2024徐壽昌有機(jī)化學(xué)課件：化學(xué)鍵與分子結(jié)構(gòu)

匯報人：2024-11-192024徐壽昌有機(jī)化學(xué)課件：化學(xué)鍵與分子結(jié)構(gòu)目錄CONTENTS化學(xué)鍵與分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)共價鍵與分子構(gòu)型離子鍵與離子化合物性質(zhì)化學(xué)鍵能量與反應(yīng)活性關(guān)系分子間作用力與物質(zhì)性質(zhì)關(guān)系化學(xué)鍵與分子結(jié)構(gòu)在材料科學(xué)中應(yīng)用01化學(xué)鍵與分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)化學(xué)鍵定義化學(xué)鍵是原子之間通過電子的轉(zhuǎn)移、共享或交換而形成的相互作用力，這種力將原子結(jié)合在一起形成分子或離子。化學(xué)鍵分類化學(xué)鍵概念及分類根據(jù)原子間相互作用力的性質(zhì)和強(qiáng)弱，化學(xué)鍵可分為離子鍵、共價鍵和金屬鍵等。其中，離子鍵和共價鍵是有機(jī)化學(xué)中最為常見的兩種化學(xué)鍵。0102VS分子結(jié)構(gòu)是指分子中原子之間的相對位置和空間排布方式，包括分子的構(gòu)型、構(gòu)象等。分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系分子的結(jié)構(gòu)決定了其物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。例如，分子的極性、溶解性、熔沸點(diǎn)等都與分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。分子結(jié)構(gòu)概念分子結(jié)構(gòu)概述共價鍵特點(diǎn)共價鍵是通過原子間共享電子對而形成的化學(xué)鍵。共價鍵具有方向性和飽和性，其鍵能較高，通常存在于非金屬元素之間。離子鍵特點(diǎn)離子鍵是通過正負(fù)離子之間的靜電吸引力而形成的化學(xué)鍵。離子鍵沒有方向性和飽和性，其鍵能通常較低，存在于金屬元素與非金屬元素之間。共價鍵與離子鍵特點(diǎn)食鹽（氯化鈉）是由鈉離子和氯離子通過離子鍵結(jié)合而成的化合物。在食鹽中，鈉原子失去一個電子成為鈉離子，氯原子獲得一個電子成為氯離子，它們之間通過靜電吸引力結(jié)合在一起。食鹽中的離子鍵水分子是由兩個氫原子和一個氧原子通過共價鍵結(jié)合而成的化合物。在水分子中，氫原子與氧原子之間通過共享電子對形成共價鍵，使得水分子具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。同時，水分子之間還存在氫鍵等相互作用力，使得水具有許多獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)。水中的共價鍵大學(xué)生活中化學(xué)鍵實(shí)例02共價鍵與分子構(gòu)型共價鍵形成原理及類型共價鍵形成原理原子間通過共用電子對形成的化學(xué)鍵，達(dá)到穩(wěn)定的電子構(gòu)型。共價鍵類型根據(jù)共用電子對的來源和數(shù)目，可分為單鍵、雙鍵、三鍵等。極性共價鍵與非極性共價鍵根據(jù)共用電子對是否偏移，分為極性共價鍵（不同原子間）和非極性共價鍵（相同原子間）。價層電子對互斥理論（VSEPR）預(yù)測分子空間構(gòu)型的一種方法，根據(jù)中心原子價層電子對數(shù)目和類型判斷分子構(gòu)型。雜化軌道理論原子在形成共價鍵時，能量相近的原子軌道重新組合成一組新的能量相等的軌道，即雜化軌道。雜化類型與分子構(gòu)型關(guān)系sp、sp2、sp3等雜化類型決定了分子的空間構(gòu)型。雜化軌道理論與價層電子對互斥理論直線型分子平面三角形分子如H?O，具有V型結(jié)構(gòu)，鍵角約為105°，有2對孤對電子，是極性分子。V型分子如NH?，具有三角錐結(jié)構(gòu)，鍵角小于109.5°，有1對孤對電子，是極性分子。三角錐形分子如CH?，具有正四面體結(jié)構(gòu)，鍵角為109.5°，無孤對電子，是非極性分子。四面體型分子如CO?，具有對稱性，偶極矩為零，是非極性分子。如BF?，具有平面結(jié)構(gòu)，鍵角為120°，無孤對電子。常見分子構(gòu)型及性質(zhì)分析實(shí)例演示以H?O為例，演示如何繪制V型分子構(gòu)型圖。學(xué)生練習(xí)選取幾個常見分子（如CO?