经全国中小学教材审定委员会 2004年初审诵过 普通高中课程标准实验教科书 化学 选修3 物质结构与性质 人民教育出版社课程教材研究所 化学课程教材研究开发中心等善 Ch C 人八诉社
目录 ++··· 引言 第一章原子结构与性质 第一节原子结构 第二节原子结构与元素的性质 归纳与整理 2. 复习题 第二章分子结构与性质 第一节共价键 第二节分子的立体结构 第三节分子的性质 归纳与整理 复习题 第三章晶体结构与性质 第一节晶体的常识 第二节分子晶体与原子晶体 第三节金属晶体 第四节离子晶体 归纳与整理 复习题 开放性作业 元素周期表
一一 引言 化学研究的是构成宏观物体的物质。对物质的研究可以分为物质的组成与结构和物质的性质与变化 两个方面。物质的这两个方面是一种什么关系呢?是物质的组成与结构决定了物质的性质与变化,还是 物质的性质与变化决定了物质的组成与结构?你可能感到这个问题很可笑,是不必问的,当然是物质的 组成与结构决定了物质的性质与变化。然而,人类并不是从一开始就认识到这一点的,而且,时至今 日,仍有许多人认为物质的性质与变化决定了物质的组成与结构 古希腊曾盛行一种叫做"原性论”的哲学,把世界万物的本原归结为四种基本性质—冷、热 千、湿;它们双双结合,便形成四种基本元素—土、水、气、火;四种元素再按不同出例结合,便得 到世间万物,可见,原性论认为物质的性质与变化决定了物质的组成与结构。 我国也有类似的自然哲学,例如,我国古代的炼丹术士认为,吞食金石矿物,可以把金石的杭腐蚀 性直接移植给人体,使人长生不老,这不也是认为性质决定了物质吗? 而今,人们已经搞清楚了,物质的组成与结构决定了物质的性质与变化;物质性质的改变是物质的 阻组成与结构发生了变化的结果。 那么,物质的组成与结构如何决定性质呢? 首先你会想到:物质的元素组成决定了性质。例子举不胜举呀!铁易生锈,真金却不怕火炼;钠与 氯反应,钠失电子,氯得电子,不会相反;氟、氰、溴、碘性质相似,因都能成盐而总称卤素;锂 钠、钾、铷、铯性质也相似,因氢氧化物都是强碱而总称碱金属……为什么不同元素有不同性质?为什 么有的元素性质相似?归根结底,是它们的原子结构不同或相似。原子结构如何决定物质的性质?这正 是本书第一章要跟你和休的同学们在化学]、化学2的基础上继续深入讨论的 在通常条件下,除了稀有气体,所有其他元素的原子总是跟同种或异种原子结合而存在,于是有了 分子,你或许能不假思索地举出许多例子说明,分子的组成决定了物质的性质:O2和O是同素异形 体,空气中的O2是我们须不能离开的,而空气里的O却不应多于1.2mg/L,否则有害;CO易燃 CO2却能灭火…… 有的分子组成相同,却有不同的性质。例如,C2HO有两种不同的结构—乙醇(C臼3CH2OE)和 甲醚(2COCH),前者与水互溶而后者不能,像乙醇和二甲醚这样的组成相同而结构不同的物质被 称为同分异构体。同分异构体的存在说明,物质的结构也是决定物质性质的重要因素。 乙游和二甲醍组成相同,结构不同(图中原子:照C:白H:红D) 有时,分子组成完全不同,却由于有类似的结构而有某些相近的性质,下面是一个例子:1933 村玛克( G Domagk:1895-1964)将第.种磺胺药-)氢基苯磺酰胺应用于医学:因而荣获1939年
诺页尔生痤孚亟医学奖。过了许多年,生杨化学豪才擋清殪,磺胺药乏所以館菌,癌由子硬胺药在结 构上类似于纸菌必须的营养物—对氮基苯甲酸,纸菌误将磺胺药当作对氮基苯甲酸,才被杀死。请看 看下面两张图,对氮基苯磺酰胺和对氮基苯甲酸的结构何其相似乃尔①! 在这里,我们不应当忘记化学家的贡献,若 化学家没有合成对氮基苯磺酰胺(1908年),哪 会有磺胺药7后来化学家还合成了许多不同结构 的磺胺药,形成一个磺胺药大家族 2]世纪化学的重要课题之一是模拟生物体 对氨基苯确酰胺 对氨基苯甲酸 中酶的结构,通过分子设计,创造与酶的结构相 (图中原子:C:白H:蓝N;红口:黄5) 似从而具有酶的性质的物质。 我们在第二章将讨论如何在化学1、化学2的基础上继续深入认识分子的结构与性质, 晶体结构是决定物质性质的又一个重要因素。最简单的例子莫过于金刚石与石墨。如果你不学化 学,无论如何不会想到珍费坚硬的金刚石和价廉柔软的石墨竞然都是碳的单质!它们的性质为什么不 E同?是由于金刚石和石墨的晶体结构不同。组成相同而晶体结构不同的物质比比皆是。另一个例子是 E壳的无机成分主要是CaCO,而贝壳有外层和内层之分,分别是两种晶体结构不同的碳酸钙,外壳 叫方解石,内层叫薇石,各有各的功能—方解石因坚硬而起保护作用,蕞石因光滑而使软体自由移 动。