第3章物质的结构和材料的性质

1第三章物质的结构和材料的性质§3.1原子核外电子运动状态§3.2元素周期律金属材料§3.3化学键分子间力高分子材料2019年12月20日23.1原子核外电子运动状态1．明确核外电子运动的基本特征，理解微观粒子的基本性质（波粒二象性）。2．理解波函数表达的意义，理解原子轨道、电子云的含义。3．掌握四个量子数的符号和表述的方法。4．明确基态、激发态含义，掌握电子跃迁与光子等能量电子的定性关系，了解原子光谱分析法的原理和应用。学习要求3一、波粒原子结构理论的发展历程1.道尔顿原子模型——原子是物质的不可再分的最小实心微粒。19世纪末，X射线、电子射线被发现，结果表明原子是可以分割的，不是最后质点。英国化学家道尔顿42．汤姆森的“浸入式”原子模型——认为原子是由带正电的均匀连续体和在其中运动的负电子构成。3．卢瑟福的“含核”原子模型——认为原子中心有一个小而重的带正电荷的原子核，核外有电子绕核的外围作空间运动。英国物理学家汤姆森英国物理学家卢瑟福54．波尔原子模型微观粒子运动具有量子化的特征，提出了关于原子轨道能级的概念。丹麦物理学家波尔赖曼线系巴尔麦线系帕邢线系布喇干线系2019/12/20玻尔模型三点假设：（1）固定轨道原子中的电子在核外只能沿着某些允许的特定轨道运动。（2）轨道能量量子化电子在不同轨道上运动具有不同的能量(不同的能量状态称为能级)，轨道离核越近,能量越低。(定态、基态、激发态)（3）能量的吸收和发射只有电子在不同轨道之间发生跃迁时，原子才会吸收或辐射能量。hν=E2－E1En=-1312/n2（kJ·mol-1）n=1，2，3，4…2019/12/201、爱因斯坦的光子学说E=hν(ν=c/λ)，p=mv=h/λ2、德布罗依的预言——实物微粒的波粒二象性。二.微观粒子的运动特征—波粒二象性2019/12/20电子衍射实验动画播放电子衍射实验证实了物质波的存在，物质波是大量粒子或少量粒子重复时所显示出来的统计行为，是一种“概率波”。物质波不同于经典的机械波和电磁波，其强度反映了粒子出现概率的大小；“粒子”也不同于经典力学中的“质点”，它没有固定的轨迹，只有与其强度大小成正比的概率分布规律。9测不准原理海森堡提出：电子等微观粒子由于运动速度极快，质量很小，不能同时准确测定它的动量和位置Δх•Δp≥h/2π测不准原理表明，微观粒子（光子、电子）不可能沿一条固定轨道运动，其运动规律只能用统计的方法指出它在核外某区域出现的可能性（概率）的大小来描述。101、波函数与原子轨道波函数薛定锷方程(E.Schrodinger)（了解）+aax2aaz2aay2++8mh2(E-V)=0E是体系的总能量，V是体系的势能，m是微粒的质量转换为球极坐标为：Ψ(r,,)=R(r)·Y(,)R(r)为波函数的径向部分，Y(,)为波函数的角度部分三、核外电子运动状态的描述2019/12/20波函数的理解：①波函数ψ是描述核外电子运动状态的数学函数式。波函数的图像、原子轨道、原子轨函及波函数常作同义词混用。②每个波函数ψ都有对应的能量E，对应其上电子的能量状态。③波函数绝对值的平方|ψ|2表示电子在核外空间某处单位体积内出现的概率，即概率密度。波函数的表达形式：Ψ(x,y,z)Ψ(r,θ,)=R(r)·Y(θ,)x=rsincosy=rsinsinz=rcosr2=x2+y2+z2径向部分角度部分2019/12/20这个波函数的径向部分R(r)对r作图即得到径向分布图，表示离核r处的概率密度。角度函数Y(,)对和作图即得角度分布图，表示出了原子轨道的形状及其在空间的伸展方向。(如下图)薛定谔方程的解（波函数）是一个包含x、y、z（或r、θ、）三个自变量及n、l、m三个只能取整数的参数的函数式。给定一个n、l、m的合理组合，即得到一个波函数的具体形式(原子轨函)。