物质的化学组成课件

第二章物质的化学组成与聚集状态

§2.1物质的化学组成

一、配位化合物（一）配位化合物的组成配合物的组成一般分为内界和外界两部分，内界用方括号括起来，其中包括带正电荷的中心离子或中性原子

及与它直接配位的中性分子或负离子，它是配合物的特征部分。其余部分是外界。第二章物质的化学组成与聚集状态§2.1物质的化学组如果内界部分带有正负电荷，称之为配离子，带有正电荷的称配阳离子，带有负电荷的称配阴离子。如果内界部分带有正负电荷，称之为配离子，带有正电荷的称配阳离配合物的内界组分很稳定，在水溶液中几乎不解离。而外界组分可以解离出来。配合物的内界组分很稳定，在水溶液中几乎不解离。而外界组分可以1、中心离子（原子）中心离子或中心原子(也称配合物的形成体)位于配离子的中心，中心离子(原子)一般具有空轨道．绝大多数的配合物形成体是金属离子(或金属原子)，特别是过渡金属离子(原子)，如[Cu(NH3)4]2+中的Cu2+、[Ni(CO)4]中的Ni（电中性的原子）等．另外，一些具有高氧化态的非金属元素和一些半径较小、电荷较高的主族金属元素也是常见的形成体，如SiF62-中的Si(Ⅳ)等．1、中心离子（原子）2、配位体在配离子中同中心离子(或原子)结合的离子或分子，称配位体，简称配体，如H2O，NH3，CO，CN-为常见的配体；中心离子和配体之间靠配位键结合。在配体中直接同中心离子(或原子)结合的原子称配位原子，如H2O中的O原子，NH3中的N原子，以及CO，CN-中的C原子．2、配位体配位原子的共同特点是它们必须至少含一对孤对电子，一般常见的配位原子主要是周期表中电负性较大的非金属原子，如N、O、S、C、F、Cl、Br、I等原子。根据配体中所含配位原子的数目多少，将配体分成两大类。单基配体：只含有一个配位原子同中心离子结合的配体称单基配体，又称单齿配体。配位原子的共同特点是它们必须至少含一对孤对电子，一般常见的配多基配体：含有两个或两个以上配位原子并能同时和一个中心离子相结合的配体，称多基配体，又称多齿配体。多基配体多数是有机分子，常见的有乙二胺四乙酸（EDTA）、C2O42-，H2N—CH2一CH2一NH2等，乙二胺，缩写为en，像乙二胺这样一个分子中含有两个配位原子的配位体称为二齿配位体，其配位情况如下：多基配体：含有两个或两个以上配位原子并能同时和一个中心离子相3、配位数在配体中直接与中心离子结合的配位原子的数目称中心离子的配位数。如果配体是单齿的，则中心离子的配位数就是配体数目。例如[Ag(NH3)2]+、[Cu(NH3)4]2+、[SiF6]2-的配位数分别是2、4、6。如果配体是多齿的，则中心离子的配位数为配体数目与其基数的乘积，例如[Pt(en)2]2+的配位数为2×2=4。3、配位数（二）配位化合物的命名配位化合物的命名方法在外界和内界间服从一般无机化合物的命名原则：若外界是负离子而且为简单酸根，如C1-、S2-、OH-离子等，则叫做“某化某”；（二）配位化合物的命名若外界是负离子而且为复杂酸根，如SO42-、CH3COO-等，则叫做“某酸某”。若外界为简单阳离子，内界为配阴离子时，也叫“某酸某”。也就是说把负配离子看成是一个复杂酸根离子。例如：[Co(NH3)6]Cl3[三氯化六氨合钴（Ⅲ）]、K2[PtCl6][六氯合铂（Ⅳ）酸钾]若外界是负离子而且为复杂酸根，如SO42-、CH3COO-等1、内界命名的次序是：（数）阴离子配位体→（数）中性分子配位体→合→中心离子（罗马数字表示的价数）。配位体的个数用数字一（常被省略）、二、三等写在配位体的前面，并以中黑点把不同配位体隔开；配位体与中心离子之间加一“合”字表示配合，中心离子后面用圆括号中的罗马数字表示它的价数。

