高中化学物质结构与性质_思维导图模板

物质结构与性质

原子结构与元素性质

化学研究

化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的自然科学

主要研究原子核外电子的运动状态及变化规律

原子结构模型

不同时期的原子结构模型

道尔顿原子论

汤姆孙“葡萄干布丁”模型

卢瑟福核式模型

α 粒子散射实验

玻尔原子结构模型

原子光谱实验

量子力学模型

氢原子光谱和玻尔的原子结构模型

氢原子光谱

氢原子光谱是由具有特定波长、彼此分立的谱线组成的线状光谱

玻尔原子结构模型

原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道（orbit）上绕原子核运动，并且不辐射能量

在不同轨道上运动的电子具有不同的能量（E），而且能量值是不连续的，这称为能量“量子化”。

轨道能量依 n 值（1、2、3、…）的增大而升高，n 称为量子数

电子处在 n=1 的轨道时能量最低，这种状态称为基态

能量高于基态能量的状态，称为激发态

只有当电子从一个轨道（能量为 Ei）跃迁到另一个轨道（能量为 Ej）时，才会辐射或吸收能量。

量子力学对原子核外电子运动状态的描述

原子轨道

原子线状光谱的产生是原子核外的电子在不同的、能量量子化的状态之间跃迁导致

将 n 所描述的电子运动状态称为电子层

n 的取值为正整数 1、2、3、4、5、6 等，对应的符号分别为 K、L、M、N、O、P 等

n 越大，电子离核的平均距离越远，电子具有的能量越高

当 n 相同时，电子具有的能量也可能不同，即同一个电子层内的电子可处于不同能级

当 n=x 时，有 x 个能级，分别用符号 s、p、d、f 等表示

在存在外磁场时，处于同一能级的电子的空间运动状态的能量还会不同

在无外磁场的条件下，处于同一能级的原子轨道能量相同。

处于同一原子轨道上的电子自旋状态只能有两种，分别用符号“↑”和“↓”表示。

原子轨道的图形描述

原子轨道在量子力学中用波函数来表示

s轨道在三维空间分布的图形为球形，

p 轨道在空间分别沿 x、y、z 轴的方向分布

电子在核外的空间分布

电子云图

描述电子在核外空间某处单位体积内的概率分布的图形

量子力学中轨道（orbital）的含义已与玻尔轨道（orbit）的含义完全不同，它既不是圆周轨道，也不是其他经典意义上的固定轨迹

量子力学

不能同时准确地测定微观粒子的位置和速度，正是因为微观粒子具有波动性

原子结构与元素周期表

基态原子的核外电子排布

能量最低原理

在不违背泡利不相容原理的前提下，核外电子在各个原子轨道上的排布方式应使整个原子体系的能量最低

泡利不相容原理

一个原子轨道中最多只能容纳两个电子，且这两个电子的自旋状态不同

用电子排布式

轨道表示式

洪特规则

对于基态原子，核外电子在能量相同的原子轨道上排布时，将尽可能分占不同的原子轨道并且自旋状态相同

构造原理

基态原子外层电子在原子轨道上排布的规律

每个电子层最多能容纳个电子

每个能级最多能容纳的电子数为其包含的原子轨道数的 2 倍

核外电子排布与元素周期表

核外电子排布与周期的划分

价电子

最外能级组中那些有可能参与化学反应的电子

主族元素原子的价电子只包括最外层电子

过渡元素原子的价电子除最外层电子外，还包括次外层的部分电子，甚至倒数第三层的电子

元素性质与原子的价电子的数目密切相关。

价电子排布式

一个能级组最多能容纳的电子数等于对应的周期包含的元素种数。

周期与量子数 n（电子层数）相关。最外层电子所在轨道处于第 n 电子层时，该原子所属元素通常属于第 n 周期。

核外电子排布与族的划分

族的划分与原子的价电子数目和价电子排布密切相关。

同族元素原子的价电子数目相同

主族元素所在族的序数等于该元素原子的价电子数

0 族

氦元素外，稀有气体元素原子的最外层电子排布均为 ns2np6

过渡元素

价电子排布为 (n-1)d1～10ns1～2

ⅠB 和ⅡB 族则是根据 ns 轨道上有 1 个还是 2 个电子来划分的

