物理看世界探索物質(zhì)科學(xué)的奧秘(ch化學(xué)鍵)

1、第1章 原子與分子的奧秘第1章 原子與分子的奧秘1.1電子的獨(dú)舞：原子軌道 原子的假想：古希臘哲原子的假想：古希臘哲學(xué)家德謨克利特認(rèn)為萬(wàn)學(xué)家德謨克利特認(rèn)為萬(wàn)物由最小的不可分的顆物由最小的不可分的顆粒構(gòu)成。萬(wàn)物的變化由粒構(gòu)成。萬(wàn)物的變化由原子的分化組合完成。原子的分化組合完成。第1章 原子與分子的奧秘1.1電子的獨(dú)舞：原子軌道 原子存在的證據(jù)： 化學(xué)反應(yīng)英國(guó)化學(xué)教師道爾頓英國(guó)化學(xué)教師道爾頓(1766-1844)(1766-1844)，研究了法國(guó)化學(xué)家普魯斯特于研究了法國(guó)化學(xué)家普魯斯特于18061806年發(fā)現(xiàn)的有趣結(jié)論：參與化學(xué)反應(yīng)年發(fā)現(xiàn)的有趣結(jié)論：參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)質(zhì)量都成一定的整數(shù)比的物質(zhì)質(zhì)量

2、都成一定的整數(shù)比( (定比定比定律定律) )，例如，例如1 1克氫和克氫和8 8克氧化合成克氧化合成9 9克水，假如不按這個(gè)一定的比例，克水，假如不按這個(gè)一定的比例，多余的就要剩下而不參加化合。多余的就要剩下而不參加化合。道爾頓自己又發(fā)現(xiàn)：當(dāng)兩種元素所道爾頓自己又發(fā)現(xiàn)：當(dāng)兩種元素所組成的化合物具有兩種以上組成的化合物具有兩種以上 時(shí)，在時(shí)，在這些化合物中，如果一種元素的量這些化合物中，如果一種元素的量是一定的，那么與它化合的另一種是一定的，那么與它化合的另一種元素的量總是成倍數(shù)地變化的元素的量總是成倍數(shù)地變化的( (倍比倍比定律定律) )。道爾頓道爾頓第1章 原子與分子的奧秘1.1電子的獨(dú)舞：

3、原子軌道 原子存在的證據(jù)： 統(tǒng)計(jì)物理：布朗運(yùn)動(dòng)18271827年，蘇格蘭植物學(xué)家年，蘇格蘭植物學(xué)家羅伯羅伯特特布朗布朗發(fā)現(xiàn)水中的花粉不停地作發(fā)現(xiàn)水中的花粉不停地作不規(guī)則的不規(guī)則的曲線運(yùn)動(dòng)曲線運(yùn)動(dòng)，稱為布朗運(yùn)動(dòng)。，稱為布朗運(yùn)動(dòng)。5050年后，年后，J J德耳索提出這些微小顆德耳索提出這些微小顆粒是受到周?chē)肿拥牟黄胶獾呐鲎擦Ｊ鞘艿街車(chē)肿拥牟黄胶獾呐鲎捕鴮?dǎo)致的運(yùn)動(dòng)。而導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)。19051905年，布朗運(yùn)動(dòng)年，布朗運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律被愛(ài)因斯坦嚴(yán)格證明。的統(tǒng)計(jì)規(guī)律被愛(ài)因斯坦嚴(yán)格證明。布朗運(yùn)動(dòng)也就成為布朗運(yùn)動(dòng)也就成為分子運(yùn)動(dòng)論分子運(yùn)動(dòng)論和和統(tǒng)統(tǒng)計(jì)力學(xué)計(jì)力學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。發(fā)展的基礎(chǔ)。 第1章 原子與分子的奧

4、秘1.1電子的獨(dú)舞：原子軌道 原子存在的證據(jù)： 2.統(tǒng)計(jì)物理：布朗運(yùn)動(dòng)19051905年，證明原子存在的文章發(fā)年，證明原子存在的文章發(fā)表后，愛(ài)因斯坦由專利局三級(jí)技表后，愛(ài)因斯坦由專利局三級(jí)技術(shù)員晉升為二級(jí)技術(shù)員。術(shù)員晉升為二級(jí)技術(shù)員。愛(ài)因斯坦是人類歷史上最偉大的民間科學(xué)家，在瑞士伯爾尼專利局愛(ài)因斯坦是人類歷史上最偉大的民間科學(xué)家，在瑞士伯爾尼專利局利用業(yè)余時(shí)間開(kāi)展科學(xué)研究。在利用業(yè)余時(shí)間開(kāi)展科學(xué)研究。在19051905年，年近年，年近2626歲的愛(ài)因斯坦連續(xù)歲的愛(ài)因斯坦連續(xù)發(fā)表了三篇論文（發(fā)表了三篇論文（光量子光量子、布朗運(yùn)動(dòng)布朗運(yùn)動(dòng)和和狹義相對(duì)論狹義相對(duì)論），），在物理學(xué)三個(gè)領(lǐng)域取得了歷史性

