大学普通化学第六版第5章精品课件资料.ppt

物质结构基础,第5章,第5章内容,5.1原子结构的近代概念5.2多电子原子的电子分布方式和周期系5.3化学键与分子间相互作用力*5.4晶体结构,一、氢原子光谱与玻尔理论,1、氢原子光谱：为线状不连续光谱。,原子结构,附图5.2氢原子光谱示意图,2.波尔理论,（1）定态假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，叫定态。,（2）跃迁假设：原子的定态是不连续的，故原子光谱也是不连续的。,玻尔（NielsHendrikDavidBohr，18851962）丹麦物理学家,3、波尔理论的缺陷：,（1）不能解释多电原子的光谱。,（2）不能解释化学键本质。,（3）微观粒子与宏观物体不同，微观粒子遵循特有的运动规律。,一、波、粒二象性,1.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,=h/p=h/mcc为光速,h为普朗克常数:h=6.62610-34Js1，p为光子的动量。,5.1原子结构的近代概念,2.微观粒子的波、粒二象性,1924，德布罗衣(deBroglie)提出：微观粒子也具有波的性质，并假设：=h/mv,：粒子波的波长；V：粒子的速率，m：粒子的质量,电子衍射实验示意图,图5.1电子衍射示意图,1927年，粒子波的假设被电子衍射实验所证实。,定向电子射线,晶片光栅,衍射图象,波函数（）：是用空间坐标x、y、z表示的数学函数式，以表征原子中电子的运动状态。,波函数习惯上称为原子轨道,3.波函数与量子数,电子等微观粒子波是一种具有统计性的几率（概率）波。,薛定谔方程微观粒子运动的波动方程：,E为核外电子总能量，V为核外电子的势能，h为普朗克常数，m为电子的质量。,求解结果表明：波函数（）具体表达式与三个参数有关-三个量子数,(1)主量子数n：,表示核外电子运动的能量及电子离核的平均距离；,n的取值：n=1，2，3，,量子数,n=1，2，3，4,对应于电子层KL，M，N,(2)角量子数l：,l的取值：l=0,1,2,3,(n1),确定原子轨道的形状,对于多电子原子，与n共同确定原子轨道的能量。,l=0,1,2,3s、p、d、f轨道球形、双球形、梅花形、复杂,图5.5原子轨道角度分布图,(3)磁量子数m：,m的取值:m=0，1，2，3.l;2l+1个值,确定原子轨道的伸展方向,l0，m=0，S轨道一个伸展方向；l1，m=0，1，P轨道有三个伸展方向；l2，m=0，1，2，d轨道有五个伸展方向；,p轨道,m=-1,0,+1,有三个伸展方向,d轨道,m=-2,-1,0,+1,+2有五个伸展方向,图5.3b原子轨道伸展方向,S轨道:P轨道有三个等价轨道:d轨道有五个等价轨道:,(4)自旋量子数ms：,自旋平行；自旋反平行。,ms+1/2、-1/2,(n,l,m,ms)完整表征核外电子运动运动状态。,n,l,m轨道(r,)1,0,01s2,0,02s2,1,02pz,波函数(n,l,m)-原子轨道,二、电子云,电子云：用黑点的疏密表示空间某单位体积内电子出现的概率（概率密度）分布的图形,附图5.8电子云的统计概念（二维投影）a)单张照片；b)二张照片c)大量照片,电子云与概率密度,图5.9电子云示意图a)s电子云；b)p电子云；c)d电子云,电子云的角度分布图,电子云的角度分布与原子轨道的角度分布之间的区别：,图5.6电子云角度分布立体示意图,形状较瘦没有正、负号,一、多电子原子轨道的能级,5.2多电子原子的电子分布方式与周期系,一个原子轨道能量最终由n、l共同决定,角量子数l相同时，n越大，能量越高E1sE2sE3sE4s,主量子数n相同时，l越大，能量越高E4sE4pE4dE4f,当n和l都不同时，有能级交错现象。,E5sE4d,E4sE3d；,E6sE4fE5d,近似能级图:,7s6s4f5d6p5s4d5p4s3d4p3s3p2s2p1s,二、核外电子分布原理与方式,原子核外电子的分布要服从以下规则：,泡里不相容原理,能量最低原理,洪德规则及特例,1.泡里不相容原理,在同一个原子中,不允许两个电子的四个量子数完全相同。,即，同一个原子轨道最多只能容纳两个电子，且自旋相反。,2.能量最低原理,核外电子在原子轨道上的排布，必须尽量占据能量最低的轨道。,3.洪德规则,当电子在n,l相同的数个等价轨道上分布时，每个电子尽可能占据磁量子数不同的轨道且自旋平行。