下图是鲍鱼及其剖面图,图中标出了它的两层不同结构的壳 核状韵方解石 珠光(石 软体 你或许可以粗浅地从右下面两张图中看出,叢石与方解石的晶体结构是不同的 或许你看不懂这些图,不要紧!本书第三 章将在化学1、化学2的基础上使你初步学会 如何考察晶体的结构,初步认识晶体的结构与 性质的关系 莎土比亚曾偕哈姆雷特之囗感叹道: There are more things in heaven and earth, ho- ratio, than are dreamt of in your philosophy @ Harmlet:Act], Scene v,《哈姆雷特》第一 幕第五景),世上万物,神奇莫测,常常超乎 石的晶体结构图 方解石的晶体结构图 人们按常理”的想像。学了本书,也许能使 二你想像的翅膀变得更有力吧 ①"何其相似乃尔”一毛泽东,因奇故引之 Q《给婚货统》中译本此句函为:“天她之大x瑙修c比你所能楚想到的多出更多”《注:鼓弱俊是缝统的密友
1原子结构 开天辟地—原子的诞生 现代大爆炸宇宙学理论认为,我们所在的竽宙诞生于一次 原子结构 atomic structure大爆炸,大炸后约2小时,诞生了大量的氢,少量的氦以及 大爆炸 big bang 极少量的锂。其后,经过或长或短的发展过程,氢、氦等发生 原子核的塔合反应,分期分批地合成其他元素,宇宙的年龄至 今约140亿年了,氢仍然是宇宙中最丰富的元素,约占宇宙原 子总数的B8,6%,氦约为氢原子数的1/B,它们合起来约占字 宙原子总数的997%以上,而其他90多种天然元素的原子总 数加起来不足1%,至今,所有恒星,包括太阳,仍在合成元 素,而且,所有这些元素都是已知的。地球的年龄已有46亿 年。地球上的元素绝大多数是金属,非金属(包括稀有气体 仅22种。 享史话 早在1815年,有个名叫普鲁特(W, Prout)的人就曾经预 言过,氢是所有元素之母。不过,他的预言没有任何根据 100多年来一直遣人嘲笑。普鲁特的预言是一种忍辨性推测 他认为既然氢最轻,它就可能是一切其他原子之母,尽管他的 忍辨性推测后来得到了论上的解释,然而,由思辨性推测作 出的预言绝不是科学。科学假设不同于忍辨性推测,须以已有 科学事实和理论为依据,更要用系统的科学观察和实验来验 图1-1宇宙大爆炸模拟图 证。实证是科学的基本特征, 能层与能级 我们已经知道,多电子原子的核外电子的能量是不同的 电子 electron 按电子的能量差异,可以将核外电子分成不同的能层,并用符 能量 enerBy 号K、L、M、N、O、P、Q……表示相应的第一、二、三 能层 shElT 四、五、六、七……能层,例如,钠原子有11个电子,分布 能级eyE ----------
在3个不同的能层上,第一能层2个电子,第三能层8不电 子,第三能层1个电子 理论研究已经证明,原子核外每一能层所能容纳的最多电 子数如下: 能 层 四五六七 符 号K M N O P 最多电子数28183250…… 理论研究还证明,多电子原子中,同一能层的电子,能量 也可能不同,还可以把它们分成能级,就好比能层是楼层,能 級是楼梯的阶级。能级的符号和所能容纳的最多电子数如下: 能 K L M N 能 级 5 2s 2p 3s. 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 最多电子数 2262610261014 6 在每一个能层中,能级符号的顺序是s、、d、n 代表能层〕。任一能层的能级总是从s能级开始,而且能级 数等于该能层序数:第一能层只有1个能级(1s),第二能层有 个能级(25和2p〕,第三能层有3个能级(35,3p和3d),依 次类推,以s、p、d、f……排序的各能级可容纳的最多电子数 浓次为1、3,5、7……的二倍! 爹与间 1.原子核外电子的每一个能层最多可容納的电子数与能 层的序数(间存在什么关系? 2.不同的能层分别有多少个能级,与能层的序数(n间存 浪什么关系? 3.英文字母相同的不同能级中所能容納的最多电子数是 语相同? 构造原理 多电子原子的核外电子排布遵循什么规律呢?知道了原子 核外电子的能层和能级可容纳的最多电子数,是否就可以得出 咯种原子的电子排布呢?如果原子的核外电子完全按能层次序
