物質(zhì)的化學(xué)組成課件

第二章物質(zhì)的化學(xué)組成與聚集狀態(tài)

§2.1物質(zhì)的化學(xué)組成

一、配位化合物（一）配位化合物的組成配合物的組成一般分為內(nèi)界和外界兩部分，內(nèi)界用方括號括起來，其中包括帶正電荷的中心離子或中性原子

及與它直接配位的中性分子或負離子，它是配合物的特征部分。其余部分是外界。如果內(nèi)界部分帶有正負電荷，稱之為配離子，帶有正電荷的稱配陽離子，帶有負電荷的稱配陰離子。配合物的內(nèi)界組分很穩(wěn)定，在水溶液中幾乎不解離。而外界組分可以解離出來。1、中心離子（原子）中心離子或中心原子(也稱配合物的形成體)位于配離子的中心，中心離子(原子)一般具有空軌道．絕大多數(shù)的配合物形成體是金屬離子(或金屬原子)，特別是過渡金屬離子(原子)，如[Cu(NH3)4]2+中的Cu2+、[Ni(CO)4]中的Ni（電中性的原子）等．另外，一些具有高氧化態(tài)的非金屬元素和一些半徑較小、電荷較高的主族金屬元素也是常見的形成體，如SiF62-中的Si(Ⅳ)等．2、配位體在配離子中同中心離子(或原子)結(jié)合的離子或分子，稱配位體，簡稱配體，如H2O，NH3，CO，CN-為常見的配體；中心離子和配體之間靠配位鍵結(jié)合。在配體中直接同中心離子(或原子)結(jié)合的原子稱配位原子，如H2O中的O原子，NH3中的N原子，以及CO，CN-中的C原子．配位原子的共同特點是它們必須至少含一對孤對電子，一般常見的配位原子主要是周期表中電負性較大的非金屬原子，如N、O、S、C、F、Cl、Br、I等原子。根據(jù)配體中所含配位原子的數(shù)目多少，將配體分成兩大類。單基配體：只含有一個配位原子同中心離子結(jié)合的配體稱單基配體，又稱單齒配體。多基配體：含有兩個或兩個以上配位原子并能同時和一個中心離子相結(jié)合的配體，稱多基配體，又稱多齒配體。多基配體多數(shù)是有機分子，常見的有乙二胺四乙酸（EDTA）、C2O42-，H2N—CH2一CH2一NH2等，乙二胺，縮寫為en，像乙二胺這樣一個分子中含有兩個配位原子的配位體稱為二齒配位體，其配位情況如下：3、配位數(shù)在配體中直接與中心離子結(jié)合的配位原子的數(shù)目稱中心離子的配位數(shù)。如果配體是單齒的，則中心離子的配位數(shù)就是配體數(shù)目。例如[Ag(NH3)2]+、[Cu(NH3)4]2+、[SiF6]2-的配位數(shù)分別是2、4、6。如果配體是多齒的，則中心離子的配位數(shù)為配體數(shù)目與其基數(shù)的乘積，例如[Pt(en)2]2+的配位數(shù)為2×2=4。（二）配位化合物的命名配位化合物的命名方法在外界和內(nèi)界間服從一般無機化合物的命名原則：若外界是負離子而且為簡單酸根，如C1-、S2-、OH-離子等，則叫做“某化某”；若外界是負離子而且為復(fù)雜酸根，如SO42-、CH3COO-等，則叫做“某酸某”。若外界為簡單陽離子，內(nèi)界為配陰離子時，也叫“某酸某”。也就是說把負配離子看成是一個復(fù)雜酸根離子。例如：[Co(NH3)6]Cl3[三氯化六氨合鈷（Ⅲ）]、K2[PtCl6][六氯合鉑（Ⅳ）酸鉀]1、內(nèi)界命名的次序是：（數(shù)）陰離子配位體→（數(shù)）中性分子配位體→合→中心離子（羅馬數(shù)字表示的價數(shù)）。配位體的個數(shù)用數(shù)字一（常被省略）、二、三等寫在配位體的前面，并以中黑點把不同配位體隔開；配位體與中心離子之間加一“合”字表示配合，中心離子后面用圓括號中的羅馬數(shù)字表示它的價數(shù)。

