第01章有机化合物的结构与性质课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,有机物和无机物,化学：,研究物质化学变化规律的科学,1675,年，,勒梅里,(Lmery,，,1645-1715,，法国,),：,化合物为三类：,矿物质,、,植物质,和,动物质,1770,年，,博格曼,(Bergman,，,1735-1784,，瑞典,),：,有机物,(,Organic,substance),：来自生物体,(Living organism),无机物,(,Inorganic,substance),：来自矿物质,1784,年，,拉瓦锡,(Lavoisier,，,1743-1794,，法国,),：,来自动植物的化合物，都含有,碳,(,C,),元素和,氢,(,H,),元素，并且常含有,氮,(,N,),元素和,磷,(,P,),元素。,同一种化合物既可以由植物获得，也可以由动物获得，因此植物质和动物质间没有区别。,物质根据来源可分为两类：,矿物质,和,动植物质,。,2,生命力论及尿素的合成,氰酸铵,(,Ammonium cyanate,),尿素,(,Urea,),1807,年，,贝采里乌斯,(Berzelius,，,1779-1848,，瑞典,),创造了（,coined,）“有机化学（,Organic chemistry,）”术语。,1815,年，,贝采里乌斯,提出了,生命力论,（,Vitalism,）,有机物是由于受生命力,(Vital force),的影响生成的，而不能由人工合成。,1828,年，,维勒,(W,hler,，,1800-1882,，德国，曾在,贝采里乌斯,手下工作过,),合成了,尿素,（,1799,年发现）,当时公认的有机物：,加热,3,有机化合物和有机化学,化学,无机化学,物理化学,有机化学,分析化学,量子化学,尿素,的人工合成，是有机化学发展过程中的一个里程碑,(,被认为是现代有机化学的开始,),，它突破了有机物和无机物之间的绝对界限，动摇了生命力论的基础,1845,年，,科尔贝,(Kolbe,，,1818-1884,，维勒的学生,),由,CS,2,合成了醋酸，生命力论被彻底摒弃。,有机物,就是含有,碳,元素的化合物。,有机化学,就是,碳,化合物的化学。,4,分子式为,C,2,H,6,O,的两个化合物,结构的提出,两个化合物具有相同的分子式：,C,2,H,6,O,5,结构的提出,常见元素的化合价,元素,化合价,化合物,H, Cl, Br, F,1,H,2, HCl, Cl,2, Br,2,O,2,H,2,O, O,2,N,3,NH,3,氯化氢,水,氨,结构：,有机物分子中原子排列的,顺序,和,方式,化学键：,分子中的原子相互结合在一起的很强的,作用力,化合价：,不同元素的原子在相互结合时的,能力,6,凯库勒结构理论,(,Single bond,),单键,(,Double bond,),双键,(,Triple bond,),叁键,结构式：,用来表示化合物分子结构的式子,凯库勒,结构理论,(1858,年，,Kekul,，,1829-1896,，德国,),：,碳原子在有机化合物分子中的化合价为,4,；,碳原子之间可以用,1,价、,2,价或,3,价成键生成碳链，生成的化学键分别称为,单键,、,双键,和,叁键,。,7,同分异构和异构体,具有,相同,分子式,C,2,H,6,O,的,两个,化合物为：,同分异构现象,(,Berzelius,-,isomerism,),分子式相同而结构不同因而是不同化合物的现象,异构体,(,Isomer,),分子式相同而结构不同的化合物,8,CH,3,NO,2,的,3,个异构体,硝基甲烷,(Nitromethane),，沸点为,101,C,，,赛车燃料。,亚硝酸甲酯,(Methyl nitrite),，沸点为,12,C,，,吸入后能引起血管扩张。,氨基甲酸,(Carbamic acid),，合成尿素的中间体，极不不稳定，不易分离。