2.物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 教材結(jié)構(gòu) 編寫意圖 教學(xué)目標(biāo) 課時(shí)分配建議 教材分析和教學(xué)要求（核心內(nèi)容、教學(xué)建議、教學(xué)參考） 教學(xué)評價(jià).教材結(jié)構(gòu).編寫意圖一、物質(zhì)的重要性：1.人類生存吃、穿、住、用、行，那一樣都離不開物質(zhì)。2.社會發(fā)展農(nóng)業(yè)、工業(yè)、國防、醫(yī)藥，無不以物質(zhì)為基礎(chǔ)。3.科技進(jìn)步現(xiàn)代科技的三大支柱：材料、信息與能源均以物質(zhì)為支撐。物質(zhì)科學(xué)的內(nèi)容非常豐富，為什么選“物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”這一內(nèi)容？人們認(rèn)識物質(zhì)，始于對物質(zhì)性質(zhì)的了解與物質(zhì)用途的發(fā)現(xiàn)，隨著人們對于物質(zhì)性質(zhì)的深入了解，必然思考為什么不同的物質(zhì)具有不同的性質(zhì)？這不僅為了滿足人們的好奇心，也是為了更好地利用物質(zhì)。因此，隨著物質(zhì)科學(xué)的深入研究，必然會探究物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的規(guī)律?？梢?，研究物質(zhì)的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的規(guī)律是物質(zhì)科學(xué)中最基本、最重要的內(nèi)容之一。也是物質(zhì)科學(xué)中研究的永恒課題。隨著科學(xué)技術(shù)與人類社會的不斷進(jìn)步，人們對于物質(zhì)的需求，無論是質(zhì)還是量，將會越來越高。這種社會需求不僅有力地推動了物質(zhì)科學(xué)的研究，而且也會對一個普通公民對于相關(guān)知識的了解與把握提出越來越高的要求。因此，我們不僅需要學(xué)習(xí)具體物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，而且需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升觀念，以形成相應(yīng)的科學(xué)意識。物質(zhì)、能量與信息是科學(xué)的三個最基本的統(tǒng)一概念。本專題在分科學(xué)習(xí)物質(zhì)知識的基礎(chǔ)上，希望從以下四個方面，進(jìn)一步認(rèn)識物質(zhì)的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及彼此之間的關(guān)系。1.萬千世界，不同的物質(zhì)具有各不相同的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。物理性質(zhì)是大量原子或分子聚集成某個狀態(tài)時(shí)才表現(xiàn)的宏觀性質(zhì)。不僅與化學(xué)鍵有關(guān)，還與分子間作用力有關(guān)。而化學(xué)性質(zhì)主要與化學(xué)鍵有關(guān)。2.物質(zhì)的結(jié)構(gòu)千差萬異。首先表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)層次的差異。其次，每一個層次的結(jié)構(gòu)也是豐富多樣的。層次之間彼此關(guān)聯(lián)。3.結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)體現(xiàn)結(jié)構(gòu)，這是自然科學(xué)的基本規(guī)律之一。本專題通過幾個典型實(shí)例（氫原子、水、蛋白質(zhì)分子、細(xì)胞與器官）的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的分析，進(jìn)一步認(rèn)識物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的辯證統(tǒng)一關(guān)系。在解釋物質(zhì)性質(zhì)時(shí)，常常涉及到多個結(jié)構(gòu)層次。對于生物體來說，生命活動中需要某些功能，會對生物體的結(jié)構(gòu)提出要求。可見結(jié)構(gòu)與功能之間的辯證關(guān)系。4.研究和了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，就能根據(jù)性質(zhì)和功能的需求，人工合成或設(shè)計(jì)制造自然界中不易獲得的物質(zhì)（包括生物大分子）和器件。本專題首先討論物質(zhì)的性質(zhì)（物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)）和物質(zhì)的結(jié)構(gòu)（原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)），然后以氫原子、水、蛋白質(zhì)分子、細(xì)胞與器官的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)為實(shí)例，重點(diǎn)闡述結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的規(guī)律。最后討論結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)規(guī)律的應(yīng)用。.教學(xué)目標(biāo)：一、知識、技能：1.物質(zhì)的性質(zhì)知道物理性質(zhì)是宏觀性質(zhì)。能舉實(shí)例說明物質(zhì)的物理性質(zhì)差異很大。知道影響物理性質(zhì)的結(jié)構(gòu)因素，既與原子或分子的結(jié)構(gòu)（化學(xué)鍵）有關(guān)，又與分子間作用力有關(guān)（不要求解釋）。知道化學(xué)性質(zhì)是在化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)表現(xiàn)的各種反應(yīng)活性。能舉實(shí)例說明不同的物質(zhì)具有不同的化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)行不同的化學(xué)反應(yīng)。同一種物質(zhì)在不同的條件下表現(xiàn)不同的化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)行不同的化學(xué)反應(yīng)（不要求解釋）。知道化學(xué)性質(zhì)與原子或分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)（不要求解釋）。知道探究化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律是化學(xué)研究的核心任務(wù)之一。知道任何物質(zhì)對于人類來說都有兩面性。人們在利用物質(zhì)時(shí)，應(yīng)趨利避害、合理利用。2.物質(zhì)的結(jié)構(gòu)了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)是有層次的，層次之間相互關(guān)聯(lián)。知道不同元素的原子由于核電荷數(shù)不同，核外電子的運(yùn)動規(guī)律不同，因而具有不同的性質(zhì)。知道物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)是指其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)。知道晶體在生長過程中自然形成規(guī)則的多面體外形。知道晶體的基本單位是晶胞，晶胞是彼此并置的平行六面體。知道實(shí)際晶體中原子或離子難免占錯位置或被雜質(zhì)取代。缺陷相對于規(guī)則而言，因而也是物質(zhì)三態(tài)中晶態(tài)所特有的現(xiàn)象。了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)的測定經(jīng)歷了從用純化學(xué)方法推測結(jié)構(gòu)，到用物理方法直接測定結(jié)構(gòu)的過程。3.通過實(shí)例理解結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的規(guī)律根據(jù)周期表中氫元素的位置理解氫的多種存在形式。根據(jù)單個水分子的結(jié)構(gòu)與大量水分子之間的相互作用氫鍵，解釋水的反常性質(zhì)。