2、陰離子配位體的命名次序如下：簡單陰離子（如X-）→復(fù)雜陰離子（如硝基NO2-）→有機酸根（如羧酸根RCOO-）3、中性分子配位體的命名次序如下：H2O→NH3→有機分子（如C2H4、三苯基膦(C6H5)3P等）配位化合物的命名舉例如下：配位鹽：[Cu(NH3)4]SO4

硫酸四氨合銅（Ⅱ）[CoCl2H2O(NH3)3]Cl

氯化二氯·水·三氨合鈷（Ⅲ）K[FeCl2(C2O4)(en)]二氯·草酸根·乙二胺合鐵（Ⅲ）酸鉀[Pt(Py)4][PtCl4]

四氯合鉑（Ⅱ）酸四吡啶合鉑（Ⅱ）配位酸：H2[SiF6]

六氟合硅（Ⅳ）酸H2[PtCl6]

六氯合鉑（Ⅳ）酸配位堿：[Ag(NH3)2]OH

氫氧化二氨合銀(Ⅰ)[Ni(NH3)4](OH)2

二氫氧化四氨合鎳（Ⅱ）中性配合物：[Cr(OH)3(H2O)(en)]

三羥基·水·乙二胺合鉻（Ⅲ）[Fe(CO)5]

五羰基合鐵（三）配合物的分類配位化合物主要可分為以下幾類：1、簡單配合物中心離子與單基配體直接配位所形成的配合物，例如K2[PtCl6]、Na3[AlF6]等。另外大量的水合物實際上也是以水為配體的簡單配合物。例如：FeCl3·6H2O即[Fe(H2O)6]Cl3

2、螯合物凡是由多基配體（如乙二胺等）以兩個或兩個以上的配位原子同時和一個中心離子配位所形成的具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的配合物，稱螯合物或內(nèi)配合物。

這類配合物中的多基配體與中心離子的結(jié)合，猶如螃蟹的爪同時鉗住了中心離子而構(gòu)成了環(huán)狀結(jié)構(gòu)。一般說來，螯合劑與金屬離子形成五員環(huán)或六員環(huán)時最穩(wěn)定，三員環(huán)與四員環(huán)的張力大，很不穩(wěn)定。六員以上的環(huán)，一般不能形成。例如[Cu(en)2]2+配離子：又如乙二胺四乙酸根合鈣（Ⅱ）配陰離子：其中的配體乙二胺四乙酸根（簡稱EDTA）含有六個配位原子（4個氧原子和2個氮原子），它們可以同時與中心離子Ca2+配位，形成含有五個五元環(huán)的穩(wěn)定螯合物[CaY]2-，如圖所示。3、多核配合物多核配合物是指一個配合物中有2個或2個以上的中心離子或原子，這些中心離子或原子借助于一定的原子或原子團而連接成一個整體，這些原子或原子團稱橋基，橋基具有一對以上的孤對電子，因而能與兩個或兩個以上的金屬離子或原子配合，如（二—μ—氯·二[氯·乙烯合鈀]）：氯是橋基。

