化學(xué)：《揭示物質(zhì)結(jié)構(gòu)的奧秘》范志光

1、1專題專題1 揭示物質(zhì)結(jié)構(gòu)的奧秘揭示物質(zhì)結(jié)構(gòu)的奧秘宇宙是由什么東西構(gòu)成的？宇宙是由什么東西構(gòu)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(dāng)時(shí)的哲學(xué)家年以前，我國當(dāng)時(shí)的哲學(xué)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(dòng)，說在端不動(dòng)，說在端” ，意思是物質(zhì)到了沒有一半的時(shí)候，意思是物質(zhì)到了沒有一半的時(shí)候，就不能掰開它了。就不能掰開它了。他稱物質(zhì)的微粒為他稱物質(zhì)的微粒為“端端”，意思是不能再被，意思是不能再被分割的質(zhì)點(diǎn)。分割的質(zhì)點(diǎn)。與此同時(shí)，與此同時(shí)，2人類探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的歷史人類探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的歷史3（1）、）、 公元前公元前5世紀(jì)，古希

2、臘世紀(jì)，古希臘哲學(xué)家哲學(xué)家德謨克利特德謨克利特等人認(rèn)為等人認(rèn)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(gòu)成的，即原子。微粒構(gòu)成的，即原子。1人類探索原子結(jié)構(gòu)的歷史人類探索原子結(jié)構(gòu)的歷史4（2）、）、19世紀(jì)初，英國科世紀(jì)初，英國科學(xué)家學(xué)家道爾頓道爾頓提出近代原提出近代原子學(xué)說，他認(rèn)為：子學(xué)說，他認(rèn)為：物質(zhì)由原子組成，原子物質(zhì)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(xué)變化中原子滅，在化學(xué)變化中原子不可再分割，它們的化不可再分割，它們的化學(xué)性質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)中保學(xué)性質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)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(rèn)為氣體他認(rèn)為氣體分子是由幾個(gè)原子分子是由幾個(gè)原子構(gòu)成的。構(gòu)成的。 1860年，國際化年，國際化學(xué)界確立了原子分學(xué)界確立了原子分子論。子論。62.原子結(jié)構(gòu)模型的演變?cè)咏Y(jié)構(gòu)模型的演變7公元前公元前5世紀(jì)，古希臘世紀(jì)，古希臘哲學(xué)家哲學(xué)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(gòu)成的，即構(gòu)成的，即原子原子，物質(zhì)，物質(zhì)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(jì)初，英國科學(xué)家道爾頓提出近代原子學(xué)說，他認(rèn)為原子是微小的不可分割

4、的實(shí)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(shí)，這些元素的原子按簡(jiǎn)單整數(shù)不同元素化合時(shí)，這些元素的原子按簡(jiǎn)單整數(shù)比結(jié)合成化合物。比結(jié)合成化合物?；瘜W(xué)元素均由不可再分的原子構(gòu)成；化學(xué)元素均由不可再分的原子構(gòu)成；原子在一切化原子在一切化學(xué)變化中均保持其不可再分性；學(xué)變化中均保持其不可再分性；同一種元素的原子在質(zhì)量和性質(zhì)上都相同，不同一種元素的原子在質(zhì)量和性質(zhì)上都相同，不同的元素在質(zhì)量和性質(zhì)上都不相同；同的元素在質(zhì)量和性質(zhì)上都不相同；道爾頓錯(cuò)誤錯(cuò)誤錯(cuò)誤錯(cuò)誤錯(cuò)誤錯(cuò)誤直到直到 1811年，意大利物理學(xué)家阿佛加德羅年，意大利物理學(xué)家阿佛加德羅(AAvogadro，1776-

