大学化学-第1章-物质结构基础

大学普通化学理学院物理学教研室主讲：杨晓娜绪论大学普通化学《化学是你化学是我》周其凤化学究竟是什么？化学就是你；化学究竟是什么？化学就是我；化学究竟为什么？化学为了你；化学究竟为什么？化学为了我；化学究竟为什么？化学为了你；化学究竟为什么？化学为了我。1)父母生下生下的你我，

lalala是化学过程的结果；你我你我的消化系统，

lalala是化学过程的场所；记忆和思维活动，要借化学过程来描摹；（借化学过程来描摹，描摹描摹）即便你我的喜怒哀乐，也是化学神出鬼没，也是化学物质的神出鬼没；化学，你原来如此神奇哦化学难怪你不能不火；哦四海兄弟我们携手努力；哦为人类的航船奋力扬波。2)你我你我要温暖漂亮，lalala化学提供衣装婀娜；你我你我要吃足喝好，lalala化学提供营养多多；你我要飞天探地，化学提供动力几何，化学提供动力几何动力几何即便你我的身心健康，也是化学密码解锁，也是化学为生命密码解锁化学你原来如此神奇哦化学难怪你不能不火哦四海兄弟我们携手努力哦为人类的航船奋力扬波绪论大学普通化学绪论大学普通化学绪论大学普通化学绪论大学普通化学什么是化学？

1如何学好化学？

4化学包括哪些学科分支？2《大学化学》究竟学什么？3绪论大学普通化学徐光宪院士北京大学徐光宪教授说：我的专业是化学，从学化学、教化学到研究化学也有几十年了，但现在我却有点搞不清化学的定义了。科学的发展太快了，需要对这门科学重新定位。绪论大学普通化学化学是一门在原子和分子尺度上去研究物质的组成、结构、性质和变化规律及其变化过程中能量关系的自然科学。

19世纪，化学是原子的科学。20世纪，化学是分子的科学。21世纪，化学是研究泛分子的科学。1.什么是化学？绪论大学普通化学冶金食品纺织、印染石油化工制药电子医学生物学环境科学法学鉴定化学、农药材料科学日用化学地质学绪论大学普通化学化学物理数学绪论大学普通化学研究无机物的组成、结构、性质、制备及其相关理论和应用的学科。研究有机物的组成、结构、性质、合成方法及其相关理论和应用的学科。研究物质的化学组成和化学结构的分析方法及其理论的学科。研究各物质系统化学行为的原理、规律和方法的学科。无机化学

有机化学分析化学物理化学元素化学配位化学同位素化学无机固体化学无机合成化学无机分离化学物理无机化学生物无机化学等元素有机化学理论有机化学有机固体化学有机合成化学有机分离化学物理有机化学生物有机化学高分子化学等定性分析定量分析电化学分析光谱分析波谱分析质谱分析热谱分析色谱分析光度分析等化学热力学化学动力学结构化学量子化学胶体化学催化化学热化学光化学电化学磁化学晶体化学高能化学计算化学等2.化学包括哪些学科分支？3.《大学普通化学》究竟学什么？绪论大学普通化学

大学化学集各化学分支于一体，简明反映了化学各分支学科的一般原理、规律和方法。特点是使学习者了解化学科学的概貌，学会用化学的观点和方法去观察、认识、分析和解决问题。3.《大学普通化学》究竟学什么？绪论大学普通化学热力学宏观角度动力学原子结构第2章化学反应中的能量关系第2章化学反应速率第4章溶液中的氧还反应——电化学原理第3章溶液分子结构晶体结构第2章化学反应的方向和程度第1章物质结构基础大学普通化学微观视野试卷(60%)+平时测验20%+[演讲+论文+作业](20%)题目要求：用所学大学化学的相关理论、原理和方法阐述你所关心和感兴趣的生产和生活中的实际问题。完成一篇小论文，题目自拟，内容量按WordB5纸2页(5号字)

，15周交（统一交电子版）。绪论大学普通化学第一项：小论文评分方法：演讲按10分计，各队由每组推举一名评委进行打分。计算分数时，去掉两个最高分，去掉两个最低分，其它取平均值为最后得分。演讲方式：每组由5人按所准备的内容依次接力各讲几分钟（或派代表），合计每组10~15分钟。绪论大学普通化学第二项：演讲（共同完成下列工作）

1.由课代表组织抽签决定各组上讲台做演讲的顺序。

2.演讲在平时课堂空余时间或学期末专门安排时间进行。

3.抽签结果、各组成员和演讲成绩由课代表列表记录备案。【说明】

绪论大学普通化学4.如何学好化学？绪论大学普通化学1)学好基本概念和基本知识。2)重视能力的训练培养。3)提高课堂效率。我国著名科学家戴安邦教授指出：化学教育既要传授化学知识与技能，更要训练科学方法和思维，还要培养科学精神和品德。一、教材：大学普通化学教学简介二、主要参考书目1.普通化学浙江大学编著高等教育出版社2002年2.

