物质结构与化学键理论初步

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1、物质结构与化学键理论初步第一节 核外电子的运动状态第二节 原子电子层结构和元素周期律第三节 化学键第四节 分子的极性、分子间力和氢键本章基本要求1 理解和掌握微观粒子的波粒二象性、四个量子数、 轨道能级、能级组、元素周期律、元素周期表、电负 性、电离能、电子亲合能；离子键、共价键、键、 键、键的极性、分子的极性、杂化轨道、分子间力、 氢键等概念。2 熟记四个量子数之间的取值规则；3熟练地掌握离子键理论、共价键理论、杂化轨道理论 ，并能运用这些理论解释有关实验现象。4 熟记原子轨道能级图，熟练掌握核外电子排布原则 ，理解屏蔽效应、钻穿效应，并能解释有关原子轨道 能级交错的现象；5 熟练掌握元素周

2、期律、元素周期表的结构特征、并 能熟记原子序数136号元素在周期表中的位置。重点：四个量子数的取值规律，原子轨道的角度分布图，原子轨 道能级图，核外电子排布原则，元素周期律，元素周期表 。 离子键、共价键、杂化轨道理论及应用，分子间力及对物 质性质的影响。 难点： 核外电子的运动特性，杂化轨道理论及应用。6 熟练掌握分子间力、氢键的判断及其对物质性质的影 响。第一节 核外电子的运动状态1 普朗克量子论1900年，普朗克提出量子论。他认为物质吸收或 放出能量是不连续的，而是按照一个基本量的整 数倍被物质吸收或放出能量。这个最小的基本量 称为量子或光子。每个光子的能量大小与辐射的 频率成正比。E=

3、hh普朗克常数，h6.6261034J s，E 轨道的能量，光的频率2 玻尔理论氢原子光谱是不连续的线状光谱，在可见光区有 4条谱线。Bohr在爱因斯坦的光子学说，普朗克量子理论 ，卢瑟福原子核模型的基础上提出了玻尔理论。 处于能量最低的状态叫基态，获得能量后变为激发态； 从激发态回到基态辐射能量，以光的形式释出Bohr理论的主要内容 核外的电子在有确定半径和能量的轨道上运动，处 于定态，不发出辐射；玻尔理论的局限性：不能解释氢原子的精细结构（每条谱线是由二条紧 邻的谱线组成）不能解释原子光谱在磁场中的分裂不能解释多电子原子的光谱玻尔理论的成功之处：满意地解释了实验观察的氢原子光谱和类氢 原子

4、（He+, Li2+, B3+）光谱说明原子的稳定性；计算氢原子的电离能3 核外电子的运动特征 Plank 公式：E=h v，提出 能量量子化的概念（微观世界 有些物理量只能以最小单位或 最小单位的整倍数变化） Einstein 的光子学说（光电 效应） 电子的微粒性，电子有确 定的体积 (d约为10-15m) 和质 量(9.109110-31kg)德布罗依（de brolie L V， 1892-1987）法国理论物理 学家（1）波粒二象性微粒的波动性de Broglie 波（物质波）通过衍射实验证明（2）测不准原理不可能同时测得电子的精确位置 和动量（由于电子具有波粒二象性） x p h从

5、理论上讲，任何运动物体（包 括宏观物体）都得服从 eigenberg principle，但只有在 处理微观世界的运动时，才显得 不可忽视。暗示：不可能存在Ruther ford 和Bohr 模型中行星绕 太阳那样的电子轨道。提示：对于电子衍射的解释，即电子的波动性与微粒 行为的统计规律。人们无法知道每个电子落在感光屏的哪个位置，但统 计结果却能显示电子在不同区域出现的机会，出现机 会多（概率较大）的，区域内花纹较深（亮），出现 机会少（概率较小）的，区域内花纹较浅（暗）。实物的微粒波是几率波性质上不同于光波的一种波4 核外电子运动状态的描述薛定谔（Schrodinger E, 1887-19

