第9章原子结构和分子结构

第9章原子结构和分子结构一、学习的基本要求1、了解核外电子的运动特点，理解原子轨道等概念，掌握描述核外电子运动状态的四要素。2、了解原子轨道的能量，理解原子轨道的能级顺序，掌握核外电子的排布规律和核外电子的排布的表示方法。3、理解电子层结构与元素周期系的关系，掌握元素性质的变化规律和元素周期表的结构。4、理解共价键的本质，掌握共价键的特点、类型，了解共价键的参数。5、了解共价键的极性，掌握常见分子极性的判断方法。6、理解杂化轨道理论要点，掌握S-P杂化轨道的基本类型。7、了解分子间作用力对物质性质的影响，掌握分子间作用力的类型。8、了解离子键和金属键的形成，理解离子键和金属键的概念。二、重点与与难点1、重点：核外电子的排布规律与核外电子排布的表示方法；元素性质的变化规律和元素周期表的结构；共价键的特点和类型；S-P杂化轨道的基本类型。2、难点：核外电子运动状态；原子轨道的能级顺序；杂化轨道理论要点，分子极性的判断。三、知识要点（一）基本概念1、电子云:用小黑点疏密来表示核外电子出现的几率大小，小黑点密的地方电子在该处出现的几率大，小黑点疏的地方电子在该处出现的几率少。这种用小黑点疏密来表示核外电子出现的几率大小的图像称作电子云。2、原子轨道：把电子出现的几率相等的地方联接起来，称为等密度面，如果这个等密度面包括电子出现的总几率在95%以上，这个电子运动的空间范围就称为原子轨道。原子轨道也可以理解为具有一定形状和伸展方向的电子云所占据的空间。3、电离能：电离能是使一个基态的气态原子失去电子成为气态正离子时的需要的能量。符号为I，单位常用kJ/mol表示。4、电子亲合能：气态的基态原子得到一个电子变成气态负离子时所放出的能量称为第一电子亲合能，符号为E，单位常用kJ/mol表示。5、电负性：分子中原子吸引电子的能力称为电负性，元素的电负性是相对值，它是以最活泼的非金属F为基准，其它元素与F相比较而得到的对应的电负性。6、杂化轨道：原子形成分子时，同一原子中能量相近的不同原子轨道重新组合成一组新的轨道的过程称为杂化，所形成的新轨道称为杂化轨道。（二）基本知识1、核外电子的运动状态对于多电子原子，核外电子的运动比较复杂，需从以下四个方面来描述。（1）电子层在含有多个电子的原子里，电子的能量并不相同。根据电子能量的差异和通常运动的区域离核远近的不同，可以将核外电子运动的区域分成不同的电子层，用字母n表示：n=1、2、3、4……习惯上也用K、L、M、N、O、P、Q等字母来表示。（2）电子亚层和电子云形状在同一个电子层中，电子的能量还稍有差别，电子云的形状也不相同。根据这个差别，又可以把一个电子层分成一个或几个亚层，分别用s、p、d、f等符号表示。s亚层电子云是以原子核为中心的球形，p亚层的电子云是纺锤形，d亚层、f亚层电子云形状比较复杂。（3）电子云的伸展方向电子云不仅有确定的形状，而且有一定的伸展方向。s电子云是球形对称的，在空间各个方向上伸展的程度相同。P电子云在空间有三个伸展方向。d电子云可以有五种伸展方向，f电子云可以有七种伸展方向。电子云的每一种伸展方向就是一个原子轨道。电子层、电子亚层和原子轨道的关系：电子层亚层原子轨道数1s1=122s、p1+3=4=223s、p、d1+3+5=9=324s、p、d、f1+3+5+7=16=42nn2即每个电子层可能有的最多原子轨道数应为n2。（4）电子的自旋实验证明电子除了在核外作高速运动外，本身还作自旋运动。电子自旋有两种状态，相当于顺时针和逆时针两种方向。常用向上箭头↑和向下箭头↓来表示不同的自旋状态2、多电子原子轨道的能级多电子原子的各个电子之间存在着斥力，在研究某个外层电子的运动状态时，必须同时考虑到核对电子的吸引力及其它电子对它的排斥力。由于其它电子的存在，往往减弱了原子核对外层电子的吸引力，从而使多电子原子的电子所处的能级产生了交错现象。原子轨道的能级顺序：1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p3、原子核外电子排布规律（1)泡利不相容原理每个原子轨道只能容纳两个电子，且自旋方向相反。