无机化学：chapter 4 物质结构.ppt

第四章 物质结构 原子结构、分子结构 Structure of materials 本章学习重点：本章学习难点：四个量子数；核外电子的排布；元素性质变化的周期性；价键理论；杂化轨道理论及其应用；分子间作用力和 核外电子运动状态的描述；电子排布的 特例；杂化轨道理论和分子空间构型 4.1物质结构理论发展简介原子-分子论经典原子模型19世纪20世纪道-阿Rutherford氢原子光谱HHHH原子-分子论经典原子模型量子力学19世纪20世纪道-阿Rutherford玻尔氢原子模型量子论普朗克3)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2)通常，电子处在离核最近的轨道上，能量最低基态;原子得到能量后,电子被激发到高能轨道上，原子处于激发态1) 核外电子只能在有确定半径和能量的轨道上运动，且不辐射能量1.玻尔理论E=E2E1=h玻尔理论的贡献与局限性1.贡献：成功解释了氢原子光谱，计算数值与光谱实验完全一致2.局限性：(1)不能说明多电子原子的光谱，甚至不能说明氢光谱的精细结构2)它对能级的描述很粗略，只有一个量子数3)更不能解释原子如何形成分子的化学健的 本质 这是因为玻尔理论并未完全冲破经典力学理论的束缚，仍然把微观粒子(电子)在原子核外的运动视为太阳系模型那样沿着固定轨道绕核旋转。

3.原因：4.发展：玻尔理论被量子力学所代替1924年，deBroglie提出了静止质量不为零的微观粒子具有波粒二象性的假设并预言具有动量 P 的微观粒子，其波长为， 1) 波粒二象性（wave-wave-particalpartical parallelism parallelism）2.微观粒子的运动特性p = mm质量速度粒子m/kg/m.s-1/m近似直径/m波动性1V电子9.110-315.91051.210-910-15显著氢原子1.610-271.01034.010-1010-10尚显著枪弹1.010-21.01036.010-3510-2无垒球2.010-13.0101.110-4610-1无由上表可知，当波长大于实物粒子直径才表现波动性可见，对于较重的宏观物体，其物质波极短，不能察觉，波动性可以忽略，但对于电子、质子、中子、原子、分子等微观粒子，因波动性显著，就必须考虑其波动性，也就是说，微观粒子都具有波粒二象性这种波称为物质波（deBroglie波）1927年，Davisson(戴维逊）、Germer(革末)通过电子衍射证实了deBroglie（德布罗伊）的假设， 说明了电子和光子一样具有波动性。

X射线衍射图电子射线衍射图2)Heisenberg测不准原理(uncertainty principle)微观粒子具有波粒二象性，就不可能同时准确确定它们在瞬间的位置和速度(或动量)x为微观粒子在x轴方向的位置（或坐标）测不准量；h为Planck常量px为动量在x轴方向的测不准量； (不确定关系式)海森堡的测不准原理是宏观与微观的判别式3)量子化特征微粒的组成或物理量的变化是跳跃式的，份份的，如Na+比Na少个电子，Mg2+比Mg少二个电子，又如黑体辐射能E的变化只能是以最小能量单位h(量子)为单位，份份的增减，而不能连续变化(即E=h,E=2h, E=3h）所以黑体辐射能变化是量子化的3)概率（几率）密度：电子在核外空间某处单位微体积内出现的概率，它等于波函数绝对值的平方，即|2=dp/dv3.概率（几率）和概率密度2)概率（几率）：电子在核外空间某区域出现机会的大小1)具有波动性的微观粒子不再服从经典力学规律,它的运动没有确定的轨道，只有一定的空间几率分布，遵循测不准关系,故对微观粒子的运动状态只能采用统计的方法，做出几率性的判断1926年，Schrdinger（薛定谔）根据波粒二象性的概念提出了描述微观粒子运动的基本方程薛定谔方程。