6、61）奥地利物理学 家（1）薛定谔波动方程： 描述微观粒子运动状态的基本方程 为描述特定微粒运动状态的波 函数（wave functions），即电子 在核外空间运动状态的数学表达 式，是空间坐标的函数。若确定 了空间坐标，波函数也就有了一 定的数值。方程中既包含体现微粒性的物理量m ，也包含体 现波动性的物理量 求解薛定谔方程, 就是求得波函数和能量E ； 解得的不是具体的数值, 而是包括三个常数(n, l, m)和三个变量(x，y，z,)的函数式n, l, m (x，y，z,) ； 数学上可以解得许多个n, l, m (x，y，z,) , 但其物 理意义并非都合理； 为了得到合理解, 三个

7、常数项只能按一定规则取值, 很自然地得到前三个量子数。方程的每一个解代表电子的一种可能运动状态在量子力学中，用波函数和与其对应的能量 来描述电子的运动状态。是描述电子运动状态的数学表达式，的空间 图象叫原子轨道， 原子轨道的数学表达式就是波函数。（2）波函数和原子轨道波函数没有直接的物理意义， |2表示电子在 核外空间某一点出现的几率密度。所以 |2的 空间图像就是电子云图。 |2值越大，小黑点 越密； |2值越小，小黑点越疏。 |2的空间图 象就是电子云图。 电子云角度分布图和原子轨道角度分布图图形 及其在空间的伸展方向相似。主要区别在于原 子轨道角度分布图有正、负之分，这种符号在 原子间形

8、成化学键时起着重要作用，而电子云 角度分布图没有正负，且后者比前者更“瘦”。几率和几率密度不同。几率密度是指单位体积内电子 出现的几率，而几率是指核外一定体积的区域内电子 出现的几率。如将概率密度相同的各点联成一个曲面，这样的面就称 为等密度面。为了表示电子出现的主要区域，可用能包 含95%电子云的那一个等密度面来表示电子云的形状， 这样的图形称为界面图。 s 电子云是球形对称的，p 电子云的形状像无柄的哑铃。 沿着某一个轴的方向上概率密度最大，电子云主要集中 在这个方向上。在另两个轴上电子云出现的概率很小， 几乎为零，在核附近也几乎是零。py 和pz 与px 相似，只 是方向不同。d 电子云

9、的形状像四朵花瓣，f 电子云的形 状就更加复杂了。主量子数(n)表示原子轨道或电子云离核距离和能级高低n =1、2、3、4、5 . 正整数 n12345电电子层层第一层层第二层层第三层层第四层层第五 层层电电子层层符 号KLMNOn值越小，该电子层离核越近，能级越低。（3）四个量子数角量子数()表示电子亚层，原子轨道或电子云的形状l = 0、1、2、3 .(n - 1) 的正整数 l形状球形哑铃哑铃 形花瓣形 电电子亚亚 层层符号spdfg同一电子层, l值越小,该电子亚层能级越低。nl010120123符号1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f磁量子数(m)表示原子轨迹或电子云在空间的伸展

10、方向 m值： - l 、0、+l 的正整数, 共(2 l +1)个 lm0-1、0、+-2、-1、0、+1 、+2原子轨轨道 符号spy、px、pzdxy、dyz、dz2、dxz、 dx2-y2同一亚层内的各原子轨道, 在没有外加磁场下, 能量是 相等的,称等价轨道 (简并轨道) 。自旋量子数(ms)描述电子的自旋状态 ms值：顺时针方向或逆时针方向如 n = 2、 l = 1、m = -1、 则可知是第二电子层、p亚层、px轨道、 自旋方向为的电子。写出下列各状态的轨道符号(1) n=2 ；(2) 2p； (3) 2px（1）n=3, l=0； (2)n=5,l=4；(3)n=4,l=2；

11、(4)n=2,l=13s5g4d2p写出下列符号的轨道数解：（1）n=2, l=0, 1, 对应于l=0,m=0; l=1, m=0, 1所以共有4 个值，即4 个轨道。（2）2p, l=1, m=0, 1, 共3 个m 值，3 个轨道；（3）2px, l=1, 在x 轴方向伸展，m=0，只有一个m 值 ，1 个轨道。第二节 原子的电子层结构与元素周期系1 屏蔽效应、钻穿效应多电子原子中，电子不仅受到核的引力，还受到 其它电子的排斥力，特别是内层电子对外层电子 的排斥。这种排斥相当于抵消了一部分原子的核 电荷，这种抵消作用叫做屏蔽效应。钻穿效应：外层电子钻到内部靠近原子核的空间 ，从而减弱了其

