2103从微观结构看物质的多样性
《从微观结构看物质的多样性》 讲义
《从微观结构看物质的多样性》讲义在我们的日常生活中，接触到的物质形形色色，各不相同。
从金属到非金属，从固体到液体再到气体，物质的多样性令人惊叹。
然而，这些看似千差万别的物质，其本质上的差异可以从微观结构的角度来理解和解释。
首先，让我们来认识一下原子。
原子是构成物质的基本单位，就像搭建房屋的砖块。
不同的原子具有不同的质子数，这决定了它们的化学性质。
比如，氢原子只有一个质子，而氧原子有 8 个质子。
原子之间通过化学键相互结合，形成分子或晶体。
化学键主要包括离子键、共价键和金属键。
离子键通常存在于由金属和非金属组成的化合物中，比如氯化钠（NaCl）。
钠原子容易失去一个电子，形成带正电的钠离子，而氯原子容易得到一个电子，形成带负电的氯离子。
钠离子和氯离子通过静电作用相互吸引，形成离子键，从而构成稳定的化合物。
共价键则在许多非金属化合物中常见。
例如，水分子（H₂O）中，氢原子和氧原子通过共用电子对形成共价键。
在共价键中，电子对被原子共享，以达到稳定的电子结构。
金属键则存在于金属中。
金属原子的外层电子可以在整个金属晶体中自由移动，这使得金属具有良好的导电性和导热性。
接下来，我们看看物质的微观结构如何导致物质状态的多样性。
固体、液体和气体的区别，主要在于粒子之间的距离、排列方式和运动自由度。
在固体中，粒子排列紧密有序，粒子之间的距离较小，只能在固定的位置上振动。
这种有序的排列和有限的运动使得固体具有固定的形状和体积。
液体中的粒子间距比固体稍大，粒子的排列无序，但仍有一定的相互作用。
液体中的粒子可以在一定范围内自由移动，因此液体具有固定的体积，但没有固定的形状，可以适应容器的形状。
气体中的粒子间距很大，相互作用较弱，粒子可以自由地运动，充满整个容器。
这导致气体既没有固定的形状，也没有固定的体积。
晶体是具有规则几何外形和固定熔点的固体。
常见的晶体类型有离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体。
离子晶体如氯化钠，由于离子键的作用，具有较高的熔点和硬度。
高中化学：从微观结构看物质的多样性
一、同素异形现象、同素异形体（1）概念：一种元素形成几种单质的现象，叫同素异形现象。
（2）表现：同素异形现象表现为一种元素具有几种单质，这几种单质都是这种元素的同素异形体.（3）同素异形体的性质：①构成同素异形体的原子数目和成键方式都不同，所以表现出的物理性质有很大的差别。
如氧气和臭氧：氧气是无色、无味的气体，而臭氧是淡蓝色有鱼腥味的气体；②同素异形体在一定条件下能互相转化，这是化学变化，如氧气转化为臭氧，石墨转化为金刚石，红磷转化为白磷等等。
（4）常见的同素异形体：①碳元素的同素异形体：金刚石、石墨和富勒烯（包括C60、C70和单层或多层的纳米碳管等）都是碳元素的重要单质；②氧元素的同素异形体：氧气和臭氧都是氧元素的单质；③磷元素的同素异形体：磷元素可以形成多种单质，白磷和红磷是磷元素常见的两种单质④硫元素的同素异形体：硫元素可以形成多种单质，S2、S4、S6、S8等，S6和S8是硫元素常见的同素异形体。
特别说明：同素异形体是一种元素形成的不同单质，既不是由相同元素组成的不同化合物，也不是同种元素形成的几种原子，更不是形态不同的同一物质。
例如：①都由碳氧两种元素组成的CO和CO2；②都由SiO2组成的石英和水晶；③都由氢元素形成的三种原子氕、氘，氚等；④气态氢和液态氢，二氧化碳和干冰；⑤冰和水等都不是同素异形体。