了解組成蛋白質(zhì)的氨基酸或肽鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，蛋白質(zhì)的性質(zhì)就會改變。了解水稻和玉米莖的結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致它們對于生長環(huán)境（水）的適應(yīng)性不同。了解生物體的結(jié)構(gòu)是在長期進(jìn)化過程中與其功能相適應(yīng)而形成的。4.結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的應(yīng)用了解根據(jù)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，可人工合成具有天然物質(zhì)性能的物質(zhì)，也可對天然物質(zhì)的分子進(jìn)行修飾和改造，甚至合成自然界中本不存在的物質(zhì)。了解根據(jù)性質(zhì)和功能的需求，人工合成或設(shè)計(jì)制造自然界中不易獲得的器件，如人造臟器。二、過程、方法通過閱讀、思考、分析、討論，養(yǎng)成思考的習(xí)慣，提升觀念，發(fā)展思維能力，提高思維水平。例如，在分科學(xué)習(xí)中我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了三種典型的化學(xué)鍵（離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵），著重分析它們的區(qū)別。本專題著重分析它們之間的內(nèi)在聯(lián)系。說明原子間的結(jié)合力僅少數(shù)純粹屬于這三種鍵型之一，多數(shù)偏離這三種極端的鍵型。三、情感、態(tài)度與價(jià)值觀1.從結(jié)構(gòu)和性質(zhì)內(nèi)在聯(lián)系的角度進(jìn)一步領(lǐng)悟并樹立正確的物質(zhì)觀：物質(zhì)的性質(zhì)豐富多樣，千差萬別，人們研究物質(zhì)是為了充分而合理地利用物質(zhì)；物質(zhì)的結(jié)構(gòu)雖然十分復(fù)雜，但是可以準(zhǔn)確測定；結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的規(guī)律是自然科學(xué)的基本規(guī)律之一，研究結(jié)構(gòu)和性質(zhì)內(nèi)在聯(lián)系是為了合成自然界中已經(jīng)有的甚至本不存在的新物質(zhì)和器件（如人造臟器）。2.基于物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)性質(zhì)的復(fù)雜性，很多現(xiàn)象還說不清楚，由此領(lǐng)悟任何理論或假設(shè)都有不確定性，有待于深入地探究。3.學(xué)習(xí)全面地、辨證地看待問題，例如少量的缺陷會影響晶體的強(qiáng)度以及光、電、磁、聲、熱等物理性質(zhì)與反應(yīng)性能。人為地制造各種缺陷，可使晶體具有某些優(yōu)異的性能。.課時(shí)分配建議建議一內(nèi)容課時(shí)2.1物質(zhì)的性質(zhì)12.2物質(zhì)的結(jié)構(gòu)12.3氫原子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)12.4水的結(jié)構(gòu)與水的反常性質(zhì)12.5蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)與活性2.6細(xì)胞、器官的結(jié)構(gòu)與功能12.7結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的應(yīng)用1討論1總計(jì)7建議二內(nèi)容課時(shí)2.1物質(zhì)的性質(zhì)12.2物質(zhì)的結(jié)構(gòu)12.3氫原子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)2.4水的結(jié)構(gòu)與水的反常性質(zhì)2.5蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)與活性2.6細(xì)胞、器官的結(jié)構(gòu)與功能（任選兩節(jié)內(nèi)容）32.7結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的應(yīng)用1討論1總計(jì)7.教材分析和教學(xué)要求2.1物質(zhì)的性質(zhì)一、核心內(nèi)容中學(xué)生在初三第一堂化學(xué)課就學(xué)習(xí)什么是物理性質(zhì)？什么是化學(xué)性質(zhì)？知道性質(zhì)與變化相關(guān)聯(lián)，物質(zhì)不需要發(fā)生化學(xué)變化就表現(xiàn)出來的性質(zhì)稱為物理性質(zhì)，在化學(xué)變化中表現(xiàn)出來的性質(zhì)稱為化學(xué)性質(zhì)。以后在分科學(xué)習(xí)中又學(xué)習(xí)了很多具體物質(zhì)的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。人們之所以重視物質(zhì)性質(zhì)的研究和學(xué)習(xí)，正是為了充分而合理地利用物質(zhì)。本專題的第一個核心概念也是物質(zhì)的性質(zhì)，與分科相比，我們不再具體地學(xué)習(xí)一些物質(zhì)的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，而是提升對于物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識。1.關(guān)于物理性質(zhì)，要使學(xué)生知道：單個原子或分子沒有密度、顏色、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、硬度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等性質(zhì)。只有大量原子或分子聚集成某個狀態(tài)時(shí)，物質(zhì)才表現(xiàn)宏觀的物理性質(zhì)。以兩個實(shí)例：鎢是熔點(diǎn)最高的金屬，而汞則是熔點(diǎn)最低的金屬，鎢和汞竟處于同一個周期；Au和Hg的原子序數(shù)僅差1，但單質(zhì)金和汞的性質(zhì)卻有顯著的差異。說明物質(zhì)的物理性質(zhì)差異很大。物理性質(zhì)不僅與化學(xué)鍵有關(guān)，還與分子間作用力有關(guān)。這個結(jié)論通過結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的幾個實(shí)例的學(xué)習(xí)，啟發(fā)學(xué)生歸納得到。同時(shí)告訴學(xué)生第六周期從Cs到Hg熔點(diǎn)的變化是有規(guī)律的，有志學(xué)習(xí)化學(xué)科學(xué)的，學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)后就會明白。2.關(guān)于化學(xué)性質(zhì)，要使學(xué)生知道：化學(xué)性質(zhì)是在化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)表現(xiàn)的各種反應(yīng)活性。能舉實(shí)例說明不同的物質(zhì)具有不同的化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)行不同的化學(xué)反應(yīng)。同一種物質(zhì)在不同的條件下表現(xiàn)不同的化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)行不同的化學(xué)反應(yīng)（例如乙醇在不同的溫度下脫水得到不同的產(chǎn)物）。啟發(fā)學(xué)生歸納得到化學(xué)性質(zhì)的多樣性以及化學(xué)反應(yīng)對于反應(yīng)條件非常敏感的結(jié)論（不要求解釋）。從整體上認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律：知道研究一個化學(xué)反應(yīng)需要回答：在給定條件下，反應(yīng)能否發(fā)生?如能發(fā)生，將進(jìn)行到什么程度？反應(yīng)進(jìn)行的速率和機(jī)理如何?知道自然界中有很多在沒有外力作用或人為干預(yù)的情況下便能自動進(jìn)行的過程。這種過程具有不可逆性，可用來做功，并且具有一定的限度。知道反應(yīng)自動進(jìn)行的可能性大不等于反應(yīng)速率大。知道要使化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行成為現(xiàn)實(shí)，離不開催化劑的使用。