大学化学：第一章 物质结构基础.ppt
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大大 学学 化化 学学 教学要求与安排教学要求与安排n学时：学时：32 n教材：教材：《大学化学《大学化学》》，高等教育出版社，高等教育出版社n学习方法：学习方法：预习，听课，作业，复习，答疑预习，听课，作业，复习，答疑n成绩评定：成绩评定：平时（平时（20%）、考试（）、考试（80%）） n理论课理论课与与实验课实验课关系关系 什么是化学？什么是化学？化学是在化学是在原子、分子原子、分子及及超分子超分子水平上水平上研究物研究物质的质的组成组成、、结构结构和和性能性能以以及及相互转化相互转化的学科石墨的六方晶胞石墨的六方晶胞用隧道扫描显微镜放大后的石墨层状结构用隧道扫描显微镜放大后的石墨层状结构 为什么要学习化学？为什么要学习化学？可以了解化学变化的原理，搞清发生在我们身边的许多可以了解化学变化的原理，搞清发生在我们身边的许多“为什么为什么” ；；可以更好的利用自然资源，提炼物质并合成新物质；可以更好的利用自然资源，提炼物质并合成新物质； 可以帮助人类在能源、材料、生命现象、生态环境等多领可以帮助人类在能源、材料、生命现象、生态环境等多领域中研究创新，开辟新的道路域中研究创新，开辟新的道路。
接受化学的启蒙教育，具备一定的化学基础知识接受化学的启蒙教育，具备一定的化学基础知识 是进行科学、工程、医学、农业等工作者所必需是进行科学、工程、医学、农业等工作者所必需 （（1 1））大学的大学的“教教”与与“学学”和高中截然不同和高中截然不同 要学会看书，学会抓住重点；找到和建立一套适合自己的要学会看书，学会抓住重点；找到和建立一套适合自己的要学会看书，学会抓住重点；找到和建立一套适合自己的要学会看书，学会抓住重点；找到和建立一套适合自己的学习方法，注重培养自主学习能力学习方法，注重培养自主学习能力学习方法，注重培养自主学习能力学习方法，注重培养自主学习能力大学化学的学习方法与要求大学化学的学习方法与要求（（2））打好专业基础，扩大知识面，培养基本打好专业基础，扩大知识面，培养基本 的科学素养和科学道德的科学素养和科学道德认真掌握实验基本技能，学会如何处理实验数据，实事求认真掌握实验基本技能，学会如何处理实验数据，实事求认真掌握实验基本技能，学会如何处理实验数据，实事求认真掌握实验基本技能，学会如何处理实验数据，实事求是，提高解决实际问题的能力是，提高解决实际问题的能力是，提高解决实际问题的能力是，提高解决实际问题的能力。
（（3））课上认真听讲、记笔记，课后及时总结课上认真听讲、记笔记，课后及时总结 归纳，培养创新能力归纳，培养创新能力 （（4））同学之间学习要互相关心，互相帮助，同学之间学习要互相关心，互相帮助， 有亲和力，培养团队精神有亲和力，培养团队精神 大学化学的学习方法与要求大学化学的学习方法与要求 绪绪 论论1. 气体气体 理想气体的状态方程式理想气体的状态方程式: pV=nRT2. 液体浓度的表示方法：液体浓度的表示方法： 质量分数质量分数 质量浓度质量浓度 摩尔分数摩尔分数 物质的量浓度物质的量浓度 质量摩尔浓度质量摩尔浓度 注意：注意：不同浓度的单位与换算关系不同浓度的单位与换算关系 第一章第一章 物质结构基础物质结构基础n原子结构理论原子结构理论n构成自然界中各种元素的基本单位，具有该元素的构成自然界中各种元素的基本单位，具有该元素的化学性质，并能在化学反应中保持；化学性质，并能在化学反应中保持；n由带正电荷的由带正电荷的原子核原子核（由质子和中子构成，决定元（由质子和中子构成，决定元素的化学性质，并在化学反应中保持不变）和在原素的化学性质，并在化学反应中保持不变）和在原子核的库仑场中运动的带负电的子核的库仑场中运动的带负电的电子电子（化学反应中（化学反应中其数目及运动状态均可能发生变化）组成。
其数目及运动状态均可能发生变化）组成 电子的发现电子的发现约瑟夫·约翰·汤拇逊 （1856-1940） 18971897年，汤姆逊通过气体低压放年，汤姆逊通过气体低压放电实验发现了电子的存在，并测电实验发现了电子的存在，并测定了电子的荷质比定了电子的荷质比 原子核的发现原子核的发现19111911年，卢瑟福在年，卢瑟福在αα粒子散射粒子散射实验中证实原子中存在质量较实验中证实原子中存在质量较大、带正电荷的原子核大、带正电荷的原子核欧内斯特欧内斯特·卢瑟福卢瑟福 （（1871-1937）） 卢瑟福的原子结构理论卢瑟福的原子结构理论基本论点：基本论点：所有原子都有一个核即原子核；所有原子都有一个核即原子核；v核的体积只占整个原子体积极小的一部分；核的体积只占整个原子体积极小的一部分；w原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上；原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上；电子像行星绕着太阳那样绕核运动电子像行星绕着太阳那样绕核运动 经典物理学概念面临的窘境（经典物理学概念面临的窘境（1）） 在在对对粒粒子子散散射射实实验验结结果果的的解解释释上上，，新新模模型型的的成成功功是是显显而而易易见见的的，，至至少少要要点点中中的的前前三三点点是是如如此此。
问问题题出出在在第第4点点，，尽尽管管卢卢瑟瑟夫夫正正确确地地认认识识到到核核外外电电子子必必须须处处于于运运动动状状态态，，但但将将电电子子与与核核的的关系比作行星与太阳的关系却是一幅令人生疑的图像关系比作行星与太阳的关系却是一幅令人生疑的图像 An unsatisfactory atomic model 根根据据当当时时的的物物理理学学概概念念，，带带电电微微粒粒在在力力场场中中运运动动时时总总要要产产生生电电磁磁辐辐射射并并逐逐渐渐失失去去能能量量，，运运动动着着的的电电子子轨轨道道会会越越来来越越小小，，最最终终将将与与原原子子核核相相撞撞并并导导致致原原子子毁毁灭灭由由于于原原子子毁毁灭灭的的事事实实从从未未发发生生，，将将经经典典物物理理学概念推到前所未有的尴尬境地学概念推到前所未有的尴尬境地 经典物理学概念面临的窘境（经典物理学概念面临的窘境（2））根据卢瑟福原子模型，电子绕核高速运动，其放出的能根据卢瑟福原子模型，电子绕核高速运动，其放出的能量是连续的，如此得到的原子光谱应该是连续的带状光量是连续的，如此得到的原子光谱应该是连续的带状光谱，但是实验得到的原子光谱确是线状的！谱，但是实验得到的原子光谱确是线状的！连续光谱连续光谱 描述微观物体运动规律描述微观物体运动规律的需求呼唤物理学新理的需求呼唤物理学新理论的诞生！论的诞生！ ◆◆ 光的波粒二象性光的波粒二象性 光的传播形式和光的光的传播形式和光的光的传播形式和光的光的传播形式和光的衍射现象都表示了光衍射现象都表示了光衍射现象都表示了光衍射现象都表示了光的的的的波动性波动性波动性波动性。
光的吸收、发射现象光的吸收、发射现象光的吸收、发射现象光的吸收、发射现象说明了光具有说明了光具有说明了光具有说明了光具有粒子性粒子性粒子性粒子性 微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性 ◆◆ 电子的波粒二象性电子的波粒二象性德布罗意德布罗意德布罗意德布罗意 Louis de Broglie Louis de Broglie 1892~19871892~1987 19241924年年年年法国年轻的物理学家德布法国年轻的物理学家德布法国年轻的物理学家德布法国年轻的物理学家德布罗意在光的波粒二象性启发下，大胆罗意在光的波粒二象性启发下，大胆罗意在光的波粒二象性启发下，大胆罗意在光的波粒二象性启发下，大胆地提出了地提出了地提出了地提出了“ “物质波物质波物质波物质波” ”的假设，预言电的假设，预言电的假设，预言电的假设，预言电子等微粒会像光一样发生衍射，显示子等微粒会像光一样发生衍射，显示子等微粒会像光一样发生衍射，显示子等微粒会像光一样发生衍射，显示具有波动性具有波动性具有波动性具有波动性 式中式中式中式中 mm为电子的质量，为电子的质量，为电子的质量，为电子的质量， h h为普朗克常数，为普朗克常数，为普朗克常数，为普朗克常数，P P 为电子的动量，为电子的动量，为电子的动量，为电子的动量，v v为电为电为电为电子的速度，这种波称为子的速度，这种波称为子的速度，这种波称为子的速度，这种波称为物质波物质波物质波物质波，亦称为，亦称为，亦称为，亦称为德布罗意波德布罗意波德布罗意波德布罗意波。
并根据波粒二象性的关系式预言了高速并根据波粒二象性的关系式预言了高速并根据波粒二象性的关系式预言了高速并根据波粒二象性的关系式预言了高速运动的电子的波长运动的电子的波长运动的电子的波长运动的电子的波长 λ λ 公式：公式：公式：公式： 当用很弱的电子流做衍射实验，电子是一个一个地通过当用很弱的电子流做衍射实验，电子是一个一个地通过当用很弱的电子流做衍射实验，电子是一个一个地通过当用很弱的电子流做衍射实验，电子是一个一个地通过晶体发生衍射的因为电子有粒子性，开始只是落到照相晶体发生衍射的因为电子有粒子性，开始只是落到照相晶体发生衍射的因为电子有粒子性，开始只是落到照相晶体发生衍射的因为电子有粒子性，开始只是落到照相底片的一个一个点上，每次所落的点都不是重合在一起的底片的一个一个点上，每次所落的点都不是重合在一起的底片的一个一个点上，每次所落的点都不是重合在一起的底片的一个一个点上，每次所落的点都不是重合在一起的经过足够长的时间，通过大量的电子后，得到的衍射图经过足够长的时间，通过大量的电子后，得到的衍射图经过足够长的时间，通过大量的电子后，得到的衍射图。
