物質(zhì)結(jié)構(gòu)單元-原子

物質(zhì)結(jié)構(gòu)單元-原子匯報(bào)人：XX2024-01-13CATALOGUE目錄原子基本概念與性質(zhì)原子結(jié)構(gòu)與電子排布原子核外電子排布規(guī)律元素周期表及其應(yīng)用原子間相互作用力及分子間力實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)手段在原子結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用01原子基本概念與性質(zhì)原子是化學(xué)元素最小組成單元，是構(gòu)成化學(xué)物質(zhì)的基礎(chǔ)粒子。原子定義原子由帶正電的原子核和帶負(fù)電的核外電子組成，原子核又分為質(zhì)子和中子。原子組成原子定義及組成原子序數(shù)原子序數(shù)是指元素在周期表中的序號(hào)，數(shù)值上等于原子核的核電荷數(shù)（即質(zhì)子數(shù)）或核外電子數(shù)。元素周期表元素周期表是按照原子序數(shù)遞增的順序排列的化學(xué)元素列表，它將化學(xué)元素按照其原子序數(shù)進(jìn)行排序，具有相同的電子層數(shù)的元素按照原子序數(shù)遞增的順序從左至右排列，不同電子層數(shù)的元素按照電子層數(shù)遞增的順序從上到下排列。原子序數(shù)與元素周期表具有相同質(zhì)子數(shù)，不同中子數(shù)的同一元素的不同核素互為同位素。同位素具有一定數(shù)目質(zhì)子和一定數(shù)目中子的一種原子叫做核素。核素同位素和核素概念同周期主族元素從左到右逐漸減小，同主族元素從上到下逐漸增大。原子半徑同周期自左而右，電負(fù)性增大；同族元素自上而下，電負(fù)性減小。電負(fù)性同周期元素第一電離能從左到右有增大的趨勢(shì)。同主族元素從上到下第一電離能由大變小。第一電離能同一周期的元素從左到右金屬性遞減，非金屬性遞增；同一主族元素從上到下金屬性遞增，非金屬性遞減。金屬性與非金屬性原子性質(zhì)及變化規(guī)律02原子結(jié)構(gòu)與電子排布描述原子中電子繞核運(yùn)動(dòng)的模型，提出定態(tài)、躍遷等概念，成功解釋了氫原子光譜。用波函數(shù)描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，引入量子數(shù)、自旋等概念，更精確地描述了多電子原子的電子排布和性質(zhì)。玻爾模型與量子力學(xué)描述量子力學(xué)描述玻爾模型電子云描述電子在原子核外空間出現(xiàn)概率的分布圖像，形狀和大小反映電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。軌道描述電子在空間中運(yùn)動(dòng)的路徑或區(qū)域，不同軌道具有不同的能量和形狀。電子云和軌道概念元素周期律和元素性質(zhì)遞變規(guī)律元素周期律元素的性質(zhì)隨著原子序數(shù)的遞增而呈現(xiàn)周期性變化，包括原子半徑、電離能、電負(fù)性等。元素性質(zhì)遞變規(guī)律在同一周期內(nèi)，從左到右元素金屬性逐漸減弱，非金屬性逐漸增強(qiáng)；在同一主族內(nèi)，從上到下元素金屬性逐漸增強(qiáng)，非金屬性逐漸減弱。離子鍵共價(jià)鍵金屬鍵配位鍵化學(xué)鍵類型及其特點(diǎn)通過(guò)正負(fù)離子間的靜電作用形成的化學(xué)鍵，具有高熔點(diǎn)、高沸點(diǎn)、導(dǎo)電等特點(diǎn)。金屬原子間通過(guò)自由電子形成的化學(xué)鍵，具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、延展性等特點(diǎn)。通過(guò)共用電子對(duì)形成的化學(xué)鍵，包括極性共價(jià)鍵和非極性共價(jià)鍵，具有方向性和飽和性。一種特殊的共價(jià)鍵，由提供空軌道的原子和提供孤對(duì)電子的原子形成，具有方向性和飽和性。03原子核外電子排布規(guī)律洪特規(guī)則在等價(jià)軌道（指相同電子層、電子亞層上的各個(gè)軌道）上排布的電子將盡可能分占不同的軌道，且自旋方向相同。后來(lái)經(jīng)量子力學(xué)證明，電子這樣排布可能使能量最低，所以洪特規(guī)則也可以包括在能量最低原理中。泡利原理在一個(gè)原子中不可能存在著電子層、電子亞層、電子云伸展方向和自旋方向完全相同的兩個(gè)電子。洪特規(guī)則及泡利原理由于屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)的綜合結(jié)果，使得原子軌道的能量高低順序，不是完全按照核電荷數(shù)（即主量子數(shù)）的多少來(lái)排列，這種現(xiàn)象稱為能級(jí)交錯(cuò)。