第二章物质的化学组成与聚集状态课件.ppt
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1、中心原子(配位中心):配合物的形成体,核心。通常为金属离子,尤以过渡金属离子居多。具有空的价电子轨道。配位体(配体):能提供孤对电子的物质,也称为配合剂。可以是负离子、中性分子,常见有F-,Cl-,Br-,I-,CN-,H2O,NH3,CO等。配位键:配位原子将孤对电子投入到中心原子空轨道上而形成的结合力。表示为L M。配位原子:在配体中直接与中心离子形成配位键的原子。配位原子必须含有孤对电子。常见的配位原子有N,O,S,C,X。配位数:直接同中心原子结合的配位原子的数目。单齿配体时,配位数=配体数。多齿配体时,则二者不等。例 Pt(en)2-2,配体数为2,配位数为4。配离子的电荷:中心原子
2、和配体总电荷的代数和。,配合物的命名原则:先命名阴离子部分,后命名阳离子部分;如果是简单阴离子,命名为“某化某”,如果是复杂阴离子,则命名为“某酸某”;内界中,先命名配体,再命名配位中心,之间用“合”字连接;配位体的命名次序,先负离子后中性分子;负离子命名是先简单离子,后复杂离子,最后是有机酸根离子,氢氧根离子称羟基,亚硝酸根离子称硝基。中性分子的命名次序 也是先简单、常见再复杂,先无机分子后有机分子;每种配体前用数字一、二、三等表示配体数目,并以中心点“”把不同配体分开。当中心离子有可变价时,在其后加括号,用罗马数字、表明中心离子的价态。举例:,单齿配体:只含有一个配位原子的配体。例如Cl、
3、NH3、I等多齿配体:复杂多元有机酸根、多元胺等常含有两个或两个以上的配位 原子,他们作为配体时称为多齿配体。例如乙二胺为双齿配体、EDTA(乙二胺四乙酸根)为六齿配体 H2NCH2CH2NH2、(-OOCCH2)2NCH2CH2N(CH2COO-)2多齿配体和中心原子形成环状结构的配合物,有点象螃蟹的双螯钳住东西起螯合作用一样,这类配体也称为螯合剂,形成的配离子称为螯合离子,配合物称为螯合物。鳌合物:多齿配体与中心离子形成具有环状结构的配合物,稳定性较强,二、团簇 定义:是指由几个至上千个原子或其结合态单元相互作用结合在一起而 形成的相对稳定的化学单元。特征:空间尺度在纳米级左右,是纳米材料
4、的基础,其性能与所含原 子、原子数目、空间位置及相互作用有关。分类:举例:,金刚石:硬度最大、熔点最高(3550)不导电石墨:有导电性和润滑性碳团簇:,例,球碳C60,由60个碳原子以20个六边形和12个五边形相间组成的32面体的球形分子。碳纳米管是一种由单层或多层石墨卷成的纳米微管。,三、非整比化合物组成物质的元素的原子数目间不成整数比,例如碳化物。碳化物是指碳与电负性比碳小的元素所形成的二元化合物。碳化物有离子型、共价型、金属型三类。大多数活泼的主族元素和C形成的是离子型化合物,如Na2C2、Li2C2、CaC2、Al4C3、Be2C。碳与电负性与其接近的元素化合,形成共价型碳化物。其中重
5、要的有SiC、B4C等,都属原子晶体。,金属型碳化物是碳与d区金属元素如:钛、锆、钒、铬、钼、钨、锰、铁等d区金属作用而生成的,这类物质具有金属光泽,能导电导热,熔点高,硬度大。金属型碳化物是许多合金钢的重要成分,在工业上有重要的应用。金属型碳化物组成和结构比较复杂,不符合正常化合价规则,原子数目也不一定成整数比。其原因是原子半径较小的碳原子(半径为0.077nm)进入到金属晶格的空隙中,形成一种“间隙化合物”,实际上是一种固溶体,是一种合金,所以金属型碳化物中碳与金属的量的比是可变的,化学组成不符合化合价规则。d区金属原子含有较多的价电子,形成金属键后还有多余的价电子,有可能与进入晶格间隙的
