主要知識要點:
1、原子結構
2、元素周期表和元素周期律
3、共價鍵
4、分子的空間構型
5、分子的性質
6、晶體的結構和性質
(一)原子結構
1、能層和能級
(1)能層和能級的劃分
①在同一個原子中,離核越近能層能量越低。
②同一個能層的電子,能量也可能不同,還可以把它們分成能級s、p、d、f,能量由低到高依次為s、p、d、f。
③任一能層,能級數等於能層序數。
④s、p、d、f……可容納的電子數依次是1、3、5、7……的兩倍。
⑤能層不同能級相同,所容納的最多電子數相同。
(2)能層、能級、原子軌道之間的關係
每能層所容納的最多電子數是:2n2(n:能層的序數)。
2、構造原理
(1)構造原理是電子排入軌道的順序,構造原理揭示了原子核外電子的能級分布。
(2)構造原理是書寫基態原子電子排布式的依據,也是繪製基態原子軌道表示式的主要依據之一。
(3)不同能層的能級有交錯現象,如E(3d)>E(4s)、E(4d)>E(5s)、E(5d)>E(6s)、E(6d)>E(7s)、E(4f)>E(5p)、E(4f)>E(6s)等。原子軌道的能量關係是:ns<(n-2)f <(n-1)d <np
(4)能級組序數對應著元素周期表的周期序數,能級組原子軌道所容納電子數目對應著每個周期的元素數目。
根據構造原理,在多電子原子的電子排布中:各能層最多容納的電子數為2n2 ;最外層不超過8個電子;次外層不超過18個電子;倒數第三層不超過32個電子。
(5)基態和激發態
①基態:最低能量狀態。處於最低能量狀態的原子稱為基態原子。
②激發態:較高能量狀態(相對基態而言)。基態原子的電子吸收能量後,電子躍遷至較高能級時的狀態。處於激發態的原子稱為激發態原子。
③原子光譜:不同元素的原子發生電子躍遷時會吸收(基態→激發態)和放出(激發態→較低激發態或基態)不同的能量(主要是光能),產生不同的光譜——原子光譜(吸收光譜和發射光譜)。利用光譜分析可以發現新元素或利用特徵譜線鑑定元素。
3、電子云與原子軌道
(1)電子云:電子在核外空間做高速運動,沒有確定的軌道。因此,人們用「電子云」模型來描述核外電子的運動。「電子云」描述了電子在原子核外出現的概率密度分布,是核外電子運動狀態的形象化描述。
(2)原子軌道:不同能級上的電子出現概率約為90%的電子云空間輪廓圖稱為原子軌道。s電子的原子軌道呈球形對稱,ns能級各有1個原子軌道;p電子的原子軌道呈紡錘形,np能級各有3個原子軌道,相互垂直(用px、py、pz表示);nd能級各有5個原子軌道;nf能級各有7個原子軌道。
4、核外電子排布規律
(1)能量最低原理:在基態原子裡,電子優先排布在能量最低的能級裡,然後排布在能量逐漸升高的能級裡。
(2)泡利原理:1個原子軌道裡最多只能容納2個電子,且自旋方向相反。
(3)洪特規則:電子排布在同一能級的各個軌道時,優先佔據不同的軌道,且自旋方向相同。
(4)洪特規則的特例:電子排布在p、d、f等能級時,當其處於全空、半充滿或全充滿時,即p0、d0、f0、p3、d5、f7、p6、d10、f14,整個原子的能量最低,最穩定。
能量最低原理表述的是「整個原子處於能量最低狀態」,而不是說電子填充到能量最低的軌道中去,泡利原理和洪特規則都使「整個原子處於能量最低狀態」。
(5)(n-1)d能級上電子數等於10時,副族元素的族序數=ns能級電子數
(二)元素周期表和元素周期律
1、元素周期表的結構
元素在周期表中的位置由原子結構決定:原子核外的能層數決定元素所在的周期,原子的價電子總數決定元素所在的族。
(1)原子的電子層構型和周期的劃分
