物质的化学组成与聚集状态PPT课件

1、第1页/共54页单齿配体：只含有一个配位原子的配体。 例如Cl、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，稳定性较强第2页/共54页二、团簇 定义：是指由几个至上千个原子或其结合态单元相互

2、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：金属簇：Lin、Cun、Hgn非金属簇：Cn、Nn、Arn分子簇（H2O）n、（NaCl）n第3页/共54页 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。第4页/共54页三、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

3、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。其中重要的有SiC、B4C等，都属原子晶体。第5页/共54页 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

4、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。 第6页/共54页四、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。第7页/共54页五、高分子化合物高分子化合物是一类十分重要的

5、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。第8页/共54页单体 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

6、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原子的高分子化合物称为元素有机高分子化合物。第9页/共54页 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

7、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。第10页/共54页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。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。第11页/共54页 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

8、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。第12页/共54页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。第13页/共54页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

9、。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 1）、离子晶体中不存在单个分子。）、离子晶体中不存在单个分子。 （2 2）、由于离子键无方向性、饱和性，一个离）、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。离子间的最大允许的配位数和电中性的要求。 （3 3）、离子键强度较大，离子晶体多数有较高）、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

10、时离子只能在晶的熔、沸点和较大的硬度。固态时离子只能在晶格结点附近作有规则的振动，不能自由移动，因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，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。离子能自由移动，有较大的导电性。第14页/共54页第15页/共54页 （4）、离子键的强度可用晶格能）、离子键的强度可用晶格能(EL)的大小来的大小来衡量，晶格能是指在衡量，晶格能是指在298.15k和和100kPa的压的压力下由气态正离子和气态负离子生成力下由气态正离子和气态负离子生成1mol离子离子晶体时所释放出来的能量。晶格能越大，

11、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。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：能小的离子晶体表现出低的熔点。例： NaF NaCl NaBr NaI熔点（熔点（） 993 801 747 661第16页/共54页 2、分子晶体构构成：成：结结点点上排列着极性分子或非极性分子， 分子间由范德华力或氢键结合合结构特征； （1）、存在单个的共价键小分子。分子内

12、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。 第17页/共54页（4 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）、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。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

13、大者熔点较高。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 ：例 ： S i FS i F4 4 S i C l S i C l4 4 S i B r S i B r4 4 SiISiI4 4 熔点（熔点（） -92.2 -70 5.4 120.5-92.2 -70 5.4 120.5第18页/共54页3、原子晶体 构构成：结点上排列着中性原子，原子间由共价键结合合 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、和硬度，具有原子晶体的物质在

14、工业常被用作磨料、耐火材料等；耐火材料等； 原子晶体不含离子，在固态和熔化时都不导电；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。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 第19页/共54页 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）、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN) 。第20页/共54页4、金属晶体 构成：结点上

15、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 等第21页/共54页 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，总是尽可能多地在原子周围排布更多的原子，因此，配位数都很高。

16、第22页/共54页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，它吸引负离子外层电子，

17、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。第23页/共54页 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

18、层电子构型为8电子型，所以负离子的极化力较弱，变形性较大。相反，正离子具有较强的极化力，变形性却不大。所以，当正负离子相互作用时，主要是正离子对负离子的极化作用，使负离子发生变形。 第24页/共54页 离子间的极化是双方同时发生的行为，离子间相互极化后，导致双方离子外层电子云变形而相互靠拢，造成部分电子云相互渗透和重叠。随着离子间相互极化作用的逐渐增强，键的离子性减小而共价性增大，并形成一系列由离子性键到共价性键的过渡状态。以卤化银晶体为例 AgF AgCl AgBr AgI键型变化 相互极化作用增强 键的极性（离子性）减小卤离子从F-到I-，半径逐渐增大，极化作用逐渐增强，因此在AgF晶体中

19、，Ag+与F-主要以离子键结合，在AgCl,AgBr晶体中，含有较高的共价键成分，在AgI晶体中，已经由离子键过渡到了共价键。第25页/共54页离子极化对晶体的熔点也有影响，一般讲，由离子所组成的离子晶体较共价键构成的分子所组成的分子晶体具有较高的熔点。例如：NaCl和AgCl，虽然具有相同的晶体结构，但NaCl熔点为801，而AgCl的熔点却只有450。这是由于Ag+的极化力和变形性都很大，Ag+和Cl-相互极化作用大，键的共价性增多的缘故。例如：FeCl2熔点672，FeCl3熔点306 同一元素的氯化物、氧化物，高价态的倾向于形成共价键为主的分子晶体，熔点低；低价态的倾向于形成离子键为主

