工程化学—物质的机构与性能.ppt

第2章物质的结构与性能 物质的结构及性能 本章内容 原子结构原子的键合与简单分子的结构分子间力和氢键 2 1原子结构 2 1 1 氢原子光谱1 连续光谱 continuousspectrum 2 线状光谱 原子光谱 linespectrum 3 氢原子可见光谱 1 原子中 电子是在一些符合一定条件的轨道上运动 这些轨道称为稳定轨道 stableorbital 它具有固定的能量 在最低能量的稳定轨道上运动的电子 称为基态电子 在稳定轨道上运动的电子不吸收能量 也不发射能量 2 1 2 玻尔 Bohr 理论的三个假设 2 电子在不同轨道上运动时具有不同的能量 通常把这些具有不连续能量的状态称为能级 energylevel 3 当电子从某一轨道跃迁到另一轨道时 有能量的吸收或放出 若电子从低能态轨道吸收能量跃迁到高能态轨道运动 就称为激发态电子 玻尔理论的局限 1 多电子原子光谱2 氢原子的精细光谱 玻尔 Bohr 理论的三个假设 2 微观粒子的波粒二象性1881年 汤姆逊在大量阴极实验的基础提出阴极射线是动能极大的带负电的粒子流 即电子流是微粒流 具有粒子性 2 1 3 微观粒子的运动规律 1 光的波粒二象性光的粒子性 光电效应光的波动性 具波的特性 如干涉 衍射等 电子发射器 晶体镍 照相底片 波粒二象性是微观粒子运动的基本属性 1924年 法国物理学家德布罗依 louis de broglie 受光的波粒二象性的启发 提出微观粒子也具有波粒二象性 德布罗衣关系式 h mv 波动性 1927年 电子衍射实验 微观粒子的运动规律 2 1 4 薛定谔方程与四个量子数 ErwinSchrodinger 奥地利物理学家 量子力学中描述核外电子在空间运动的数学函数式 即原子轨道 通常用 x y z 表示 E 轨道能量 动能与势能总和 m 微粒质量h 普朗克常数x y z为微粒的空间坐标 1 薛定谔方程 1926 2 电子云 反映电子在空间某位置上单位体积内出现的几率大小 用波函数的平方l l2来描述 电子云 电子云是电子在空间出现几率密度的形象化图示 通常用小黑点的疏密来表示 几率密度 微观粒子运动的统计性 电子运动的统计行为构成了其波动性 主量子数 角量子数 磁量子数 n 1 2 3 l 0 1 2 n 1 m 0 1 2 l n l m 表示一个原子轨道 3 量子数 无外加磁场时 n l相同的原子轨道能量相同 称为等价轨道 如 2 1 0 2 1 1 2 1 1 量子数的物理意义 主量子数 n 代表电子出现几率密度最大的地方离核的平均距离 电子层 角量子数 l 反映原子轨道的形状 电子亚层 0 1 2 3 s p d f 磁量子数 m 反映原子轨道的空间取向 自旋量子数 ms 表征电子的自旋状态 取值 通常用 或 表示 n l m ms 可全面描述核外电子的运动状态 s p d原子轨道及电子云的角度分布剖面图 电子云 无 原子轨道 有 略 瘦 略 胖 正负 形状 注意 s电子云除外 电子云与原子轨道的角度分布图区别 四个量子数描述核外电子运动的可能状态 例 n 11sn 2l 0 m 02sl 1 m 0 12pn 3l 0 m 03sl 1m 0 13pl 2m 0 1 23d 1 L Pauling原子轨道近似能级图 牢记 1s 2s2p 3s3p 4s3d4p 5s4d5p 6s4f5d6p 7s5f6d2 徐光宪先生的近似规律 多电子原子体系外层电子的能级与 n 0 7l 有关 n 0 7l 值越大 能级越高 对于离子的外层电子 n 0 4l 值越大 能级越高 对于原子或离子较深的内层电子来说 能级高低基本上由主量子数确定 2 1 5多电子原子核外电子排布及元素周期表 2 1 5 1 多电子原子能级 2 2 1 5 2基态原子中电子的分布原则 必须掌握 1 能量最低原理核外电子总是分布到能量较低的轨道 这一规律称为能量最低原理 lowestenergyprinciple 因此 核外电子按近似能级图由低至高填充到各原子轨道中 2 Pauli不相容原理同一个原子中不会有运动状态完全相同的两个电子 这一规则说明了任何一个原子轨道最多只能容纳两个自旋方向相反的电子 3 Hund规则在同一亚层的各个轨道 即简并轨道或等价轨道 上 电子将尽可能以自旋平行的方向分占不同的原子轨道 如 氮原子的最外层电子分布如下 作为洪特规则的特例 当等价轨道处于全充满 p6 d10 f14 半充满 p3 d5 f7 或全空状态时 原子的结构比较稳定 核外电子会优先按此分布 基态原子中电子的分布 书写基态原子的电子结构分布式步骤如下 1 写出原子轨道能级顺序 2 按上述三原则和特例在每个轨道上填充电子 3 将相同主量子数的各亚层按s