4.波函数wavefarction）Schrndinger方程该方程是一个二阶偏微分方程 波函数：描述原子核外电子运动状态的一个数学函数式E体系的总能量V体系的势能m微粒的质量h普朗克常量x、y、z微粒的空间坐标 波函数是描述微观粒子在核外三维空间的一种运动状态的数学表达式波函数的每一个合理的解代表体系中电子的一种运动状态，具有相应的能量E，称为一条原子轨道 如：1s称为1s轨道, 2p称为2p轨道等2） 波函数与原子轨道3）波函数(原子轨道)的空间图象（）（） 波函数角度分布图：波函数角度分布图：为径向部分 ，为角度部分 根据Y(,)(,)可以画出波函数波函数的角度分布图：各种波函数的角度分布图zx+s特点：球面对称分布，无方向性s 轨道角度部分剖面图zx+pxzy+pypzzx+p 轨道角度部分剖面图特点：相交于原点的两个橄榄型曲面，有方向性d 轨道角度部分剖面图+yxdxy+zxdxz+zydyz+dx2y2yx+dz2zx四花瓣形f 原子轨道角度空间分布图（）电子云的角度分布图：v 电子云图：用小黑点的疏密来表示电子在核外空间几率密度分布的具体图像v 电子云：电子在核外空间几率密度|2分布的形象化描述。

基态氢原子电子云呈球状，如右图所示注意，对于氢原子来说，只有一个电子，图中黑点的疏密只代表电子在某一瞬间出现的可能性 根据电子云的角度分布函数Y2(,)(,)可以画出电子云的角度分布图：图的形状较“瘦”有正值 图的形状较“胖”有正,负值不同形状相似，伸展方向相同相同Y2(,)Y(,)电子云原子轨道原子轨道与电子云角度分布图比较 1.四个量子数：quantum numbern 值越大，距核越远，能量越高4.2核外电子运动状态主量子数n（电子层）意义：说明电子所在区域离核的远近;取值：1，2，3，4等正整数;（电子能层）n123456电子层名称第一层 第二层第三层第四层第五层第六层电子层符号KLMNOP 角量子数l（电子亚层）取值：0到n-1的正整数n 与电子层的关系：各电子层的亚层数=电子层的n 值n1234l00,10,1,20,1,2,3意义：代表亚层，决定原子轨道的形状亚层符号及轨道形状如下：l0123亚层符号spdf原子轨道及电子云形状球形 哑铃形花瓣形多瓣形亚层是确定轨道能量的次要因素决定轨道能量相对大小多电子原子：EnsEnpEndl310+1/2or-1/2小结 n,m,l 三个量子数可确定一个原子轨道(n,l,m) n,l,m, ms四个量子数确定一个电子的运动状态 n,l相同的原子轨道，能量相同，称为简并轨道 每一个电子层的亚层数由l决定=n值 每一个电子亚层的轨道数由m决定为（2l+1)个 每一个电子层的轨道总数为n2个，最多可容纳2n2个电子 2.多电子原子轨道能级图 屏蔽效应与钻穿效应v屏蔽效应：由于内层电子或同层电子对 某一电子的排斥作用，削弱了原子核对 该电子的吸引 ，使有效核电荷数减小。

基本概念同一电子层：EnsEnpEndEnf 钻穿效应： 在多电子原子中，l较小的轨道上的电子钻到核附近回避其它电子屏蔽的能力较强，因而能量较低同一能级组：EnsE(n-2)fE(n-1)dEnp3d与4s轨道的径向分布图近似能级图：用图示法将原子轨道按能量 高低进行排列 能级组：能量相近的能级划归为一组 能级：每一个电子亚层有不同的能量,称之为相应的能级 能级和能级图：多电子原子轨道近似能级图l相同，n 越大，能量越高E1sE2sE3sE4sn相同，l 越大，能级越高EnsEnpEndEnfn和l 均不相同时，出现“能级交错” E4sE3dE4pEnsE(n-2)fE(n-1)d金属半径40%10%15%注意：书上列出的是共价半径，稀有气体的是范德华半径原子半径在周期表中的变化规律:（1）同一周期从左向右，原子半径逐渐减小2）同一主族元素从上至下，原子的电子层数增加，原子半径逐渐增大，同族副族元素，从上至下原子半径增大幅度较小主族元素镧系元素从左到右，原子半径减小幅度更小，这是由于新增加的电子填入外数第三层上，它对核电荷的抵消作用要比最外层电子大得多，致使Z*增加的程度较小镧系元素从镧到镱整个系列的原子半径减小不明显的现象称为镧系收缩。

