全国高中化学竞赛学习资料

1全国高中化学竞赛资料第一讲原子结构。核外电子运动状态，用s、p、d等来表示基态构型（包括中性原子、正离子和负离子），核外电子排布。电离能和电负性。一、原子核1．原子核（1）原子的组成原子核和核外电子构成（2）原子核的组成质子（p）和中子构成（3）质量数（A）数值上等于质子数（Z）和中子（N）数之和，是质子和中子相对质量之和取其整数值。A=P+N（4）原子符号（5）原子中的质量（由原子核的质量决定）、体积（由核外电子运动的空间区域决定）、电性（质子数等于核外电子数，电中性）关系2．同位素（1）元素具有相同核电荷数（质子数）的同一类原子（如1H、2H、3H）的总称（2）核素具有确定的质子数和中子数的原子，氢元素有三种核素：1H、2H、3H（3）同位素同种元素不同种核素互称为同位素,如互称同位素a.同位素的化学性质几乎相同b.稳定核素在自然界中含量不变c.重要同位素的应用(2H、235U、18O、14C等)3．相对原子质量（1）相对原子质量的定义（2）核素（原子或同位素）的相对原子质量以1个12C质量的1/12作标准，其他核素的质量跟它的比值2（3）核素（原子或同位素）的近似原子量在数值上等于质量数（4）元素的相对原子质量同种元素各种核素的相对原子质量的平均值（5）元素的近似原子量同种元素各种核素的近似相对原子质量的平均值例：35Cl34．96975．77%37Cl36．96624．23%平均35．45335Cl3575．77%37Cl3724．23%平均35．4二、微观粒子的运动规律（3）电子层（n）、电子亚层（l）、nl每层轨道数每层最多容纳电子数符号取值符号取值K11s012L22s、2p11+3=48M33s、3p、3d21+3+5=918N44s、4p、4d、4f31+3+5+7=1632…………n-1…………n决定电子运动离核的距离n和l决定电子的能量a．s电子云球形一种状态b．p电子云纺锤形三种取向（px、py、pz）c．d电子云四叶花瓣形五种取向（dxy、dyz、dxz、dx2-y2、dz2）d．f电子云形状复杂能级交错按ns、(n-2)f、(n-1)d、np顺序，能量由低到高3．核外电子排布规律3a.能量最低原理按ns、(n-2)f、(n-1)d、np顺序填入电子b.泡利不相容原理同一原子中找不到运动状态完全相同的两个电子，即1个轨道最多容纳2个电子c.洪特规则及特例电子尽可能占有最多的等价（能量相同的）轨道电子在填入轨道时，半满、全满、全空状态时更稳定（7）表示核外电子排布的方法a.原子结构简图b.电子排布式c.轨道表示式练习：A．用电子排布表示19—36号元素的核外电子排布B．用轨道表示式表示1-18元素的核外电子排布五、元素周期律1．元素周期律的内容元素的性质随核电荷数递增而呈现周期性的变化42．元素周期律中元素的性质指的是什么(第1电离能、原子半径、主要化合价等)（1）电离能（I）从气态原子上失去1个电子变成+1价气态阳离子所需要的能量叫第1电离能，用I1表示；从+1价气态阳离子失去1个电子变成+2价气态阳离子所需要的能量叫第2电离能，用I2表示等。从电离能的突变可以推断出电子是分层排布的。第1电离能的周期性变化分析3-18号元素第1电离能的变化规律（2）电负性：原子在分子中吸引电子的能力。1932年化学家鲍林(L.Pauling)指出:“电负性是元素的原子在化合物中吸引电子能力的标度。”并提出：F的负电性为4.0，其它原子的负电性均为相对值，以Xp表示。Xp的数值越大,表示该元素的原子吸引电子的能力就越强;反之,Xp的数值越小,表示该元素的原子吸引电子的能力就越弱。。3Li4Be5B6C7N8O9F10Ne电离能51990079910881406131416822080电负性0.981.572.042.553.043.443.98*11Na12Mg13Al14Si15P16S17Cl18Ar电离能4987365777871063100012552372电负性0.931.311.611.902.192.583.16*3．