5、1856)提出分子概念加以補(bǔ)充，提出分子概念加以補(bǔ)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(gè)半徑大約為原子是一個(gè)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(gè)球體，電子則稀疏地嵌在荷均勻地分布于整個(gè)球體，電子則稀疏地嵌在球體中，這是一個(gè)類似葡萄干面包的原子模型球體中，這是一個(gè)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(cè)用熒光屏探測(cè)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(jié)構(gòu)模型的提出依盧瑟福帶核原子結(jié)構(gòu)模型的提出依(1911)據(jù)：據(jù)：12通過通過 粒子散射實(shí)驗(yàn)，盧瑟福提出了原子結(jié)構(gòu)的行星粒子散射實(shí)驗(yàn)，盧瑟福提出了原子結(jié)構(gòu)的行星模型：模型：原子是由帶正電荷的質(zhì)量很集中的很小的原子核和它原子是由帶正電荷的質(zhì)量很集中的很小的原子核和它外面運(yùn)動(dòng)著的帶負(fù)電荷的電子組成的一個(gè)體系，就像外面運(yùn)動(dòng)著的帶負(fù)電荷的電子組成的一個(gè)體系，就像行星繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)一樣。行星繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)一樣。13補(bǔ)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(xué)家反對(duì)。因?yàn)橄螅⒓丛獾饺澜绱蠖鄶?shù)科學(xué)家反對(duì)。因?yàn)楦鶕?jù)經(jīng)典物理理論，任何作加速運(yùn)動(dòng)的電荷都要輻根據(jù)經(jīng)典物理理論，任何作加速運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)會(huì)發(fā)生連續(xù)的變化，因此，所有的原子都應(yīng)發(fā)射長(zhǎng)會(huì)發(fā)生連續(xù)的變化，因此，所有的原子都應(yīng)發(fā)射連續(xù)光譜。連續(xù)光譜。14事實(shí)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(jié)構(gòu)和原子輻射的研究，獲得了1922年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 他把盧瑟福的有核原子模型和普朗克的量子論結(jié)合起來，提出了著名的“玻爾理論”原子的定態(tài)假設(shè)和頻率法則。 他的電子波動(dòng)模型就是對(duì)電子粒子模型的補(bǔ)充。 p p8 8166.電子云模型在奧地利科學(xué)家薛定諤所建立的波動(dòng)方程的基礎(chǔ)上，迅速發(fā)展起一門新的學(xué)科

9、：量子力學(xué)。這是現(xiàn)代研究原子，分子結(jié)構(gòu)的理論依據(jù)。17 電子云：描述核外電子運(yùn)動(dòng)特征的圖象。電子云：描述核外電子運(yùn)動(dòng)特征的圖象。 電子云中的小黑點(diǎn)：電子云中的小黑點(diǎn)： 并不是表示原子核外的一個(gè)電子并不是表示原子核外的一個(gè)電子, ,而是而是表示電子在此空間出現(xiàn)的機(jī)率。表示電子在此空間出現(xiàn)的機(jī)率。 電子云密度大的地方說明電子出現(xiàn)的機(jī)電子云密度大的地方說明電子出現(xiàn)的機(jī)會(huì)多，而電子云密度小的地方說明電子出會(huì)多，而電子云密度小的地方說明電子出現(xiàn)的機(jī)會(huì)少。現(xiàn)的機(jī)會(huì)少。電子云電子云18人類認(rèn)識(shí)原子的歷史進(jìn)程19原子原子原子核原子核核外電子核外電子(帶負(fù)電帶負(fù)電)質(zhì)子質(zhì)子(帶正電帶正電)中子中子(不帶電不帶電