且ⅢB～ⅦB 族元素原子的价电子数目仍然与族序数相同

价电子排布相似的元素集中在一起

最后填入电子的轨道能级符号

元素性质及其变化规律

原子半径及其变化规律

同周期主族中，随着原子序数的增大，元素的原子半径自左至右呈逐渐减小的趋势

增加的电子产生的电子间的排斥作用小于核电荷增加导致的核对外层电子的吸引作用

对同主族元素的原子来说，自上而下，随着原子序数的逐渐增大，原子半径逐渐增大

电子层数的影响大于核电荷增加的影响

利用原子半径和价电子数，人们可以定性解释元素周期表中元素原子得失电子能力所呈现的递变规律。

元素的电离能及其变化规律

电离能I

气态基态原子或气态基态离子失去一个电子所需要的最小能量

单位为 kJ·mol-1

第一电离能

元素原子失去一个电子的电离能

第二电离能

再失去一个电子的电离能

元素的第二电离能高于第一电离能

运用元素的电离能数据来判断金属元素的原子在气态时失去电子的难易程度

金属活动性顺序为 K、Ca、Na、Mg、Al、Zn、Fe、Sn、Pb、（H）、Cu、Hg、Ag、Pt、Au。该顺序表示从 K 到 Au，在水溶液中，金属单质中的原子失去电子越来越困难。

电子亲和能

元素的气态原子结合电子的难易程度

元素的气态原子（或离子）获得一个电子所放出的能量

体系放出能量时电子亲和能为正，体系吸收能量时电子亲和能为负

元素的电负性及其变化规律

电负性

元素的原子在化合物中吸引电子能力的标度

对主族元素而言，同一周期从左到右，元素的电负性递增；同一主族自上而下，元素的电负性递减。

用两种元素的原子形成化合物时的生成热数值来计算电负性，并选定氟的电负性为 4.0，进而计算出其他元素的电负性数值。

电负性是相对值，所以没有单位

元素的电负性可用于初步判断一种元素是金属元素还是非金属元素以及元素的活泼性如何

通常，电负性小于 2 的元素大部分是金属元素，电负性大于 2 的元素大部分是非金属元素。

利用电负性可以判断化合物中元素化合价的正负，电负性大的元素易呈
现负价，电负性小的元素易呈现正价。

利用元素的电负性还可以判断化学键的性质，电负性差值大的元素原子之间形成的化学键主要是离子键，电负性相同或差值小的非金属元素原子之间形成的化学键主要是共价键

甲醛的危害与去除

借助电负性，可以简便而有效地预测化学键中电荷的分布，进而预测物质的某些
性质以及可能发生的某些化学反应

甲醛之所以有毒，是因为甲醛进入人体后，分子中的羰基与蛋白质分子中的氨基发生反应，使蛋白质失去原有的活性。甲醛能够防腐也是基于此原理。

氨、胺类、酚类物质等可以与甲醛发生加成反应，继而发生消去反应，生成水
和一种稳定的有机化合物，从而达到去除甲醛的目的

利用氧化剂与甲醛发生氧化还原反应也可以去除甲醛

使用多孔材料通过物理吸附的方法也可以去除甲醛

活性炭

甲醛的危害与去除

微粒间相互作用与物质性质

共价键模型

共价键的形成与特征

共价键

原子间通过共用电子形成的化学键

电负性相同或差值小的非金属元素原子之间形成的化学键为共价键

用一条短线"-"表示由一对共用电子所形成的共价键

Cl—Cl

“=”表示原子间共用两对电子所形成的共价键（共价双键）

“≡”表示原子间共用三对电子所形成的共价键（共价三键）

N≡N

共价键的饱和性

性决定了各种原子形成分子时相互结合的数量关系

共价键有方向性

尽可能沿着电子出现概率最大的方向形成

分子的空间结构与共价键的方向性密切相关

共价键的类型

σ 键与 π 键

σ 键

原子轨道以“头碰头”方式相互重叠导致电子在核间出现的概率增大而形成的共价键

N2、HCl、Cl2、H2

π 键

原子轨道以“肩并肩”方式相互重叠导致电子在核间出现的概率增大而形成的共价键

极性键和非极性键

非极性键

构成分子的是同种元素的两个原子，它们吸引电子的能力相同，所以共用电子不偏向于其中任何一个原子，参与成键的原子都不显电性

极性键

当构成分子的两个原子是不同元素的原子时，由于两个原子吸引电子的能力不同，共用的电子必然偏向于吸引电子能力大的原子一侧，这个原子因附近电子出现的概率较大而带部分负电荷，而另一个原子则带部分正电荷，