无机化学（上册）武汉大学吉林大学等编著高等教育出版社1994年绪论大学普通化学三、大学化学网络课程（大学网页）第1章物质结构基础第1章物质结构基础物质结构

原子结构分子结构晶体结构物质性质

决定

本章教学内容原子结构

1.1化学键与分子结构1.2分子间力与氢键1.3晶体结构与晶体缺陷

1.4第1章物质结构基础夸克质子中子原子核电子原子电子在原子中的活动空间是巨大的m中子=1839m电子m质子=1836m电子m电子=9.1091×10-31kgV原子=1015V电子

=1012~18V原子核原子核的密度是巨大的

1.1

原子结构第1章物质结构基础1.1原子结构人类认识原子结构的简单历史

Dalton原子学说(1803年)

Thomson“西瓜式”模型

(1904年)Rutherford核式模型

(1911年)Bohr电子分层排布模型

(1913年)量子力学模型(1926年)第1章物质结构基础1.1原子结构A.Einstein光子学说M.Planck量子论D.Rutherford核式模型的基础上，建立了Bohr理论.

1.1.1

氢原子结构经典电磁理论：电子绕核作高速圆周运动发出连续电磁波→连续光谱实验事实：氢原子光谱是线状光谱成功之处：●解释了H原子光谱●说明了原子的稳定性不足之处：●不能解释氢原子光谱的精细结构●不能解释多电子原子的光谱第1章物质结构基础1.1原子结构第1章物质结构基础1.1原子结构平行光管分光元件氢灯底片氢原子在可见光区的主要线状光谱656.3486.1434.1410.2名称•有固定的轨道•可同时准确确定位置和速度•可预测运动轨迹需运用量子力学解释

微观粒子运动宏观物体运动用经典力学研究运动规律

对比

“测不准”研究微观粒子运动规律的学科

不能同时准确的确定位置和速度WernerKarlHeisenberg(1901-1976)第1章物质结构基础1.1原子结构●德布罗依关系式

1924年，LouisdeBroglie认为：质量为m,

运动速度为v的粒子，相应的波长为：

1927年，Davissson

和

Germer

应用Ni晶体进行电子衍射实验，证实电子具有波动性.(a)(b)电子通过A1箔(a)和石墨(b)的衍射图●微粒波动性的近代证据(h=6.626×10-34J·s)金属箔电子射线发生器A电子衍射实验示意图底片粒子性感光斑点衍射环纹波动性第1章物质结构基础1.1原子结构诺贝尔物理奖(1929年)SchrÖdinger方程m：电子的质量V:电子的势能E:电子的能量x,y,z:空间坐标——量子力学中描述电子运动规律的基本方程第1章物质结构基础1.1原子结构ErwinSchrödinger(1887-1961)奥地利物理学家诺贝尔物理学奖(1933年)

:波函数(原子轨道)，描述原子核外电子运动状态的函数。直角坐标(x,y,z)与球坐标(r,θ,

)

的转换径向部分角度部分:0~2π:0~πzoxyθ

rpP’第1章物质结构基础1.1原子结构1.四个量子数第1章物质结构基础1.1原子结构量子数——由量子力学数学解中得到的成套的整数。薛定谔方程

电子在核外的运动状态(波动特征)

描述

求解

波函数(

)表达式

(原子轨道)

波函数()表达式(原子轨道)

主量子数

角量子数

磁量子数

引入

(合理组合)(1)主量子数n第1章物质结构基础1.1原子结构意义:①决定核外电子出现概率最大区域离核的远近；②代表电子和原子轨道的主要能量。

符号:K

L

M

N

O

P

Q

等(电子层或能层)

取值

n=1,2,3,4,5,6,7等(除0外)

n越大,轨道能量(电子能量)越高,电子出现概率最大的区域离核的平均距离越远。第1章物质结构基础1.1原子结构(2)角量子数l

符号:spdfgh等(电子亚层)。

取值

,共n个值。哑铃形球形复杂形复杂形……意义：①表示原子轨道的形状。③表示电子层中分为若干个电子亚层(也称能级)。④多电子原子中，电子的能量取决于n、l。②决定电子绕核运动的轨道角动量。

E1s<E2s<E3s<E4sEns<Enp<End<Enf

取值：

m=0,±1,±2……±l,共(2l+1)个值。第1章物质结构基础1.1原子结构(3)磁量子数m①表示原子的角动量在外磁场方向上的分量。

②反映波函数(原子轨道)在空间的不同取向，共(2l+1)种取向(亦即轨道数目)。意义：n、l、m与原子轨道的关系（教材p.3

表1-2）第1章物质结构基础1.1原子结构如：

描述

电子绕核运动的波动状态

三个量子数波函数，即原子轨道

决定

（合理组合）该1s

电子能量最低，运动区域离核很近。指电子的运动(绕核)状态由n=1,l=0,m=0来描述；该电子处于第一(n=1)电子层(也称能层)；该电子处于1s轨道上，空间有一种取向(m=0)

；该电子在s亚层(l=0)上，运动区域为球形；基态氢原子Magneticfieldscreen电子自旋状态相同——自旋平行，用“”或“”表示;

不同——自旋反平行，用“”表示。

第1章物质结构基础1.1原子结构(4)自旋量子数ms取值：，常用“”和“”表示。描述电子绕轴自由旋转的状态。意义：2.