,例5.1碳原子:(1s22s22p2)的两个p电子在p轨道上如何分布？,IIIIII,共有以下三种排列方法：,图5.4两个电子在p轨道上的分布,洪德规则特例,当相同能量的轨道为全充满或半充满的状态时，能量较低。,全充满:p6或d10或f14半充满:p3或d5或f7,24Cr:1s22s22P63s23P6,29u：1s22s22P63s23P6,42Mo、47Ag、79Au,3d54s1,半充满比较稳定。,3d104s1,全充满比较稳定。,4.核外电子分布式,11Na:1s22s22p63s116S:1s22s22p63s23p426Fe:1s22s22p63s23p63d64S224Cr:1s2S22P63s23P63d54s129u：1s22s22P63s23P63d104s1,(1)原子的电子分布式:,(2)原子的外层电子分布式价电子构型,Na：3s1S:3s23p4Fe:3d64s2Cr：3d54s1u：3d104s1,三、原子结构与元素性质的周期性,（1）元素周期数=电子层数n,（2）主族号=外层电子数IA、IIA：ns12IIIAVIIA：ns2np15,1.元素周期表中的周期与族号,（3）IB、IIB族号ns电子数价电子构型：(n-1)d10ns1,(n-1)d10ns2,(4)IIIBVIIB族号（n1）dns电子数价电子构型：(n-1)d1-5ns2VIII族(n-1)dns8、9、10,（5）零族1s2或ns2np6,2、元素周期表分区,附图5.6元素分区,3.原子半径,在同一周期中，从左到右减小,在同一族中，从上到下增加,4.电离能,同一周期：自左至右，第一电离能一般增加。有一些波动。全充满或半充满结构较大,第一电离能：基态的1mol气态原子失去1mol电子成为气态一价阳离子所需的能量,5.元素的电负性,电负性：元素的原子在分子中吸引电子的能力。吸电子能力越强，电负性越大。,鲍林指定氟（F）的电负性为4.0,在同一周期中，从左到右电负性增加,在同一族中，自上而下电负性下降。,一、化学键,化学键：分子或晶体中相邻的原子（离子）之间的强烈的相互作用。,5.3化学键与分子间相互作用力,化学键：离子键、金属键、共价键。,价键理论要点：（1）1个未成对的电子只能和另一个自旋方向相反的1个未成对的电子配对。,（2）原子轨道重叠要对称性匹配，并满足最大重叠条件。,3.共价键,图5.12共价键饱和性,共价键具有饱和性：共价键的数目取决未成对电子的数目。,共价键的特性：,共价键具有方向性：对称性匹配；最大重叠。,附图5.11共价键方向性,键和键,键原子轨道沿着键轴以“头碰头”方式重叠。,键,图5.15s键和p键重叠方式示意图,键,图5.16氮分子中三键示意图,键原子轨道以“肩并肩”方式重叠。,二.分子的极性和分子的空间构型,极性分子:分子中正、负电荷重心不能重合的分子则称为极性分子。非极性分子:分子中正、负电荷重心重合的分子称为非极性分子.,电偶极矩:=ql,q：正、负电荷中心所带的电量，l：正、负电荷中心距离,极性分子:0;非极性分子:=0,双原子分子：同种元素的双原子分子必然是非极性分子。异种元素双原子分子必然是极性分子。例：N2、H2、O2是非极性分子；HF、HCl、HBr、HI是极性分子,多原子分子：取决于键的极性和分子的空间构型。空间结构对称的多原子分子是非极性分子。例：CH4是非极性；NH3是极性分子,3.杂化轨道理论和分子空间构型杂化轨道理论要点:(1）能级相近的原子轨道互相杂化;(2)几个轨道参加杂化,形成几个杂化轨道；(3)杂化轨道成键能力更强。,杂化轨道的类型及应用,1)sp杂化:由1个s轨道和1个p轨道混杂而成,图5.18sp杂化轨道,sp成键杂化轨道特征:键角：180，分子空间构型：直线型。,典型分子：BeCl2,HgCl2,O=C=O,HCCH等,2)sp2杂化:由1个s轨道和2个p轨道混杂而成。,BCl3和CH2CH2的空间构型,典型分子：BX3,AlCl3,H2C=CH2,3)等性sp3杂化:由1个s轨道和3个p轨道混杂而成。,附图5.16sp3杂化轨道,甲烷的空间构型,sp3杂化轨道成键特征：键角:10928，分子空间构型:正四面体。,典型分子：CH4,CX4,SiH4,SiX4,C(金刚石),SiC等。,NH3空间构型为三角锥形,H2O空间构型为“V”形,4)sp3不等性杂化:由1个s轨道和3个p轨道混杂而成，其中有一个杂化轨道含有一对孤对电子。