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1、4.1 原子结构 4.2 分子结构 4.3 分子间作用力,第四章 原子结构和分子结构 Atomic Structure and Molecular Structure,原子的组成：,原子组成表示法：,一、原子核外电子运动的特点,氢原子光谱,第一节 原子结构,一、原子核外电子运动的特点,Bohr理论 电子只能在固定的轨道上运动 一定轨道上运动的电子能量一定 电子尽可能处于能量最低的轨道上 基态 吸收能量可跃迁到能量高的轨道上激发态 从激发态跃迁回能量较低的轨道，能量差以电磁波的形式辐射出来 谱线,第一节 原子结构,一、原子核外电子运动的特点,微粒具有波粒二象性 1923年法国物理学家L. de
2、Broglie提出了大胆的假设，认为电子等实物粒子与光一样也有波粒二象性,第一节 原子结构,h为Planck常量 为粒子波波长 p为粒子的动量 v为粒子运动的速度,一、原子核外电子运动的特点,微粒具有波粒二象性,第一节 原子结构,电子衍射实验,一、原子核外电子运动的特点,微粒具有波粒二象性 没有固定的运动轨道 符合统计规律，其运动状态可用统计学的方法加以描述量子力学 具有量子化特征,第一节 原子结构,二、核外电子运动运动状态的描述,Schrdinger方程 1926年奥地利物理学家E.Schrdinger从微观粒子的波粒二象性出发，提出了用量子力学方法描述微观粒子运动的波动方程,第一节 原子结
3、构,二、核外电子运动运动状态的描述,波函数和原子轨道：描述的是电子在原子核外空间的运动状态（可理解为在核外空间找到电子的可能区域）。 习惯上把称为原子轨道（atomic orbitals）,第一节 原子结构,电子云：用小黑点的疏密程度来形象地描述电子在原子核外空间各点出现的几率密度的大小的图象,电子云界面图：,1s电子云等密度面和界面图,电子在某界面以内出现的几率很大(90%以上)时，该界面图形称为电子云界面图。,1s电子云的界面图,s、p、d 电子云的形状,三、四个量子数及其物理意义,为了得出Schrdinger方程合理的解，就必须引进一些符合特定条件的经限定的参数，在量子力学中称这种引入方
4、程求解的特定参数为量子数（quantum number）,第一节 原子结构,主量子数（principal quantum number）以n来表示，它反映了电子在核外空间出现概率最大的区域离核的远近，决定电子层数，是决定电子能量的主要因素 可取的数值 主量子数n： 1、2、3、4等正整数， 电子层顺序：1、2、3、4 电子层符号：K、L、M、N、O、P、Q,（1）主量子数n,物理意义： n值愈大，电子活动的主要区城离核愈远，能量也就愈高。是决定电子离核远近和能量高低的主要因素。单电子原子中电子的能量完全由主量子数决定。,（1）主量子数n,（2）角量子数 l,可取的数值：0 n-1的整数(n个取
5、值),角量子数(azumuthal quantum number) 也称为副量子数，以l来表示。在多电子原子中，角量子数是决定电子能量的次要因素。,（2）角量子数 l,物理意义： l值决定轨道或电子云的形状； l值相同的各轨道，统称为一个亚层。,s电子云 p电子云,（3）磁量子数m,磁量子数(magnetic quantum number)，以m表示。 可取的数值：0、1、2l等整数，磁量子数有(2l1)个取值，意味着该形状的轨道有（2l1）个。 物理意义：决定原子轨道在空间的取向。,（3）磁量子数m,s、p、d 电子云在空间的分布,每层中原子轨道数,（4）自旋量子数ms,自旋量子数(spin
6、 quantum number)，以表示。 可取的数值：+1/2、-1/2。常用、符号 表示电子自旋的两种取向。 物理意义：电子自旋方向。,四个量子数n、l、m、ms 确定后，该电子的运动状态就完全确定了。也就是说原子中每个电子的运动状态可以用n，l，m，ms四个量子数来描述,例1、下列各组量子数中，不合理的是 。 A. （2，1，0，+1/2） B.（3，3，2，-1/2） C. （1，0，0，+1/2） D.（4，3，1，-1/2）,例2、用四个量子数表示3s1电子的运动状态,（3，0，0，+1/2）or （3，0，0，-1/2）,四、核外电子的排布规律,2.能量最低原理,原子处于基态时，
7、核外电子的排布总是尽可能先分布在能量最低的轨道上以使原子体系的总能量最低。,1.鲍里不相容原理,在同一原子里，不能有四个量子数完全相同的电子。在一个原子中，不存在运动状态全同的电子。,在每一个原子轨道中最多只能容纳两个自旋相反的电子。每层最多容纳2n2个电子。,基态多电子原子轨道的近似能级,n+0.7l规则,电子排布顺序,例、,用s，p，d，f 等符号写出下列各元素原子基态的电子层结构。 16S 12Mg 26Fe 30Zn,解：16S：1s22s22p63s23p4 12Mg：1s22s22p63s2 26Fe：1s22s22p63s23p63d64s2 30Zn：1s22s22p63s23