催化劑具有選擇性。理解化學(xué)反應(yīng)是化學(xué)科學(xué)研究的中心問題之一。利用化學(xué)反應(yīng)能夠認(rèn)識物質(zhì)、利用物質(zhì)、分離物質(zhì)和合成物質(zhì)?？茖W(xué)家不但能夠利用化學(xué)反應(yīng)大量制備各種自然界已有的物質(zhì)，而且能夠根據(jù)人類的需要創(chuàng)造出自然界本不存在的物質(zhì)。通過2.2物質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及2.3，2.4，2.5，2.6結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的幾個實(shí)例的學(xué)習(xí)，啟發(fā)學(xué)生歸納得到化學(xué)性質(zhì)與原子或分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)的結(jié)論（不要求解釋）。3.通過一氧化氮性質(zhì)的閱讀，讓學(xué)生知道任何物質(zhì)對于人類來說都有二面性。人們在利用物質(zhì)時(shí)，應(yīng)趨利避害、合理利用。二、教學(xué)建議以學(xué)生熟悉的物質(zhì)為例說明研究物質(zhì)性質(zhì)的重要性，引入新課。并組織學(xué)生討論：1.舉例說明不同的物質(zhì)具有各不相同的性質(zhì)，思考為什么具有不同的性質(zhì)？2.舉例說明人們是如何利用物質(zhì)性質(zhì)的？通過思考與討論，激發(fā)學(xué)生探究物質(zhì)性質(zhì)的興趣與愿望。三、教學(xué)參考資料1.重視物質(zhì)性質(zhì)的研究和學(xué)習(xí)是為了充分而合理地利用物質(zhì)一個實(shí)例：金剛石的性質(zhì)和合理利用金剛石是學(xué)生熟悉的一種物質(zhì)。知道鉆石價(jià)值連城，金剛石可做各種刀具與鉆頭。其實(shí)這兩大用途只用了金剛石的兩種性質(zhì)。優(yōu)異的光學(xué)性能：金剛石對光的透明度好，高折射率（2.402.48），使琢磨后的金剛石能多側(cè)面地反射光而顯得格外耀眼。高色散性（色散系數(shù)0.063）使鉆石有光彩，這是白光被鉆石色散成單色光所致。特別硬、不易磨損的特性。金剛石是目前已知自然界中最硬的物質(zhì)，其相對硬度（莫氏硬度）為10，絕對硬度是石英的1000倍，是剛玉的150倍。實(shí)際上金剛石遠(yuǎn)不止這兩種性質(zhì)。例如，金剛石的電子從基態(tài)激發(fā)到能量最低的激發(fā)態(tài)，需要能量5.4eV，遠(yuǎn)大于可見光的能量(1.7-3.1eV)。因此純凈的金剛石是無色的，且為絕緣體。如在金剛石中摻氮，能量從原來的5.4eV降到2.2eV左右，就呈現(xiàn)顏色了。如加百萬分子一的硼，則為藍(lán)色，藍(lán)色金剛石有導(dǎo)電性(空穴導(dǎo)電)。金剛石不僅是優(yōu)良的半導(dǎo)體，而且?guī)缀跞魏螝怏w雜質(zhì)都難于進(jìn)入金剛石的結(jié)構(gòu)中去，這使金剛石的性質(zhì)特別穩(wěn)定。金剛石在室溫下的導(dǎo)熱性比銅高五倍，用金剛石制成的大功率半導(dǎo)體元件，可加大其荷載的電流。而硅半導(dǎo)體由于導(dǎo)熱問題解決不了，不能加大其荷載的電流。金剛石可透過從紅外到射線所有波長的輻射，因而可作為廣譜的光學(xué)透鏡與傳遞信息的光導(dǎo)材料。值得注意的是所用這些應(yīng)用最好都做成薄膜。金剛石薄膜曾被評為明星分子?？梢娚钊氲匮芯课镔|(zhì)的性質(zhì)，可充分而合理地利用物質(zhì)。2.物理性質(zhì)是多樣的所有的金屬都呈固態(tài)，唯獨(dú)汞卻呈液態(tài)。鎢是熔點(diǎn)最高的金屬，而汞則是熔點(diǎn)最低的金屬，鎢和汞竟處于同一個周期。常溫常壓下水呈液態(tài)，而相對分子質(zhì)量相近的甲烷卻呈氣態(tài)。當(dāng)把一些單質(zhì)或化合物按周期表中元素所在的位置列出它們的性質(zhì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的性質(zhì)有漸變或突變的現(xiàn)象（見下表）。A族單質(zhì)的性質(zhì)單質(zhì)C（金剛石）SiGeSn（灰）Pb電導(dǎo)S.m-110-12910-42.21065106禁帶寬度eV5.481.170.740.080稀有氣體的沸點(diǎn)稀有氣體HeNeArKrXeRn沸點(diǎn)-269-246-186-152-107-62鹵素的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)鹵素F2Cl2Br2I2熔點(diǎn)-223-102.4-7.3113.6沸點(diǎn)-187.9-3458.0184.5A族氫化物的沸點(diǎn)氫化物H2OH2SH2SeH2Te沸點(diǎn)100.0-60.7-41.5-2.2第三周期氟化物的熔點(diǎn)氟化物NaFMgF2AlF3SiF4PF5SF6熔點(diǎn)99312611291-90-87-50.53.影響物理性質(zhì)的結(jié)構(gòu)因素：（僅以熔、沸點(diǎn)為例分析）稀有氣體的沸點(diǎn)稀有氣體是單原子分子，是典型的非極性分子，主要靠瞬間的靜電引力即色散力聚集在一起，色散力隨著原子半徑的增大而增大，因而沸點(diǎn)逐漸升高。同理可以解釋鹵素的熔、沸點(diǎn)的變化規(guī)律。A族氫化物的沸點(diǎn)H2O、H2S、H2Se、H2Te是四種同族的氫化物，假設(shè)分子間作用力相似，則其性質(zhì)應(yīng)呈漸變規(guī)律。按H2Te、H2Se、H2S的沸點(diǎn)外推，水的沸點(diǎn)應(yīng)為-100，但是實(shí)際上為100（1989年國際度量衡委員會發(fā)出正式通知，從1990年1月1日起水的沸點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下被修正為99.975），差值高達(dá)200。這是因?yàn)樗写嬖跉滏I，而另外三種氫化物分子間不存在氫鍵。同理可以解釋常溫常壓下水呈液態(tài)，而相對分子質(zhì)量相近的甲烷卻呈氣態(tài)。第三周期氟化物熔點(diǎn)的漸變和突變現(xiàn)象。氟化物NaFMgF2AlF3熔點(diǎn)99312611291電負(fù)性差3.322.902.58鍵型離子鍵離子鍵離子鍵陽離子的價(jià)態(tài)+1+2+3陽離子的半徑pm1027253.5氟化物SiF4PF5SF6熔點(diǎn)-90-87-50.5電負(fù)性差2.271.941.60鍵型共價(jià)鍵共價(jià)鍵共價(jià)鍵NaF：大，Na+與F-之間形成離子鍵。每個Na+周圍有6個F-，每個F-周圍有6個Na+，形成無限的晶體結(jié)構(gòu)，陰陽離子間相互作用力強(qiáng)，所以熔點(diǎn)較高。NaF、MgF2、AlF3三種離子化合物隨著陽離子的價(jià)態(tài)逐漸升高，半徑逐漸變小，陰陽離子之間的作用力逐漸增大，因而熔點(diǎn)逐漸升高。SiF4：小，Si與F間形成共價(jià)鍵。每個Si原子與4個F原子形成4個SiF共價(jià)鍵，而每個F原子只與1個Si原子成鍵，形成SiF4分子。分子間為微弱的范德華力，所以熔點(diǎn)很低。SiF4、PF5、SF6三種共價(jià)化合物隨著相對分子質(zhì)量逐漸增大，分子間作用力逐漸增強(qiáng)，因而熔點(diǎn)逐漸升高。AlF3與SiF4的鍵型從離子鍵變成共價(jià)鍵，因此熔點(diǎn)發(fā)生突變。第六周期從Cs到Hg熔點(diǎn)的變化第六周期從Cs到Hg的電子組態(tài)是5d1-106s1-2，由于相對論效應(yīng)，6s軌道收縮，能級降低，與5d軌道一起組成6個價(jià)軌道。這6個價(jià)軌道與周圍配位的相同金屬原子的價(jià)軌道相互重疊成鍵。不論周圍金屬原子的配位形式如何，平均而言，每個原子形成3個成鍵軌道和3個反鍵軌道。電子按能量高低依次填在這些軌道上。如簡單地考慮每個原子的軌道填充情況，當(dāng)價(jià)電子數(shù)少于6個時(shí)，電子逐個填入成鍵軌道，成鍵軌道上電子數(shù)越多，成鍵作用越強(qiáng)，熔點(diǎn)越高。W的電子組態(tài)是5d46s2，6個價(jià)電子全部填在成鍵軌道上，成鍵作用最強(qiáng)，熔點(diǎn)最高。價(jià)電子數(shù)多于6個時(shí)，電子開始填在反鍵軌道上，抵消了部分的成鍵作用。反鍵軌道上電子數(shù)越多，成鍵作用越弱，熔點(diǎn)越低，Hg的電子組態(tài)是5d106s2，6個價(jià)電子填在成鍵軌道上，6個價(jià)電子填在反鍵軌道上，原子間沒有凈的成鍵效應(yīng)，與稀有氣體相似，汞系單原子分子。又因汞的相對原子質(zhì)量較大，色散力較大，因此汞在常溫下呈液態(tài)而不是氣態(tài)?？