6、碳原子形成共价键,这就是这类碳化物的熔点和硬度特别高,甚至可能超过原金属的原因。,四、金属有机化合物 金属原子和有机基团中碳原子键合而成,即含有M-C键的化合物,分为离子型、键型和键型。例如,Ni(CO)4,的热分解制备镍粉,三丁基铝热分解制备金属铝膜(化学气相沉积法)等,说明M-C键不稳定,易断裂。,五、高分子化合物高分子化合物是一类十分重要的化合物。高分子合成材料应用广泛,几乎渗透到所有的技术领域。高分子化合物是一类分子量很大的化合物。它的分子中可含几千、几万、甚至几十万个原子,其分子量可以大到几万、几十万、几百万不等,而一般低分子化合物的分子中只含几个到几十个原子,其分子量大多在1000
7、以下。我们把彼此能够互相连接起来而形成高分子化合物的低分子化合物(如乙烯)称为单体;而将所得到的高分子化合物(如聚乙烯)称为聚合物或高聚物。,单体 高聚物高分子化合物是由许多相同的简单的结构单元通过共价键经多次重复连结而成。这些重复的结构单元称为链节,链节的组成与单体的组成相同或相似。如聚乙烯分子中的链节为CH2-CH2,而合成聚乙烯的单体为乙烯即CH2=CH2。高聚物分子中所含链节的数目n,称为聚合度,它是衡量高分子大小的一个指标。高分子化合物主链中均是C-C键,称为碳链高分子化合物;主链中有C-C键,还有C-O,C-N键,则称为杂链高分子化合物;主链中仅含有Si、P、O等元素而没有C原子的
8、高分子化合物称为元素有机高分子化合物。,应当指出,低分子化合物的组成和分子量总是固定不变的。而同一种组分的高分子化合物内各个分子所含的链节数目不同,因此每个分子的分子量也不同,所以高分子化合物实际上是由许多链结构相同而聚合度不同的化合物组成的混合物。因此,高分子化合物的分子量一般指的是平均分子量,聚合度为平均聚合度。例如平均分子量为8万的聚苯乙烯(n=800),其分子量可在几百到(n10)到26万(n=2600)之间变动。平均分子量的大小和各种分子量的分布情况,对于高分子化合物的性质有很大的关系。,2.2固体一、晶体(长程、短程都有序),晶体结构的特征:具有整齐的、有规则的几何外形和固定的熔点
9、。这些特征都是晶体内部结构的反映,是组成晶体的粒子(离子、原子或分子)有规律的排列在空间的一定点上所构成的,它们相互间的距离固定不变,并按特定的几何规律以周期性重复的方式排列着。,将晶体中的粒子想象成几何中的点,这些点在空间排列的总和称为晶格(或点阵),在晶格上排有粒子的那些点,称为晶格结点。晶格为一切晶体所特有,表示了晶体周期性结构的规律。对于不同种类的晶体,其粒子在空间排列的规律性可能不同,但对同种类晶体来说,则总是相同的。,晶格或点阵若把原子或原子结合态单元看成几何学上的结点,这些结点按一定规则排列所组成的几何图形。晶胞晶体三维点阵中存在一个能够完全代表晶格特征的、能反映晶格对称性的周期
10、单元,称作晶胞。通常是一个平行六面体,是由一定的分子、离子或原子按一定规则排列构成的,具有一定的几何形状。单晶体如果能用一个空间点阵图形贯穿整个晶体,叫单晶体。,1、离子晶体离子晶体:正负离子间通过静电引力(离子键)结合在一起的一类晶体。离子晶体的晶格结点上交替排列着正负离子,结点之间通过离子键相互结合。结构特征:(1)、离子晶体中不存在单个分子。(2)、由于离子键无方向性、饱和性,一个离子周围总是尽可能多地吸引异号电荷的离子,正负离子间堆积越密集越好。晶体结构主要取决于离子间的最大允许的配位数和电中性的要求。(3)、离子键强度较大,离子晶体多数有较高的熔、沸点和较大的硬度。固态时离子只能在晶
11、格结点附近作有规则的振动,不能自由移动,因而不能导电(固体电解质例外)。熔化或溶解后,离子能自由移动,有较大的导电性。,(4)、离子键的强度可用晶格能(EL)的大小来衡量,晶格能是指在298.15k和100kPa的压力下由气态正离子和气态负离子生成1mol离子晶体时所释放出来的能量。晶格能越大,离子键越强,结合力越大,晶体越稳定。EL=k Z+Z-/r+r-f=k(Q+|Q-|)/(r+r-)2(平方)晶格能大的离子晶体表现出高的熔点,而晶格能小的离子晶体表现出低的熔点。例:NaF NaCl NaBr NaI熔点()993 801 747 661,2、分子晶体构成:结点上排列着极性分子或非极性
