物质结构基础

北方工业大学机电学院第四章物质结构基础Chapter4BasicStructuresofMatter北方工业大学机电学院物质世界多姿多彩物质是如何构成的？北方工业大学机电学院北方工业大学机电学院物质结构问题，包括：原子结构分子结构—化学键晶体结构本章逐一讨论之。微观结构决定宏观性质北方工业大学机电学院物质结构的第一方面问题：近代原子结构理论基础北方工业大学机电学院例如光子，光在传播时表现为波，而在与其他物质作用时表现为粒子。这就是光的波-粒二象性。1905年Einstein已经证明：光具有波-粒二象性。北方工业大学机电学院他的关于电子运动的波性的设想一开始并未引起关注，爱因斯坦给予了较高评价。1924年，年仅25岁法国青年博士L.deBroglie提出：不仅光子具有波-粒二象性，电子也有。电子的波动性和粒子性由普朗克常数联系起来：hm北方工业大学机电学院这是因为人们无法想象：公认的实物粒子（电子）怎么可能具有波性？德布罗依提出：人们对于电子的认识，只看到了它的粒子性而忽略了它的波性。他认为电子也具有波-粒二象性。他预言：实验科学家将会证实电子的波性。1927年美国的C.DavissonL.Germar通过衍射实验证实了电子确实具有波性。北方工业大学机电学院实验表明：电子的波长与x-射线的相当。后来，人们又得到了质子、分子的衍射环纹。于是，德布罗依因其理论于1929年获诺贝尔奖。北方工业大学机电学院近代结构理论认为，核外电子的运动具有三大特征：1.量子化特征；2.波-粒二象性；3.统计性。“原子结构”的问题，实质是原子核外电子的运动状态是什么样的？4.1原子结构与周期律北方工业大学机电学院实验依据：线状光谱——氢原子光谱其中n（量子数）为正整数，且n1n2。ν=3.29×1015(2221n1n1)s-1-1.核外电子的量子化特征北方工业大学机电学院核量子轨道电子根据N.Bohr理论，（氢原子）核外电子的运动轨道：定态轨道半径定态轨道电子能量能级r=n2ao（ao=52.9pm）可见，核外电子的能量是不连续的——能级-182-2.1810JnE波尔N.Bohr第一次将量子理论引入了原子体系北方工业大学机电学院当电子在两个轨道间跃迁时，电子吸收或释放的能量对应的电磁波（谱线）便也是不连续的。于是便产生了线状光谱。核能量激发跃迁辐射北方工业大学机电学院2电子波的统计性统计性——有限数目电子——大量次行为无限数目电子——少量次行为的结果所以，电子波（物质波）是统计波。实验依据：电子衍射环纹e北方工业大学机电学院电子云的概念也体现了电子运动的统计性:北方工业大学机电学院金属片屏幕电子枪实验依据：电子衍射——环纹图得到了明暗相间的同心圆图案，这就是著名的电子衍射环纹。3核外电子的波粒二象性北方工业大学机电学院根据德布洛依关系式：可以计算出此环对应的波长（或频率）几乎与X-光一样。则可算得：λ=727pm例如：一个电子m=9.11×10-31kgυ=106m.s-1这个数值恰好符合x-光的波长范围。hm北方工业大学机电学院电子波核1926年，E.Schrödinger提出了描写电子运动的波动方程：解此方程可得：①系统的能量E；②波函数ψ。222222228-0mEVxyzh（）北方工业大学机电学院解此方程时自然引入三个量子数：n、l、m。只有它们经过合理组合,ψn.l.m才有合理解。ψ(1.0.0)=ψ1.0.0=ψ1s称1s轨道;ψ(2.0.0)=ψ2.0.0=ψ2s称2s轨道;ψ(2.1.0)=ψ2.1.0=ψ2p称2p轨道;ψ是描述电子运动状态的数学函数式，称波函数或原子轨道，如基态氢的波函数：0r-a100301ea北方工业大学机电学院1.用波函数表示，如：2.用量子数表示量子数的组合确定ψn.l.m，因此可用简单的n、l、m表示ψn.l.m相应的意义。为此，我们先了解量子数的取值和意义：核外电子运动状态的描述0r-a100301ea北方工业大学机电学院⑴量子数的取值和符号1.