元素周期律的实质元素核外电子排布的周期性六、元素周期表1．元素周期表的结构（1）周期：把具有相同的电子层数而又按原子序数递增的顺序排列的一系列元素，叫做一个周期。周期的序数就是该元素原子具有的电子层数。元素周期表中共有7个周期。第一、二、三周期为短周期，第四、五、六周期为长周期，第七周期为不完全周期。（2）族：元素周期表中共有18个纵行。除第8、9、10三个纵行叫做第Ⅷ族外，其余15个纵行，每个纵行称为一族，并分为主族和副族。7个主族，7个副族，一个第Ⅷ族，一个0族，共16个族。（3）区，划分为s、p、d、ds和f五个区5（4）最外层电子构型外围电子构型、特征电子构型、价电子构型（5）各周期元素的数目2．结构和性质的关系（1）元素的金属性和非金属性元素的金属性是指元素的原子失去电子变成阳离子的性质，元素的非金属性是指元素的原子得到电子变成阴离子的性质。元素的原子越易失去电子，金属性就越强；元素的原子越易得到电子，非金属性就越强。11-18号元素金属性和非金属性性质变化规律（2）同一周期元素，从左到右，元素金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强。（3）同一主族元素，从上到下，元素金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱。（4）金属元素、非金属元素跟结构之间的关系例：116、117、118元素分别是金属元素还是非金属元素？3．过渡元素和铂系元素过渡元素是指元素周期表中d区的一系列金属元素，又称过渡金属。一般来说，这一区域包括3到12一共十个族的元素，但不包括f区的内过渡元素。铂系元素都是稀有金属，它们在地壳中的质量分数估计为：铂系元素几乎完全以单质状态存在，高度分散在各种矿石中，并共生在一起。从铂系元素原子的价电子结构来看，除锇和铱有2个s原子外，其余都只有1个s电子或没有s电子。第二讲共价键与分子结构共价键理论1、共价键的成键原理价键的形成可以看作是原子轨道重叠或电子配对的结果。两个原子如果都有未成键的电子，并且自旋方向相反，就能配对，也就是原子轨道可重叠形成共价键。重叠部分越大，所形成的共价键就越牢固。（键长越短，键能越大）6由一对电子形成的共价键叫做单键，如果原子各有二个或三个未成键的电子，构成的共价键则是双键或叁键。这一理论最早是由路易斯（1916年，G．C．Lewis，美国化学家），所以我们通常所说电子式又称为路易斯结构式。在路易斯结构式中，线段的意义，如前所述，代表共用电子对，仍称“单键”、“双键”和“叁键”（代表1，2，3对共用电子对）。成对的小黑点则代表未用来形成化学键的“价层电子对”，叫做“孤对电子对”（有时分子里有单个的非共用电子，如NO2）。对于无机物，写路易所结构式就要困难得多。但大多数情况下，“八偶律”仍是起作用的。从上面已经写出的路易斯结构式里我们很容易发现这一点。但有时八偶律不起作用。主要有两种例外。①缺电子结构——价电子，包括形成共价键的共用电子对之内，少于8电子的，称为缺电子结构。例如，第3主族的硼和铝，中性原子只有3个价电子，若一个硼原子和其它原予形成3个共用电子对，也只有6个电子，这就是缺电子结构。典型的例子有BCl3、AlCl3（这些化学式是分子式，即代表一个分子的结构）。缺电子结构的分子有接受其它原子的孤对电予形成配价键的能力。例如：BCl3＋:NH3＝Cl3B←NH3②多电子结构例如，PCl5里的磷呈5价，氯呈1价。中性磷原予的价电子数为5。在PCl5磷原子的周围的电子数为10，超过8。这种例外只有第3周期或更高周期的元素的原子才有可能出现。2、共价键的特性①饱和性。当原子的未成键的一个电子与某原子的一个电子配对之后，就不能再和第三个电子配对了，这就是共价键的饱和性。②方向性。成键时，两个电子的原子轨道发生重叠，重叠部分的大小决定共价键的牢固程度。p、d、f、有一定的方向性。3、共价键的键型。