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1、,第五章 物质结构基础,原子核外电子的运动状态-单个电子 核外电子排布-多电子 元素的基本性质 化学键和分子间力的形成和性质 杂化轨道理论与分子空间构型 晶体结构,（The Basis of Substance Structure）,微观,宏观,学习要求 1、了解核外电子运动的基本特征，掌握四个量子数的物理意义及s、p、d轨道波函数及电子云空间分布情况； 2、掌握核外电子排布规律及其与元素周期表的关系，在了解元素分区情况，、能用原子结构理论来解释元素某些性质的周期性变化规律； 4、了解化学键的本质和特征；了解共价键键长、键角等概念 5、掌握现代价键理论-杂化理论，能用轨道杂化理论来解释一般分子
2、化合物的空间构型； 6、了解分子间力及晶体结构对物理性质的影响,普朗克量子论和爱因斯坦光子概念,量子论,辐射能的吸收和发射是不连续的，而是按照一个基本量或基本量的整数倍吸收和发射的，这种情况称为能量的量子化 能量的最小的基本量称为量子,光子学说,光不仅是一种波，而且具有粒子性 光子能量：E=hv 光子的动能：p=h/ h=6.626 10-34 Js,5.1.1 波函数,5.1 原子结构的近代概念,量子化：微观粒子的运动以及运动过程中能量的变化 是不连续，而是以某一最小单位呈跳跃式的变化,光在传播时的干涉、衍射,与实物的相互作用，如光的发射、吸收、光电效应,Louis de Broglie认为
3、：对于光，其波动性发现在先，微粒性发现在后；对于实物微粒是否可以颠倒过来，即微粒性发现在先，波动性发现在后呢？同时指出：电子及所有实物粒子应与光相似，既具有波动性又具有微粒性。,de Broglie关系式为：,任何运动物体都有波动性，宏观物体只是由于质量太大而导致波长太短无法显示出来,微观粒子的波粒二象性 (wave-particle quality ),微观粒子的波动性特性-概率波（随机波）-统计规律,量子化,证实：电子衍射实验的干涉图纹,电子衍射示意图,1927年，Davisson和Germer实验：,定向电子射线,晶片光栅,衍射图象,应用Ni晶体进行的电子衍射实验，证实了电子具有波动性的
4、假设。,氢原子光谱示意图,式中，R为常数，n1、n2必须是正整数且n1n2,附图5.2 氢原子光谱示意图,氢原子光谱特征:,线状光谱(连续)、带状光谱(连续),任何单原子气体受激发时都发射线状谱线 不同元素所发射的谱线不同，同一元素发射的谱线相同,n=3，4，5，6,元素特征谱线：元素原子所发出的谱线,原子发射光谱仪、原子吸收光谱仪,Schrdinger方程：描述核外电子运动的波动方程,三、波函数和原子轨道,反映了微观粒子的波粒二象性。 微观粒子：量子性-能量不连续、统计性-空间位置不确定性,量子力学,单质、有限、连续, 本身没有明确的物理意义，只能说是描述核外电子运动状态的数学函数式； 2
5、有明确的物理意义：代表电子在原子空间的某点(x，y，z)附近单位微体积内出现的概率即概率密度。,波函数的物理意义,将直角坐标x，y，z 变换成球坐标r， 。,r：OP 的长度 ( 0 ) ：OP 与z 轴的夹角( 0 ) ：OP 在 xoy 平面内的投影 OP 与 x 轴的夹角( 0 2 ),根据 r， 的定义，有 x = r sin cos y = r sin sin z = r cos r2 = x2 + y2 + z2,P 为空间一点,解薛定谔方程第一步：坐标变换,方程的求解*,将以上关系代入薛定谔方程 中， 经过整理， 得到：,解薛定谔方程第二步：变量分离, (r, , ) = R(r
6、) . Y (, ) = R(r) . () . (),引入参数m, m=0, 1, 2,引入参数 l, l=0, 1, 2 lm,引入参数 n, n-1 l,具有物理意义,n,l,m(r, , ) = Rn,l(r) . Yl,m(, ),Rn,l(r) 是波函数径向分布函数,Yl,m(, )是波函数角度分布函数,通过变量分离，最后方程转化为在径向和角度方面的函数,求解薛定谔方程，就是求得描述微粒运动状态的波函数以及与该状态相对应的能量E。每个电子有自己的波函数和相应的能量E。一个波函数代表电子的一种运动状态。一种波函数称一个原子轨道，原子轨道和波函数是同义词。,当n、l、m一定，波函数就确
7、定，相应的空间轨道也就确定即原子轨道确定。,四个量子数及其对核外电子运动状态的描述,核外单个电子运动状态,电子层,轨道的形状,轨道的伸展方向,自旋运动状态,主量子数（n ）,角量子数（l）,磁量子数（m）,自旋量子数（ms）,主量子数 1 2 3 4 5 6 7 电子层符号 K L M N O P Q,意义：原子中电子出现几率最大的区域离核的远近；是决定电子能级高低的主要因素。 取值：n个 ，从1 （任何非零的正整数） 。 举例：n=1 代表电子出现几率最大的区域离核最近；代表能量低的电子层。 列表：,1. 主量子数(Principal Quantum Number，n),光谱符号,2. 角量