,9,平面结构的缺陷,二氯,甲烷,(,2,个,异构体,),甲烷,(,1,个,异构体,),氯,甲烷,(,1,个,异构体,),10,范霍夫结构理论,当碳原子分别和,4,个原子结合时，它的,4,价是等同的，并指向以碳原子为中心的正四面体的四个顶角,1874,年，范霍夫,(,Vant Hoff,，,1852-1911,，荷兰化学家,),提出了正四面体结构理论,11,立体结构与平面结构的关系,两个平面结构是同一立体结构在不同角度的投影,沿平面,H,-,C,-,H,观察,沿平面,H,-,C,-,Cl,观察,12,道尔顿的原子论,1808,年，道尔顿,(,Dalton,，英国化学家,),提出了原子论,每一种,元素,是由非常微小、不可再分的微粒,原子,组成的。原子在一切化学变化中不可再分，并保持自己独特的性质。,同一元素所有原子的质量、性质都完全相同。不同元素的原子质量和性质各不相同。原子质量是每一种元素的基本特征之一。,不同元素化合时，原子以简单整数比结合。,13,汤姆逊的原子模型,1897,年，汤姆逊,(,T,homson,英国物理学家,),发现了电子,由于电子的质量只占原子质量的很小一部分，在1900年代的早期，汤姆逊认为电子所占的空间与其质量成比例。带,正电,的部分是一个均匀分布的球体，而,电子,则镶嵌在球体里。,带负电的电子,正电荷分布到整个球体,14,十九世纪末经典的物理学体系,在,牛顿,力学基础上，,哈密顿,和,拉格朗日,等人建立了近乎完美的,分析力学,体系。,克劳修斯,、,玻耳兹曼,和,吉布斯,建立了完整严密的热力学和,统计力学,体系。,安培,、,法拉第,和,麦克斯韦,建立了,电动力学,体系。该体系后来又容纳了,牛顿,、,惠更斯,和,菲涅耳,所建立的光学体系。,当时许多著名的物理学家都认为物理学的,基本规律,都已被发现，今后的任务只是把物理学的基本规律应用到各种具体问题上。,15,经典物理学不能解决的三个问题三朵乌云,黑体辐射,黑体所产生的电磁辐射，其频率只与温度有关，而与该物体的组成无关。,光电效应,光照射到干净的金属表面，会有电子逸出，这个现象称为光电效应。对特定的金属，只有光的,频率,超过一定的数值后，光电效应才会发生。,发射光谱,真空低压玻璃管内的氢气在外加电场作用下产生,线状,光谱，而不是,连续,光谱。,16,普朗克的量子论,1900,年，普朗克,(,Planck,，德国物理学家,),提出了“量子”的概念,黑体辐射时，存在着一个最小的能量单位,“,量子”。一个量子和电磁辐射频率之间的关系为：,h,(,h,普朗克常数,),黑体辐射时，吸收的能量为,量子,(,quantum,),的,整数倍,：,17,爱因斯坦的光子学说,1905,年，爱因斯坦,(,Einstein,，德国物理学家,),解释了光电效应现象,照射到金属表面的光所具有的能量是不连续的，其最小的能量为：,E,=,h,v,具有这种最小能量的光的集合称为,光量子,。光电效应证明了光的粒子性。,光的波粒二象性性,光同时是电磁波和粒子的现象称为光的,波粒二象性,。,18,卢瑟福的原子模型,1911,年，卢瑟福,(,Rutherford,，新西兰物理学家,),提出了原子的天体模型,(Planetary model),原子由原子核和电子构成；,原子核体积很小，带正电荷，但几乎集中了原子的全部质量；,电子绕核做圆周运动，并有不同的运动轨道，就像行星绕太阳运动一样。,19,波尔的氢原子模型,1913,年，波尔,(,Bohr,，丹麦物理学家,),提出了氢原子模型,电子只能在距原子核一定距离，并具有一定能量的轨道中运动。这些轨道称为定态轨道。不同轨道的能量可以表示为：,电子在能量最低轨道的状态称为,基态,，在能量更高轨道的状态称为,激发态,。电子可以吸收能量，从基态跃迁到激发态。,处于激发态的电子不稳定，可以放出能量回到基态。放出的能量以电磁波的形式出现：,波尔在他的公式中引入了,量子数,的概念,20,原子的组成,1919,年：,卢瑟福,发现了质子,1932,年：,查德威克,(,Chadwick,，英国物理学家,),发现了中子,原子核,(,质子中子,),电子,(,占据原子核外的空间,),21,得布罗意波,1924,年，得布罗意,(,de Broglie,，法国物理学家,),提出了电子的波动性学说,波粒二象性,是任何微观粒子所具有的通性,1927,年，戴维森和哲默,(,Davisson,；,Germer,，美国物理学家,),观测到了电子衍射现象，证明了粒子的波动性。