20、的离子晶体，熔点高。第26页/共54页例如，石墨是层状结构晶体，在石墨晶体中，C原子以SP2杂化与另3个C原子的SP2杂化轨道以共价键结合，形成正六角形的平面层。每一个C原子还有一个未参加杂化的P电子，这些互相平行的P轨道可以互相重叠形成遍及整个平面层的离域大键。层内C-C以共价键相结合，相似于原子晶体。层间以分子间力相结合，相似于分子晶体。层间易滑动，石墨常用作润滑剂。离域的大键相似于金属键，电子能在每一层平面方向移动，使石墨具有金属光泽，良好的导电、导热性。 第27页/共54页 二、非晶体 （无序排列） 第28页/共54页2、非晶态薄膜通常采用射频等离子体化学气相沉积法所制备的半导体器件。

21、3、非晶态合金液态金属快速凝固所至。第29页/共54页 2.3液体和液晶液体无固定形状，有流动性，结构上近程有序，远程无序。一、水的性质和应用1、H2O的构成：HO共价键。水分子间以氢键结合 氢键一个电负性较大的原子X与H原子形成共价键时，电子云强烈偏向X，使氢原子成为几乎没有电子的带正电荷的核，因此H还可以与另一个分子中电负性大的Y原子产生静电引力。 即XH.Y 第30页/共54页 高电负性原子一般指F, O, N原子。当H原子和F, O, N以共价键结合成HF,H2O,NH3等分子时，成键的共用电子对强烈地偏向于F, O, N原子一边，使得H原子几乎成为“赤裸”的质子，由于质子的半径特别小

22、，它可以受另一分子中的F,O,N原子吸引而形成氢键。 氢键有两个特征：1、比化学键弱的多，但比范德华力稍强，其键能约在10-40kJ/mol。2、具有方向性和饱和性。氢键中X,H,Y三原子一般在一条直线上，键角接近180。并且每一个X-H只能与一个Y原子形成氢键。 第31页/共54页2、 H2O的解离：用精密的电导仪可以测出纯水有非常微弱的导电性，这表明水存在着微弱的自身离解反应。 一定温度时，反应达到平衡时有：K = C(H3O +)C(OH-) ,该平衡常数为水的离解平衡常数，以 表示，称为水的离子积常数。 标准平衡常数为：PH值为：wK第32页/共54页讨论：（1）、何谓中性溶液？必要条

23、件是C(H3O +) = C(OH-)，常规pH = 7，必须是在室温条件下。例如50水中性时，pH = 6.6而不是7。（2）、酸度是指溶液中H+浓度，碱度是指溶液中OH-浓度，不是酸的浓度和碱的浓度。第33页/共54页3、关于水的几个概念： 蒸发：液相水H2O（l）表面的部分H2O逸入气相成为水蒸气H2O（g）的 过程； 凝聚： H2O（g）不断运动，彼此碰撞，重新进入液相的过程； 饱和蒸气压：蒸发和凝聚平衡时，水蒸气H2O（g）所具有的压力； 沸点：水的蒸气压与外界压力相等时的温度； 气化热： H2O（l）汽化成 H2O（g）时所吸收的热量； 凝固点： H2O（l）在一定压力下凝固为冰的

24、温度； 熔化热：冰熔化成水所吸收的热量； 热容：使一定量物质升高单位温度所吸收的热量； 摩尔热容：1mol物质的热容。第34页/共54页 讨论：（1）、液体蒸气压大小取决于分子间作用力强弱，作用力强的，蒸气压低。（蒸气压与液体的性质有关）（2）、升高温度，可以使更多的分子获得能量，摆脱其它分子吸引力而转化为气态分子，蒸气压增大。（液体的蒸气压随温度升高而增大）（3）、克拉佩龙方程式：logP2/P1=(H蒸发/2.303R)(T2-T1)/T2T1（4）、液体蒸气压与液体数量及液面上空体积无关。（平衡状态）（5）、纯固态物质（如冰）也具有饱和蒸气压，但较液态物质蒸气压低。第35页/共54页二、

25、溶液的蒸气压、凝固点、沸点和渗透压1、溶液的蒸气压降低aa线为水的饱和蒸气压曲线，反映了水在不同温度下的饱和蒸气压，曲线上的每一点都代表着水蒸气和水之间的平衡状态，该线又称为水的气液相平衡线。 ac线为冰的饱和蒸气压曲线，反映了冰在不同温度下的饱和蒸气压，曲线上的每一点都代表着水蒸气和冰之间的平衡状态，该线又称为水的气固相平衡线。 ad线为水的凝固点曲线，反映了水在不同外界压力下凝固点的变化，曲线上的每一点都代表着水的液、固两态处于平衡状态，该线又称为水的液固相平衡线。 反映了水的蒸气压和温度的关系以及水的物态间的转化及温度、压力对水的物态的影响。 第36页/共54页 三条曲线的共同特点是两相

26、平衡，只要系统所处的条件落在任何一条线上，系统中的水处于两相平衡状态中，反之，系统中就将有一个相要消失。 水的相图中的三条曲线把整个图面划分成三个区域，即气相区、液相区、固相区。当系统所处的条件落在这些区域，系统中的水仅以一个相存在。 三条曲线或三个区域的交点就是水的三个相的平衡点，称为水的三相点，它表示系统中的水在该条件下处于三相平衡。第37页/共54页任何挥发性的液体在一定温度下都有一定的饱和蒸气压。饱和蒸气压是液体蒸发和蒸气凝结建立平衡时的蒸气压。如果在纯水的平衡系统中投入少量溶质，必使液相中溶剂分子浓度相对减少，而溶剂分子浓度的减少，又导致液体的蒸发速度减小，原来蒸发和凝结处于平衡状态