、BF?、CH?、NH?等），讓學(xué)生自行繪制分子構(gòu)型圖并進(jìn)行分析。繪制步驟確定中心原子、計算價層電子對數(shù)、判斷雜化類型和分子構(gòu)型、繪制分子構(gòu)型圖。課堂互動：繪制分子構(gòu)型圖03離子鍵與離子化合物性質(zhì)形成條件電負(fù)性差異大的原子之間，通過電子轉(zhuǎn)移形成正負(fù)離子，進(jìn)而形成離子鍵。特點(diǎn)離子鍵形成條件及特點(diǎn)離子鍵無方向性和飽和性，鍵力較強(qiáng)，熔沸點(diǎn)高，易溶于水，難溶于有機(jī)溶劑。0102VS根據(jù)構(gòu)成離子化合物的離子種類不同，可分為簡單離子化合物和復(fù)雜離子化合物。性質(zhì)差異不同類型的離子化合物在溶解性、熔沸點(diǎn)、導(dǎo)電性等方面存在差異。類型離子化合物類型與性質(zhì)差異溶解度實(shí)驗(yàn)通過測定不同離子化合物在水中的溶解度，了解其溶解性質(zhì)及影響因素。導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)通過測定離子化合物在熔融狀態(tài)或水溶液中的導(dǎo)電性，驗(yàn)證離子鍵的存在和離子化合物的導(dǎo)電性質(zhì)。溶解度、導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)探究食鹽（NaCl）食鹽是典型的離子化合物，其由鈉離子和氯離子通過離子鍵構(gòu)成。食鹽在生活中具有調(diào)味、防腐等重要作用。陶瓷材料陶瓷材料中的許多化合物都是通過離子鍵結(jié)合的。這些材料具有高硬度、高熔點(diǎn)、耐腐蝕等特性，在建筑、工藝美術(shù)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。藥物治療許多藥物分子中含有離子鍵，這些離子鍵對于藥物的溶解性、穩(wěn)定性和生物活性等性質(zhì)具有重要影響。在藥物設(shè)計和合成過程中，需要充分考慮離子鍵的作用。電池電池中的電解質(zhì)通常為離子化合物，離子在電池內(nèi)部通過離子鍵進(jìn)行遷移，從而實(shí)現(xiàn)電池的充放電過程。小組討論：離子鍵在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用04化學(xué)鍵能量與反應(yīng)活性關(guān)系理論計算方法利用量子力學(xué)和分子力學(xué)等理論方法，通過計算機(jī)模擬計算化學(xué)鍵的能量。鍵能定義化學(xué)鍵能量是指斷裂1mol化學(xué)鍵所需吸收的能量，或形成1mol化學(xué)鍵所放出的能量。實(shí)驗(yàn)測定方法通過量熱實(shí)驗(yàn)測定反應(yīng)熱，進(jìn)而推算出化學(xué)鍵的能量?；瘜W(xué)鍵能量計算方法介紹鍵能與反應(yīng)速率關(guān)系一般來說，鍵能越大，化學(xué)鍵越穩(wěn)定，反應(yīng)活性越低，反應(yīng)速率越慢；反之，鍵能越小，化學(xué)鍵越不穩(wěn)定，反應(yīng)活性越高，反應(yīng)速率越快。鍵能與反應(yīng)活性關(guān)系探討鍵能與反應(yīng)熱關(guān)系在化學(xué)反應(yīng)中，舊鍵的斷裂需要吸收能量，新鍵的形成則放出能量。因此，反應(yīng)熱與反應(yīng)前后化學(xué)鍵的鍵能變化密切相關(guān)。鍵能與反應(yīng)方向關(guān)系根據(jù)熱力學(xué)原理，化學(xué)反應(yīng)總是向著能量降低的方向進(jìn)行。因此，在一定條件下，鍵能的大小可以決定反應(yīng)的方向。化學(xué)反應(yīng)中能量變化實(shí)例分析燃燒反應(yīng)燃燒反應(yīng)是典型的放熱反應(yīng)，反應(yīng)物中的化學(xué)鍵斷裂吸收能量，而生成物中的化學(xué)鍵形成放出能量。由于生成物的總鍵能大于反應(yīng)物的總鍵能，因此反應(yīng)放熱。01酸堿中和反應(yīng)酸堿中和反應(yīng)也是典型的放熱反應(yīng)。在反應(yīng)過程中，氫離子與氫氧根離子結(jié)合形成水分子，同時放出大量熱量。這是由于氫離子與氫氧根離子之間的離子鍵能較大，形成水分子時放出的能量較多。02氧化還原反應(yīng)氧化還原反應(yīng)中的能量變化與電子的轉(zhuǎn)移有關(guān)。在反應(yīng)過程中，失去電子的物質(zhì)（氧化劑）的化學(xué)鍵能降低，而獲得電子的物質(zhì)（還原劑）的化學(xué)鍵能升高。