梢姡绊懳锢硇再|(zhì)的結(jié)構(gòu)因素，既與分子的結(jié)構(gòu)（化學(xué)鍵的性質(zhì)）有關(guān)，又與分子間作用力、氫鍵有關(guān)?；瘜W(xué)鍵的性質(zhì)又與原子結(jié)構(gòu)有關(guān)。4.化學(xué)性質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)表現(xiàn)的各種反應(yīng)活性，如可燃性、酸性、堿性、氧化性、還原性等。不同的物質(zhì)具有不同的化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)行不同的化學(xué)反應(yīng)。稀有氣體很難與其他元素化合，而氟則幾乎和所有的元素化合。同一種物質(zhì)在不同的條件下也會表現(xiàn)不同的化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)行不同的化學(xué)反應(yīng)。如學(xué)生熟悉的一個實(shí)例是乙醇在不同溫度下脫水，產(chǎn)物不同?；瘜W(xué)性質(zhì)是分子或原子（離子）所具有的性質(zhì)。主要與分子內(nèi)（或晶體內(nèi)）原子間（或離子間）結(jié)合力相關(guān)?？捎没瘜W(xué)反應(yīng)方程式準(zhǔn)確地表示分子或原子（離子）在化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)的變化與量的守恒?；瘜W(xué)反應(yīng)的類型繁多，對反應(yīng)條件極為敏感。認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)規(guī)律是化學(xué)研究的核心任務(wù)之一。研究化學(xué)反應(yīng)需要回答：在給定條件下，反應(yīng)能否發(fā)生？如能發(fā)生，將進(jìn)行到什么程度？伴隨著怎樣的能量變化？反應(yīng)進(jìn)行的速率和機(jī)理如何？反應(yīng)所需要的時(shí)間反應(yīng)進(jìn)行的速率？反應(yīng)怎樣發(fā)生反應(yīng)機(jī)理？前二個問題屬于化學(xué)熱力學(xué)的研究范疇，后兩個問題屬于化學(xué)動力學(xué)的研究范疇。自然界中有很多自發(fā)進(jìn)行的變化。例如：山上的水會自動流向山下，但山下的水卻不能自動地往山上流；一杯煮沸的水能自動地將熱量傳遞給空氣，但是一杯冷水不能自動地從空氣中吸熱變成一杯開水；鋅塊投入硫酸銅溶液會自動生成銅和硫酸鋅，相反的化學(xué)變化卻不會自動發(fā)生。水位差、溫度差、電勢差是推動上述過程自發(fā)進(jìn)行的動力。自發(fā)過程的共同特點(diǎn)是：a.自發(fā)過程具有不可逆性。b.自發(fā)過程可用來做功。c.自發(fā)過程的進(jìn)行具有一定的限度。如何判斷過程能否自發(fā)進(jìn)行呢？對于一個與外界環(huán)境沒有物質(zhì)與能量交換的孤立體系來說，自發(fā)過程總是向著混亂度增大的方向進(jìn)行，達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，混亂度達(dá)到極大，自發(fā)過程便停止進(jìn)行。相反的過程即混亂度減小的過程是不可能自發(fā)進(jìn)行的。就如一盒積木從高處落地時(shí)，原來整齊排列的有序狀態(tài)一定會變成凌亂的無序狀態(tài)；房間整理好不久又會變得凌亂；物質(zhì)呈混合物是自發(fā)的，物質(zhì)提純則是不自發(fā)的。體系的混亂度或無序性，可用熱力學(xué)函數(shù)熵S來表示。注意熵增大結(jié)論的適用范圍是孤立體系。對于包括人在內(nèi)的生物體，太陽在內(nèi)的天體，在其存在期內(nèi)可長期維持有序結(jié)構(gòu)，不但不趨于簡單與混亂，相反朝著愈來愈復(fù)雜和有序的方向演化與發(fā)展，這似乎與熵增大相悖，其實(shí)不然，因?yàn)檫@些系統(tǒng)是與外界有物質(zhì)與能量交換的開放系統(tǒng)。在處理實(shí)際問題時(shí)，近似作為孤立體系的情況并不多見?？紤]到化學(xué)反應(yīng)常在等溫等壓只做體積功的條件下進(jìn)行，可用描寫熱力學(xué)系統(tǒng)的一個狀態(tài)參量吉布斯自由能的變化G小于零作為反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的判據(jù)。反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的趨勢大不等于反應(yīng)速率大?；瘜W(xué)熱力學(xué)能夠預(yù)言某一化學(xué)反應(yīng)能否進(jìn)行，進(jìn)行到什么程度，但不能告訴我們反應(yīng)速率的大小。要使一個化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行成為現(xiàn)實(shí)，就不能不研究化學(xué)反應(yīng)的速率。在化工生產(chǎn)、科學(xué)研究與日常生活中，經(jīng)常遇到各種類型的化學(xué)反應(yīng)，對有的反應(yīng)如化工生產(chǎn)中我們希望反應(yīng)快些，以提高產(chǎn)率；對有的反應(yīng)如鐵的生銹、藥物的失效、橡膠或塑料的老化、染料的褪色、人的衰老等反應(yīng)，則希望進(jìn)行得慢些。以減少損失。實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵是提高反應(yīng)速率。改變化學(xué)反應(yīng)速率的物質(zhì)是催化劑。人類使用催化劑已有久遠(yuǎn)的歷史。古代人類的祖先就知道用粬釀酒制醋，粬 是一種酶催化劑。20世紀(jì)初期，化學(xué)家用催化劑制造了使氫氣與空氣中穩(wěn)定的氮?dú)夥磻?yīng)生成氨的奇跡。正是由于合成氨對農(nóng)作物的增產(chǎn)作用，揭開了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的序幕，使有限的土地得以養(yǎng)活不斷增長的人口。今天，在我們的身邊，化學(xué)合成品比比皆是，穿的化學(xué)纖維，用的塑料制品，服用的藥物，各種各樣的材料都是由煤、石油、天然氣提供的化工原料經(jīng)催化劑作用而制得的。面對環(huán)境危機(jī)的挑戰(zhàn)，科學(xué)家們正在探索各種解決辦法，其中采用催化技術(shù)整治環(huán)境污染是一條有效的途徑。例如開發(fā)運(yùn)用高效催化劑的脫硫脫氮技術(shù)，減少SO2和NOx的排放，以消除酸雨的發(fā)生。在汽車尾氣排氣口安裝催化處理器，將有毒的NO與CO轉(zhuǎn)化成無毒的N2與CO2。催化劑只能催化加速或抑制在給定條件下能自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)，不能催化加速或抑制在給定條件下不能自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)；工業(yè)上利用催化劑的選擇性來抑制副反應(yīng)的進(jìn)行，如教材中列舉的乙烯與氧的反應(yīng)。酶是一類能加速生化反應(yīng)的催化劑。酶有水解酶、氧化還原酶、裂解酶、合成酶、異構(gòu)化酶、轉(zhuǎn)移酶等六大類，每一類都可分成幾個亞類和亞亞類，它們都是由幾百個氨基酸相連而成的蛋白質(zhì)類化合物。酶催化的特點(diǎn)是：高效性。普通的催化劑對化學(xué)反應(yīng)加速一般是104105倍，而酶催化劑對反應(yīng)加速1091010倍是常有的事情。加速1010倍意味著什么呢？如用5秒鐘能說完的一句話，沒有酶的作用，則需1500年才能說完。正是酶的這種巨大的效應(yīng)才能使生命過程得以實(shí)現(xiàn)。專一性。普通催化劑往往對同一類型的反應(yīng)都有催化作用，而酶只選擇某種反應(yīng)物（常稱為底物），催化某個反應(yīng)并獲得特定的產(chǎn)物。例如尿素酶在溶液中稀釋到一千萬分之一，仍能催化尿素水解，但不能催化尿素的取代物。胃蛋白酶能催化肽甘氨酰-L-谷氨酰-L-酪氨酸水解，但不能催化手性不同或結(jié)構(gòu)稍有差別的肽的水解。這是因?yàn)槊复呋谝徊绞堑孜锱c酶結(jié)合形成一種配合物，這就要求底物與酶的幾何結(jié)構(gòu)有一定的對應(yīng)關(guān)系。過去人們常用鎖和鑰匙的關(guān)系來描述兩者的構(gòu)型匹配，現(xiàn)在看來這個比喻不太合適。酶尤如一個口袋，袋口張開，以便底物進(jìn)去，底物進(jìn)入口袋后，口袋會圍繞著底物調(diào)正形狀，并且收口，使兩者的幾何構(gòu)型完全合適，便于相互作用。待催化反應(yīng)后，酶口袋打開，讓產(chǎn)物離去，并接受另一個底物進(jìn)入。