共用电子偏移程度不同

强极性键

共用电子偏离程度大，如H—F 中的极性键

弱极性键

共用电子偏离程度小，如 H—I 中的极性键

在双原子分子中，可用成键原子所属元素电负性的差值大小判断形成的共价键是否有极性及极性的强弱

分子中共价键的极性强弱会影响物质的性质，由此键的极性成为解释和预测物质性质、判断反应活性部位和反应产物的常用工具

键参数

键长

两个成键原子的原子核间的距离（简称核间距）

化学键的键长愈短，化学键就愈强，键就愈牢固

键角

在多原子分子中，两个化学键的夹角

键能

在 1× Pa、298 K 条件下，断开 1 mol AB(g) 分子中的化学键，使其分别生成气态 A 原子和气态 B 原子所吸收的能量

定量地表示化学键的强弱

波长为 300 nm 的紫外光的光子所具有的能量约为 399 kJ·mol-1，这一能量比蛋白质分子中重要的化学键，如 C—C 键、C—N 键和 C—S 键的键能都大。因此，紫外光的能量足以使这些化学键断裂，从而破坏蛋白质分子。
防晒霜之所以能有效地减轻紫外光对人体的伤害，其原因之一是它的有效成分的分子中有π 键。这些分子中的 π 键的电子在吸收紫外光后被激发，从而能阻挡部分紫外光。

分子光谱

分子从一种能级改变到另一种能级时吸收或发射的光谱

分子中的键长、键角、电荷分布等结构特征都会影响分子光谱

于测定物质浓度

共价键与分子的空间结构

分子空间结构的理论分析

杂化轨道理论

这种在外界条件影响下，原子内部能量相近的原子轨道重新组合形成新的原子轨道的过程叫作原子轨道的杂化，组合后形成的一组新的原子轨道叫作杂化原子轨道，简称杂化轨道

价电子对互斥理论

分子中的中心原子的价电子对——成键电子对（bp）和孤电子对（lp）由于相互排斥作用，处于不同的空间取向且尽可能趋向于彼此远离

多重键、成键电子对与孤电子对的斥力大小顺序可定性地表示为：
三键—三键 > 三键—双键 > 双键—双键 > 双键—单键 > 单键—单键
lp-lp >> lp-bp > bp-bp