因此，氧化還原反應(yīng)中的能量變化取決于氧化劑和還原劑的相對強(qiáng)弱以及電子轉(zhuǎn)移的數(shù)量。03思考題：預(yù)測某反應(yīng)活性并解釋原因根據(jù)所給反應(yīng)物的結(jié)構(gòu)式和鍵能數(shù)據(jù)，預(yù)測該反應(yīng)的活性大小。結(jié)合所學(xué)知識，解釋預(yù)測結(jié)果的原因，包括反應(yīng)物中化學(xué)鍵的類型、鍵能大小以及可能發(fā)生的反應(yīng)類型等因素對反應(yīng)活性的影響。05分子間作用力與物質(zhì)性質(zhì)關(guān)系范德華力分子間普遍存在的一種較弱的作用力，包括靜電力、誘導(dǎo)力和色散力。它對物質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和溶解度等性質(zhì)有重要影響。氫鍵范德華力、氫鍵等分子間作用力介紹一種較強(qiáng)的分子間或分子內(nèi)相互作用力，主要存在于含有氫原子的極性分子之間。氫鍵對物質(zhì)的性質(zhì)有顯著影響，如使水具有較高的沸點(diǎn)和熔點(diǎn)。0102分子間作用力對物質(zhì)性質(zhì)影響分析熔點(diǎn)與沸點(diǎn)分子間作用力越強(qiáng)，物質(zhì)的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)通常越高。例如，含有氫鍵的物質(zhì)往往具有較高的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)。溶解度分子間作用力對物質(zhì)的溶解度也有影響。一般來說，極性分子在極性溶劑中的溶解度較高，而非極性分子在非極性溶劑中的溶解度較高。密度與粘度分子間作用力還會影響物質(zhì)的密度和粘度。例如，液體分子間作用力較強(qiáng)時，其粘度通常較大。熔點(diǎn)與沸點(diǎn)測定通過實(shí)驗(yàn)測定不同物質(zhì)的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，可以比較它們之間分子間作用力的強(qiáng)弱。溶解實(shí)驗(yàn)觀察不同物質(zhì)在不同溶劑中的溶解情況，可以了解分子間作用力對溶解度的影響。粘度測量通過測量不同液體的粘度，可以間接反映液體分子間作用力的大小。030201實(shí)驗(yàn)中觀察不同物質(zhì)間作用力差異油的漂浮現(xiàn)象由于油分子間的范德華力較弱，使得油的密度小于水，因此油會漂浮在水面上。粘合劑的粘性粘合劑分子與被粘物分子間的相互作用力（包括范德華力和氫鍵等）使得兩者能夠緊密結(jié)合在一起。水的表面張力水分子間的氫鍵使得水具有較高的表面張力，這是水滴能夠保持球形的原因。分享環(huán)節(jié)：生活中的分子間作用力現(xiàn)象06化學(xué)鍵與分子結(jié)構(gòu)在材料科學(xué)中應(yīng)用01共價鍵合高分子材料中，原子間通過共享電子形成共價鍵，賦予材料穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能。高分子材料中的化學(xué)鍵合方式探討02離子鍵合部分高分子材料中包含離子鍵，由正負(fù)離子相互吸引而成，影響材料的導(dǎo)電、耐熱等性質(zhì)。03配位鍵合在高分子金屬配合物中，金屬離子與配體之間形成配位鍵，賦予材料特殊的光、電、磁等性能。通過調(diào)控化學(xué)鍵的類型、數(shù)目和分布，優(yōu)化材料的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等性能?；瘜W(xué)鍵調(diào)控借鑒生物學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域的知識，創(chuàng)新功能材料的設(shè)計思路和方法?？鐚W(xué)科融合通過巧妙設(shè)計分子結(jié)構(gòu)，引入特定功能基團(tuán)，實(shí)現(xiàn)材料性能的定制化。分子結(jié)構(gòu)設(shè)計新型功能材料設(shè)計思路分享尺寸效應(yīng)納米尺度下，材料的化學(xué)鍵合方式和大塊材料存在顯著差異，影響材料的物理和化學(xué)性質(zhì)。納米材料中的化學(xué)鍵合特點(diǎn)剖析表面效應(yīng)納米材料表面原子比例高，表面化學(xué)鍵合對材料性能產(chǎn)生重要影響。量子效應(yīng)納米尺度下，化學(xué)鍵合受到量子效應(yīng)的影響，表現(xiàn)