第1章物质结构基础(10级)

大学普通化学什么是化学？1如何学好大学化学？4化学包括哪些学科分支？2“大学化学”究竟学什么？3绪论大学普通化学绪论绪论大学普通化学绪论大学普通化学绪论大学普通化学绪论大学普通化学什么是化学？1化学是在原子和分子水平上研究和阐述物质的组成、结构、性质和变化规律及其变化过程中能量关系的自然科学。研究的对象：包括原子、分子、生物大分子、超分子和物质凝聚态等多个层次。化学的发展：经历了新元素的发现、各种化合物的研究、元素周期律的发现、合成新分子等过程。21世纪的化学在与物理学、生命科学、材料科学、环境科学、信息科学、能源科学、海洋科学及空间科学等的相互交叉、渗透、促进中得到了更大发展。化学冶金食品纺织、印染物理数学石油化工制药电子医学生物学环境科学法学鉴定化学、农药材料科学日用化学地质学绪论大学普通化学绪论大学普通化学徐光宪院士北京大学徐光宪教授说：我的专业是化学，从学化学、教化学到研究化学也有几十年了，但现在我却有点搞不清化学的定义了。科学的发展太快了，需要这门科学重新定位。绪论大学普通化学化学与其它科学的联系及其分支一览化学+物理物理化学化学物理力学——化学动力学、化学热力学光学——光化学、激光化学、感光化学电学——电化学热学——热化学磁学——磁化学量子——量子化学辐射——辐射化学绪论化学与其它科学的联系及其分支一览（续）化学+生物——生物化学植物化学动物化学微生物化学水生化学脑化学血液化学神经化学大学普通化学化学+天文——天体化学数学——化学拓扑学气象——大气化学煤炭——煤炭化学地质——地球化学环境——环境化学医学——临床化学染料——染料化学药物——药物化学农业——农业化学、肥料化学、杀虫剂化学、土壤化学林业——林业化学绪论大学普通化学化学+军事——化学武器、炸药化学工业——工业化学、化学工程机械——化工机械、化学仪器、化工仪表计算机——计算机化学、化学信息检索、数据处理语言——化合物命名、新元素/化合物名字的创造化学+历史——化学史哲学——化学哲学法律——法医化学、毒物分析外语——化学翻译绪论大学普通化学研究无机物的组成、结构、性质、制备及其相关理论和应用的学科。研究有机物的组成、结构、性质、合成方法及其相关理论和应用的学科。研究物质的化学组成和化学结构的分析方法及其理论的学科。研究各物质系统化学行为的原理、规律和方法的学科。无机化学有机化学分析化学物理化学大学化学绪论大学普通化学化学包括哪些学科分支？2元素化学配位化学同位素化学无机固体化学无机合成化学无机分离化学物理无机化学生物无机化学……元素有机化学理论有机化学有机固体化学有机合成化学有机分离化学物理有机化学生物有机化学高分子化学……定性分析定量分析电化学分析光谱分析波谱分析质谱分析热谱分析色谱分析光度分析……化学热力学化学动力学结构化学量子化学胶体化学催化化学热化学光化学电化学磁化学晶体化学高能化学计算化学……大学化学集各化学分支于一体，简明反映了化学各分支学科的一般原理、规律和方法。特点是使学习者了解化学科学的概貌，学会用化学的观点和方法去观察、认识、分析和解决问题。绪论大学普通化学“大学化学”究竟学什么？3绪论大学普通化学原子结构分子结构晶体结构第一章物质结构基础微观视野大学普通化学宏观角度热力学动力学第二章化学反应中的能量关系第二章化学反应的方向和程度第二章化学反应速率第四章溶液中的氧还反应——电化学原理第三章溶液绪论大学普通化学学习要求：认真听课、记录笔记、完成作业、阅读教材、全面复习、考试合格。如何学好大学化学？4我国著名科学家戴安邦教授指出：化学教育既要传授化学知识与技能，更要训练科学方法和思维，还要培养科学精神和品德。戴安邦（1901.04~1999.04）无机化学家、化学教育家。是我国配位化学的奠基人之一。1.掌握大学化学的基本知识，扩展知识面。学习目的：2.学习化学科学的分析问题和解决问题的观点、方法，提高综合素质。