2019/12/20原子轨道的角度分布图剖面图2019/12/202、电子云波函数绝对值的平方|ψ|2表示电子在核外空间某处的概率密度，如用小黑点的疏密来表示|ψ|2的大小，则原子核外就被一层小黑点(可以看成是负电荷的云雾)所包围，形象地称为电子云。(如右图)电子云的角度分布图剖面图(无正负,比上图瘦)151、电子云的角度分布图比原子轨道的角度分布图要“瘦”些。2、原子轨道的角度分布图有正负之分，而电子云的角度分布图全部为正。原子轨道角度分布图与电子云角度分布图两者的区别：电子云是电子在空间运行的统计结果2019/12/20*2p电子云在空间的三种取向17(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注意：1、波函数对原子核外电子运动的描述具有十分重要意义：每一个波函数，都表示核外电子运动的一种状态，称为原子轨道。波函数不同，其能量不同。2、波函数通过求解薛定谔方程得到，在求解过程中，需要三个常数（n、l、m)进行限制才有物理意义。这三个常数称为量子数，每一组常数表示一个原子轨道。183、量子数描述电子出现概率最大的区域离核的平均距离，是决定电子能量高低的主要因素。(1)主量子数nn值越大，表示电子离核越远、能量越高。取值：1,2,3,4,5,6,7,（正整数，与电子层对应）K,L,M,N,O,P,Q（光谱学符号，与周期表对应）n值相同的电子，大致在同一空间范围内运动，能量相近，故把n值相同的各状态称作一个电子层（如：n=3，称第三电子层，或M层）19l决定电子空间运动的角动量，以及原子轨道或电子云空间的形状，标志电子亚层，与多电子原子中电子的能量有关;在多电子原子中,电子能量由n、l共同决定。l取值：0，1，2，3，n-1s，p，d，f，n–1(光谱学符号,与亚层对应)l=3，为f亚层，原子轨道形状为六瓣梅花形l=0，为s亚层，原子轨道形状为球形对称l=1，为p亚层，原子轨道形状为哑铃形l=2，为d亚层，原子轨道形状为四瓣梅花形(2)角量子数l20l值受n值的限制，n值确定后，l值就确定了，它不能有等于和大于n值的整数，到n-1，l可取n个值，l值相同的状态称作一个亚层，l的每个数值表示一个电子亚层。如n=3，l可取0123s3p3d亚层n=4，l可取01234s4p4d4f亚层一般而言，n相同，l越大，电子的能量越高EnsEnpEndEnfl标志电子的亚层，同一亚层的原子轨道能量是相同的，称为等价轨道（或简并轨道）。21各亚层有2l+1个空间的伸展方向，有2l+1个简并轨道。如n=3的电子层，l=0，1，2，对应3s、3p、3d亚层，则分别有1、3、5条简并轨道。（如3p轨道共三条：3px、3py、3pz，能量均相同，有3个空间的伸展方向）m描述原子轨道或电子云在空间的伸展方向，决定在各亚层中的简并轨道数。m取值:0，1，2，3，l(共2l+1个)3、磁量子数m磁量子数m与能量无关。把同一亚层（l相同）伸展方向不同能量相同的原子轨道称为等价轨道或简并轨道。p轨道具有三种伸展方向不同，但能量相同的简并轨道。22每个原子有n个电子层每个电子层有l个亚层（即n个），从0取到n-1每个亚层有2l+1条原子轨道n,l,m一组量子数可以决定一个原子轨道的离核远近、形状和伸展方向，对应一组合理的n,l,m取值，就会有一个确定的波函数(r,θФ,）n,l,m。小结：23原子轨道与三个量子数的关系nlm轨道名称轨道数轨道总数1001s112002s141-1,0,+12p33003s191-1,0,+13p32-2,-1,0,+1,+23d54004s116（n2）1-1,0,+14p32-2,-1,0,+1,+24d53-3,-2,-1,0,+1,+2,+34f724◆描述电子绕自轴旋转的状态◆自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为◆ms取值+1/2和-1/2，分别用↑和↓表示想象中的电子自旋★两种可能的自旋方向:正向(+1/2)和反向(-1/2)★产生方向相反的磁场★相反自旋的一对电子,磁场相互抵消。