例1、以下各组物质中互为同素异形体的是（）A. 金刚石与石墨B. 氕、氘和氚C. 二氧化碳和干冰D. 石灰石和生石灰【解析】A 点拨：本题主要考查同素异形体的概念以及对同素异形体的理解，同素异形体是同一元素形成的不同单质，为单质，应该与同一物质、同位素和同分异构体区分开来。
金刚石和石墨是碳元素的两种不同单质，A选项正确；氕、氘和氚是氢元素的三种不同原子，不是氢元素的单质，故B选项错误：二氧化碳和干冰是同一物质，故C选项错误；石灰石的主要成分为碳酸钙，生石灰的主要成分为氧化钙，是两种不同的化合物，故D选项错误。
《从微观结构看物质的多样性》 讲义
《从微观结构看物质的多样性》讲义在我们生活的这个世界里，物质的种类繁多，形态各异。
从晶莹剔透的钻石到柔软的棉花，从坚硬的金属到流动的液体，物质展现出了令人惊叹的多样性。
而要深入理解这种多样性的根源，我们就需要从微观结构的角度去探索。
首先，让我们来了解一下什么是微观结构。
微观结构指的是物质在原子、分子层面的组成和排列方式。
原子是物质的基本组成单位，它们通过一定的方式结合形成分子，而分子又进一步聚集形成我们所见到的各种物质。
在元素周期表中，目前已知的元素有一百多种。
但仅仅依靠这一百多种元素，却能组合出无数种不同的物质，这正是由于原子之间的结合方式多种多样。
以氧气（O₂）和臭氧（O₃）为例，它们都是由氧元素组成的，但由于氧原子的组合方式不同，导致了它们性质上的巨大差异。
氧气是我们呼吸所必需的，而臭氧在大气层中能吸收紫外线，但在地面附近则是一种有害的污染物。
分子的结构和形状也对物质的性质产生着重要影响。
比如，二氧化碳（CO₂）是直线型分子，而水分子（H₂O）是 V 型分子。
这种分子结构的差异使得二氧化碳在常温常压下是气体，而水则是液体。
晶体是一类具有规则微观结构的物质。
常见的晶体有金刚石、石墨和氯化钠等。
金刚石中的碳原子以正四面体的结构紧密排列，形成了硬度极高的晶体；而石墨中的碳原子则呈层状排列，层与层之间的结合力较弱，使得石墨具有良好的导电性和润滑性。
再来看看金属。
金属的微观结构通常是由金属阳离子和自由电子组成的“金属键”所维系。
这种特殊的结构使得金属具有良好的导电性、导热性和延展性。
例如铜，其内部的自由电子能够自由移动，从而实现电流的传导。
在有机化合物中，微观结构的多样性更是令人瞩目。
比如，同分异构体的存在。
以乙醇（C₂H₅OH）和二甲醚（CH₃OCH₃）为例，它们的分子式相同，但分子结构不同，导致它们的物理性质和化学性质都有所不同。
乙醇是液体，能与水互溶，而二甲醚是气体，难溶于水。
聚合物也是物质多样性的一个重要体现。
从微观结构看物质的多样性
从微观结构看物质的多样性物质是构成宇宙的基本组成部分，所有物质都由微观粒子组成，这些粒子以不同的方式排列和组合形成物质的多样性。
从微观结构的角度来看，观察和理解物质的多样性对于解释和探索物质的性质和行为至关重要。
本文将从微观结构的角度探讨物质的多样性。
首先，我们需要了解物质的基本粒子。
原子是构成分子和晶体的基本单位。
原子由质子、中子和电子组成。
质子带有正电荷，中子没有电荷，而电子带有负电荷。
原子的种类由其质子数量决定，称为元素。
目前已经发现的元素有118种，每种元素都有独特的物理和化学性质。
元素的性质不仅与其原子的质子数量有关，还与原子的排列方式和相互作用方式有关。
元素可以形成分子或晶体结构。
当原子通过共享或转移电子与其他原子结合时，它们形成分子。
分子可以是由同种元素的原子组成的，也可以是由不同种元素的原子组成的。