绪论大学普通化学《大学化学》考试与评价小论文+演讲+习题讲解由4~6人组成一组，共同完成两项工作：闭卷笔试60%小论文+演讲+习题讲解30%平时作业10%考试成绩（平时成绩共占40%，平均约为31分，应呈正态分布。）绪论大学普通化学题目要求：用所学大学化学的相关理论、原理和方法阐述你所关心和感兴趣的生产和生活中的实际问题(解释、说明或介绍等)。（可参看教材第5、6、7章和各章节的小字内容，也可自查资料扩展内容。）1.小论文：题目自拟,内容量按WordB5纸2页(正文5号字)并打印，期末考试前上交(10分)。2.演讲：将小论文制作成约6~10页ppt文稿,用于演讲发表(15分)。【注】Word版和ppt版在内容的量和编排上可有不同。一、小论文+演讲（25分）绪论大学普通化学演讲方式：每组由4~6人按所准备的内容依次接力各讲几分钟，合计每组10分钟(内容的量要组织好，不得超时）。评分方法：满分25分，其中论文10分，成绩由教员评价(平均分约7分)；演讲15分，由每组推举评委一名，对各组演讲进行打分。计算分数时，去掉两个最高分，去掉两个最低分，其它取平均值为最后得分。（平均分控制在约12分）绪论大学普通化学二、习题讲解（5分）对课后习题中同学们普遍存在的疑难问题进行讲解，时间约5分钟。1.由课代表组织抽签决定各组上讲台做演讲和讲解习题的顺序。2.演讲在平时课堂空余时间或学期后期专门安排时间进行。3.抽签结果、各组成员、评委和演讲成绩由课代表列表记录备案。【说明】第1章物质结构基础宏观的认识、掌握物质变化的规律；微观的了解物质变化的根本原因。认识规律物质结构物质性质第1章物质结构基础原子结构分子结构晶体结构第1章物质结构基础物质结构基本内容☻原子结构（原子内）☻分子结构（原子间）☻分子结构（分子间）☻晶体结构•分子间作用力--范德华力；•氢键晶体结构•离子晶体；•原子晶体；•分子晶体；•金属晶体；•混合型晶体•微观粒子的波粒二象性；•波函数(原子轨道)；•表示电子运动状态的四个量子数n,l,m,ms;•用量子力学描述核外电子的运动规律；•核外电子分布的基本原则;•元素周期律化学键•共价键：▲价键理论；▲杂化轨道理论；▲分子轨道理论；▲价电子对互斥理论等•离子键•金属键结论：（1）电子在原子中的活动空间很大。（2）原子核的密度是巨大的，约为1014g·cm-3。第1章物质结构基础1.1原子结构1.1原子结构人类对原子结构的认识经历了漫长的过程：原子(d≈10-10m)电子(d≈10-15m)质量me=9.109×10-31kg原子核(d≈10-16~10-14m)质子（1836me）中子（1839me）运动速度=1.0×106m·s-1·【提问】关于原子结构你了解多少？16世纪的化学实验室夸克夸克�19世纪末，证实：原子可分为带正电荷粒子带负电荷粒子1.1原子结构氢气(H2)放入放电管通以高压电流，氢原子(H)被激发而发光，用棱镜分光所得的线状光谱即为氢光谱(按λ依次排列的不连续的线条)。第1章物质结构基础(1)原子由居于中心的带正电的原子核和核外带负电的电子组成。(2)电子以不同的轨道围绕原子核旋转。�1911年,卢瑟福提出在当时得到普遍的承认，但无法解释氢光谱。Ernest.Rutherford(1871～1937)卢瑟福原子结构模型1.1原子结构第1章物质结构基础656.3486.1434.1410.2氢原子在可见光区的线状谱线)nm(名称放电管高压电电弧氢气狭缝棱镜检测器（照相底片）NielsHenrikDavidBohr(1885-1962)由于对原子结构理论的重大贡献，获得诺贝尔物理学奖(1922年)�1913年,玻尔根据普朗克的“量子论”和爱因斯坦的“光子学说”认为：电子在核外的能量是不连续的。1.1原子结构第1章物质结构基础玻尔和爱因斯坦Albert.Einstein(1879~1955)Max.Karl.Ernst.Ludwig.Planck(1858~1947)(1)电子绕核沿固定轨道运动,电子有确定的能量,同时不辐射能量。