5、成就。在物理學(xué)三個(gè)領(lǐng)域取得了歷史性成就。同年，愛(ài)因斯坦以論文同年，愛(ài)因斯坦以論文分子大小的新測(cè)定法分子大小的新測(cè)定法，取得蘇黎世大學(xué)，取得蘇黎世大學(xué)的博士學(xué)位，成為歷史上罕見(jiàn)的靠自學(xué)成才、沒(méi)有導(dǎo)師的的博士學(xué)位，成為歷史上罕見(jiàn)的靠自學(xué)成才、沒(méi)有導(dǎo)師的Ph.DPh.D。 第1章 原子與分子的奧秘1.1電子的獨(dú)舞：原子軌道 原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)： 1.西瓜布丁模型 2.盧瑟福行星模型第1章 原子與分子的奧秘1.1電子的獨(dú)舞：原子軌道 只有極少數(shù)alpha粒子被散射，絕大部分幾乎無(wú)阻地通過(guò)。0.4微米厚的金箔，阻止微米厚的金箔，阻止 粒粒子的能力相當(dāng)于子的能力相當(dāng)于1.6mm厚度厚度的空氣，布丁模型偏轉(zhuǎn)角度

6、的空氣，布丁模型偏轉(zhuǎn)角度最多最多 0.87。實(shí)驗(yàn)中有。實(shí)驗(yàn)中有1/20000 偏轉(zhuǎn)了偏轉(zhuǎn)了 90，還，還有極少數(shù)有極少數(shù)180。估計(jì)原子核的尺度為估計(jì)原子核的尺度為10-15m量級(jí)，原子核間距為量級(jí)，原子核間距為10-10m量級(jí)，原子內(nèi)部相當(dāng)空曠！量級(jí)，原子內(nèi)部相當(dāng)空曠！第1章 原子與分子的奧秘1.1電子的獨(dú)舞：原子軌道 行星模型也有問(wèn)題：電子旋轉(zhuǎn)將會(huì)輻射電磁波，隨著能量耗盡原子將坍塌。經(jīng)典物理學(xué)計(jì)算表面，行星般旋轉(zhuǎn)經(jīng)典物理學(xué)計(jì)算表面，行星般旋轉(zhuǎn)的電子將持續(xù)輻射電磁波，在的電子將持續(xù)輻射電磁波，在1-10ns之內(nèi)耗盡自己的能量，最終之內(nèi)耗盡自己的能量，最終一頭撞上原子核一頭撞上原子核!然而，經(jīng)

7、驗(yàn)告訴我們?cè)雍芊€(wěn)定！然而，經(jīng)驗(yàn)告訴我們?cè)雍芊€(wěn)定！第1章 原子與分子的奧秘1.1電子的獨(dú)舞：原子軌道 曙光出現(xiàn)：量子力學(xué)的先驅(qū) 普朗克，德布羅意h即普朗克常數(shù)即普朗克常數(shù) hvE1900年年10月普朗克發(fā)現(xiàn)，為了從理月普朗克發(fā)現(xiàn)，為了從理論上得出正確的黑體輻射公式，必論上得出正確的黑體輻射公式，必須假定物質(zhì)輻射（或吸收）的能量須假定物質(zhì)輻射（或吸收）的能量不是連續(xù)地、而是一份一份地進(jìn)行不是連續(xù)地、而是一份一份地進(jìn)行的，只能取某個(gè)最小數(shù)值的整數(shù)倍。的，只能取某個(gè)最小數(shù)值的整數(shù)倍。這個(gè)最小數(shù)值就叫能量子，輻射頻這個(gè)最小數(shù)值就叫能量子，輻射頻率是率是的能量的最小數(shù)值的能量的最小數(shù)值普朗克的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志