4、羰基配合物羰基配合物是過渡金屬元素與配位體CO所形成的一類配合物，無論在理論研究還是實際應(yīng)用上，這類配合物都占有特殊重要地位。例如Ni(CO)5、Fe(CO)5可作為汽油的抗震劑替代四乙基鉛，減少汽車尾氣中鉛的污染，保護環(huán)境。配合物的性質(zhì)和應(yīng)用還與結(jié)構(gòu)有關(guān)。具有相同化學(xué)組成的配合物往往有不同的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出不同的性能。小結(jié)：一、配位化合物的組成：內(nèi)界和外界兩部分，內(nèi)界包括帶正電荷的中心離子或中性原子及與它直接配位的中性分子或負離子組成的配離子。其余部分是外界。中心離子(原子)一般具有空軌道，配位原子至少含一對孤對電子。二、配位化合物的命名三、配位化合物的分類：簡單配合物、螯合物、多核配合物、羰基配合物。二、團簇團簇是指由幾個至上千個原子或其結(jié)合態(tài)單元相互作用結(jié)合在一起而形成的相對穩(wěn)定的單元。團簇的空間尺度在納米（10-9ｍ）量級左右。有金屬簇，非金屬簇，分子簇等。團簇物質(zhì)的性能和應(yīng)用不僅與所含原子或其結(jié)合態(tài)單元數(shù)有關(guān)，還與它們間的空間位置及相互作用有關(guān)，團簇是眾多納米材料的基礎(chǔ)。1985年，美國的柯爾、斯莫利以及英國的克羅托發(fā)現(xiàn)了除金剛石、石墨以外，碳元素的又一種同素異構(gòu)體，稱為球烯或富勒烯，由此他們獲得了1996年諾貝爾化學(xué)獎．富勒烯的發(fā)現(xiàn)在學(xué)術(shù)界引起了巨大的轟動，在世界范圍內(nèi)迅速掀起富勒烯研究熱潮至今不衰．富勒烯C60，C70，C80，C90等都是空心籠狀結(jié)構(gòu)，其中以C60最穩(wěn)定。C60籠狀結(jié)構(gòu)酷似足球，球面有20個六元環(huán)面，12個五元環(huán)面，每個頂角上的C原子與周圍3個C原子相連，形成3個σ鍵，各C原子剩余的軌道和電子共同組成離域大π鍵．這個球形C60分子內(nèi)部碳碳間是共價鍵，而分子間靠范德華力結(jié)合成分子晶體C60分子除具有熔點低、沸點低、硬度小、不導(dǎo)電的特征外，已發(fā)現(xiàn)的球烯分子晶體可作為極好的潤滑劑，其衍生物或添加物在超導(dǎo)、半導(dǎo)體、潤滑劑、催化劑等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景．除球形的C60等碳團簇外，還有1991年發(fā)現(xiàn)的碳納米管，也稱“布基管”，以及結(jié)構(gòu)類似洋蔥的“布基蔥”。碳納米管是一種由單層或多層石墨卷成的納米微管，多層碳管各層之間的間隔是石墨的層間距。碳管兩頭可以是空的，也可以被半個C60或更大的碳球所封閉。