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医用化学第六章原子结构和分子结构

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1、第六章原子结构和分子结构,第一节原子结构,第二节分子结构,第三节氢键,第一节原子结构,原子结构的知识是认识各种物质结构和性质的基础。人类对原子结构的认识，经历了几千年的探索，量子力学(quantum mechanics) 的现代概念揭示了微观世界粒子运动的规律。,基本粒子（原子、分子、离子和电子）的运动不遵守经典力学规律。必须采用量子力学的方法描述它们的运动状态。,量子力学的基础是：波粒二象性、测不准原理和薛定锷方程。,核外电子运动状态的现代概念,1. 电子具有波粒二象性，它具有质量、能量等粒子特征，又具有波长这样的波的特征。电子的波动性与其运动的统计规律相联系，电子波是概率波；,2. 电子这样的微观粒子不能同时测准它的位置和动量，不存在确定的运动轨道。它在核外空间出现体现为概率的大小，有的地方出现的概率小，有的地方出现的概率大；,3. 电子的运动状态可用波函数和其相应的能量来描述。波函数是薛定谔方程的合理解，表示概率密度。,4. 每一对应一确定的能量值，称为“定态”。电子的能量具有量子化的特征，是不连续的。基态时能量最小，比基态能量高的是激发态。,一、氢原子的量子力学模型

2、,（一）波函数和量子数,（三）概率密度和电子云,（二）原子轨道的图形,二、多电子原子的核外电子排布,back,波函数 (wave function) 是薛定锷方程的解，它不是一个数值，是描述微观粒子运动状态函数式, 是直角坐标(x,y,z)或球极坐标(r, )的的函数。本身没有明确的物理意义， | |2 表示空间某处电子出现的概率密度（概率密度=概率/体积）,波函数又称为原子轨道，此原子轨道并不代表确定的运动轨道，它只是玻尔理论中名称的借用，所表示含义截然不同。,量子力学原子轨道 =波函数,玻耳原子轨道指电子具有确定的运动轨道。例：基态氢原子的电子在半径 r = 52.9 pm的球形轨道上运动,基态氢原子轨道的波函数,玻尔原子轨道和波函数的区别,back,注意： “在某轨道上运动的电子”或“占据某轨道的电子”的说法的实际意义。,氢原子2s激发态轨道的波函数,量子数,合理的n、l、m 的取值和组合所决定的才能合理存在,主量子数n、轨道角动量量子数l、磁量子数m（方程求解时引入）,量子数是一些不连续的、分立的数值，体现了某些物理量的不连续变化，称为量子化,取值范围：非零正整数（

3、1、2、3、n）,物理意义 1. 决定电子在核外空间出现概率最大的区域离核的远近; (电子层数） 2. 决定电子能量高低的主要因素，,n值越大，电子离核的平均距离越远，能量越高,对于单电子原子而言，例如H，电子的能量完全由n 决定,主量子数n,轨道角动量量子数 l（亚层）,取值范围：受主量子数的限制，取小于n的正整数和零（0、1、2、3、(n-1)），共可取n个数值,物理意义 1. 决定原子轨道的形状,光谱学标记 l = 0 s l = 1 p l = 2 d l = 3 f,主量子数相同时，角量子数的值愈大，能量愈高,单电子体系：Ens = Enp = End = Enf,多电子体系：EnsEnp End Enf,多电子体中，主量子数相同而角量子数不同的电子，能量不同,2. 在多电子原子中也决定电子的能量高低.,物理意义：决定原子轨道在空间的伸展方向（有一个取值，即有一个方向一个轨道）,l=0时， m=0 只有一个伸展方向球形 l=1时， m=0、1，在空间有三种不同的伸展方向，分别代表双球形的p轨道在x、y、z轴方向上伸展,Em=0 = Em=+1 = Em=-1,磁量子数m

4、,取值范围：整数和零，受到角量子数 l 的限制。ml，每个 l 共有 2l+1 个取值,量子数的合理组合及轨道数,角量子数l,主量子数n,磁量子数m,波函数,同一层轨道数(n2),1,0,0,1s或1,0,0,1,2,0 1,0,0 1,2s或2,0,0,或2,1,0,3,0,1,2,0 1,0,3s或3,0,0,或3,1,0,0 1 2,22,32,自旋量子数 s 研究氢原子光谱的精细结构发现，每条谱线都由两条距离很近的谱线组成，是电子本身具有自旋运动造成,s 只有+1/2、-1/2两个数值,自旋运动方向也可以用、表示、或、的称为平行自旋、的称为反平行自旋,归纳一：量子数的意义,n 电子层 l 电子亚层 n ，l 能级 n ，l，m 轨道 1,0,01s、2,0,02s、2,1,02pz、2,1,12px、2py n ，l，m，s 运动状态 +11Na (2)(2,6)(1) 1, 0, 0, (+1/2); 1, 0, 0, (-1/2) 3, 0, 0, (+1/2); 有没有2d能级？,归纳二：电子能级,H原子： 1s2s =2px=2py=2pz 3s= 3px=3py=

5、3pz =3dxy=3dxz=3dyz = = 多电子原子 1s2s 2px=2py=2pz 3s 3px=3py=3pz 3dxy=3dxz=3dyz = =,back,将原子轨道用图形表示出来，有助于对抽象数学表达式的了解。,（二）、原子轨道的图形,n,l,m(r, ) = Rn,l(r) Yl,m(, ),径向波函数只与n和l有关，是离核距离r的函数,角度波函数只与l 和 m有关，是方位角度，的函数,（一）氢原子轨道的角度分布图,=0.282,函数值为零的xy平面称为节面,1、记住9个轨道的名称,2、反映Y l ，m (, ） (, ）,3、Y l ，m (, ）与距离核远近r无关,4、Y l ，m (, ）与n无关：不论n为何值，只要l、m相同时，Y l ，m(, ）的图形都一样: Y1s=Y2s=Y3s Y2p= Y3p Y3d=Y4d ,5、节面：函数值为零的平面,6、正负号：反映了电子的波动性这里注意：正负号与电荷毫无关系！,back,将空间各处电子出现概率密度| |2的大小用疏密程度不同的黑点表示,电子云越稀疏，电子出现的概率密度愈小,注意：黑点不代表电子,（三）电子云和概率密度,这种单位体积内黑点数与| |2成正比的图形电子云, 2(r,）= R 2n, l (r) Y 2l, m(, ）,氢原子的激发态的电子云图比较复杂，通常也是从两部分来了解它。,电子云的径向部分,电子云的角度部分,

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