第5章物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ).

1、首頁(yè)首頁(yè) 上一頁(yè)上一頁(yè) 下一頁(yè)下一頁(yè) 末頁(yè)末頁(yè)1物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)第5章首頁(yè)首頁(yè) 上一頁(yè)上一頁(yè) 下一頁(yè)下一頁(yè) 末頁(yè)末頁(yè)2本章學(xué)習(xí)要求本章學(xué)習(xí)要求1. 了解原子核外電子運(yùn)動(dòng)的基本特征，掌握了解原子核外電子運(yùn)動(dòng)的基本特征，掌握s、p、d軌道函數(shù)及電子云空間分布情況。軌道函數(shù)及電子云空間分布情況。2. 掌握核外電子排布的一般規(guī)律及其與元素周期表掌握核外電子排布的一般規(guī)律及其與元素周期表的關(guān)系。的關(guān)系。3. 了解化學(xué)鍵的本質(zhì)，掌握共價(jià)鍵鍵長(zhǎng)、鍵角等概念。了解化學(xué)鍵的本質(zhì)，掌握共價(jià)鍵鍵長(zhǎng)、鍵角等概念。4. 掌握雜化軌道理論的要點(diǎn)，能應(yīng)用該理論說明一些掌握雜化軌道理論的要點(diǎn)，能應(yīng)用該理論說明一些分子的空間構(gòu)型。

2、分子的空間構(gòu)型。5. 了解分子間力和晶體結(jié)構(gòu)及對(duì)物理性質(zhì)的影響。了解分子間力和晶體結(jié)構(gòu)及對(duì)物理性質(zhì)的影響。首頁(yè)首頁(yè) 上一頁(yè)上一頁(yè) 下一頁(yè)下一頁(yè) 末頁(yè)末頁(yè)35.1.1 波函數(shù)波函數(shù)1. 光（微觀粒子）的波粒二象性光（微觀粒子）的波粒二象性20世紀(jì)初，愛因斯坦提出了質(zhì)能轉(zhuǎn)換關(guān)系質(zhì)能轉(zhuǎn)換關(guān)系： E = mc2光具有動(dòng)量和波長(zhǎng)，也即光具有動(dòng)量和波長(zhǎng)，也即光具有波粒二象性光具有波粒二象性。由于 E = hv, c = v hv = mc2 = mcv 所以 = h / mv = h / p式中， 為粒子波的波長(zhǎng)；h為普朗克常數(shù) : h =6.62610-34Js1 ，m為粒子的質(zhì)量， v為粒子的速率，p

3、為粒子的動(dòng)量。首頁(yè)首頁(yè) 上一頁(yè)上一頁(yè) 下一頁(yè)下一頁(yè) 末頁(yè)末頁(yè)4電子衍射實(shí)驗(yàn)示意圖電子衍射實(shí)驗(yàn)示意圖附圖5.1 電子衍射示意圖 1927年，粒子波的假設(shè)被電子衍射實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。定向電子射線定向電子射線晶片光柵晶片光柵衍射圖象衍射圖象 Davisson和Germer應(yīng)用Ni晶體進(jìn)行電子衍射實(shí)驗(yàn)，證實(shí)電子具有波動(dòng)性。首頁(yè)首頁(yè) 上一頁(yè)上一頁(yè) 下一頁(yè)下一頁(yè) 末頁(yè)末頁(yè)5 波函數(shù)波函數(shù) = n, l, m(r, , )n, l 和m的取值必須使波函數(shù)合理(單值并且歸一)。結(jié)果如下 n：非零正整數(shù)； l ：0到(n 1)之間的整數(shù)； m：0到 l 之間的整數(shù)。由于上述參數(shù)的取值是非連續(xù)的, 故被稱為量子數(shù)。量子