经过足够长的时间，通过大量的电子后，得到的衍射图呈现出波动性若用较强的电子流可在较短时间内得到同呈现出波动性若用较强的电子流可在较短时间内得到同呈现出波动性若用较强的电子流可在较短时间内得到同呈现出波动性若用较强的电子流可在较短时间内得到同样的电子衍射环纹样的电子衍射环纹样的电子衍射环纹样的电子衍射环纹 电子衍射实 验 19271927年，戴维森（年，戴维森（年，戴维森（年，戴维森（DavissonDavisson）等的）等的）等的）等的电子衍射的实验电子衍射的实验电子衍射的实验电子衍射的实验证实了德证实了德证实了德证实了德布罗意的预言，电子不仅是一种具有一定质量，高速运动的带电粒布罗意的预言，电子不仅是一种具有一定质量，高速运动的带电粒布罗意的预言，电子不仅是一种具有一定质量，高速运动的带电粒布罗意的预言，电子不仅是一种具有一定质量，高速运动的带电粒子，而且还能呈现波动性子，而且还能呈现波动性子，而且还能呈现波动性子，而且还能呈现波动性 19271927年年年年，德国物理学家海森堡提出，德国物理学家海森堡提出，德国物理学家海森堡提出，德国物理学家海森堡提出了量子力学中的一个重要原理了量子力学中的一个重要原理了量子力学中的一个重要原理了量子力学中的一个重要原理————不确不确不确不确定原理定原理定原理定原理：不可能同时测得电子的精确位：不可能同时测得电子的精确位：不可能同时测得电子的精确位：不可能同时测得电子的精确位置和精确的动量。
置和精确的动量置和精确的动量置和精确的动量海森堡海森堡海森堡海森堡 Heisenberg, Heisenberg, 1901~19761901~1976≥ ≥式中式中Δx 为粒子位置的不确定值为粒子位置的不确定值；； ΔP 为粒子动量的不确定值为粒子动量的不确定值；； h为普朗克常数；为普朗克常数； 微观粒子运动的统计性微观粒子运动的统计性 Schrodinger E 19261926年年年年，奥地利物理学家薛定谔，奥地利物理学家薛定谔，奥地利物理学家薛定谔，奥地利物理学家薛定谔从德布罗意的假设中得到启示，首先从德布罗意的假设中得到启示，首先从德布罗意的假设中得到启示，首先从德布罗意的假设中得到启示，首先提出了提出了提出了提出了描述微观粒子运动规律的波动描述微观粒子运动规律的波动描述微观粒子运动规律的波动描述微观粒子运动规律的波动方程方程方程方程，建立了迄今最为成功的原子结，建立了迄今最为成功的原子结，建立了迄今最为成功的原子结，建立了迄今最为成功的原子结构模型构模型构模型构模型————波动力学模型。
亦称为薛波动力学模型亦称为薛波动力学模型亦称为薛波动力学模型亦称为薛定谔方程，是一个定谔方程，是一个定谔方程，是一个定谔方程，是一个二阶偏微分方程二阶偏微分方程二阶偏微分方程二阶偏微分方程：：：：式中式中式中式中 ψ ψ：波函数：波函数：波函数：波函数ψ ψ是空间坐标是空间坐标是空间坐标是空间坐标 x x、、、、y y、、、、z z的函数；的函数；的函数；的函数； E E：体系的总能量：体系的总能量：体系的总能量：体系的总能量 ；；；； V V：体系的势能；：体系的势能；：体系的势能；：体系的势能； mm：粒子的质量：粒子的质量：粒子的质量：粒子的质量 ；；；； h h：普朗克常数：普朗克常数：普朗克常数：普朗克常数 波动力学模型波动力学模型 波函数与原子轨道（波函数与原子轨道（1））实验证实：原子核外运动的电子不能同时准确地测定实验证实：原子核外运动的电子不能同时准确地测定它的位置和速度，但在某一空间范围内出现的几率是它的位置和速度，但在某一空间范围内出现的几率是可以用统计的方法加以描述的，可以用统计的方法加以描述的，波函数波函数ψ 就是描述微就是描述微观粒子在空间某范围内出现的几率。
观粒子在空间某范围内出现的几率换言之，每个波换言之，每个波函数函数ψ 都能描述原子核外电子运动的一种状态，波函都能描述原子核外电子运动的一种状态，波函数数ψ的表达式可由的表达式可由薛定谔波动方程薛定谔波动方程解出径向部分径向部分角度部分角度部分 波函数与原子轨道（波函数与原子轨道（2））欲使方程的解是合理的，就要求欲使方程的解是合理的，就要求n、、l、、m不是任意常不是任意常数，而是要符合一定的取值在量子力学中把这类特数，而是要符合一定的取值在量子力学中把这类特定常数定常数n、、l、、m称为量子数称为量子数 n为主量子数，取值为为主量子数，取值为1，，2，，3，，……n；； l为轨道角为轨道角动量量子数，取值为动量量子数，取值为0，，1，，2……（（n-1）；）； m为磁量为磁量子数，取值为子数，取值为0，，±1，，±2，，±3，，……± l 通过一组特定的通过一组特定的n、、l、、m就可得出一个相应的波函数就可得出一个相应的波函数ψ (r,θ,Φ)，，每一个每一个ψ (ψ (r r, ,θθ, ,ΦΦ) )所表示的原子核外电所表示的原子核外电子的运动状态称为原子轨道子的运动状态称为原子轨道。
波函数与原子轨道（波函数与原子轨道（3））原子轨道的形状图原子轨道的形状图 波函数的函数值在球面空间中有一定的分布形波函数的函数值在球面空间中有一定的分布形态在空间上，通常将态在空间上，通常将Ψ（（r,θ,Φ）） 分为径向部分为径向部分分R（（r）和角度部分）和角度部分Y（（θ,Φ）分别表示出来分别表示出来其中波函数中其中波函数中Y（（θ,Φ）随角度变化的分布称为）随角度变化的分布称为原子轨道的角度分布图，习惯称为原子轨道形原子轨道的角度分布图，习惯称为原子轨道形状 波函数与原子轨道（波函数与原子轨道（4））原子轨道形状及波函数中原子轨道形状及波函数中Y（（θ，，Φ）随角度变化的分）随角度变化的分布由量子数布由量子数l、、m决定，其中决定，其中l的取值决定了的取值决定了原子轨道的原子轨道的形状形状，， m的取值决定其在空间的伸展方向，即该轨道的取值决定其在空间的伸展方向，即该轨道的的数目数目习惯上用光谱学上的符号习惯上用光谱学上的符号s、、p、、d、、f ……来表示不同来表示不同形状的原子轨道，它们的对应关系如下：形状的原子轨道，它们的对应关系如下： l的取值的取值0123轨道名称轨道名称spdf轨道数目轨道数目1357 原子轨道角度分布图原子轨道角度分布图 s-orbitaln以原点为球中心的球面，球面上每一点的以原点为球中心的球面，球面上每一点的函数值均为正值，因此在平面上简单地画函数值均为正值，因此在平面上简单地画成一个带正号的圆。
成一个带正号的圆 原子轨道角度分布图原子轨道角度分布图 px py pz n两组相交于原点的球面，一组为正值，另一组为负值，两组相交于原点的球面，一组为正值，另一组为负值，在平面上简单地画成两个相切于原点的圆，上（或右）在平面上简单地画成两个相切于原点的圆，上（或右）圆为正，下或（左）为负值圆为正，下或（左）为负值mi有－有－1，，0，＋，＋1三个值，三个值，分别决定了三个轨道在空间的不同取向分别决定了三个轨道在空间的不同取向 原子轨道角度分布图原子轨道角度分布图 n在平面上在平面上d轨道的图形就像花瓣状共有轨道的图形就像花瓣状共有5个轨道，其中个轨道，其中dxy, dyz, dxz和和dx2-y2由四个带正负号的由四个带正负号的“半半”保龄球状的保龄球状的瓣构成，各自有不同的取向，瓣构成，各自有不同的取向，dz2则是两个对立的则是两个对立的“半半”保龄球瓣，颈部套一个小圆环保龄球瓣，颈部套一个小圆环 n图上标出的“＋”“－”号，代表的是角度分布函数Y值在不同区域内其函数值的正负号不同，并非正负电荷。
注意：注意：原子轨道图上标出的原子轨道图上标出的“＋＋”“－－”号，代表的是角度分布函数号，代表的是角度分布函数Y Y值值在不同区域内其函数值的正负号不同，在不同区域内其函数值的正负号不同，并非正负电荷，也不代表波函数值的并非正负电荷，也不代表波函数值的正负，它指的是原子的轨道的对称性正负，它指的是原子的轨道的对称性 n波函数在某一点的绝对值的平方波函数在某一点的绝对值的平方| |ΨΨ| |2 2即是电子在该即是电子在该点处单位体积出现的概率（点处单位体积出现的概率（概率密度概率密度） n用小黑点的疏密形象地描述电子在原子核外空间的概用小黑点的疏密形象地描述电子在原子核外空间的概率密度分布图象叫做率密度分布图象叫做电子云电子云电子云电子云 (1) 电子云也可以是用电子云也可以是用电子云也可以是用电子云也可以是用统计的方法统计的方法统计的方法统计的方法描述电子在核外空间某描述电子在核外空间某描述电子在核外空间某描述电子在核外空间某一区域内出现概率大小的一个形象化的图示，一区域内出现概率大小的一个形象化的图示，一区域内出现概率大小的一个形象化的图示，一区域内出现概率大小的一个形象化的图示，s s s s 电子经常电子经常电子经常电子经常出现的区域是核外的一个球形空间。
出现的区域是核外的一个球形空间出现的区域是核外的一个球形空间出现的区域是核外的一个球形空间 图中密集的小点只是说明氢原子核外的一个电子在核图中密集的小点只是说明氢原子核外的一个电子在核图中密集的小点只是说明氢原子核外的一个电子在核图中密集的小点只是说明氢原子核外的一个电子在核外空间的一种运动状态，并不代表有这么多个电子在核外外空间的一种运动状态，并不代表有这么多个电子在核外外空间的一种运动状态，并不代表有这么多个电子在核外外空间的一种运动状态，并不代表有这么多个电子在核外运动 s s 电子云电子云电子云电子云 d 电子云电子云 f f 电子云电子云 1s1s2s2s3s3s2p2pz z3p3pz z电子云黑点图电子云黑点图电子云黑点图电子云黑点图 1s1s2s2s3s3s3p3pz z原子轨道轮廓图原子轨道轮廓图原子轨道轮廓图原子轨道轮廓图 ★ ★ ★ ★ 形状相似形状相似形状相似形状相似，，，，不同的是电子云的角度分布图形比原子轨不同的是电子云的角度分布图形比原子轨不同的是电子云的角度分布图形比原子轨不同的是电子云的角度分布图形比原子轨道的角度分布图形要道的角度分布图形要道的角度分布图形要道的角度分布图形要“ “瘦瘦瘦瘦” ”些，这是由于波函数的些，这是由于波函数的些，这是由于波函数的些，这是由于波函数的Y Y Y Y值值值值小于小于小于小于1 1 1 1，而，而，而，而| | | |Y Y Y Y| | | |2 2 2 2 值就更小的缘故。