周期是指能層(電子層)相同,按照最高能級組電子數依次增多的順序排列的一行元素。即元素周期表中的一個橫行為一個周期,周期表共有七個周期。同周期元素從左到右(除稀有氣體外),元素的金屬性逐漸減弱,非金屬性逐漸增強。
(2)原子的電子構型和族的劃分
族是指價電子數相同(外圍電子排布相同),按照電子層數依次增加的順序排列的一列元素。即元素周期表中的一個列為一個族(第Ⅷ族除外)。共有十八個列,十六個族。同主族周期元素從上到下,元素的金屬性逐漸增強,非金屬性逐漸減弱。
(3)原子的電子構型和元素的分區
按電子排布可把周期表裡的元素劃分成 5個區,分別為s區、p區、d區、f區和ds區,除ds區外,區的名稱來自按構造原理最後填入電子的能級的符號。
2、元素周期律
元素的性質隨著核電荷數的遞增發生周期性的遞變,叫做元素周期律。元素周期律主要體現在核外電子排布、原子半徑、主要化合價、金屬性、非金屬性、第一電離能、電負性等的周期性變化。元素性質的周期性來源於原子外電子層構型的周期性。
(1)同周期、同主族元素性質的遞變規律
(2)微粒半徑的比較方法
①同一元素:一般情況下元素陰離子的離子半徑大於相應原子的原子半徑,陽離子的離子半徑小於相應原子的原子半徑。
②同周期元素(只能比較原子半徑):隨原子序數的增大,原子的原子半徑依次減小。如:Na>Mg>Al>Si>P>S>Cl
③同主族元素(比較原子和離子半徑):隨原子序數的增大,原子的原子半徑依次增大。如:Li<Na<K<Rb<Cs,F-<Cl-<Br-<I-
④同電子層結構(陽離子的電子層結構與上一周期0族元素原子具有相同的電子層結構,陰離子與同周期0族元素原子具有相同的電子層結構):隨核電荷數增大,微粒半徑依次減小。如:F->Na+>Mg2+>Al3+
(3)元素金屬性強弱的判斷方法
(4)非金屬性強弱的判斷方法
(三)共價鍵
1、共價鍵的成鍵本質:成鍵原子相互接近時,原子軌道發生重疊,自旋方向相反的未成對電子形成共用電子對,兩原子核間電子云密度增加,體系能量降低。
2、共價鍵類型:
(1)σ鍵和π鍵
(2)極性鍵和非極性鍵
(3)配位鍵:一類特殊的共價鍵,一個原子提供空軌道,另一個原子提供一對電子所形成的共價鍵。
①配位化合物:金屬離子與配位體之間通過配位鍵形成的化合物。如:Cu(H2O)4SO4、Cu(NH3)4(OH)2、Ag(NH3)2OH、Fe(SCN) 3等。
②配位化合物的組成:
3、共價鍵的三個鍵參數
(1)鍵長、鍵能決定共價鍵的強弱和分子的穩定性,鍵角決定分子空間構型和分子的極性。
(2)鍵能與反應熱:反應熱=生成物鍵能總和-反應物鍵能總和
(四)分子的空間構型
1、等電子原理
原子總數相同、價電子總數相同的分子具有相似的化學鍵特徵,許多性質是相似的,此原理稱為等電子原理。
(1)等電子體的判斷方法:在微粒的組成上,微粒所含原子數目相同;在微粒的構成上,微粒所含價電子數目相同;在微粒的結構上,微粒中原子的空間排列方式相同。(等電子的推斷常用轉換法,如CO2=CO+O=N2+O=N2O=N2+N—=N3—或SO2=O+O2=O3=N—+O2= NO2—)
(2)等電子原理的應用:利用等電子體的性質相似,空間構型相同,可運用來預測分子空間的構型和性質。
2、價電子互斥理論
(1)價電子互斥理論的基本要點:ABn型分子(離子)中中心原子A周圍的價電子對的幾何構型,主要取決於價電子對數(n),價電子對儘量遠離,使它們之間斥力最小。
(2)ABn型分子價層電子對的計算方法:
①對於主族元素,中心原子價電子數=最外層電子數,配位原子按提供的價電子數計算,如:PCl5中
②O、S作為配位原子時按不提供價電子計算,作中心原子時價電子數為6;
③離子的價電子對數計算
如:NH4+:;SO42- :
