第一章_物质结构基础知识ppt课件

第一章物质结构基础,第一节,原子核外电子的运动状态,第二节,原子核外电子的排布,第三节,元素基本性质的周期性,第四节,化学键,第五节,第六节,杂化轨道理论与分子空间构型,分子间力和氢键,第一节原子核外电子的运动状态,一、微观粒子的波粒二象性,光的波粒二象性,20世纪初，爱因斯坦提出了质能转换关系：E=mc2,光具有动量和波长，也即光具有波粒二象性。,由于E=hvc=vhv=mc2=mcv=h/mc=h/p式中，c为光速,h为普朗克常数，h=6.62610-34Js1，p为光子的动量。,1924年法国物理学家德布罗意提出电子等微粒也具有波粒二象性，并预言其波长入和质量m存在关系式：,h：普朗克常数v：微观粒子的速度,1927年德布罗意的假设被电子衍射实验证实。,电子束,物理学的研究表明：微观粒子和经典力学中的质点不同，它不遵守牛顿力学定律，没有固定的运动轨迹，应用量子力学描述微观粒子的运动状态。量子力学认为微观粒子的能量是量子化的，粒子可处于不同能级上，当粒子从一个能级跃迁到另一个能级时，能量变化是跳跃式、不连续的。,结论：,二、波函数和原子轨道,描述核外电子运动的波动方程。,薛定谔方程,：电子的波函数，是空间坐标x、y、z的函数m：电子的质量E：电子的总能量V：电子的势能,由薛定谔方程解出来的描述电子运动状态的波函数（有时是波函数的线性组合），在量子力学上叫做原子轨道。它可以表示核外电子的运动状态。,解出每一个原子轨道，都同时解得一个特定的能量E与之相对应。,式中:z是原子序数，n是参数，eV是能量单位。,在此，并不要求我们去解薛定谔方程，只要了解薛定谔方程的一般思路即可。,三、概率密度和电子云,概率：电子在某一区域出现的机会。概率与电子出现区域的体积有关，也与所在研究区域单位体积内出现的次数有关。概率密度：电子在单位体积内出现的概率。,概率与概率密度之间的关系：概率（W）=概率密度体积（V）相当于质量，密度和体积三者之间的关系。,电子云图是概率密度|2的形象化说明，用点的疏密表示概率密度分布。黑点密集的地方，|2的值大，概率密度大；反之概率密度小。,当某空间区域中概率密度一致时，我们可用乘法求得概率。,量子力学理论证明，概率密度=|2，于是有w=|2V,例如，氢原子1s电子云：,四、四个量子数及其对核外电子运动状态的描述,1、主量子数（n）,取值：1，2，3，4n为正整数光谱符号：K，L，M，N意义：表示核外电子离核的远近，或者说是电子所在的电子层数，是决定电子能量的重要因素。n=1表示第一层(K层)，离核最近。n越大离核越远。,E：电子能量，Z：原子序数，eV：电子伏特，能量单位，1eV=1.6031019J,2、角量子数（l）取值：受n限制,对于确定的主量子数n，角量子数l可以为0，1，2，3，4(n1)，共n个取值。光谱符号：s，p，d，f，g表示。,例如：n=3，角量子数l可取0，1，2共三个值，依次表示为s，p，d,意义：角量子数l决定原子轨道的形状,l=0表示s轨道，形状为球形对称状l=1表示p轨道，形状为哑铃状l=2表示d轨道，形状为花瓣状l=3表示f轨道，形状为复杂的花瓣形,同层中(即n相同)不同形状的轨道称为亚层，也叫分层。,对多电子原子，由于电子之间的相互作用，当n相同，l不同时，各分层电子的能力也不同。当主量子数相同，轨道的能量高低顺序为：nsnpD2D3，为什么？,ENH=390.5(kJmol1),键长,分子中成键两原子核之间的距离,一般键长越小，键越强。