值就更小的缘故值就更小的缘故值就更小的缘故★ ★ ★ ★ 正负号不同正负号不同正负号不同正负号不同，，，，原子轨道角度分布图上有原子轨道角度分布图上有原子轨道角度分布图上有原子轨道角度分布图上有＋、－＋、－＋、－＋、－号之分，号之分，号之分，号之分，而电子云角度分布图上都是正值；原子轨道角度分布图上而电子云角度分布图上都是正值；原子轨道角度分布图上而电子云角度分布图上都是正值；原子轨道角度分布图上而电子云角度分布图上都是正值；原子轨道角度分布图上的的的的＋、－＋、－＋、－＋、－号只是代表波函数号只是代表波函数号只是代表波函数号只是代表波函数ψψψψ中角度部分中角度部分中角度部分中角度部分Y Y的正、负，并不的正、负，并不的正、负，并不的正、负，并不表示波函数表示波函数表示波函数表示波函数ψψψψ的正、负的正、负的正、负的正、负原子轨道与电子云角度分布图比较原子轨道与电子云角度分布图比较 四个量子数（四个量子数（1））三个量子数可用来描述电子运动状态的原子轨道，三个量子数可用来描述电子运动状态的原子轨道，可以解释一般的原子光谱，但还不能解释原子光可以解释一般的原子光谱，但还不能解释原子光谱中的精细结构和在磁场中谱线的分裂现象。
根谱中的精细结构和在磁场中谱线的分裂现象根据进一步研究，发现电子除了绕核运动外，其自据进一步研究，发现电子除了绕核运动外，其自身还有自旋运动因此需要用自旋角动量量子数身还有自旋运动因此需要用自旋角动量量子数s来描述下面介绍来描述下面介绍n、、l、、m、、s四个量子数的物理四个量子数的物理意义 四个量子数（四个量子数（2））主量子数主量子数n：决定电子在核外空间离核的远近：决定电子在核外空间离核的远近, ,也就是电子也就是电子出现的概率密度最大的地方离核的远近出现的概率密度最大的地方离核的远近. n = 1，，2，，3……轨道角量子数轨道角量子数l：确定原子轨道和电子云的形状：确定原子轨道和电子云的形状, , l = 0，，1，，2……（（n-1））(s、、p、、d……)磁量子数磁量子数m：决定原子轨道和电子云在空间的伸展方向：决定原子轨道和电子云在空间的伸展方向(取取向向) , , m = 0，， 1，， 2,…，， l自旋量子数自旋量子数s：决定电子自身固有的运动状态，：决定电子自身固有的运动状态，+1/2, -1/2, 常用常用↑和和↓表示两个不同的自旋状态表示两个不同的自旋状态. . 主量子数主量子数 n确定电子出现概率最大处离核的距离确定电子出现概率最大处离核的距离不同的不同的n 值，对应于不同的电子层值，对应于不同的电子层n值越大，能量越高值越大，能量越高 １ ２ ３ ４ ５１ ２ ３ ４ ５…….. K L M N O……..E E1s1s ＜＜＜＜ E E2s2s ＜＜＜＜ E E3s3s ＜＜＜＜ E E4s4s ············ 轨道角量子数轨道角量子数ll决定了决定了原子轨道或电子云的形状原子轨道或电子云的形状原子轨道或电子云的形状原子轨道或电子云的形状l的取值的取值 0 1 2 3……n-1（亚层）（亚层）对于多电子原子对于多电子原子, E也与也与l有关有关 s p d f…... E E4s4s ＜＜＜＜ E E4p4p ＜＜＜＜ E E4d4d ＜＜＜＜ E E4f 4f ············n n 相同，相同，相同，相同， l l 值越大，电子能量越高。
值越大，电子能量越高值越大，电子能量越高值越大，电子能量越高 磁量子数磁量子数mm值决定了原子轨道和电子云的空间取向值决定了原子轨道和电子云的空间取向m可取可取 0，，±1, ±2……±ll值相同，值相同， m值不同的轨道互为等价轨道，能值不同的轨道互为等价轨道，能量相同量相同lmnumber of orbital0（（s））011（（p））-1 0 +132（（d））-2 -1 0 +1 +253（（f））-3 -2 -1 0 +1 +2 +37 磁量子数磁量子数m p 轨道轨道l= 1, m = +1, 0, -1 三三种种取取向向但但等等价价（简并）（简并）p 轨道轨道s轨道（轨道（l=0, m=0））m一种取值，空间一种取向，一条一种取值，空间一种取向，一条s轨道轨道 自旋量子数自旋量子数 s描述电子绕自轴旋转的状态描述电子绕自轴旋转的状态s取值取值+1/2和和-1/2，分别用，分别用↑和和↓表示表示想象中的电子自旋想象中的电子自旋 两种可能的自旋方向两种可能的自旋方向: : 正向和反向；正向和反向；产生方向相反的磁场；产生方向相反的磁场；相反自旋的一对电子相反自旋的一对电子, , 磁场相互抵消磁场相互抵消。
结 论1 主量子数主量子数n决定电子出现几率最大的区域离核的远近（或决定电子出现几率最大的区域离核的远近（或电子层），并且是决定电子能量的主要因素；电子层），并且是决定电子能量的主要因素； 当四个量子数确定之后，电子在核外空间的当四个量子数确定之后，电子在核外空间的运动状态也就确定了运动状态也就确定了 2 角量子数角量子数l决定原子轨道（或电子云）的形状，同时也影响决定原子轨道（或电子云）的形状，同时也影响电子的能量；电子的能量；3 磁量子数磁量子数m决定原子轨道（或电子云）在空间的伸展方向；决定原子轨道（或电子云）在空间的伸展方向；4 4 自旋量子数自旋量子数s决定电子自旋的方向决定电子自旋的方向 基态原子的核外电子排布基态原子的核外电子排布核外电子排布原理核外电子排布原理保里（保里（W. Pauli）不相容原理）不相容原理能量最低原理能量最低原理洪德（洪德（F. Hund）规则）规则 PauliPauli不相容原理不相容原理同一原子中不能存在运动状态完全相同的电子，同一原子中不能存在运动状态完全相同的电子，或者说同一原子中不能存在四个量子数完全相同或者说同一原子中不能存在四个量子数完全相同的电子。
的电子例如：一原子中电子例如：一原子中电子A和电子和电子B的三个量的三个量子数子数n，，l，，m已相同，已相同，s就必须不同就必须不同量子数量子数nlms电子电子 A21 0 1/2电子电子 B210 1/2 nl原子轨道符号轨道空间取向电子层中轨道数最多容纳电子数101s11 (12)2202s14 (22)812p3303s19 (32)1813p323d5404s116 (44)3214p324d534f7 能量最低原理能量最低原理在不违背保里不相容原理的前提下，电子在不违背保里不相容原理的前提下，电子总是优先占据能量最低的轨道，占满能量总是优先占据能量最低的轨道，占满能量较低的轨道后才进入能量较高的轨道较低的轨道后才进入能量较高的轨道 L. Pauling近似能级图近似能级图 L. Pauling近似能级图近似能级图n 值相同时，轨道能级则由值相同时，轨道能级则由 l值决定，例：值决定，例：E(4s) ns (n-2)f (n-1)d np Hund规则规则 电子分布到等价轨道时，总是尽先以相同的电子分布到等价轨道时，总是尽先以相同的自旋状态分占轨道即自旋状态分占轨道即在在 n 和和 l相同的轨道上相同的轨道上分布电子，将尽可能分布在分布电子，将尽可能分布在 m值不同的轨道值不同的轨道上，且自旋相同上，且自旋相同 1s2spx py pz例如：例如：7N（（1s22s22p3））1s2spx py pz（（ ））（（ ）） 全充满、半充满规则全充满、半充满规则(Hund(Hund规则的特例规则的特例) )等价原子轨道（等价原子轨道（n，，l相同的亚层）处于全充满相同的亚层）处于全充满(p6、、d10、、f14)，半充满（，半充满（p3、、d5、、f7）或全空（）或全空（p0、、d0、、f0）的状态时，体系能量较低，状态较稳定的状态时，体系能量较低，状态较稳定 例：例：24Cr 3d54s1（（ ））3d44s2（（ ）） 29Cu3d104s1（（ ））3d94s2（（ ）） ns (n-2)f (n-1)d np P 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 Fe 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 I 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s2 5p5 [Ne] 3s2 3p3[Ar] 3d6 4s2[Kr] 4d10 5s2 5p5原子实原子实 外围电子构型外围电子构型例：例：P原子（原子（Z=15））, Fe原子（原子（Z=26）） I原子（原子（Z=53）的基态电子组态分别为）的基态电子组态分别为: np ns (n-1)d (n-2)f26Fe [Ar]3d64s226Fe2+ [Ar]3d64s026Fe3+ [Ar]3d54s0 离子的电子排布离子的电子排布取决于电子从何轨道中失去。 取决于电子从何轨道中失去电子失去的顺序，按照徐光宪的（电子失去的顺序，按照徐光宪的（n + 0.4l））规则，失电子的顺序：规则，失电子的顺序： 元素周期律元素周期律在在1869年，俄国化学家门捷列夫发现了元素周期律，列出年，俄国化学家门捷列夫发现了元素周期律，列出了元素周期表了元素周期表元素性质随着元素原子核电荷（原子序数）的递增而呈周元素性质随着元素原子核电荷（原子序数）的递增而呈周期性变化，其本质在于随着原子核电荷的递增，其外层电期性变化，其本质在于随着原子核电荷的递增，其外层电子结构呈现周期性变化子结构呈现周期性变化 元素周期表元素周期表 共七个周期：一个特短周期（共七个周期：一个特短周期（1），）， 二个短周期（二个短周期（2、、3），二个长周期），二个长周期(4、、5)，二个特长周期，二个特长周期 （（6、、7），第），第7周期又叫不完全周期；周期又叫不完全周期；周期数还表达了该周期中原子开始建立的电子层，例如：第周期数还表达了该周期中原子开始建立的电子层，例如：第4周期开始周期开始建立建立 n= 4 的电子层；的电子层；七个周期对应于顺序图中的七个能级组；七个周期对应于顺序图中的七个能级组；除第一周期外，各周期均以填充除第一周期外，各周期均以填充 s 轨道的元素开始，并以填充轨道的元素开始，并以填充 p 轨道的轨道的元素告终。 