第一章原子结构与键合

第一章原子结构和结合键金（Au）的（111）面电化学沉积铜（Cu）于金（Au）的表面Scanningtunnelingmicroscope(STM)扫描隧道显微镜图片Fe原子在Cu基板上原子像CO原子在Pt基板上原子像(IBM)Xe原子在Ni基板上原子像(IBM)WhyStudyAtomicStructureandInteratomicbondings?•重要原因之一：键的类型，能够用于解释材料的性质。•举例：“Graphite”石墨“Diamond”金刚石通过本章学习，应该能够做到以下几点：1、两种原子模型的名称，及两者的差异；2、能够描述主要的有关电子能量的量子力学原理；3、对于两个原子与离子，能够画出原子间距与吸引、排斥的能量简图，注意平衡间距和键能；4、理解重要的术语和基本概念，包括主价键（离子键、共价键、金属键）等，了解何种材料包含上述键。学习目的教学内容•1.1原子结构1.1.1基本概念1.1.2原子中的电子1.1.3元素周期表•1.2固态中的原子键1.2.1键合力与能量1.2.2原子结合的基本类型1.2.3范德瓦尔键1.1.1基本概念1、基本电荷(Chargemagnitude)：1.6021x10-19C;2、质子、中子质量(Proton,Neutronmass)：1.67x10-27kg3、电子质量(Electronmass)：9.1091x10-31kg;4、原子数(AtomicnumberZ)=等于质子数5、原子质量(AtomicmassA)=Protonmass+Neutronmass6、同位素(Isotope)：质子数相同，但中子数不同7、原子质量单位（Atomicmassunit(amu)）：为最常见的碳同位素12C的原子质量的1/121amu/atom(ormolecule)=1g/mol1.1.2原子中的电子电子的确定：法拉第（Faraday）的电解电池实验，电子作为一个粒子的概念开始产生；1891年，斯托尼（Stoney）提出“电子”名称，表示电量单位；1897年，Thomson阴极射线管实验，测定电子质量约为氢原子质量的1/1840；1909年，密利根（Millikan）油滴实验，测定电子电荷e。量子力学中的原子模型第一个模型：玻尔原子模型（BohrAtomicmodel）原子核轨道电子重要特征：1、电子的特定轨道；2、电子能量量子化，能级；3、能级跃迁。局限性：无法解释多电子系统，只适合氢原子，亦称为“玻尔氢原子模型”。第二个模型：几率波模型（Wave-mechanicalmodel）微观粒子波粒二象性：1924年，德布洛意（deBroglie）在光的波粒二象性的启示下，提出微观粒子波粒二象性的假说。几率波模型的特点：1、电子具有波动、粒子特性；2、电子不再是在特定轨道上运动，其位置描述为几率分布（Probabilitydistribution）、电子云（Electroncloud）。420222//cmcpEphhE德布洛意关系：E–机械能；p–动量；m0–实物粒子静止质量；-波动量频率；-波动量频率；h–普朗克常数，c–光速两种模型中电子分布的比较（a）玻尔模型（b）几率波模型两种模型中电子能态的比较（a）玻尔模型（b）几率波模型量子数（Quantumnumber）主量子数（principal,n）：K、L、M、N、O、···—代表主壳层，与离原子核的距离相关（2种模型通用）次量子数（subshell,l）：s、p、d、f、···—代表亚壳层，及其轨道数，与电子云形状相关磁量子数（magnetic,m）：-(l-1)、···、+(l-1)—代表每个轨道中的能级、及其数目自旋量子数（spin,s）：-1/2,+1/2—代表电子自旋方向，每个能级只能有2种不同的自旋原子核外电子的排布规律—3个原则能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低。从低能壳层到高能壳层（K、L、M、N、）、从低能亚层（轨道）到高能亚层次序（s、p、d、f、）填充Pauli不相容原理（exclusionprinciple）：每个电子能态最多容纳2个自旋相反的电子洪德（Hund）法则：在同一亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同各壳层、亚壳层可容纳的电子状态数电子的能级图电子能量水平随主量子数和次量子数的变化情况1s22s22p63s23p64s23d104p6…..从低能到高能轨道顺序，填充电子1s3s2p3p4p3d4d电子组态Eelectronconfiguration电子能态（Energystate）：每个电子的能量状态（值），用所处的亚层（轨道）表示最底能态（Groundstate）：电子填充的最低能量状态电子组态：即原子结构，核外所有电子依据3个原则，占据壳层、亚层（轨道）的方式钠（Sodium）原子的填充能态1s22s22p63s1价电子（Valenceelectron）：参与键的形成；决定物理、化学性质不同原子的电子组态稳定电子组态：Stableelectronconfiguration最外、价电子壳层完全填充，如：He、Ne、Ar等惰性气体；获得、失去、或共享电子，达到稳定组态，如离子；轨道杂化（Hybrid），如碳的sp3杂化1.1.3元素周期表（Periodictable）Inertgas0HalogenVIIAAlkaliIAAlkaliearthIIAIIIAIVAVAVIAIIIBIVBVBVIBVIIBIBIIBVIII稀土系Rareearthseries锕系Actinideseries●元素周期表元素周期律的具体表现形式，元素性质——原子结构——周期表中位置三者有密切联系。