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1、第一章第一章 原子结构与结合键原子结构与结合键Atomic Structure and Interatomic Bonding11-1 原子原子结构构Atomic Structure 一切物质都是由无数微粒按一定的方式聚集而成的。一切物质都是由无数微粒按一定的方式聚集而成的。这些微粒可能是分子、原子或离子。这些微粒可能是分子、原子或离子。u 原子（原子（Atom）：）： 化学变化中最小微粒化学变化中最小微粒u 分子（分子（Molecule）：单独存在）：单独存在 保保持持物质化学特性物质化学特性 u 离子（离子（Ion）：由原子转变而成。）：由原子转变而成。u 原子是由原子核（质子和中子）及核
2、外的电子所构成。原子是由原子核（质子和中子）及核外的电子所构成。u 电子、质子、中子等通称为微观粒子。电子、质子、中子等通称为微观粒子。2夸克夸克质子质子中子中子原子核原子核电子电子原子原子( (离子离子) )分子分子微观微观（宇观）（宇观）宇宙宇宙单单 质质化合物化合物星体星体宏观宏观纳纳 米米材材 料料（介观）（介观）物质世界物质世界3一一. 微观粒子的运动微观粒子的运动粒子具有波粒二象性粒子具有波粒二象性能量：能量：动量：动量：单粒子一维运动的波函数：单粒子一维运动的波函数：薛定谔（薛定谔（Schrodinger E.）方程：）方程：粒子说粒子说波动说波动说4微观粒子的量子效应：微观粒子
3、的量子效应：u粒子可以存在多种运粒子可以存在多种运动状状态，可以用，可以用1、 2、 3、 n等波函数表示。等波函数表示。u相相对应的每个状的每个状态，能量有确定，能量有确定值E1、 E2、 E3、 E1、等分立的数等分立的数值，即能量量子化。，即能量量子化。u存在零存在零点点能，即体系能，即体系处于基于基态时仍有一定的仍有一定的动能。能。u粒子运粒子运动没有没有经典的运典的运动轨道，只有几率分布。道，只有几率分布。u粒子分布呈粒子分布呈现波性，波性，可可为正正值、负值，也可以，也可以为零，零， =0点称点称为节点，点，节点多的状点多的状态对应的能量也的能量也较高。高。5二二. 氢原子结构氢原
4、子结构1879年年 J.J Thomson 发现电子，揭示了原子内部秘密发现电子，揭示了原子内部秘密1911年年 E.Rutherford提出原子结构有核模型提出原子结构有核模型1913年年 N.Bohr将将 Bohr 原子模型原子模型 Na原子模型原子模型6 Dalton原子学说原子学说 (1803年年) Thomson“西瓜式西瓜式”模型模型 (1904年年) Rutherford核式模型核式模型 (1911年年)Bohr电子分层排布模型电子分层排布模型 (1913年年)量子力学模型量子力学模型(1926年年)原子理论的发展原子理论的发展7单电子原子的薛定谔方程：单电子原子的薛定谔方程：波
5、函数：波函数：量子数量子数n、l量子数量子数l、m量子数量子数m81、主量子数、主量子数 n取值：取值：1、2、3、4、是决定电子能量的主要参数，表征电是决定电子能量的主要参数，表征电子所处的壳层及电子运动轨道的大小子所处的壳层及电子运动轨道的大小主量子数主量子数1 2 34名称名称KLMN 壳层壳层92、轨道角量子数、轨道角量子数 取值：取值：是决定电子能是决定电子能量的另一个参量的另一个参数数, 表征轨道的表征轨道的形状和轨道角形状和轨道角动量的大小。动量的大小。S轨道轨道P轨道轨道0 1 2 s p d 轨道名称轨道名称 3f轨道轨道10代表电子自旋的取向和自旋代表电子自旋的取向和自旋角
6、动量在特殊方向的分量角动量在特殊方向的分量3、轨道磁量子数、轨道磁量子数 取值：取值：表征轨道角动量在特殊方向（如磁场方向）表征轨道角动量在特殊方向（如磁场方向）上的可能分量或轨道在空间的可能取向。上的可能分量或轨道在空间的可能取向。如如 时时 ，3个可能的取向个可能的取向4、自旋方向量子数、自旋方向量子数 取值：取值：ml=0、1、 2、 l11n主主层层l亚亚层层m原子轨道原子轨道1K01s01s2L012s2p00,12s2pz、2px、2py3M 0123s3p3d00,10,1, 23s3pz、3px、3py3dZ2、 3dxz、 3dyz、 3dxy、 3dx2-y24N01234
