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1、价键理论、轨道理论、能带理论 (概论),原子轨道,ATOM,Atomic orbitals,Niels Bohr 1885 1962 1922年获诺贝尔物理奖 106号元素被命名为Bohrium 中文名称 元素符号 Bh,谱 线 H H H H H 编 号(n) 波 长 /nm 656.279 486.133 434.048 410.175 397.009 ,里德堡常数 RH=1.09677107m-1,巴尔末方程,里德堡方程,m-电子质量，v-电子线速度，r-电子线性轨道的半径） o=,L = mvr,离心力向心力,角动量,量子化条件 角动量量子化,氢原子 的 电离能,电子跃迁 释放的 光子
2、能量,电子在线性轨道上的线速度： 电子绕原子核运行的轨道半径： n = 2 的轨道能计算：,NIELS BO H R The structure of the atom Nobel Lecture, December 11, 1922,德布罗依 对玻尔 行星轨道上运行的电子能处于定态而不 释放能量的解释电子是一个波 在玻尔行星轨道上运行的电子是一个驻波，图像如下：,半波长的n倍等于圆周长。 后来的认识否定了德布罗依对行星轨道的图像，但电子处于定态时是一个驻波的认识被证实了。,De Broglie,电子 具有波粒二象性,现代原子核外电子运动模型,苍蝇头部的电子显微镜照片,烟草花叶病毒的电子显微镜
3、照片,单晶的电子衍射谱图,核外电子的定态是三维驻波,一维波的振幅在二维空间里呈现。 二维波的振幅在三维空间里呈现。 三维波的振幅如何呈现？,核外电子运动状态,六、核外电子运动状态的描述 在量子力学处理氢原子核外电子的理论模型中，最基本的方程叫做薛定谔方程，是由奥地利科学家薛定谔（E.Schrdinger 1887-1961）在1926年提出来的。薛定谔方程是一个二阶偏微分方程，它的自变量是核外电子的坐标（直角坐标x，y，z或者极坐标r，q，f），它的因变量是电子波的振幅（Y）。,给定电子在符合原子核外稳定存在的必要、合理的条件时（如Y的取值必须是连续的、单值的，也就是坐标一定时电子波的振幅是唯
4、一的单值，是连续的函数，等等），薛定谔方程得到的每一个解就是核外电子的一个定态，它具有一定的能量（E），具有一个电子波的振幅随坐标改变的的函数关系式Y=f(x,y,z)或Y=f(r,q,f)，称为振幅方程或波动方程。,薛定谔方程,1f1(x,y,z)=f1(r,)=R1(r)Y1(,) 2f2(x,y,z) 3f3(x,y,z) ,Ys= Ypx= Ypz= Ypy= .,描述核外电子的图像,波函数的角度分布图像,波函数的球面概率图像,电子云图像,角度分布图像,0.472,+,-,y,z,15,电子云生成图,S电子的电子云图,1s,2s,3s,2p电子云,3p电子云,3dx2-y2电子云,1s
5、 2s 2p,D函数图形与电子云图形的关系,3s 3px,2s 电子的原子轨道图,2pz 2px 2py,电子云轮廓图,几种常见描述核外电子的图形对比,角函数图Y, Y2(不涉及能层） (r,.)=R(r)Y(.) 电子云黑点图(2) 电子云轮廓图 D函数图像(r2R2),电子云黑点图与轮廓图,D,Y2,2,Y,2,2,1s, 2s, 3s电子云轮廓图和剖面图,s轨道和p轨道的Y 图像和Y2 图像,d 轨道的 Y 和Y2 图像,f 轨 道 的 Y 和Y2 图像,计算机模拟的Cu2O晶体的Cu-O键电子云,旅美中国学者ZOU Jian-Ming等用X衍射和电子衍射结合的技术研究了赤铜矿的Cu-O
6、键的性质，按3d轨道与4s轨道发生杂化形成sd杂化轨道的模型，计算了d轨道的电子移向4s轨道形成的电子空穴的电子云图象，结果令人振奋地得到一个与教科书上画的dZ2轨道十分相似的计算机图象Nature 401，49（1999）。该图象的获得被美国化学与工程杂志选为1999年美国五大化学新闻之一。,核外电子运动状态,能层 能级 轨道 可能空间运动状态数 可能运动状态数 一(K) 1s 1s 1 2 二(L) 2s 2s 1 2 2p 2px,2py,2pz 3 6 三(M) 3s 3s 1 2 3p 3px,3py,3pz 3 6 3d 3dxy,3dyz,3dxz, 3dx2-y2,3dz2 5
7、 10 四(N) 4s 1个轨道 1 2 4p 3个轨道 3 6 4d 5个轨道 5 10 4f 7个轨道 7 14,基态原子电子组态,(3)能量最低原理基态原子是处于最低能量状态的原子。 能量最低原理认为，基态原子核外电子的排布力求使整个原子的能量处于最低状态。 随核电荷数递增，大多数元素的电中性基态原子的电子按如下顺序填入核外电子运动轨道，叫做构造原理。,电子先填最外层的ns，后填次外层的(n-1)d，甚至填入倒数第三层的(n-2)f的规律叫做“能级交错”。 请注意：能级交错现象是电子随核电荷递增填充电子次序上的交错,并不意味着先填能级的能量一定比后填能级的能量低。,随核电荷数递增,电子每