反應(yīng)條件溫和。酶催化反應(yīng)不像一般催化劑需要高溫、高壓、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等苛刻條件，酶催化在常溫、常壓下就可進(jìn)行。例如H2O2分解為H2O和O2所需活化能是75.3kJmol1，用膠態(tài)鉑作催化劑，活化能降為49kJmol1，當(dāng)用過氧化氫酶催化時(shí)，活化能僅需8kJmol1，分解效率可提高109倍！多樣性。目前已發(fā)現(xiàn)酶有2500多種，且有2萬多種具有催化活性的微生物，幾乎可以催化所有的化學(xué)反應(yīng)。為什么有的反應(yīng)進(jìn)行得很快，有的反應(yīng)進(jìn)行得很慢？化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是原有化學(xué)鍵的破壞與新的化學(xué)鍵的形成，因此，反應(yīng)速率首先取決于反應(yīng)物與生成物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，同時(shí)受到反應(yīng)進(jìn)行時(shí)所處條件的影響，其中主要是反應(yīng)物濃度、反應(yīng)溫度與有無催化劑等。早在1918年路易斯（M.C.M.Lewis）就提出反應(yīng)速率的碰撞理論，認(rèn)為反應(yīng)物活化分子間的有效碰撞是化學(xué)反應(yīng)的先決條件。碰撞理論直觀明了，但對分子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的反應(yīng)常常不如人意。20世紀(jì)30年代艾林（H.Eyring）提出化學(xué)反應(yīng)速度的過渡態(tài)理論。該理論認(rèn)為兩個具有足夠能量的反應(yīng)物分子相互接近時(shí)，能量重新分配，先形成活化絡(luò)合物的過渡態(tài)，然后轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物分子?；瘜W(xué)反應(yīng)是怎樣發(fā)生的？回答這個化學(xué)學(xué)科中最為基本的問題是很困難的。因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)是很復(fù)雜的，從初始的反應(yīng)物到最終形成的產(chǎn)物歷經(jīng)很多步驟，每個單獨(dú)的步驟稱為基元反應(yīng)?；磻?yīng)是一步完成的反應(yīng)。人們通常研究的體系是由大量分子組成的，所觀察到的化學(xué)現(xiàn)象是大量分子的統(tǒng)計(jì)行為。用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)的溶液，哪怕只有12滴，其中包含的分子數(shù)至少在億萬個以上。譬如1滴（0.05ml）濃度為310-3molL-1的酚酞指示劑含有310-30.0510-36.02310231017個酚酞分子。有人預(yù)計(jì)2050年全球人口可能達(dá)到100億，這與1滴酚酞溶液中所含的分子數(shù)相比，則要少1千萬倍。分子之間的頻繁碰撞必然會改變分子的能量，因此，對于大量分子間的化學(xué)反應(yīng)難以測量初始反應(yīng)物與初始產(chǎn)物的能量分布。為了搞清反應(yīng)的細(xì)節(jié)，獲取有關(guān)分子始態(tài)過渡態(tài)終態(tài)的全部信息，尤其是關(guān)于化學(xué)鍵斷裂與重組的直接信息。需要從分子水平上研究反應(yīng)動力學(xué)。需要觀察、追蹤單個分子間的反應(yīng)。1986年諾貝爾化學(xué)獎就是授予在分子反應(yīng)動力學(xué)研究領(lǐng)域做出杰出貢獻(xiàn)的化學(xué)家：美國哈佛大學(xué)的赫希巴哈（R.Herschbach）、加利福尼亞大學(xué)的李遠(yuǎn)哲和加拿大多倫多大學(xué)的波拉尼（J.C.Polanyi）。赫希巴哈被譽(yù)為用交叉分子束來研究分子反應(yīng)動力學(xué)的先驅(qū)。李遠(yuǎn)哲的貢獻(xiàn)是發(fā)展了赫希巴哈用交叉分子束來裝置研究分子動力學(xué)的思想，創(chuàng)造了新一代的最先進(jìn)的交叉分子束裝置。運(yùn)用交叉分子束技術(shù)能在單次碰撞條件下研究單個分子間的化學(xué)反應(yīng)，避免一般化學(xué)反應(yīng)必然發(fā)生的產(chǎn)物分子與周圍分子由于碰撞而發(fā)生的能量傳遞，因而可以準(zhǔn)確地檢測初生態(tài)產(chǎn)物的角度分布，由此可以知道分子的排列取向及中間體壽命等信息。1999年諾貝爾化學(xué)獎授予具有埃及和美國雙重國籍的科學(xué)家艾哈邁德澤維爾(Ahmed H.Zewail)，表彰他對“飛秒化學(xué)”進(jìn)行的15年的開創(chuàng)性工作。化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是原有化學(xué)鍵的打破與新化學(xué)鍵的形成。化學(xué)反應(yīng)中過渡態(tài)的壽命極短，一般約為10100飛秒（fs），1fs=1015s，如把1飛秒當(dāng)作1秒，那末1秒就相當(dāng)于三千二百萬年。要捕捉過渡態(tài)的形象，必須有飛秒分辨率的攝像機(jī)。澤維爾用飛秒激光脈沖研究化學(xué)反應(yīng)的作用機(jī)制。使活化、過渡態(tài)等詞匯得以呈現(xiàn)清晰的圖像。運(yùn)用這種最快的“像機(jī)”，可以識別特定原子的實(shí)際運(yùn)動，對化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識產(chǎn)生深刻的改變?！盎瘜W(xué)反應(yīng)”是化學(xué)研究的中心問題之一。通過化學(xué)反應(yīng)能夠認(rèn)識物質(zhì)，分離物質(zhì)，合成物質(zhì)。合成化學(xué)是化學(xué)家利用化學(xué)反應(yīng)改造世界、保護(hù)世界的有力手段?；瘜W(xué)家能在一個老的自然界旁創(chuàng)立一個新的自然界。一百年來單質(zhì)和化合物數(shù)目的增長：2000年2650萬種是1900年55萬種的48倍。3.物質(zhì)性質(zhì)的兩面性王佛松院士等主編的展望21世紀(jì)的化學(xué)一書中提出了一個極為重要的觀點(diǎn)：任何物質(zhì)和能量以至于生物，對于人類來說都有兩面性。這就是說任何物質(zhì)都有對人類有益、有用的一面，又有對人類有害或者有毒的一面。物質(zhì)性質(zhì)的兩面性與物質(zhì)存在的形式、所處的條件或場合、物質(zhì)的量有關(guān)。實(shí)例一氧化氮的兩面性在大氣環(huán)境中，一氧化氮對人體有害，進(jìn)入人體刺激呼吸器官，侵入肺部，與細(xì)胞液中水分子結(jié)合成亞硝酸和硝酸后產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激與腐蝕作用，引起肺水腫。在人體內(nèi)，少量的一氧化氮具有重要的生理功能：)NO由精氨酸產(chǎn)生，由血管內(nèi)壁的細(xì)胞釋放出來，可促使附近的肌肉細(xì)胞放松，降低血壓。亞硝酸戊酯和硝化甘油釋放NO，放松收縮的血管，增加心臟的血液和氧供應(yīng)，起到歇制心絞痛的發(fā)作。)保護(hù)人體，殺滅人體不需要的小噬細(xì)胞。)是重要的信使。氧的兩面性地球上除厭氧生物外，所有的動植物和需氧生物都離不開氧氣。糧食、水與空氣，是人類賴以生存的三個基本要素。如果三者同時(shí)斷絕供應(yīng)，那么引起死亡的原因首先是斷絕空氣。科學(xué)家做過統(tǒng)計(jì)，人不吃飯可以維持5個星期；不渴水可以維持5天；但是如果不呼吸只能維持5分鐘。在正常情況下，一個人每分鐘要吸入約500毫升空氣，一天1萬升。如果登山到了3000米以上的高度，當(dāng)氧含量低于18%時(shí)，人就會頭痛，醫(yī)學(xué)上叫做缺氧。氧氣對于人的生存如此重要，那么，能否說氧氣對于人類只有利而無一害呢？不是的！高濃度氧會對生物產(chǎn)生傷害，引起氧中毒，人如在一個大氣壓的純氧中6個小時(shí)，就會引起胸痛、咳嗽和喉痛，導(dǎo)致無法修復(fù)的肺泡損傷、水腫、肺內(nèi)皮細(xì)胞死亡等損傷。早產(chǎn)兒超長時(shí)間過度吸氧，將導(dǎo)致視網(wǎng)膜病變，進(jìn)而雙目失明。其實(shí)，即使在正常濃度，也有1%的氧分子通過接受未成對電子依次轉(zhuǎn)變成O2.-、HOOH與OH等活性氧。其中O2.-、OH為氧自由基。氧自由基可引起細(xì)胞損傷，細(xì)胞核中核酸鏈斷裂，會導(dǎo)致衰老和疾病發(fā)生，如白內(nèi)障、腫瘤、心血管病、血液病、炎癥及各種退行性病變，嚴(yán)重時(shí)甚至危及生物的生命。