12、分子,分子间由范德华力或氢键结合结构特征;(1)、存在单个的共价键小分子。分子内的原子间存在着共价键,分子之间为分子间力。(2)、由于分子间力和氢键都较弱,只需较少的能量就能破坏其晶体结构,因而分子晶体熔点低,硬度小。(3)、不导电。,(4)、分子晶体是依靠分子间作用力结合起来的,分子间作用力的大小决定该晶体的熔点和硬度。分子间作用力中氢键的作用强度最大,其次为色散力。有氢键存在的分子晶体熔点较高,硬度较大。例:水。对于没有氢键的分子晶体,色散力与分子量呈正比,分子量大者熔点较高。例:SiF4 SiCl4 SiBr4 SiI4 熔点()-92.2-70 5.4 120.5,3、原子晶体 构成:
13、结点上排列着中性原子,原子间由共价键结合 性质:原子晶体是大分子晶体。分辨不出单个分子,整个晶体是个大分子。由于共价键较牢固,键能很大,原子晶体有很高的熔点和硬度,具有原子晶体的物质在工业常被用作磨料、耐火材料等;原子晶体不含离子,在固态和熔化时都不导电;不溶于常见溶剂。性质与共价键大小的关系:共价键键强越大,熔点、硬度等越高。典型晶体:金刚石、石墨、硅、锗、碳化硅(俗称金刚砂)、二氧化硅、碳化硼等,金刚石是典型的原子晶体,每个C原子以4个SP3杂化轨道与周围4个C原子形成4个共价键,无数多个C通过共价键连接成一个三维空间的骨架结构。此外还有金刚砂(SiC)、石英(SiO2)、碳化硼(B4C)
14、、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)。,4、金属晶体 构成:结点上排列着原子或正离子,其间由自由电子结合 性质:有较高的熔点和硬度,但有例外,如Hg 良好的导热、导电性 良好的延展性,金属光泽,不透明 性质的影响因素:原子半径、有效核电荷、外层电子组态 典型晶体:Cu、Fe、Zn、Ti、Pb、Sn、Bi 等,结构特征:(1)、大分子晶体。(2)、由于金属键的强度不同,各种金属单质的熔点、硬度有较大差别。例如W熔点3390,是金属单质中熔点最高的,而Hg的熔点为-38.4。(3)、具有导电性,传热性,延展性;有光泽、不透明。(4)、金属键无方向性、饱和性,只要金属原子周围空间允许,总是尽可能多地在
15、原子周围排布更多的原子,因此,配位数都很高。,5、过渡型晶体除了上述四种典型的基本晶体类型外,还有一些晶体处于非典型状态,即处于从一种典型的基本晶体类型向另一种典型的基本晶体类型的过渡途中,这类晶体称为过渡型晶体。原因:离子极化理论,消弱了正、负离子间作用力离子极化理论 从整体看,任何元素的离子其外层电子云是以原子核为中心作球状对称分布的。所以,离子都可以看作一个球形。虽然离子是带有电荷的,但原子核外电子云的负电荷“重心”与原子核正电荷“重心”是重合的,不存在偶极。在离子型化合物中,正负离子间存在着互相作用。当一个正离子靠近一个负离子时,由于正离子具有多余的正电荷,相当于一个外加电场正极的作用
16、,它吸引负离子外层电子,使负离子的外层电子云和核发生相对位移,负离子的负电荷“重心”偏向正离子一边,发生变形。,负离子在正离子的诱导下,正负电荷“重心”不再重合,产生了诱导偶极,并有了诱导偶极矩。同样道理,正离子在负离子的诱导下也产生了诱导偶极矩。这种在外电场作用下,离子发生变形产生诱导偶极矩的现象称为离子的极化。一种离子使异号离子发生极化的能力称为离子的极化力。一种离子被异号离子极化的程度,即发生变形程度称为离子的变形性,通常用离子极化率表示。在离子相互极化时,离子具有双重性质。作为电场,能使周围异号电荷离子极化,具有极化力。作为被极化的对象,本身被极化而变形。但一般而言,负离子半径较大,外
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