10、) 原子的結(jié)構(gòu)原子的結(jié)構(gòu)相對(duì)質(zhì)量1.007相對(duì)質(zhì)量1.008質(zhì)量為質(zhì)子的1/1836核內(nèi)質(zhì)子數(shù)核外電子數(shù)核內(nèi)質(zhì)子數(shù)核外電子數(shù)核電荷數(shù)核電荷數(shù)(Z)質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)(A) 質(zhì)子數(shù)質(zhì)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(hào)表示元素符號(hào) A-表示質(zhì)量數(shù)表示質(zhì)量數(shù) Z-表示質(zhì)子數(shù)表示質(zhì)子數(shù) 中子數(shù) N=A-Z原子中質(zhì)子數(shù)、質(zhì)量數(shù)的符號(hào)表示法：原子中質(zhì)子數(shù)、質(zhì)量數(shù)的符號(hào)表示法：21Xabcde討論討論: X若代表元素符號(hào)若代表元素符號(hào),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(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)b: 質(zhì)子數(shù)質(zhì)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(jià)化合價(jià)22 口算：口算： 15P 、 92U、82Pb、47Ag各原子各原子的質(zhì)子數(shù)、質(zhì)量數(shù)和中子數(shù)各是多少？的質(zhì)子數(shù)、質(zhì)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(zhì)子數(shù)和中子數(shù)是否總是相等？同一種原子中質(zhì)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(zhì)量數(shù)與相對(duì)原子質(zhì)量有什么關(guān)系？質(zhì)量數(shù)與相對(duì)原子質(zhì)量有什么關(guān)系？2352071083123原子在化學(xué)反應(yīng)中如果得到或失去電子原子在化學(xué)反應(yīng)中如果得到或失去電子,它還會(huì)呈電中性嗎它還會(huì)呈電中性嗎?原子原子(電中性電中性): 質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù)=核外電子數(shù)核外電子數(shù) 陽離子陽離子: 質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù)核外電子

12、數(shù)核外電子數(shù) 陰離子陰離子: 質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù)核外電子數(shù)核外電子數(shù) 24粒子符號(hào)粒子符號(hào)質(zhì)子數(shù)質(zhì)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(xué)家所認(rèn)識(shí)，素為科學(xué)家所認(rèn)識(shí)，門捷列夫門捷列夫?qū)⒏髟匕磳⒏髟匕丛恿康淖兓?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(jì)中葉以后，近現(xiàn)代對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)世紀(jì)中葉以后，近現(xiàn)代對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)有了飛速發(fā)展。的認(rèn)識(shí)有了飛速發(fā)展。碳原子的四價(jià)，有機(jī)物

13、碳原子成鍵的碳原子的四價(jià)，有機(jī)物碳原子成鍵的立體結(jié)構(gòu)，有機(jī)物分子中鍵的飽和性立體結(jié)構(gòu)，有機(jī)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(duì)有機(jī)物認(rèn)識(shí)的進(jìn)展對(duì)有機(jī)物認(rèn)識(shí)的進(jìn)展27 19世紀(jì)末世紀(jì)末20世紀(jì)初，量子力世紀(jì)初，量子力學(xué)（微觀粒子具有波粒二象性）學(xué)（微觀粒子具有波粒二象性）確立。量子力學(xué)是研究原子和確立。量子力學(xué)是研究原子和分子結(jié)構(gòu)的分子結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)。5物理學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)物理學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)286實(shí)驗(yàn)方法上的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法上的改進(jìn)光譜、衍射等新方法應(yīng)用于研究原子、光譜、衍射等新方法應(yīng)用于研究原子、分子和晶體結(jié)構(gòu)分子和晶體結(jié)構(gòu)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：?jiǎn)⑹荆?人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的逐漸深入，都是人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的逐漸深入，都是建立在實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上的，實(shí)驗(yàn)是揭示建立在實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上的，實(shí)驗(yàn)是揭示原子結(jié)構(gòu)的重要手段。原子結(jié)構(gòu)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(xué)獎(jiǎng)獲得者，他們勇于懷疑科諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)獲得者，他們勇于懷疑科學(xué)上的學(xué)上的“定論定論”，不迷信權(quán)威，為科學(xué)，不迷信權(quán)威，為科學(xué)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。自然科學(xué)就是的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。自然科學(xué)就