8、著量子時(shí)代的到來(lái)！普朗克的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著量子時(shí)代的到來(lái)！1905年愛(ài)因斯坦用它來(lái)解釋光電效應(yīng)年愛(ài)因斯坦用它來(lái)解釋光電效應(yīng)并命名并命名“光子光子”（photon）第1章 原子與分子的奧秘1.1電子的獨(dú)舞：原子軌道 曙光出現(xiàn)：量子力學(xué)的先驅(qū) 普朗克，德布羅意khpK為波數(shù)，為波數(shù)，愛(ài)因斯坦對(duì)德布羅意很欣賞，愛(ài)因斯坦對(duì)德布羅意很欣賞，因此他很快就出名了因此他很快就出名了/2k1923年年9月至月至10月間，文學(xué)出身的月間，文學(xué)出身的法國(guó)貴族路易法國(guó)貴族路易維克多維克多德布羅意連德布羅意連續(xù)在續(xù)在法國(guó)科學(xué)院通報(bào)法國(guó)科學(xué)院通報(bào)上發(fā)表了上發(fā)表了三篇有關(guān)波和量子的論文，提出物三篇有關(guān)波和量子的論文，提出物質(zhì)波的

9、概念：質(zhì)波的概念：關(guān)鍵是提出了原子軌道中電子要形成駐波關(guān)鍵是提出了原子軌道中電子要形成駐波的思想，相當(dāng)于給出了量子化條件的思想，相當(dāng)于給出了量子化條件第1章 原子與分子的奧秘1.1電子的獨(dú)舞：原子軌道集大成者的一代宗師玻爾出現(xiàn)了！集大成者的一代宗師玻爾出現(xiàn)了！將先驅(qū)的思想強(qiáng)行湊合到一起將先驅(qū)的思想強(qiáng)行湊合到一起第1章 原子與分子的奧秘1.1電子的獨(dú)舞：原子軌道 強(qiáng)行穩(wěn)定的玻爾氫原子強(qiáng)行穩(wěn)定的玻爾氫原子理論理論 定態(tài)假設(shè)定態(tài)假設(shè) 躍遷假設(shè)躍遷假設(shè) 軌道量子化軌道量子化 mvr=nh/2，軌，軌道周長(zhǎng)為電子波長(zhǎng)整數(shù)倍，形成道周長(zhǎng)為電子波長(zhǎng)整數(shù)倍，形成駐波）駐波） 玻爾理論在類氫原子中的應(yīng)用玻爾理論

10、在類氫原子中的應(yīng)用 氫原子核外電子軌道的半徑氫原子核外電子軌道的半徑 氫原子的能級(jí)氫原子的能級(jí) 玻爾理論對(duì)氫光譜的解釋玻爾理論對(duì)氫光譜的解釋第1章 原子與分子的奧秘1.1電子的獨(dú)舞：原子軌道玻爾的湊合理論不能解釋光譜強(qiáng)度、線型和精細(xì)結(jié)構(gòu)，只能計(jì)算含一個(gè)電子的玻爾的湊合理論不能解釋光譜強(qiáng)度、線型和精細(xì)結(jié)構(gòu)，只能計(jì)算含一個(gè)電子的類氫離子（氦都算不對(duì)?。?。但他成立了哥本哈根量子物理研究所，培養(yǎng)了一類氫離子（氦都算不對(duì)?。?。但他成立了哥本哈根量子物理研究所，培養(yǎng)了一大批（當(dāng)時(shí)還）年輕的科學(xué)家。該所后來(lái)改稱玻爾研究所，他的兒子當(dāng)過(guò)所長(zhǎng)大批（當(dāng)時(shí)還）年輕的科學(xué)家。該所后來(lái)改稱玻爾研究所，他的兒子當(dāng)過(guò)所長(zhǎng)1

11、927年布魯年布魯塞爾，塞爾，物理學(xué)物理學(xué)的的“全全明星明星”合影！合影！ 第1章 原子與分子的奧秘1.1電子的獨(dú)舞：原子軌道薛定諤很欣賞德布羅意的思想，逢人就說(shuō)物質(zhì)波如何如何。薛定諤很欣賞德布羅意的思想，逢人就說(shuō)物質(zhì)波如何如何。1925年年一次學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)上一次學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)上blabla完了后，很有紳士風(fēng)度的老牌物理學(xué)家德完了后，很有紳士風(fēng)度的老牌物理學(xué)家德拜拜(Debye)發(fā)言了發(fā)言了“沒(méi)有波動(dòng)方程泛泛地談波，這太膚淺了沒(méi)有波動(dòng)方程泛泛地談波，這太膚淺了”。此話深深地觸動(dòng)了時(shí)年此話深深地觸動(dòng)了時(shí)年36歲的薛定諤。三周之后，他再次做報(bào)告歲的薛定諤。三周之后，他再次做報(bào)告面對(duì)德拜說(shuō)，面對(duì)德拜說(shuō)，“

