第二章-原子结构和晶体的结合力

第二章原子结构和晶体的结合力两千多万种化学物质大多数由原子构成，而人类对原子的认识和探索已经历了2500多年。直到20世纪80年代，科学家才用扫描隧道显微镜观察到物体表面的原子。2.1原子结构1近代原子论的建立者——道尔顿化学元素均由不可再分的微粒构成,这种微粒称为原子。原子在一切化学变化中均保持其不可再分性。同一元素的原子在质量和性质上都相同,不同元素的原子在质量和性质上都不相同。不同元素化合时,这些元素的原子按简单整数比结合成化合物。汤姆生认为：正电荷均匀地分布在原子之中，而电子就像是葡萄干面包中的葡萄干一样散布在原子的正电荷之中，这就是原子结构的第一个模型——葡萄干面包式模型。2．汤姆生的原子结构模型－葡萄干面包模型葡萄干（电子）面包（原子）1911年，英国物理学家卢瑟福做了一系列实验：当用一束平行的a粒子轰击金箔时，发现绝大多数a粒子穿过金箔不改变行进方向，只有极少数的a粒子产生偏转，其中个别的甚至反方向折回。大量实验发现绝大部分a粒子穿过金箔时不改变行进方向、第8000～10000个a粒子中才有一个大角度散射或反方向折回。3．卢瑟福的原子结构模型－－发现原子核结构α粒子电子α粒子散射实验(1)每一个原子都有一个体积极小、极密实的核；(2)原子核占有全部正电荷和几乎全部的原子质量；(3)原子核被一个体积很大几乎什么也没有的空间包围着；(4)原子核外的空间里极稀疏地散布着电子，其总电荷数恰好与原子核中的正电荷相等。卢瑟福提出含核原子结构模型。他的主要观点是：评价：•正确指出了原子的构成•对电子的运动状态描述不符合事实。(1)在原子中，电了不能沿着任意轨道绕核旋转，而只能沿着符合一定条件的轨道旋转。电子在轨道上运动时，不吸收或放出能量，处于一种稳定状态。(2)原子中的电子在不同轨道运动时可具有不同的能量，电子运动时所处的能量状态称为能级。电子在轨道上运动时所具有的能量只能取某些不连续的数值(电子能量是量子化的)。4．玻尔的原子结构模型－－发现核外电子的能量(3)只有当电子从某一轨道跃迁到另一轨道时，才有能量的吸收或放出。当电子从能量较高的(E2)轨道跃迁到能量较低的(E0)轨道时，原子就放出能量。放出的能量转变为一个辐射能的光子，其频率可由两个轨道的能量差决定。玻尔提出的原子结构模型，揭示了光谱线与原子结构的内在联系。由于这一开拓性的贡献，玻尔获得了1922年诺贝尔物理学奖。玻尔理论的局限性1.它对能级的描述很能粗略，只有一个量子数。2.更不能解释原子如何形成分子的化学健的本质。5．原子的量子力学模型——核外电子的运动和电子排布规律玻尔的原子结构模型理论也不是十分完美，在解释氢以外的多电子原子的光谱线时，就只能做出近似的估计，无法定量计算。科学家们经过13年的艰苦修改、验证、论证，终于在1925年～1926年，在玻尔原子结构模型的基础上发展成为原子的量子力学模型，其核心是薛定锷波动方程。①玻尔所采用的量子化能级的概念，即主量子数(主层)。②此外还提出其他量子数以说明电子的能量，如亚层和轨道数。③由于电子属于微观粒子，具有波粒二象性，它在核外的运动速度可以与光速相比，很难同时准确地测定它的速度和位置，只能用统计的方法来描述，因而引入了“电子云”的概念。原子的量子力学模型包括：小结),,(=),,(]+∇2[22zyxψEzyxψVm电子波函数：单电子原子：如氢，方程可解。多电子原子：无法求解对于原子来说，核外电子的运动状态用波函数描述。电子的波函数满足薛定谔方程分别为：主量子数nn=1234对应主壳层：KLMN角量子数ll=0，1，2，3，n-1,对应亚壳层：s,p,d,f磁量子数mm=-l,–l+1,-1,0,1，l在解原子体系的薛定谔方程的过程中，引入了三个量子数n，l，m，即波函数由n，l，m决定。结合键：原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。从原则上讲，只要能从理论上正确地分析和计算结合键，就能预测物质的各项性质。2.2原子间的结合力结合键Bonding物理键PhyscalBonding化学键ChemicalBonding离子键IonicBonding共价键CovalentBonding金属键MetallicBonding范德华键VanderWaalsBonding氢键HydrogenBonding主价键PrimaryBonding次价键SecondaryBonding正负离子通过静电引力（库仑引力）而结合成离子化合物或离子晶体，因此离子键又称极性键。