碳納米管有優(yōu)異的力學(xué)性能，有很好的的韌性，彈性比碳纖維高5個數(shù)量級，是制備高強度輕質(zhì)材料的理想組元。三、非整比化合物固體中有大量物質(zhì)，它們的原子和原子結(jié)合態(tài)單元的組成和結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜。如金屬間化合物Nb3Sn，Cu5Zn；碳化物Fe3C，Mn7C3氮化物Fe2N，F(xiàn)e4N等不符合正?；蟽r規(guī)則。LaH2.76，F(xiàn)e1-xO，Sn1+XO2和PbO1.88等物質(zhì)的原子數(shù)目不成整數(shù)比，稱為非整比化合物，它們是穩(wěn)定的物質(zhì)，在常溫下多為固體。晶體缺陷是形成非整比化合物的重要原因。非整比化合物等在材料中十分重要，可以控制或改善無機固體材料的光、電、聲、磁、熱和力學(xué)等性質(zhì)。例如碳化物、氮化物在鋼材中能有效地提高鋼材的硬度；四、金屬有機化合物典型的金屬有機化合物是指由金屬原子和有機基團中碳原子鍵合而成的，含金屬-碳鍵（M-C）的化合物金屬有機化合物大體分為三類：（一）離子型化合物堿金屬和堿土金屬所形成的烷基化合物多為離子型，其通式為RM和R2M，具有離子化合物的典型特征，它們一般不溶于烴類溶劑，具有異乎尋常地反應(yīng)活性，對空氣敏感，遇水劇烈水解。（二）σ鍵化合物第ⅢA-ⅦA族和第ⅠB，ⅡB族元素與有機基團主要以σ共價鍵結(jié)合形成化合物，如R2Hg，(C2H5)4Pb和(CH3)3SnCl等，具有揮發(fā)性，對空氣穩(wěn)定，一般溶于非極性溶劑。（三）非經(jīng)典鍵化合物包括由過渡元素與不飽和基團通過金屬軌道和π鍵之間相互作用生成的π配合物，過渡元素與羰基等配位形成同時含σ鍵和π鍵的金屬有機化合物，還有多中心鍵型金屬有機化合物等。金屬有機化合物是電子、光學(xué)、磁性等功能材料、超純材料和精細陶瓷等許多工業(yè)加工中的重要物質(zhì)基礎(chǔ)過渡金屬有機化合物中，M-C鍵不是典型的離子鍵，鍵能一般小于C-C鍵，容易在M-C處斷裂。這廣泛用于化學(xué)氣相沉積，能沉積成高附著性的金屬膜。例如，三丁基鋁Al(C4H9)3和三異丙基苯鉻Cr[C6H4CH(CH3)2]3熱分解，分別得到金屬鋁膜和鉻膜。五、高分子化合物高分子化合物,簡稱高分子，又稱高聚物，是一大類化合物。有無機高分子化合物和有機高分子化合物，硅酸鹽陶瓷可稱為無機高分子化合物。高分子化合物是由千百萬個原子彼此以共價鍵連接起來的大分子。高分子化合物的分子量一般都在幾萬、甚至幾百萬，和低分子相比，按其分子大小來說，如同西瓜和芝麻相比。所以分子量很大是高分子化合物的一個重要特點。通常把分子量在一萬以上的分子稱做高分子。當然高分子和低分子之間并沒有嚴格的界線，但作為塑料、橡膠和纖維的多數(shù)高分子化合物，其分子量都在104至106之間．高分子化合物盡管分子量很大，但它往往是由許多簡單的結(jié)構(gòu)單元重復(fù)連接而成。