波函数的角度分布图(Y)-+(以2pz轨道为例)Zx◆正负号以及Y的极大值空间取向将对原子之间能否成键及成键的方向性起着重要作用。0°30°60°90°120°150°180……10.8660.50-0.5-0.866-1……0.4890.4230.2440-0.244-0.423-0.489……30°60°第1章物质结构基础1.1原子结构2px轨道2pz轨道第1章物质结构基础1.1原子结构

p

轨道(l=1,m=+1,0,-1)

m三种取值,三种取向,三条等价p

轨道.第1章物质结构基础1.1原子结构s

轨道(l=0,m=0)m一种取值,空间一种取向,一条s

轨道.第1章物质结构基础1.1原子结构d

轨道(l=2,m=+2,+1,0,-1,-2)

m五种取值,空间五种取向,五条等价d

轨道.第1章物质结构基础1.1原子结构dxy

轨道轨道第1章物质结构基础1.1原子结构

f轨道(l=3,m=+3,+2,+1,0,-1,-2,-3)

m七种取值,空间七种取向,七条等价f

轨道.第1章物质结构基础1.1原子结构l=4,m=0l=4,m=1

l=4,m=2g轨道(l=4,m=+4,+3,+2,+1,0,-1,-2,-3,-4

)

m九种取值,空间九种取向,九条等价g轨道.第1章物质结构基础1.1原子结构第1章物质结构基础1.1原子结构球形哑铃形复杂形

(+,－)(+,－)由l

决定

(+)1种3种5种7种(x,y,z)(xy,yz,xz

x2-y2,z2)由m

决定

(略)(轨道数)形状：

原子轨道

能量：

取向：

由n,l

决定

(n相同时)低

高

n越大，能量越高；spdf【归纳】第1章物质结构基础1.1原子结构②原子轨道的形状意味着电子出现概率大的空间区域。

①原子轨道有一定的形状，是立体的，有正、负号之分。【明确】第1章物质结构基础1.1原子结构(1)电子具有能量量子化、波粒二象性、统计性特征。(2)原子体系中的每个波函数对应一个原子轨道。(3)原子轨道的特征由三个量子数决定，或者说三个量子数决定了电子在核外的轨道运动状态。电子运动区域离核的平均距离。轨道能级(电子能量)的高低(主要)(4)主量子数n决定【综述】第1章物质结构基础1.1原子结构自旋量子数ms

决定电子本身的自旋运动磁量子数m

决定轨道的空间伸展方向，即

空间取向影响多电子原子的能量；

角量子数l

决定轨道的形状l=0，s轨道，球形；l=1，p轨道，哑铃形；l=2，d轨道，复杂形；l=3，f轨道，复杂形。第1章物质结构基础1.1原子结构n决定单电子原子中轨道的能级(电子的能量)。

n,l

决定多电子原子中轨道的能级(电子的能量)。

n,l,m,ms

决定电子的核外运动状态。

(轨道运动+自旋运动)

n,l,m

决定原子轨道(),

即电子绕核运动的状态。

(轨道运动)

【换言之】1.下列各组量子数哪些是不合理的？为什么？(1)n=2,l=1,m=0(2)n=2,l=2,m=1(3)n=3,l=2,m=0(4)n=3,l=1,m

=1(5)n=2,l=0,m

=-1(6)n=2,l=3,m=2答：(2)不合理∵n=l

,l≠

2

(5)

不合理∵n=2,l=0,m=0。(m≠-1)(6)

不合理∵n<l,n必大于l

。(m≠2)2.在下列各组中填入合适的量子数.(1)n=?,l=2,m=2,ms=+1/2;(2)n=2,l=?,m=1,ms=-1/2;

313.符号ψ3,1,0代表n、l、m各为何值的原子轨道？答：n=3,l=1,m=0的原子轨道。第1章物质结构基础1.1原子结构【补充例题】当n=3时，l的取值有哪些？m可取哪些值？试组合成ψ

。解：n=3时，l可取0,1,2;m可取0,±1,±2，可组合成的ψ有：ψ(3,0,0),ψ(3,1,0),ψ(3,1,-1),ψ(3,1,+1),ψ(3,2,0),ψ(3,2,-1),ψ(3,2,+1),ψ(3,2,-2),ψ(3,2,+2),第1章物质结构基础1.1原子结构【补充例题】如何使ψ能与可以观察的物理量联系起来？

电子出现的概率密度如何展现？

电子云：用小黑点的疏密表示电子概率分布的图形。核外空间某处电子波的波函数平方与该处单位体积内电子出现的概率密度成正比。3.