元素告终ns (n-2)f (n-1)d np 关于族的划分关于族的划分传统划分：主族（传统划分：主族（A），副族（），副族（B））IUPAC 推荐（推荐（1988））既既要熟练掌握要熟练掌握IUPAC 推荐的族号系统，推荐的族号系统，也要熟悉也要熟悉传统划分传统划分！！IUPAC 是是 the International Union of Pure and Applied Chemistry（国际（国际纯粹化学与应用化学联合会）纯粹化学与应用化学联合会）的英语缩写，的英语缩写，它负责推荐全世界统一使它负责推荐全世界统一使用的化学术语、化学符号、用的化学术语、化学符号、 单位和正、负号使用习惯单位和正、负号使用习惯 关于区的划分关于区的划分根据电子排布情况和元素原子的外层电子构型，可以把周根据电子排布情况和元素原子的外层电子构型，可以把周期表划分为期表划分为4个区Blocks外围电子（价电子）构型外围电子（价电子）构型s Blocksns1-2p Blocksns2np1-6d Blocks(n-1)d1-10ns1-2f Blocks(n-2)f1-14(n-1)d0-2ns2 镧系和锕系元素的位置镧系和锕系元素的位置 n电子层数等于该元素所在的周期数。 例如：电子层数等于该元素所在的周期数例如：CrCr电电子排布为子排布为1s1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p6 63d3d5 54s4s1 1，可知，可知CrCr为第四周为第四周期元素n各周期中元素的数目，等于新填充的相应能级组各周期中元素的数目，等于新填充的相应能级组中，各亚层所能容纳的电子总数依此类推，第中，各亚层所能容纳的电子总数依此类推，第7 7周期应有周期应有3232种元素n元素所在的族号等于其外围电子层上的总数（元素所在的族号等于其外围电子层上的总数（HeHe及及f f区元素除外），但短周期区元素除外），但短周期p p区元素无（区元素无（n-1n-1））d d电子，故应加电子，故应加1010才等于其族号才等于其族号原子的电子层结构和元素周期系的原子的电子层结构和元素周期系的关系概括关系概括 原子结构与元素性质关系原子结构与元素性质关系原子半径原子半径电离能电离能亲和能亲和能电负性电负性 原子半径原子半径原子半径一般分为：原子半径一般分为：原子半径一般分为：原子半径一般分为： 共价半径、金属半径、范德华半径共价半径、金属半径、范德华半径共价半径、金属半径、范德华半径共价半径、金属半径、范德华半径一般同一元素的半径：一般同一元素的半径：一般同一元素的半径：一般同一元素的半径： 范德华半径＞金属半径＞共价半径范德华半径＞金属半径＞共价半径范德华半径＞金属半径＞共价半径范德华半径＞金属半径＞共价半径讨论原子半径的变化规律，采用的是共价半径，稀讨论原子半径的变化规律，采用的是共价半径，稀讨论原子半径的变化规律，采用的是共价半径，稀讨论原子半径的变化规律，采用的是共价半径，稀有气体用范德华半径代替。 有气体用范德华半径代替有气体用范德华半径代替有气体用范德华半径代替 原子半径原子半径 一般规律：一般规律：一般规律：一般规律：● ● 同一周期主族元素自左向右，原子半径逐渐减小；同一周期主族元素自左向右，原子半径逐渐减小；同一周期主族元素自左向右，原子半径逐渐减小；同一周期主族元素自左向右，原子半径逐渐减小；● ● 同一周期过渡元素的原子半径也在减小，但减小的幅度不同一周期过渡元素的原子半径也在减小，但减小的幅度不同一周期过渡元素的原子半径也在减小，但减小的幅度不同一周期过渡元素的原子半径也在减小，但减小的幅度不如短周期的大；如短周期的大；如短周期的大；如短周期的大；● ● 在超长周期中，内过渡元素的原子半径减小的幅度更小，在超长周期中，内过渡元素的原子半径减小的幅度更小，在超长周期中，内过渡元素的原子半径减小的幅度更小，在超长周期中，内过渡元素的原子半径减小的幅度更小，如镧系元素从镧到镥半径共减小了如镧系元素从镧到镥半径共减小了如镧系元素从镧到镥半径共减小了如镧系元素从镧到镥半径共减小了11pm11pm，这一现象称为镧系，这一现象称为镧系，这一现象称为镧系，这一现象称为镧系收缩；收缩；收缩；收缩；● ● 同一主族元素自上而下，原子半径逐渐增大；同一主族元素自上而下，原子半径逐渐增大；同一主族元素自上而下，原子半径逐渐增大；同一主族元素自上而下，原子半径逐渐增大；● ● 同一副族元素自上而下，原子半径逐渐增大，但由于镧系同一副族元素自上而下，原子半径逐渐增大，但由于镧系同一副族元素自上而下，原子半径逐渐增大，但由于镧系同一副族元素自上而下，原子半径逐渐增大，但由于镧系收缩，使第收缩，使第收缩，使第收缩，使第6 6周期与第周期与第周期与第周期与第5 5周期过渡元素的原子半径十分接近，周期过渡元素的原子半径十分接近，周期过渡元素的原子半径十分接近，周期过渡元素的原子半径十分接近，造成性质相似，分离困难；造成性质相似，分离困难；造成性质相似，分离困难；造成性质相似，分离困难； 电电 离离 能能电离能涉及分级概念。 基态气体原子失去最外层一个电子成为气态电离能涉及分级概念基态气体原子失去最外层一个电子成为气态+1价离子所需的最小能量叫第一电离能，再从正离子相继逐个失去电子价离子所需的最小能量叫第一电离能，再从正离子相继逐个失去电子所需的最小能量则叫第二、第三、所需的最小能量则叫第二、第三、……电离能各级电离能符号分别电离能各级电离能符号分别用用I1、、I2、、I3 等表示，它们的数值关系为等表示，它们的数值关系为I1＜＜I2＜＜I3…… 电离能的单位电离能的单位为电子伏特（为电子伏特（ev）或）或KJ mol-1表示表示 电电 离离 能能在在同一主族同一主族元素中，由上而下随着原子半径增大，电离能元素中，由上而下随着原子半径增大，电离能减小减小，元素的金属性依次增强，如图所示：第，元素的金属性依次增强，如图所示：第ⅠA族最下方族最下方的铯（的铯（Cs）第一电离能最小，它是最活泼的金属）第一电离能最小，它是最活泼的金属同一周期同一周期元素由左向右电离能一般是元素由左向右电离能一般是增大增大的，增大的幅度的，增大的幅度随周期数的增大而减小随周期数的增大而减小 问问 题？题？为什么各周期中稀有气体原子的电离能最高？为什么各周期中稀有气体原子的电离能最高？ 第第2族元素族元素Be和和Mg，第，第15 族元素族元素N和和P，第，第12族元素族元素Zn、、Cd 和和 Hg在电离能曲线上出现的小高峰？在电离能曲线上出现的小高峰？ 电子亲和能电子亲和能电子亲和能是指一个气态原子得到一个电子形成负离子时电子亲和能是指一个气态原子得到一个电子形成负离子时放出或吸收的能量，常以符号放出或吸收的能量，常以符号E Ea a表示表示。 像电离能一样，像电离能一样，电子亲和能也有第一、第二、电子亲和能也有第一、第二、……之分元素第一电子亲和之分元素第一电子亲和能的正值表示放出能量能的正值表示放出能量, , 负值表示吸收能量负值表示吸收能量 电子亲和能是气态原子获得一个电子过程中能量变化的一电子亲和能是气态原子获得一个电子过程中能量变化的一种量度；种量度；与电离能相反，电子亲和能表达原子得电子难易的程度；与电离能相反，电子亲和能表达原子得电子难易的程度；元素的电子亲和能越大，原子获取电子的能力越强，即非元素的电子亲和能越大，原子获取电子的能力越强，即非金属性越强金属性越强 电子亲和能的周期性电子亲和能的周期性 电电 子子 亲亲 和和 能能原子结合电子的过程中存在两种相反的静电作用力：价层原子结合电子的过程中存在两种相反的静电作用力：价层原有电子与外来那个电子之间的排斥力；原子核与外来电原有电子与外来那个电子之间的排斥力；原子核与外来电子之间的吸引力是放热还是吸热，决定于吸引力和排斥子之间的吸引力是放热还是吸热，决定于吸引力和排斥力哪一种起支配作用力哪一种起支配作用电子加进电中性原子时通常是吸引力起支配作用，发生放电子加进电中性原子时通常是吸引力起支配作用，发生放热过程，第一电子亲和能通常为正值。 热过程，第一电子亲和能通常为正值电子加进阴离子时排斥力起支配作用，发生吸热过程，电子加进阴离子时排斥力起支配作用，发生吸热过程， 第二、第三电子亲和能都为负值第二、第三电子亲和能都为负值 电电 子子 亲亲 和和 能能n非金属原子的电子亲和能一般总是正值，而金属原子的电子亲和能一般正值较小或为负值n同周期元素中，从左到右元素的电子亲和能有逐渐增大的趋势，至卤素达到最大值n第15（ⅤA）族氮族元素，由于其外围电子构型为ns2np3的半充满状态较稳定，电子亲和能小稀有气体由于其外围电子构型为ns2np6的稳定结构，电子亲和能非常小，甚至为负值 电电 负负 性性Li1.0Be1.5Mg1.2Na0.9Ca1.0K0.8Rb0.8Sr1.0Ba0.9Cs0.7Sc1.3Mo1.8Cr1.6Mn1.5Tc1.9Re1.9Os2.2Ru2.2Fe1.8Co1.9Rh2.2Ir2.2Pt2.2Pd2.2Ni1.9Cu1.9Ag1.9Au2.4Hg1.9Cd1.7Zn1.6Ti1.5V1.6Nb1.6Y1.2Hf1.3Ta1.5W1.7Lu1.0Zr1.4B2.0C2.5N3.0O3.5F4.0Al1.5Si1.8P2.1S2.5Cl3.0Ge1.8Ga1.6Tl1.8In1.7Br2.8As2.0Se2.4Sn1.8Sb1.9Te2.1I2.5Bi1.9Pb1.9 电电 负负 性性与电离能和电子亲和能不同，电负性在化学上有多种定义，与电离能和电子亲和能不同，电负性在化学上有多种定义，每个定义都有相应的一套数据。 