p d f的顺序进行整理 即可得到基态原子的电子结构分布式 例 写出35号元素溴元素的电子结构分布式 2 原子的电子构型及周期表中族的划分 2 1 5 3 元素周期表 1 能级组与元素周期的划分周期的划分就是核外电子能级的划分 各能级组容纳的电子数就等于相应周期元素的数目 周期号数 电子层数 主族 B B 族号 最外层电子数 B B 族号 最外层电子数 n 1 d电子数 最高能级组中的电子数 包括三列 n 1 d6 8ns2最高能级组中的电子数为8 10 零族 ns2np6 A0 A B B B A A s区d区ds区p区ns1 2 n 1 d1 9ns1 2 n 1 d10ns1 2ns2np1 6f区 n 2 f0 14 n 1 d0 2ns2 3 电子构型与周期表中区的划分 例 写出24号元素原子核外电子排布 该元素是第几周期 第几族 是金属还是非金属 最高氧化态为多少 1s22s22p63s23p63d54s1 元素周期表 1 原子半径的变化规律同一主族元素 自上而下 原子半径增大 2 同一周期元素原子半径的变化规律 短周期 自左至右 原子半径逐渐减小 变化幅度较大 长周期过渡元素 自左至右 原子半径逐渐减小 变化幅度较小 镧系收缩 3 同一副族元素 自上而下变化幅度小 第五 六周期元素原子半径非常接近 La系收缩 2 1 6 元素的基本性质及周期性的变化规律 原子半径 1 共价半径 2 金属半径 3 范德瓦尔半径 第一电离能 气态原子在基态时失去最外层一个电子成为 1价气态离子所吸收的最低能量 A g A g eI1第二电离能 由气态 1价离子再失去一个电子成为 2价离子所需的能量 I1 I2 I3 I4关于电离能 1 电离能越小 说明原子在气态时越易失去电子 金属性越强 2 元素的电离能随Z的变化而呈现周期性的变化 元素的基本性质及周期性的变化规律 2 电离能 元素的基本性质及周期性的变化规律 3 电子亲合能 electronaffinity 元素的一个气态原子在基态得到一个电子形成气态负离子所释放的能量 符号EA 用焓变的负值 H 表示 元素的基本性质及周期性的变化规律 关于电子亲合能 1 元素的第一电子亲合能是放热的 第二 第三电子亲合能是吸热的 2 电子亲合能数值越大 该原子生成气态负离子的倾向性越大 同一周期 自左至右 第一电子亲合能逐渐增大 IIA VA有特殊 3 元素具有较高的电离能 也倾向于具有较高的电子亲合能 元素的基本性质及周期性的变化规律 4 电负性分子中原子吸引电子的能力大小的量度 关于电负性 1 电负性数值越大 原子在分子中吸引电子的能力就越强 反之越弱 2 电负性呈周期性变化的规律 主族 同周期从左到右电负性一般递增同主族从上到下电负性一般递减 5 氧化数元素的氧化数 oxidationnumber 亦可称氧化值或氧化态 表示化合物中各原子所带的电荷或形式电荷数 该电荷数是假设把化合物中的成键原子间的共用电子都指定归于电负性更大的原子而求得 化合价 元素原子结合成分子时原子数目的比例关系 元素的基本性质及周期性的变化规律 离子键 共价键 金属键 2 2原子的键合与简单分子的结构 化学键 2 2 1 离子键 定义 正 负离子间的静电引力形成的强化学结合力 本质 静电作用力特点 1 无方向性 2 无饱和性 电负性之差 1 7才能形成典型的离子键 离子键强度影响因素 离子电荷 离子半径 2 2 2 共价键 价键理论 ValenceBondTheory VB理论 杂化轨道理论分子轨道理论 MoleculeOrbitalTheory MO理论 要点 1 电子配对原理 H2 H H 1927年Heitler和London初步阐明共价键的本质 1H1s1 实质 共用电子对 2 2 2 1 价键理论 价键理论 2 成键原理 a 能量相近 如H HCl ClH Cl 共价多键 如O ON N 注意 共价键数受未成对电子的限制 共价单键 b 对称性匹配 c 最大重叠原理 原子轨道重叠时 只有同号才为有效重叠 最大重叠 较小重叠 减弱或抵消 异号重叠 不匹配 价键理论 CH4 6C 1s22s22P2 键 头碰头 肩并肩 特点 饱和性方向性 键型 键 价键理论 要点 原子形成分子时 中心原子先将能量相近的不同类型的原子轨道杂化 形成数目相同成键能力更强的杂化轨道 再成键 a 杂化 杂化轨道 混合 重新组合 分配能量 确定空间取向 新轨道 2 2 2 2 杂化轨道理论 b 杂化本质 原子轨道的重新分配 c 杂化条件 参与杂化的原子轨道能量相近 形成的杂化轨道数与参与杂化的原子轨道数相同 杂化轨道理论 杂化轨道在中心原子核外的分布 4Be 2s2 激发 sp杂化 BeCl2 每一个sp杂化轨道形状 一头大 