电子云与概率密度第1章物质结构基础1.1原子结构MaxBorn(1882～1970)诺贝尔物理学奖(1954)①电子云(图形)是一种形象的说法，符合电子行为的统计性。②图中的点不是电子的数目，只表示一个电子在某一瞬间可能出现在这个位置，点的疏密表示电子出现机会的多少。【注意】第1章物质结构基础1.1原子结构第1章物质结构基础1.1原子结构3p

2p

3s

1s

2s

3dxy(xz,yz)

0°30°60°90°120°150°180°……

10.8660.50-0.5-0.866-1……0.490.420.240-0.24-0.42-0.49……0.240.180.0600.060.180.24……

zxzxzxyxyx+-电子云的角度分布图(Y

2)第1章物质结构基础1.1原子结构第1章物质结构基础1.1原子结构第1章物质结构基础1.1原子结构第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构

1.1.2

多电子原子结构LinusCarlPaulingUSACaliforniaInstituteofTechnology(Caltech)Pasadena,CA,USAb.1901.2.18d.1994.TheNobelPrizein

Chemistry

1954TheNobelPrizein

Peace

Prize1962第1章物质结构基础1.1原子结构Pauling原子轨道近似能级图1s2s3s4s5s6s7s2p3p4p5p6p7p3d4d5d6d4f5f七六五四三二一E多电子原子的轨道能级取决于n、l①当l相同时，n

越大，轨道能级越高；如：1s<2s<3s，2p<3p<4p；②当n相同时，l

越大，轨道能级越高；如：ns<np<nd<nf

；③当n、l都相同时，属于同一能级,各轨道能量相同→等价轨道；如：2px,2py,2pz

；④当n、l都不相同时，“有时”会出现“反常”现象→能级交错；如：4s<3d；5s<4d；6s<4f<5d<6p。第1章物质结构基础1.1原子结构第1章物质结构基础1.1原子结构2.

核外电子排布原则:(3)洪特规则(2)能量最低原理(1)泡利不相容原理根据:光谱数据(1)泡利(Pauli)不相容原理原子中两个电子的四个量子数不可能完全相同。同一个轨道(n,l,m

相同)中最多容纳两个自旋相反(ms不同)的电子。Wolfgamg

EPauli(1900—1958）奥地利,1945年诺贝尔物理学奖Be:2s2第1章物质结构基础1.1原子结构【解决的问题】

核外各电子层、各亚层、各轨道最多可能容纳的电子数。量子数nlmms电子A200+1/2电子B200-1/2原理说明:(2)

每一电子层中电子的最大容量为2n2

个。(1)

同一原子中的各个电子的运动状态是不相同的。核外电子分布将尽可能优先占据能级较低的原子轨道，以使系统能量处于最低。鲍林(Pauling)的近似能级顺序：1s;

2s,2p;3s,3p;4s,3d,4p;5s,4d,5p;6s,4f,5d,6p;7s,5f,6d,7p;

第1章物质结构基础1.1原子结构(2)能量最低原理

【说明】①每一个亚层是一个能级,各能级的能量不同，同一能级的各轨道能量是相同的，常称为等价轨道。如:3p中的三个等价轨道:3px,3py,3pz。②用“;”隔开的是若干能级组，相邻能级组之间的能量差较大,而每一能级组内各能级的能量差较小。(能级组的划分是元素周期系划分周期的依据)第1章物质结构基础1.1原子结构1s11s2第1能级组2s1~22p1~6第2能级组3s1~23p1~6第3能级组4s1~23d1~104p1~6第4能级组5s1~24d1~105p1~6第5能级组6s1~24f1~145d1~106p1~6第6能级组7s1~25f1~146d1~107p1~6第7能级组

1s；

2s,2p；

3s,3p；

4s,3d,4p；

5s,4d,5p；

6s,4f,5d,6p；

7s,5f,6d,(7p)；出现d

轨道时：依照ns,(n-1)d,np的顺序排列；出现f

轨道时：依照ns,(n-2)f,(n-1)d,np顺序排布.

第1章物质结构基础1.1原子结构③注意能级交错。第1章物质结构基础1.1原子结构【解决的问题】

与

n

,l

有关的能级顺序，即不同主量子数n和不同角量子数l的电子在各能级中的填充顺序。【新问题】

n,l相同的同一能级(同一电子亚层)的各轨道电子是如何分布的?④电子在填充时一般按近似能级顺序，而在书写核外电子分布式时，则按主量子数n从小到大的顺序写，相同n

的各能级按l值由小到大依次写在一起。(3)洪特(Hund)规则第1章物质结构基础1.1原子结构能量相同(n,l

相同)的等价轨道中，电子尽可能分占(m不同)各个轨道，而且自旋平行(ms

相同)。【解释】

电子进入同一个轨道时，需要克服电子成对能，因此当电子分占各个轨道时更有利于系统能量最低。FriedrichHund（1896.2~1997.3）例如:碳原子6C：而不是1s22s22p2又如：锰原子25Mn：1s22s22p63s23p63d54s2

而不是

2p2s1s2s1s2p第1章物质结构基础1.1原子结构或写成:

或写成：3d24Cr：1s2

2s2

2p63s23p63d4s√

×4s3d3d4s29Cu：1s2

2s2

2p63s23p63d104s1×3d4s√

3d4s半满全满规则:(洪特规则特例)全充满(s2,p6,d10,f14)半充满(s1,p3,d5,f7)全空(s0,p0,d0,f0)第1章物质结构基础1.1原子结构512.用轨道符号，如11Na:

