化学物构
物构
原子
能层能级
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能层:\(K,L,M,N,\cdots\)
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能级:\(s,p,d,f\cdots\)
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每个层级分别最多有 \(1,3,5,7,\cdots\) 个轨道，每个轨道最多有两个电子。
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能量最低原理：核外电子先占能量最低的轨道，满了再占下一个。按顺序为 \(1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p\cdots\)。(\(4p\) 之后一般不考)
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能级交错:\(4s\) 能力比 \(3d\) 低，所以先占 \(4s\)。
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泡利不相容定理(同轨同向不相容定理):
- 若两个电子在同一轨道，自旋一定反向。
- 若两个电子自旋同向，一定不在同一轨道。
- 同一轨道最多容纳两个电子。
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洪特规则(抢椅子)：当电子排布在同一能级时，优先单独占轨道，且单独占据轨道的电子自旋方向相同，位置不够，再挤入同一轨道，且自旋方向与单独的电子反向。
- 其中，每个能层半满、全满、全空是稳定状态，更稳定，这直接影响电离能。(半满指该层中每个轨道有且仅有一个电子)
核外电子排布
注意题目问的是排布式还是排布图，不要回答错。
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第四周期是依次排 \(4s,3d,4p\) 三个层级。
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一般考前 \(36\) 个元素，最常考 \(Cr,Cu\) ，常考 \(Cr,Cu,Mn,Co,Ni,Zn,As,Se,Ar,Ca,Sc,Ti,V\) 的核外电子排布，要熟记，用起来快。
- \(Cr\) 的电子排布是特殊情况，\(3d^5 4s^1\) 因为这样有两个半满，比 \(3d^4 4s^2\)稳定。
- \(Cu\) 的电子排布也是特殊情况，\(3d^{10} 4s^1\) 因为这样有一个全满一个半满，比 \(3d^9 4s^2\)稳定。
电子云和电子轨道
电子云代表电子出现概率分布。电子运动“测不准”。
轨道形状：\(s\) 轨道球形，\(p\) 轨道纺锤(哑铃)形，\(d\) 轨道花瓣形。
原子结构与元素性质
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价电子：指能成键的电子，不一定为最外层电子(对于主族元素是，副族元素不一定)。
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每个周期元素个数：\(2,8,8,18,18,32,32\)
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族：七主七副，一个零一个八，第八族占 \(3\) 列。
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周期表分区(依据价电子排布相似)：\(s\) 区，\(d\) 区，\(ds\) 区，\(p\) 区，\(f\) 区(镧系锕系）。
电离能
(与半满、全满、全空有关)
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元素的电离能：基态/气态原子或离子，失去一个 \(e^-\) 最少需要的能量。(符号为 \(\text{I}\)，单位为 \(\text{kg/mol}\))
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第一电离能：气态 电中性 基态 原子 转化为 气态 基态 正离子 所需要的能量。(符号为 \(\text{I}_1\))
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无特殊说明时，电离能均指第一电离能。
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同周期从左往右总体上升，在 \(2,3\) 和 \(5,6\) 主族间反常。(因为半满全满)(实际反常的仅有 \(2,5\) 主族，他们偏高才感觉 \(3,6\) 偏低)
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同主族从上往下 \(\text{I}_1\) 逐渐减小。
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同元素看 \(\text{I}_1,\text{I}_2,\text{I}_3,\cdots\) 确定化合价，需要看什么时候变成前一个好几倍。
电负性 \(\chi\)
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键和电子：原子中用于形成化学键的电子 (价电子=键和电子+孤对电子)