,在不同化合物中，相同的键，键长和键能并不相等。例如，CH3OH中和C2H6中均有CH键，而它们的键长和键能不同。,键角,分子中键与键之间的夹角，在多原子分子中才涉及键角,如H2S，HSH键角为92，决定了H2S分子的构型为“V”字形,又如CO2，OCO的键角为180，则CO2分子为直线形。,键角是决定分子几何构型的重要因素。,键的极性,取决于成键原子电负性的差值,非极性共价键：相同原子形成的共价键，X=0。如H2、O2,电负性差值越大，共价键极性越强。,极性共价键：不同原子形成的共价键，X0。,金属的电离能较小，最外层的价电子容易脱离原子的束缚而形成自由电子。金属离子紧密堆积。所有自由电子在整个堆积体间自由运动，形成金属键。,金属键的本质：金属离子与自由电子之间的库仑引力。,三、金属键及特性,金属键的特点：没有方向性和饱和性,第五节杂化轨道理论,CH4形成的过程中，C原子的电子曾有过如下的激发步骤，以得到4个单电子。,显然，这4个单电子所在原子轨道不一致。利用这些原子轨道与4个H原子形成的化学键，应该不完全相同，也不应该指向正四面体的四个顶点。CH4为什么是正四面体结构？AlCl3键角120，NH4+键角10928。在成键过程中，轨道之间的夹角是怎样形成的？,Pauling1931年提出杂化轨道理论，非常成功地解释了构型方面的这类问题。,一、杂化与杂化轨道的概念,在形成多原子分子的过程中，中心原子的若干能量相近的原子轨道重新组合，形成一组新的原子轨道。这个过程叫做轨道的杂化，产生的新轨道叫做杂化轨道。,形成CH4分子时，中心碳原子的2s和2px、2py、2pz等四条原子轨道发生杂化，形成一组（四条）新的杂化轨道，即4条sp3杂化轨道，这些sp3杂化轨道不同于s轨道，也不同于p轨道。杂化轨道有自己的波函数、能量、形状和空间取向。,杂化轨道理论的基本要点,1、在成键过程中，由于原子的相互作用，若干不同类型能量相近的原子轨道混合起来重新组合，形成一组新的原子轨道。这个过程叫做轨道的杂化，产生的新轨道叫做杂化轨道。,2、杂化前后轨道数目不变。,3、杂化轨道电子云分布集中，故杂化轨道的成键能力比参加杂化的各原子轨道的成键能力强，形成的分子更稳定。,4、杂化轨道在空间的伸展方向对称，故杂化轨道成键形成的分子也对称。键之间的排斥力小，分子的稳定性增强。,二、杂化轨道类型,1、sp杂化,+,=,+,1个ns轨道和1个np轨道杂化，组成两个同等的sp杂化轨道,在sp杂化轨道中，s和p的成份各1/2,两条杂化轨道呈直线形分布互成180角。,BeCl2分子直线形，用杂化轨道理论分析其成键情况，说明直线形构型的原因。,Besp杂化2s22p0,2条sp杂化轨道呈直线形分布，分别与2个Cl的3p轨道成键，故分子为直线形。,2、sp2杂化,BCl3平面三角形构型Bsp2杂化,3个sp2杂化轨道呈三角形分布，分别与3个Cl的3p成键，故BCl3分子构型为三角形。,1个ns轨道和2个np轨道杂化，组成3个同等的sp2杂化轨道,在sp2杂化轨道中，含有1/3s和2/3p的成份,杂化轨道夹角为120角，分子空间构型为平面三角形。,3、sp3杂化,CH4是正四面体结构，Csp3杂化，4个轨道呈正四面体分布，分别与4个H的1s成键。没有未杂化的电子，故CH4无双键。,1个ns轨道和3个np轨道杂化，组成4个同等的sp3杂化轨道,在sp3杂化轨道中，含有1/4s和3/4p的成份,杂化轨道夹角为109o28，分子空间构型为正四面体。