讨论同一个问题时引用的每个定义都有相应的一套数据讨论同一个问题时引用的数据要自洽，本课程采用数据要自洽，本课程采用PaulingPauling 的数据；的数据；元素的电负性表达处于化合物中的该元素原子将电子对吸元素的电负性表达处于化合物中的该元素原子将电子对吸引向自身的能力；引向自身的能力；F F的电负性最大，电负性大的元素集中在周期表的右上角；的电负性最大，电负性大的元素集中在周期表的右上角； CsCs（（FrFr）的电负性最小，电负性小的元素集中在周期表的）的电负性最小，电负性小的元素集中在周期表的左下角；左下角； 电电 负负 性性电负性大的元素通常是那些电子亲和能大的元素（非金属电负性大的元素通常是那些电子亲和能大的元素（非金属性强的元素），电负性小的元素通常是那些电离能小的元性强的元素），电负性小的元素通常是那些电离能小的元素（金属性强的元素）素（金属性强的元素）电负性与电离能和电子亲和能之电负性与电离能和电子亲和能之间的确存在某种联系间的确存在某种联系, , 但并不意味着可以混用但并不意味着可以混用! ! 电离能和电子亲和能电离能和电子亲和能用来讨论用来讨论离子化合物离子化合物形成过程中形成过程中的能量关系，例如热化学循环；的能量关系，例如热化学循环； 电负性电负性概念则用于讨论概念则用于讨论共价化合物共价化合物的性质，例如对共的性质，例如对共价键极性的讨论。 价键极性的讨论 元素周期表元素周期表原子半径增大原子半径增大原子半径增大原子半径增大电离能减小电离能减小电离能减小电离能减小电子亲和能减小电子亲和能减小电子亲和能减小电子亲和能减小电负性减小电负性减小电负性减小电负性减小元素基本性质的周期性元素基本性质的周期性原子半径减小原子半径减小原子半径减小原子半径减小电离能增加电离能增加电离能增加电离能增加电子亲和能增加电子亲和能增加电子亲和能增加电子亲和能增加电负性增加电负性增加电负性增加电负性增加 分子结构分子结构Molecular Structure 什么是分子？什么是分子？ 分子是物质能独立存在并保持其化学特性分子是物质能独立存在并保持其化学特性的最小微粒，也是物质参与化学反应的基本单的最小微粒，也是物质参与化学反应的基本单元，分子是由原子组成的元，分子是由原子组成的化学键化学键分子间力分子间力原子与原子如何结合成分子？原子与原子如何结合成分子？分子和分子如何结合成宏观物体？分子和分子如何结合成宏观物体？ 2Na (s) + Cl2 (g) → 2NaCl (s) 颜色颜色颜色颜色 银灰色银灰色银灰色银灰色 黄绿色黄绿色黄绿色黄绿色 无色无色无色无色状态状态状态状态 固体固体固体固体 气体气体气体气体 晶状固体晶状固体晶状固体晶状固体 导电性导电性导电性导电性 极强极强极强极强 极弱极弱极弱极弱 极弱，熔融导电极弱，熔融导电极弱，熔融导电极弱，熔融导电 上边三种物质性质的不同上边三种物质性质的不同是由什么引起的？反映出什么问题？是由什么引起的？反映出什么问题？ Pauling L在在《《The Nature of The Chemical Bond》》中提出中提出了用得最广泛的化学键定义：如果两个原子（或原子团）了用得最广泛的化学键定义：如果两个原子（或原子团）之间的作用力强得足以形成稳定的，之间的作用力强得足以形成稳定的，可被化学家看作独立可被化学家看作独立分子物种的聚集体，它们之间就存在化学键。 分子物种的聚集体，它们之间就存在化学键 简单地说：简单地说： 化学键是指分子内部原子之间的强相互作用力化学键是指分子内部原子之间的强相互作用力化学键化学键 化化学学键键典型强化学键典型强化学键 弱化学键弱化学键（次级键次级键 secondary bondsecondary bond）原子间较强的相互作用力；原子间较强的相互作用力；原子间较强的相互作用力；原子间较强的相互作用力；( (＞＞＞＞40 kJ·mol40 kJ·mol-1-1) ) 离子键、离子键、共价键共价键、金属键、金属键分子间较弱的相互作用力；分子间较弱的相互作用力；分子间较弱的相互作用力；分子间较弱的相互作用力； ( (几几几几~ ~几十个几十个几十个几十个kJ· molkJ· mol-1-1 ) ) 分子间力分子间力分子间力分子间力( (范德华力范德华力范德华力范德华力) ) 、氢键、氢键、氢键、氢键等等等等 经典共价键电子理论经典共价键电子理论（（Lewis，，1916））—初步解释了电负初步解释了电负性相差不多或相同的非金属元素之间形成化学键的原因。 性相差不多或相同的非金属元素之间形成化学键的原因 共价键理论的发展共价键理论的发展现代价键理论现代价键理论（（Valencebond theory，缩写为，缩写为VB）） 1927 年年海特勒（海特勒（Heitler））和和伦敦伦敦(Londen)用量子力学的成就处理用量子力学的成就处理H2分子，提出了价键理论，阐明了共价键的本质分子，提出了价键理论，阐明了共价键的本质杂化轨道理论杂化轨道理论 1931年，鲍林提出了杂化轨道理论，对分子鲍林提出了杂化轨道理论，对分子的几何构型作出了解释，使价键理论得到了进一步的发展的几何构型作出了解释，使价键理论得到了进一步的发展 经典共价键电子理论经典共价键电子理论路易斯路易斯路易斯路易斯G.N.Lewis,1875-1946G.N.Lewis,1875-1946 美国化学家路易斯为了说明分子的形成，美国化学家路易斯为了说明分子的形成，美国化学家路易斯为了说明分子的形成，美国化学家路易斯为了说明分子的形成，19161916年年年年提出了共价键学说，建立了经典的共价键理论提出了共价键学说，建立了经典的共价键理论提出了共价键学说，建立了经典的共价键理论。 提出了共价键学说，建立了经典的共价键理论共用电子对，达到稀有气体八隅体结构共用电子对，达到稀有气体八隅体结构共用电子对，达到稀有气体八隅体结构共用电子对，达到稀有气体八隅体结构 现代价键理论基本要点现代价键理论基本要点成键两原子相互靠近时，只有自旋相反的电子可成键两原子相互靠近时，只有自旋相反的电子可以配对形成共价键，如原子以配对形成共价键，如原子A A和原子和原子B B各有一个未各有一个未成对电子，而且自旋方向相反，因而可以互相配成对电子，而且自旋方向相反，因而可以互相配对，形成共价单键常用一条短线来表示一对成对，形成共价单键常用一条短线来表示一对成键电子，用它把两个原子连起来，以表示分子中键电子，用它把两个原子连起来，以表示分子中成键的状况成键的状况 例如：例如：H-H，，Cl-Cl，，H-Cl等 一个原子含有几个未成对电子，只能和几个自旋一个原子含有几个未成对电子，只能和几个自旋相反的电子配对成键相反的电子配对成键如果如果A 、、B各有各有2个或个或3个个未成对电子，能两两配对，形成共价双键或共价未成对电子，能两两配对，形成共价双键或共价叁键如：氧分子双键，氮分子叁键。 叁键如：氧分子双键，氮分子叁键如果如果A有有两个未成对的电子，而两个未成对的电子，而B只有一个未成对的电子，只有一个未成对的电子，这时这时A可以和可以和2个个B结合为结合为AB2例如H2O 说明说明一个原子形成共价键的数目是有限的，从而决定一个原子形成共价键的数目是有限的，从而决定了了共价键具有饱和性共价键具有饱和性 价键理论基本要点价键理论基本要点 原子轨道重叠时，原子轨道重叠时，轨道重叠愈多轨道重叠愈多，电子在，电子在两核出现的机会愈大，体系的能量越低，两核出现的机会愈大，体系的能量越低，形形成的共价键也越稳定成的共价键也越稳定因此，共价键应尽可因此，共价键应尽可能的沿着原子轨道最大重叠的方向形成，称能的沿着原子轨道最大重叠的方向形成，称为为最大重叠原理最大重叠原理价键理论基本要点价键理论基本要点 最大重叠原理最大重叠原理HClCl2 沿键轴方向，以沿键轴方向，以沿键轴方向，以沿键轴方向，以“ “头碰头头碰头头碰头头碰头” ”方式发生轨道重叠，轨道重方式发生轨道重叠，轨道重方式发生轨道重叠，轨道重方式发生轨道重叠，轨道重叠部分沿着键轴呈圆柱形分布，叠部分沿着键轴呈圆柱形分布，叠部分沿着键轴呈圆柱形分布，叠部分沿着键轴呈圆柱形分布， 键的键能大，稳定性高，能键的键能大，稳定性高，能键的键能大，稳定性高，能键的键能大，稳定性高，能量低；量低；量低；量低；共价键的类型共价键的类型 (a)键键轴轴重叠部分绕键轴旋转重叠部分绕键轴旋转180º 形状不变形状不变符号不变符号不变形成的共价键为形成的共价键为 键。 键形成形成 键的电子称为键的电子称为 电子 ①① 键键 ②② 键键 键电子云键电子云键电子云键电子云原子轨道以原子轨道以原子轨道以原子轨道以“ “肩并肩肩并肩肩并肩肩并肩” ”（或平行）的方式发生重叠，轨（或平行）的方式发生重叠，轨（或平行）的方式发生重叠，轨（或平行）的方式发生重叠，轨道重叠部分对通过键轴的平面是反对称的，其电子云分道重叠部分对通过键轴的平面是反对称的，其电子云分道重叠部分对通过键轴的平面是反对称的，其电子云分道重叠部分对通过键轴的平面是反对称的，其电子云分布的界面图好像是两个长圆形的冬瓜布的界面图好像是两个长圆形的冬瓜布的界面图好像是两个长圆形的冬瓜布的界面图好像是两个长圆形的冬瓜 重叠部分绕键轴旋转重叠部分绕键轴旋转180º 形状不变形状不变 符号相反符号相反形成的共价键称为形成的共价键称为 键形成形成 键的电子称为键的电子称为 电子 键轨道重叠程度和键能都比键轨道重叠程度和键能都比键轨道重叠程度和键能都比键轨道重叠程度和键能都比 键小，所以键小，所以键小，所以键小，所以 键的稳定性低于键的稳定性低于键的稳定性低于键的稳定性低于 键；键；键；键； 键电子的活动性较高，键电子的活动性较高，键电子的活动性较高，键电子的活动性较高，它是化学反应的积极参加者。 