氧自由基也不是一無是處，白血球殺滅病菌就是靠氧自由基。氧化還原反應(yīng)是最普遍的、最重要的一類化學(xué)反應(yīng)。燃燒、冶金、電池充放電、電解、金屬防護(hù)以及生命體中的許多生命活動，都涉及氧化還原反應(yīng)。然而氧化也會引起塑料、橡膠的老化、金屬的腐蝕、食品和糧食的氧化變質(zhì)、衰老和疾病發(fā)生等。2.2物質(zhì)的結(jié)構(gòu)一、核心內(nèi)容物質(zhì)結(jié)構(gòu)和生命起源、宇宙起源等一些有關(guān)自然界本原的問題，自有人類以來就不斷有哲人、學(xué)者在思考、追問。人們之所以重視物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究和學(xué)習(xí)，是為了從本質(zhì)上認(rèn)識物質(zhì)，并能指導(dǎo)合成。在化學(xué)課中己經(jīng)學(xué)習(xí)了原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)如識，學(xué)習(xí)了一些具體物質(zhì)特別是有機(jī)物的結(jié)構(gòu)，還初步學(xué)習(xí)用化學(xué)方法推測有機(jī)物的結(jié)構(gòu)。在生命科學(xué)課中學(xué)習(xí)了細(xì)胞、器官的結(jié)構(gòu)。本專題在此基礎(chǔ)上重在提升觀念。1.知道物質(zhì)結(jié)構(gòu)是有層次的，層次之間是相關(guān)聯(lián)的。2.在分科學(xué)習(xí)中學(xué)生己經(jīng)學(xué)習(xí)了原子由原子核與核外電子組成，核外電子有一定的排布規(guī)律。本節(jié)要求是：知道(而不是理解)“不同元素的原子由于核電荷數(shù)不同，核外電子的運(yùn)動規(guī)律不同，因而具有不同性質(zhì)”的規(guī)律。3.物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)是指其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)。明確什么是分子的電子結(jié)構(gòu)？在分科學(xué)習(xí)中已經(jīng)學(xué)習(xí)了三種典型的化學(xué)鍵（離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵），著重分析它們的區(qū)別以及鍵型與性質(zhì)的關(guān)系。本專題著重分析它們之間的內(nèi)在聯(lián)系。說明原子間的結(jié)合力僅少數(shù)純粹屬于這三種鍵型之一，多數(shù)偏離這三種極端的鍵型。不同的分子由于具有不同的化學(xué)組成與不同的鍵合方式，因而具有不同的結(jié)構(gòu)與各自的特性。明確什么是分子的幾何結(jié)構(gòu)？學(xué)生已經(jīng)知道分子中原子有一定的排列順序，知道一些化合物的鍵長、鍵角。本專題進(jìn)一步明確分子中原子的排列順序、彼此之間的距離與方位用鍵長、鍵角、二面角等結(jié)構(gòu)參數(shù)來表示，并以兩種乳酸分子對映異構(gòu)體為例，說明分子的形狀與物質(zhì)的性質(zhì)密切相關(guān)。4.在分科學(xué)習(xí)中已經(jīng)學(xué)習(xí)了晶體具有整齊規(guī)則的幾何外形和固定的熔點(diǎn)。本專題進(jìn)一步明確：晶體規(guī)則的多面體外形是在晶體生長過程中自然形成的，它與非晶體（如玻璃）加工成規(guī)則外形不同。知道晶體的基本單位是晶胞，晶胞是彼此并置的平行六面體。知道實(shí)際晶體中原子或離子難免占錯位置或被雜質(zhì)取代。缺陷相對于規(guī)則而言，因而也是物質(zhì)三態(tài)中晶態(tài)所特有的現(xiàn)象。人們重視和研究缺陷，不僅為了避免由于缺陷而導(dǎo)致晶體某些優(yōu)良性質(zhì)的嚴(yán)重下降，更重要的是人為地制造各種缺陷，可使晶體具有某些優(yōu)異的性能。5.在分科學(xué)習(xí)中以乙醇為例學(xué)習(xí)如何用化學(xué)方法推測結(jié)構(gòu)，并且做了不少有關(guān)的練習(xí)。本專題讓學(xué)生了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)的測定經(jīng)歷了從用純化學(xué)方法推測結(jié)構(gòu)，到用物理方法直接測定結(jié)構(gòu)的過程。并以質(zhì)譜、核磁共振、X射線衍射等方法為例，說明用物理方法測定結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。二、教學(xué)建議本專題可組織學(xué)生思考與討論：人們對于原子從一個抽象的模型到一個實(shí)實(shí)在在的客體的認(rèn)識過程，從中得到哪些啟示。三、教學(xué)參考資料1.物質(zhì)結(jié)構(gòu)是個大概念：物質(zhì)結(jié)構(gòu)是分層次的20世紀(jì)自然科學(xué)的飛速發(fā)展，使人們對于物質(zhì)世界的認(rèn)識推向極致。對微觀世界的認(rèn)識，從原子、分子層次深入到夸克、輕子等層次，即深入到10-19m的極小空間；對宏觀世界的認(rèn)識，從長期以來一直局限于地球上的物體和太陽系，擴(kuò)展到星系和宇宙，達(dá)到1026m（1010光年）以上的大尺度范圍。靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)結(jié)構(gòu)當(dāng)物質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)不隨時(shí)間而變化，稱之為靜態(tài)結(jié)構(gòu)。如果我們研究物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，即分子如何從一種微觀狀態(tài)經(jīng)過某個途徑變成另一種微觀狀態(tài)，則需研究反應(yīng)物分子如何由于相互作用，使其從一種靜態(tài)結(jié)構(gòu)變成另一種靜態(tài)結(jié)構(gòu)。在其過程中產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)、過渡態(tài)、中間產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)稱之為動態(tài)結(jié)構(gòu)。顯然，研究動態(tài)結(jié)構(gòu)是以靜態(tài)結(jié)構(gòu)的研究成果為基礎(chǔ)的。表面相結(jié)構(gòu)和體相結(jié)構(gòu)以碳為載體的對苯二甲酸加氫精制催化劑，化學(xué)分析Pd含量在0.05%左右，Na、Ca含量在0.2%左右，表面分析Pd峰很強(qiáng)，而Na、Ca卻檢測不到。可見，表面相結(jié)構(gòu)和體相結(jié)構(gòu)有著很大的差別。吸附、反應(yīng)都在表面相進(jìn)行，因此研究表面相結(jié)構(gòu)非常重要。2.原子結(jié)構(gòu)對原子的認(rèn)識原子是物質(zhì)科學(xué)中最基本、最重要的概念之一。原子很小，正因?yàn)樵涌床灰?、摸不著，因此，研究原子要比研究宏觀物體困難得多。從認(rèn)為原子不可分，不同的原子僅是大小、形狀和位置移動等量的差別，到原子可分，原子由原子核與核外電子構(gòu)成，原子的性質(zhì)取決于原子核中的質(zhì)子數(shù)與核外電子的運(yùn)動狀況；從研究最簡單的氫原子，建立氫原子模型，到精確計(jì)算氫原子中的電子能級，并且推廣到復(fù)雜的多電子原子，解釋和預(yù)測原子和分子的某些性質(zhì)；從猜想中的原子到1982年發(fā)明掃描隧道顯微鏡（STM）真實(shí)地“看到”與搬動原子。原子不再僅僅是一個抽象的模型，而且還是一個實(shí)實(shí)在在的客體。原子由原子核與核外電子組成，這早已成為常識。與宏觀粒子不同，電子等微觀粒子具有波動性。1926年奧地利的物理學(xué)家薛定諤（E.Schrodinger）等人建立了量子力學(xué)。求解氫原子的定態(tài)薛定諤方程自然引出三個量子數(shù)n,l,m,得出它們的取值范圍及其相互關(guān)系，并由三個量子數(shù)規(guī)定了一系列在三維空間的可能的運(yùn)動狀態(tài)，即原子軌道。電子除了在核外空間運(yùn)動外，本身還作自旋運(yùn)動。除氫原子核外僅一個電子，其余的原子都是多電子原子。多電子原子中每個電子也是作兩種運(yùn)動：空間運(yùn)動（也稱軌道運(yùn)動）與自旋運(yùn)動，也是用四個量子級n、l、m、ms來描述。多電子原子中核外電子的排布遵循以下三個原理：保里原理：在每一個原子軌道中，只能容納兩個電子，并且自旋必須相反（即自旋反平行）。因此一個s軌道中最多容納2個電子，三個p軌道中最多容納6個電子。能量最低原理。