物质结构基础

第一章物质结构基础第一节核外电子运动状态第二节元素周期系和元素的基本性质第四节分子间作用力第三节化学键第一节核外电子运动状态原子原子核核外电子质子中子（每个质子带一个单位正电荷）（不带电）（每个电子带一个单位的负电荷）分子是物质能够独立存在并保持其化学性质的最小微粒。物质的化学性质主要取决于分子的性质，分子的性质又与分子的结构有关。分子结构化学键空间构型分子间的作用力分子内第一章第一节一、原子核外电子的运动离核愈近，电子云愈密集，即电子云出现的概率密度愈大。反之，离核愈远，电子云愈稀疏，即电子云出现的概率密度愈小。注意：电子云中的小黑点决不能看成是电子。电子云：用小黑点的疏密形象描述电子在原子核外空间出现的概率密度分布图。第一章第一节1924年德布罗意预言：一些实物粒子(如电子、中子、质子等)也具有波粒二象性（是指某物质同时具备波的特质及粒子的特质）。为了得到电子运动状态的合理解，必需引进几个参数n、l、m，称它们为量子数（表征微观粒子运动状态的一些特定的数字），每个量子数都有其确定的取值范围。二、核外电子运动状态的描述第一章第一节意义：描述电子层能量的高低次序和离核的远近，有电子层的意思。取值：123456┄正整数符号：KLMNOP┄‥‥‥n=1表示能量最低、离核最近的第一电子层。n越大，该电子层离核平均距离越远，电子能量越高。n相同，即为同一电子层。（一）主量子数n第一章第一节对于单层电子的，如氢，电子能量完全由n决定，对于多电子原子来说，电子能量除了与n值有关外，还与电子亚层有关。（一）主量子数n第一章第一节意义：表示同一电子层中有不同的分层（亚层）；确定原子轨道的形状并在多电子原子中和主量子数一起决定电子的能量。取值：01234（n–1）正整数符号：spdfg‥‥‥（二）角量子数l第一章第一节各电子层内的亚层数nl=0l=1l=2l=3l=4亚层数11s122s2p233s3p3d344s4p4d4f455s5p5d5f5g5（二）角量子数l第一章第一节⑴每个n值最多对应n个不相同的角量子数l，即每个电子层最多有n个亚层。⑵l的每个值还可表示一种形状的原子轨道：l=0，s轨道，球形；l=1，p轨道，哑铃形；l=2，d轨道，花瓣形（二）角量子数l第一章第一节注意①多电子原子轨道的能量与n、l有关，而氢原子或单电子离子原子轨道的能量只与n有关。②多电子原子轨道的能量，由n、l共同决定。一组n、l对应于一个能级，其能量相同（即n、l都相同）。③在多电子原子中，n相同，l越大，E越大。Ens＜Enp＜End＜Enf即在同一电子层中，电子还分为若干不同的能级，l又称为能级或电子亚层。第一章第一节(同一亚层中往往还包含着若干空间伸展方向不同的原子轨道。)意义:决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向取值：与l有关，给定l，m=0、±1、±2……±l,(2l+1）个值。如，p轨道在空间有三个方向——px、py、pz（三）磁量子数m第一章第一节通常把在一定的电子层中，具有一定形状和伸展方向的电子云所占据的原子核外空间称为一个原子轨道，简称为轨道。用□或○表示。电子能量与m无关，也就是说，n、l相同，而m不同的各原子轨道，其能量是完全相同的。这种能量相同的轨道称为简并轨道，或等价轨道。如px、py、pz属于等价轨道。（三）磁量子数m第一章第一节各亚层的轨道数亚层空间取向轨道数s亚层l=0mL=02l+1=1p亚层l=1mL=0，±12l+1=3d亚层l=2mL=0，±1，±22l+1=5f亚层l=3mL=0，±1，±2，±32l+1=7（三）磁量子数m第一章第一节电子除绕核运动外,还绕着自身的轴作自旋运动意义：描述核外电子的自旋状态取值：+1/2，-1/2；↑，↓四个量子数n,l,m,ms可确定一个电子在原子核外的运动状态（四）自旋量子数ms第一章第一节结论：同一原子中，不可能有运动状态完全相同的电子存在，即同一原子中各个电子的四个量子数不可能完全相同。