,22,海森堡测不准原理,1927,年，海森堡,(,Heisenberg,，德国物理学家,),提出了著名的测不准原理,当一个粒子的,位置,测得越准时，那么它的,动量,就测得越不准，反之亦然。用公式可表示为：,至此，电子的波动性已经完全被人们所认知。电子在空间的位置也只能用,几率,来描述。,23,薛定谔方程,1926,年，薛定谔,(,Shrdinger,，奥地利物理学家,),发表了著名的薛定谔方程,该方程可以用来描述包括电子在内的任何具有波粒二象性的微观粒子。,薛定谔方程的建立，开创了一个新的物理学领域：,量子力学,。,物理学,分析力学,统计力学,电动力学,量子力学,24,氢原子轨道,将,氢原子,核外电子的各种参数代入薛定谔方程，并将直角坐标转换成球面坐标，然后进行求解，就可得到描述氢原子中电子运动规律的,波函数,。,量子力学把描述电子运动规律的波函数叫做,原子轨道函数,，简称,原子轨道,(,Atomic Orbital,)。,每个原子轨道对应着一定的,能级,。,原子轨道用量子数描述。,原子轨道可以用图示法表示，每个轨道有一定的形状。,25,描述轨道的三个量子数,1,主量子数,(,n,),n,= 1,，,2,，,3,，,4,，,，用,K,，,L,，,M,，,N,，,表示。,n,代表了轨道离原子核的平均距离，同时也是决定轨道能量高低的重要因素。,2,角量子数,(,l,),l,= 0,，,1,，,2,，,3,，,n,1,，用,s,，,p,，,d,，,f,，,表示。角量子数,l,表示在主量子数相同时，轨道在能量和形状上的差异。一个轨道的主量子数和角量子数确定以后，其能量也随之确定。,3,磁量子数,(,m,),m,= 0，1，2，3，,l,。,磁量子数决定原子轨道在空间的伸展方向。,26,三个量子数之间的关系,n,l,m,轨道表示法,轨道数目,轨道总数目,1,0,0,1,s,1,1,2,0,1,0,1, 0,1,2,s,2,p,1,3,4,3,01,2,0,1, 0,1,2, 1, 0, 1, 2,3,s,3,p,3,d,1,3,5,8,4,0,1,2,3,0,1, 0,1,2, 1, 0, 1, 2,3, 2, 1, 0, 1, 2, 3,4,s,4,p,4,d,4,f,1,3,5,7,16,27,原子轨道的形状,+,+,+,+,28,多电子原子的轨道,29,电子填充到轨道中的原则,描述一个电子的状态需要四个量子数,主量子数,n,，角量子数,l,，磁量子数,m,，自旋量子数,m,s,能量最低原理,：电子首先填充到能量最低的轨道。,保里,不相容原理,(Pauli exclusion principle),：一个轨道同时只能容纳两个电子，且自旋必须相反。自旋的方向分别用,+,和,表示，称电子的,自旋量子数,m,s,。,洪特,规则,(Hunds rule),：电子尽可能分占能量相同的轨道且自旋相同。,所有轨道在,全满,、,半满,和,全空,时较稳定。,30,几个典型元素的电子构型,原子序数,元素,电子构型,1,H,1,s,1,6,C,1,s,2,2,s,2,2,p,2,7,N,1,s,2,2,s,2,2,p,3,8,O,1,s,2,2,s,2,2,p,4,9,F,1,s,2,2,s,2,2,p,5,10,Ne,1,s,2,2,s,2,2,p,6,轨道,1,s,2,s,2,p,x,2,p,y,2,p,z,31,原子轨道的意义,原子轨道没有明确的物理意义。,原子轨道的平方(,|,|,2,),，代表了原子核外空间某一点电子出现的,几率密度,。,由于电子行踪不定地出现在空间各点，仿佛电子是分散在原子核周围的空间，因此常形象地将电子在空间出现的几率称做,电子云,。电子云常用图形表示。,原子轨道,有,正负之分。,电子云,没有,正负之分。,32,当活泼的金属原子和活泼的非金属原子在一定反应条件下相互靠近时，金属原子失去电子变成带正电荷的正离子，非金属原子得到电子变成带负电荷的负离子。,正负离子均有稀有气体原子的,八隅体,结构。,正负离子通过静电引力结合在一起形成,离子型,化合物。