元素的电负性(Electronegativity)1.2.1键合力与能量（BondingForcesandEnergy）吸引力（Attractiveforce）FA；排斥力（Repulsiveforce）FR；FN=FA+FR净力（Netforce）FN吸引能（Attractiveenergy）EA；排斥能（Repulsiveenergy）ER；净能（Netpotentialenergy）EN1.2固态中的原子键REEEArRrArNNdrFdrFdrF平衡距离r0Equilibriumspacing；当FA+FR=0时的原子间距当r=r0时，E0称为结合能（Bondingenergy），将2个原子无限分离所需能量。通常r00.3nm(3Å)力势能原子间距力、能量与原子间距离曲线对于固态原子，都存在一个结合能E0；结合能大，则熔点高；室温下，结合能决定固体、液体、气体状态；力与原子间距离曲线形状——物质刚硬度相关；能量与原子间距离曲线形状——物质热膨脹相关1.2.2原子结合的基本类型PrimaryInteratomicBonds（一次健）离子键（IonicBonding）：电负性相差大的原子相互靠近时，成为正负离子，通过库仑静电引力形成。例如：NaCl,MgO吸引能：排斥能：(n~8)无方向性（Non-directional）键能在3~8eV/atom范围rAEAnRrBE共价键（CovalentBonding）：电负性相差不大的原子相互靠近时，原子间不产生电子转移，借共用电子对所产生的力结合。例如：diamond,Si,Ge,GaAs,InSb,SiC,H2,Cl2,F2,CH4,H2O,HNO3,HF方向性（directional）；最多键数：8-N’，N’—价电子数；如：Cl的N’为7，最多形成1个共价键。強(diamond)或弱(Bi)；高分子材料为典型例子。离子键与共价键离子键与共价键可共存；2种键的存在取决于不同元素在周期表中相对位置及电负性；原子间距愈远，电负性差愈大，离子键性愈强%离子键性=XA，XB为元素的电负性100]2BA)X0.25(Xe[1金属键MetallicBonding当金属原子处于聚集状态时，几乎所有的原子都将它们的价电子贡献出来，为整个原子集体所共有，形成所谓“电子云”。贡献出价电子的原子成为正离子，与公有化的自由电子间产生静电作用而结合起来，这种结合方式称为金属键。价电子海离子核电子海（seaofelectron）电子云（electroncloud）胶体（glue）；离子核心（ioncores），不具方向性；键能：0.7eV/atomforHg8.8eV/atomforW良导电、导热体，延展性好1.2.3范德瓦尔键（SecondaryBonding二次健）JohannesDiderikVanderWaals(1837–1923)TheNobelPrizeinPhysics1910forhisworkontheequationofstateforgasesandliquids偶极子（Dipoles）间的范德瓦尔键一些高分子材料和陶瓷，它们的分子往往具有极性，即分子的一部分往往带正电荷，而另一部分则往往带负电荷。一个分子的正电荷部位和另一个分子的负电荷部位间的微弱静电吸引力将两个分子结合在一起，这种结合方式称为范德瓦尔键，也称“分子键”。++Atomicormoleculardipoles由微弱静电吸引力结合，键能弱：~0.1eV/atom(10kJ/mol);存在于所有原子或分子间；振动感应极化键（FluctuatingInducedDipoleBonds）电对称原子或分子，由于热振动引起正负电中心偏移，产生瞬间极化；是范德瓦尔键中最弱的键；例如：H2，Cl2等，熔、沸点很低。极性分子PolarmoleculeHCl+分子自身存在永久极化，即正负电中心偏移；极性分子使近邻非极性分子极化（感应极化），产生结合力；键能略大于振动感应极化键。极化HCl分子图示永久极性键Permanentdipolebonds氢键为典型例子：如H2O，HF，NH3等；键能比其它类型范德瓦尔键能大，达0.52eV/Molecule.氢键Hydrogenbond由氢原子同时与两个电负性很大，而原子半径较小的原子（Ｏ，Ｆ，Ｎ等）相结合而产生的具有比一般次价键大的键力，具有饱和性和方向性。氢键在高分子材料中特别重要。结合键的特性离子键共价键金属键结构特点无方向性或方向性不明显，配位数大方向性明显，配位数小，密度小无方向性，无饱和性，配位数极大，密度大力学特点强度高，膨胀系数小，劈裂性良好，硬度大强度高，硬度大有各种强度，有塑性热学特点熔点高，膨胀系数小，熔体中有离子存在熔点高，膨胀系数小，熔体中有的含有分子有各种熔点高，导热性好，液态的温度范围宽电学特点绝缘体，熔体为导体绝缘体，熔体为非导体导电体根据原子间键和的不同，将材料分为金属、陶瓷和高分子金属材料：金属键陶瓷材料：共价键/离子键高分子材料：共价键/分子键/氢键材料中的键范德瓦尔键（二次键）共价键金属键半导体聚合物离子键陶瓷和玻璃金属各种物质的键能和熔点总结Summary原子结构：玻尔模型——电子分立轨道；几率波模型——电子几率分布。电子能态：4个量子数，泡利不相容原理，电子组态。原子键（一次键）：力、能量与原子间距离曲线。离子键、共价键、金属键。分子键（二次键）：感应极化永久极化（氢键）思考题1、说明量子力学中有关原子结构的玻尔模型和几率波模型。2、给出下列离子的电子组态：Fe2+,Fe3+,Cu+,Ba2+,Br-,S2-。3、对于K+—Cl-离子对，吸引能EA和排斥能ER分别表示为：计算平衡距离r0和结合能E0。（提示：净能对原子间距r的微分为0时，r=r0。r的单位为nm）4、净能有时可表示为其中，r为离子间距，C，D和为常数。试推出结合能E0对于平衡距离r0的表达式。rEA436.1961086.5rER)exp(rDrCEN5、计算下列化合物中，离子键的百分含量：TiO，ZnTe，CsCl，InSb，MgCl。(提示：电负性：Ti-1.5,Zn-1.6,Cs-0.7,In-1.7,Mg-1