12、喏，你要的波動(dòng)方程，就是這個(gè)喏，你要的波動(dòng)方程，就是這個(gè)”Htih外行不知道，其實(shí)物理學(xué)最經(jīng)典的方程，外行不知道，其實(shí)物理學(xué)最經(jīng)典的方程，都是連蒙帶猜整出來(lái)的?。ò◥?ài)因都是連蒙帶猜整出來(lái)的?。ò◥?ài)因斯坦的相對(duì)論）斯坦的相對(duì)論）第1章 原子與分子的奧秘1.1電子的獨(dú)舞：原子軌道“新” 量子論-薛定諤方程：任意波可以平面波分解任意波可以平面波分解平面波的頻率與能量平面波的頻率與能量平面波的波數(shù)與動(dòng)量平面波的波數(shù)與動(dòng)量)cos(tkzAu,e)(tkziAZ方向傳播的簡(jiǎn)諧平面波Reu,kzi,ti,E,Eti 復(fù)數(shù)化：復(fù)數(shù)化：顯然pk pzi因此能量、動(dòng)量成為算符,tiE zip第1章 原子與分

13、子的奧秘1.1電子的獨(dú)舞：原子軌道 “新” 量子論-薛定諤方程 能量與動(dòng)量的關(guān)系即頻能量與動(dòng)量的關(guān)系即頻率與波數(shù)的關(guān)系（色散率與波數(shù)的關(guān)系（色散關(guān)系）關(guān)系） 基于能量基于能量- -動(dòng)量關(guān)系建立動(dòng)量關(guān)系建立方程方程,e)(trkiA222222)(2122zmtihzimtihmppEmpE上式即沿z方向運(yùn)動(dòng)自由電子的波動(dòng)方程。),(zyxkkkk 若簡(jiǎn)諧平面波不限于若簡(jiǎn)諧平面波不限于z z方向傳播：方向傳播：2kk指向波的傳播方向，大小為波數(shù),222mtih2222222zyx拉普拉斯算子自由電子的薛定諤方程第1章 原子與分子的奧秘1.1電子的獨(dú)舞：原子軌道 3. 氫原子的薛定諤方程：Htih

14、氫原子中電子不自由，在靜電勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)),(22rVmpErZerV024)(rZemH022242哈密頓量：哈密頓量：動(dòng)能動(dòng)能+勢(shì)能勢(shì)能此之謂含時(shí)薛定諤方程，相當(dāng)于量子力學(xué)中的牛頓第二定律。此之謂含時(shí)薛定諤方程，相當(dāng)于量子力學(xué)中的牛頓第二定律。一切電子的性質(zhì)（除自旋外），都由它確定一切電子的性質(zhì)（除自旋外），都由它確定靜電勢(shì)能第1章 原子與分子的奧秘1.1電子的獨(dú)舞：原子軌道3. 氫原子的定態(tài)薛定諤方程：定態(tài)波函數(shù)就是波動(dòng)方程定態(tài)波函數(shù)就是波動(dòng)方程的駐波解的駐波解定態(tài)能量定態(tài)能量E E是分立的是分立的定態(tài)是穩(wěn)定的定態(tài)是穩(wěn)定的( (不輻射不輻射) )定態(tài)之間允許躍遷，并發(fā)定態(tài)之間允許躍遷，并發(fā)射

15、或吸收光子射或吸收光子波函數(shù)的模方為幾率波函數(shù)的模方為幾率EHHtihtirtre )(),(此之謂定態(tài)薛定諤方程，其解是一系列分離的波函數(shù)和能量，稱為定態(tài)波函數(shù)和能級(jí)。薛定諤方程給出了所有類氫離子能級(jí)的嚴(yán)格解，不需要人為的量子化條件！若波函數(shù)為駐波，時(shí)空可分離代入薛定諤方程得第1章 原子與分子的奧秘1.1電子的獨(dú)舞：原子軌道氫原子定態(tài)薛定諤方程的解（球坐標(biāo)系）：球坐標(biāo)下，波球坐標(biāo)下，波函數(shù)分解為徑函數(shù)分解為徑向和角向部分向和角向部分才能解出。才能解出。顯然這可不是顯然這可不是輕松的活兒！輕松的活兒！薛定諤請(qǐng)他的薛定諤請(qǐng)他的數(shù)學(xué)家朋友外數(shù)學(xué)家朋友外爾解出來(lái)的。爾解出來(lái)的。分立能級(jí)，定態(tài)波函數(shù)分