⑴一个轨道中只能容纳2个自旋相反的电子；⑵各电子层的轨道数=n2⑶各电子层电子的最大容量=2n2（四）自旋量子数ms第一章第一节1-1（四）自旋量子数ms第一章第一节1.n不同，l相同。n越大，电子云的径向分布图的主峰离核越远，轨道的能量越高；E1s＜E2s＜E3s······E2p＜E3p＜E4p······E3d＜E4d＜E5d······E4f＜E5f＜······三、原子核外电子排布（一）电子分布与近似能级图2.n相同，l相同。l越大，能量越高。nfndnpnsEEEE第一章第一节在一定情况下nd轨道的能量可能高于(n+1)s轨道的能量，nf轨道的能量可能高于(n+2)s轨道的能量，这种现象称为能级交错。如：d3s4EE是屏蔽效应和钻穿效应的结果。f4s6EE3.能级交错第一章第一节（一）电子分布与近似能级图鲍林获得1954年诺贝尔化学奖和1962年诺贝尔和平奖第一章第一节（一）电子分布与近似能级图原子轨道的近似能级图第一章第一节（二）多电子原子核外电子排布多电子原子的核外电子的排布又称为电子的构型。根据光谱数据，归纳出基态原子核外电子排布的三个原则。1.能量最低原理2.Pauli不相容原理3.Hund规则第一章第一节“系统的能量愈低，愈稳定”是自然界的普遍规律。基态原子，是最稳定的系统，能量最低。1.能量最低原理〖能量最低原理〗基态多电子原子核外电子排布时，总是先占据能量最低的轨道，当低能量轨道占满后，才排入高能量的轨道，以使整个原子能量最低。如下图箭头所指顺序。第一章第一节电子填入能级的先后次序1.能量最低原理第一章第一节在同一个原子中，没有彼此完全处于相同的状态的电子。在同一个原子中不能有四个量子数完全相同的两个电子存在。2.Pauli不相容原理第一章第一节•每一电子亚层最多容纳的电子数为：s2、p6、d10、f14每一电子层最多能容纳的电子数为原子轨道的2倍，即2n2。由此可知：•一个原子中不允许有两个电子处于完全相同的状态。•在一个原子轨道上最多能容纳两个自旋方向相反的电子。2.Pauli不相容原理第一章第一节3．Hund规则在简并轨道上，电子总是尽可能分占不同的轨道，且自旋平行，使原子的总能量最低。如：6C轨道式电子在能量相同的轨道（即简并轨道）上排布时，总是尽可能以自旋相同的方向，分占不同的轨道，因为这样的排布方式总能量最低。7N轨道式第一章第一节8O轨道式9F轨道式电子排布式：6C1s22s22p27N1s22s22p38O1s22s22p49F1s22s22p5原子序数为3～10的8种元素原子的基态电子构型见表1-2。轨道图式描述原子构型可以准确地表达Hund规则，而电子构型式却无法表达。3．Hund规则第一章第一节例如：22Ti1s22s22p63s23p63d24s226Fe1s22s22p63s23p63d64s224Cr1s22s22p63s23p63d44s2实验测定：1s22s22p63s23p63d54s1?填入按能级顺序书写按电子层顺序价层电子29Cu1s22s22p63s23p63d94s2实验测定：1s22s22p63s23p63d104s1再如：3．Hund规则第一章第一节全充满：s2,p6,d10,f14半充满：s1,p3,d5,f7全空：s0,p0,d0,f0Hund规则特例:简并轨道全充满、半充满、或全空的状态都是能量较低的稳定状态。24Cr1s22s22p63s23p63d54s129Cu1s22s22p63s23p63d104s1所以：3．Hund规则第一章第一节电子排布的书写：（3）可用原子实或原子芯（稀有气体元素符号）简写电子排布式。(1)按电子层的顺序写;(2)一般地按照电子排布三原则书写,个别例外，应以实验为依据;例：47Ag1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s147Ag[Kr]4d105s1；Ag+[Kr]4d10(4)离子的电子排布式，是在基态原子的电子排布式基础上加上得到或失去的电子。