能級(jí)交錯(cuò)由于其他電子對(duì)某一電子的排斥作用而抵消了一部分核電荷對(duì)該電子的吸引力，從而引起有效核電荷的降低，削弱了核電荷對(duì)該電子的吸引，這種作用稱為屏蔽作用或屏蔽效應(yīng)。屏蔽效應(yīng)能級(jí)交錯(cuò)和屏蔽效應(yīng)軌道雜化類型包括sp雜化、sp2雜化、sp3雜化等。同一原子內(nèi)由1個(gè)ns軌道和1個(gè)np軌道參與的雜化稱為sp雜化，所形成的兩個(gè)雜化軌道稱為sp雜化軌道。同一原子內(nèi)由1個(gè)ns軌道和2個(gè)np軌道參與的雜化稱為sp2雜化，所形成的3個(gè)雜化軌道稱為sp2雜化軌道。同一原子內(nèi)由1個(gè)ns軌道和3個(gè)np軌道參與的雜化稱為sp3雜化，所形成的4個(gè)雜化軌道稱sp3雜化軌道。要點(diǎn)一要點(diǎn)二空間構(gòu)型根據(jù)價(jià)層電子對(duì)互斥理論，可以推測(cè)有機(jī)分子的大致空間構(gòu)型。軌道雜化類型和空間構(gòu)型分子極性判斷方法共價(jià)鍵極性的大小可用鍵偶極矩來(lái)衡量。鍵偶極矩=鍵的偶極長(zhǎng)×鍵偶極所帶電量。鍵的極性是由于成鍵原子的電負(fù)性不同而引起的。當(dāng)成鍵原子的電負(fù)性相同或相近時(shí)，核間的電子云密集區(qū)域在兩核的中間位置附近，兩個(gè)原子核正電荷所形成的正電荷重心和成鍵電子對(duì)的負(fù)電荷重心幾乎重合，這樣的共價(jià)鍵稱為非極性共價(jià)鍵。鍵的極性判斷雙原子分子情況下，極性共價(jià)鍵可以直接判斷分子的極性；多原子分子情況下，分子的極性不僅與鍵的極性有關(guān)，而且與分子的空間構(gòu)型有關(guān)。若分子中的鍵全部是非極性的，這樣的分子一般是非極性分子。分子的極性判斷04元素周期表及其應(yīng)用

元素周期表結(jié)構(gòu)特點(diǎn)橫行代表周期元素周期表中橫行表示一個(gè)周期，具有相同的電子層數(shù)?？v列代表族元素周期表中縱列表示一個(gè)族，具有相似的化學(xué)性質(zhì)。金屬與非金屬分界線元素周期表中有一條明顯的金屬與非金屬分界線。原子半徑變化規(guī)律01同周期元素從左到右原子半徑逐漸減小，同主族元素從上到下原子半徑逐漸增大。元素化合價(jià)變化規(guī)律02元素的最高正化合價(jià)等于其原子的最外層電子數(shù)，非金屬元素還有負(fù)化合價(jià)。元素金屬性和非金屬性變化規(guī)律03同一周期中，從左到右，隨著原子序數(shù)的遞增，元素的金屬性遞減，非金屬性遞增；同一族中，從上到下，隨著原子序數(shù)的遞增，元素的金屬性遞增，非金屬性遞減。周期表中元素性質(zhì)變化規(guī)律預(yù)測(cè)元素性質(zhì)通過(guò)元素在周期表中的位置，可以預(yù)測(cè)其可能的化學(xué)性質(zhì)和反應(yīng)行為。尋找新元素通過(guò)周期表的空白位置，可以預(yù)測(cè)可能存在的新元素，并指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)合成。指導(dǎo)合成新材料通過(guò)周期表了解元素的性質(zhì)，可以指導(dǎo)合成具有特定性能的新材料。周期表在化學(xué)研究中的應(yīng)用030201利用周期表指導(dǎo)合成具有超導(dǎo)性能的材料，如銅氧化物高溫超導(dǎo)材料。超導(dǎo)材料納米材料功能材料通過(guò)控制合成條件，制備具有納米尺度的材料，表現(xiàn)出獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)。設(shè)計(jì)合成具有特定功能的材料，如光催化、電催化、光電轉(zhuǎn)換等功能材料。030201新型材料探索與發(fā)現(xiàn)05原子間相互作用力及分子間力由正離子和負(fù)離子之間通過(guò)靜電引力形成的化學(xué)鍵，常見(jiàn)于活潑金屬與活潑非金屬元素之間形成的化合物。離子鍵原子間通過(guò)共用電子對(duì)形成的化學(xué)鍵，分為極性共價(jià)鍵和非極性共價(jià)鍵，常見(jiàn)于非金屬元素之間形成的化合物或單質(zhì)。共價(jià)鍵金屬晶體中金屬原子（或離子）與自由電子形成的化學(xué)鍵，金屬鍵沒(méi)有方向性和飽和性。金屬鍵離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵等相互作用力介紹VS存在于分子之間的吸引力，包括取向力、誘導(dǎo)力和色散力，范德華力較弱，但普遍存在于各種分子之間。氫鍵一種特殊的分子間作用力，存在于含有氫原子的分子之間，如HF、H2O等，氫鍵比范德華力強(qiáng)，但比離子鍵和共價(jià)鍵弱。