16、立能級(jí)，定態(tài)波函數(shù)n,l,m分別為主量子數(shù)、角量子數(shù)、磁量子數(shù)，量子化是作為方程有解的條件出現(xiàn)的。第1章 原子與分子的奧秘1.1電子的獨(dú)舞：原子軌道角量子數(shù)l=0, , n, 分別稱為s,p,d,f等等磁量子數(shù) m=-l,l，共2l+1個(gè)例：主量子數(shù)n=3上有l(wèi)=0,1,2 這三個(gè)軌道類，即3s, 3p, 3d，其中3s只有一個(gè)磁量子數(shù)m=0，即一個(gè)軌道，3p有m=-1,0,1三個(gè)軌道，3d有m=-2,-1,0,1,2這五個(gè)軌道。主量子數(shù)n=1,2,3.類氫離子中屬于同一個(gè)類氫離子中屬于同一個(gè)n的各的各l,m軌道能量都是軌道能量都是簡(jiǎn)并的（即相同的）簡(jiǎn)并的（即相同的）第1章 原子與分子的奧秘1

17、.1電子的獨(dú)舞：原子軌道nlnlWR ,徑向波函數(shù)與徑向波函數(shù)與徑向分布函數(shù)徑向分布函數(shù)第1章 原子與分子的奧秘1.1電子的獨(dú)舞：原子軌道W(r)=R2n,l(r)4r2徑向分布函數(shù)反映了氫原子核外電子出現(xiàn)的概率與距離r的關(guān)系第1章 原子與分子的奧秘1.1電子的獨(dú)舞：原子軌道角分布函數(shù)反映了氫原子核外電子與方向的關(guān)系2),(lmY第1章 原子與分子的奧秘1.1電子的獨(dú)舞：原子軌道3d2p3p第1章 原子與分子的奧秘1.2 多電子原子：互斥與配對(duì)多個(gè)電子的原子怎么辦？多個(gè)電子的原子怎么辦？氫原子的軌道理論對(duì)氫原子的軌道理論對(duì)Z 1且只含且只含1個(gè)電子個(gè)電子的類氫離子是完全正確的。的類氫離子是完全

18、正確的。對(duì)于多電子原子，可以粗略地認(rèn)對(duì)于多電子原子，可以粗略地認(rèn)為電子與核之間的相互作用是主為電子與核之間的相互作用是主要矛盾，因此電子仍處于類氫軌要矛盾，因此電子仍處于類氫軌道中；電子之間的庫(kù)倫斥力作為道中；電子之間的庫(kù)倫斥力作為次要因素，起到抬高各軌道能量次要因素，起到抬高各軌道能量的作用，抬高的程度取決于電子的作用，抬高的程度取決于電子們接近的程度。們接近的程度。n相同的軌道，相同的軌道，s, p, d半徑依次遞減，電子云愈密集，因此能級(jí)升高愈甚！半徑依次遞減，電子云愈密集，因此能級(jí)升高愈甚！第1章 原子與分子的奧秘1.2 多電子原子：互斥與配對(duì)電子的填充規(guī)律電子的填充規(guī)律在原子軌道中填

19、放電子時(shí)，遵循在原子軌道中填放電子時(shí)，遵循兩條：兩條：1. 總能量最低；總能量最低；2. Pauli不相容原理。不相容原理。因此標(biāo)記每個(gè)電子狀態(tài)的因此標(biāo)記每個(gè)電子狀態(tài)的n, l, m, ms這這4個(gè)量個(gè)量子數(shù)，決不能完全相同！子數(shù)，決不能完全相同！電子自旋是2必須滿足費(fèi)米統(tǒng)計(jì)1925年G.E.烏倫貝克和S.A.古茲密特 發(fā)現(xiàn)自旋第1章 原子與分子的奧秘1.2 多電子原子：互斥與配對(duì)電子組態(tài)電子組態(tài) Electron configuration電子的斥力使得它們傾向電子的斥力使得它們傾向于處于不同的軌道，比如于處于不同的軌道，比如碳的外層碳的外層4個(gè)電子分別處個(gè)電子分別處于于s, px, py,

20、 pz，而不是，而不是2個(gè)擠在個(gè)擠在s，另，另2個(gè)擠在個(gè)擠在px。它們盡量它們盡量“分開(kāi)分開(kāi)”，同時(shí)，同時(shí)保持自旋平行。保持自旋平行。第1章 原子與分子的奧秘1.2 多電子原子：互斥與配對(duì)第1章 原子與分子的奧秘1.2 多電子原子：互斥與配對(duì)類氫離子的能級(jí)與類氫離子的能級(jí)與Z2成正比，成正比，He+離離子的基態(tài)能為子的基態(tài)能為-13.6*4=-54.4eV，He原子粗估為原子粗估為-108.8eV。電子間的庫(kù)倫斥力，按電子間的庫(kù)倫斥力，按1s軌道計(jì)算軌道計(jì)算將使能量升高約將使能量升高約34eV，因此基態(tài)能，因此基態(tài)能為為-74.8eV。He+電離為電離為He+的能量是的能量是54.4eV，所以

