[高等教育]第8章 物质结构ppt课件

1、8.1.1Bohr实际实际 三点假设：三点假设： 核外电子只能在有确定半径和能量的轨核外电子只能在有确定半径和能量的轨道上运动道上运动,且不辐射能量；且不辐射能量； 通常，电子处在离核最近的轨道上，能通常，电子处在离核最近的轨道上，能量最低量最低基态；原子获得能量后，电子被基态；原子获得能量后，电子被激发到高能量轨道上，原子处于激发态；激发到高能量轨道上，原子处于激发态； 从激发态回到基态释放光能，光的频率从激发态回到基态释放光能，光的频率取决于轨道间的能量差。取决于轨道间的能量差。2121hEEEEhE：轨道能量：轨道能量h：Planck常数常数18182221182212212.17910

2、2.17910112.17910hvEEEnnnn 15-12212113.289 10 ()svnn 1924年，年，Louis de Broglie以为：质量为以为：质量为 m ，运动速度为运动速度为的粒子，相应的波长为：的粒子，相应的波长为：8.1.2 电子的波粒二象性电子的波粒二象性 1927年，年，Davissson和和Germer运运用用Ni晶体进展电子衍射晶体进展电子衍射实验，证明电子具有动实验，证明电子具有动摇性。摇性。=h/m=h/p，h=6.62610-34Js，Plank常量。常量。x p h/4动量误差动量误差位置误差位置误差l微观粒子的运动运用统计规律描画，微观粒子的

3、运动运用统计规律描画，即几率描画即几率描画34326.62 104 3.14 10 100.04 102915.27 10m s 对宏观物体可同时测定位置与速度4hm x例例2: 对于微观粒子如电子对于微观粒子如电子, m = 9.11 10-31 Kg, 半径半径 r = 10-10 m，那么，那么x至少要到达至少要到达10-11 m才相对准确，那么其速度的测不准情况为：才相对准确，那么其速度的测不准情况为：343111616.62 104 3.14 9.11 10105.29 10 m s假设假设m非常小，那么其位置与速度是不能非常小，那么其位置与速度是不能同时准确测定的同时准确测定的4h

4、m x222222228mEVxyzh 1.Schrdinger方程方程Planckh：V：E： ：m：体系的总能量体系的总能量电子的势能电子的势能电子的质量电子的质量描画核外电子在空间运动形状的数学函数式描画核外电子在空间运动形状的数学函数式2. 四个量子数四个量子数 主量子数主量子数 n 0,1, 2,.1ln 磁量子数磁量子数 m 自旋量子数自旋量子数 ms1,2sm,.0.,mll 12sm 角量子数角量子数n =1, 2, 3, 与电子能量有关，对于氢原子，电子能量与电子能量有关，对于氢原子，电子能量 独一决议于独一决议于n；1 822 .1 7 91 0JEn 不同的不同的n 值，

5、对应于不同的电子层：值，对应于不同的电子层：主量子数主量子数n：决议电子能量高低的主要要素：决议电子能量高低的主要要素K L M N O角量子数角量子数l ：原子轨道或电子云的外形：原子轨道或电子云的外形 l 的取值的取值 0，1，2，3n1 对应着对应着 s, p, d, f. (亚层亚层) l 决议了决议了的角度函数的外形。的角度函数的外形。磁量子数磁量子数m：原子轨道或电子云在空间的：原子轨道或电子云在空间的伸伸 展方向展方向 m可取可取 0，1, 2l ； 其值决议了其值决议了角度函数的空间取向。角度函数的空间取向。自旋量子数自旋量子数 ms表示同一轨道中电子的二种自旋形状表示同一轨道

6、中电子的二种自旋形状 n, l, m 一定，轨道也确定一定，轨道也确定 0 1 2 3 轨道轨道 s p d f 例如例如: n =2， l =0， m =0， 2s n =3， l =1， m =0， 3pz n =3， l =2， m =0， 3dz2有有6组量子数组量子数n=3, l=1, m=-1; n=3, l=0, m=0; n=2, l=2, m=-1; n=2, l=1, m=0; n=2, l=0, m=-1; n=2, l=3, m=2;其中正确的选项是其中正确的选项是A. B. C. D. 2pyYxyz2pxYxyz22pxYxyzxyz22pyYxyz22pzYxyz