第一章第一节节小结第一章第一节1、原子核外电子的运动2、核外电子运动状态的描述3、原子核外电子排布节小结第一章第一节难点：1、核外电子运动状态的描述2、原子核外电子排布第一章第一节1、如何描述核外电子的运动？2、描述核外电子运动状态的量子数有哪些？思考题答：(1)只能用统计的观点指出它在原子核外、只能用统计的观点指出它在原子核外空间某处出现机会的多少。空间某处出现机会的多少。(2)用“电子云”形象的描述核外电子的、电子云”运动。答：(1)主量子数n。(2)角量子数l。（3）磁量子数m。（4）自旋量子数ms第一章第一节思考题√3、下列轨道表示式能表示磷原子的最低能量状态的是第一章第一节思考题√章页4、下列电子亚层中，轨道数目最多的是A.n＝1,l＝0B.n＝2,l＝1C.n＝3,l＝2D.n＝4,l＝1E.n＝5,l＝0第二节元素周期系和元素的基本性质当元素按照核电荷数递增的顺序排列时，电子排布(构型)呈周期性变化，元素性质呈现周期性变化。这一规律叫做元素周期律。元素周期表是原子的电子构型随着核电荷数递增而呈现周期性变化的反映。一、原子的电子结构和元素周期律第一章第二节能级组的形成是元素划分为周期的本质原因。每一个能级组对应于一个周期。7个能级组形成7个周期。三长三短一不全短周期（一、二、三周期）长周期（四、五、六周期）不完全周期（第七周期）（一）周期（能级组）第一章第二节(1)周期表中的周期数就是能级组数。(2)元素所在的周期序数等于该元素原子所处的最高能级组序数，也等于该元素原子最外电子层的主量子数。即周期数=能级组数=电子层数(3)各周期元素数目，等于相应能级组内各轨道所能容纳的电子总数。由能级组和周期的关系可知，能级组的划分是导致周期表中各元素能划分为周期的本质原因。能级组和周期的关系第一章第二节表1-4（一）周期（能级组）第一章第二节原子的价电子层结构相似的元素排在同一列，称为族。周期表共18列，其中8，9，10三列为一族，称为VIII族，其余一列一族。共16族。指原子核外电子中能与其他原子相互作用形成化学键，跟元素化合价有关的电子。价电子层价电子所处的能级称为价电子层。（二）族第一章第二节用“A”表示主族，IA-VIIIA，ns1-2np1-6，即：最后一个电子填充在ns或np亚层。共7个主族，第ⅧA一般称为0族。大多数教材是把0族合在一起，即8个主族。主族序数=最外层电子数=价电子数第一章第二节1.主族和零族用“B”表示副族。IB-VIIB族，共7个副族，最后一个电子填充在（n-1)d或（n-2)f亚层的都属于副族。ⅢB到ⅦB族：价电子总数=族数如：钪[Ar]3d14s2ⅠB和ⅡB族：最外层电子数=族数如：铜29Cu[Ar]3d104s1，铁[Ar]3d64s22.副族第一章第二节处于元素周期表的中间，共三个纵行。它们的价层电子的构型是(n-1)d6-10ns0-2，价层电子数是8-10。3.VIII族第一章第二节（三）周期表分区（特征电子构型）据价层电子构型的特征，将周期表分为5个区：(1)s区元素：包括IA和IIA族，价电子层的构型为ns1~2。(2)p区元素：包括IIIA到VIIIA族，价电子层的构型为ns2np1~6。(3)d区元素：包括IIIB到VIIB、VIII族的元素，价电子层的构型为(n-1)d1~9ns1~2(Pd为(n-1)d10ns0)。(4)ds区元素：包括IB和IIB族的元素，外电子层的构型为(n-1)d10ns1~2。(5)f区元素：包括镧系和锕系元素，电子层结构在f亚层上增加电子，外电子层的构型为(n-2)f1~14(n-1)d0~2ns2。钍元素例外。第一章第二节0（三）周期表分区第一章第二节二、元素基本性质的周期性由于原子电子层结构呈现周期性，因此与电子层结构有关的元素的基本性质如：原子半径、电离能、电子亲合能、电负性等也呈现明显的周期性。第一章第二节（一）原子半径1、原子半径的类型（1）共价半径：同种元素共价键键长的一半。（2）