3、雜化軌道理論
(1)雜化軌道理論的基本要點:
①能量相近的原子軌道才能參與雜化。
②雜化後的軌道一頭大,一頭小,電子云密度大的一端與成鍵原子的原子軌道沿鍵軸方向重疊,形成σ鍵;由於雜化後原子軌道重疊更大,形成的共價鍵比原有原子軌道形成的共價鍵穩定。
③雜化軌道能量相同,成分相同,如:每個sp3雜化軌道佔有1個s軌道、3個p軌道。
④雜化軌道總數等於參與雜化的原子軌道數目之和。
(2)s、p雜化軌道和簡單分子幾何構型的關係
(3)雜化軌道的應用範圍:雜化軌道只應用於形成σ鍵或者用來容納未參加成鍵的孤對電子。
(4)中心原子雜化方式的判斷方法:看中心原子有沒有形成雙鍵或叄鍵,如果有1個叄鍵,則其中有2個π鍵,用去了2個p軌道,形成的是sp雜化;如果有1個雙鍵則其中有1個π鍵,形成的是sp2雜化;如果全部是單鍵,則形成的是sp3雜化。
4、分子空間構型、中心原子雜化類型和分子極性的關係
(五)分子的性質
1、分子間作用力(範德華力和氫鍵)
(1)分子間作用力和化學鍵的比較
(2)範德華力與氫鍵的比較
2、極性分子和非極性分子
(1)極性分子和非極性分子
<1>非極性分子:從整個分子看,分子裡電荷的分布是對稱的。如:①只由非極性鍵構成的同種元素的雙原子分子:H2、Cl2、N2等;②只由極性鍵構成,空間構型對稱的多原子分子:CO2、CS2、BF3、CH4、CCl4等;③極性鍵非極性鍵都有的:CH2=CH2、CH≡CH、。
<2>極性分子:整個分子電荷分布不對稱。如:①不同元素的雙原子分子如:HCl,HF等。②折線型分子,如H2O、H2S等。③三角錐形分子如NH3等。
(2)共價鍵的極性和分子極性的關係:
兩者研究對象不同,鍵的極性研究的是原子,而分子的極性研究的是分子本身;兩者研究的方向不同,鍵的極性研究的是共用電子對的偏離與偏向,而分子的極性研究的是分子中電荷分布是否均勻。非極性分子中,可能含有極性鍵,也可能含有非極性鍵,如二氧化碳、甲烷、四氯化碳、三氟化硼等只含有極性鍵,非金屬單質F2、N2、P4、S8等只含有非極性鍵,C2H6、C2H4、C2H2等既含有極性鍵又含有非極性鍵;極性分子中,一定含有極性鍵,可能含有非極性鍵,如HCl、H2S、H2O2等。
(3)分子極性的判斷方法
①單原子分子:分子中不存在化學鍵,故沒有極性分子或非極性分子之說,如He、Ne等。
②雙原子分子:若含極性鍵,就是極性分子,如HCl、HBr等;若含非極性鍵,就是非極性分子,如O2、I2等。
③以極性鍵結合的多原子分子,主要由分子中各鍵在空間的排列位置決定分子的極性。若分子中的電荷分布均勻,即排列位置對稱,則為非極性分子,如BF3、CH4等。若分子中的電荷分布不均勻,即排列位置不對稱,則為極性分子,如NH3、SO2等。
④根據ABn的中心原子A的最外層價電子是否全部參與形成了同樣的共價鍵。(或A是否達最高價)
(4)相似相溶原理
①相似相溶原理:極性分子易溶於極性溶劑,非極性分子易溶於非極性溶劑。
②相似相溶原理的適用範圍:「相似相溶」中「相似」指的是分子的極性相似。
③如果存在氫鍵,則溶劑和溶質之間的氫鍵作用力越大,溶解性越好。相反,無氫鍵相互作用的溶質在有氫鍵的水中的溶解度就比較小。
3、有機物分子的手性和無機含氧酸的酸性
(1)手性分子
①手性分子:具有完全相同的組成和原子排列的一對分子,如同左手與右手一樣互為鏡像,卻在三維空間裡不能重疊,互稱手性異構體(又稱對映異構體、光學異構體)。含有手性異構體的分子叫做手性分子。
②手性分子的判斷方法:判斷一種有機物是否具有手性異構體,可以看其含有的碳原子是否連有四個不同的原子或原子團,符合上述條件的碳原子叫做手性碳原子。手性碳原子必須是飽和碳原子,飽和碳原子所連有的原子和原子團必須不同。