1、内界命名的次序是：2、阴离子配位体的命名次序如下：简单阴离子（如X-）→复杂阴离子（如硝基NO2-）→有机酸根（如羧酸根RCOO-）3、中性分子配位体的命名次序如下：H2O→NH3→有机分子（如C2H4、三苯基膦(C6H5)3P等）2、阴离子配位体的命名次序如下：配位化合物的命名举例如下：配位盐：[Cu(NH3)4]SO4

硫酸四氨合铜（Ⅱ）[CoCl2H2O(NH3)3]Cl

氯化二氯·水·三氨合钴（Ⅲ）K[FeCl2(C2O4)(en)]二氯·草酸根·乙二胺合铁（Ⅲ）酸钾[Pt(Py)4][PtCl4]

四氯合铂（Ⅱ）酸四吡啶合铂（Ⅱ）配位化合物的命名举例如下：配位酸：H2[SiF6]

六氟合硅（Ⅳ）酸H2[PtCl6]

六氯合铂（Ⅳ）酸配位碱：[Ag(NH3)2]OH

氢氧化二氨合银(Ⅰ)[Ni(NH3)4](OH)2

二氢氧化四氨合镍（Ⅱ）配位酸：中性配合物：[Cr(OH)3(H2O)(en)]

三羟基·水·乙二胺合铬（Ⅲ）[Fe(CO)5]

五羰基合铁中性配合物：（三）配合物的分类配位化合物主要可分为以下几类：1、简单配合物中心离子与单基配体直接配位所形成的配合物，例如K2[PtCl6]、Na3[AlF6]等。另外大量的水合物实际上也是以水为配体的简单配合物。例如：FeCl3·6H2O即[Fe(H2O)6]Cl3

（三）配合物的分类2、螯合物凡是由多基配体（如乙二胺等）以两个或两个以上的配位原子同时和一个中心离子配位所形成的具有环状结构的配合物，称螯合物或内配合物。

2、螯合物这类配合物中的多基配体与中心离子的结合，犹如螃蟹的爪同时钳住了中心离子而构成了环状结构。一般说来，螯合剂与金属离子形成五员环或六员环时最稳定，三员环与四员环的张力大，很不稳定。六员以上的环，一般不能形成。例如[Cu(en)2]2+配离子：这类配合物中的多基配体与中心离子的结合，犹如螃蟹的爪同时钳住又如乙二胺四乙酸根合钙（Ⅱ）配阴离子：其中的配体乙二胺四乙酸根（简称EDTA）含有六个配位原子（4个氧原子和2个氮原子），它们可以同时与中心离子Ca2+配位，形成含有五个五元环的稳定螯合物[CaY]2-，如图所示。又如乙二胺四乙酸根合钙（Ⅱ）配阴离子：其中的配体乙二胺四乙酸3、多核配合物多核配合物是指一个配合物中有2个或2个以上的中心离子或原子，这些中心离子或原子借助于一定的原子或原子团而连接成一个整体，这些原子或原子团称桥基，桥基具有一对以上的孤对电子，因而能与两个或两个以上的金属离子或原子配合，如（二—μ—氯·二[氯·乙烯合钯]）：氯是桥基。3、多核配合物氯是桥基。

