質量有什么關系？2352071083123原子在化學反應中如果得到或失去電子原子在化學反應中如果得到或失去電子,它還會呈電中性嗎它還會呈電中性嗎?原子原子(電中性電中性): 質子數(shù)質子數(shù)=核外電子數(shù)核外電子數(shù) 陽離子陽離子: 質子數(shù)質子數(shù)核外電子

12、數(shù)核外電子數(shù) 陰離子陰離子: 質子數(shù)質子數(shù)核外電子數(shù)核外電子數(shù) 24粒子符號粒子符號質子數(shù)質子數(shù)電子數(shù)電子數(shù)S2-Xn+xYm-yNH4+OH- 16 18 x - n y - m 11 10 10 9 251869年，已有年，已有63種元種元素為科學家所認識，素為科學家所認識，門捷列夫門捷列夫將各元素按將各元素按原子量的變化聯(lián)系起原子量的變化聯(lián)系起來，揭示了自然界的來，揭示了自然界的一條基本規(guī)律一條基本規(guī)律-元素元素周期律。周期律。3元素周期表的發(fā)現(xiàn)元素周期表的發(fā)現(xiàn)2619世紀中葉以后，近現(xiàn)代對物質結構世紀中葉以后，近現(xiàn)代對物質結構的認識有了飛速發(fā)展。的認識有了飛速發(fā)展。碳原子的四價，有機物

13、碳原子成鍵的碳原子的四價，有機物碳原子成鍵的立體結構，有機物分子中鍵的飽和性立體結構，有機物分子中鍵的飽和性等相繼被發(fā)現(xiàn)等相繼被發(fā)現(xiàn)4對有機物認識的進展對有機物認識的進展27 19世紀末世紀末20世紀初，量子力世紀初，量子力學（微觀粒子具有波粒二象性）學（微觀粒子具有波粒二象性）確立。量子力學是研究原子和確立。量子力學是研究原子和分子結構的分子結構的理論基礎理論基礎。5物理學上的重大發(fā)現(xiàn)物理學上的重大發(fā)現(xiàn)286實驗方法上的改進實驗方法上的改進光譜、衍射等新方法應用于研究原子、光譜、衍射等新方法應用于研究原子、分子和晶體結構分子和晶體結構紅外光譜儀紅外光譜儀電子顯微鏡電子顯微鏡原子吸收光譜儀原子

14、吸收光譜儀X射線衍射儀射線衍射儀29紅外光譜儀紅外光譜儀30電子顯微鏡電子顯微鏡31原子吸收光譜儀原子吸收光譜儀32X射線衍射儀射線衍射儀33啟示：啟示： 人類對原子結構認識的逐漸深入，都是人類對原子結構認識的逐漸深入，都是建立在實驗研究基礎上的，實驗是揭示建立在實驗研究基礎上的，實驗是揭示原子結構的重要手段。原子結構的重要手段。 湯姆生、盧瑟福、玻爾等幾代師生都是湯姆生、盧瑟福、玻爾等幾代師生都是諾貝爾科學獎獲得者，他們勇于懷疑科諾貝爾科學獎獲得者，他們勇于懷疑科學上的學上的“定論定論”，不迷信權威，為科學，不迷信權威，為科學的發(fā)展作出了重要貢獻。自然科學就是的發(fā)展作出了重要貢獻。自然科學就

15、是在不斷探索中修正錯誤而前進的。在不斷探索中修正錯誤而前進的。34科科學學探探究究閱讀下列一段文字，并據(jù)此回答下列問題：閱讀下列一段文字，并據(jù)此回答下列問題： 原子是由居于原子中心的帶正電的原子核和核外帶負原子是由居于原子中心的帶正電的原子核和核外帶負電的電子構成的。原子核又是由帶正電的質子和不帶電電的電子構成的。原子核又是由帶正電的質子和不帶電 的中子構成。的中子構成。 希臘哲學家德謨克利特是原子學說的奠基人。他認為希臘哲學家德謨克利特是原子學說的奠基人。他認為萬物是由大量的不可分割的微粒構成的，并把這些微粒萬物是由大量的不可分割的微粒構成的，并把這些微粒稱為原子（希臘文的原意是稱為原子（希