一、离子键——多数盐类、碱类和金属氧化物实质：金属原子失去电子成为带正电的正离子，非金属原子得到电子成为带负电的负离子，两个异号离子间的静电吸引作用。特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性。结合力较大离子晶体性质：熔点和硬度均较高，热膨胀系统小，但脆性大。良好电绝缘体。二、共价键——亚金属（C、Si、Sn、Ge）、聚合物和无机非金属材料。实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对形成。在形成共价键时，为使电子云达到最大限度的重叠，共价键就有方向性，键的分布严格服从键的方向性。当一个电子和另一个电子配对以后就不再和第三个电子配对了，成键的公用电子对数目是一定的，这就是共价键的饱和性。金刚石结构共价晶体性质：强度高，硬度高，脆性大，熔点高，沸点高和挥发性低。特点：饱和性、配位数较小、方向性三、金属键金属键：金属中自由电子与金属正离子之间构成的键。实质：金属最外层电子数很少（通常s、p价电子数少于4），即价电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子，形成电子云。良好的导电性和导热性。正的电阻温度系数。不透明并呈现特有的金属光泽。良好的塑性变形能力，好的强韧性。金属键材料特点：特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，容易形成低能量密堆结构。四.范德华键范德华键：材料中分子间通过范德华力而形成的键。共价键分子极性分子：共价电子对偏于某一成键电子非极性分子：共价电子对位于成价电子中间极性分子=偶极子永久偶极子诱导偶极子+-+-实质：偶极子偶极子电偶极矩感应作用偶极子诱导偶极子诱导偶极子诱导偶极子静电力诱导力色散力+-+-甲烷结构示意图特点：范德华键是一种次价键，没有方向性和饱和性,它比化学键的键能小1-2个数量级，远不如化学键牢固，但能很大程度改变材料性质。由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低。因无自由电子，因此材料有良好的绝缘性。在高分子材料中总的范德华键超过化学键的作用，故在去除所有的范德华键作用前化学键早已断裂了，所以高分子往往没有气态，只有固态和液态。在HF、H2O、NH3等物质中，原子都是通过极性共价键结合的，氢原子中唯一的电子被其它原子所共有，裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引形成氢桥。使分子之间通过氢键连接。下面以水为例加以说明。五、氢键氢和氧原子间形成共价键，由于氢-氧原子间的共用电子对靠近氧原子而远离氢原子，使氢原子剩下一个没有任何核外电子作屏蔽的原子核（质子），于是这个没有屏蔽的氢原子核就会对相邻水分子中的氧原子外层未共价电子有较强的静电引力，这个引力就是氢键。离子键、共价键和金属键都涉及到原子外层电子的重新分布，这些电子在键合后不再仅仅属于原来的原子，因此，这几种键都称为化学键。在形成分子键和氢键时，原子的外层电子分布没有变化，或变化极小，它们仍属于原来的原子。因此，分子键和氢键就称为物理键。六、各种结合键的特点比较一般说来，化学键最强，氢键和分子键较弱。类型作用力来源键合强弱形成晶体的特点离子键原子得、失电子后形成负、正离子，正负离子间的库仑引力强无方向性键、高配位数、高熔点、高强度、低膨胀系数、塑性较差、固态不导电、熔态离子导电共价键相邻原子价电子各处于相反的自旋状态，原子核间的库仑引力强有方向性键、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、即使在熔态也不导电金属键自由电子气与正离子实之间的库仑引力较强无方向性键、结构密堆、配位数高、塑性较好、有光泽、良好的导热导电性分子键原子间瞬时电偶极矩的感应作用较弱无方向性键、结构密堆、高熔点、绝缘氢键氢原子核与极性分子间的库仑引力弱有方向性和饱和性金属键分子键和共价键离子键、共价键多种结合键价键四面体