4、羰基配合物羰基配合物是过渡金属元素与配位体CO所形成的一类配合物，无论在理论研究还是实际应用上，这类配合物都占有特殊重要地位。例如Ni(CO)5、Fe(CO)5可作为汽油的抗震剂替代四乙基铅，减少汽车尾气中铅的污染，保护环境。配合物的性质和应用还与结构有关。具有相同化学组成的配合物往往有不同的结构，表现出不同的性能。4、羰基配合物小结：一、配位化合物的组成：内界和外界两部分，内界包括带正电荷的中心离子或中性原子及与它直接配位的中性分子或负离子组成的配离子。其余部分是外界。中心离子(原子)一般具有空轨道，配位原子至少含一对孤对电子。二、配位化合物的命名三、配位化合物的分类：简单配合物、螯合物、多核配合物、羰基配合物。小结：二、团簇团簇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单元。团簇的空间尺度在纳米（10-9ｍ）量级左右。有金属簇，非金属簇，分子簇等。团簇物质的性能和应用不仅与所含原子或其结合态单元数有关，还与它们间的空间位置及相互作用有关，团簇是众多纳米材料的基础。二、团簇1985年，美国的柯尔、斯莫利以及英国的克罗托发现了除金刚石、石墨以外，碳元素的又一种同素异构体，称为球烯或富勒烯，由此他们获得了1996年诺贝尔化学奖．富勒烯的发现在学术界引起了巨大的轰动，在世界范围内迅速掀起富勒烯研究热潮至今不衰．富勒烯C60，C70，C80，C90等都是空心笼状结构，其中以C60最稳定。1985年，美国的柯尔、斯莫利以及英国的克罗托发现了除金刚石C60笼状结构酷似足球，球面有20个六元环面，12个五元环面，每个顶角上的C原子与周围3个C原子相连，形成3个σ键，各C原子剩余的轨道和电子共同组成离域大π键．这个球形C60分子内部碳碳间是共价键，而分子间靠范德华力结合成分子晶体C60笼状结构酷似足球，球面有20个六元环面，12个五元环面C60分子除具有熔点低、沸点低、硬度小、不导电的特征外，已发现的球烯分子晶体可作为极好的润滑剂，其衍生物或添加物在超导、半导体、润滑剂、催化剂等领域有着广阔的应用前景．C60分子除具有熔点低、沸点低、硬度小、不导电的特征外，已发除球形的C60等碳团簇外，还有1991年发现的碳纳米管，也称“布基管”，以及结构类似洋葱的“布基葱”。碳纳米管是一种由单层或多层石墨卷成的纳米微管，多层碳管各层之间的间隔是石墨的层间距。碳管两头可以是空的，也可以被半个C60或更大的碳球所封闭。碳纳米管有优异的力学性能，有很好的的韧性，弹性比碳纤维高5个数量级，是制备高强度轻质材料的理想组元。除球形的C60等碳团簇外，还有1991年发现的碳纳米管，也称三、非整比化合物固体中有大量物质，它们的原子和原子结合态单元的组成和结构都比较复杂。