8、一次从填入ns能级开始到填满np能级,称为建立一个周期，于是有： 周期: ns开始np结束 同周期元素的数目 第一周期：1s 2 第二周期：2s，2p 8 第三周期：3s，3p 8 第四周期：4s，3d，4p 18 第五周期：5s，4d，5p 18 第六周期：6s，4f，5d，6p 32 第七周期：7s，5f，5d，. ?,基态原子电子组态,周期系中有约20个元素的基态电中性原子的电子组态（electron configuration，又叫构型或排布)不符合构造原理，其中的常见元素是： 元素 按构造原理的组态 实测组态 (24Cr) 1s22s22p63s23p63d44s2 1s22s22p
9、63s23p63d54s1 (29Cu) 1s22s22p63s23p63d94s2 1s22s22p63s23p63d104s1 (42Mo) 1s22s22p63s23p63d104s24p64d45s2 1s22s22p63s23p63d104s24p64d55s1 (47Ag) 1s22s22p63s23p63d104s24p64d95s2 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1 (79Au) 1s24s24p64d104f145s25p65d96s1 1s24s24p64d104f145s25p65d106s1,基态原子电子组态,基态原子电子组态,表：基态电
10、中性原子的电子组态,1 氢H 1s1 2 氦He 1s2 3 锂Li He 2s1 4 铍Be He 2s2 5 硼B He 2s22p1 6 碳C He 2s22p2 7 氮N He 2s22p3 8 氧O He 2s22p4 9 氟F He 2s22p5 10氖Ne 1s2 2s22p6 11钠Na Ne 3s1 12镁Mg Ne 3s2 13铝Al Ne 3s23p1 14硅Si Ne 3s23p2,15磷P Ne 3s23p3 16硫S Ne 3s23p4 17氯Cl Ne 3s23p5 18氩Ar 1s22s22p63s23p6 19钾K Ar 4s1 20钙Ca Ar 4s2 21
11、钪Sc Ar 3d14s2 22钛Ti Ar 3d24s2 23钒V Ar 3d34s2 24铬Cr* Ar 3d54s1 25锰Mn Ar 3d54s2 26铁Fe Ar 3d64s2 27钴Co Ar 3d74s2 28镍Ni Ar 3d84s2,“电子仁”或“电子实”,价电子层,价层电子,不符合构造原理,基态原子电子组态,表： 基态电中性原子的电子组态,29铜Cu*Ar 3d104s1 30锌Zn Ar 3d104s2 31镓Ga Ar 3d104s24p1 32锗Ge Ar 3d104s24p2 33砷As Ar 3d104s24p3 34硒Se Ar 3d104s24p4 35溴Br
12、 Ar 3d104s24p5 36氪Kr Ar 3d104s24p6 37铷Rb Kr 5s1 38锶Sr Kr 5s2 39钇Y Kr 4d15s2 40锆Zr Kr 4d25s2 41铌Nb*Kr 4d45s1 42钼Mo*Kr 4d55s1,43锝Tc Kr 4d55s2 44钌Ru*Kr 4d75s1 45铑Rh*Kr 4d85s1 46钯Pd*Kr 4d10 47银Ag*Kr 4d105s1 48镉Cd Kr 4d105s2 49铟In Kr 4d105s25p1 50锡Sn Kr 4d105s25p2 51锑Sb Kr 4d105s25p3 52碲Te Kr 4d105s25p4
13、53碘I Kr4d105s25p5 54氙Xe Kr 4d105s25p6 55铯Cs Xe 6s1 56钡Ba Xe 6s2,元 素 周 期 系,“长式”周期表每个周期占一个横排。这种三角形周期表能直观地看到元素的周期发展，但不易考察纵列元素（从上到下）的相互关系，而且由于太长，招致排版和印刷的技术困难。,元 素 周 期 系,宝塔式或滴水钟式周期表。这种周期表的优点是能够十分清楚地看到元素周期系是如何由于核外电子能级的增多而螺旋性发展的，但它们的每个横列不是一个周期，纵列元素的相互关系也不容易看清。,长式周期表的主表从左到右可分为s区，d区，ds区，p区4个区，有的教科书把ds区归入d区；副
14、表(镧系和锕系)是f区元素,元 素 周 期 系,价键轨道,原子轨道组合形成价键轨道 价键轨道是定域轨道 电子在两个原子核间运动 共价键 键合电子对的电子分别由两个原子提供 配价键和配位键 键合电子对的电子由一方给予，另一方接受，也称给予-接受键。 电子对给予体称为路易斯碱 电子对接受体称为路易斯酸 孤对电子占据的轨道也被按价键轨道处理,价电子数,离子键与共价键示意图,键的极性,价键轨道的分类,s-轨道 p-轨道 d-轨道 杂化轨道 sp-轨道 sp2-轨道 sp3-轨道 dsp2-轨道 d2sp2-轨道 d2sp3-轨道,共价键理论,现代价键理论是建立在量子力学 基础上的，主要有：,价键理论：认为成键电子只能在以化 学键相连的两原子间的区 域内运动,分子轨道理论：认为成键电子可以在 整个分子区域内运动,6-1共价键,共价键,实验测知: H2 核间距74pm H 玻尔半径53pm,说明H2分子形成时： 成键电子的轨道发生了重叠，使核间形成了 电子概率密度较大的区域，削弱了两核间的 正电排斥，增强了核间电子云对核的吸引， 使体系能量降低，形成共价键,共价键：原子间由于成键电子的原子轨道 重叠而形成的化学键,共价键的形成以H2为例,价键理论要点,价键理论(电子配对法)要点,成键轨道与反键轨道,共价键特征,共价键特征,饱和性:原子有几个未成对的价电子, 一般 只能和几个自旋方向