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电负性 \(\chi\)：对键和电子对的吸引能力 (抢(得)电子的能力)
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右上角电负性高，左下角低。
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\(\text{Si}\) 为标尺，电负性为 \(1.8\)，一般小于他的算金属，大于的算非金属。
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经验规律：一般电负性差不超过 \(1.7\) 的两个元素形成化合物，会形成共价化合物，否则形成离子化合物(电子全到一边去)。
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配位能力：
受电负性影响。- 电负性小易提供孤位电子，配位能力强，易配位,如 \(\text{C}\)形成的基团\(\text{CN}^-\)(氰基)、\(\text{CO}\)(羰基)都易配位。
- 电负性大不易提供孤位电子，配位能力弱，不易配位,如，配位能力 \(\text{NH}_3>\text{H}_2\text{O}\)。(\(\text{O}\) 电负性大于 \(\text{N}\) )
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分子间氢键：电负性越大，吸引裸核 \(\text{H}^+\) 能力就越强，分子间氢键就越强。
分子
化学键分类
- 离子键：因为 \(e^-\) 得失，阴阳离子间静电作用形成的键。
- 共价键：电子对共用，原子间通过共用电子对形成相互作用。(配位键属于共价键)
- 电子对共用：电子云重叠，重叠才成键，重叠越多，成键越稳定。
- 金属键：自由电子和金属阳离子间静电引力成键。
共价键
分子中多以共价键为主。
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分类方式：
- 极性共价键： 看两端元素是否相同不相同则共用电子对偏移，形成极性共价键，否则不偏移，形成非极性共价键。
- 根据电子云重叠方式:
- \(\sigma\) 键：单键，稳定性强，不易反应。
- \(\pi\) 键：双键或三键，稳定性弱，反应性能强，易反应。
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电子配对原理：两个原子各提供一个自旋相反的 \(e^-\) ，彼此配对，形成共用电子对。
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最大重叠原理：两个原子轨道重叠越大，两核间电子概率密度越大，共价键越强，分子越稳定。
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\(\sigma\) 键：要两个电子轨道沿轴方向头碰头。(轴：坐标轴)
- 有 \(\text{s}-\text{s},\text{s}-\text{p},\text{p}-\text{p}\) 三种。
- 特点：
- 因为头碰头，重叠程度高，稳定性强。
- 轴对称，可绕轴旋转。
- 共价键必有 \(\sigma\) 键。(如，单键必为 \(\sigma\) 键，双键必有一个，三键也必有一个)
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\(\pi\) 键：(\(\sigma\) 键的副产物)轨道以平行即肩并肩方式重叠
- 有 \(\text{p}-\text{p},\text{p}-\text{d}\) 两种。(\(\text{s}\) 球形没有肩膀，重合都算 \(\sigma\) 键)
- 特点：必有 \(\text{p}\) 轨道，重叠程度小，易断键。
- 原子半径大,\(\pi\) 键弱，甚至难以形成 \(\pi\) 键,因为离得远，平行方向不易重叠。
- 镜面对称，不能旋转。
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共价键组成：
- 共价单键：一个 \(\sigma\) 键。
- 共价双键：一个 \(\sigma\) 键，一个 \(\pi\) 键。
- 共价三键：一个 \(\sigma\) 键，两个 \(\pi\) 键。
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共价键特征：
- 饱和性：未成对电子数，决定键数。
- 方向性：为保证最大重叠，会沿一定方向重叠，决定分子空间构形。
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键参数：
- 键能
- 定义：气态 基态 原子形成 \(1\text{mol}\) 化学键释放能量(也是破坏所需能量)
- 取正值，单位 \(\text{kj}/\text{mol}\)。
- 意义：键能越大，键越牢固，分子越稳定，不易断键。
- 键长
- 意义：共价键两个原子核间距。
- 键长越短，键能越大，分子越稳定。
- 一般同种元素，键长 单键 \(>\) 双键 \(>\) 三键，键能 单键 \(<\) 双键 \(<\) 三键。(双键三键，键能为其中所有共价键的和)
- 原子半径越大，\(\sigma\) 键长越大，\(\text{p}-\text{p}\) 轨道越难重叠，\(\pi\) 键越难形成。
- 键角
- 定义：两个共价键间的夹角。