它是化学反应的积极参加者它是化学反应的积极参加者它是化学反应的积极参加者 形成共价单键形成共价单键—— 键键形成共价双键形成共价双键——一个一个 键一个键一个 键键形成共价叁键形成共价叁键——一个一个 键，两个键，两个 键键 键的类型键的类型键的类型键的类型 键键键键 键键键键原子轨道重叠方式原子轨道重叠方式原子轨道重叠方式原子轨道重叠方式沿键轴方向沿键轴方向沿键轴方向沿键轴方向头碰头碰头碰头碰头头头头沿键轴方向沿键轴方向沿键轴方向沿键轴方向肩并肩肩并肩肩并肩肩并肩原子轨道重叠部位原子轨道重叠部位原子轨道重叠部位原子轨道重叠部位两原子核之间，两原子核之间，两原子核之间，两原子核之间，在键轴处在键轴处在键轴处在键轴处键轴上方和下方键轴上方和下方键轴上方和下方键轴上方和下方，，，，键轴处为零键轴处为零键轴处为零键轴处为零原子轨道重叠程度原子轨道重叠程度原子轨道重叠程度原子轨道重叠程度大大大大小小小小键的强度键的强度键的强度键的强度较大较大较大较大较小较小较小较小化学活泼性化学活泼性化学活泼性化学活泼性不活泼不活泼不活泼不活泼活泼活泼活泼活泼 键和键和 键的特征比较键的特征比较 表征化学键性质的物理量称为键参数。 如键表征化学键性质的物理量称为键参数如键表征化学键性质的物理量称为键参数如键表征化学键性质的物理量称为键参数如键能、键长、键角、键的极性等，能、键长、键角、键的极性等，能、键长、键角、键的极性等，能、键长、键角、键的极性等，可以定性或半定可以定性或半定可以定性或半定可以定性或半定量地解释分子的稳定性、极性等一些性质量地解释分子的稳定性、极性等一些性质量地解释分子的稳定性、极性等一些性质量地解释分子的稳定性、极性等一些性质这些键参数可以由实验直接或间接测定，也可以由分键参数可以由实验直接或间接测定，也可以由分键参数可以由实验直接或间接测定，也可以由分键参数可以由实验直接或间接测定，也可以由分子的运动状态通过理论计算求得子的运动状态通过理论计算求得子的运动状态通过理论计算求得子的运动状态通过理论计算求得 共价键参数与分子性质共价键参数与分子性质（（（（1 1））））键能键能键能键能（（（（2 2））））键长键长键长键长（（（（3 3））））键角键角键角键角（（（（4 4））））键的极性键的极性键的极性键的极性决定键的强度决定键的强度决定键的强度决定键的强度决定分子的空间构型决定分子的空间构型决定分子的空间构型决定分子的空间构型 键长：键长：分子中两个原子核间的平均距离分子中两个原子核间的平均距离键角：键角：分子中键与键之间的夹角分子中键与键之间的夹角这两个参数可以通过这两个参数可以通过X-射线单晶衍射等实验手段测量得到。 射线单晶衍射等实验手段测量得到三斜晶系三斜晶系 二甲基嘧啶胺与二甲基嘧啶胺与ZnCl2在无水乙醇中形成的配合物在无水乙醇中形成的配合物键参数（键参数（1）） 键能（键能（bond energy））表示在通常条件下物质原子间相互作用的强弱，与化学键表示在通常条件下物质原子间相互作用的强弱，与化学键的类型有关，共价键的键能定义为：在的类型有关，共价键的键能定义为：在298 K和和100 kPa下下将破裂将破裂1 mol键所需要的能量键所需要的能量EB（（KJ mol） 键参数（键参数（2）） 关于键能与键长（关于键能与键长（1））共价共价键键长l/pm键能能E/(kJ·mol-1)共价共价键键长l/pm键能能E/(kJ·mol-1)H-F92570H-H74436H-Cl127432C-C154346H-Br141366C=C134602H-I161298C C120835F-F141159N-N145159Cl-Cl199243N N110946Br-Br228193C-H109414I-I267151O-H96464键能可由光谱实验测定或热力学数据计算获得键能可由光谱实验测定或热力学数据计算获得 键的极性非极性共价键：相同原子以共价键结合，如H2。 极性共价键：不同元素的原子构成共价键，如HCl键参数（键参数（3）） 偶极矩偶极矩( )：：大小相等，符号相反，彼此相距为大小相等，符号相反，彼此相距为 d 的两的两个电荷（个电荷（+q和和-q）组成的体系称为偶极子，其电量与距离）组成的体系称为偶极子，其电量与距离之积称为偶极矩之积称为偶极矩与与分子的极性分子的极性 nsp杂化杂化nsp2杂化杂化nsp3杂化杂化n不等性杂化不等性杂化杂化轨道理论杂化轨道理论 现代价键理论现代价键理论成功地解释了共价键的成键本质，以及成功地解释了共价键的成键本质，以及共价键的方向性和饱和性等问题随着近代物理技共价键的方向性和饱和性等问题随着近代物理技术的发展，人们已能用实验的方法确定许多共价分术的发展，人们已能用实验的方法确定许多共价分子的空间构型，子的空间构型，同时发现用现代价键理论在解释分同时发现用现代价键理论在解释分子的空间构型时遇到许多困难子的空间构型时遇到许多困难 杂化轨道理论杂化轨道理论●原子轨道为什么需要杂化？原子轨道为什么需要杂化？●原子轨道为什么可以杂化？原子轨道为什么可以杂化？●如何求得杂化轨道对称轴间的夹角？如何求得杂化轨道对称轴间的夹角？1931年，年，Pauling 在价键理论的基础上，根据电子在价键理论的基础上，根据电子的波动性和波的叠加原理提出了新的化学键理论的波动性和波的叠加原理提出了新的化学键理论——杂化轨道理论杂化轨道理论. ● 成键时能级相近的电子轨道经过重组，重新分配能量和成键时能级相近的电子轨道经过重组，重新分配能量和方向形成新的价电子轨道方向形成新的价电子轨道—杂化轨道杂化轨道基本要点：基本要点：●轨道成分变了轨道成分变了●轨道的能量变了轨道的能量变了●轨道的形状变了轨道的形状变了总之，杂化后的轨道总之，杂化后的轨道变了变了● 杂化后轨道杂化后轨道伸展方向伸展方向，，形状形状和和能量能量发生改变发生改变● 杂化前后轨道数目不变杂化前后轨道数目不变更有利于成键更有利于成键●轨道的伸展方向变了轨道的伸展方向变了 sp杂化杂化要点要点：同一原子内由一个：同一原子内由一个ns 轨道和一个轨道和一个 np 轨轨道进行杂化形成两个等同的道进行杂化形成两个等同的 sp 杂化轨道。 杂化轨道其其中每一个中每一个 sp 杂化轨道中都含有杂化轨道中都含有1/2 s 轨道成分轨道成分和和1/2 p 轨道成分两个轨道成分两个sp杂化轨道的夹角为杂化轨道的夹角为180º sp杂化杂化2s2p2s2psp2ptwo sp hybrid orbitalexcited hybridization H－－Be－－H直线型直线型 BeCl2分子的形成分子的形成Be的两个的两个sp 杂化轨道分别与两个杂化轨道分别与两个Cl原子的原子的3p轨轨道（只有一个电子占据）形成两个道（只有一个电子占据）形成两个σ键 要点：要点：同一原子内有一个同一原子内有一个 ns 轨道和两个轨道和两个 np 轨道轨道进行杂化，形成三个等同进行杂化，形成三个等同的的 sp2杂化轨道杂化轨道其中每其中每一个一个sp2杂化轨道中都含杂化轨道中都含有有1/3 s 轨道成分和轨道成分和2/3 p 轨道成分相邻两个轨道成分相邻两个sp2杂化轨道间的夹角为杂化轨道间的夹角为120ºsp2杂化杂化2)+++___(sp )(sp2(sp2) s sp p2 2杂杂化化轨轨道道 sp2杂化杂化2s2p轨道轨道2s2p2s2psp2three sp2 hybrid orbitalexcited hybridization Configuration of B in ground state BF3 BCl3分子的几何构型？分子的几何构型？ sp3杂化杂化要点要点：同一原子中有：同一原子中有一个一个ns 轨道和三个轨道和三个np 轨道进行杂化，轨道进行杂化，形成四个等同形成四个等同sp3杂杂化轨道。 化轨道其中每一个其中每一个sp3杂化轨道中都含杂化轨道中都含有有1/4 s轨道成分和轨道成分和3/4p 含有成分相含有成分相邻两邻两sp3杂化轨道间杂化轨道间的夹角为的夹角为109.5ºsp3)(sp3)(sp3)(sp3)s sp p3 3杂杂化化轨轨道道与与C CH H4 4分分子子结结构构 2p2s2s2psp3Four sp3 3 hybrid orbitalsp3杂化杂化excited hybridization Configuration of C in ground state CH4正四面体正四面体 CH4分子的正四面体结构分子的正四面体结构 等性杂化：等性杂化：轨道在进行杂化时，形成等同轨道在进行杂化时，形成等同的（能量相同）杂化轨道，所含的的（能量相同）杂化轨道，所含的s s及及p p的的成分相同，成键能力也相同成分相同，成键能力也相同不等性杂化：不等性杂化：形成的杂化轨道的能量不完形成的杂化轨道的能量不完全相同，全相同，所含的所含的s s及及p p的成分也不相同的成分也不相同杂化轨道的分类杂化轨道的分类 H2O的结构的结构H2O中中O原子采取原子采取 sp3不等性杂化不等性杂化sp3Hybrid orbitalConfiguration of O in ground statesp3 3 杂化杂化 Valence bond pictures of H2O“V”字形字形 H2O分子呈分子呈“V”字形结构字形结构OHH104.5。 