在不違背保里原理的前提下，電子優(yōu)先占據(jù)能量較低的原子軌道，使整個原子體系處于能量最低的狀態(tài)，這樣的狀態(tài)稱為原子的基態(tài)。洪特規(guī)則：在角量子數(shù)l相同、磁量子數(shù)m不同的簡并軌道上，電子盡可能分占軌道并且自旋平行。碳（C）原子核外有6個電子，電子排布為1s22s22p2，這種用量子數(shù)n和l表示的電子排布方式稱為電子構(gòu)型或電子組態(tài)。周期表中每一族的元素具有相似的價(jià)電子結(jié)構(gòu)，因而具有相似的化學(xué)性質(zhì)。族數(shù)可用國際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會IUPAC推薦的阿拉伯?dāng)?shù)字表示，也可用現(xiàn)在依然流行的羅馬數(shù)字表示。根據(jù)價(jià)電子排布的特征，18個族分成5個區(qū)。元素的分區(qū)元素的分區(qū)分布范圍價(jià)電子組態(tài)說明s12族(AA)ns12ns1 H與堿金屬ns2 堿土金屬族數(shù)等于價(jià)電子數(shù)p1318族（AA）ns2np16周期表中類型最為豐富的區(qū)域，有金屬元素，非金屬元素，稀有氣體元素，且在硼鋁、硅鍺、砷銻、碲釙之間形成非金屬和金屬的分界線。在分界線附近有多種可以作為半導(dǎo)體材料的元素。具有多價(jià)態(tài)性族數(shù)等于價(jià)電子數(shù)加10d310族（BB）(n-1)d19ns12過渡金屬元素d軌道參與成鍵，具有價(jià)態(tài)的多樣性族數(shù)等于價(jià)電子數(shù)ds1112族（BB）（n-1）d10ns126個金屬元素，其中Hg是周期表中唯一以液態(tài)存在的金屬元素有幾種價(jià)態(tài)族數(shù)等于價(jià)電子數(shù)f鑭系和錒系(n-2)f014(n-1)d02ns2鑭系元素表現(xiàn)高度的相似性，如都傾向形成3氧化態(tài)錒系元素呈現(xiàn)更大程度上的不一致性A即為現(xiàn)行中學(xué)化學(xué)教材中的0族B即為現(xiàn)行中學(xué)化學(xué)教材中的族原子是化學(xué)變化中的最小微粒。不同元素的原子由于核電荷數(shù)不同，核外電子的運(yùn)動規(guī)律不同，因而具有不同的性質(zhì)。氫是宇宙中含量最多的元素，氫除能形成單質(zhì)外，還以多種成鍵方式形成化合物。而原子序數(shù)僅差1的氦，性質(zhì)異常穩(wěn)定，除以單原子分子存在外，至今尚未發(fā)現(xiàn)氦的化合物。掃描隧道顯微鏡動物園里為了防止老虎傷人，總是在虎穴的周圍筑起了高高的鐵絲網(wǎng)圍欄。只要鐵絲網(wǎng)足夠高，其勢壘高度V大于老虎的動能EK，老虎翻不過鐵絲網(wǎng)，游人也就安全無恙了。然而，微觀粒子即使EK>V，也不是百分之百都能翻越勢壘，而在EK<V時(shí)，微粒卻有一定的幾率穿過勢壘逃逸出去，尤如不是翻過山頭，而是穿越一個隧道，這種效應(yīng)稱為量子隧道效應(yīng)。1981年IBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家賓尼（G.Binnig）和羅雷爾（H.Rohere）根據(jù)量子隧道效應(yīng)發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope，縮寫STM）。STM有一直徑約幾納米的很尖銳的導(dǎo)電探針，工作時(shí)在針尖與樣品之間加電壓。當(dāng)針頭和樣品表面的距離為0.1nm時(shí)，樣品中電子由于隧道效應(yīng)而穿越兩者之間的勢壘到達(dá)針尖（或反方向）產(chǎn)生隧道電流。隧道電流的大小與針尖至樣品表面的距離成指數(shù)關(guān)系。隧道電流強(qiáng)度的變化反映了樣品表面形貌的變化特征。STM的橫向分辨率為0.1nm，縱向分辨率0.01nm，比一般電子顯微鏡的分辨率高兩個數(shù)量級。利用STM可觀察到石墨的六元環(huán)結(jié)構(gòu)、DNA的單鏈結(jié)構(gòu)、DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。還能進(jìn)行單原子操作，即在針尖和樣品表面加電壓約為幾伏、寬度約為幾十毫秒的電脈沖，由于兩者間距僅約1nm，因此產(chǎn)生強(qiáng)度高達(dá)1010V.m-1的電場。在強(qiáng)電場作用下樣品表面的原子有可能蒸發(fā)，使樣品表面留下空位，也能使吸附在針尖上的原子蒸發(fā)并沉積在樣品表面上，于是，便能實(shí)現(xiàn)單原子的移動。1989年物理學(xué)家愛格拉經(jīng)過5年的努力，使用STM在超高真空和液氦溫度（4K）下成功地移動了吸附在鎳表面的氙原子，并把它們整齊地排列成IBM字樣，引起全世界的轟動。中國科學(xué)家利用自制的STM在石墨表面刻蝕中國地圖。圖形線寬僅10nm，相當(dāng)于頭發(fā)絲的1/6000，利用這樣細(xì)的線寬在大頭針的針尖上就能記下紅樓夢的全部內(nèi)容?？傊藗儾粌H“目睹”了原子、分子，原子、分子不再只是抽象的模型，而且還是一個實(shí)實(shí)在在的客體，可以進(jìn)行搬動。3.分子結(jié)構(gòu)對分子的認(rèn)識分子的假說最早由意大利化學(xué)家阿伏加德羅（A.Avogadro 17601856）于1811年提出。之后，1814年、1821年發(fā)表第二篇、第三篇論文，大聲疾呼分子假說對于化學(xué)發(fā)展的重要意義。遺憾的是阿伏加德羅的這一見解得不到同時(shí)代的化學(xué)家的承認(rèn)。一直到1860年在德國的卡爾斯魯厄首次召開國際化學(xué)會議上，意大利化學(xué)家康尼采羅（S.Cannizzaro 18201910）幾次發(fā)言，對分子假說進(jìn)行論證，但是參加會議的140多位化學(xué)家仍然未加理睬。在快散會時(shí)，康尼采羅急忙向大會代表散發(fā)自己幾年前寫的化學(xué)哲學(xué)教程提要的小冊子。不少與會化學(xué)家在回家途中或回家以后閱讀了這本小冊子。書中康尼采羅對分子假說的闡述條理清晰、方法嚴(yán)謹(jǐn)、論據(jù)充分，很多化學(xué)家感到耳目一新、豁然開朗。分子假說終于在半個世紀(jì)之后被各國化學(xué)家接受了。之后，人們對于分子的認(rèn)識不斷深化。如果說19世紀(jì)對于化學(xué)家來說是原子的世紀(jì)，那么，20世紀(jì)化學(xué)家研究的重心移到分子，化學(xué)成為分子科學(xué)。物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)是指其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)。分子的電子結(jié)構(gòu)主要指分子中核外電子的運(yùn)動規(guī)律以及相鄰原子間的強(qiáng)烈相互作用化學(xué)鍵。三種典型的化學(xué)鍵金屬鍵、離子鍵和共價(jià)鍵均屬電磁相互作用。金屬鍵、離子鍵和共價(jià)鍵的比較性質(zhì)金屬鍵離子鍵共價(jià)鍵A和B的電負(fù)性A電正性、B電正性A電正性、B電負(fù)性A電負(fù)性、B電負(fù)性結(jié)合力的性質(zhì)自由電子和金屬離子間吸引A+B-間吸引成鍵電子將A、B結(jié)合在一起結(jié)合的幾何形式金屬原子密堆積B-作密堆積，A+填在陰離子的多面體空隙中。使A-B間最大程度地接近，A-A間、B-B間遠(yuǎn)離由價(jià)電子數(shù)控制鍵強(qiáng)度性質(zhì)6個價(jià)電子時(shí)鍵強(qiáng)度最高，大于6或小于6時(shí)都逐漸減小由離子大小和電價(jià)決定由凈成鍵電子數(shù)決定電學(xué)性質(zhì)導(dǎo)體固態(tài)絕緣體、熔融態(tài)導(dǎo)體固態(tài)和熔融態(tài)均絕緣體或半導(dǎo)體實(shí)例NaNaFF2三種化學(xué)鍵之間有著內(nèi)在的聯(lián)系共價(jià)鍵是原子間共享電子對，如果這對電子偏向某個原子，則為極性共價(jià)鍵；如果這對電子由一個原子提供，則為配位鍵；如果這對電子完全屬于某個原子，則為離子鍵。而金屬鍵既可看成很多金屬原子共享自由電子，又可看作金屬離子與自由電子之間的靜電作用。鍵型變異現(xiàn)象原子間的結(jié)合力僅少數(shù)純粹屬于這三種鍵型之一，多數(shù)偏離這三種極端的鍵型，且常以一種為主，并多少包含一些其它的鍵型。各個原子之間只要滿足成鍵條件，就會以多種方式最大可能地形成多種形式的化學(xué)鍵。分子的幾何結(jié)構(gòu)主要指分子中原子的排列順序、彼此之間的距離與方位。常用鍵長、鍵角、二面角等結(jié)構(gòu)參數(shù)來表示。分子的形狀或分子中某個特定部位的形狀，與物質(zhì)的性質(zhì)密切相關(guān)。組成相同，原子間連接順序相同的分子，可以具有不同的空間排列。