8、p63d104s2,3.洪特规则,在简并轨道（原子中能级相同的轨道）上电子的排布，电子尽可能分占不同的简并轨道，且自旋平行（方向相同）。例6C 、7N,在简并轨道上的电子排布处于全充满(p6、d10、f14)、半充满(p3、d5、f 7)或全空的状态时，原子具有较低的能量和较大的稳定性。例24Cr、 29Cu、 42Mo、47Ag,例、,下列各元素基态原子的电子层结构的写法各违背了什么原理？写出正确的电子层结构式。 （1）5B：1s22s3 （2）7N：1s22s22px22py1 （3）4Be：1s22p2,五、元素的电负性,元素的原子在分子中吸引电子的能力叫元素的电负性。,元素的电负性愈大
9、，表示该元素原子吸引电子的能力愈大，生成阴离子的倾向愈大。反之，吸引电子的能力愈小，生成阳离子的倾向愈大。,同一周期内从左到右，元素的电负性逐渐增大，同一主族内从上至下电负性减小。,规定标准：氟4.0（锂1.0）,第二节 分子结构,一、化学键的概念,分子或晶体中相邻原子间强烈的相互作用力称为化学键。,以阳离子和阴离子之间静电引力形成的化学键叫离子键 。,分子中原子间通过共用电子对形成的化学键为共价键 。,由一个原子单独提供一对电子与另一个原子共用所形成的共价键，叫配位共价键 ，简称配位键。,（一）价键理论要点,具有自旋相反的未成对电子的两个原子相互接近，可以形成稳定的共价键。,成键电子的电子云
10、重叠得越多，核间电子云密度越大，形成的共价键越牢固。在形成共价键时，电子云总是尽可能地达到最大程度的重叠。,共价键的饱和性 （受自旋相反限制）,共价键的方向性（受最大重叠原理限制 ）,共价键的方向示意图,（二）共价键的特征,（三）共价键的类型,键 原子轨道以“头碰头”方式重叠所形成的共价键 特点 原子轨道及其重叠部分、成键电子云绕键轴（两核间联线）呈圆柱形对称,（三）共价键的类型,N2分子形成示意图,键 原子轨道以“肩并肩”方式重叠所形成的共价键 特点 重叠部分、成键电子云对通过键轴的一个平面呈镜面对称, 键以“头碰头”式成键, 键以“肩并肩”式成键, 键和 键的比较,（四）键的极性,非极性共
11、价键 成键电子云无偏向、正负电荷重心重合的共价键。 极性共价键 成键电子云有偏向、正负电荷重心不重合的共价键。,成键原子间的电负性差值越大，键的极性就越大。 离子键可以看成是极性键的极限。,（五）分子的极性,定义 以分子中正负电荷重心是否重合为依据。 重合非极性分子 不重合极性分子,如何确定分子的极性 a、单质为非极性分子 b、双原子化合物为极性分子 c、多原子分子看分子构型, 在成键过程中，由于原子间的相互影响，同一原子中参加成键的几个能量相近的原子轨道可以进行混合，重新分配能量和空间方向，组成数目相等的新的原子轨道。, 杂化轨道之间互相排斥，力图在空间取得最大的键角，使体系能量降低。,杂化
12、轨道理论基本要点,杂化轨道的基本类型,按杂化后轨道的能量是否相同分： 等性杂化轨道 不等性杂化轨道 按参加杂化的轨道的类型分： sp型 dsp型,同一层上1个s轨道和l个p轨道间进行杂化，叫做sp杂化。其杂化所形成的轨道，叫做sp杂化轨道。（直线型）,sp杂化,BeCl2的形成过程,sp2杂化,同一层上1个s轨道和2个p轨道间的杂化，叫做sp2杂化，其杂化所生成的杂化轨道，叫做sp2杂化轨道。（三角形）,sp3杂化,同一层上1个s轨道和3个p轨道间的杂化，叫做sp3杂化。其杂化所生成的杂化轨道，叫做sp3杂化轨道。（四面体型）,CH4分子形成,不等性的sp3杂化,杂化以后的几个杂化轨道的能量不
13、完全相等。,H2O呈V形结构,NH3分子的空间构型,等性杂化后与不同原子成键时，键角会变化。,杂化轨道类型与分子空间构型的关系小结,取向力,永久偶极、取向、取向力,取向力的本质是静电引力，分子的极性(偶极矩)愈大，取向力愈大；温度愈高，取向力愈小；分子间距离变大，取向力迅速递减。,诱导力,极化、诱导偶极、诱导力,极性分子的偶极矩愈大，非极性分子的变形性（极化度）愈大，诱导力愈强。 极性分子与极性分子之间也存在诱导力。,色散力,瞬间偶极、色散力,相对分子质量愈大，变形性愈大，色散力愈强。 色散力存在于任何分子之间 。,非极性分子之间 色散力； 极性、非极性分子间 色散力、诱导力； 极性分子之间
14、色散力、诱导力和取向力,范德华力的特点,a、范德华力是存在于分子间的一种弱的静电引力。 b、范德华力的作用范围只有几个纳米(nm)。 c、范德华力的能量比化学键的键能小一二个数量级。 d、范德华力没有饱和性和方向性。 e、范德华力中，色散为是主要的，诱导力是次要的，取向力只是在较大的极性分子间才占一定的比例。,范德华力对物质性质的影响,对沸点、熔点的影响,氢键,氢原子和电负性大的原子以共价键结合后，和另一个键上电负性大的原子相互吸引，产生的比较强烈的吸引力。以XHY表示。,X和Y可以相同，也可以不同；氢键可在分子之间或分子之内形成。,不同分子间氢键,相同分子间的氢键,分子内的氢键,氢键的本质,属于静电吸引作用。,氢键对物质性质的影响,对熔点和沸点的影响,对溶解度的影响,溶质分子和溶剂分子之间能够形成氢键，则溶质的溶解度显著增大。 溶质分子形成分子内氢键，在极性溶剂中，它的溶解度则减小；在非极性溶剂中，它的溶解度则增大。,分子间氢键的形成可使物质的熔点和沸点显著升高。 分子内氢键的形成，常使物质的熔点和沸点降低 。,