1s22s22p63s1或简式[Ne]3s13.价电子层(原子实之外)结构式1.轨道图示法表示轨道，↓↑表示自旋。核外电子排布的表示方法：【明确】◆

价电子：参加化学反应时参与成键的电子。◆

价电子层：主族元素是指最外层的ns或ns,np能级；副族元是指最外层ns和次外层(n-1)d能级。

29Cu：电子分布式：1s22s22p63s23p63d104s13d104s1价电子层结构式：原子实第1章物质结构基础1.1原子结构在原子结构中，p、2p、3p2等各表示什么含义？【补充例题】答：在原子结构中，p表示轨道，即l=1时的轨道，也可以称为p亚层；2p表示第二电子层p亚层，又称n=2轨道上的p亚层或2p轨道，还可以说是n=2，l=1的波函数(或轨道)；3p2表示在n=3的p轨道上有2个自旋平行的电子。第1章物质结构基础1.1原子结构能级交错：E4s<E3d<E4p

E6s<E4f<E5d<E6p对于多电子轨道能级图：思考第1章物质结构基础1.1原子结构1.

屏蔽效应和有效核电荷+2Hee-e-He++2e-假想Hee-2-σ第1章物质结构基础1.1原子结构屏蔽效应

——多电子原子中其它电子削弱(抵消)一部分核电荷对指定电子的作用。屏蔽常数：表示核电荷数减少程度的经验常数，

(σ)

反映了屏蔽效应的强弱。第1章物质结构基础1.1原子结构示意图：

核内层电子外层电子强屏蔽弱屏蔽(可忽略)有效核电荷数=核电荷数-其余电子屏蔽常数的总和

若被屏蔽电子是(ns,np)组中的电子：(1)

外层

=0;(2)

同组

=0.35;=0.30(1s);(3)

(n-1)层

=0.85(s,p),1.00(d,f);(4)

更内层各组

=1.00.

若被屏蔽电子是(nd,nf)组中的电子：(5)

内层各组

=1.00.第1章物质结构基础1.1原子结构原子核外电子分组顺序：(1s)(2s,2p)(3s,3p)(3d)(4s,4p)(4d)(4f)(5s,5p)…

Slater法则——σ的求法

解：17Cl：1s22s22p63s23p5

同层电子：1=(7-1)0.35=2.10(n-1)层电子：2=80.85=6.80(n-2)层以内电子：3=21.00=2.00

总的屏蔽作用：

Σ

=1+2+3=2.10+6.80+2.00=10.90

有效核电荷为：

Z*=Z-Σ=17–10.90=6.10

例：计算17Cl原子核外3p上一个电子的有效核电荷数。第1章物质结构基础1.1原子结构(

)()()分析：作用于钠原子各电子的有效核电荷数。第一层某个电子上的第二层某个电子上的第三层电子上的

11Na原子核外电子排布式为1s22s22p63s1，()()()第1章物质结构基础1.1原子结构第1章物质结构基础1.1原子结构

试计算作用在29Cu原子核外3d上某个电子的有效核电荷数。

根据

()()()()()解：【补充例题】●

基态K原子，Z＝19，核外电子排布分析

K：(1s2)

(2s22p6)

(3s23p6)

(3d1)(4s0)K：(1s2)

(2s22p6)

(3s23p6)

(3d0)(4s1)能级交错K：(1s2)

(2s22p6)(3s23p6)(3d0)(4s1)对价层电子4s1:

σ=8×0.85+10×1.00=16.8

Z*=19-16.8=2.20

E=-13.6×2.202/42=-4.11ev

K：(1s2)(2s22p6)(3s23p6)(3d1)(4s0)对价层电子3d1:σ=18×1.00=18.0

Z*=19-18.0=1.0

E=-13.6×1.02/32=-1.51ev

第1章物质结构基础1.1原子结构(3)呈周期性变化元素周期律元素周期表总结出

(2)有规律，遵循“两原理一规则”核外电子分布(1)实验光谱数据为根据

1.1.3

元素周期律1.

原子的电子层结构和元素周期表D.I.Mendeleyev（1834—1907）第1章物质结构基础1.1原子结构“门捷列夫不自觉地应用黑格尔的量转化为质的规律，完成了科学上的一个勋业，这个勋业可以和勒维烈计算尚未知道的行星海王星的轨道的勋业居于同等地位。”

——恩格斯《自然辩证法》门捷列夫的早期元素周期表

第1章物质结构基础1.1原子结构宝塔式或滴水钟式周期表第1章物质结构基础1.1原子结构放射式元素周期表

第1章物质结构基础1.1原子结构立体式周期表

第1章物质结构基础1.1原子结构第1章物质结构基础1.1原子结构维尔纳元素周期表

第1章物质结构基础1.1原子结构周期的划分与相应能级组的关系第1章物质结构基础1.1原子结构周期数特点能级组对应的能级原子轨道数元素数一特短周期11s12二短周期22s2p48三短周期33s3p48四长周期44s3d4p918五长周期55s4d5p918六特长周期66s4f4d6p1832七不完全周期77s5f5d7p18应有32元素数目＝相应能级组中原子轨道的电子最大容量周期数=能级组中最高主量子数

元素的周期

Ⅷ族:ns层+(n-1)d层电子数为8~10

0族:最外层电子数为8或2(n=1)

特殊La

系、Ac系:情况复杂第1章物质结构基础1.1原子结构主族及Ⅰ、Ⅱ副族数=最外层电子数

Ⅲ~Ⅶ副族数=最外层s电子数+次外层d电子数第1,2,13,15,16和17列为主族，即：IA,IIA,IIIA,IVA,VA,VIA,VIIA.