主量子数n电子离核的平均距离，电子的能量。•对于单电子原子或离子而言，其能量E仅和主量子数n有关。n=1,2,3,4,5,6……对应：K,L,M,N,O,P……•n越大，电子离核平均距离越远，能量越高。北方工业大学机电学院n=1时，l=0.轨道名称：1sn=2时，l=0，1.轨道名称：2s，2pn=3时，l=0，1,2轨道名称：3s，3p，3d2、角量子数l原子轨道的形状，表示电子所在的电子亚层,在多电子原子中影响能量l=0,1,2,3,4……（n-1）对应：s,p,d,f,g……电子亚层n=4时，l=0，1,2，3轨道名称：4s，4p，4d,4f北方工业大学机电学院nlm的组合确定了一个原子轨道（ψn.l.m）3.磁量子数m原子轨道或电子云在空间的伸展方向:m=0，±1，±2，±3……±l取值受角量子数的影响l=0，m=0s轨道为球形，只有一个取向l=1，m=0，±1代表pz，px，py3个轨道代表d亚层有5个轨道取向：dz,dxz,dyz,dxy,dx2-y2l=3，m=0，±1，±2北方工业大学机电学院表示:顺、逆时针自旋。11+-22，4.自旋量子数ms电子的自旋状态:↑↑自旋平行，↑↓自旋非平行北方工业大学机电学院用图形来表示—电子轨道和电子云ψ(xyz)—ψ(rθφ)—R(r)Y(θφ)为做图方便，对波函数做如下处理：222222228-0mEVxyzh（）北方工业大学机电学院对R做图，称原子轨道的径向分布图；对Y做图，称原子轨道的角度分布图；对R2做图，称电子云的径向分布图；对Y2做图，称电子云的角度分布图。量子力学证明：|Ψ|2可以表示电子在空间某处出现的概率密度。若用小黑点的疏密表示|Ψ|2值的大小，电子云就是|Ψ|2的图象。北方工业大学机电学院原子轨道和电子云的角度分布图(平面图)北方工业大学机电学院原子轨道和电子云的角度分布图是球面图形，但常见其平面图形，因为易于掌握。现在，我们看一下p、d轨道(电子云)的形状：北方工业大学机电学院p电子云北方工业大学机电学院d电子云北方工业大学机电学院电子运动状态（用量子数）的描述:第二电子层。2p能级，其电子云呈亚铃形。2pz轨道，沿z轴取向。顺时针自旋。后面我们会看到，如果用轨道电子分布图来表示这个电子，则是：21n=2l=1m=0ms=+北方工业大学机电学院多电子原子核外电子的排布1.泡利不相容原理2.能量最低原理3.洪特规则在同一原子中不能有四个量子数完全相同的电子。不违背泡利原理的前提下，电子尽先占据能量最低的轨道。在等价轨道上，电子尽可能占据不同轨道而且自旋平行。北方工业大学机电学院能量鲍林近似能级图近似能级图L.Pauling根据光谱实验给出了关于多电子原子能量高低的近似图示——近似能级图北方工业大学机电学院从图中可见，电子的能量并非简单的按主量子数或角量子数顺序递变，而是出现了交错现象。如：E4sE3dE6sE4fE5dE6p能量鲍林近似能级图北方工业大学机电学院此现象可以用屏蔽效应和钻穿效应解释。6sn+0.7l=6.04f———6.15d———6.46p———6.7如：也可按徐光宪教授提出的E≈n+0.7l来计算各轨道的能量相对高低。徐光宪教授还把(n+0.7l)值首位数相同的能级归并为一个能级组，这也是划分周期的根据之一。北方工业大学机电学院对于氢原子，能级只决定于主量子数。原子核外的电子在各能级上是怎样分布的？北方工业大学机电学院对于多电子原子，能级决定于主、角量子数。