第一讲 原子结构、分子结构与化学键理论.ppt

1、大学化学无 机化学部分,授课教师： 林 峰 Tel: 88273592(Lab.);E-mail: 浙江大学理学院化学系 无机与材料化学研究所,什么是化学？,化学是在原子、分子层次上(10-610-9m)研究物质的组成、结构、性质及其能量变化的一门科学。 它涉及存在于自然界的物质（如矿物、空气中的气体、海洋里的水和盐、动植物体内的化学成分），以及由化学家创造的新物质；它也涉及自然界的变化（如因闪电而着火的树木、生命过程中的化学变化），还有那些由化学家发明创造的新变化。 化学的主要任务是创造新物质，以满足人类对物质的需求。,数、理、化的拟人表达,数学 充满智慧的长者；

2、物理 彬彬有礼的绅士； 化学 婀娜多姿的女郎。,构建化学知识的基本方法,化学知识的积累和构造 感性认识 理性认识 现象 反应 物质 性质 结构 化学知识的掌握和应用,无机化学的范畴,Moeller.T. : 除去碳氢化合物和其大多数衍生物外，无机化学是对所有元素和它们化合物的性质和反应进行实验研究和理论解释的科学。,无机化学的分支学科,生物无机化学 无机材料化学 配位化学 金属有机化学 无机合成化学 无机仿生化学 ,学习无机化学课程的参考书,指定参考书： 无机化学高教出版社（第四版） 大连理工大学无机化学教研室 编 推荐参考书： 无机化学（上、下册）高教出版社 第三版 武汉大学 吉林大学等校编

3、 无机化学（上、下册）高教出版社 第四版 北师大、华师大等主编 现代基础化学化学工业出版社 第一版 朱裕贞 顾 达 黑恩成 主编,课件下载和ppt及论文上传,FTP地址：52 打开“incoming”文件夹 打开“林峰-2010大学化学-无机化学”文件夹，即可下载课件。,大学化学无机化学部分的教学内容安排,第1讲原子结构和元素周期律,1.1 原子结构理论的发展概况 1.2 原子的量子力学模型 1.3 原子的电子结构与元素周期律 1.4 原子结构与元素性质的关系 化学视野扫描隧道显微镜(STM),1.1 原子结构理论的发展概况,古希腊哲学家 德谟克利特 Demokritos

4、(约公元前460370） 最早提出原子学说,Demokritos 的古代原子论,原子与虚空是万物的本原； 原子是一种最小的、不可见的和不能再分的物质微粒； 虚空则是原子运动的场所，也是实在的存在； 原子在虚空中急剧而零乱地作直线运动； 由于原子的大小、形状、次序和位置的不同，原子之间的碰撞才会结合组成世界的万物。,1.1 原子结构理论的发展概况,1808年英国化学家John Dalton提出“原子论”： 元素是由非常微小的、看不见的、不可再分割的原子组成； 原子既不能创造，不能毁灭，也不能转变，所以在一切化学反应中都保持自己原有的性质；,Dalton J. (17661844),同一种元素的原

5、子的形状、质量及性质相同，而不同元素的原子的形状、质量及性质则各不相同，原子的质量（而不是形状）是元素最基本的特征；不同元素的原子以简单的数目比例相结合，形成化合物。 化合物的原子称为复杂原子，它的质量为所含各种元素原子质量之总和。同种化合物的复杂原子，其性质和质量也必然相同。,John Dalton的“原子论”,Rutherford的a粒子散射实验,a粒子撞击金原子的情形,Rutherford的有核原子模型,Rutherford的有核原子模型的缺陷：,根据经典电磁理论，绕核高速旋转的电子将不断以电磁波的形式发射出能量。这将导致两种结果： （a）电子不断发射能量，自身能量会不断减少，电子运动的

6、轨道半径也将逐渐缩小，电子很快就会落在原子核上，即有核原子模型所表示的原子是一个不稳定的体系。,Rutherford的有核原子模型的缺陷,（b）电子自身能量逐渐减少，电子绕核旋转的频率也要逐渐地改变。根据经典电磁理论，辐射电磁波的频率将随着旋转频率的改变而逐渐变化，因而原子发射的光谱应是连续光谱。 事实上，原子是稳定存在的而且原子光谱不是连续光谱而是线状光谱。这些矛盾是经典理论所不能解释的。,19世纪末和20世纪初的三个著名实验,光电效应 黑体辐射 氢原子的线状光谱,以上三个实验的现象和结果都不能用经典的物理学理论来解释，因为它们都涉及到一个不可分的最小的物理量。,不连续性的概念,Planck