7、2pzY8. 3d态：n=3, l=2, m=0,2, 123dzxyz3dyzxyz3dxzxyz3dxyxyz223dxyxyz小结：量子数与电子云的关系小结：量子数与电子云的关系 n：决议电子能量的大小：决议电子能量的大小 l：描画电子云的外形：描画电子云的外形 m：描画电子云的伸展方向：描画电子云的伸展方向 轨道：与氢原子类似，其电子运动形状轨道：与氢原子类似，其电子运动形状 可描画为可描画为1s, 2s, 2px, 2py, 2pz, 3s能量：与氢原子不同能量：与氢原子不同, 能量不仅与能量不仅与n有关有关, 也与也与l有关有关; 在外加场的作用下在外加场的作用下, 还还 与与m有

8、关。有关。8.2.1 多电子原子轨道能级多电子原子轨道能级8.2 核外电子运动形状核外电子分布三规那么：核外电子分布三规那么： 最低能量原理最低能量原理 电子在核外陈列应尽先分布在低能级轨电子在核外陈列应尽先分布在低能级轨道上道上, 使整个原子系统能量最使整个原子系统能量最 低。低。 Pauli不相容原理不相容原理 每个原子轨道中最多包容两个自旋方式每个原子轨道中最多包容两个自旋方式相反的电子。相反的电子。8.2.2 核外电子排布核外电子排布 Hund 规那么规那么 在在 n 和和 l 一样的轨道上分布的电子一样的轨道上分布的电子,将尽将尽能够分占能够分占 m 值不同的轨道值不同的轨道, 且自

9、旋平行。且自旋平行。N：1s2 2s2 2p3Z = 26 Fe：1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 226265124 Cr 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4sZ ：半满全满规那么：半满全满规那么： 当轨道处于全满、半满时，原子较稳定。当轨道处于全满、半满时，原子较稳定。2262610129 Cu 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4sZ ：51Ar 3d 4s主族元素主族元素2.电离能电离能 基态气体原子失去电子成为带一个正基态气体原子失去电子成为带一个正电荷的气态正离子所需求的能量称为第一电荷的气态正离子所需求的能量称为第一电离能，用电离能，用 I 1表示。表

10、示。 由由+1价气态正离子失去电子成为带价气态正离子失去电子成为带+2价气态正离子所需求的能量称为第二电离价气态正离子所需求的能量称为第二电离能，用能，用 I 2表示。表示。E (g) E+ (g) + e- I 1E+ (g) E 2+ (g) + e- I 211Li(g)eLi (g) 520.2kJ molI212Li (g)eLi(g) 7298.1kJ molI2313Li(g)eLi (g) 11815kJ molI 原子在分子中吸引电子的才干称为元素原子在分子中吸引电子的才干称为元素的电负性，用的电负性，用 表示。表示。 3.电负性电负性 电负性可以综合衡量各种元素的金属性电负

11、性可以综合衡量各种元素的金属性和非金属性。同一周期从左到右电负性依次和非金属性。同一周期从左到右电负性依次增大；同一主族从上到下电负性依次变小，增大；同一主族从上到下电负性依次变小，B族元素没有明显的规律而且第三过渡元素族元素没有明显的规律而且第三过渡元素大于第二过渡元素。大于第二过渡元素。8.4 8.4 离子化合物离子化合物Ionic bond theory离子键的构成及特征离子键的构成及特征 1. 离子键的构成离子键的构成 1916年德国化学家柯塞尔，年德国化学家柯塞尔，基于稀有气体原子的电子层构造特别稳定的现基于稀有气体原子的电子层构造特别稳定的现实，提出了离子实际。以为，当电负性很小的

12、实，提出了离子实际。以为，当电负性很小的金属原子和电负性很大的非金属原子相互接近金属原子和电负性很大的非金属原子相互接近时，前者易失去电子变成阳离子，后者易得到时，前者易失去电子变成阳离子，后者易得到电子变成阴离子。而正、负离子靠静电引力作电子变成阴离子。而正、负离子靠静电引力作用结合在一同，这种静电引力作用称为离子键。用结合在一同，这种静电引力作用称为离子键。如如NaCl的构成。的构成。 离子键实际离子键实际 Cl e Cl- 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 5 1s22s22p63s23p6 ( =3.0 ) ArNa+Cl-Na+ Cl- Na+Cl- (离子型分