分子之间的相互作用是物质性质的重要因素之一、例如，氧气（O2）是由两个氧原子组成的分子，这种分子之间的相互作用使得氧气具有高度的稳定性和可燃性。
晶体是由原子，离子或分子排列成有序结构的物质。
晶体的微观结构决定了物质的性质。
晶体的常见类型包括离子晶体，金属晶体和共价晶体。
离子晶体由正负电荷的离子通过电荷作用力相互排列而成。
这种排列方式决定了离子晶体的硬度，熔点和导电性。
金属晶体由由金属原子组成的球状结构排列而成，这种排列方式决定了金属的导电性，塑性和热导率。
共价晶体由共享电子键连接的原子组成，其性质取决于原子之间的键强度和排列方式。
微观结构还可以解释物质的物理和化学性质。
例如，溶解是物质相互作用的结果，其中溶剂分子与溶质分子之间发生相互作用。
这种相互作用可以是氢键，离子作用力或分散力等。
溶液的特性取决于溶剂和溶质之间这些相互作用类型和强度。
再举一个例子，化学反应是由分子之间的化学键的形成和断裂引起的。
化学反应的速率和产物的选择性取决于分子之间的相互作用强度和反应条件。
物质的多样性还可以通过改变其微观结构来实现。
《从微观结构看物质的多样性》 讲义
《从微观结构看物质的多样性》讲义在我们生活的这个世界中，物质呈现出了令人惊叹的多样性。
从我们呼吸的空气到脚下的大地，从璀璨的宝石到日常的食品，各种各样的物质无处不在。
那么，是什么导致了物质如此丰富多样的性质和形态呢？答案就藏在它们的微观结构之中。
首先，让我们来了解一下物质的基本构成单位——原子。
原子是化学变化中的最小粒子，不同的原子具有不同的质子数，这决定了它们的元素种类。
比如氢原子只有一个质子，而氧原子则有 8 个质子。
原子之间通过化学键相互结合形成分子。
分子的结构和组成决定了物质的性质。
以水分子（H₂O）为例，它由两个氢原子和一个氧原子通过共价键结合而成。
由于氧原子对电子的吸引力比氢原子强，使得水分子呈现出极性，这也就导致了水具有许多独特的性质，如良好的溶解性和较高的比热。
同种元素的原子可以通过不同的方式结合，形成同素异形体。
最常见的例子就是碳元素。
金刚石中的碳原子通过牢固的共价键形成了立体网状结构，这使得金刚石具有极高的硬度和稳定性；而石墨中的碳原子则以层状结构排列，层与层之间的结合力较弱，因此石墨质地柔软，具有良好的导电性。
晶体和非晶体也是物质多样性的重要体现。
晶体具有规则的几何外形和固定的熔点，这是因为其内部的原子、分子或离子在空间上有规则地排列。
例如氯化钠晶体（食盐），钠离子和氯离子按照一定的规律交替排列，形成了立方体的结构。
这种规则的排列使得晶体在物理性质上表现出各向异性，即在不同方向上具有不同的物理性质，如导电性、导热性等。
而非晶体则没有固定的熔点和规则的几何外形，其内部粒子的排列是无序的。
常见的非晶体有玻璃、橡胶等。
在物质的微观结构中，粒子的堆积方式也会影响物质的性质。
金属晶体中，金属原子通常以紧密堆积的方式排列，这使得金属具有良好的延展性和导电性。
离子晶体则是由正负离子通过静电作用结合在一起，由于离子键较强，离子晶体一般具有较高的熔点和硬度。
物质的微观结构还与物质的状态密切相关。
《从微观结构看物质的多样性》 讲义
《从微观结构看物质的多样性》讲义在我们生活的这个世界中，物质呈现出了令人惊叹的多样性。
从我们日常所见的各种材料，到构成生命的复杂分子，再到宇宙中的星辰和尘埃，物质的种类繁多，性质各异。
而要深入理解这种多样性的根源，就需要我们从微观结构的角度去探究。
一、物质的微观构成物质是由原子、分子和离子等微观粒子构成的。