由此可以推出各电子层最多容纳2n2个电子。（2）能量最低原理多电子原子处于基态时，在不违背泡利不相容原理的前提下，电子尽可能先占据能量较低的轨道，而使原子体系的总能量最低，处于最稳定状态。（3）洪特规则电子在等价轨道（如3个p轨道，5个d轨道，7个f轨道）上排布时，总是尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相同。这种排布体系能量最低，最稳定。光谱实验还表明，当等价轨道中的电子处于半充满、全充满或全空的状态时具有额外的稳定性。半充满s1、p3、d5、f7全充满s2、p6、d10、f14全空s0、p0、d0、f04.电子构型电子在原子轨道中的排布方式称为电子层结构，简称电子构型。电子构型的表示形式有三种：（1）轨道表示式例如氮原子的轨道表示式为：或↑↓↑↓↑↑↑1s2s2p1s2s2p（2）电子排布式它是在亚层符号的右上角用数字注明所排列的电子数目。氮原子的电子排布式为：1s22s22p3（3）价电子层结构式价电子层结构指的是价电子（即能参与成键的电子）所排布的电子层结构。氮原子的价电子层结构式：2s22p35、电子层结构与元素周期表区外电子层构型包含的spdfns1～2ns2np1～6(n-1)d1～10ns1～2(n-2)f1～14(n-1)d0～2ns2ⅠA和ⅡA族ⅢA-ⅦA和0族ⅠB-ⅧB和VIII族La系和Ac系6、元素性质的周期变化（1）原子半径同一主族中原子半径的变化一般是由上而下增大，因为同族元素原子由上而下电子层数增多；副族元素增加的幅度要相应小些，这是与镧系收缩有关。同一周期中原子半径的变化一般是由左向右减小，到惰性气体又增大。（2）元素的电负性同一主族元素，自上而下，电负性一般表现为递减，表示元素的金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱。副族元素电负性的变化规律较差，同周期从左到右，电负性总的趋向于增大。7、共价键理论原子间通过共用电子对（电子云重叠）而形成的化学键称为共价键。一般说来，同种或电负性相差不太大的元素原子间的化学键都是共价键。（1）共价键的饱和性和方向性一个原子含有几个未成对电子，就可以和几个自旋方向相反的电子配对成键，这就是共价键的饱和性。成键原子的电子云必须在各自密度最大的方向上重叠，这就决定了共价键具有方向性。（2）共价键的类型根据成键时原子轨道的重叠方式的不同，共价键可分为键与键。①键：如果两个原子轨道都沿着轨道对称轴的方向以“头碰头”的方式发生重叠，形成的共价键称为键。键重叠程度比较大，键比较稳定，键电子云程轴对称，流动性小。两个原子间只能有一个键。②键：如果两个P轨道的对称轴相平行，同时它们的节面又互相重合，那么这两个P轨道就可以以“肩并肩”的方式重叠，形成的共价键称为键。键重叠程度比较小，键比较活泼，键电子云分布在节面的两侧，流动性大。两个原子间可以有一个或两个键，且键不能单独存在，只能与共存。（3）s、p杂化轨道的类型①SP杂化1个S轨道与1个P轨道杂化，组成2个等同的SP杂化轨道，每个SP杂化轨道中含1/2的S和1/2的P。两个SP杂化轨道的夹角为1800，形成的分子为直线型，如BeCl2、乙炔等。SP杂化可称为直线型杂化。②SP2杂化1个S轨道与2个P轨道杂化，组成3个等同的SP2杂化轨道，每个SP2杂化轨道中含1/3的S和2/3的P。3个SP2杂化轨道的夹角为1200，形成的分子为平面三角形，如BF3、BCl3等，SP2杂化可称为平面型杂化。③SP3杂化1个S轨道与3个P轨道杂化，组成4个等同的SP3杂化轨道，每个SP3杂化轨道中含1/4的S和3/4的P。4个SP3杂化轨道的夹角为109.50，形成的分子为正四面体，如CH4、SiH4等，SP3杂化可称为立体型杂化。