4、數(shù)。 波函數(shù)波函數(shù) （空間坐標(biāo)（空間坐標(biāo)r, , 的函數(shù)）：的函數(shù)）： 描述核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)表達(dá)式原子軌道：原子軌道： 波函數(shù)的空間圖像。波函數(shù)的空間圖像。 原子軌道的數(shù)學(xué)表達(dá)式就是波函數(shù)原子軌道的數(shù)學(xué)表達(dá)式就是波函數(shù)首頁(yè)首頁(yè) 上一頁(yè)上一頁(yè) 下一頁(yè)下一頁(yè) 末頁(yè)末頁(yè)6(1) 主量子數(shù)主量子數(shù) n：電子離核遠(yuǎn)近n 的取值：n = 1，2，3，量子數(shù)量子數(shù)n = 1，2，3，4, 對(duì)應(yīng)于電子層K，L，M，N, (2) 角量子數(shù)角量子數(shù) l：原子軌道形狀l 的取值：l = 0,1,2,3, (n 1)l = 0,1,2,3 的原子軌道習(xí)慣上分別稱為s、p、d、f

5、軌道。(3) 磁量子數(shù)磁量子數(shù) m：原子軌道空間取向 m 的取值: m = 0,1,2, l, 共可取2l + 1個(gè)值 確定原子軌道的伸展方向 P205-2、3、4題題首頁(yè)首頁(yè) 上一頁(yè)上一頁(yè) 下一頁(yè)下一頁(yè) 末頁(yè)末頁(yè)7d 軌道, m=-2,-1,0,+1,+2有五個(gè)伸展方向(4) 自旋量子數(shù)自旋量子數(shù)ms 用波函數(shù)n,l,m描述原子中電子的運(yùn)動(dòng),習(xí)慣上稱為軌道運(yùn)動(dòng),它由n, l, m三個(gè)量子數(shù)所規(guī)定,電子還有自旋運(yùn)動(dòng)自旋運(yùn)動(dòng)，因而產(chǎn)生磁磁矩矩，電子自旋磁矩只有兩個(gè)方向磁矩只有兩個(gè)方向。因此，自旋量子數(shù)的取值僅有兩個(gè)，分別為+1/2和-1/2，也常形象地表示為 和 。Electron spin v

6、isualized原子軌道的角度分布圖原子軌道的角度分布圖首頁(yè)首頁(yè) 上一頁(yè)上一頁(yè) 下一頁(yè)下一頁(yè) 末頁(yè)末頁(yè)85.2.2 核外電子分布原理與方式核外電子分布原理與方式原子核外電子的分布要服從以下規(guī)則：原子核外電子的分布要服從以下規(guī)則： 泡里不相容原理泡里不相容原理：在同一個(gè)原子中在同一個(gè)原子中, ,不允許兩個(gè)電不允許兩個(gè)電子的四個(gè)量子數(shù)完全相同子的四個(gè)量子數(shù)完全相同。即，同一個(gè)原子軌道最多只能容納兩個(gè)電子，且自旋相反。 能量最低原理：能量最低原理：核外電子在原子軌道上的排布，必核外電子在原子軌道上的排布，必須盡量占據(jù)能量最低的軌道。須盡量占據(jù)能量最低的軌道。 洪德規(guī)則：洪德規(guī)則：當(dāng)電子在當(dāng)電子在n

7、, l n, l 相同的數(shù)個(gè)等價(jià)軌道上相同的數(shù)個(gè)等價(jià)軌道上分布時(shí)，每個(gè)電子盡可能占據(jù)磁量子數(shù)不同的軌道且分布時(shí)，每個(gè)電子盡可能占據(jù)磁量子數(shù)不同的軌道且自旋平行。自旋平行。當(dāng)相同能量的軌道為當(dāng)相同能量的軌道為全充滿或半充滿的全充滿或半充滿的狀態(tài)時(shí)，能量較低。狀態(tài)時(shí)，能量較低。首頁(yè)首頁(yè) 上一頁(yè)上一頁(yè) 下一頁(yè)下一頁(yè) 末頁(yè)末頁(yè)9能級(jí)分組能級(jí)分組(n+0.7l)能級(jí)組能級(jí)組 能級(jí)組中的原子軌道能級(jí)組中的原子軌道 元素?cái)?shù)目元素?cái)?shù)目 周期數(shù)周期數(shù)1.x11s212.x22s2p823.x33s3p834.x44s3d4p1845.x55s4d5p1856.x66s4f5d6p3267.x77s5f6d(未滿