21、所以He電離為電離為He+的能量，即第一的能量，即第一電離能應(yīng)為電離能應(yīng)為74.8-54.4=20.4eV24.6eV。討論：討論：HeHe原子的第一電離能是原子的第一電離能是24.6eV24.6eV，如何解釋？，如何解釋？當(dāng)然結(jié)果是粗糙的，因?yàn)閹?kù)倫斥能的計(jì)算假設(shè)兩個(gè)電子處于當(dāng)然結(jié)果是粗糙的，因?yàn)閹?kù)倫斥能的計(jì)算假設(shè)兩個(gè)電子處于1s態(tài)，這是不準(zhǔn)的。多電子體系能量和態(tài)的計(jì)算很復(fù)雜，人們發(fā)態(tài)，這是不準(zhǔn)的。多電子體系能量和態(tài)的計(jì)算很復(fù)雜，人們發(fā)展出許多近似的計(jì)算方法，目前仍然是重要的開(kāi)放問(wèn)題。即使展出許多近似的計(jì)算方法，目前仍然是重要的開(kāi)放問(wèn)題。即使是是He原子這樣看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題，仍不時(shí)有新的論文問(wèn)世

22、。原子這樣看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題，仍不時(shí)有新的論文問(wèn)世。第1章 原子與分子的奧秘1.3 化學(xué)鍵：電子的共享兩個(gè)原子靠近時(shí)，能量接近的原兩個(gè)原子靠近時(shí)，能量接近的原子軌道的線性組合，可以生成能子軌道的線性組合，可以生成能量更低的軌道，稱為量更低的軌道，稱為成鍵軌道成鍵軌道。電子在成鍵軌道中運(yùn)行，比在孤電子在成鍵軌道中運(yùn)行，比在孤立原子的軌道中立原子的軌道中能量更低能量更低。原因如下：原因如下：1. 1. 電子處在兩個(gè)核之電子處在兩個(gè)核之間，降低了靜電勢(shì)能；間，降低了靜電勢(shì)能；2. 2. 電子被電子被兩個(gè)原子核共享，能夠在更大的兩個(gè)原子核共享，能夠在更大的空域內(nèi)運(yùn)動(dòng)，由不確定性原理可空域內(nèi)運(yùn)動(dòng)，由不確定性

23、原理可知，這相當(dāng)于降低了動(dòng)能。知，這相當(dāng)于降低了動(dòng)能。每個(gè)軌道中最多可以容納兩每個(gè)軌道中最多可以容納兩個(gè)自旋相反的電子個(gè)自旋相反的電子mpEpxkx2 ,22空間越小，跑得越空間越小，跑得越快；空間越大，越快；空間越大，越能慢下來(lái)。能慢下來(lái)。第1章 原子與分子的奧秘1.3 化學(xué)鍵：電子的共享原子軌道的不同組合產(chǎn)生原子軌道的不同組合產(chǎn)生成鍵軌道或反鍵軌道。注意：波成鍵軌道或反鍵軌道。注意：波函數(shù)本身取值可正可負(fù)，電子密度是波函數(shù)的模方總為正函數(shù)本身取值可正可負(fù)，電子密度是波函數(shù)的模方總為正的。波函數(shù)變化越劇烈（的。波函數(shù)變化越劇烈（波節(jié)越多波節(jié)越多）預(yù)示電子動(dòng)能越大。）預(yù)示電子動(dòng)能越大。第1章

24、原子與分子的奧秘1.3 化學(xué)鍵：電子的共享沃納沃納海森堡，德國(guó)人，量海森堡，德國(guó)人，量子力學(xué)創(chuàng)始人之一。子力學(xué)創(chuàng)始人之一。1925年發(fā)表矩陣力學(xué)的論文，年發(fā)表矩陣力學(xué)的論文，1927年論述了不確定性原年論述了不確定性原理。理。1932年獲諾貝爾獎(jiǎng)。年獲諾貝爾獎(jiǎng)。2222Etpzpypxzyx不確定性原理（不確定性原理（Uncertainty principle）：粒子的）：粒子的位置位置與與動(dòng)量動(dòng)量不不能同時(shí)確定；微觀過(guò)程（碰撞、衰能同時(shí)確定；微觀過(guò)程（碰撞、衰變等）的能量范圍與時(shí)間尺度不能變等）的能量范圍與時(shí)間尺度不能同時(shí)確定；反映了粒子的波動(dòng)性。同時(shí)確定；反映了粒子的波動(dòng)性。第1章 原子與