例如聚氯乙烯是由許多氯乙烯結(jié)構(gòu)單元重復(fù)連接起來的。是結(jié)構(gòu)單元，這樣重復(fù)的單元又叫作鏈節(jié)。n代表重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元數(shù)，稱為聚合度。合成高分子化合物的原低分子化合物稱為該聚合物的單體。如氯乙烯是聚氯乙烯的單體。除分子量外，聚合度也是描述高分子化合物分子大小的另一方式；它與高分子化合物分子量的關(guān)系為：式中M為高分子化合物的分子量，M0為該高分子化合物的結(jié)構(gòu)單元或鏈節(jié)的式量。例如常用聚氯乙烯的分子量為5-15萬，其結(jié)構(gòu)單元的式量為62.5，由此算出聚氯乙烯的聚合度為800～2400。同一種高分子化合物所含的鏈節(jié)數(shù)目并不相同，因此高分子化合物實質(zhì)上是鏈節(jié)相同而聚合度不同的高分子量產(chǎn)物。通常所說的高分子化合物的分子量實際上是指它的平均分子量。高分子化合物是由同一化學(xué)組成，聚合度不同(即鏈長不同，分子量不同)的混合物組成，這一特性通常稱為高分子化合物分子量的多分散性。因此，高分子化合物無論用分子量或聚合度來描述，都往往用平均數(shù)值來表示，稱為平均分子量、平均聚合度。綜上所述，分子量很大和高分子化合物分子量的多分散性是高分子化合物的特點。（一）高分子化合物的合成高分子化合物的分類方法有多種，按其來源有天然高分子化合物和合成高分子化合物兩類。合成高分子以有機小分子為單體，經(jīng)聚合反應(yīng)而制得。下面用反應(yīng)式列舉兩種主要類型的聚合反應(yīng)。1、加成聚合反應(yīng)簡稱加聚反應(yīng)；它的特征是反應(yīng)中沒有H2O、NH3等小分子副產(chǎn)物伴生。例如聚乙烯中，-CH2-CH2-為鏈節(jié)，n為聚合度，一般取其平均值。聚乙烯的分子量M等于鏈節(jié)式量28乘以聚合度n。如果n=2000，則其平均分子量為：由加聚反應(yīng)制得的高分子化合物稱為加聚物。由一種單體進行的加成聚合反應(yīng)稱為均聚反應(yīng)，所得高分子為均聚物。由兩種或兩種以上單體進行的加聚反應(yīng)稱為共聚反應(yīng)，所得高分子為共聚物。2、縮合聚合反應(yīng)簡稱縮聚反應(yīng)，它的特征是有H2O、NH3等小分子副產(chǎn)物伴生。尼龍66分子式中大括號內(nèi)的結(jié)構(gòu)稱為重復(fù)單元，它包括了兩個不同的單體鏈節(jié)稱它的聚合度為2n。這里的聚合度是以鏈節(jié)數(shù)來計量的。由縮聚反應(yīng)制得的高分子稱為縮聚物。聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈等高分子化合物，主鏈中均是C-C鍵，稱為碳鏈高分子化合物。其中聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯僅由C、H組成，是非極性或極性很弱的高聚物，它們只能溶于非極性溶劑，有較好的絕緣性能；但聚苯乙烯由于側(cè)基苯基的影響，其性能比聚乙烯硬且脆。若其側(cè)基換上-Cl或-CN，則所得的聚氯乙烯、聚丙烯腈就成為極性高分子化合物，有較好的耐非極性溶劑，但絕緣性就相對差一些。聚酰胺（主鏈含-CO-NH-）、聚酯（主鏈含-CO-O-）以及聚氨酯（主鏈含-NH-CO-O-）、聚脲（主鏈含-NH-CO-NH-）等幾類高分子化合物的主鏈引入了O、N等雜原子，不但有C-C鍵，還有C-O，C-N鍵，則稱雜鏈高分子化合物。主鏈中僅含有Si，P和O等元素而沒有C原子的高分子化合物稱為元素有機高分子化合物，如聚硅氧烷。元素高分子化合物常常具有一些特殊性質(zhì)，如耐寒性、耐熱性等，這與它們兼具無機物與有機物的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)。（二）高分子化合物的命名習慣上通常按合成方法、所用原料或高聚物的用途來命名。歸納起來有以下幾種情況：1、如果是用加聚反應(yīng)制得的高聚物，往往就在原料或單體名稱前加一個“聚”字(符號記為P)。例如氯乙烯的聚合物稱為聚氯乙烯(PVC)、四氟乙烯的聚合物稱為聚四氟乙烯(PTFE)等。如果是用縮聚反應(yīng)制得的高分子化合物，就在原料名稱后面加“樹脂”二字，例如苯酚和甲醛的縮聚物稱為(苯)酚(甲)醛樹脂(PF)，甘油（丙三醇）和鄰苯二甲酸酐的縮聚物稱為醇酸樹脂。但對于未制成成品前的加聚物，往往也稱作“樹脂”，例如聚氯乙烯樹脂，聚乙烯樹脂等。所以“樹脂”是高分子化合物在工程材料中的同義詞。2、以高分子化合物的主要用途或最初用途表示命名，屬習慣名稱或商業(yè)名稱。例如聚酰胺類高聚物稱尼龍或錦綸。聚酰胺類高聚物由于品種較多，因而有尼龍6、尼龍66、尼龍610等。凡在尼龍后面有兩個數(shù)字的，表示這種聚酰胺是由二元胺和二元酸的兩種單體縮聚而成的，前面的數(shù)字是二元胺的碳原子數(shù)；后面的數(shù)字是二元酸的碳原子數(shù)例如，尼龍610是由己(數(shù)目6)二胺和癸(數(shù)目10)二酸縮聚而成的。凡在尼龍后面只有一個數(shù)字的，表示這種聚酰胺是由含有某數(shù)目碳原子的內(nèi)酰胺聚合而成的。例如，尼龍6就是由己內(nèi)酰胺聚合而成的