范德華力范德華力、氫鍵等分子間力介紹中心原子或離子具有空軌道，配體具有孤對(duì)電子，且二者能量相近、軌道匹配。通過(guò)比較配合物的生成熱、鍵能、配位數(shù)、配體場(chǎng)強(qiáng)等因素來(lái)判斷其穩(wěn)定性。一般來(lái)說(shuō)，生成熱越大、鍵能越高、配位數(shù)越多、配體場(chǎng)強(qiáng)越弱的配合物越穩(wěn)定。配合物形成條件穩(wěn)定性判斷方法配合物形成條件及穩(wěn)定性判斷方法指分子在特定條件下通過(guò)非共價(jià)鍵相互作用自發(fā)組織形成具有特定結(jié)構(gòu)和功能的超分子體系的過(guò)程。超分子自組裝在生命體系、材料科學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。包括靜電力、疏水作用、氫鍵、范德華力等非共價(jià)相互作用，以及形狀互補(bǔ)、尺寸匹配等空間因素。這些驅(qū)動(dòng)力促使分子在特定條件下自發(fā)組織形成有序的超分子結(jié)構(gòu)。超分子自組裝在納米材料、生物醫(yī)學(xué)、催化等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。例如，通過(guò)自組裝可以構(gòu)建具有特定功能的納米材料，用于藥物傳遞、生物成像等；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，自組裝可以模擬生物膜的結(jié)構(gòu)和功能，用于研究細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)等過(guò)程；在催化領(lǐng)域，自組裝可以構(gòu)建具有高效催化活性的超分子催化劑。超分子自組裝現(xiàn)象自組裝驅(qū)動(dòng)力自組裝應(yīng)用超分子自組裝現(xiàn)象探討06實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)手段在原子結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用利用X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，通過(guò)分析衍射圖譜，可以獲得晶體中原子的排列方式和間距等信息。X射線衍射技術(shù)原理通過(guò)X射線衍射技術(shù)，可以測(cè)定蛋白質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，從而了解蛋白質(zhì)中原子的空間排列和相互作用。應(yīng)用舉例X射線衍射技術(shù)原理及應(yīng)用舉例NMR原理利用核磁共振現(xiàn)象，即原子核在外加磁場(chǎng)作用下發(fā)生的能級(jí)分裂和躍遷，通過(guò)測(cè)量不同原子核的共振頻率，可以得到分子中不同原子的化學(xué)環(huán)境和空間排列信息。應(yīng)用舉例通過(guò)NMR技術(shù)，可以測(cè)定有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)，包括原子間的連接順序、空間構(gòu)型和立體化學(xué)等信息。核磁共振波譜法（NMR）在結(jié)構(gòu)測(cè)定中作用MS原理將樣品分子轉(zhuǎn)化為氣態(tài)離子，然后利用電場(chǎng)或磁場(chǎng)對(duì)離子進(jìn)行分離和檢測(cè)，通過(guò)測(cè)量離子的質(zhì)荷比（m/z）和相對(duì)豐度，可以得到分子的分子量、分子式以及結(jié)構(gòu)碎片等信息。應(yīng)用舉例通過(guò)MS技術(shù)，可以對(duì)復(fù)雜混合物中的化合物進(jìn)行定性和定量分析，如石油、天然產(chǎn)物和藥物等。質(zhì)譜法（MS）在結(jié)構(gòu)測(cè)定中作用要點(diǎn)三中子散射技術(shù)利用中子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的散射現(xiàn)象，可以研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)行為。中子散射對(duì)輕元素（如氫）敏感，因此在研究生物大分子和有機(jī)材料中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。要點(diǎn)一要點(diǎn)二電子顯微技術(shù)利用電子束與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的各種信號(hào)（如透射電子、散射電