如金属间化合物Nb3Sn，Cu5Zn；碳化物Fe3C，Mn7C3氮化物Fe2N，Fe4N等不符合正常化合价规则。LaH2.76，Fe1-xO，Sn1+XO2和PbO1.88等物质的原子数目不成整数比，称为非整比化合物，它们是稳定的物质，在常温下多为固体。三、非整比化合物晶体缺陷是形成非整比化合物的重要原因。非整比化合物等在材料中十分重要，可以控制或改善无机固体材料的光、电、声、磁、热和力学等性质。例如碳化物、氮化物在钢材中能有效地提高钢材的硬度；晶体缺陷是形成非整比化合物的重要原因。四、金属有机化合物典型的金属有机化合物是指由金属原子和有机基团中碳原子键合而成的，含金属-碳键（M-C）的化合物金属有机化合物大体分为三类：四、金属有机化合物（一）离子型化合物碱金属和碱土金属所形成的烷基化合物多为离子型，其通式为RM和R2M，具有离子化合物的典型特征，它们一般不溶于烃类溶剂，具有异乎寻常地反应活性，对空气敏感，遇水剧烈水解。（二）σ键化合物第ⅢA-ⅦA族和第ⅠB，ⅡB族元素与有机基团主要以σ共价键结合形成化合物，如R2Hg，(C2H5)4Pb和(CH3)3SnCl等，具有挥发性，对空气稳定，一般溶于非极性溶剂。（一）离子型化合物（三）非经典键化合物包括由过渡元素与不饱和基团通过金属轨道和π键之间相互作用生成的π配合物，过渡元素与羰基等配位形成同时含σ键和π键的金属有机化合物，还有多中心键型金属有机化合物等。（三）非经典键化合物金属有机化合物是电子、光学、磁性等功能材料、超纯材料和精细陶瓷等许多工业加工中的重要物质基础过渡金属有机化合物中，M-C键不是典型的离子键，键能一般小于C-C键，容易在M-C处断裂。这广泛用于化学气相沉积，能沉积成高附着性的金属膜。例如，三丁基铝Al(C4H9)3和三异丙基苯铬Cr[C6H4CH(CH3)2]3热分解，分别得到金属铝膜和铬膜。金属有机化合物是电子、光学、磁性等功能材料、超纯材料和精细陶五、高分子化合物高分子化合物,简称高分子，又称高聚物，是一大类化合物。有无机高分子化合物和有机高分子化合物，硅酸盐陶瓷可称为无机高分子化合物。高分子化合物是由千百万个原子彼此以共价键连接起来的大分子。五、高分子化合物高分子化合物的分子量一般都在几万、甚至几百万，和低分子相比，按其分子大小来说，如同西瓜和芝麻相比。所以分子量很大是高分子化合物的一个重要特点。通常把分子量在一万以上的分子称做高分子。当然高分子和低分子之间并没有严格的界线，但作为塑料、橡胶和纤维的多数高分子化合物，其分子量都在104至106之间．高分子化合物的分子量一般都在几万、甚至几百万，和低分子相比，高分子化合物尽管分子量很大，但它往往是由许多简单的结构单元重复连接而成。