13、子离子型分子)静电引力静电引力 离子键离子键 Na - e Na+ 1s22s22p63s1 1s22s22p6 ( = 0.9 ) Ne 离子键可存在于气体分子中离子键可存在于气体分子中LiFLiF，大，大量的是存在于离子晶体中。量的是存在于离子晶体中。 普通情况下，以离子键结合的化合物都普通情况下，以离子键结合的化合物都 是以离子晶体的方式存在。所以，是以离子晶体的方式存在。所以，NaClNaCl、KClKCl均为化学式。均为化学式。 离子键的特征离子键的特征 (1) 由正负离子构成静电作用力由正负离子构成静电作用力 (2)无方向性和饱和性：无方向性和饱和性： 离子可近似地看成一个弥漫着电

14、子云的离子可近似地看成一个弥漫着电子云的圆球，离子电荷分布是球形对称的，所以离圆球，离子电荷分布是球形对称的，所以离子能从任何方向吸引带相反电荷的离子；而子能从任何方向吸引带相反电荷的离子；而且尽能够多地吸引异号离子，只受空间大小且尽能够多地吸引异号离子，只受空间大小的限制。的限制。 (3)键的离子性大小取、决于电负性差值大小键的离子性大小取、决于电负性差值大小 电负性差值越大，电子的偏向越明显，电负性差值越大，电子的偏向越明显，相互作用越强。实验阐明，电子的转移不能够相互作用越强。实验阐明，电子的转移不能够完全。因完全。因(r, )，任何一个电子都在全部，任何一个电子都在全部空间出现，只是几

15、率不同而已。空间出现，只是几率不同而已。 例如例如 CsF：成键作用中，离子性：成键作用中，离子性：92%，共价性：共价性：8% 当当X 1.7 时，可视为离子键时，可视为离子键 X=1.7 离子性占离子性占50%，对单键而言，对单键而言，就可视为离子键。就可视为离子键。 但但HF例外，例外，X =1.78。共价键的本质与特点共价键的本质与特点杂化轨道杂化轨道共价键的键型共价键的键型8.5.1 价键实际价键实际8.5 8.5 共价化合物共价化合物Covalent bond theory离子键实际离子键实际分子轨道理论价键理论共价键的本质与特点共价键的本质与特点化学键：化学键： 分子或晶体中相邻

16、原子分子或晶体中相邻原子(或离子或离子)之间之间剧烈的吸引作用。剧烈的吸引作用。化学键实际：化学键实际：共价键实际共价键实际1.1.量子力学处置量子力学处置H2H2分子的结果分子的结果 两个氢原子电子自旋方式相反，接近、重叠，核间构成一个电子概率密度较大的区域。系统能量降低，构成氢分子。 核间距 R0为74 pm。 共价键的本质原子轨道重叠，核间电子概率密度大吸引原子核而成健。2.价键实际根本要点与共价键的特点价键实际根本要点与共价键的特点价键实际根本要点：价键实际根本要点：未成对价电子自旋方式相反；未成对价电子自旋方式相反；原子轨道最大程度地重叠。原子轨道最大程度地重叠。共价键的特点：共价键

17、的特点：方向性方向性饱和性饱和性H ClH O HN N1.键：键： 原子轨道沿核间联线方向进展同号原子轨道沿核间联线方向进展同号重叠重叠(头碰头头碰头)。共价键的键型共价键的键型2.键：键： 两原子轨道垂直核间联线并相互平行两原子轨道垂直核间联线并相互平行进展同号重叠进展同号重叠(肩并肩肩并肩)。3.配位键配位键构成条件：成键原子一方有孤对电子，构成条件：成键原子一方有孤对电子， 另一方有空轨道。另一方有空轨道。4NH4BFCO222s 2p242s 2pHNHHHFBFFF例：例：OC 在双原子分子中，于在双原子分子中，于100kPa下将气态下将气态分子断裂成气态原子所需求的能量。分子断裂

