第5章物质结构基础.

1无机及分析化学第五章物质结构基础本章主要讨论：原子核外电子的运动状态，核外电子排布，元素的基本性质，化学键和分子间力的形成和性质，杂化轨道理论与分子空间构型。2无机及分析化学本章学习要求1、了解核外电子运动的特殊性，了解波函数、轨道、能级、能层、能级组等概念，掌握四个量子数的物理意义；2、掌握能级图和核外电子排布规律，能够正确书写常见元素的名称、原子的核外电子构型以及在周期表中的位置；3、能用原子结构理论来解释元素某些性质的周期性变化规律；4、了解离子键的本质和特征；5、掌握现代价键理论，能用轨道杂化理论来解释一般分子化合物的空间构型；6、了解分子间力和氢键产生的原因以及对物质性质的影响，分清化学键与分子间力的区别；7、了解四大晶体类型的特征和性质。3无机及分析化学5-1原子核外电子的运动状态四、波函数和电子云的空间图形五、四个量子数及其对核外电子运动状态的描述5-2多电子原子结构二、核外电子排布的规律一、近似能级图一、原子半径二、电离势三、电负性一、氢原子光谱和玻尔理论三、波函数和原子轨道三、核外电子排布和元素周期系5-4离子键一、离子键的形成二、离子键的特征5-5共价键三、杂化轨道理论四、价层电子对互斥理论5－6分子间力和氢键一、分子的极性及量度二、分子间力三、氢键目录5-3元素基本性质的周期性二、微观粒子的波粒二象性和测不准原理三、电子亲和势三、离子的特征四、晶格能一、键参数二、价键理论五、分子轨道理论5－7离子极化5－8晶体结构一、晶体的基本概念二、离子晶体三、原子晶体四、分子晶体六、混合型晶体五、金属晶体4无机及分析化学§5－1原子核外电子的运动状态a粒子散射研究原子论卢瑟福道尔顿核式模型一、氢原子光谱和Bohr理论5无机及分析化学•氢原子光谱•将一只装有氢气的放电管，通过高压电流，氢原子被激发后的光通过分光镜，在屏幕上可见光区内得到不连续的红、青、蓝、紫、紫五条明显的特征谱线。•这种谱线是线状的，所以称为线状光谱，它又是不连续的，所以也称不连续光谱。•线状光谱是原子受激后从原子内部辐射出来的，因而又称为原子光谱。6无机及分析化学玻尔理论原子能级玻尔(N.Bohr)假设①定态假设②能级假设③跃迁假设玻尔原子模型玻尔7无机及分析化学1、微观粒子的波粒二象性λ=h／mV二、微观粒子的波粒二象性和测不准原理2.测不准原理△x·△p≈h电子衍射8无机及分析化学ΨVEhmzΨyΨxΨ22222222π8SchrÖdinger方程：描述核外电子运动的波动方程：空间直角坐标zyx,,常数：Planckh：势能V：能量E波函数：Ψ：质量m三、波函数和原子轨道9无机及分析化学直角坐标(x,y,z)与球坐标(r,θ,φ)的转换222zyxrcosrzqsinsinryqcossinrxqq,,,,rΨzyxΨq,YrR10无机及分析化学薛定谔方程的解是一个含有三个变量x、y、z和三个参数n、l、m的函数式，叫做波函数ψ，表示为ψ(x，y，z)。一个波函数ψ(x，y，z)代表电子的一种运动状态。波函数ψ(原子轨道)，描述核外电子运动状态的数学函数式。11无机及分析化学四、波函数和电子云的空间图形1、波函数角度分布图252,1,0)(2π41Ψ0azqcos02arZre为径向部分，0a2ZrreR(r)(,)cosYqq为角度部分。经过计算，得到q及对应Y(q,φ)or|Y(q,φ)|2的数据。根据Y(q,φ)~(q,φ)可以画出波函数的角度分布图：12无机及分析化学Zq/°cosqcos2q01.001.00150.970.93300.870.75450.710.50600.500.25900.000.00120－0.500.25135－0.710.50150－0.870.75165－0.970.93180－1.001.00波函数的角度分布图13无机及分析化学yY2pxyzxY2pxyz22pxYxyzxyz2p2yYxyz2p2zYxyzzY2p14无机及分析化学2d3zxyzyzd3xyzxzd3xyzxyd3xyz22d3yxxyz15无机及分析化学2、电子云的角度分布图电子云图：用小黑点的疏密来表示电子在外空间几率密度分布的具体图像。