原子是化学变化中的最小粒子，它由原子核和核外电子组成。
原子核内包含质子和中子，而核外电子则围绕原子核高速运动。
不同的原子具有不同的质子数，这决定了元素的种类。
分子是由原子通过一定的化学键结合而成的。
例如，氧气分子（O₂）由两个氧原子构成，水分子（H₂O）由两个氢原子和一个氧原子构成。
离子则是原子或分子在得失电子后形成的带电粒子。
二、晶体结构与物质多样性晶体是具有规则几何外形和固定熔点的固体。
根据晶体中微粒间的作用力不同，可以将晶体分为离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体。
离子晶体是由阴、阳离子通过离子键结合而成的。
常见的离子晶体有氯化钠（NaCl）、氯化铯（CsCl）等。
离子晶体的熔点较高，硬度较大，在熔融状态或水溶液中能够导电。
原子晶体中，原子之间通过共价键结合，形成空间网状结构。
典型的原子晶体有金刚石、硅晶体等。
原子晶体具有很高的熔点和硬度。
分子晶体中，分子之间通过范德华力或氢键相结合。
干冰（CO₂）、冰（H₂O）等都是分子晶体。
分子晶体的熔点和硬度通常较低。
金属晶体则是由金属阳离子和自由电子通过金属键结合而成。
金属具有良好的导电性、导热性和延展性。
三、同分异构体与物质多样性即使是相同的化学式，由于原子的连接方式和空间排列不同，也可能形成不同的物质，这就是同分异构体现象。
例如，丁烷（C₄H₁₀）就有正丁烷和异丁烷两种同分异构体。
它们的化学性质相似，但物理性质有所不同。
同分异构体的存在极大地丰富了有机化合物的种类，使得有机化学领域充满了多样性。
四、手性分子与物质多样性手性是指一种分子与其镜像不能重合的性质。
必修2 1.3从微观结构看物质多样性
3）形成离子晶体的物质归类： 大多数碱、大多数盐、金属氧化 物等
氯化钠晶体结构
一：组成晶体的微粒 Na+ Cl二：微粒之间的作用力 离子键
三：晶体中，是否存在独立 的NaCl分子？ 不存在，只存在Na+和 Cl四：NaCl表示的含义是 晶体中钠离子与氯离子个数比为1：1
Na+Cl-
+ 每个Na 周围有六个Cl
H C H H C HH C H H
H
4.结构式变结构简式：氢收在碳后，支链用括号
思考:根据碳、氢原子形成共价键的特征，我们来预测
组成为C4H10可能的分子结构，并书写其结构式。
H H H H H C C C C H H H H H
H H H H C C C H H H H C H H
二、同分异构现象
1772年拉瓦锡证明金刚石可燃，生成CO2， 进一步测定后确定金刚石是由碳组成的单质。 1779年舍勒证明石墨可燃，也生成CO2， 进一步测定后确定石墨是由碳组成的单质。 1799年法国科学家摩尔沃将一颗金刚石转变为石墨。 1955年美国科学家霍尔在1650℃，95000个 大气压下用石墨合成了金刚石。
专题1 微观结构与物质的多样性
第三单元 从微观结构看物质多样性
同素异形 同分异构 晶体类型
人类已发现的元素仅100多种，而 这些种类有限的元素却构成数千万种 不同的物质，你们知道这是为什么吗？
同素异形现象 同分异构现象
同种元素形成的单质一定是同 一种物质吗?
碳元素的单质
金刚石
石墨
思考： 如何证明金刚石和石墨由同一种元素组成？
同主族的金属元素,越往下熔沸点越低. 因为金属原子半径越大,核对外层电子引力弱,金属 键越弱，易电离,所以熔沸点低. 同主族的非金属元素,越往下熔沸点越高. 因为非金属元素组成分子晶体.越往下相对分子质 量越大,范德华力强,所以熔沸点高.