,离子键理论,Na,+,Cl,=,Na,+,+,Cl,=,Na,+,Cl,1916,年，柯塞尔,(,Kossel,，德国化学家,),提出了离子键理论, , , , ,33,离子晶体,NaCl,34,共价键理论,1916,年，路易斯,(,Lewis,，美国化学家,),提出了共价学说,若两个原子各有一个,未成对电子,，且自旋相反，则电子所在的轨道可以相互重叠形成,共价键,，若有几个未成对电子，则能形成几个共价键。形成共价键后，配对的电子归两核共同所有，称为公用电子对。,35,共价键氢分子的形成,键轴,参与成键的原子轨道重叠后两原子核的连线,原子可以通过,共用电子,形成,八隅体,结构,(,路易斯,式,),(,凯库勒,式,),36,共价键的键长,键长,键轴的长度,(,单位：,nm,或,pm,),37,有机化合物常见化学键键长,共价键,键长,(,nm,),共价键,键长,(,nm,),C,H,0.109,C,O,0.143,C,C,0.154,C,O,0.122,C,C,0.134,C,F,0.141,C,C,0.120,C,Cl,0.176,C,N,0.147,C,Br,0.194,C,N,0.116,C,I,0.214,38,共价键的类型和特点,F,2,s,2,2,p,x,1,2,p,y,2,2,p,z,2,H,1,s,1,波函数在最大值处重叠：共价键的,方向性,一个轨道只能和其它轨道重叠一次：共价键的,饱和性,39,共价键的类型和特点,一个元素的,化合价,就是未成对的价电子的数目,N,2,s,2,2,p,x,1,2,p,y,1,2,p,z,1,40,共价键的键角,180,二氟化铍,120,三氟化硼,109.5,甲烷,41,共价键的参数解离能和键能,解离能：,在,298K,时，将,lmol,基态双原子分子拆开成为基态原子所需要的能量 。,D,(HH),432,kJ,/,mol,键能：,同一类型的共价键,解离能,的,平均值,。,NH,3,(g),NH,2,(g) + H(g),D,1,435.1,kJ,/,mo,l,NH,2,(g),NH(g) + H(g),D,2,397.5,kJ,/,mol,NH(g),N(g) + H(g),D,3,338.9,kJ,/,mol,42,有机化合物常见共价键的键能,共价键,键能,(,kJ/mol,),共价键,键能,(,kJ/mol,),C,C,347,C,O,360,C,C,611,C,F,485,C,C,837,C,Cl,339,C,H,414,C,Br,285,C,N,305,C,I,218,43,杂化轨道理论,1931,年，鲍林,(,Pauling,，美国量子化学家,),(Nobel prize in chemistry in 1954, Nobel peace prize in 1962),提出了杂化轨道理论,在形成分子时，同一原子中不同类型、能量相近的原子轨道（波函数）能重新组合成一组新的轨道，这个过程称为,杂化,，新形成的轨道称为,杂化轨道,。,杂化轨道在空间的分布使电子云更加集中，成键时重叠程度更大，成键能力更强，形成的分子更加稳定。,44,碳原子,sp,3,杂化轨道的生成,电子跃迁,杂化,sp,3,轨道,45,碳原子,sp,3,轨道三维图,46,甲烷的生成及结构参数,处于,sp,3,杂化状态的碳，每个,sp,3,轨道和一个氢原子的,1,s,轨道重叠，生成一个,C,H,键,键能,438 kJ/mol,共价键的参数,键角,（分子中化学键之间的夹角）,47,乙烷的生成及结构参数,键能,CC,376 kJ/mol,CH,420 kJ/mol,48,甲烷、水和氨分子结构的比较,C,N,O,49,碳原子,sp,2,杂化轨道的生成,sp,2,轨道,p,轨道,电子跃迁,杂化,50,碳原子,sp,2,杂化轨道,三维图,51,乙烯的生成,键,52,乙烯的结构参数,键能,C,H,444,kJ/mol,C,C,611,kJ/mol,键,键能大约为,611,376,=,253,kJ/mol,53,硼原子,sp,2,杂化,BF,3,的分子结构,电子跃迁,杂化,B,54,碳原子,sp,杂化轨道的生成,sp,轨道,p,轨道,电子跃迁,杂化,55,碳原子,sp,杂化,轨道三维图,56,乙炔的生成,57,乙炔的结构参数,键能,C,H,