8、子数 (Azimuthal Quantum Number，l),意义：决定原子轨道符号及形状，对应着同一主层的电子亚层，和n共同决定电子能级，角度分布。 取值：n个，0 n-1（n个从零开始的正整数）,l=0的原子轨道，在光谱中定为s轨道； l=0的原子轨道，说明角动量在各方向 无变化，原子轨道呈球形； l=0 的原子轨道，又称s亚层。,举例：,角量子数 0 1 2 3 光谱符号 s p d f,角量子数的形状,角量子数l的不同取值代表同一电子主层中具有不同状态的亚层或分层。,s原子轨道,2p原子轨道,3d原子轨道,主量子数和角量子数关系,3. 磁量子数 (Magnetic Quantum N
9、umber，m),意义：描述原子轨道在空间的伸展方向(或空间取向)，每一个伸展方向相当于一个原子轨道。,举例：,l=0，s 轨道，m=2l+1=1个，m=0， 1个s 轨道 l=1，p 轨道，m=2l+1=3个，m=0，1 3个p 轨道 l=2，d 轨道，m=2l+1=5个，m=0，1，2 5个d 轨道, 与角动量的取向有关，取向是量子化的 m可取 0，1, 2l，共2l+1 取值决定了角度函数的空间取向 m 值相同的轨道互为等价轨道 除s轨道外,都是各向异性的,对于n，l 相等但m不相等的轨道称为简并轨道或等价轨道， 其能量相等：如3个np 轨道、5个nd 轨和7个 nf 轨道。除S轨道外均
10、具有空间异向。,p电子云角度分布图的空间取向,s 轨道(l = 0, m = 0 ) : m 一种取值, 空间一种取向, 一条 s 轨道,p 轨道(l = 1, m = +1, 0, -1) m 三种取值, 三种取向, 三条等价(简并) p 轨道,d 轨道(l = 2, m = +2, +1, 0, -1, -2) : m 五种取值, 空间五种取向, 五条等价(简并) d 轨道,f 轨道 ( l = 3, m = +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3 ) : m 七种取值, 空间七种取向, 七条等价(简并) f 轨道 不需要掌握,4 、自旋量子数 ms (spin quantum
11、 number), 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,每个轨道最多能容纳2个自旋相反的电子,四个量子数的基本概念,n, l, m 一定, 轨道也确定,0 1 2 3 轨道 s p d f 例如: n =2, l =0, m =0, 2s n =3, l =1, m =0, 3pz n =3, l =2, m =0, 3dz2,核外电子运动,轨道运动,自旋运动,与一套量子数相对应（自然也有1个能量Ei),n l m ms,解：l = 3 对应的有 m = 0， 1， 2， 3， 共 7 个值。即有 7 条轨道。每条轨道中容
12、纳两个自旋量子数分别为 + 1/2 和 1/2 的自旋方向相反的电子，所以有 2 7 = 14 个运动状态不同的电子。分别用 n ，l ， m， m s 描述如下：,例：用四个量子数描述 n= 4，l = 3 的所有电子的运动状态,n ， l ， m， m s 4 3 0 1/2 4 3 1 1/2 4 3 1 1/2 4 3 2 1/2 4 3 2 1/2 4 3 3 1/2 4 3 3 1/2,n ， l ， m， m s 4 3 0 1/2 4 3 1 1/2 4 3 1 1/2 4 3 2 1/2 4 3 2 1/2 4 3 3 1/2 4 3 3 1/2,氢原子的若干波函数,轨道 (
13、 r, , ) R( r ) Y( , ),1s 2s 2pz,四、波函数和电子云的空间图形,1、 波函数角度分布图,n,l,m(r, , ) = Rn,l(r) . Yl,m(, ),角度分布,“+”、“-”代表波函数角度部分在该区域为“+”或“-”值,l、m确定，则该波函数的角度就确定,l、m相同，则就具有相同的原子轨道角度分布图,反映电子在核外空间不同方向空间分布,电子云的概念：电子在原子核外出现的概率密度叫电子云。即|2具体分布图形。,因为2(r, , )=R2(r)Y2(,) ，根据Y2(, ) (, )可以画出电子云的角度分布图。,2. 电子云与概率密度,几率密度（或概率密度） |
14、2 ：电子在核外空间、某处单位微小体积内出现的几率。,电子在核外的运动并不能确定出一个严格的空间范围。,氢原子的1S电子云图,电子云常用小黑点的疏密程度表示。 把占9095的几率分布用匡线匡起来，形成电子云的界面图，故也可用电子云的界面图来表示电子出现的几率分布。,电子在核外的运动并不能确定出一个严格的空间范围。,图5.9 电子云示意图 a) s电子云；b) p电子云；c) d电子云,原子轨道的角度分布图,电子云的角度分布图,原子轨道和电子云的角度分布图对比,3.电子云的角度分布图与波函数角度部分分布图比较,两者只与l、m两个量子数有关，而与主量子数无关； 电子云角度分布图只能反应电子在空间不同角度所出现的概率密度，并不反应电子出现概率离核远近的关系； 外观相似，只是波函数略胖； 波函数角度分布有正负之分，既方向性，而电子云没有。,4. 电子云的径向分布*,电子云的径向分布指在单位厚度的球壳内找到电子的概率,2s,3s,3s,图5.10 电子云的径向分布示意图,思考1、下列各组量子数合理的是( )。 A3, 3, 0, 1/2 B2, 3, 1, 1/2 C3, 1,