,4、等性杂化和不等性杂化,等性杂化：由不同类型的原子轨道混合起来，重新组合成一组完全等同（能量相同，成分相同）的杂化轨道。,不等性杂化：杂化轨道中有不参加成键的孤对电子存在，使杂化轨道不完全等同。,基态7N：1s22s22p32s22px12py12pz1杂化1个2s+3个2p4个sp3杂化轨道,NH3，H2O,中心原子的轨道数,中心原子的杂化轨道,中心原子的杂化轨道数,杂化轨道形状,实例,s,p,p,s,p,sp,sp2,2,3,BeCl2,BF3,重要的杂化轨道及其形状(1),中心原子的轨道数,中心原子的杂化轨道,中心原子的杂化轨道数,杂化轨道形状,实例,s,p,p,p,d,s,p,p,p,sp3,sp3d,4,5,CCl4NH4+,PCl5,重要的杂化轨道及其形状(2),第六节分子间力和氢键,一、分子的极性,多原子分子：分子极性与键的极性、分子空间构型有关。,H2O，O-H为极性键，分子为极性分子。,例如：CH4，C-H为极性键，分子为非极性分子；,双原子分子：若键有极性，则分子为极性分子；若键无极性，则分子为非极性分子。,极性分子：化学键有极性，分子空间构型不对称,是个矢量，其方向由正到负。越大，分子的极性越大；=0，非极性分子；,=qd（单位：Cm）,非极性分子：（1）化学键均无极性（2）化学键有极性，但分子空间构型对称，键的极性抵消,偶极长（d）：极性分子中，正电荷重心和负电荷重心之间的距离（d）。,偶极距（）：偶极长和电荷重心带电量q的乘积，常用偶极矩定义分子的极性。,二、分子间力,极性分子与极性分子之间；,异极为邻；,极性分子固有偶极与极性分子固有偶极之间的作用力；,1、取向力,极性分子本身存在的偶极叫固有偶极，有电性；,本质为静电引力。,2、诱导力,非极性分子受极性分子偶极电场的作用，正、负电荷重心发生位移，产生诱导偶极；,异极为邻；,极性分子固有偶极与诱导偶极之间的作用力。,极性分子有偶极，非极性分子无偶极；,极性分子与极性分子之间；,极性分子与非极性分子之间；,本质为静电引力。,非极性分子无偶极，=0，某一瞬间，有瞬时偶极；,两非极性分子靠近，瞬时偶极的电场使另一个非极性分子正负电荷位移，产生诱导偶极；,3、色散力,异极为邻；,非极性分子瞬时偶极和瞬时偶极之间的作用力。,各种分子之间均存在；,三种力中色散力为主要吸引力,取向力、诱导力和色散力统称范德华力，具有以下的共性：a)永存于分子间的近距离作用力，F1/r7；b)力的作用范围小，约为几个pm；c)无方向性和饱和性；e)色散力为主，诱导力次要，取向力只在较大极性分子中占一定比例。,三、氢键,高电负性原子X和H原子之间可形成共价键：,X-H,由于X电负性大，共用电子对强烈地偏向X一边:,若遇另一分子中高电负性Y原子，H可与Y形成弱键:,X-HY-H,1、氢键的概念,分子中高电负性原子X以共价键相连的H原子，可和另一个高电负性原子Y之间形成一种弱键，称氢键。（X、Y代表F、O、N等电负性大、半径小的原子。,分子中必须有氢原子；分子中必须有孤对电子。,产生条件：,高电负性，小半径，形成氢键越强。,影响因素：,本质为静电力；有方向性,饱和性；很弱的键：键能为1040kJmol-1,特点：,除了分子间氢键外，还有分子内氢键。例如，硝酸的分子内氢键使其熔、沸点较低。,除了HF、H2O、NH3有分子间氢键外，在有机羧酸、醇、酚、胺、氨基酸和蛋白质中也有氢键的存在。例如：甲酸靠氢键形成二聚体。,2、氢键对于化合物性质的影响分子间存在氢键时，大大地影响了分子间的结合力，故物质的熔点、