长周期过渡元素从左至右原子半径也逐渐减小，但变化幅度较小同同B B族中族中变化不明显特别是第五和第六周期的B族元素由于镧系收缩原子半径非常接近，以致于它们的性质非常相似，在自然界中常常共生在一起，难以分离2)电离能（ionizationenergy）由+1价离子再失去一个电子成为+2价离子所需的能量，第二电离能Mg(g)-eMg+(g)I1=738kJmol-1气态原子在基态时失去一个电子成为+1价 气态阳离子时所需的能量，第一电离能I1I21.7（4）核外电子排布（1-36号）：轨道能级图、主要内容小结： *（1）核外电子运动的特殊性（3）四个量子数：意义、取值、原子（5）元素性质的周期性变化（2）波函数与原子轨道，几率、几率密度与电子云的意义轨道和电子运动状态的确定排布规则、电子排布与周期表1. 某多电子原子下列状态的电子中，能量最高的是（ ） A. 3, 1, 1, +1/2 B. 2, 1, 0, +1/2 C. 3, 1, 1, -1/2 D. 3, 2, 1, -1/2 D2 .下列原子中，第一电离能最小的是 A. B B. C C. Si D. Al思考题3.下列电子构型的原子中(n=2,3,4),I1最低的是（）A.ns2np3B.ns2np4C.ns2np5D.ns2np64.C、N、O三元素中第一电离能最大的是_，电负性最大的是_。

4.4离子化合物化学上将原子（或离子）间相互结合的强烈作用力称为化学键由于元素的电负性不同,相互形成的化学键有多种类型,通常有离子键、共价键、金属键等化学键：chemical bond1.离子键(ionicbond)的形成 + Na+Cl-NaCl第一步 原子间得失电子形成离子： Na(1s22s22p63s1)eNa+(1s22s22p6)Cl(1s22s22P63s23p5)+eCl(1s22s22P63s23p6)第二步 靠静电吸引力，形成化学键其本质是静电作用力 离子键：电引力而形成的化学键正、负离子之间通过静离子键的形成条件：元素的电负性差比较大x1.7 易形成稳定离子Na+2s22p6，Cl3s23p6，只转移少数电子就达稀有气体式稳定结构Na(s)+1/2Cl2(g)NaCl(s) 形成离子键时释放能量多rHm=410.9kJmol-12.离子键的特征1)作用力的实质是静电引力2)离子键没有方向性离子在任何方向都可以吸引异号离子,所以没有方向性3)离子键没有饱和性只要空间位置允许,正负离子尽可能多地吸引异号离子，相邻可以吸引，不相邻的也可以吸引，只是吸引力不同，即无饱和性。

NaCl3.离子键的强度和晶格能离子键的强度和离子晶体(ioniccrystal)的稳定性用晶格能(latticeenergy)来衡量晶格能 U(lattice energy)：标态下，气态正、负离子结合成1mol离子晶体时所放出的能量U =A+(g)+B-(g)AB(s)同类型离子晶体，离子电荷越高，离子核间距越短，则 晶格能 越大，晶体中离子键越强，离子晶体越稳定4.离子的特征1)离子的电荷：电荷越高，离子键越强离子的电荷q离子的电子层构型离子半径r离子的特征影响离子键强度的三个因素2e(1s2):8e(ns2np6):18e(ns2np6nd10):9-17e(ns2np6nd1-9)orLi+、Be2+Na+、Mg2+、Al3+Ag+.Zn2+.Sn4+Fe2+.Mn2+.Cr3+Sn2+、Pb2+、Sb3+不规则电子构型：18+2e(n-1)s2(n-1)p6(n-1)d10ns2离子的电子层构型大致有5种2)离子的电子层构型 18或18+2电子层构型的离子917电子层构型的离子8或2电子层构型的离子在离子的半径和电荷大致相同条件下，不同构型的正离子对同种负离子的结。