27、被打破，凝结速度占了优势，结果使系统在较低的蒸气压下与液体重新达到平衡，这说明溶质的加入总是引起液体的蒸气压降低，或者说溶液的蒸气压总是低于同温度下纯溶剂的蒸气压。这种现象称为蒸气压下降。注意，这里所说的溶液的蒸气压实际上指的是溶剂的蒸气压。同一温度下，纯溶剂蒸气压与溶液蒸气压之差称为溶液的蒸气压下降。BxwKApAp纯溶剂蒸气压溶液蒸气压溶质的摩尔分数第38页/共54页 2、溶液的凝固点下降三相点a时，纯水和冰的蒸气压相等，0.01即为水的凝固点。水溶液中，由于加入了溶质而蒸气压降低，溶液蒸气压曲线与冰的蒸气压曲线相交于b点，正是溶液的凝固点。显然，溶液的凝固点比纯溶剂的凝固点下降了。 fT

28、fTBbfK纯溶剂的凝固点溶液的凝固点溶质的质量摩尔浓度，mol/kg凝固点下降常数，取决于纯溶剂的特性见表2.9第39页/共54页3、溶液的沸点升高水中加入难挥发性溶质后，由于溶液的蒸气压降低，只有在更高的温度下才能使它的蒸气压达到外压而沸腾，于是沸点升高。BbbK第40页/共54页 4、溶液的渗透压半透膜：只允许水分子自由通过而不允许溶质分子或离子通过的膜状物质。如：细胞膜，羊皮，萝卜皮等。 渗透：水或溶剂通过半透膜从低浓度一侧进入高浓度一侧。渗透所伴随的现象成为渗透现象。渗透现象进行到一定时，到达渗透平衡。这时，半透膜两边液面差所表示的静压力称为渗透压。造成渗透压的原因是：半透膜两边溶液

29、的蒸气压不等。渗透压是阻止渗透作用所需施加于溶液的最小压力，如果所加外压力大于渗透压，则水分子将反过来由溶液向纯水渗透，这个过程称为反渗透。（用于海水淡化、废水处理）第41页/共54页稀溶液的渗透压与温度和溶质浓度的关系：综上所述： 溶液中所含溶质越多，即溶液的浓度越大，其蒸气压较纯溶剂的蒸气压降低的越多。 溶液蒸气压下降、凝固点下降、沸点上升和产生渗透压仅仅决定于溶液中所含溶质粒子的浓度，而与溶质本身的性质无关，溶液的这类性质称为溶液的依数性。cTR溶质的摩尔浓度，mol/L气体摩尔常数，8.314热力学温度第42页/共54页 三、表面活性物质表面张力：液体表面的收缩张力表面能：将内部质点移

30、到表面需克服表面张力做功， 使系统能量增加，这一能量称为表面能。表面活性物质：能显著降低水溶液表面张力的物质。表面活性物质的构成：线型分子，含有亲水基 和憎水基表面活性剂的作用：增溶作用 润湿作用 发泡作用乳状液：一种或多种液体分散在另一种与它不相溶的液体中的系统W/O：油包水型O/W：水包油型第43页/共54页2.4气体和等离子体一、理想气体和实际气体 理想气体凡是在任何温度和压力下均服从理想气体状态方程PV=nRT的气体均称为理想气体。 特征：分子本身不占有体积 分子间无相互作用力实际中，温度较高、压力较低的气体可近似为理想气体。理想气体状态方程式： PV=nRT第44页/共54页 讨论：

31、1、R是摩尔气体常数或气体通用常数，物理意义是STP(101325Pa,273.15K ),1摩尔理想气体的体积和压力的乘积与温度的比值，即 R = PVm/T2、T是以开尔文温标表示的绝对温度，单位符号为K，T = 273.15 + t3、n为气体物质的量，单位符号为mol4、P,V所取单位不同时，R的单位也不同 P V n T R Pa m3 mol K 8.314 Pam3mol-1 K-1 kPa dm3 mol K 8.314 kPadm3 mol-1 K-1 (Pa=N/m2 J=N m) 8.314 Jmol-1 K-1第45页/共54页道尔顿分压定律： 混合气体的总压力等于各组分气体分压之和。数学表达式为：P总 = P1 + P2 + P3 + Pi =Pi 讨论：（1）、组分气体的分压与其单独占有混合气体相同体积时所呈现的压力相等。 Pi = n iRT/V总 （2）、 Pi = niRT / V总 P总= nRT / V总 Pi/P总= ni/n总= Xi Pi = Xi P总 这是分压定律的另一种表达式，即：混合气体中各组分的分