18、成气态原子所需求的能量。D(HCl)=432kJmol-1, D(ClCl)=243kJ mol-1 在多原子分子中，断裂气态分子中的某在多原子分子中，断裂气态分子中的某一个键，构成两个一个键，构成两个“碎片时所需求的能量碎片时所需求的能量叫做此键的解离能。叫做此键的解离能。121H O(g)H(g)OH(g) (HOH)499kJ molHO(g)H(g)O(g) (OH)429kJ molDD键能键能键解离能键解离能D 分子中两原子核间的平衡间隔称为键长。例如，H2分子，l = 74pm。键长键长共共 价价 键键 键键 长长l/pm 键键能能E/(kJmol-1) 共共 价价键键 键键 长

19、长l/pm 键键能能E/(kJmol-1) HF 92 570 HH 74 436 HCl 127 432 CC 154 346 HBr 141 366 CC 134 602 HI 161 298 CC 120 835 FF 141 159 NN 145 167 ClCl 199 243 NN 110 942 BrBr 228 193 CH 109 411 II 267 151 OH 96 464 键角和键长是反映分子空间构型的重要参数，它们均可经过实验测知。键角键角N:FFFo102C = CHHHHo121o118N:HHo107 18HP:HHHo93 18H 键矩是表示键的极性的物理量

20、记作 。 = q l 式中 q 为电量，l 为核间距。为矢量，例如，实验测得HClHCl303.5710C m键的极性键的极性杂化后轨道伸展方向，外形发生改动杂化后轨道伸展方向，外形发生改动,成成键才干加强，成键才干大小顺序键才干加强，成键才干大小顺序 spsp2sp3dsp2sp3dHClHBrHI 对于多原子分子：极性键多原子分子不一定对于多原子分子：极性键多原子分子不一定是极性分子，还与分子的空间构型有关系是极性分子，还与分子的空间构型有关系如：如：CH4 CCl4 无极性，无极性， CHCl3 有极性有极性 分子偶极矩的测定，可得到分子构分子偶极矩的测定，可得到分子构造的参考资料。造的

21、参考资料。 CO2 CO2：C-O C-O 键有极性，但分子无极性，键有极性，但分子无极性，得得CO2CO2为线性分子。为线性分子。 BF3 BF3分子无极性，为平面构造，分子无极性，为平面构造， 而而NH3NH3分子有极性，为三角锥构造分子有极性，为三角锥构造分子的偶极矩分子的偶极矩(1030 Cm) D3.3310-30Cm分子式分子式偶极矩偶极矩分子式分子式偶极矩偶极矩H2N2CO2CS2CH4COCHCl3H2S000000.403.503.67SO2H2ONH3HCNHFHClHBrHI5.336.174.909.856.373.572.671.40 2.分子间力的本质和类型分子间力

22、的本质和类型 1 色散力色散力 非极性分子在某一瞬间总会有一个偶极非极性分子在某一瞬间总会有一个偶极存在，这种偶极叫做瞬时偶极。接近的两存在，这种偶极叫做瞬时偶极。接近的两分子间由于同极相斥异极相吸，瞬时偶极分子间由于同极相斥异极相吸，瞬时偶极间总是处于异极相邻的形状。我们把瞬时间总是处于异极相邻的形状。我们把瞬时偶极间产生的分子间力叫做色散力偶极间产生的分子间力叫做色散力. 定义定义: 分子间的相互作用称为分子间分子间的相互作用称为分子间力，力， 又叫范德华力。又叫范德华力。非极性分子的瞬时偶非极性分子的瞬时偶极之间的相互作用极之间的相互作用由于瞬时偶极而产生的分子间相互作用。由于瞬时偶极而