分子立體構(gòu)型的差別可有很多類型，其中最有趣的是手性對稱性。分子幾何結(jié)構(gòu)的本質(zhì)特征是對稱性。3.晶體結(jié)構(gòu)晶體與晶態(tài)人們?nèi)粘＝佑|到的物質(zhì)不是單個的原子或分子，而是大量原子或分子的聚集狀態(tài)。如果我們不考慮物質(zhì)具體的宏觀性質(zhì)，只考察物質(zhì)的結(jié)構(gòu)是否有序，那么氣態(tài)物質(zhì)是典型的無序結(jié)構(gòu)；液態(tài)物質(zhì)在某一小范圍內(nèi)是有序的，但在大范圍內(nèi)是無序的，即短程有序長程無序；固態(tài)有兩種情況：一種是晶態(tài)，其結(jié)構(gòu)不僅短程有序而且長程有序；另一種是非晶態(tài)，其結(jié)構(gòu)保留了液態(tài)結(jié)構(gòu)短程有序、長程無序的特點(diǎn)。我們將通常溫度、壓力下處于晶態(tài)的物質(zhì)稱為晶體，晶體具有規(guī)則美觀的多面體外形。處于非晶態(tài)的物質(zhì)稱為非晶體。由于非晶態(tài)物質(zhì)如玻璃、石蠟、瀝青、松香等不能自發(fā)地生長成規(guī)則的多面體外形，因此也稱為無定形體或玻璃體。同一物質(zhì)可有不同的聚集狀態(tài)，晶態(tài)是最穩(wěn)定的狀態(tài)。絕大部分固體物質(zhì)以晶態(tài)存在。通常情況下，所有的金屬，各種寶石和巖石，食用的鹽、糖、味精，手表中的石英晶體，各種半導(dǎo)體材料，電視屏幕上的熒光粉都是晶態(tài)物質(zhì)。水泥制品（主要成份硅酸鹽）和土壤（高嶺土），食品中的淀粉、纖維素、維生素，甚至人和動物的毛發(fā)、骨髓以及構(gòu)成生命的物質(zhì)基礎(chǔ)蛋白質(zhì)和核酸都能以晶態(tài)存在?？梢哉f，我們生活在多姿多彩的晶體世界里。晶體結(jié)構(gòu)的周期性晶體為什么具有規(guī)則的外形？它的內(nèi)在結(jié)構(gòu)特征是什么？1912年X射線衍射法問世，證實(shí)了晶體是由原子、離子或分子在空間按周期性規(guī)律重復(fù)排列而成的物質(zhì)。按此定義，無論是天然的還是人工合成的絕大多數(shù)固體物質(zhì)都是晶體。其中許多固體雖然不像金剛石、水晶等晶體具有規(guī)則的外形，但其內(nèi)部的原子都是有規(guī)則排列的。研究晶體結(jié)構(gòu)的周期性規(guī)律可有兩種方式。一種是按實(shí)際重復(fù)周期將晶體劃分成一個個完全相同且可并置的平行六面體晶胞，然后研究晶胞的形狀、大小及其內(nèi)容，從而了解整個晶體的結(jié)構(gòu)；另一種是將周期性重復(fù)排布的內(nèi)容抽象成幾何學(xué)上的點(diǎn)，然后考察這些點(diǎn)在空間的陣式點(diǎn)陣。晶胞晶胞是晶體的基本單位，而不是最小單位。晶胞有兩大要素：)晶胞的形狀和大小可用組成晶胞的三個基本向量a、b、c來表達(dá)。這三個向量的長度a、b、c以及彼此之間的夾角、稱為晶胞參數(shù)。晶胞的型式分簡單的（P）和帶心的兩種，帶心的又分為面心（F）、底心（C）和體心（I）等。)晶胞的內(nèi)容，包括晶胞中原子的種類、數(shù)目和晶胞中的相對位置（用分?jǐn)?shù)坐標(biāo)表示）。根據(jù)原子在晶胞中的位置可計(jì)算晶胞中原子的個數(shù)。對于理想晶體，只要搞清楚每個晶胞的大小、形狀、型式和晶胞中原子的種類、數(shù)目及分布，整個晶體的結(jié)構(gòu)也就清楚了。注意晶胞的形狀一定是平行六面體，而不能是六方柱體、八面體等其他形狀。它們在空間并置堆積，即每個頂點(diǎn)一定為八個晶胞共有。由此，我們聯(lián)想到漢字“晶”，它準(zhǔn)確地表達(dá)了晶體由晶胞組成的意思，只是“晶”字并未由三個“日”字并置堆積而成。點(diǎn)陣點(diǎn)陣分直線點(diǎn)陣、平面點(diǎn)陣和空間點(diǎn)陣。直線點(diǎn)陣描述一維晶體（如石棉）和晶棱上原子的周期性排布；平面點(diǎn)陣描述二維晶體（如云母）和晶面上原子的周期性排布；空間點(diǎn)陣描述三維晶體的空間結(jié)構(gòu)。將點(diǎn)陣點(diǎn)用直線相連便成了晶格。1885年布拉威(A.Bravias)推得空間點(diǎn)陣一共有七種形狀十四種型式，其中七種晶格只含一個點(diǎn)陣點(diǎn)，稱為簡單格子，另外七種每個晶格中含兩個或兩個以上的點(diǎn)陣點(diǎn)，為復(fù)格子。“點(diǎn)陣”和“晶格”分別用幾何學(xué)上的點(diǎn)和線表示晶體結(jié)構(gòu)的周期性結(jié)構(gòu)規(guī)律。如果一整塊的晶體基本上為一個空間點(diǎn)陣貫穿，則此晶體稱為單晶體，例如單晶硅、水晶、金剛石等。由許多單晶按不同取向聚集在一起則為多晶體，例如金屬材料、BaSO4沉淀等粉狀物質(zhì)。如果重復(fù)周期很少，在晶棱方向上僅幾個到幾十個周期則為微晶，例如石墨微晶、炭黑、土壤中的高嶺土微晶。晶體的特性晶體空間結(jié)構(gòu)的周期性，使晶體表現(xiàn)出區(qū)別于氣體、液體和非晶體的一些共同的特性。晶體除有確定的熔點(diǎn)外，還有：晶體的均勻性和各向異性。晶體各部分的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)(如密度)等均勻性來源于晶體各部分結(jié)構(gòu)的周期性重復(fù)，與氣體、液體、非晶體的均勻性來源于原子無序分布的統(tǒng)計(jì)平均本質(zhì)上是不同的。由于晶體結(jié)構(gòu)中不同方向上原子的排列情況不同，因此與方向有關(guān)的物質(zhì)性質(zhì)，如電導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、折光率、機(jī)械強(qiáng)度等表現(xiàn)為各向異性。如石墨晶體在水平方向的導(dǎo)電率約為垂直方向上導(dǎo)電率的一萬倍，這種各向異性的程度在晶體各部分又是相同的。氣體、液體、非晶體的物理性質(zhì)均無各向異性。能自發(fā)形成多面體外形。晶體在生長過程中自發(fā)形成晶面、晶面相交成晶棱、晶棱會聚形成頂點(diǎn)，從而形成凸多面體外形。凸多面體的晶面數(shù)F、晶棱數(shù)E、頂點(diǎn)數(shù)V符合歐拉公式：FVE2晶體在良好的生長條件下，其外形表現(xiàn)有一定的對稱性。如雪花六角形，有六重對稱性。晶體外形對稱性是晶體內(nèi)部對稱性的外在表現(xiàn)。晶體對X射線發(fā)生衍射。不僅無機(jī)分子而且有機(jī)分子甚至生物大分子的精確而全面的結(jié)構(gòu)信息都來源于晶體對X射線的衍射。實(shí)際晶體中原子或離子難免占錯位置或被雜質(zhì)取代，因此無論是天然晶體還是人工晶體都會存在各種缺陷。缺陷相對于規(guī)則而言，因而也是物質(zhì)三態(tài)中晶態(tài)所特有的現(xiàn)象。晶體的缺陷晶體的缺陷可有多種分類方式。按其產(chǎn)生的原因分成本征缺陷和雜質(zhì)缺陷，前者由于晶體本身離子或原子排列不規(guī)則而造成，后者由于雜質(zhì)原子引起晶體的不均勻性。根據(jù)缺陷是否影響晶體的組成分成整比缺陷和非整比缺陷。按缺陷的幾何形式可分成點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷。少量的缺陷會影響晶體的強(qiáng)度以及光、電、磁、聲、熱等物理性質(zhì)與反應(yīng)性能。人為地制造各種缺陷，可使晶體具有某些優(yōu)異的性能。B、C、N半徑小的原子作為雜質(zhì)無規(guī)則地分布在金屬的八面體空隙中，與金屬形成部分共價(jià)鍵，因此金屬固溶體的熔點(diǎn)比純金屬高。可作火箭材料、高級磨料、切削工具。某些金屬碳化物和相應(yīng)金屬的熔點(diǎn)金屬碳化物熔點(diǎn)金屬熔點(diǎn)TiC3140Ti1675ZrC3520Zr1852HfC3827Hf2152VC2750V1890NbC3500Nb2463TaC4000Ta2996寶石五光十色、艷麗奪目，與摻入雜質(zhì)有關(guān)。例如祖母綠（綠色之王）和海藍(lán)寶石實(shí)際是綠柱石BeAl2Si6O18摻入Cr和Fe而成。立方氧化鋯硬度8，折射率（2.16）略低于鉆石（2.42），色散（0.0550.060），大于鉆石（0.0440.057），綜合效果與鉆石極難區(qū)別，可作為鉆石的替代品。立方氧化鋯中摻入不同雜質(zhì)呈現(xiàn)不同的顏色。寶石不單可以制作人們喜愛的裝飾品，而且也是重要的功能材料。例如紅寶石為剛玉-Al2O3中摻入Cr2O3，是最早的激光材料之一。立方氧化鋯摻入雜質(zhì)和顏色所含雜質(zhì)顏色所含雜質(zhì)顏色Nd2O3紫Cr2O3篁綠Ho2O3黃CuO藍(lán)綠Er2O3粉紅Er2O3+Fe2O3+NiO粉紅CeO2黃至橙紅Cr2O3+Tm2O3+V2O3橄欖綠Co2O3藍(lán)V2O3篁綠金剛石結(jié)構(gòu)早在1879年就已發(fā)現(xiàn)金剛石燃