- 与成键方向有关，其中 \(\text{CH}_4\) 键角为 \(109°28'\)，\(\text{CO}_2\) 键角为 \(180°\)
- 小结：
- 键能 + 键长 \(\rightarrow\) 稳定性
- 键长 + 键角 \(\rightarrow\) 空间构型
- 键能
等电子体
主要考 \(\text{C},\text{N},\text{O},\text{S}\) 组成的。
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定义：原子总数相同，价电子总数相同的分子。
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特点：化学键特征相似，空间构型相似，许多性质相似。
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应用：预测性质或空间构型。
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常见的(横坐标代表原子数，纵坐标代表价电子数)：
- \((2,10)\) 如：\(\text{N}_2,\text{CN}^-\) 等，共性：三键。
- \((2,11)\) 如：\(\text{NO},\text{O}_2^+\)，共性：双键。
- \((3,16)\) 如：\(\text{CO}_2,\text{SCN}^-\)，共性：双键，直线。
- \((3,18)\) 如：\(\text{SO}_2,\text{O}_3,\text{NO}_2^-\)，共性：\(\text{V}\) 形。
- \((4,24)\) 如：\(\text{BF}_3,\text{SO}_3\)，共性：平面三角形。
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找等电子体方法：
- 拆电子数
- 上下左右换元素，右上角标补电子。
分子构型的确定
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分析构型的仪器测定——红外光谱仪(测红外吸收光谱，主要是测官能团和特征元素特征基团)——测吸收峰(有机学的)。
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晶体类型的仪器测定—— \(\text{X}\) 射线衍射仪。
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价电子对互斥理论模型(\(\text{VSEPR}\) 模型)——价电子对模型
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价电子对数计算公式
- 价电子对数——中心原子周围的椅子数。
- \(\text{AB}_n\) 型分子：价电子对数 \(=\) (中心原子 \(\text{A}\) 的价电子数(最外层电子数) \(+\) 配体提供价电子数 \(\times\) \(\text{n}\) \(\pm\) 离子电荷数) \(/2\)。(\(0.5\) 代表有单独电子，四舍五入即可)
- 其中 \(B\) 为配体，提供价电子数 \(\text{O},\text{S}\) 视为 \(0\) ，其他元素视为 \(1\)。
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孤对电子数
- 孤对电子数——中心原子周围空椅子个数。(\(\text{AB}_n\) 中n为坐在椅子上个数。)
- 计算方法一：孤对电子数 \(=\) 价电子对数 \(-\ n\)
- 计算方法二：孤对电子数 \(=\) (中心原子 \(\text{A}\) 的价电子数(最外层电子数) \(-\ \text{B}\) 能得电子数 \(\pm\) 离子电荷数)。
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电子配对，差值孤对。
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价电子对模型法确定分子构型
- 思路：求价电子对数 \(\to\) 确定标准构型(椅子构型) \(\to\) 看配体数(人数) \(\to\) 填充骨架 \(\to\) 确定分子构型(人的构型)
- 孤对电子更靠近中心原子，挤压其他成键原子，改变夹角。
- 每种分子的构型
- \(\text{AB}\) 只能直线。
- \(\text{AB}_2\) 只能直线或 \(\text{V}\)型。
- \(\text{AB}_3\) 只能平面三角型或三角锥型。
- \(\text{AB}_4\) 只能四面体型。
- 通常，能提供的键多的是中心原子。
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杂化轨道理论
- 杂化轨道理论
- 能量简并轨道：能量相同的一组轨道。
- 杂化：同一原子中能量相近的不同种轨道在成键过程中重新组合，形成一系列能量相同的轨道的过程。
- 杂化轨道：杂化后形成的能量简并的新轨道。
- 意义：解释并补充了 \(\text{VSEPR}\) 理论。‘
- 特点：
- 空轨道不参与杂化。
- 只能形成 \(\sigma\) 键，或者容纳孤对电子。(不形成 \(\pi\) 键)
- 能量介于杂化前的轨道之间
- 成键能力更强(重叠大)，对称性更强。
- 成键更稳定。(夹角大，斥力小)
- 杂化前后轨道总数不变，能量趋于平均化。
- 类型：\(\text{sp},\text{sp}^2,\text{sp}^3\)，形状分别是直线，三角形，四面体。