8、）未滿）未滿未滿7把(n+0.7l)值的整數(shù)位相同的能級(jí)分為一組，得到如下表所示的能級(jí)分組。附表附表5.1 5.1 能級(jí)分組能級(jí)分組首頁(yè)首頁(yè) 上一頁(yè)上一頁(yè) 下一頁(yè)下一頁(yè) 末頁(yè)末頁(yè)10例例5.15.1 碳碳原子原子(1s22s22p2)的兩個(gè)的兩個(gè)p電子在三個(gè)能量相同的電子在三個(gè)能量相同的2p軌道上如何分布？軌道上如何分布？例例5.25.2 寫出寫出Z=24的鉻元素的電子排布式的鉻元素的電子排布式思考：思考：2929號(hào)元素的的電子排布式如何？號(hào)元素的的電子排布式如何？1s22s22p63s23p63d104s1外層電子的排布式，稱為外層電子的排布式，稱為特征電子構(gòu)型特征電子構(gòu)型 P207-8例例

9、5.3 5.3 寫出寫出26Fe原子的核外電子分布式和特征電子構(gòu)型以及原子的核外電子分布式和特征電子構(gòu)型以及Fe3+離子的特征電子構(gòu)型離子的特征電子構(gòu)型。首頁(yè)首頁(yè) 上一頁(yè)上一頁(yè) 下一頁(yè)下一頁(yè) 末頁(yè)末頁(yè)11元素周期表分區(qū)元素周期表分區(qū) P205-7 207-31s2ns 2np1-6P區(qū)元素區(qū)元素ns 1-2s區(qū)元區(qū)元素素(n-1)d1-8ns2d區(qū)元素區(qū)元素(n-1)d10ns1-2ds 區(qū)區(qū)元素元素(n-2)f1-14ns2 f 區(qū)元素區(qū)元素附圖5.6 元素分區(qū)首頁(yè)首頁(yè) 上一頁(yè)上一頁(yè) 下一頁(yè)下一頁(yè) 末頁(yè)末頁(yè)12原子半徑原子半徑電離能電離能首頁(yè)首頁(yè) 上一頁(yè)上一頁(yè) 下一頁(yè)下一頁(yè) 末頁(yè)末頁(yè)13化學(xué)

10、鍵化學(xué)鍵化學(xué)鍵可分為離子鍵、金屬鍵和共價(jià)鍵三種。化學(xué)鍵可分為離子鍵、金屬鍵和共價(jià)鍵三種。離子鍵的本質(zhì)：離子鍵的本質(zhì)：異號(hào)離子之間的靜電引力。離子鍵的特征：離子鍵的特征：沒有方向性， 沒有飽和性。金屬鍵的本質(zhì)：金屬鍵的本質(zhì)：金屬離子與自由電子之間的庫(kù)侖引力。金屬鍵的特點(diǎn)：金屬鍵的特點(diǎn)：沒有方向性， 沒有飽和性共價(jià)鍵是兩個(gè)原子共用共用成鍵電子對(duì)成鍵電子對(duì)形成的，成鍵電子對(duì)可以由兩個(gè)原子共同提供共同提供，也可以由一個(gè)原子單獨(dú)提供單獨(dú)提供（后者習(xí)慣上稱為配位鍵配位鍵）思考思考：NaCl晶體中鈉離子與氯離子之間、金屬銅中銅原子與銅原子之間，H2O中氫原子與氧原子之間各有什么鍵？答：答：NaCl晶體中鈉離

11、子與氯離子之間是離子鍵；金屬銅中銅與銅之間是金晶體中鈉離子與氯離子之間是離子鍵；金屬銅中銅與銅之間是金屬鍵，在水中，屬鍵，在水中， H2O分子中分子中H原子與原子與O原子之間存在共價(jià)鍵，原子之間存在共價(jià)鍵， H2O間存在間存在分子間作用力和氫鍵。分子間作用力和氫鍵。首頁(yè)首頁(yè) 上一頁(yè)上一頁(yè) 下一頁(yè)下一頁(yè) 末頁(yè)末頁(yè)14共價(jià)鍵的特性共價(jià)鍵的特性 P205-10 共價(jià)鍵具有方向性+除 s 軌道外，其它原子軌道均有方向性，要取得最大程度的重疊，成鍵的兩個(gè)軌道必須在有利的方向上。 共價(jià)鍵具有飽和性共價(jià)鍵的數(shù)目取決于成鍵原子所擁有的未成對(duì)電子的數(shù)目。+附圖5.11 共價(jià)鍵方向性附圖5.12 共價(jià)鍵飽和性 共