三、关于电子的自旋25小结：n——电子层n,l——能级n,l,m——原子轨道n,l,m,ms——核外电子的运动状态，四者如果缺一，就不能完全说明某一个电子的运动状态。261．掌握核外电子排布原则及方法；掌握未成对电子数的确定及未成对电子存在的意义。2．理解核外电子排布和元素周期律的关系，掌握元素基本周期性变化的规律。3．理解金属键和金属的通用性，了解金属材料。4．了解人体中各种元素的分布情况。学习要求3.2元素周期律金属材料2019年12月20日27一、多电子原子的电子排布美国化学家Pauling根据光谱实验的结果，总结出多电子原子的原子轨道的近似能级高低顺序。在多电子原子中，电子不仅受原子核的吸引，而且它们彼此之间也存在着相互排斥作用。图3-10近似能级顺序图1s2s2p3p3s3d4s4p4d4f5f5d5p5s6s6p6d7s7p特点：a、相邻两个能级组之间的能量相差较大；b、组内能级之间的能量相差较小。1、多电子原子轨道的能级28Pauling近似能级图(同一元素原子)如果用图示法来表示各轨道能级的相对高低，则得到原子轨道能级图，如下图。能级相近分组，得若干能级组。[ns－(n－2)f－(n－1)d－np，最外层8电子，次外层18电子]29●最低能量原理电子总是优先占据可供占据的能量最低的轨道,占满能量较低的轨道后才进入能量较高的轨道。能级组：ns－(n－2)f－(n－1)d－np电子填入轨道时遵循下列次序：1s(2s2p)(3s3p)(4s3d4p)(5s4d5p)(6s4f5d6p)(7s5f6d7p)2、核外电子分布的三个原理30●泡利不相容原理每一电子层中，轨道数为n2，最多电子数为2n2。同一原子中不能存在运动状态完全相同的电子,或者说同一原子中不能存在四个量子数完全相同的电子。例如,一原子中电子A和电子B的三个量子数n,l,m已相同,ms就必须不同。quantumnumbernlmmselectricAelectricB221100+1/2-1/231●洪特规则电子分布到等价轨道时,总是尽先以相同的自旋状态分占轨道。即在n和l相同的轨道上分布电子,将尽可得分布在m值不同的轨道上,且自旋相同。例如25Mn原子3d轨道中的5个电子按下面列出的方式(a)而不是按方式(b)排布。(b)[Ar](a)[Ar]3d4s32等价轨道（即简并轨道）在全充满、半充满和全空时比较稳定。例如：24Cr，29Cu，42Mo，47Ag，79Au等。AtomEnergylevelorderSpectrumexperimentalorder24Cr42Mo29Cu47Ag79Au[Ar]3d44s2[Kr]4d45s2[Ar]3d94s2[Kr]4d95s2[Xe]4f145d96s2[Ar]3d54s1[Kr]4d55s1[Ar]3d104s1[Kr]4d105s1[Xe]4f145d106s1特例：33●核外电子分布式22Ti：1s22s22p63s23p63d24s2[Ar]3d24s2●外层电子分布式主族元素：Cl3s23p5副族元素：Ti3d24s2Mn2+3s23p63d53、核外电子分布式和外层电子分布式344、未成对电子数●根据核外的电子排布情况，我们可以确定原子（或离子）的未成对电子数。例如Cl外层电子排布式为3s23p5，未成对电子数是1；Cr外层电子排布式为3d54s1，未成对电子数是6。Cr3+的外层电子排布式为3s23p63d3，未成对电子数是3。●“未成对电子”的概念十分重要，因为在原子或它的结合态中，如果有未成对电子，那么它一定有磁性，而且有相应的化学活性。35二、元素周期律1、原子结构与元素周期律周期的划分周期=最外层的主量子数价电子构型与元素的分区s区ns1-2p区ns2np1-6ds区(n-1)d10ns1-2d区（n-1)d1-9ns1-2f区(n-2)f1-14(n-1)d0-1ns2价电子构型与族的划分2