重復(fù)單元：

3、在高分子化合物中，還常采用以其單體英文名稱的第一個字母(大寫)來表示的簡寫符號。例如ABS是丙烯腈(acrylonitrile)、丁二烯(butadiene)和苯乙烯(styrene)的簡寫。高分子化合物制品很多，通用高分子主要包括塑料、纖維和橡膠三大類。許多高分子化合物具有特殊的光、電、磁、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等方面的功能，這類高分子稱為功能高分子化合物。六、自由基和生物大分子構(gòu)成生命體的物質(zhì)在作用與代謝等生命活動過程中多有自由基參與，自由基甚至在參與和介入中起著導(dǎo)向的作用。（一）自由基自由基是指一個化合物的共價鍵電子對發(fā)生均勻分裂時，生成帶有未成鍵的單電子基，一般在分裂后的原子或原子結(jié)合態(tài)單元符號旁加一個點“·”表示，如：人體細胞和組織等生物體內(nèi)有過渡金屬離子，通過它們?nèi)菀装l(fā)生單電子的氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生自由基，自由基通過歧化反應(yīng)會快速淬滅或轉(zhuǎn)化為其他類型的自由基。由于自由基非?；顫?，它對其他生物物質(zhì)具有很強的攻擊力。利用自由基單電子結(jié)構(gòu)趨向電子配對以求穩(wěn)定的特性，它在生化反應(yīng)中可以起傳遞電子的作用。生物自由基主要有：

氧中心自由基

氮中心自由基

活化氧

自由基在正常生命過程中有積極作用，在生理濃度下，它參與了很多重要的生化反應(yīng)。自由基也積極參與細胞內(nèi)各種信號道路的轉(zhuǎn)導(dǎo)并在各種疫病發(fā)生和發(fā)展過程扮演一個以前鮮為人知的可進行調(diào)控的重要角色。（二）蛋白質(zhì)1、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子是一條或多條多肽鏈構(gòu)成的生物大分子，相對分子質(zhì)量可從一萬到數(shù)百萬。多肽鏈由氨基酸通過肽鍵(酰胺鍵，-CO-NH-)共價連接而成，各種多肽鏈都有自己特定的氨基酸順序。人體細胞含有3000至10000種以上的蛋白質(zhì)，人體蛋白質(zhì)由20種氨基酸組成。除脯氨酸外，其他19種均是α—碳上有一個氨基(-NH2)的有機羧酸，結(jié)構(gòu)通式為R-CH(NH2)COOH，R是每種氨基酸的特征基團。α—氨基酸都是無色晶體，熔點較高，一般在200～300℃之間，當達到熔點前往往會分解放出CO2。氨基酸分子中含有酸性的羧基和堿性的氨基，是兩性化合物，能分別與酸或堿作用生成鹽類。除甘氨酸外，其他氨基酸都是以α—碳原子為手性中心的手性分子，具有L-和D-兩種構(gòu)型，它們互為對映體關(guān)系，2、蛋白質(zhì)功能的多樣性：蛋白質(zhì)在生物過程中所起的作用可以簡略概括為：（1）它最重要的生物學(xué)功能是作為有機體新陳代謝的催化劑—酶。幾乎所有的酶都是蛋白質(zhì)。生物體內(nèi)的各種化學(xué)反應(yīng)幾乎都是在相應(yīng)的酶參與下進行的。（2）它另一個主要的生物學(xué)功能是作為有機體的結(jié)構(gòu)成分。（3）另一類蛋白質(zhì)有貯藏氨基酸的功能，用作有機體及其胚胎或幼體生長發(fā)育的原料。

（4）某些蛋白質(zhì)具有運輸?shù)墓δ?。?）有些蛋白質(zhì)具有協(xié)調(diào)動作的功能。（6）一些蛋白質(zhì)具有激素的功能，對生物體內(nèi)的新陳代謝起調(diào)節(jié)作用。（7）高等動物的免疫反應(yīng)是有機體的一種防御機能。免疫反應(yīng)主要也是通過蛋白質(zhì)來實現(xiàn)的。這類蛋白質(zhì)稱為抗體或免疫球蛋白。此外起接受和傳遞信息作用的受體也是蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)另一功能是調(diào)節(jié)或控制細胞的生長、分化和遺傳信息的表達。（三）核酸核酸稱為信息分子，是因為它擔負著生物遺傳信息的儲存、傳遞及功能表達。核酸分為脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）兩類。DNA主要集中在細胞核內(nèi)，RNA主要分布在細胞質(zhì)內(nèi)。它們由磷酸、脫氧核糖或核糖、有機堿組成，它們的基本結(jié)構(gòu)單元是單核苷酸，DNA和RNA之間的主要區(qū)別在戊醛糖和嘧啶堿上。DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)通過堿基