从微观结构看物质的多样性(1)
1．金刚石是由什么元素组成的？石墨是由什么 元素组成的？他们的物理性质是否相同？
提示 都是碳元素组成，物理性质不同，且相 差较大。 2．含碳化合物种类繁多的原因有哪些，试说明 其中一点。
提示 碳原子连接方式的多样性。 3．根据构成微粒的不同，你知道化合物有哪些
第三单元 从微观结构看物质的多样性
1．通过碳元素几种同素异形体的结构与性质的 学习，使学生了解同素异形现象，让学生感受 同种元素可以形成不同的单质。
2．通过对正丁烷和异丁烷、乙醇和二甲醚结构 模型的观察与思考，使学生了解有机物的同分 异构现象。
3．通过列表比较的方法，使学生了解不同类型 的晶体在结构、构成微粒、物理性质等方面的 差异。
①35Cl和37Cl ②C60和金刚石 ③O3和O2 ④ CCl4和CHCl3
⑤CH3CH2CHC2CHH3 2CHCH3和
CH3CH2CCHH23CHCH2CH3 CH3CH2OH
⑥ CH3CH2CH3 和
解析 ①是质子数相同、中子数不同的同一元 素的不同原子，属于同位素；②是同一元素组成 的不同单质，属于同素异形体；③与②相似；④、 ⑥是分子式不同的化合物，属于不同种分子；⑤ 是分子式相同、分子结构不同的物质，属于同分 异构体。
结构，层内碳原子间以
结合，每一层内
碳分原子子间作排用列力成平面正六边形，层间碳原子分子间存
在 闭笼状
；足球C烯60是由60个氧气碳原子形白成磷的封
，形似足球，人们把它称为
。
臭氧与 、红磷与 互称同素异形体。单质种
的现象叫
同 素 异 形 现 象 ， 这同素些异形单体质 互 称 为 该 元 素
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本单元结束啦！
• 接着学习专题2：化学反应 与 能量转化
三个概念比较
同位素 描述对象
相同点
同素异形体
同分异构体
原子
质子数相等
单质
元素相同
化合物
分子式相同
不同点
实例
中子数不同 组成结构不同 分子结构不同
16O与18O
35Cl与37Cl 12C与14C
O2与O3 ， 正丁烷与异丁 红磷与白磷， 烷（C4H10）， 金刚石与石墨 乙醇与二甲醚
课题1：同素异形现象
单元2：从微观结构看物质的多样性
• 微观粒子是多样的，分子、原子、离子； • 微观粒子之间的作用力是多样的，离子键、 共价键，分子间作用力等；
• 由多样的粒子经多样的作用力构成的宏观 物质也是多样。 • 课题1：同素异形现象 • 课题2：同分异构体 • 课题3：不同类型的晶体
——原子晶体、分子晶体、离子晶体、金属晶体
• 试写出C2H4Cl2的结构式；
• 试写出CH2Cl2的结构式；
• 试写出C5H12 的结构简式。
课题3：不同类型的晶体
——原子晶体、分子晶体、离子晶体、金属晶体
• 【问题】晶体类型的判断方法？ • 【方法1】从物质分类上判断：
• 【方法2】从物质性质上判断：
表1-10 几种常见晶体的物理性质
• 分子式相同而结构不同的化合物互称为同分异构体。
——“基团不同”或原子连接方式不同。 • “结构不同”的含义？
正丁烷与异丁烷分子结构比较(从基团看) 正丁烷分子中含有2个甲基和2个亚甲基； 异丁烷分子中含有3个甲基和1个次甲基。
乙醇与二甲醚分子结构比较 乙醇分子中含有1个甲基、1个亚甲基和1个羟基； 二甲醚分子中含有2个甲基和1个氧原子。