15、是在不斷探索中修正錯(cuò)誤而前進(jìn)的。在不斷探索中修正錯(cuò)誤而前進(jìn)的。34科科學(xué)學(xué)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(fù)原子是由居于原子中心的帶正電的原子核和核外帶負(fù)電的電子構(gòu)成的。原子核又是由帶正電的質(zhì)子和不帶電電的電子構(gòu)成的。原子核又是由帶正電的質(zhì)子和不帶電 的中子構(gòu)成。的中子構(gòu)成。 希臘哲學(xué)家德謨克利特是原子學(xué)說的奠基人。他認(rèn)為希臘哲學(xué)家德謨克利特是原子學(xué)說的奠基人。他認(rèn)為萬物是由大量的不可分割的微粒構(gòu)成的，并把這些微粒萬物是由大量的不可分割的微粒構(gòu)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(xué)說子學(xué)說 英國科學(xué)家道爾頓是近代原子學(xué)說的創(chuàng)始人。他認(rèn)為英國科學(xué)家道爾頓是近代原子學(xué)說的創(chuàng)始人。他認(rèn)為物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，這些原子是不可分割的實(shí)心球體，物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，這些原子是不可分割的實(shí)心球體，同種原子的質(zhì)量和性質(zhì)相同。道爾頓的原子學(xué)說對(duì)化學(xué)同種原子的質(zhì)量和性質(zhì)相同。道爾頓的原子學(xué)說對(duì)化學(xué)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(rèn)為原子是不可分割的分開來，并且仍然認(rèn)為原子是不可分割的35 后來，意大利科學(xué)家阿伏加德羅提出可分子的概念，后來，意大利科學(xué)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(zhì)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(zhì)由分子、原子構(gòu)成的學(xué)說叫原子原子構(gòu)成的學(xué)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(xué)說的發(fā)展是物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展與創(chuàng)新是近代原子學(xué)說的發(fā)展是物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展與創(chuàng)新 英國科學(xué)家湯姆生是電子的發(fā)現(xiàn)者，他認(rèn)為一切英國科學(xué)家湯姆生是電子的發(fā)現(xiàn)者，他認(rèn)為一切原子中都有電子。從此，人們開始揭示原子內(nèi)部的秘密，原子中都有電子。從此，人們開始揭示原子內(nèi)部的秘密，認(rèn)識(shí)到原子不是構(gòu)成物質(zhì)的最小微粒，它本身還具有復(fù)認(rèn)識(shí)到原子不是構(gòu)成物質(zhì)的最小微粒，它本身還具有復(fù)雜

18、的結(jié)構(gòu)，還可以再分雜的結(jié)構(gòu)，還可以再分 1911年前后，物理學(xué)家盧瑟福把一束高速運(yùn)動(dòng)的年前后，物理學(xué)家盧瑟福把一束高速運(yùn)動(dòng)的粒子（質(zhì)量數(shù)為粒子（質(zhì)量數(shù)為4的帶的帶2個(gè)單位正電荷的氦原子核），個(gè)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(rèn)為射向一片極薄的金箔。他驚奇的發(fā)現(xiàn)，過去一直認(rèn)為原子是原子是“實(shí)心球?qū)嵭那颉保蛇@種，而由這種“實(shí)心球?qū)嵭那颉本o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(zhuǎn)，或被筆直彈回。粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，或被筆直彈回?？瓶茖W(xué)學(xué)探探

19、究究36（1）19世紀(jì)末，人們開始揭示原子內(nèi)部的秘密，最早世紀(jì)末，人們開始揭示原子內(nèi)部的秘密，最早 發(fā)現(xiàn)電子的科學(xué)家是發(fā)現(xiàn)電子的科學(xué)家是 （2）道爾頓的原子學(xué)說曾起了很大的作用。他的學(xué)說）道爾頓的原子學(xué)說曾起了很大的作用。他的學(xué)說包含有下列三個(gè)論點(diǎn)：包含有下列三個(gè)論點(diǎn)：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(zhì)和質(zhì)量都相同同種元素的原子的各種性質(zhì)和質(zhì)量都相同原子是微小的實(shí)心球體從現(xiàn)代的觀點(diǎn)看，原子是微小的實(shí)心球體從現(xiàn)代的觀點(diǎn)看，你認(rèn)為三個(gè)論點(diǎn)中不確切的是你認(rèn)為三個(gè)論點(diǎn)中不確切的是 （3）盧瑟福的）盧瑟福的粒子散射實(shí)驗(yàn)得出了金原子結(jié)構(gòu)的一些粒子散射實(shí)驗(yàn)得出了金原子結(jié)構(gòu)的一些結(jié)論，試寫出其中的三點(diǎn)結(jié)論，試寫出其中的三點(diǎn)答案