因为2(r,q,φ)=R2(r)Y2(q,φ)，根据Y2(q,φ)~(q,φ)可以画出电子云的角度分布图：电子云：电子在核外空间几率密度分布的形象性。即|Ψ|2具体分布图形。16无机及分析化学几率密度（或概率密度|ψ|2：电子在核外空间、某处单位微小体积内出现的几率。电子云：电子行为具有统计性的一种形象说法。电子云与原子轨道的角度分布图两点不同：电子云的角度分布图比相应原子轨道的角度分布图要“瘦”一些。原子轨道有正、负号之分，电子云没有正负号，这是因为|ψ|2的结果。17无机及分析化学原子轨道的角度分布图电子云的角度分布图原子轨道和电子云的角度分布图对比18无机及分析化学图的形状较“瘦”为正值图的形状较“胖”为正、负值不同伸展方向相同形状相似相同Y2(q,)Y(q,)角度分布函数电子云原子轨道原子轨道与电子云角度分布图比较名称19无机及分析化学3、径向分布函数图:rr+drD(r)~rD(r)=24r2称为径向分布函数,表示电子在离核半径为r的球面上单位厚度球壳内出的概率。20无机及分析化学氢原子电子云径向分布图21无机及分析化学五、四个量子数及其对核外电子运动状态的描述1、主量子数(n)主量子数n是决定电子能量的主要因素和电子离核的远近或电子层数。取值：1，2，3，4，5，6，7等光谱符号：K、L、M、N、O、P、Q等•单电子原子（离子），电子能量完全决定于n，eVnE26.13n值越大，能量越高多电子原子，电子能量与n和原子轨道形状有关。22无机及分析化学2、角量子数l•物理意义：•①描述原子轨道或电子云形状；•②表示同一电子层中具有不同的亚层；•③在多电子原子中，确定能量的次要因素。取值:0，1，2，···(n-1)共n个光谱符号：s，p，d，f，…，等23无机及分析化学•多电子原子中，电子能量由n、l共同决定。•(n+0.7l)值越大，轨道能量越高。n、l相同的电子，能量相同，处于同一能级，称为等价轨道(简并轨道)。单电子原子：Ens=Enp=End=Enf多电子原子：EnsEnpEndEnf24无机及分析化学3、磁量子数(m)决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向。取值：0，±1，±2，……，±l，m值受l值的限制，m可有(2l+1)种状态25无机及分析化学同一亚层中，有几个不同的m值,就有几条原子轨道。zyx即每一种m的取值，对应一种空间取向。如2p轨道(n=2，l=1)在空间有三种不同的取向26无机及分析化学例如n=1l=0m=0ψ1,0,0即ψ1s,1s轨道n=3l=1m=0ψ3pzn=3l=1m=+1ψ3px简并轨道n=3l=0m=0ψ3sn=3l=1m=-1ψ3py三个量子数即可决定一个原子轨道ψ(n,l,m)m与电子能量无关27无机及分析化学ms物理意义：描述电子的自旋运动。四个量子数中前三个量子数的取值规律为：m取值：+1/2，-1/2通常用“”和“”表示。故描述一个电子的运动状态，常用四个量子数n，l，m，msnl4、自旋量子数ms28无机及分析化学四个量子数和电子运动状态29无机及分析化学小结•n,m,l三个量子数可确定一个原子轨道ψ(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•每个电子层的亚层数=n值•每个电子亚层的轨道数为（2l+1)个•每个电子层的轨道总数为n2个,最多可容纳2n2个电子30无机及分析化学22622C2s2p112s:(2,0,0,);(2,0,0,)22112p:(2,1,0,);(2,1,1,)2211(2,1,0,);(2,1,1,)2211(2,1,1,);(2,1,1,);22外层电子：或或31无机及分析化学ssssmmlnmmlnmmlnmmln,1,2,4421,,0,3321,1,,2221,0,2,1当的量子数。