• 从基团看，指出正丁烷与异丁烷分子 “结构不同” 之处。 正丁烷 分子中含有 2个 甲基 和 2个 亚甲基； 异丁烷 分子中含有 3个 甲基 和 1个 次甲基。 • 从基团看，指出乙醇与二甲醚分子 “结构不同”之 处。 分子中含有 1个 甲基、1个 亚甲基 和 1个 羟基； 乙醇 二甲醚 分子中含有 2个 甲基 和 1个 氧原子。
化学式
结 构
P4
正四面体
P
——
能自燃 常温下稳定 性质1 （保存或用途） （保存在冷水中）（制作安全火柴）
性质2 转化
剧毒
——
白磷与红磷在高温绝氧下可以相互转化
知识回顾 • 同素异形体 • 差异
氧气 化学式 性质 味
淡蓝色 鱼腥味
转化
助燃 供呼吸 杀菌消毒 脱色 放电条件下O2可转化为 O3
【知识基础】 金刚石与石墨的性质 P.18 白磷与红磷的性质P.20 O2与O3 的性质 P.19 【问题1】哪些事实可证明金刚石与石墨是两种物质？ 【问题2】哪些事实可证明金刚石与石墨都只含碳元素？ 【问题】哪些事实可以证明 【问题】哪些事实可以证明 与 与 是两种不同的物质？ 都只含 元素？
课题2：同分异构体
知识回顾 • 同素异形体 • 差异
金刚石 化学式
正四面体 空间网状结构
石墨
正六边形 平面网状结构
C
C
结 构
性质1 （用途1） 性质2（用途2）
十分坚硬 （钻头、切割刀）
透明、有光泽 （装饰品）
软 （润滑剂） 能导电 （作电极）
转化
石墨在高温高压下可转化为金刚石
知识回顾 • 同素异形体 • 差异
白磷 红磷
金属 晶体 金属键
熔点 硬度差 异大，能导 电、传热、 延展性，金 属光泽。
晶体 熔点较高，硬 熔点高，硬 熔点较低， 性质 度较大，熔融 度大，熔融 硬度较小， 特点 时能导电，水 时不能导电， 熔融时不能 溶性差异大。 “不溶”。 导电，可溶 于有机溶剂。
表1-10 几种常见晶体的物理性质
晶体 氯化钠 熔点 oC 固体 硬度 801 较硬 氯化 金刚 二氧 钡 石 化硅 1560 >3550 1723 较硬 很硬 硬、 脆 硫 112.8 脆 白磷 44.1 软 钠 97.8 柔软 钨 3410 硬
晶体 类型
作用力
离子 晶体
离子键
原子 晶体 共价键
熔点高，硬 度大，熔融 时不能导电， “不溶”。
分子 晶体 分子间力 （范
德华力或氢键）
金属 晶体 金属键
晶体 熔点较高，硬 性质 度较大，熔融 特点 时能导电，水 溶性差异大。
熔点较低，硬 熔点 硬度差 度较小，熔融 异大，能导电、 时不能导电， 传热、延展性， 溶于有机溶剂。 金属光泽。
知识回顾 • 臭氧层
• 臭氧层的存在 ——高度15~50km 平流层
• 臭氧层的作用 ——使生物免受紫外线伤害 • 臭氧层的保护 ——禁用氟氯烃； ——减少NOx的排放。 NOx对环境的污染（小结）：
——产生硝酸型酸雨； ——与碳氢化合物作用产生光化学烟雾；
——加速臭氧分解，破坏臭氧层。
知识回顾 • 同分异构体
晶体 氯化钠 氯化 金刚 二氧 硫 白磷 钡 石 化硅 801 1560 >3550 1723 112.8 44.1 熔点 oC 固体 硬度 较硬 较硬 很硬 硬、 脆 脆 软 钠 97.8 柔软 钨 3410 硬
晶体 类型
作用力
离子 晶体 离子键
原子 晶体 共价键
分子 晶体 分子间力 （范
德华力或氢键）