一头小 成分 1 2s 1 2p 杂化轨道类型 sp杂化 杂化轨道理论 等性杂化 Cl Be Clsp杂化 17Cl3s23p5 BeCl2分子 键 键角 180 空间构型 直线型 BeCl2 HgCl2等 Be Cl键型 sp杂化 杂化轨道理论 sp2杂化 BF3 5B 2s22p1 激发 sp2杂化 每一个sp2杂化轨道形状 一头大 一头小 成分 1 3s 2 3p 杂化轨道理论 9F2s22p5 BF3分子 键 键角 120 空间构型 平面三角形 BF3 BCl3等 B F键型 sp2杂化 杂化轨道理论 sp3杂化 CH4 6C 2s22p2 激发 sp3杂化 每一个sp3杂化轨道形状 一头大 一头小 成分 1 4s 3 4p 杂化轨道理论 1H1s1 CH4分子 键 键角 109 28 空间构型 正四面体 CH4 CHCl3 四面体 C H键型 sp3杂化 杂化轨道理论 不等性杂化 如NH3 7N 2s22p3 不等性 3 4p 1 4s 3 4p 1H1s1 如H2O 不等性 2s22p4 8O 杂化轨道理论 总结 杂化轨道类型 参加杂化轨道 杂化轨道数目 成键轨道键角 分子空间构型 实例 中心原子 BeHg sp sp2 sp3 sp3 不等性 1s 1p 1s 2p 1s 3p 1s 3p 2 3 4 4 180 120 109 28 直线型 平面三角形 正 四面体 三角锥型 V型 BeCl2 HgCl2 BF3 BCl3 CH4 CHCl3 NH3 H2O H2S PH3 B C NP OS A B A A A A 共价键的键参数 键能 形成一个化学键所能够放出的能量 键离解能 断裂某一个化学键所需要提供的能量 其单位为kJ mol 1 键角 是指分子中相邻两个键之间的夹角 通常在60 180 之间 键长 是指分子中两成键原子间的平均距离 单位常用nm 2 2 3 金属键 金属键 自由电子与金属正离子间的强结合力 极性分子与非极性分子分子的极化 分子间作用力 范德华力氢键 2 3分子间力和氢键 2 3 1 极性分子与非极性分子 根据正负电荷重心在分子内部的分布情况可把共价分子分为极性分子与非极性分子 极性分子 非极性分子 分子 整体 电中性 局部 正电荷部分 原子核 负电荷部分 电子 0 0 分子的偶极矩 q q l 单位 C m 方向 正电荷中心 负电荷中心 q l 键的极性与分子极性为不同概念 分子内存在极性键 未必 极性分子 Eg Eg 分子无极性 分子有极性 但极性分子中一般都存在极性键 分子极性与键的极性 HClH Cl 极性键 极性分子 2 1 3 0 3 6 10 13c m 直线形 H2H H 2 1 2 1 非极性键 0 非极性分子 直线形 CO2C O 2 5 3 5 极性键 0 非极性分子 直线形 SO2S O 2 5 3 5 极性键 5 44 极性分子 V字形 BF3B F 2 0 4 0 极性键 0 非极性分子 平面三角形 NH3N H 3 0 2 1 极性键 4 9 极性分子 三角锥形 CH4C H 2 5 2 1 极性键 0 非极性分子 正四面体形 对于空间构型对称 如直线形 平面三角形 正四面体型等 的分子 由极性键形成非极性分子 多原子分子 分子极性不仅与键的极性有关 还与分子空间构型有关 对于空间构型不对称 如四面体型 三角锥型 V字形等 的分子 由极性键形成极性分子 双原子分子 由极性键形成极性分子 由非极性键形成非极性分子 由键的极性就可以确定分子极性 分子极性与溶解度有关 相似相溶原理 极性溶质易溶于极性溶剂中 非极性溶质易溶于非极性溶剂中 润滑油机油 汽油甲苯 乙醇丙酮 水 非 弱 极性物质 非 弱 极性溶剂 极性溶剂 例如 油污染零件的清洗 2 3 2 分子的极化 分子的极化 在外电场作用下 共价分子的正负电重心被分化的过程 分子的变形性 电子云与原子核发生相对位移而使分子外形 分子中电子云形状 发生变化的性质 诱导偶极固有偶极瞬时偶极 2 3 3 分子间作用力 1 色散力 色散力 诱导力 取向力 瞬时偶极 某一瞬间 另一瞬间 异极相邻 存在于一切分子中 范德华力包括 瞬时偶极间的作用力 2 诱导力 异极相邻 极性分子 非极性分子 极性分子 极性分子 诱导偶极同固有偶极间的作用力 3 取向力 极性分子 极性分子 异极相邻 固有偶极间的作用力 总结 色散力 诱导力 取向力 色散力 诱导力 色散力 分子色散诱导取向总能量H20 17000 17Ar8 48008 48Xe18 400018 40CO8 780 0080 0038 79HCl16 721 103 3421 05HBr28 420 711 0930 22HI60 470 290 661 36NH314 721 5