7、的量子论,氢原子的线状光谱实验,Rydberg公式,氢原子光谱的各谱线与轨道能级的对应关系,氢原子光谱的性质,Bohr理论的提出,Bohr假设（一）,Bohr假设（二）,Bohr假设（三）,Bohr假设解决的问题,Bohr假设的成功与失败之处,1.2 原子的量子力学模型,光的波粒二象性波动性,光的波粒二象性粒子性,揭示光的波粒二象性的公式,电子的波粒二象性,电子的波动性电子衍射实验,波粒二象性是微观粒子的运动特点,宏观物体的运动特点,原子核外电子运动的测不准性,Heisenberg测不准原理,计算宏观物体测不准量的例子,计算微观物体测不准量的例子,原子核外电子的运动状态薛定谔方程,薛定谔方程的

8、解,波函数与原子轨道,波函数的概念,电子云的概念,几率密度与电子云,S电子云,P电子云,d电子云(dxy、dxz、dyz),d电子云(dx2-y2),d电子云(dz2),f电子云,波函数的空间图象,波函数的径向分布,类氢原子的各种状态的径向分布,注意和问题,解答：,波函数径向分布的主层概念,原子轨道的角度分布,Pz轨道的角度分布图,各种原子轨道的角度分布图,电子云的角度分布图,原子轨道与电子云的角度分布图的对比,四个量子数,主量子数,角量子数,角量子数的意义（1）,角量子数的意义（2）,角量子数的意义（3）,角量子数的意义（4）,磁量子数,磁量子数的意义（1）,磁量子数的意义（2）,自旋量子数

9、,四个量子数小结,思考题：,1.引起微观粒子与宏观物体的运动状态的本质区别是什么？ 2. 微观粒子的波动性是如何表现出来的？ 3. 根据测不准原理，氢原子核外一个电子(1s1)在某一瞬间的运动状态是不可预测的，但为什么线状光谱却是有规律的？,1.3 原子的电子结构与元素周期律,Pauling原子轨道的能级图,原子轨道的近似能级图,屏蔽效应（1）,屏蔽效应（2）,钻穿效应（1）,钻穿效应（2）,能量最低原理,Pauli不相容原理,Pauli不相容原理的推论,Hund规则,Hund规则的特例,原子的电子层结构（1）,原子的电子层结构（2）,电子层结构与元素的分区,电子层结构与周期的关系,电子层结构

10、与族的关系,1.4 原子结构与元素性质的关系,1. 原子半径 a 共价半径：同种元素的两个原子以共价单键连接时，它们核间距的一半叫做原子的共价半径。 b.金属半径：把金属晶体看成是由球状的金属原子堆积而成的，假定相邻的两个原子彼此互相接触，它们核间距离的一半就是该原子的金属半径。,c.范德华半径: 当两个原子之间没有形成化学键而只靠分子间作用力互相接近时，例如稀有气体在低温下形成单原子分子的分子晶体时，两个原子之间的距离的一半，就叫做范德华半径。 一般说来: 范德华半径 金属半径 共价半径,原子半径,原子半径的周期性,2. 原子的电离能（势）,使某元素一个基态的气态原子失去一个电子形成正一价的

11、气态离子时所需要的能量，叫做这种元素的第一电离能(I1)。 A(g) e A(g)+ HI1,元素第一电离势周期变化图,3. 电子亲合能,某元素的一个基态的气态原子得到一个电子形成气态负离子时所放出的能量叫做该元素的电子亲合能(E1)。 A(g) + e A(g) H= E1,第一电子亲和能的周期性变化,3. 元素的电负性,1932年Pauling定义元素的电负性是： 原子在分子中吸引电子的能力。 他指定氟的电负性为4.0，并根据热化学数据比较各元素原子吸引电子的能力，得出其他元素的电负性数据。,元素电负性的周期性变化图,化学视野扫描隧道显微镜（STM）,原子的存在及其结构是历代不少科学家们倾

12、注心血终生探索的核心问题之一。直接观察原子，曾是人们的梦想。 1981年，IBM公司瑞士苏黎世实验室的G.Birning和H.Rohrer两位博士共同研制成功了世界第一台扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）。为此他们与电子显微镜的创制者共同荣获1986年Nobel物理奖。,扫描隧道显微镜的基本原理 量子的隧道效应,将一个锐利的钨针尖和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离接近到几个小的原子直径范围内，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的绝缘层流向另一电极，这种现象称为隧道效应。 隧道电流强度对于两电极之间距离的反映非常敏感。如果距离减小 100 pm，电流强度将增加 1000倍。,因此，用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面扫描，利用电子反馈线路控制隧道电流恒定（说明两电极之间的距离不变），则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映了样品表面的起伏，当探针沿着样品表面水平方向扫描时，数据由计算机储存