例：给下列各组填入适32无机及分析化学思考1、下列各组量子数合理的是()。A．3,3,0,1/2B．2,3,1,1/2C．3,1,1,-1/2D．2,0,1,-1/2思考2、核外电子运动状态的描述较正确的是()A.电子绕原子核作圆周运动B.电子在离核一定距离的球面上运动C.电子在核外一定的空间范围内运动D.电子的运动和地球绕太阳运动一样思考3、如果一个原子的主量子数是3，则它()A.只有s电子B.只有s和p电子C.只有s、p和d电子D.只有d电子√√√33无机及分析化学思考4、在多电子原子中，有下列四个电子，其中能量最高的电子是()。A.(2,1,1,-1/2)B.(2,1,0,-1/2)C.(3,1,1,-1/2)D.(3,2,-2,-1/2)√34无机及分析化学§5－2多电子原子结构一、近似能级图徐光宪，1920中国科学院资深院士，北京大学教授徐光宪教授(n+0.7l)规则，与Pauling的近似能级图一致。35无机及分析化学▲主量子数n和角量子数均不相同时，出现“能级交错”现象E4sE3dE4p......。由图可见：▲角量子数相同，能级能量随主量子数的增大而升高，即E1sE2sE3sE4s......。▲主量子数相同，能级能量随角量子数l的增大而升高，即EnsEnpEndEnf......。36无机及分析化学n+0.7l1s1.0第一能级组2s,2p2.0,2.7第二能级组3s,3p3.0,3.7第三能级组4s,3d,4p4.0,4.4,4.7第四能级组5s,4d,5p5.0,5.4,5.7第五能级组6s,4f,4d,6p6.0,6.1,6.4,6.7第六能级组7s,5f,5d,7p7.0,7.1,7.4,7.7第七能级组37无机及分析化学1.最低能量原理电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道上,使整个原子系统能量最低。2.Pauli不相容原理同一原子中没有四个量子数完全相同的两个电子存在。每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式相反的电子3.Hund规则在n和l相同的轨道上分布的电子,将尽可能分占m值不同的轨道,且自旋平行。二、核外电子排布的规律38无机及分析化学Hund规则的特例：在等价轨道上，电子处于全充满(p6、d10、f14)、半充满(p3、d5、f7)和全空(p0、d0、f0)时，原子能量较低，体系较稳定。39无机及分析化学三、核外电子的排布和元素周期系1.核外电子的排布将原子核外电子按上述顺序排布后，再按轨道电子从内层到外层写出。即为原子的电子结构式或电子排布式（电子组态）。电子填充顺序为：1s，2s2p，3s3p,4s3d4p，5s4d5p，6s4f5d6p···40无机及分析化学3d104s1[Ar]3d104s1Cu3d54s1[Ar]3d54s1Cr3s23p5[Ne]3s23p5Cl3d64s2[Ar]3d64s2Fe3s23p1[Ne]3s23p1Al3s11s22s22p63s1Na价电子层结构电子排布式原子[Ar]—原子实，表示Ar的电子结构式1s22s22p63s23p641无机及分析化学基态阳离子的电子排布•原子失电子变成简单阳离子时总是先失去最•外层电子•一般，在原子的最高能级组中同时有ns,np,•(n-1)d和(n-2)f，按规则，失电子的先后次序•是：npns(n-1)d(n-2)f26Fe[Ar]3d64s2[Ar]3d64s0[Ar]3d54s0[Ar]3d44s2[Ar]3d34s2Fe2+Fe3+××42无机及分析化学2.电子层结构与周期表元素原子的电子层结构呈周期性变化，导致元素性质周期性变化,这就是元素周期律。周期的划分与能级组的划分完全一致，每个能级组都