一般不适用于推测过渡金属化合物分子的空间结构

等电子原理

化学通式相同且价电子总数相等的分子或离子具有相同的空间结
构和相同的化学键类型等结构特征

分子的空间结构与分子性质

分子中的原子排布与对称性

对称分子

依据对称轴的旋转或借助对称面的反映能够复原的分子

旋光性

在光通过某些化合物时，光波振动的方向会旋转一定的角度

手性

分子本身和它们在镜中的像，就如同人的左手和右手，相似但不能重叠

手性分子

一个手性分子和它的镜像分子构成一对对映异构体

互为对映异构体的两种手性分子具有相反的旋光性

常用有无不对称碳原子推测分子是否为手性分子，进而判断分子有无旋光性

分子中的电荷分布与极性

极性分子

分子内存在正、负两极的分子

HCl

正、负电荷重心不重合

非极性分子

对双原子分子来说，键的极性与分子的极性是一致的

多原子分子的极性除了与键的极性有关外，还与分子的空间结构有关

在相对分子质量相同的情况下，极性分子构成的物质比非极性分子构成的物质具有更高的沸点

相似相溶

极性分子易溶于极性溶剂（如水），非极性分子易溶于非极性溶剂（如四氯化碳）

分子中极性较大的基团具有亲水性，极性较小的基团具有亲脂性（或称为疏水性）

表面活性剂

分子中既含有亲水性的基团，又含有疏水性的基团，由这类分子构成的物质

细胞膜的主要成分之一——磷脂就是一种天然的表面活性剂

离子键、配位键与金属键

离子键

阴、阳离子通过离子键可形成稳定的化合物

成键原子所属元素的电负性差值越大，原子之间越容易得失电子而形成离子键。

实质是静电作用

没有方向性

可以对不同方向的带异性电荷的离子产生吸引作用

没有饱和性

每个离子周围最邻近的带异性电荷的离子数目的多少，取决于阴、阳离子的相对大小

离子键相结合的化合物所形成的晶体中，每个离子周围尽可能多地排列带异性电荷的离子，这种情况下体系能量更低

离子极化

在电场的作用下产生的离子中电子分布发生偏移的现象

配位键

A → B 符号表示

共用电子是由一方提供而不是由双方共同提供的

配位化合物

组成中含有配位键的物质

提供空轨道的称为中心原子或中心离子

提供孤电子对的称为配体

配位化学

配合物的制备与应用

有些配合物显现出特征颜色，从而可以用于物质的检验

过用 SCN- 检验 Fe3+

金属键

金属键及其实质

“自由电子”和金属阳离子之间的强的相互作用

金属键在本质上也是一种电性作用

无方向性和饱和性

金属键中的电子在整个三维空间里运动，属于整块固态金属

金属键与金属性质

分子间作用力

范德华力与物质性质

是分子之间普遍存在的一种相互作用力，它使许多物质能以一定的凝聚态（固态和液态）存在

能通常比化学键的键能小得多，一般只有 2 ~ 20 kJ·mol-1，

作用范围通常为0.3~0.5 nm

实质也是电性作用，它没有饱和性和方向性

极性分子相互靠近时，一个分子的正电荷端与另一个分子的负电荷端相互吸引，这种静电吸引力称为取向力。分子极性越强，取向力就越大。

一个分子受到极性分子的诱导作用，导致正电荷重心与负电荷重心不重合或距离加大，进而使两种分子之间产生吸引力或使吸引力增强，这种吸引力称为诱导力

原子核和电子总是在不停地运动，因此即使是非极性分子，其正电荷重心与负电荷重心也会发生瞬间不重合；当分子相互靠近时，分子之间会产生静电吸引力，这种静电吸引力叫作色散力

除了极性特别强的极性分子间的范德华力以取向力为主以外，其他分子之间的范德华力往往以色散力为主

范德华力主要影响物质的熔点、沸点等物理性质。范德华力越强，物质的熔点、沸点越高。一般来说，分子结构和组成相似的物质，随着相对分子质量的增加，范德华力逐渐增强。

在常温、常压下，氟单质和氯单质
为气体，溴单质为液体，碘单质为固体。

氢键与物质性质

氢键通常用 X—H…Y 表示

X—H 表示氢原子和 X 原子以共价键相结合

氢键的作用能是指 X—H…Y 分解为 X—H 和 Y 所需要的能量

氢原子位于 X 原子和 Y 原子之间且 X 原子和 Y 原子具有强烈吸引电子的作用，氢键才能形成

氢键的作用能一般不超过 40 kJ·mol-1

氢键的形成赋予物质一些特殊的性质，主要表现为物质的熔点和沸点升高

羊毛织品水洗后为什么会变形

羊毛纤维是由蛋白质构成的，蛋白质分子中的氨基（-NH2）和羰基（ C==O）可能会形成氢键。羊毛在浸水和干燥的过程中，会在这些氢键处纳入水和去除水，而且其变化往往是不可逆的，从而改变了原先蛋白质的结构，即原先的氢键部位可能发生移动，由此引起羊毛织品变形。

补铁剂中铁元素的检验

用 KSCN 溶液检验 Fe3+ 时，SCN- 会与OH- 竞争结合 Fe3+。由于 OH- 更易与 Fe3+ 结合，在 pH>3 时，SCN- 无法竞争到Fe3+；在 pH<3 时，OH- 浓度很小，这时 SCN- 可以竞争到 Fe3+，从而能观察到溶液变红色。由此可知，用 SCN- 检验 Fe3+ 须在酸性条件下进行

邻二氮菲的结构简式为N N，N 原子与 Fe2+ 通过配位键能形成稳定的橙红色邻二氮菲亚铁离子，这种离子可表示为［Fe(phen)3］2+。该配合物的特征颜色常用于 Fe2+ 浓度的测定。

稳定性弱的配合物容易转化为稳定性强的配合物

由于溶液颜色的深浅与有色物质的浓度有关，可以通过比较颜色深浅确定有色物质的浓
度，这种方法称为比色法，

不同聚集状态的物质与性质

认识晶体

晶体的特性

具有多面体外形的固体

对称性

各向异性

在不同的方向上表现出不同的物理性质

晶体

把内部微粒（原子、离子或分子）在空间按一
定规律做周期性重复排列构成的固体物质