8、分子间的作用力分子之间存在一定的作用力，这种分子间的作用力较弱，要比化学键能小1～2个数量级，但却是影响物质的聚集状态（固态、液态、气态）及溶解性的重要因素，这种分子间的作用力也叫范德华（VanderWaals）力。（1）取向力当两个极性分子相互接近时，极性分子的固有偶极间发生同极相斥、异极相吸，使杂乱的分子相对偏转而取向排列，固有偶极处于异极相邻状态。这种由极性分子固有偶极之间的取向而产生的分子间作用力叫做取向力。分子的偶极矩越大，取向力也就越大。（2）诱导力当极性分子与非极性分子靠近时，极性分子的固有偶极使非极性分子的电子云和原子核发生相对位移，产生的偶极叫诱导偶极，诱导偶极与极性分子的固有偶极相吸引产生的作用力称诱导力。（3）色散力当非极性分子相互靠近时，由于分子中的电子云和原子核在运动过程中，经常发生相对位移，产生瞬时偶极，两个瞬时偶极必然异极相吸，这种瞬时偶极相互吸引产生的作用力称为色散力。瞬时偶极虽然会很快消失，但也会不断产生，异极相邻的状态不断重复出现，使非极性分子间始终存在色散力。色散力与分子量有关，分子量越大，色散力越大。总之，极性分子间存在着取向力、诱导力和色散力；极性分子与非极性分子间存在着诱导力和色散力；非极性分子间仅存在着色散力。色散力在所有分子中普遍存在。（4）氢键当氢原子与一个原子半径较小、而电负性又很强的X原子以共价键相结合时，就有可能再与另一电负性大的Y原子生成一种较弱的键，这种键称为氢键，其中X、Y为F、O、N。氢键实际上也是分子间作用力。但是一种特殊的分子间作用力，它有方向性和饱和性。9、分子的极性分子的极性与共价键的极性、分子的空间构型有关。双原子分子中，极性键形成的分子是极性分子，非极性键形成的分子是非极性分子；多原子分子中，化学键都是非极性的是非极性分子，化学键是极性的，但化学键空间分布对称，分子的偶极矩为零，分子是非极性的。10、离子键和离子化合物原子失去电子成为正离子，而原子得到电子成为负离子，由正离子和负离子之间通过静电引力而形成的化学键称为离子键，离子键无方向性和饱和性。由离子键形成的化合物称为离子化合物。离子化合物多以晶体的形式存在，称为离子晶体。离子晶体的热稳定性、硬度都较大，熔点和沸点也较高。11、金属键金属原子容易失去电子，所以在金属晶体中既有金属原子又有金属离子，金属原子和附近的离子交换着电子，这些价电子时而从一些原子脱落下来，时而又与另一些金属离子结合，成为自由电子。由自由电子与金属原子、金属离子产生的一种结合力称为金属键。金属键无方向性和饱和性，金属键存在于金属晶体之中。四、例题例1.某元素原子的电子排布式是1s22s22p63S23P63d64s2,说明这个元素的原子核外有多少个电子层？每个电子层有多少个轨道？有多少个电子？分析：（1）在电子排布式中轨道前面的数字即为电子层数（n）；（2）每个电子层的轨道数为n2，元素原子的电子数应按实际填充计算。解：由于元素原子的电子排布式是1s22s22p63S23P63d64s2，n=4，所以核外有4个电子层。根据每个电子层的轨道数为n2，可知第一层有1个轨道，有2个电子；第二层有4个轨道，有8个电子；第三层有9个轨道，实际有14个电子；第四层有16个轨道；只填充了2个电子；例2.已知下列元素原子的价电子构型为：2s2,2s22p1,3s23p5,3s23p3,4s24p2它们各属于第几周期？第几族？最高正化合价是多少？各是什么元素？分析（1）主族元素的价电子构型为：ns1-2np1-6（2）主族元素的电子层数等于周期数，价电子数等于族数，最高正化合价等于价电子数。（3）根据元素所在的周期和族可推断是什么元素。解、价电子构型为2s2的元素在第二周期，IIA族，最高正化合价是+2，是Be。价电子构型为2s22p1的元素在第二周期，IIIA族，最高正化合价是+3，是B。价电子构型为3s23p3的元素在第三周期，VA族，最高正化合价是+5,是P。价电子构型为4s24p2的元素在第四周期，IVA族，最高正化合价是+4，是Ge。例3.已知某些元素的原子序数，试填出下表空白：原子序数电子排布式各层电子数周期族区金属或