b) H2O分分子子（（橙橙色色部部分分为为孤孤电电子子对对占占据据的的杂杂化化轨轨道道）） NH3的结构的结构NH3中中N原子采取原子采取 sp3不等性杂化不等性杂化sp3 3 杂化杂化三角锥三角锥Configuration of N in ground stateHybrid orbitalValence bond pictures of NH3 NHHH107.3a) NH3分分子子（（橙橙色色部部分分为为孤孤电电子子对对占占据据的的杂杂化化轨轨道道））NH3分子呈三角锥形结构NH3分子呈三角锥结构分子呈三角锥结构 杂化轨道与分子的几何构型杂化轨道与分子的几何构型杂杂化化轨轨道道类类型型spsp2sp3sp3（（不不等等性性））参参加加杂杂化化的的轨轨道道 1 1个个s s, ,1 1个个p p 1 1个个s s, ,2 2个个p p1 1个个s s, ,3 3个个p p1 1个个s s, ,3 3个个p p杂杂化化轨轨道道数数2344成成键键轨轨道道夹夹角角q q1 18 80 01 12 20 01 10 09 9. .5 59 90 0< 空空间间构构型型直直线线型型平平面面三三角角形形 ( (正正) )四四面面体体 三三角角锥锥形形 “ V V” 字字形形 四四面面体体实实例例B Be eC Cl l2 2，，H Hg gC Cl l2 2B BF F3 3，，B BC Cl l3 3C CH H4 4，，S Si iC Cl l4 4，，S Si iF F4 4N NH H3 3，，P PH H3 3H H2 2O O, ,H H2 2S SC CH HC Cl l3 3C CH H3 3C Cl l中中心心原原子子B Be e, ,H Hg gB BC C, ,S Si iN N, ,P PO O, ,S SC C 1.杂化是根据量子力学叠加原理而进行的数学处理杂化是根据量子力学叠加原理而进行的数学处理2.同一原子的同一原子的ns与与np可以用三种类型的杂化可以用三种类型的杂化:sp、、sp2、、sp33.每条每条sp杂化轨道形状相似杂化轨道形状相似, ,但方向不同但方向不同4.杂化轨道成键能力比单独的原子轨道的强杂化轨道成键能力比单独的原子轨道的强5.杂化轨道有利于形成杂化轨道有利于形成 键键, ,难以形成难以形成 键键6.进行等性进行等性sp3杂化的中心原子杂化的中心原子14族元素族元素: :C、、Si…进行不等性进行不等性sp3杂化的中心原子杂化的中心原子15,16族元素族元素: N 、、O、、S 物质中存在的作用力物质中存在的作用力化学键化学键氢键氢键范德华力范德华力金属键金属键共价键共价键取向力取向力诱导力诱导力色散力色散力分子内作用力分子内作用力分子间作用力分子间作用力离子键离子键价键理论价键理论分子轨道理论分子轨道理论现代价键理论现代价键理论杂化轨道理论杂化轨道理论价层电子互斥理论价层电子互斥理论 分子间作用力分子间作用力化学键化学键是是分子内分子内原子间的强作用力，是决定物质原子间的强作用力，是决定物质物理化学性质的主要因素；但对处于一定聚集形物理化学性质的主要因素；但对处于一定聚集形态的物质来说，态的物质来说，分子间分子间还存在着一种较弱的作用还存在着一种较弱的作用力力——“范德华力范德华力”，对物质的熔点、沸点、气化，对物质的熔点、沸点、气化热、溶化热、黏度等物理性质起着决定性的影响热、溶化热、黏度等物理性质起着决定性的影响取向力取向力 诱导力诱导力 色散力色散力 1.取向力取向力由于极性分子存在着固有偶极，当极性分子互相靠近时，会由于极性分子存在着固有偶极，当极性分子互相靠近时，会发生定向极化。 这种发生定向极化这种两个固有偶极间存在的同极相斥、异极两个固有偶极间存在的同极相斥、异极相吸的定向作用称为取向作用相吸的定向作用称为取向作用————取向力取向力- - + +- - + +(a)- -+ +- -+ +(b)- - + +- - + +(c)分子的极性越大，取向力分子的极性越大，取向力越大分子间距离增大，取向力分子间距离增大，取向力减弱温度升高，取向力减弱温度升高，取向力减弱特点：特点： 2.2.诱导力诱导力非极性分子在极性分子的作用下，产生诱导偶极这非极性分子在极性分子的作用下，产生诱导偶极这种诱导偶极与固有偶极之间的作用力，称为种诱导偶极与固有偶极之间的作用力，称为诱导力诱导力- -+ +(a)+ +- -+ +- -(b)分子的极性越大，诱分子的极性越大，诱导力越大；导力越大； 分子间的距离增大，分子间的距离增大，诱导力会迅速减弱诱导力会迅速减弱分子越容易变形，诱分子越容易变形，诱导力越大；导力越大； 特点：特点： 3.3.色散力色散力由于电子云与原子核的不断运动，使非极性分子的正、负由于电子云与原子核的不断运动，使非极性分子的正、负电荷中心发生瞬间的相对位移，产生电荷中心发生瞬间的相对位移，产生瞬时偶极。 瞬时偶极色散力主要与分子的变形性有关色散力主要与分子的变形性有关分子的变形性越大，色散力越强分子的变形性越大，色散力越强分子的分子质量越大，色散力越强分子的分子质量越大，色散力越强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非极性分子的瞬时偶极非极性分子的瞬时偶极之间的相互作用之间的相互作用分子之间由于瞬时偶极产生的作用力为分子之间由于瞬时偶极产生的作用力为色散力特点：特点： 分子间力的本质分子间力的本质（（1）分子间力是存在于分子间的一种电性作用力）分子间力是存在于分子间的一种电性作用力（（2））分子间力无方向性和饱和性分子间力无方向性和饱和性（（3 3）分子间力作用的范围小，当分子距离大于）分子间力作用的范围小，当分子距离大于500pm 500pm 时，作用力显著减弱时，作用力显著减弱4））分子间力的作用力的强度小于化学键分子间力的作用力的强度小于化学键，为几到，为几到 几十几十kJ/mol，， 但对物质的物理性质影响很大但对物质的物理性质影响很大5 5）三种力中，主要是色散力在起作用三种力中，主要是色散力在起作用 色散力色散力 > 取向力取向力 诱导力诱导力 1. 物质分子间的作用力越大，其熔点、沸点、硬物质分子间的作用力越大，其熔点、沸点、硬度就越大。 度就越大2. 结构相似的同系列物质，分子量越大，分子的结构相似的同系列物质，分子量越大，分子的变形性越大，分子间作用力越强，物质的熔、沸变形性越大，分子间作用力越强，物质的熔、沸点越高分子间力：分子间力： F2 Cl2 Br2 I2 He Ne Ar Kr熔、沸点：熔、沸点： F2 Cl2 Br2 I2 He Ne Ar Kr分子间力的意义分子间力的意义 氢键和分子间作用力一样，也是很弱的力氢键和分子间作用力一样，也是很弱的力 同系物性质的不同就是由氢键引起的同系物性质的不同就是由氢键引起的氢键氢键(hydrogen bonding) 氢键形成的条件：氢键形成的条件：（（1）要有电负性较大的）要有电负性较大的 X原子与原子与H 原子形成强极性原子形成强极性 键键X—H （（2）要有一个电负性较大，半径较小的）要有一个电负性较大，半径较小的Y原子3 3））X X与与Y Y可以是相同的原子，也可以是不同的原子。 可以是相同的原子，也可以是不同的原子氢键可以表示为：氢键可以表示为： X—H···YX、、Y通常代表通常代表F、、O、、N X—HX—H……………………Y YHH原子距离原子距离原子距离原子距离X X较近，距离较近，距离较近，距离较近，距离Y Y较远X X和和和和Y Y间的距离间的距离间的距离间的距离R R为氢键的键长为氢键的键长为氢键的键长为氢键的键长氢键的特点：氢键的特点：氢键大多数是不对称的氢键大多数是不对称的氢键大多数是不对称的氢键大多数是不对称的 氢键的特点：氢键的特点：氢键可以为氢键可以为氢键可以为氢键可以为直线形直线形直线形直线形，，，，也可为也可为也可为也可为弯曲形弯曲形弯曲形弯曲形，，，，大多数大多数大多数大多数氢键不在一条直线上；氢键不在一条直线上；氢键不在一条直线上；氢键不在一条直线上；缔合的氟化氢分子缔合的氟化氢分子缔合的氟化氢分子缔合的氟化氢分子 氢键氢键氢键氢键X—HX—H……………………Y Y 的角度的角度的角度的角度 =180=180°°°°，，，，也可以也可以也可以也可以 ＜＜＜＜180°180° 除了除了HF、、H2O、、NH3 有分子间氢键外，在有有分子间氢键外，在有机羧酸机羧酸、、醇、酚、胺、氨基酸和蛋白质中也有氢键醇、酚、胺、氨基酸和蛋白质中也有氢键的存在。 例如：甲酸靠氢键形成二聚体例如：甲酸靠氢键形成二聚体HCOOHHOOHC 除了分子间氢键外，除了分子间氢键外， 还有还有分子内氢键分子内氢键邻硝基苯酚邻硝基苯酚邻硝基苯酚邻硝基苯酚 分子内氢键对各种硝基酚的影响分子内氢键对各种硝基酚的影响 腺嘌呤腺嘌呤 A鸟嘌呤鸟嘌呤 G胸腺嘧啶胸腺嘧啶 T胞嘧啶胞嘧啶 CDNADNA中的四种碱基及它们间的氢键中的四种碱基及它们间的氢键 例：下列物质中存在哪些分子间作用力例：下列物质中存在哪些分子间作用力液态水液态水取向力、诱导力、色散力、氢键取向力、诱导力、色散力、氢键氨水氨水取向力、诱导力、色散力、氢键（氨取向力、诱导力、色散力、氢键（氨-氨、水氨、水-水、氨水、氨-水）水）酒精水溶液酒精水溶液取向力、诱导力、色散力、氢键（乙醇取向力、诱导力、色散力、氢键（乙醇-乙醇、水乙醇、水-水、乙醇水、乙醇-水）水）碘的四氯化碳溶液碘的四氯化碳溶液色散力色散力 例：例：乙醇和二甲醚的组成相同，但是前者的沸点为乙醇和二甲醚的组成相同，但是前者的沸点为78.5 C，后者为，后者为-23 C，为什么？，为什么？ 晶体结构与晶体材料晶体结构与晶体材料 晶晶 体体非晶体非晶体原子核原子核电电 子子分分 子子物物 质质原原 子子化学键化学键分子分子间作间作用力用力气气 态态液液 态态固固 态态化学键化学键粒子排列的有序程度粒子排列的有序程度 晶体的宏观特性晶体的宏观特性晶体的微观结构晶体的微观结构晶体的基本知识晶体的基本知识 晶体的宏观特性晶体的宏观特性晶体：晶体： 一定的几何外形一定的几何外形 固定的熔点固定的熔点 各向异性各向异性 (光、电、热、磁等光、电、热、磁等)非晶体：非晶体： 无一定的几何外形无一定的几何外形 无固定的熔点无固定的熔点 各向同性各向同性 晶体具有晶体具有规则的几何构形规则的几何构形，这是晶体最明显的，这是晶体最明显的特征，同一种晶体由于生成条件的不同，外形特征，同一种晶体由于生成条件的不同，外形上可能差别，但晶体的晶面角（上可能差别，但晶体的晶面角（interfacial anglt）却不会改变。 