从电子云重叠的方式来看，共价键可分为σ键和π键。7①σ键当原子之间只有一对电子时，这对电子形成的化学键为单键。单键是σ键，σ键是成键的两个原子的轨道沿着两核连线方向“头碰头”进行重叠而形成的共价键。s与s轨道，s与p轨道，p与p轨道可以形成σ键。σ键的特点是重叠的电子一在两核连线上，受原子核束缚力较大，重叠程度也大，比较牢固。②π键π键是成健原子的p轨道电子云“肩并肩”进行重叠而形成的共价键。一般来说，π健不能独立存在，总是和σ键一起形成双键或叁键。π键的特点是重叠的电子云分布在两核连线的两方，受原子核束缚力小，电子云重叠程度要比σ键小得多，所以π键不如σ键牢固。但是π键电子云受原子束缚力小，电子的能量较高，易活动，其化学性质较σ键活泼。电子配对法阐明了共价键的本质、特征和类型，但在解释多原子分子的几何形状（或空间构型）方面遇到了困难。例如C原子只有两个成单电子，但能形成稳定的CH4分子，所以电子配对法不能说明甲烷分子为什么是正四面体构型的分子。1931年鲍林提出杂化轨道理论，满意地解释了许多多原子分子的空间构型。二、杂化轨道理论。形成分子时，由于原子间的相互影响，使同一原子中能量相近的不同类型原子轨道，例如ns轨道与np轨道，发生混合，重新组合为一组新轨道．这些新轨道称为杂化轨道。杂化轨道的数目等于参与杂化的原子轨道数目。杂化有多种方式，视参加杂化的原子以及形成的分子不同而不同。①sp3杂化——这是原子最外层的1个s轨道和3个p轨道发生的杂化。杂化以后形成四个等价的sp3杂化轨道。碳原子在与氢原子形成甲烷分子时就发生了8sp3杂化。发生杂化时，碳原子的2s轨道和3个2p轨道发生混杂，形成4个能量相等的杂化轨道，碳原子最外层的4个电子分别占据1个杂化轨道。杂化轨道的形状也可以说介于s轨道和p轨道之间。四个sp3杂化轨道在空间均匀对称地分布——以碳原子核为中心，伸向正四面体的四个顶点。这四个杂化轨道的未成对电子分别与氢原子的1s电子配对成键，这就形成了甲烷分子。杂化轨道理论不仅说明了碳原子最外层虽然只有2个未成对电子却可以与4个氢原子形成共价键，而且很好地说明了甲烷分子的正四面体结构。在形成H2O、NH3分子时，O、N原子实际上也发生了sp3杂化。与C原子杂化不同的是N、O原子最外层电子数分别为5个和6个，因而四个sp3杂化轨道里必然分别有1个和2个轨道排布了两个电子。这种已经自配对的电子被称为孤对电子。N和O的未成对电子分别与H原子的1s电子结合就形成了NH3分子和H2O分子。孤对电子相对来说带有较多的负电荷。受孤对电子云的排斥，NH3分子中N－H键间的夹角被压缩为107º，H2O分子中O—H键间的夹角被压缩到104º40¹。含有孤对电子的杂化被称为不等性杂化。NH3和H2O分子中N和O都发生了不等性sp3杂化。②sp2杂化—BCl39这是原子最外层的一个s轨道和两个p轨道发生的杂化。杂化后形成三个等价的sp2轨道。B原子最外层的3个电子分别占据1个杂化轨道。在空间以B原子为中心3个sp2轨道伸向平面三角形的三个顶点。所以sp2杂化轨道夹角为1200。此外SO3中的硫原子也是sp2杂化。③sp杂化——形成CO2分子时，碳原子1个2s轨道与1个2p轨道发生杂化，形成两个sp杂化轨道。两个sp杂化轨道在X轴方向上呈直线排列，未杂化的两个即轨道分别在Y轴方向和Z铀方向垂直于杂化轨道。两个氧原子各以一个2p轨道与碳原子的sp杂化轨道重叠形成σ键。而两个氧原子的另一个未配对的2p轨道分别在Y轴方向和Z轴方向与碳原子的未杂化的2p轨道“肩并肩”重叠形成π键。所以CO2分子中碳、氧之间以双键相结合。碳原子在形成乙炔（C2H2）时也发生sp杂化，两个碳原子以sp杂化轨道与氢原子结合。两个碳原子的未杂化2p轨道分别在Y轴和Z轴方向重叠形成π键。所以乙炔分子中碳原子间以叁键相结合。所以sp杂化轨道夹角为1800④sp3d杂化——磷原子在形成PCl5分子时，除最外层s、p轨道参与杂化外，其3d轨道也有1个参加了杂化，称为sp3d杂化。杂化后形成5个杂化轨道，其中各有1个未成对电