元素的族

第3~7,11和12列为副族，即：IIIB,IVB,VB,VIB,VIIB,IB和IIB.副族、Ⅷ族:最外层s电子+次外层d电子价电子构型(分布式)主族、零族:最外层电子※镧系、锕系:

最外层s电子+次外层d电子+倒数第三层f电子

明显影响元素性质的电子排布第1章物质结构基础1.1原子结构【注意】

在元素周期表当中，价电子排布类似的元素集中在一起，共分为五个区域，主要是以最后填入的电子的能级代号作为区分的。

s区[ns1~2]d区[(n-1)d1~8ns1~2]

f区

f区

[(n-2)f1~14(n-1)d0~2ns2]p区[ns2np1~6]ds区[(n-1)d10ns1~2]第1章物质结构基础1.1原子结构

元素的分区

①s区：ⅠA,ⅡA族元素，ns1-2，化合价为+1、+2，属活泼金属元素。③d区：ⅢB~ⅦB族及第Ⅷ族元素，(n-1)d1-8ns1-2(Pd

例外，4d105s0)。该区元素属过渡金属元素，化合价

+2、+3价(常见)。总结②p区：ⅢA~ⅦA族和零族元素，ns2np1-6(He例外，

1s2)。该区右上方属典型的非金属元素，左下方元素带有明显的金属性。第1章物质结构基础1.1原子结构总结第1章物质结构基础1.1原子结构④ds区：ⅠB,ⅡB族元素，(n-1)d10ns1-2，属过渡金属元素，化合价多为+1、+2，也有失去次外层d电子具有更高的化合价，如Cu2+、Au3+等。⑤f区：包括镧系(57~71)和锕系(89~103)，

(n-2)f0-14

(n-1)d0-2ns2，属于过渡金属元素，但一般将d区元素和ds区元素合称为过渡元素，而把f

区元素称为内过渡元素。化合价可为+3、+4价，该区元素的化学性质彼此十分相近。1.已知四种元素的原子的外层电子结构分别为：(1)4s2

(2)3s23p5

(3)3d24s2

(4)5d106s2

，试指出它们在周期系中各处于哪一周期？哪一族？哪一区？

答：(1)4s2

第四周期，第ⅡA族，s区

(2)3s23p5

第三周期，第ⅦA族，p区

(3)3d24s2

第四周期，第ⅣB族，d区

(4)5d106s2

第六周期，第ⅡB族，ds区

第1章物质结构基础1.1原子结构【补充例题】第1章物质结构基础1.1原子结构【补充例题】2.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第四周期，ⅥB族，金属，最高氧化态为+6。答：2.

元素性质的周期性原子半径

电离能电子亲和能电负性反应原子本身性质原子在化合物中的性质

在周期表中，元素原子的电子层结构的周期性变化，决定了元素性质的变化呈现周期性。第1章物质结构基础1.1原子结构

(1)原子半径(r)

金属晶体中两个相邻原子核间距的一半金属半径rM两个相同原子以共价单键结合时，核间距的一半共价半径rc范德华半径（稀有气体）单原子分子晶体中两相邻分子核间距离的一半2rM2rc2r第1章物质结构基础1.1原子结构主族元素半径变化第1章物质结构基础1.1原子结构原子半径变化规律的形象表示第1章物质结构基础1.1原子结构主族元素

解释：

同周期:左右原子半径逐渐减小。同族:上下原子半径逐渐增大。

解释：

Z↑，核引力↑，r↓;最外层e↑，屏蔽效应↑，r↑;Z*=(Z-Σσ)↑,结果r↓Z↑，核引力↑，r↓;e层数↑，r↑;Z*=(Z-Σσ)↓,结果r↑第1章物质结构基础1.1原子结构解释：源于镧系收缩现象（略）同周期:左右原子半径缓慢减小。同族:上下原子半径略微增大，且5、6

周期镧以后同族上下两元素几乎相等。电子递增在次外层(n-1)d，屏蔽效应强，有效核电荷增加少，半径减小缓慢。

解释：

Z↑，核引力↑，r↓次外层e↑，屏蔽效应↑，r↑Z*=(Z-Σσ)↑,结果r↓第1章物质结构基础1.1原子结构副族元素

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要的能量称为第一电离能，用I

1表示。E(g)

E+(g)+e-I

1例如：(2)

电离能(I)Li(g)-e-→Li+(g)I1=520.2kJ/molLi+(g)-e-→Li2+(g)I2=7298.1kJ/molLi2+(g)-e-→Li3+(g)I3=11815kJ/molE+(g)