例如聚氯乙烯是由许多氯乙烯结构单元重复连接起来的。是结构单元，这样重复的单元又叫作链节。n代表重复的结构单元数，称为聚合度。高分子化合物尽管分子量很大，但它往往是由许多简单的结构单元重合成高分子化合物的原低分子化合物称为该聚合物的单体。如氯乙烯是聚氯乙烯的单体。除分子量外，聚合度也是描述高分子化合物分子大小的另一方式；它与高分子化合物分子量的关系为：式中M为高分子化合物的分子量，M0为该高分子化合物的结构单元或链节的式量。例如常用聚氯乙烯的分子量为5-15万，其结构单元的式量为62.5，由此算出聚氯乙烯的聚合度为800～2400。合成高分子化合物的原低分子化合物称为该聚合物的单体。如氯乙烯同一种高分子化合物所含的链节数目并不相同，因此高分子化合物实质上是链节相同而聚合度不同的高分子量产物。通常所说的高分子化合物的分子量实际上是指它的平均分子量。高分子化合物是由同一化学组成，聚合度不同(即链长不同，分子量不同)的混合物组成，这一特性通常称为高分子化合物分子量的多分散性。同一种高分子化合物所含的链节数目并不相同，因此高分子化合物实因此，高分子化合物无论用分子量或聚合度来描述，都往往用平均数值来表示，称为平均分子量、平均聚合度。综上所述，分子量很大和高分子化合物分子量的多分散性是高分子化合物的特点。因此，高分子化合物无论用分子量或聚合度来描述，都往往用平均数（一）高分子化合物的合成高分子化合物的分类方法有多种，按其来源有天然高分子化合物和合成高分子化合物两类。合成高分子以有机小分子为单体，经聚合反应而制得。下面用反应式列举两种主要类型的聚合反应。（一）高分子化合物的合成1、加成聚合反应简称加聚反应；它的特征是反应中没有H2O、NH3等小分子副产物伴生。例如1、加成聚合反应聚乙烯中，-CH2-CH2-为链节，n为聚合度，一般取其平均值。聚乙烯的分子量M等于链节式量28乘以聚合度n。如果n=2000，则其平均分子量为：聚乙烯中，-CH2-CH2-为链节，n为聚合度，一般取其平均由加聚反应制得的高分子化合物称为加聚物。由一种单体进行的加成聚合反应称为均聚反应，所得高分子为均聚物。由两种或两种以上单体进行的加聚反应称为共聚反应，所得高分子为共聚物。2、缩合聚合反应简称缩聚反应，它的特征是有H2O、NH3等小分子副产物伴生。由加聚反应制得的高分子化合物称为加聚物。由一种单体进行的加成尼龙66分子式中大括号内的结构称为重复单元，它包括了两个不同的单体链节称它的聚合度为2n。这里的聚合度是以链节数来计量的。尼龙66分子式中大括号内的结构称为重复单元，它包括了两个不同由缩聚反应制得的高分子称为缩聚物。聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈等高分子化合物，主链中均是C-C键，称为碳链高分子化合物。其中聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯仅由C、H组成，是非极性或极性很弱的高聚物，它们只能溶于非极性溶剂，有较好的绝缘性能；由缩聚反应制得的高分子称为缩聚物。但聚苯乙烯由于侧基苯基的影响，其性能比聚乙烯硬且脆。若其侧基换上-Cl或-CN，则所得的聚氯乙烯、聚丙烯腈就成为极性高分子化合物，有较好的耐非极性溶剂，但绝缘性就相对差一些。聚酰胺（主链含-CO-NH-）、聚酯（主链含-CO-O-）以及聚氨酯（主链含-NH-CO-O-）、聚脲（主链含-NH-CO-NH-）等几类高分子化合物的主链引入了O、N等杂原子，不但有C-C键，还有C-O，C-N键，则称杂链高分子化合物。但聚苯乙烯由于侧基苯基的影响，其性能比聚乙烯硬且脆。若其侧基主链中仅含有Si，P和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，如聚硅氧烷。元素高分子化合物常常具有一些特殊性质，如耐寒性、耐热性等，这与它们兼具无机物与有机物的化学结构有关。主链中仅含有Si，P和O等元素而没有C原子的高分子化合物称为（二）高分子化合物的命名习惯上通常按合成方法、所用原料或高聚物的用途来命名。归纳起来有以下几种情况：1、如果是用加聚反应制得的高聚物，往往就在原料或单体名称前加一个“聚”字(符号记为P)。例如氯乙烯的聚合物称为聚氯乙烯(PVC)、四氟乙烯的聚合物称为聚四氟乙烯(PTFE)等。（二）高分子化合物的命名如果是用缩聚反应制得的高分子化合物，就在原料名称后面加“树脂”二字，例如苯酚和甲醛的缩聚物称为(苯)酚(甲)醛树脂(PF)，甘油（丙三醇）和邻苯二甲酸酐的缩聚物称为醇酸树脂。但对于未制成成品前的加聚物，往往也称作“树脂”，例如聚氯乙烯树脂，聚乙烯树脂等。所以“树脂”是高分子化合物在工程材料中的同义词。如果是用缩聚反应制得的高分子化合物，就在原料名称后面加“树脂2、以高分子化合物的主要用途或最初用途表示命名，属习惯名称或商业名称。例如聚酰胺类高聚物称尼龙或锦纶。聚酰胺类高聚物由于品种较多，因而有尼龙6、尼龙66、尼龙610等。凡在尼龙后面有两个数字的，表示这种聚酰胺是由二元胺和二元酸的两种单体缩聚而成的，前面的数字是二元胺的碳原子数；后面的数字是二元酸的碳原子数例如，尼龙610是由己(数目6)二胺和癸(数目10)二酸缩聚而成的。2、以高分子化合物的主要用途或最初用途表示命名，属习惯名称或凡在尼龙后面只有一个数字的，表示这种聚酰胺是由含有某数目碳原子的内酰胺聚合而成的。例如，尼龙6就是由己内酰胺聚合而成的