25、分子的奧秘1.3 化學(xué)鍵：電子的共享實(shí)際上，原子軌道的線性組合，既不實(shí)際上，原子軌道的線性組合，既不增加也不減少軌道的數(shù)量。增加也不減少軌道的數(shù)量。因此，既會(huì)產(chǎn)生能量較低的成鍵軌道，因此，既會(huì)產(chǎn)生能量較低的成鍵軌道，也有會(huì)產(chǎn)生能量較高的也有會(huì)產(chǎn)生能量較高的反鍵軌道反鍵軌道，統(tǒng)，統(tǒng)稱稱分子軌道分子軌道。電子傾向于按能量最低原理，在分子電子傾向于按能量最低原理，在分子軌道里依次填充。這樣，運(yùn)行在成鍵軌道里依次填充。這樣，運(yùn)行在成鍵軌道內(nèi)的電子，降低了整體的能量，軌道內(nèi)的電子，降低了整體的能量，使得分子比孤立原子更為穩(wěn)定。使得分子比孤立原子更為穩(wěn)定。例如：例如：2 2個(gè)個(gè)H H原子各貢獻(xiàn)原子各貢獻(xiàn)1

26、 1個(gè)電子，正好填充個(gè)電子，正好填充1 1個(gè)成鍵軌道形成個(gè)成鍵軌道形成H H2 2分子；分子；2 2個(gè)個(gè)HeHe原子共原子共4 4個(gè)電子，要占據(jù)反鍵軌道才放得下，個(gè)電子，要占據(jù)反鍵軌道才放得下，能量比孤立原子還高，因此不能形成能量比孤立原子還高，因此不能形成HeHe2 2分子。分子。第1章 原子與分子的奧秘1.4共價(jià)鍵：鍵、鍵s s，p pz z軌道相互靠軌道相互靠近重疊、線性組合近重疊、線性組合的過(guò)程。的過(guò)程。這種電子主要運(yùn)動(dòng)這種電子主要運(yùn)動(dòng)于兩核之間，呈直于兩核之間，呈直線、軸對(duì)稱的軌道，線、軸對(duì)稱的軌道，叫做叫做鍵鍵第1章 原子與分子的奧秘 1.4共價(jià)鍵：鍵、鍵幾種最常見(jiàn)、最簡(jiǎn)單、幾種最

27、常見(jiàn)、最簡(jiǎn)單、最典型分子中的最典型分子中的鍵。鍵。鍵具有明顯的方向鍵具有明顯的方向性，強(qiáng)度也很大，可性，強(qiáng)度也很大，可以達(dá)到以達(dá)到400kJ/mol左左右。右。1eV96kJ/mol。第1章 原子與分子的奧秘 1.4共價(jià)鍵：鍵、鍵鍵作為分子軌道，鍵作為分子軌道，當(dāng)然也有飽和性。單當(dāng)然也有飽和性。單鍵只能容納鍵只能容納2個(gè)電子。個(gè)電子。第1章 原子與分子的奧秘 1.4共價(jià)鍵：鍵、鍵軌道軌道px本身的與本身的與z垂直時(shí)，垂直時(shí)，疊加時(shí)產(chǎn)生疊加時(shí)產(chǎn)生關(guān)于關(guān)于yz平面平面對(duì)稱的對(duì)稱的軌道。軌道。成鍵的成鍵的軌道由于電子軌道由于電子云得以擴(kuò)展，因此得以云得以擴(kuò)展，因此得以降低，叫做降低，叫做離域電子離域

28、電子。鍵能量一般鍵能量一般200300kJ左右，比左右，比鍵為低。鍵為低。第1章 原子與分子的奧秘 1.4共價(jià)鍵：鍵、鍵幾種常見(jiàn)的幾種常見(jiàn)的軌道?？梢?jiàn)電子云一般都在空間分布得較開(kāi)，軌道?？梢?jiàn)電子云一般都在空間分布得較開(kāi)，電子相對(duì)比較自由。電子相對(duì)比較自由。第1章 原子與分子的奧秘 1.4共價(jià)鍵：鍵、鍵乙稀中有1個(gè)鍵1個(gè)鍵，因此稱為雙鍵。乙炔中1個(gè)鍵2個(gè)鍵，因此稱為三鍵。第1章 原子與分子的奧秘 1.4共價(jià)鍵：軌道雜化軌道雜化理論：孤立原軌道雜化理論：孤立原子的軌道本身可以線性子的軌道本身可以線性組合，形成方向性更強(qiáng)組合，形成方向性更強(qiáng)的雜化軌道，再與相鄰的雜化軌道，再與相鄰原子軌道成鍵，形成更