12、價(jià)鍵理論價(jià)鍵理論價(jià)鍵理論和分子軌道理論分子軌道理論。首頁(yè)首頁(yè) 上一頁(yè)上一頁(yè) 下一頁(yè)下一頁(yè) 末頁(yè)末頁(yè)15價(jià)鍵理論價(jià)鍵理論（ 鍵和鍵和 鍵）鍵）根據(jù)原子軌道不同的疊合方式，共價(jià)鍵可以分為 鍵鍵和 鍵鍵等。 鍵鍵原子軌道重疊部分沿著鍵軸呈圓柱形對(duì)稱原子軌道重疊部分沿著鍵軸呈圓柱形對(duì)稱，即原子軌道以“頭碰頭頭碰頭”方式重疊。s軌道總形成鍵，p軌道間只形成一個(gè)鍵。 鍵鍵原子軌道重疊部分對(duì)于通過鍵軸的一個(gè)平面呈鏡面原子軌道重疊部分對(duì)于通過鍵軸的一個(gè)平面呈鏡面反對(duì)稱反對(duì)稱，即原子軌道以“肩并肩肩并肩”方式重疊。 鍵中原子軌道的重疊程度較小，因此鍵的強(qiáng)度一般不及鍵。 鍵鍵 鍵鍵圖5.15 s鍵和p鍵重疊方式示

13、意圖圖5.16 氮分子氮分子中三鍵示意圖首頁(yè)首頁(yè) 上一頁(yè)上一頁(yè) 下一頁(yè)下一頁(yè) 末頁(yè)末頁(yè)165. 分子軌道理論分子軌道理論當(dāng)原子形成分子后，電子不再局限于原來(lái)的原子軌道，而是屬于整個(gè)分子的分子軌道。 分子軌道由組成分子的原子軌道組合產(chǎn)生，組合前后軌道總數(shù)不變。分子軌道由組成分子的原子軌道組合產(chǎn)生，組合前后軌道總數(shù)不變。 組合前后系統(tǒng)的總能量不變組合前后系統(tǒng)的總能量不變 組合前原子軌道中所有的電子在組合分子軌道中重新分布組合前原子軌道中所有的電子在組合分子軌道中重新分布，分分布法則與電子在原子軌道中的排布類似。布法則與電子在原子軌道中的排布類似。首頁(yè)首頁(yè) 上一頁(yè)上一頁(yè) 下一頁(yè)下一頁(yè) 末頁(yè)末頁(yè)17分

14、子的空間構(gòu)型和雜化軌道理論分子的空間構(gòu)型和雜化軌道理論首頁(yè)首頁(yè) 上一頁(yè)上一頁(yè) 下一頁(yè)下一頁(yè) 末頁(yè)末頁(yè)182) 雜化軌道的應(yīng)用雜化軌道的應(yīng)用sp雜化雜化這些元素的特征電子構(gòu)型為ns2，按照價(jià)鍵理論，它們不能形成共價(jià)鍵。雜化軌道理論認(rèn)為，s軌道上的一個(gè)電子可以激發(fā)到p軌道上(所需的能量由成鍵后釋放的能量補(bǔ)償)，從而進(jìn)行sp雜化形成2個(gè)等性sp雜化軌道。sp雜化軌道成鍵特征：雜化軌道成鍵特征：圖5.18 sp雜化軌道兩個(gè)sp雜化軌道的夾角為180，分子空間構(gòu)型為直線型。直線型。例如 BeCl2, HgCl2, CO2, HCCH等首頁(yè)首頁(yè) 上一頁(yè)上一頁(yè) 下一頁(yè)下一頁(yè) 末頁(yè)末頁(yè)19雜化軌道的應(yīng)用雜化軌