重复单元：

凡在尼龙后面只有一个数字的，表示这种聚酰胺是由含有某数目碳原3、在高分子化合物中，还常采用以其单体英文名称的第一个字母(大写)来表示的简写符号。例如ABS是丙烯腈(acrylonitrile)、丁二烯(butadiene)和苯乙烯(styrene)的简写。高分子化合物制品很多，通用高分子主要包括塑料、纤维和橡胶三大类。许多高分子化合物具有特殊的光、电、磁、化学、生物、医学等方面的功能，这类高分子称为功能高分子化合物。3、在高分子化合物中，还常采用以其单体英文名称的第一个字母(六、自由基和生物大分子构成生命体的物质在作用与代谢等生命活动过程中多有自由基参与，自由基甚至在参与和介入中起着导向的作用。（一）自由基自由基是指一个化合物的共价键电子对发生均匀分裂时，生成带有未成键的单电子基，一般在分裂后的原子或原子结合态单元符号旁加一个点“·”表示，如：六、自由基和生物大分子人体细胞和组织等生物体内有过渡金属离子，通过它们容易发生单电子的氧化还原反应而产生自由基，自由基通过歧化反应会快速淬灭或转化为其他类型的自由基。由于自由基非常活泼，它对其他生物物质具有很强的攻击力。利用自由基单电子结构趋向电子配对以求稳定的特性，它在生化反应中可以起传递电子的作用。人体细胞和组织等生物体内有过渡金属离子，通过它们容易发生单电生物自由基主要有：

氧中心自由基

氮中心自由基

活化氧

生物自由基主要有：氧中心自由基氮中心自由基活化氧自由基在正常生命过程中有积极作用，在生理浓度下，它参与了很多重要的生化反应。自由基也积极参与细胞内各种信号道路的转导并在各种疫病发生和发展过程扮演一个以前鲜为人知的可进行调控的重要角色。自由基在正常生命过程中有积极作用，在生理浓度下，它参与了很多（二）蛋白质1、蛋白质的结构蛋白质分子是一条或多条多肽链构成的生物大分子，相对分子质量可从一万到数百万。多肽链由氨基酸通过肽键(酰胺键，-CO-NH-)共价连接而成，各种多肽链都有自己特定的氨基酸顺序。（二）蛋白质人体细胞含有3000至10000种以上的蛋白质，人体蛋白质由20种氨基酸组成。除脯氨酸外，其他19种均是α—碳上有一个氨基(-NH2)的有机羧酸，结构通式为R-CH(NH2)COOH，R是每种氨基酸的特征基团。α—氨基酸都是无色晶体，熔点较高，一般在200～300℃之间，当达到熔点前往往会分解放出CO2。氨基酸分子中含有酸性的羧基和碱性的氨基，是两性化合物，能分别与酸或碱作用生成盐类。人体细胞含有3000至10000种以上的蛋白质，人体蛋白质由除甘氨酸外，其他氨基酸都是以α—碳原子为手性中心的手性分子，具有L-和D-两种构型，它们互为对映体关系，除甘氨酸外，其他氨基酸都是以α—碳原子为手性中心的手性分子，2、蛋白质功能的多样性：蛋白质在生物过程中所起的作用可以简略概括为：（1）它最重要的生物学功能是作为有机体新陈代谢的催化剂—酶。几乎所有的酶都是蛋白质。生物体内的各种化学反应几乎都是在相应的酶参与下进行的。（2）它另一个主要的生物学功能是作为有机体的结构成分。（3）另一类蛋白质有贮藏氨基酸的功能，用作有机体及其胚胎或幼体生长发育的原料。

2、蛋白质功能的多样性：（4）某些蛋白质具有运输的功能。（5）有些蛋白质具有协调动作的功能。（6）一些蛋白质具有激素的功能，对生物体内的新陈代谢起调节作用。（7）高等动物的免疫反应是有机体的一种防御机能。免疫反应主要也是通过蛋白质来实现的。这类蛋白质称为抗体或免疫球蛋白。此外起接受和传递信息作用的受体也是蛋白质，蛋白质另一功能是调节或控制细胞的生长、分化和遗传信息的表达。（4）某些蛋白质具有运输的功能。（三）核酸核酸称为信息分子，是因为它担负着生物遗传信息的储存、传递及功能表达。核酸分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两类。DNA主要集中在细胞核内，RNA主要分布在细胞质内。它们由磷酸、脱氧核糖或核糖、有机碱组成，它们的基本结构单元是单核苷酸，DNA和RNA之间的主要区别在戊醛糖和嘧啶碱上。（三）核酸DNA的双螺旋结构通过碱基互补配对原则形成。DNA双螺旋结构决