E2+

(g)+e-I

2第1章物质结构基础1.1原子结构(1)反映了原子失去电子的难易程度——金属性。I

越小，越易失电子，金属性越强；相反，金属性越弱。(2)说明元素通常所呈价态数(+),如：电离能I

的意义钠I1<<I2

呈+1价(约9倍)

镁I1<I2<<I3

呈+2价(约5倍)

铝I1<I2<I3<I4

呈+3价(约5倍)

第1章物质结构基础1.1原子结构第1章物质结构基础1.1原子结构电离能随原子序数的增加呈现出周期性变化同族

原子半径有效核电荷电子层数综合的结果...【注意】

以上仅为一般规律，有特殊情况存在(电子结构式是半满或全满的原子)同周期

:左右I1趋于增大;

(∵r↓，Z*↑，失e渐难)主族：上→下I1减小。

(∵r↑，Z*↓，失e渐易)副族和Ⅷ族:

上→下I1减小，但规律性较差。(∵结构相对较复杂)规律第1章物质结构基础1.1原子结构元素的气态原子在基态时获得一个电子成为一价气态负离子所放出的能量称为电子亲和能。O-

(g)

+e

-

O2-(g)A2

=844.2kJ.mol-1例如：(3)

电子亲和能(A)当负一价离子再获得电子时要克服负电荷之间的排斥力，因此要吸收能量。O

(g)

+e-O-(g)A1

=-140.0kJ.mol-1第1章物质结构基础1.1原子结构一般A1<0，A2>0，但对于稀有气体，A1>0。(1)表示原子得电子的难易程度——非金属性。

A1

越大,越易得电子，非金属性越强；相反，非金属性越弱。电子亲和能

A的意义(2)说明元素通常所呈价态。【指出】

A值较难确定，可见的数据很少。第1章物质结构基础1.1原子结构——原子在分子中吸引电子的能力。第1章物质结构基础1.1原子结构Pauling标度(Xp)Mulliken标度(XM)Allred-Rochow标度(XAR)Allen标度(XA)电负性大小规律：LunisPauling(1901~1995)1954年度的诺贝尔化学奖1962年的诺贝尔和平奖(4)

电负性(X)同一周期：从左到右，X增大。同一主族：从上到下，X变小。电负性的标度有多种：◆原子吸引电子的趋势较强,元素在该化合物中显示电负性;原子吸引电子的趋势较弱，元素在该化合物中则显示电正性。◆F的电负性最大，电负性大的元素集中在周期表的右上角;Cs(Fr)的电负性最小，电负性小的元素集中在周期表的左下角。◆电负性有不同的标度，即有不同的数据表。第1章物质结构基础1.1原子结构①电离能和电子亲合能用来讨论离子化合物。

②电负性概念则用于讨论共价化合物的性质。

【说明】第1章物质结构基础1.1原子结构(2)判断化合物中元素的化合价符号。(1)划分元素的金属性与非金属性。电负性X

的应用

(3)判断化合物中化学键的类型。(一般规则）

经验界限X

≈

2

（一般规则）(3)无限多个相同原子紧密结合的体系:金刚石、晶体硅、石墨、金属等

(2)少数几个相同原子组成的分子体系:

(2)无限多的不同原子或离子形成的体系：(1)有限多的不同原子形成的分子体系：元素的存在形态单质化合物(1)单原子体系：稀有气体（极少）结合力？原子或离子的总趋势→

结合

1.2化学键与分子结构第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构化学键：分子或晶体中相邻原子(或离子)之间强烈、的吸引作用。(3)金属键：金属原子、金属离子间形成的化学键。(1)共价键：原子间通过共用电子对形成的化学键。(2)离子键：正、负离子间靠库仑引力形成的化学键。第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构共价键理论Lewis理论（1916年）价键理论（1927年、1930年）杂化轨道理论（1931年）价层电子对互斥理论（1940年）分子轨道理论（20世纪20年代末）Lewis理论电子配对理论——共用电子对成键

Lewis结构式HHClCCl••••••••Cl••••Cl••••••••••••NN••••八隅体规则违背八隅体规则的例子：BF3、SF6等第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构1.价键理论各提供自旋相反的未成对电子配对成键。原子轨道以波函数同号沿重叠最多的方向进行重叠成键。配对原理：最大重叠原理：

要点

具有单电子的两个原子接近时:1.2.1共价键的价键理论第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构（1）共价键的本质和特征

ER基态0O74pmΨ2OR••ABR排斥态基态OE0OΨ2R•AB•第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构

本质

原子轨道有效重叠后,两核间电子云密度增大

两核对核间电子云的吸引增强，核间排斥降低致使

系统能量降低稳定成键结果

两个原子接近时，只有两个自旋方向相反的单电子可以配对形成共价键。px第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构【说明】

饱和性决定了物质的组成比，如：H2S2:1

方向性决定了物质的几何构型，如：V字型

SHH原子所能提供单电子数=共价单键数目原子轨道的重叠必须沿重叠最多的方向进行，这样才能形成牢固的共价键。饱和性:

方向性:

特征

价键理论认为：共用电子对定域于成键的两原子之间。键极性的产生，源于成键原子对共用电子对(重叠电子云)吸引力的大小，通常可用电负性差(ΔX)衡量。电子云密集区位于原子核间中心区域——非极性键

(一般由同种元素的原子形成)

电子云密集区偏向电负性大的原子——(一般由不同种元素的原子形成)

极性键

第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构（2）共价键的极性

重叠程度大，稳定，可转动；σ键，重叠“头碰头”

键重叠程度小，易断，不可转动。π键，“肩并肩”

键第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构

①

键和键(按轨道重叠方式分类)

（3）共价键类型

HHHHσs-s

的波函数图形HClσs-p的波函数图形H―Clσp-p的波函数图形ClClClCl第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构σ键（“头碰头”）第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构s

+s

+p

+-s

+

σp-s的波函数图形σs-s

的波函数图形px

+-px

+-σp-p

的波函数图形σ键（“头碰头”）πp-p的波函数图形第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构π键（“肩并肩”）

π键的特点：轨道重叠部分对键轴平面呈镜面反对称，由于π键的轨道重叠方式不满足最大重叠原理，所以π键的稳定性比σ键小，化学反应中易断裂，π电子比σ电子活泼，易参加化学反应。

σ键的特点：轨道重叠部分沿着键轴呈圆柱形对称，由于轴向重叠是最大重叠，所以σ键的键能较大，很牢固，化学反应中不易断裂，表现出相对不活泼性。第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构轨道异号进行重叠，因能量升高无法成键。p-++-p第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构②单键和重键(按共用电子对数目分类)

单键：一对电子(键)，如重键双键：两对电子()，如三键：三对电子()，如πxπyNNσN:1s22s22px12py12pz1键解离能D:在双原子分子中，于标态下将气态分子断裂成气态原子所需要的能量。DH-Cl=432kJ∙mol-1，DCl-Cl=243kJ∙mol-1如：H2O(g)→H(g)+OH(g)

HO(g)→H(g)+O(g)在多原子分子中，断裂气态分子中某一个键，形成两个“碎片”时所需要的能量称为这个键的D。第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构（4）键参数键能(E

)DH-OH=499kJ∙mol-1DO-H=429kJ∙mol-1

标准状态下气态分子拆开成气态原子时，每种键所需能量的平均值。键能(E)第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构双原子分子：键能=键解离能如:

多原子分子：键能=键解离能的平均值如CH4中:

如H2O中:

如：N2O4(g)DN-N=167kJ·mol-1

N2H4(g)

DN-N=247kJ·mol-1第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构同一种键在不同分子中，键能大小可能不同。

键能与键焓：ΔrHm=ΔrUm+ΔnRT2H2(g)+O2(g)2H2O(g)ΔrHmΔrHm=2EH-H+EO-O-4EO-HΔrHm=ΣE反应物-ΣE生成物EO-O2EH-H4H(g)+2O(g)4EO-H——分子内成键两原子核间的平衡距离。键Lb/pmE(kJ/mol)键Lb/pmE(kJ/mol)H-F92570H-H74.0436H-Cl127432C-C154346H-Br141366C=C134602H-I161298C≡C120835F-F141159N-N145159Cl-Cl198.8244N≡N110946Br-Br228.4193C-H109414I-I266.6151O-H96464键长(Lb)

键长越短，键能越大，化学键越牢固。单键、双键及三键的键长依次缩短，键能依次增大。同一种键在不同分子中，键长基本是个定值。第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构——

分子中两个相邻化学键之间的夹角。正四面体形三角锥形决定分子几何构型的两要素：键长和键角。HHHN107°18´104°45´OHHCOO180°HHHHC109°28´直线形V形键角(°)第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构2.杂化轨道理论与分子的空间构型沼气、天然气的主要成分是甲烷（CH4）第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构两个原子接近时，只有两个自旋方向相反的单电子可以配对形成共价键。共价键理论成功地阐明了共价键本质和特性1、共价键的本质2、共价键的饱和性3、共价键的方向性一个原子含有几个单电子，就能和其他原子的几个自旋方向相反的单电子形成几个共价键。共价键总是沿着原子轨道最大重叠的方向形成。2s2p甲烷分子式不是CH2而是CH4

甲烷键角不是90º而是

109º28´甲烷四个C-H键完全相同6C：1s22s22p2Why？第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构LinusCarlPaulingUSACaliforniaInstituteofTechnology(Caltech)Pasadena,CA,USAb.1901.2.18d.1994.TheNobelPrizeinChemistry1954TheNobelPrizeinPeacePrize1962量子化学大师鲍林(Linuspauling)第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构（1）

杂化、杂化轨道在形成多原子分子的过程中，中心原子几个能量相近的不同类型的原子轨道，进行线性组合，重新分配能量和确定空间方向，组成数目相等的新原子轨道，这一过程叫“杂化”，所形成的新轨道叫“杂化轨道”。前提主体经过结果第1章物质结构基础1.2化学键与分子结构（2）

杂化轨道情况形状：一头大，一