(2)离核近的轨道能量低，离核远的轨道能量高。电子在能量不同的轨道之间可以跃迁：e跃迁轨道1)(1E轨道2)(2E跃迁时有能量吸收或放出，且能量是不连续的(能量量子化)。玻尔理论的要点：hEhE贡献：成功解释了氢原子光谱。(2)不能说明多电子原子的光谱和氢原子光谱的精细结构。局限：(1)把电子简单地理解为经典粒子(像宏观物体低速运动)。1.1原子结构第1章物质结构基础第1章物质结构基础•有固定的轨道•可同时准确确定位置和速度•可预测运动轨迹运用量子力学解释用经典力学研究运动规律1.1原子结构测不准不能同时准确的确定位置和速度WernerKarlHeisenberg(1901-1976)玻尔和海森伯、泡利在一起研究微观粒子运动规律宏观物体微观粒子运动状态对比第1章物质结构基础1.1原子结构是指光能发生衍射和干涉等现象,有波的特征,可用波长或频率来描述。是指光的性质可以用动量来描述,光在发射或吸收时与实物有能量交换,最小能量单位是——光子概念。h1.1.1氢原子结构1905年，爱因斯坦提出光子学说，认为光具有：波动性粒子性Albert.Einstein(1879~1955)电子等微观粒子的波粒二象性1924年，德布罗意提出物质波的概念，设想电子等微粒也具有波粒二象性。1.1原子结构第1章物质结构基础LouisVictordeBroglie(1892-1987)France1929年诺贝尔物理学奖获得者波动力学的创始人物质波理论的创立者量子力学的奠基人之一1927年，德布罗意的设想被电子衍射实验所证实,以后又证实了任何微粒均具有波粒二象性。粒子特征：质量、速度mv波动特征：波长通过联系起来，h得出德布罗意关系式：vmh他将表现金属箔电子射线发生器A电子衍射实验示意图底片粒子性感光斑点衍射环纹波动性1.1原子结构[如何理解]质量，速度。kg1011931.16sm100.1如何描述电子的波动性？是电子无数次行为的统计结果,粒子性：波动性：电子的需要用统计规律来解释和理解，即通过电子在核外空间出现的机会多少——概率来体现。第1章物质结构基础电子等物质波是具有统计性的概率波1.1原子结构第1章物质结构基础0)(π822222222ψψψψVEhmzyx(P.2)——描述微观粒子(电子等)运动规律的基本方程。(二阶偏微分方程)ErwinSchrödinger(1887-1961)奥地利物理学家诺贝尔物理学奖(1933年)薛定谔方程ψψψψ式中——波函数m——电子的质量E——电子的总能量V——电子的势能ψx,y,z——空间坐标1.1原子结构第1章物质结构基础(2)通过求解薛定谔方程可得到波函数。ψ(3)本身缺乏明确的物理意义，而则表示电子在核外空间某处附近单位微体积内出现的概率(即概率密度)。ψ2ψ(1)波函数是描述核外电子在三维空间中运动状态的数学函数，习惯上称为原子轨道。[注意]此处“原子轨道”与宏观物体的运动轨道概念不同，是指电子在原子核外运动的某个空间范围，即波函数的空间图像。1.四个量子数量子数——由量子力学数学解中得到的成套的整数。薛定谔方程1.1原子结构电子在核外的运动状态(波动特征)描述求解波函数()表达式(原子轨道)ψ第1章物质结构基础主量子数n角量子数l磁量子数m引入(合理组合)(1)主量子数n1.1原子结构意义:①决定核外电子出现概率最大区域离核的远近；②代表电子和原子轨道的主要能量。符号:KLMNOPQ等(电子层或能层)取值n=1,2,3,4,5,6,7等(除0外)n越大,轨道能量(电子能量)越高,电子出现概率最大的区域离核的平均距离越远。n相同的原子轨道归并为同一电子层。第1章物质结构基础1.1原子结构意义:①决定电子绕核运动的轨道角动量。③表示原子轨道的形状。(2)角量子数l取值符号:spdfgh等(电子亚层))1(,5,,4,3,2,1,0nl,共n个值。②表示电子层中又分为若干个电子亚层(也称能级)。多电子原子