16、臘文的原意是“不可分割不可分割”）。這是古代原）。這是古代原子學說子學說 英國科學家道爾頓是近代原子學說的創(chuàng)始人。他認為英國科學家道爾頓是近代原子學說的創(chuàng)始人。他認為物質是由原子構成的，這些原子是不可分割的實心球體，物質是由原子構成的，這些原子是不可分割的實心球體，同種原子的質量和性質相同。道爾頓的原子學說對化學同種原子的質量和性質相同。道爾頓的原子學說對化學的發(fā)展起了十分重要的作用，但他沒有把原子和分子區(qū)的發(fā)展起了十分重要的作用，但他沒有把原子和分子區(qū)分開來，并且仍然認為原子是不可分割的分開來，并且仍然認為原子是不可分割的35 后來，意大利科學家阿伏加德羅提出可分子的概念，后來，意大利科學家

17、阿伏加德羅提出可分子的概念，指出了分子和原子的區(qū)別與聯(lián)系。人人們把物質由分子、指出了分子和原子的區(qū)別與聯(lián)系。人人們把物質由分子、原子構成的學說叫原子原子構成的學說叫原子-分子論。原子分子論。原子-分子論的創(chuàng)立，分子論的創(chuàng)立，是近代原子學說的發(fā)展是物質結構理論的發(fā)展與創(chuàng)新是近代原子學說的發(fā)展是物質結構理論的發(fā)展與創(chuàng)新 英國科學家湯姆生是電子的發(fā)現(xiàn)者，他認為一切英國科學家湯姆生是電子的發(fā)現(xiàn)者，他認為一切原子中都有電子。從此，人們開始揭示原子內部的秘密，原子中都有電子。從此，人們開始揭示原子內部的秘密，認識到原子不是構成物質的最小微粒，它本身還具有復認識到原子不是構成物質的最小微粒，它本身還具有復雜

18、的結構，還可以再分雜的結構，還可以再分 1911年前后，物理學家盧瑟福把一束高速運動的年前后，物理學家盧瑟福把一束高速運動的粒子（質量數(shù)為粒子（質量數(shù)為4的帶的帶2個單位正電荷的氦原子核），個單位正電荷的氦原子核），射向一片極薄的金箔。他驚奇的發(fā)現(xiàn)，過去一直認為射向一片極薄的金箔。他驚奇的發(fā)現(xiàn)，過去一直認為原子是原子是“實心球實心球”，而由這種，而由這種“實心球實心球”緊密排列的金箔，緊密排列的金箔，竟為大多數(shù)竟為大多數(shù)粒子暢通無阻地通過，就象金箔不在那粒子暢通無阻地通過，就象金箔不在那似的，但也有極少數(shù)的似的，但也有極少數(shù)的粒子發(fā)生偏轉，或被筆直彈回。粒子發(fā)生偏轉，或被筆直彈回?？瓶茖W學探探

19、究究36（1）19世紀末，人們開始揭示原子內部的秘密，最早世紀末，人們開始揭示原子內部的秘密，最早 發(fā)現(xiàn)電子的科學家是發(fā)現(xiàn)電子的科學家是 （2）道爾頓的原子學說曾起了很大的作用。他的學說）道爾頓的原子學說曾起了很大的作用。他的學說包含有下列三個論點：包含有下列三個論點：原子是不能再分的粒子原子是不能再分的粒子同種元素的原子的各種性質和質量都相同同種元素的原子的各種性質和質量都相同原子是微小的實心球體從現(xiàn)代的觀點看，原子是微小的實心球體從現(xiàn)代的觀點看，你認為三個論點中不確切的是你認為三個論點中不確切的是 （3）盧瑟福的）盧瑟福的粒子散射實驗得出了金原子結構的一些粒子散射實驗得出了金原子結構的一些結論，試寫出其中的三點結論，試寫出其中的三點答案