(2)無機含氧酸分子的酸性
①酸的元數=酸中羥基上的氫原子數,不一定等於酸中的氫原子數(有的酸中有些氫原子不是連在氧原子上)
②含氧酸可表示為:(HO)mROn,酸的強度與酸中的非羥基氧原子數n有關,n越大,酸性越強。
n=0 弱酸 n=1 中強酸 n=2強酸 n=3 超強酸
(六)晶體的結構和性質
1、四大晶體的比較
2、典型晶體的結構特徵
(1)NaCl
屬於離子晶體。晶胞中每個Na+周圍吸引著6個Cl-,這些Cl-構成的幾何圖形是正八面體,每個Cl-周圍吸引著6個Na+,Na+、Cl-個數比為1:1,每個Na+與12個Na+等距離相鄰,每個氯化鈉晶胞含有4個Na+和4個Cl-。
(2)CsCl
屬於離子晶體。晶胞中每個Cl—(或Cs+)周圍與之最接近且距離相等的Cs+(或Cl—)共有8個,這幾個Cs+(或Cl—)在空間構成的幾何構型為立方體,在每個Cs+周圍距離相等且最近的Cs+共有6個,這幾個Cs+在空間構成的幾何構型為正八面體,一個氯化銫晶胞含有1個Cs+和1個Cl—。
(3)金剛石(空間網狀結構)
屬於原子晶體。晶體中每個C原子和4個C原子形成4個共價鍵,成為正四面體結構,C原子與碳碳鍵個數比為1:2,最小環由6個C原子組成,每個C原子被12個最小環所共用;每個最小環含有1/2個C原子。
(4)SiO2
屬於原子晶體。晶體中每個Si原子周圍吸引著4個O原子,每個O原子周圍吸引著2個Si原子,Si、O原子個數比為1:2,Si原子與Si—O鍵個數比為1:4,O原子與Si—O鍵個數比為1:2,最小環由12個原子組成。
(5)乾冰
屬於分子晶體。晶胞中每個CO2分子周圍最近且等距離的CO2有12個。1個晶胞中含有4個CO2。
(6)石墨
屬於過渡性晶體。是分層的平面網狀結構,層內C原子以共價鍵與周圍的3個C原子結合,層間為範德華力。晶體中每個C原子被3個六邊形共用,平均每個環佔有2個碳原子。晶體中碳原子數、碳環數和碳碳單鍵數之比為2:3。
(7)金屬晶體
金屬Po(釙)中金屬原子堆積方式是簡單立方堆積,原子的配位數為6,一個晶胞中含有1個原子。金屬Na、K、Cr、Mo(鉬)、W等中金屬原子堆積方式是體心立方堆積,原子的配位數為8,一個晶胞中含有2個原子。金屬Mg、Zn、Ti等中金屬原子堆積方式是六方堆積,原子的配位數為12,一個晶胞中含有2個原子。金屬Au、Ag、Cu、Al等中金屬原子堆積方式是面心立方堆積,原子的配位數為12,一個晶胞中含有4個原子。
3、物質熔沸點高低的判斷
(1)不同類晶體:一般情況下,原子晶體>離子晶體>分子晶體
(2)同種類型晶體:構成晶體質點間的作用力大,則熔沸點高,反之則小。
①離子晶體:結構相似且化學式中各離子個數比相同的離子晶體中離子半徑小(或陰、陽離子半徑之和越小的),鍵能越強的,熔、沸點就越高。如NaCl、NaBr、Nal;NaCl、KCl、RbCl等的熔、沸點依次降低。離子所帶電荷大的熔點較高。如:MgO熔點高於NaCl。
②分子晶體:在組成結構均相似的分子晶體中,式量大的,分子間作用力就大,熔點也高。如:F2、Cl2、Br2、I2和HCl、HBr、HI等均隨式量增大。熔、沸點升高。但結構相似的分子晶體,有氫鍵存在熔、沸點較高。
③原子晶體:在原子晶體中,只要成鍵原子半徑小,鍵能大的,熔點就高。如金剛石、金剛砂(碳化矽)、晶體矽的熔、沸點逐漸降低。
④金屬晶體:在元素周期表中,主族數越大,金屬原子半徑越小,其熔、沸點也就越高。如ⅢA的Al,ⅡA的Mg,IA的Na,熔、沸點就依次降低。而在同一主族中,金屬原子半徑越小的,其熔沸點越高。