,1.取向力,取向力分子固有电偶极之间的作用力，存在于极性分子之间。,距离较远时,距离较近时,取向力示意图,三.分子间相互作用力,2.诱导力,诱导力:固有偶极与诱导偶极之间的作用力.,诱导力产生的示意图,存在于极性分子与非极性分子之间;极性分子与极性分子之间。,3.色散力,色散力:瞬间偶极之间的相互作用称为色散力。普遍存在于所有分子中.同类型分子，相对分子质量越大，其色散力越大,例：卤素单质按色散力从大到小：I2,Br2,Cl2,F2;卤化氢按色散力从大到小：HI,HBr,HCl,HF,4.氢键,氢键:电负性很大的原子X（F、O、N）与H原子成键时，由于X吸引电子的能力很强，使氢原子带有较多正电荷，它与另一个电负性大且半径又小的原子Y（F、O、N）形成氢键：XHY,分子中有FH键、OH键或NH键的分子之间能形成氢键。如：HF、H2O、NH3、无机含氧酸(HNO3、H2SO4、H3BO3等)、有机羧酸（COOH）、醇(OH)、胺(NH2)、蛋白质等分子之间都存在氢键。而乙醛（CH3CHO）和丙酮（CH3COCH3）等醛、酮、醚分子之间则不能形成氢键。,5.分子间力和氢键对物质性质的影响,熔点和沸点:同类单质和化合物的熔点和沸点随分子摩尔质量的增加而升高。含氢键的化合物熔点和沸点比无氢键的高.,HF、HCl、HBr、HI沸点（。）：、85、57、36因HF分子间存在氢键，其熔点和沸点比同类型的氢化物要高，出现反常现象。,溶解性-相似相溶原理:溶质与溶剂之间有相似的结构、极性等，有利于溶质的溶解。,一、晶体的基本类型和性质1.离子晶体（1）晶格结点上的微粒正、负离子。（2）微粒间作用力离子键。作用力随离子电荷的增多和半径的减少而增强。（3）晶体中不存在独立的简单分子。例如NaCl晶体,表示Na+:Cl=1:1。,5.4晶体结构,（4）晶体的特性熔点高、硬度大；延展性差；一般易溶于极性溶剂；熔融态或水溶液均易导电。在相同类型的典型离子晶体中，离子的电荷越多，半径越小，晶体的熔点越高，硬度越大。,例1：,例2：,在同一周期中，自左而右随着正离子电荷数的增多，离子半径逐渐减少,如，NaMg2;KCa2Sc3,同一元素，随着正离子电荷数的增多，离子半经减少。如Fe2+Fe3+在同一族中，自上而下离子半经逐渐增大。如，IBrClF,离子与电荷的规律如下：,2.原子晶体.(1)晶格结点上的微粒原子。（2）微粒间作用力共价键。（3）晶体中不存在独立的简单分子。例如方石英（SiO2）晶体,表示Si:O=1:2。,（4）晶体的特性熔点高、硬度大；延展性差；一般溶剂中不溶；是电的绝缘体或半导体。常见的原子晶体有金刚石（C）和可作半导体材料的单晶硅（Si）、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、以及碳化硅(SiC)和方石英(SiO2)。,3.分子晶体(1)晶格结点上的微粒极性分子或非极性分子。（2）微粒间作用力分子间力（还有氢键）。在同类型的分子中，分子间力随分子量的增大而增大。,（3）晶体中存在独立的简单分子。例如CO2晶体,表示一个分子。(4）晶体的特性熔点抵、硬度小(随分子量的增大而增大)；延展性差；其溶解性遵循“相似者相溶”。(有的易溶于有机溶剂),4金属晶体(1)晶格结点上的微粒原子或正离子。（2）微粒间作用力金属键。（3）晶体中不存在独立的简单分子。（4）晶体的特性是电和热的良导体，熔点较高、硬度较大；优良的变形性和金属光泽。,二、过渡型的晶体1.链状结构晶体如石棉,链与链之间的作用力弱的静电引力;链内的作用力强的共价键。有纤维性。2.层状结构晶体如石墨,层与层之间的作用力大键;层内的作用力SP2SP2键。是热和电的良导体,可作润滑剂。,本章小结,电子运动的特征：具有显著的波、粒二象性、量子化，服从微观统计性规律。,原子轨道与四个量子数：核外电子有轨道运动和自旋运动。与|2的角度分布的区别与用途，四个量子数的取值规律与物理意义。,电子云概念：电子云是一个统计概念，表示在核外某空间找到电子的概率。可以用|2表示概率密度。,多电子原子的核外电子排布规律：遵守泡里原理、能量最低原理和洪德规则。等价轨道全充满或半充满时比较稳定。核外电子分布或特征电子构型与元素在周期表中的位置(周期、族、区)密切相关。,能级分组与元素电子排布的周期性：将能量相近的能级分为一组，每一组中电子排布有明显的周期性，并且使得元素性