23、产生的分子间相互作用。+_+_+_一大段时间内的一大段时间内的大体情况大体情况每一瞬间每一瞬间+_+_ 虽然瞬时偶极存在的时间极短，但偶极虽然瞬时偶极存在的时间极短，但偶极异极相邻的形状总是不断地反复着，所以任异极相邻的形状总是不断地反复着，所以任何分子何分子(不论极性与否不论极性与否)相互接近时，都存在相互接近时，都存在着色散力。着色散力。 同族元素单质及其化合物，随分子量的同族元素单质及其化合物，随分子量的添加，分子体积越大，瞬时偶极矩也越大，添加，分子体积越大，瞬时偶极矩也越大，色散力越大。色散力越大。 2诱导力 当极性分子和非极性分子接近时，首先两个分子都有各自的瞬时偶极，显然是存在着

24、色散力的。除此而外极性分子受极性分子电场的作用，原来重合的正、负电荷重心别分开来产生诱导偶极。诱导偶极与极性分子固有偶极间的作用力叫诱导力。另一方面，诱导偶极又反作用于极性分子，使其偶极长度添加，进一步加强了相互吸引力。决议诱导作用强弱的要素：决议诱导作用强弱的要素： 极性分子的偶极矩：极性分子的偶极矩： 愈大，诱导作用愈强。愈大，诱导作用愈强。 非极性分子的极化率：非极性分子的极化率： 愈大，诱导作用愈强。愈大，诱导作用愈强。诱导偶极而产生的分子间相互作用。诱导偶极而产生的分子间相互作用。+_分子离得较远分子离得较远分子接近时分子接近时+_+_ 3 取向力取向力 当极性分子相互接近时，它们的

25、固有偶极间当极性分子相互接近时，它们的固有偶极间相互作用，两个分子在空间按照异极相邻的形相互作用，两个分子在空间按照异极相邻的形状取向。由于固有偶极的取向而引起的分子间状取向。由于固有偶极的取向而引起的分子间的力叫做取向力。的力叫做取向力。+_+_+_+_+_+_分子离得较远分子离得较远取向取向诱导诱导分子极性分子极性 色散作用色散作用 诱导作用诱导作用 取向作用取向作用 非非-非非 非非-极极 极极-极极 分子间力是三种吸引力的总称，其大分子间力是三种吸引力的总称，其大小普通为几小普通为几 kJmol1，比化学键小，比化学键小 12 个数量级。个数量级。分子间的吸引作用分子间的吸引作用(10

26、22 J)分子分子取向能取向能诱导能诱导能色散能色散能总和总和HeArXeCOCCl4HClHBrHIH2ONH30000.0002101.20.390.02111.95.20000.003700.360.280.100.650.630.052.9184.61167.815332.65.60.052.9184.61169.416331511分子间力的特点：分子间力的特点： 不同情况下，分子间力的组成不同。不同情况下，分子间力的组成不同。例如，非极性分子之间只需色散力；极性例如，非极性分子之间只需色散力；极性分子之间有三种力，并以色散力为主，仅分子之间有三种力，并以色散力为主，仅仅极性很大的仅极

27、性很大的H2O 分子例外。分子例外。 分子间作用力较弱，既无方向性又无饱分子间作用力较弱，既无方向性又无饱和性。和性。 HF HCl HBr HI沸点沸点/ 85.0 66.7 35.419.9极化率极化率 小小 大大色散作用色散作用 弱弱 强强沸点沸点 低低 高高HF为何反常的高？缘由为何反常的高？缘由存在氢键。存在氢键。 HF 分子中，共用电子对剧烈偏向电负分子中，共用电子对剧烈偏向电负性大的性大的 F 原子一侧。在几乎裸露的原子一侧。在几乎裸露的 H 原子原子核与另一个核与另一个 HF 分子中分子中 F 原子的某一孤对电原子的某一孤对电子之间产生的吸引作用称为氢键。子之间产生的吸引作用称为氢键。氢键的构成条件：氢键的构成条件：分子中有分子中有H H和电负性大、半径小且有孤对和电负性大、半径小且有孤对电子的元素电子的元素(F (F ，O O，N)N)构成氢键。构成氢键。 键长特殊：键长特殊：FH F 270pm 键能小键能小 E(FH F) 28kJmol1 具有饱和性和方向性具有饱和性和方向性氢键的特点：氢键的特点： 氢键的方向性是指氢键的方向性是指Y原子与原子与XH构成氢构成氢键时，将尽能够使氢键与键时，将尽能够使氢键与XH键轴在同一键轴在同一方向，即方