排布,坻满一个能层再开始填下一个能层。那么,钾原子的电 构造原理auau 子排布为什么不是2、8、9,而是2、8、8、1呢?如何认识 principle 多电子原子的核外电子排布规律呢? 电子排布 electronic 原来,随着原子核电荷数的递增,绝大多数元素的原子核 configuration 外电子的排布将遵循图12的排布顺序。人们把它称为构造 原理 國●●●●● ⑤⑤ooo ⑤回O 图1-2构造原理 根据构造原理,只要我们知道原子序数(等于核电荷数〕 就可以写出几乎所有元素原子的电子排布,这样的电子排布是 ①有少数元寮的基态原子的电基态原子的(基态的概念见下页。下面是部分元素的基态原 子排布对于构造原理有1个电子的偏 ,如铜、银、金、铬等 子的电子排布①,表中能级符号右上角的数字是该能级上排布 的电子数,而诸如Na:15252p53s称为电子排布式 原子 元素 元素 电子排布 序数 名称 符号 K L H 氢氨锂铍 He Li 1s2 2s 5 硼 B 1s2 232p ’·, 1D 1s2 232p5 12 氖钠镁铝 a 132 22 Mg 1s2 22p 332 13 s2232p5323p (··
续表 原子 元素 元素 电子排布 序数 名称 符号 K L 18 A 1s2 22p 3323 K 1s2 232p 32 3p6 2D 氩钾钙航铁锌嫁氨物 1s2 232p 323p dsa 21 1s2 232p' 3s23p53d 4s2 ,导 FE 1s2 232p2 323p2344s2 3D Zn 242p333 31 G 2s2 0 3s23p23d 4s4 Kr 23220 333p43d dsq Rb 1s2 232p s2343d dsid 5 周喜与交 1.从元素周期表中查出铜、银、金的外围电子层排布 它们是否符合构造原理? 2.电子排布式可以简化,如可以把钠的电子排布式写威 N]3s,试问:上式方括号里的符号的意义是什么?你能仿 照钠原子的简化电子排布式写出第B号元素氧、第14号元素 E硅和第26号元素铁的简化电子排布式吗? 四、能量最低原理、基态与邀发态、光谱 现代物质结构理论证实,原子的电子排布遵循构造原理能 整个原子的能量处于最低状态,简称能量最低原理,处于最 E低能量的原子叫做基态原子,当基态原子的电子吸收能量后, E电子会跃迁到较高能级,变成激发态原子,例如,电子可以从 s跃迁到25,6p……相反,电子从较高能量的激发态跃迁到 较低能量的激发态乃至基态时,将释放能量。光(辐射)是电 日子释放能量的重要形式之一,在日常生活中,我们看到的许多 可见光,如灯光、霓虹灯光、激光、焰火……都与原子核外电 图1-3节日燃的焰火与 子发生跃迁释放能量有关 电子跃迁有美
光 夜度中的激 图1-4光的产生与电子跃迁有美 不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光,可以 用光谱仪取各种元素的电子的吸收光谱或发射光谱,总称原 子光谱,在历史上,许多元素是通过原子光谱发现的,如铯 光谱 spectr ufm (1860年)和铷(1861年),其光谱图中有特征的蓝光和红光 光话分析 spectrum 它们的拉丁文名称由此得名,又如,稀有气体氨的原意是“太 analysis 阳元素”,是1868年分析太阳光谐发现的,最初人们以为它只 存在于太阳,后来才在地球上发现。在现代化学中,常利用原 子光谱上的特征谱线来鉴定元素,称为光谐分析 围‖ 图15锂、氨承的发射光诺 图16锂、氨、承的收光诺 学史围 ··P··PP·P 光谱一词最早是由伟大的物理学家牛顿( I, Newton,1643-1727)提出的。1672年,牛 顿在莢国的自然科学会刊上发表一篇论文,作了如下描述;“……在1666年之初……我物色到 一块三角形的玻璃糍镜……我把屋子遮黑,在窗户選挡物上开个小孔,引入太阳光,并通过三 铊把太阳光折射到对面的墙璧上、。最初,我看到墙上出现的鲜艳而强烈的颜色,觉得是一 娱乐。后来,引起我的深思;根据折射定律,预计它应是环形的,可我看到的都是长方形的 感到惊奇……”牛顿在这篇文章中提出了“光语”一词来表达他所见到的现象。牛顿同时还 类比音乐竟阶:选底红x橙黄绿3直簇、紫为“七基色”,这独类比的“七整色”尽管
济非绝对可靠,却一直用至今,说明“类比”不失为一种科学恩维方法。 圃 图1-7牛顿和七基色 图18尔 1859年,德国科学家本生(R. Bunsen)和基尔霍夫( G. Kirchho们发明了光语仪,取了当 时已知元素的光语图。 1913年,升麦科学家玻尔(N,Boh,1885-1962)第一次认识到氢原子光语是氢原子的 电子跃迁产生的,并通过純粹的理论计算得到氢原子光语的语线波长,跟实验结果凡乎完全相 同,科学界为之震惊。原子结构理论从此长足发展,最后建立了量子力学,人类历史从此班入 ;了原子时代。 364Gr 411m lnN 4861 om 气破簪 066m 图1-9用光谐仪测定氢气电管发射的氢的发射光谱