15、道的應(yīng)用（續(xù)續(xù)）sp2雜化雜化在BCl3分子中，B原子的一個(gè)s軌道和兩個(gè)p軌道可以進(jìn)行sp2雜化，形成3個(gè)等性sp2雜化軌道。三個(gè)軌道間的夾角為120。附圖5.15 sp2雜化軌道sp2雜化軌道成鍵特征：雜化軌道成鍵特征：三個(gè)鍵處在同一個(gè)平面上，鍵角為120。sp2雜化軌道例子雜化軌道例子BX3, AlCl3, H2C=CH2ClBClClCCHHHHBCl3和CH2CH2的空間構(gòu)型首頁(yè)首頁(yè) 上一頁(yè)上一頁(yè) 下一頁(yè)下一頁(yè) 末頁(yè)末頁(yè)20雜化軌道的應(yīng)用雜化軌道的應(yīng)用(續(xù))等性等性sp3雜化雜化甲烷分子中C原子的一個(gè)s軌道和3個(gè)p軌道可以進(jìn)行sp3雜化，形成4個(gè)等性sp3雜化軌道。4個(gè)軌道間的夾角為1

16、0928。每個(gè)鍵中，s成分占1/4，p成分占3/4。sp3雜化軌道成鍵特征：雜化軌道成鍵特征：4個(gè)鍵指向正四面體的四個(gè)頂點(diǎn)，鍵角為10928。例如：CH4, CX4, C(金剛石),SiC等。附圖5.16 sp3雜化軌道HCHHH甲烷的空間構(gòu)型首頁(yè)首頁(yè) 上一頁(yè)上一頁(yè) 下一頁(yè)下一頁(yè) 末頁(yè)末頁(yè)21雜化軌道的應(yīng)用雜化軌道的應(yīng)用(續(xù)) P205-11sp3不等性雜化不等性雜化氨分子中N原子可以進(jìn)行sp3雜化形成不等性sp3雜化軌道。N原子不等性原子不等性sp3雜化軌道成鍵特征：雜化軌道成鍵特征：其中有一個(gè)雜化軌道含有一對(duì)電子(孤對(duì)電子)，含孤對(duì)電子的軌道因內(nèi)部斥力較大而較胖，因此壓迫另3個(gè)軌道使鍵角小

17、于10928。O原子和原子和S原子也能進(jìn)行不等性原子也能進(jìn)行不等性sp3雜化雜化NHHH.OHH. .圖5.21 NH3和H2O分子的空間構(gòu)型示意圖首頁(yè)首頁(yè) 上一頁(yè)上一頁(yè) 下一頁(yè)下一頁(yè) 末頁(yè)末頁(yè)225.3.3 分子間相互作用力分子間相互作用力范德華力包含：取向力、誘導(dǎo)力和色散力分子間作用力：分子間作用包括范德華力、氫鍵、疏水作用等，比化學(xué)鍵要弱得多。范德華力存在于所有分子中范德華力存在于所有分子中。范德華力的特點(diǎn)：永遠(yuǎn)存在于分子間的弱相互作用；永遠(yuǎn)存在于分子間的弱相互作用； 短程力短程力沒有方向性、沒有飽和性沒有方向性、沒有飽和性以色散力為主以色散力為主首頁(yè)首頁(yè) 上一頁(yè)上一頁(yè) 下一頁(yè)下一頁(yè) 末

18、頁(yè)末頁(yè)23分子間作用力的應(yīng)用示例分子間作用力的應(yīng)用示例 P206-14例例：鹵素單質(zhì)和鹵化氫的沸點(diǎn)(C)如下：說明理由。鹵素單質(zhì)：F2：-219.62；Cl2：-34.6；Br2：58.78；I2：184.35。鹵化氫：HF：19.5；HCl：-84.1；HBr：-67；HI：-35。解解：鹵素單質(zhì)的分子間力是色散力，從大到小的順序?yàn)椋篒2, Br2, Cl2, F2，因此沸點(diǎn)從高到低的順序也是I2, Br2, Cl2, F2，鹵化氫是極性分子，除色散力外還有取向力和誘導(dǎo)力，但色散力是主要的。范德華力從高到低的順序應(yīng)是HI, HBr, HCl, HF，但由于HF中存在氫鍵，因此HF的沸點(diǎn)意外地高。 附圖5.19 氫鍵對(duì)氫化物沸點(diǎn)的影響首頁(yè)首頁(yè) 上一頁(yè)上一頁(yè)