552,kJ/mol,C,C,835,kJ/mol,58,铍原子,sp,杂化,BeF,2,的分子结构,电子跃迁,杂化,Be,59,乙烷、乙烯和乙炔结构参数的比较,552,kJ/mol,835,kJ/mol,376,kJ/mol,420,kJ/mol,611,kJ/mol,444,kJ/mol,1.09,60,电负性与键的极性,非极性共价键键,极性共价键键,离子键,61,电负性,(,Electronegativity,，,EN,),原子吸引成键电子和价电子的能力,鲍林元素电负性表,62,非极性键，极性键和离子键的比较,Fully covalent bond,(C,C),非极性共价键,Polar covalent bond,(C,O,),极性共价键,Ionic bond,(Na,Cl),离子键,+,63,偶极矩,(Dipole Moment),q,:,偶极电荷所带的电量,d,:,正负电荷的距离,:,偶极矩,，,D,(1D=3.33610,-,30,C,m,=10,-,18,esu,cm,),The,debye,unit is named in honor of,Peter Debye, a Dutch scientist who did important work in many areas of chemistry and physics and was awarded the Nobel Prize in chemistry in 1936.,64,一些化学键的偶极矩,化学键,偶极矩,(,D,),化学键,偶极矩,(,D,),H,C,0.4,C,C,0,H,N,1.3,C,N,0.2,H,O,1.5,C,O,0.7,H,F,1.7,C,F,1.6,H,Cl,1.1,C,Cl,1.5,H,Br,0.8,C,Br,1.4,H,I,0.4,C,I,1.2,Paula Ruice,Organic Chemistry,4th ed,65,键的极性与分子的极性,氯甲烷,(,Chloro,methane),=1.87,D,+,二氯甲烷,(,Di,chloro,methane),=1.62,D,四氯甲烷,(,Tetra,chloro,methane),=0,D,+,+,66,水和氨的偶极矩,67,表 观 电 荷,表观电荷,(Formal charge),自由原子的价电子数,成键原子的价电子数,自由原子的价电子数,(,成键电子数的一半,孤对电子数,),水合质子,铵离子,68,酸碱质子理论,酸,是反应中能够给出质子的物质（离子或分子）,A Br,nsted-Lowry,acid,is a substance that donates a proton,碱,是反应中能够接受质子的物质（分子或离子）,A Br,nsted -Lowry,base,is a substance that accepts a proton,一个酸失去质子后生成的碱被称为该酸的,共轭碱,一个碱得到质子后生成的酸被称为该碱的,共轭酸,酸,共轭,酸,碱,对,酸,碱,碱,共轭,酸,碱,对,69,酸 性 常 数,酸性愈强，,K,a,愈大，,p,K,a,愈小,70,碱 性 常 数,碱性愈强，,K,b,愈大，,p,K,b,愈小,71,水的平衡常数,72,水溶液中的,pH,、,pOH,和,p,K,w,73,共轭酸碱平衡常数的关系,酸,HB,的酸性常数为：,其共轭碱,B,的碱性常数为：,74,酸碱反应进行的程度,若,K,1,，,则平衡正向移动，这时,K,a,(,HA,),K,a,(,HB,),，说明一个酸只能与其共轭酸比该酸还弱的碱反应。,75,苯酚的酸碱平衡,p,K,a,=10.0,p,K,a,=10.25,p,K,a,=10.0,p,K,a,=6.38,平衡向右移动,平衡向左移动,76,路易斯酸碱理论,酸,是任何能够接受电子对的物质,A Lewis,acid,is a substance that accepts an electron pair,碱,是任何能够给出电子对的物质,A Lewis,base,is a substance that donates an electron pair,77,路易斯酸碱理论,78,路易斯酸碱反应,