29、原子軌道成鍵，形成更穩(wěn)固的共價(jià)鍵。穩(wěn)固的共價(jià)鍵。比如比如sp, sp2, sp3, dsp2, sp3d, sp3d2等等雜化軌道，其中碳的雜化軌道，其中碳的sp, sp2, sp3軌道最為常見(jiàn)。軌道最為常見(jiàn)。sp3雜化，正四面體，鍵角10928第1章 原子與分子的奧秘 1.4共價(jià)鍵：軌道雜化所有軌道都參所有軌道都參與雜化，與雜化，sp3軌軌道是飽和的，道是飽和的，不能形成不能形成鍵。鍵。價(jià)電子互斥理論：鍵角盡量在互相錯(cuò)開(kāi)以減少電子庫(kù)倫斥力價(jià)電子互斥理論：鍵角盡量在互相錯(cuò)開(kāi)以減少電子庫(kù)倫斥力第1章 原子與分子的奧秘 1.4共價(jià)鍵：軌道雜化甲烷, CH4水，H2O第1章 原子與分子的奧秘 1.4

30、共價(jià)鍵：軌道雜化sp2sp2雜化：雜化：1 1個(gè)個(gè)s s與與2 2個(gè)個(gè)p p軌道雜化，形成軌道雜化，形成3 3個(gè)類個(gè)類似似鍵的分子軌道，處鍵的分子軌道，處于一個(gè)平面內(nèi)，夾角于一個(gè)平面內(nèi)，夾角120120，未參與雜化的，未參與雜化的p p軌道形成離域軌道形成離域鍵。鍵。第1章 原子與分子的奧秘 1.4共價(jià)鍵：軌道雜化第1章 原子與分子的奧秘 1.4共價(jià)鍵：軌道雜化乙烯，sp2雜化第1章 原子與分子的奧秘 1.4共價(jià)鍵：軌道雜化乙醛，乙醛，sp2雜化雜化第1章 原子與分子的奧秘 1.4共價(jià)鍵：軌道雜化spsp雜化：雜化：1 1個(gè)個(gè)s s與與1 1個(gè)個(gè)p p軌軌道形成道形成spsp雜化軌道，為雜化軌

31、道，為直線型。直線型。未參與雜化的未參與雜化的2 2個(gè)個(gè)p p軌道形成離域軌道形成離域鍵。鍵。sp看起來(lái)跟看起來(lái)跟1個(gè)個(gè)p軌道差不多，軌道差不多，只是更胖更長(zhǎng)一些！別忘了它只是更胖更長(zhǎng)一些！別忘了它是是2個(gè)分子軌道，可以容納個(gè)分子軌道，可以容納4個(gè)個(gè)電子！電子！第1章 原子與分子的奧秘 1.4共價(jià)鍵：軌道雜化乙炔，sp雜化氫化鎂 ，sp雜化第1章 原子與分子的奧秘 1.4 共價(jià)鍵：軌道雜化乙炔，卡拜（碳炔、乙炔，卡拜（碳炔、線型碳）線型碳） 乙烯、丁二烯、卡乙烯、丁二烯、卡賓（碳烯）賓（碳烯）甲烷，乙烷，含甲烷，乙烷，含H的類金剛石，的類金剛石，金剛石金剛石苯，萘，石墨烯，苯，萘，石墨烯，碳納米管，聯(lián)苯等碳納米管，聯(lián)苯等第1章 原子與分子的奧秘 1.4 共價(jià)鍵：配位鍵一個(gè)原子提供空軌道，另一個(gè)原子提供空軌道，另一個(gè)提供孤對(duì)電子組成的一個(gè)提供孤對(duì)電子組成的共價(jià)鍵，稱為配位鍵共價(jià)鍵，稱為配位鍵。第1章 原子與分子的奧秘 1.4 共價(jià)鍵：配位鍵Al： 1s22s22p63s23px1. Al3+： 1s22s22p63s, 三個(gè)3p,兩個(gè)3d軌道雜化為6個(gè)空軌道，與6個(gè)水分子配合。 C0HNO3H2SO4第1章 原子與分子