北方工业大学机电学院北方工业大学机电学院北方工业大学机电学院北方工业大学机电学院北方工业大学机电学院北方工业大学机电学院北方工业大学机电学院北方工业大学机电学院核外电子的排布的表示方法(确定每一个电子运动状态)如：1s22s22p3001-10ms001ml2n127N中的七个电子的分布是：11+-22，11+-22，111+++222，，北方工业大学机电学院22Ti1s2s2p3s3p4s3d26Fe1s22s22p63s23p64s250Sn1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p2226263d223d6课堂练习：写出所给元素的电子分布(按能级)状况：北方工业大学机电学院外层电子构型原子实[Ar]遵守三原则，按能级高低顺序，再按22Ti1s22s22p63s23p63d24s2⑵原子的“外层电子构型”，如：22Ti1s22s22p63s23p63d24s2Ti的电子分布式可写为：[Ar]3d24s2⑴原子的电子分布式电子层(n)归并。如：核外电子结构的书写方法北方工业大学机电学院你发现了什么规律北方工业大学机电学院1周期系中各元素原子核外电子分布的1s1——————————————1s22s1——————————————2p63s1——————————————3p64s1—3d1-10———————————4p65s1—4d1-10———————————5p66s1—5d1——4f1-14——5d10————6p67s1—6d1——5f1-14——6d10（未完）核外电子分布与周期系周期性北方工业大学机电学院2核外电子分布与周期表⑴每周期中元素数⑵元素在周期表中的位置周期数=n族号数:主族(A)—nsnp电子数之和;副族(B)—(n-1)dns电子数之和(1-7)Ⅷ族—(n-1)dns电子数之和(8-10)零族—ns2或ns2np6。该能级组容纳的最多电子数北方工业大学机电学院⑶元素在周期表中的分区s区——ns1-2—————ⅠA、ⅡAp区——ns2np1-6——ⅢA—ⅦA、0d区—（n-1）d1-8ns2—ⅢB—ⅦB、Ⅷds区—（n-1）d10ns1-2——ⅠB、ⅡBf区—（n-2）f1-14ns2——镧系、锕系北方工业大学机电学院3元素性质的周期性⑴原子半径。人为规定的参数,有三种：①共价半径—共价键形成的单质中，相邻原子核间距之半；②金属半径—金属晶体中，相邻原子核间距之半;③范德华半径—单原子分子晶体中，相邻原子核间距之半。北方工业大学机电学院短周期元素：左→右，半径由大→小；规律：同族：半径变化缓慢。过渡元素：同周期：两头大，中间小。上→下，半径由小→大；北方工业大学机电学院（2）离子半径离子在晶体中的接触半径。d=r++r-通常以r(O2-)=132pmr(F-)=133pm即：推算其他离子的半径。北方工业大学机电学院一般情况下，正离子半径小于原子半径；负离子半径大于原子半径。离子半径对化合物性质如熔沸点、稳定性有显著影响北方工业大学机电学院⑶元素的电离能、电子亲和能、电负性电离能I1:使基态的气态原子失去一个电子形成+1价的气态正离子时所需的最低能量。+2+I1I2有I1、I2、I3…之分。同一元素的第二电离能要比第一电离能大。北方工业大学机电学院规律：主族：左→右增大；副族：规律不明显。上→下减小。北方工业大学机电学院电子亲和能E1：使基态的气态原子获得一个电子形成-1价气态离子时放出的能量规律：不清晰。大体是：左→右，增大。H–73Li–60Be0B–27C–122N0O–144F–328Na–53Mg0Al–44Si–133P–72S–200Cl–349K–49Rb–47Cs–46有E1、E2、E3…之分.北方工业大学机电学院电离能和电子亲和能反应的是原子得、失电子的能力，和原子核外的电子排布密切相关。局限：未能考虑原子间的成键作用。Pauling提出电负性χ的概念：元素的原子在化合物中吸引电子的能力的标度。元素的电负性越大，表示其原子在化合物中吸引电子的能力越强。北方工业大学机电学院规律：左→右，由小→大；上→下，由大→小。一般以2.0作为金属性的分界，金属元素电负性一般＜2.0，非金属元素的电负性一般＞2.0。北方工业大学机电学院北方工业大学机电学院⑷元素的金属性和非金属性决定于电荷z，半径d等。总的情况是：左→右非金属性增强；上→下