- 未参与杂化的 \(p\) 轨道才可能形成 \(\pi\) 键。
- 技巧：左右单键 \(\text{V}\) 型，无双键一律是 \(\text{sp}^3\) 杂化。
- 杂化轨道理论
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高中常见有大 \(\pi\) 键的分子离子
- \(3\sigma+0\) 孤，中心原子 \(\text{sp}^2\)：\(\text{SO}_3,\text{NO}_3^-,\text{CO}_3^{2-}\)
- \(2\sigma+1\) 孤，中心原子 \(\text{sp}^2\)：\(\text{SO}_2,\text{O}_3,\text{NO}_2^{-}\)
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配合物(络合物)理论
- 配位键：纯“给予”和“接受”,一个提供空轨道，一个提供孤对电子。
- 有配位键不一定是配合物，如：\(\text{NH}_4\text{Cl}\)。
- 配位原子：提供孤对电子的原子。
- 配位体：提供孤对电子的离子或分子。
- 配位键属于 \(\sigma\) 键。
- 配位能力(提供孤对电子能力)与电负性成反比。
分子的性质
- 分子的极性看正负电荷中心是否重合。
- 双原子分子，键极性则分子极性，否则分子非极性。
- \(\text{AB}_n\) 分子：若空间构型对称导致正负电荷中心重合，则非极性，否则极性。(不对称也直接判断极性)
- 氢键要有 \(\text{N,O,F}\)。
- 分子间氢键使熔沸点提高，极性溶剂中溶解度增大。
- 相似相溶：
-极性易溶于极性，非极性易溶于非极性，相同官能团互溶。
晶体
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晶体只是物质存在形式，与是什么物质无关。
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不同方向上物理性质有差异。
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固定熔点。
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如何判定：\(X\)射线衍射实验。
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晶体类型：分子，离子，原子，金属。
分子晶体
- 结构：分子内部共价键，分子之间范德华力，熔化破坏范德华力。
- 常见分子晶体：
- 非金属单质：\(\text{I}_2,\text{O}_2,\text{Cl}_2\)
- 非金属氧化物：\(\text{SO}_2,\text{CO}_2\)
- 酸：\(\text{HNO}_3,\text{H}_2\text{SO}_2\)
- 有机物，太多了。
- 非金属氢化物：\(\text{NH}_3\)
- 物理性质：
- 熔沸点低，可升华。
- 硬度大。
- 相似相溶。
- 固态或熔融态不导电，只有酸的水溶液导电。
- 熔沸点比较
- 看氢键。
- 组成结构相似看相对分子质量。
- 相对分子质量相近看是否极性，极性熔沸点更高。
原子晶体
- 原子晶体共价键，熔化破坏共价键。
- 原子间用共价键组成的空间网状结构。
- 常见：\(\text{Si},\text{SiO}_2,\text{SiC},\)金刚石。
- 物理性质：熔沸点高，硬度很大，一般不导电，难溶。
- 原子半径越小，键长越小，键能越大，熔沸点越高，硬度越大。
金属晶体
- 金属晶体金属键，熔化破坏金属键。
- 金属，合金。
- 离子半径越小和带点量越大，熔沸点越高，硬度越大。(比较时候先看电荷再看半径)
离子晶体
离子晶体离子键，熔化破坏离子键。
- 常见：金属氧化物，强碱，大部分盐。
- 熔沸点高，硬度大。
- 易溶于水，难溶于有机溶剂。
- 固体不导电，溶液和熔融状态能导电。
- 离子半径越小和带电量越大，键能越高，晶格能越大，熔点越高，硬度越大。(比较时候先看电荷再看半径)
- 离子晶体晶格能：\(1\text{mod}\) 气态离子形成离子晶体释放的能量。
比较
- 熔沸点：原子晶体(2000度这样) \(>\) 离子晶体 \(>\) 分子晶体。金属晶体大多数大于分子晶体。
空间
- \(1 nm=10^{-7} cm\)
- 金属晶体只紧密排列。
- 晶体中配位数，离这个微粒最近的微粒个数。
- 其他东西稍微计算就行。
金属晶体结构
- 简单立方，金属钋 \(\text{Po}\)，空间利用率 \(52\%\)，配位数 \(6\)。
- 体心立方 钾钠铁，空间利用率 \(68\%\)，配位数 \(6\)。
- 六方堆积，钛镁锌，配位数 \(12\)。(每层分别：\(6\) 个，\(3\) 个)
- 面心立方，铜银金，配位数 \(12\)，空间利用率 \(74\%\)，\(a=2\sqrt{2}r\)。(八角六面)
离子晶体结构
- \(\text{AB}\) 型,如 \(\text{NaCl}\)。(八角六面十二棱一心)
- 铯的卤化物：体心立方。(八角一心)
- 闪锌矿，配位数为 \(4\),空间利用率 \(50\%\)。(八角六面四心)
- \(\text{AB}_2\) 型,如 \(\text{MgCl}_2\)。(八角六面八心)
离子晶体结构
- 金刚石，配位数 \(4\)，每个碳连 \(6\) 个六元环。(八角六面四心)
- \(\text{SiO}_2\)(在金刚石基础上，每条边上放一个 \(\text{O}\))
分子晶体结构
- 干冰(八角六面)
- 冰(四面体)