却不会改变钻石钻石——晶体晶体玻璃玻璃——非晶体非晶体 晶体都有晶体都有固定的熔点固定的熔点，非晶体在加热时却是先，非晶体在加热时却是先软化，后粘度逐渐小，最后变成液体软化，后粘度逐渐小，最后变成液体 3. 晶体表现晶体表现各向异性各向异性，例如热、光、电、，例如热、光、电、硬度等常因晶体取向不同而异；而非晶体硬度等常因晶体取向不同而异；而非晶体则为各向同性则为各向同性例：云母沿层状结构方向易被剥离例：云母沿层状结构方向易被剥离 石墨层内导电率比层间高一万倍石墨层内导电率比层间高一万倍 宏观上判断晶体与非晶体，应综合以上三方面的宏观上判断晶体与非晶体，应综合以上三方面的特点来考察，单从一方面进行判断是不充分的特点来考察，单从一方面进行判断是不充分的为什么晶体与非晶体上存在如此大的差异？为什么晶体与非晶体上存在如此大的差异？内部结构不同内部结构不同（结构决定性质，性质反映结构）（结构决定性质，性质反映结构）如何探测内部结构？如何探测内部结构？衍射实验衍射实验（（X-ray衍射）衍射） 晶体的微观结构晶体的微观结构1. 晶格晶格(lattice) 组成晶体的粒子有规则地排列在空间一定的组成晶体的粒子有规则地排列在空间一定的点上，这些点的总和点上，这些点的总和——晶格晶格（或点阵）（或点阵） 晶格在空间的排列呈现出有晶格在空间的排列呈现出有规律的周期性规律的周期性。 排有粒子的点称为晶格的结点排有粒子的点称为晶格的结点直线点阵直线点阵平面点阵平面点阵平面格子平面格子空间点阵空间点阵空间格子空间格子（晶格）（晶格） 2. 晶胞晶胞(unit cell) 在晶格中，能表现出其结构一切特征的最小部分在晶格中，能表现出其结构一切特征的最小部分称为称为晶胞晶胞晶胞是充分反映晶体对称性的基本结构单晶胞是充分反映晶体对称性的基本结构单位，其在三维空间位，其在三维空间有规则地重复排列有规则地重复排列便组成了晶格便组成了晶格（晶体）晶格晶格 晶胞晶胞（平行六面体）（平行六面体）质点质点 晶胞的大小和形状由六个参数决定，称为晶胞的大小和形状由六个参数决定，称为晶胞参数晶胞参数或或点阵参数点阵参数a、、b、、c不一定相等也不一定垂直不一定相等也不一定垂直3. 晶胞参数晶胞参数(unit cell parameter) 按晶胞参数的差异将晶体分成七种按晶胞参数的差异将晶体分成七种晶系晶系晶系晶系边长边长角度角度实例实例立方晶系立方晶系a=b=cα=β=γ=90°岩盐岩盐(NaCl)四方晶系四方晶系a=b≠cα=β=γ=90°白锡白锡六方晶系六方晶系a=b≠cα=β=90°γ=120°石墨石墨三方晶系三方晶系a=b=cα=β=γ≠90°(<120°)方解石方解石(CaCO3)正交晶系正交晶系a ≠ b ≠ cα=β=γ=90°斜方硫斜方硫单斜晶系单斜晶系a ≠ b ≠ cα=β=90°γ>90°单斜硫单斜硫三斜晶系三斜晶系a ≠ b ≠ cα≠β≠γ重铬酸钾重铬酸钾注：对称性从上到下逐渐降低注：对称性从上到下逐渐降低 αβγbac立方立方abc四方四方bac正交正交cba三方三方六方六方bacabc单斜单斜bac三斜三斜与晶系对应的晶胞与晶系对应的晶胞 n简单格子（简单格子（P））：仅在单位平行六面体的：仅在单位平行六面体的8个顶角上有个顶角上有结点；结点；n底心格子（底心格子（C））：除：除8个顶角上有结点外，平行六面体个顶角上有结点外，平行六面体上、下两个平行面的中心各有一个结点；上、下两个平行面的中心各有一个结点；n体心格子（体心格子（I））：除：除8个顶角上有结点外，平行六面体个顶角上有结点外，平行六面体的体心还有一个结点；的体心还有一个结点；n面心格子（面心格子（F））：除：除8个顶角有结点外，平行六面体的个顶角有结点外，平行六面体的6个面的面心上都有一个结点。 个面的面心上都有一个结点质点在晶胞上的分布类型质点在晶胞上的分布类型 七七个个晶晶系系中中又又包包含含十十四四种种晶晶格格 金属晶体金属晶体离子晶体离子晶体原子晶体原子晶体晶体的基本类型晶体的基本类型分子晶体分子晶体混合晶体混合晶体 根据晶体中质点以及质点之间的作用力，根据晶体中质点以及质点之间的作用力，可以把晶体分为：可以把晶体分为： 金属晶体中金属原子是通过金属键结合在金属晶体中金属原子是通过金属键结合在一起的金属正离子进行堆积排列，而所有的一起的金属正离子进行堆积排列，而所有的自由电子则通过静电力把正离子自由电子则通过静电力把正离子“胶合胶合”起来，起来，这种这种”胶合胶合“作用就是作用就是金属键金属键金属晶体金属晶体 如果将等径园球在一平面上排列，有两种排布方式，如果将等径园球在一平面上排列，有两种排布方式，如图：按（如图：按（a）图方式排列，园球周围剩余空隙最小，）图方式排列，园球周围剩余空隙最小，称为称为密置层密置层；按（；按（b）图方式排列，剩余的空隙较大，）图方式排列，剩余的空隙较大，称为称为非密置层非密置层由密置层按一定方式堆积起来的结构。 由密置层按一定方式堆积起来的结构称为称为密堆积结构密堆积结构密置层与密置层与非密置层非密置层 金属晶体中粒子的排列方式常见的有三种金属晶体中粒子的排列方式常见的有三种 离子晶体中，晶格结点上交替排列着正负离离子晶体中，晶格结点上交替排列着正负离子，正负离子间以子，正负离子间以离子键离子键相结合离子晶体的堆积方式也采取紧密堆积方式离子晶体的堆积方式也采取紧密堆积方式各离子周围排列的是带异号电荷的离子各离子周围排列的是带异号电荷的离子离子晶体离子晶体 三种典型的离子晶体三种典型的离子晶体NaCl型型晶胞中离子的个数：晶胞中离子的个数：晶格：面心立方晶格：面心立方配位比：配位比：6:66:6(红球红球：：Na+ , 绿球绿球：：Cl-) CsCl型型晶胞中离子的个数：晶胞中离子的个数：(红球红球：：Cs+ , 绿球绿球：：Cl-)晶格：简单立方晶格：简单立方配位比：配位比： 8:8 晶胞中离子的个数：晶胞中离子的个数：ZnS型型(立方型立方型)晶格：面心立方晶格：面心立方(红球红球：：Zn2+ , 绿球绿球：：S2-)配位比：配位比：4:4 （（1 1）离子晶体的熔点较高，硬度较大，难挥发）离子晶体的熔点较高，硬度较大，难挥发（（2 2）离子晶体在溶于水或熔融时，可以导电）离子晶体在溶于水或熔融时，可以导电（（3 3）离子晶体一般较脆）离子晶体一般较脆（（4 4）离子晶体物质一般较易溶于水）离子晶体物质一般较易溶于水离子晶体的性质离子晶体的性质 原子晶体中晶格结点上排列着原子，晶格结原子晶体中晶格结点上排列着原子，晶格结点间以共价键结合。 点间以共价键结合 原子晶体具有熔点高、硬度大的特点原子晶体原子晶体金刚石的晶体结构金刚石的晶体结构金刚石的晶胞金刚石的晶胞 石英的晶体结构与晶胞石英的晶体结构与晶胞 在分子晶体中，晶格结点上排列着分子，晶在分子晶体中，晶格结点上排列着分子，晶格结点以微弱的分子间力结合，分子晶体物质一格结点以微弱的分子间力结合，分子晶体物质一般熔点低，硬度小，易挥发般熔点低，硬度小，易挥发分子晶体干冰及其晶胞干冰及其晶胞 离子晶体离子晶体原子晶体原子晶体分子晶体分子晶体金属晶体金属晶体粒子粒子正、负离子正、负离子原子原子分子分子金属原子金属原子结合力结合力离子键离子键共价键共价键分子间力分子间力金属键金属键熔、沸点熔、沸点 高高很高很高低低高高硬度硬度硬硬很硬很硬软软硬硬机械性能机械性能脆脆很脆很脆弱弱有延展性有延展性导电导电 良好（熔融良好（熔融及水溶液）及水溶液）非导体非导体非导体非导体良好良好实例实例NaCl，， KCl 金刚石、金刚石、SiCCO2，， I2 Cu，，Ag晶体结构小结晶体结构小结 晶体内晶格结点之间存在两种或两种以上的晶体内晶格结点之间存在两种或两种以上的作用力，这种晶体就称为作用力，这种晶体就称为混合晶体混合晶体。 混合晶体混合晶体层状晶体（石墨、云母、黑磷）层状晶体（石墨、云母、黑磷）链状晶体（石棉）链状晶体（石棉） 层状晶体层状晶体石石 墨墨C为为sp2杂化，同一平面的杂化，同一平面的C形成大形成大 键键沿层面导电、导热能力好沿层面导电、导热能力好熔点高，性质稳定熔点高，性质稳定兼具原子晶体和分子晶体特征兼具原子晶体和分子晶体特征 链状晶体链状晶体石棉石棉是镁、铁、钙硅酸盐矿是镁、铁、钙硅酸盐矿物的总称链内硅氧原子间为物的总称链内硅氧原子间为共价键，链状阴离子之间通过共价键，链状阴离子之间通过相隔较远的金属阳离子以离子相隔较远的金属阳离子以离子键相结，因此链间结合力比链键相结，因此链间结合力比链内结合力弱，故解离时易形成内结合力弱，故解离时易形成纤维 单晶体单晶体是由一个晶核（微小的晶体）各向均匀生长而成的晶是由一个晶核（微小的晶体）各向均匀生长而成的晶体，其内部的粒子基本上是按照某种规律整齐排列的体，其内部的粒子基本上是按照某种规律整齐排列的多晶体多晶体由多个单晶体颗粒杂乱地聚结而成的晶体，由于单晶由多个单晶体颗粒杂乱地聚结而成的晶体，由于单晶体的杂乱排列，使晶体的各向异性消失。 体的杂乱排列，使晶体的各向异性消失单晶与多晶单晶与多晶 完美晶体只有在绝对零度时才存在，在完美晶体只有在绝对零度时才存在，在0 K以以上，晶体中不规则、不完整的结构，称之为上，晶体中不规则、不完整的结构，称之为晶晶体缺陷按来源分为按来源分为结构缺陷结构缺陷和和化学缺陷化学缺陷按几何形式分为按几何形式分为点缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷和体、线缺陷、面缺陷和体缺陷缺陷 晶体缺陷晶体缺陷 。