12、它电子对它的屏蔽作用而引起能 级降低的效应。轨道的钻穿能力通常有如下顺序: n s n p n d n f 。(这意味着, 亚层轨道的电子云按同一顺序越来越 远离原子核, 导致能级按E(ns) 1.7NaCl的晶体形成时显然有能量变 化，右图为其形成时的势能曲线 。当到达最低点时，引力与斥力 达到平衡状态（2 ）离子键的特征没有方向性由于离子所带电荷的分布为球形对称，所以它在空间各个 方向的静电效应相同，可以从任一方向吸引带相反电荷的 离子，故离子键没有方向性。没有饱和性这一个正离子除了吸引一个同价的负离子之外，还可以再 吸引其它负离子，只要离子空间许可，每个离子均可能吸 引尽量多的相反电荷离

13、子，而没有所谓的“饱和”。2 共价键（1）价键理论让我们以两个氢原子形成氢分 子的情况来说明共价键的形成 过程.氢分子的形成价键理论的要点具有自旋方向相反单电子的两个原子相互靠近时，核间电 子云密度增大，单电子可以配对成键。对称性匹配原则即两个原子轨道以相同的轨道符号重叠时 ，体系的能量降低，可以成键。最大重叠原理即在满足对称性匹配的前提下，原子轨道重 叠越多，两核间电子云密度越大，形成的化学键越稳定。共价键的特征饱和性 是指每种元素的原子能提供用于形成共价键的轨 道数是一定的。方向性 是因为每种元素的原子能提供用于形成共价键的 轨道是具有一定的方向。共价键的类型键：原子轨道沿键轴（成键两原子

14、核间连线）方向以“头 碰头”方式重叠形成的化学键。键特点：两个原子轨道的重叠部分沿键轴呈圆柱形对称 。沿键轴旋转，轨道的形状和符号不发生改变。重叠程度 大，形成的化学键稳定，化学活泼性小。键：两原子轨道以“肩并肩”的方式重叠形成的化学键。 轨道重叠部分对通过键轴的一个平面具有镜面反对称性。键的特点：轨道重叠部分上、下形状相同，符号相反， 不能绕键轴旋转；重叠程度小，形成的化学键不稳定，化 学活泼性强。 键参数表明共价键的物理量称为共价键参数。键能（E） 表示化学键强度的物理量。298K，标准状 态下，将1mol理想气态AB分子的键断开，生成理想气态 A、B原子所需要的能量，称为AB的离解能（D

15、）。对于 双原子分子，键能等于离解能；对于多原子分子，键能 等于全部离解能的平均值。键能愈大，共价键强度愈大，分子越稳定。键长 形成共价键的两原子之间的核间距。一般键长越 短，键越牢固。键的极性 共价键有极性和非极性共价键。从成键原 子的电负值来进行判断。如两原子的电负性相同，则形 成非极性共价键；如成键的两原子电负性不同，则形成 极性共价键。电负性差值越大键的极性越大。当成键两 原子的电负性相差很大时，便形成离子键。离子键是极 性最强的共价键，极性共价键是由离子键到非极性共价 键之间的一种过渡类型。键角 分子中，键与键之间的夹角。键角决定分子的空 间构型。3 杂化轨道理论（1）杂化轨道理论的

16、要点在形成分子时，同一原子中不同类型能量相近的原子轨道混 合起来，组成一组新的原子轨道，这个过程叫杂化，所形成 的新轨道叫杂化轨道。杂化轨道的数目等于参加杂化的原来的原子轨道的数目。杂化轨道与原来的原子轨道相比，轨道的形状和能量都发生 了变化。杂化轨道变成了一头大一头小，更易于原子轨道最大程度的 重叠。（2）杂化轨道的类型 sp3杂化CH4的形成 sp3杂化几何构型为正 四面体，键角109.5 sp2杂化BF3的形成几何构型为平面三角形，键角120 sp杂化spsp杂化BeC12 C1BeC1sp杂化，分子几 何构型为直线形1 分子的极性每个分子都由带正电的原子核和带负电的电子组成， 正电荷或负电荷的集中点，称为电荷中心。由于正负 电荷数量相等。所以整个分子是电中性的。 如果分子的正电荷中心和负电荷中心不重合在同一点