7、s4p4d4f00,10,1, 20,1, 2, 34s4pz、4px、4py4dZ2、 4dxz、 4dyz、 4dxy、 4dx2-y212 原子轨道和电子云原子轨道和电子云的角度分布图：的角度分布图：xyz13xzx2-y2141516173S3p3p3p3d3d18三三. 多电子原子结构多电子原子结构核外电子的排布（核外电子的排布（electron configuration)规律规律 能量最低原理能量最低原理:电子在原子轨道中的排布，要尽可能使整电子在原子轨道中的排布，要尽可能使整个原子系统能量最低。个原子系统能量最低。 Pauli不相容原理不相容原理:每个原子轨道中最多容纳两个自旋
8、方式每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式相反的电子。相反的电子。 Hund 规则规则:在在 n 和和 l 相同的轨道上分布的电子相同的轨道上分布的电子,将尽可能将尽可能分占分占 m 值不同的轨道值不同的轨道, 且自旋平行。且自旋平行。全满：全满：p6，d10，f14；半满：半满：p3，d5，f7；全空：全空：p0，d0，f0。半满全满规则：半满全满规则：19电子填满各能级次序电子填满各能级次序2021而不是而不是22四四. 原子的电离能、电子亲和能及电负性原子的电离能、电子亲和能及电负性 基态气体原子失去电子成为带一个正电荷的气态正基态气体原子失去电子成为带一个正电荷的气态正离子所需要的能量称为
9、第一电离能，用离子所需要的能量称为第一电离能，用 I 1表示。表示。 由由+1价气态正离子失去电子成为带价气态正离子失去电子成为带+2价气态正离子价气态正离子所需要的能量称为第二电离能，用所需要的能量称为第二电离能，用 I 2表示。表示。A+ (g) A 2+ (g) + e- I 2=E=E(A2+)-E(A+)A (g) A+ (g) + e- I 1=E=E(A+)-E(A)例如：例如：1. 电离能电离能 Ionization energye-e-e-23电离能变化趋势电离能变化趋势u同周期主族：从左至右，同周期主族：从左至右，Z逐逐渐增大，增大，I1也逐也逐渐增大。稀有气体增大。稀有气
10、体I1最大。最大。u同周期副族：从左至右，同周期副族：从左至右，Z增加不多，原子半径减小增加不多，原子半径减小缓慢，其慢，其I1增加不如增加不如主族元素明主族元素明显。 u同一主族：从上到下，同一主族：从上到下，Z增加不多，但原子半径增加，所以增加不多，但原子半径增加，所以I1由大由大变小。小。 u同一副族同一副族电离能离能变化不化不规则。 24 元素的气态原子在基态时获得一个电子成为一价气元素的气态原子在基态时获得一个电子成为一价气态负离子所放出的能量称为电子亲和能。当负一价离子态负离子所放出的能量称为电子亲和能。当负一价离子再获得电子时要克服负电荷之间的排斥力，因此要吸收再获得电子时要克服
11、负电荷之间的排斥力，因此要吸收能量。能量。 A (g) + e - A- (g)+YO (g) + e - O- (g) Y1 =-140.0 kJ . mol-1O- (g) + e - O2- (g) Y2 =844.2 kJ . mol-1例如：例如：2. 电子亲和能电子亲和能 Electron affinity2526u同一周期：同一周期： 从左到右，从左到右， A 的的负值增加，增加，卤素的素的 A 呈呈现最大最大负值。A (A)为正正值， A(惰性气体惰性气体) 为最大正最大正值。u同一族：同一族： 从上到下，大多从上到下，大多 A的的负值变小。小。A(N)为正正值。A 的最大的最
12、大负值不出不出现在在 F 原子而在原子而在 Cl 原子。原子。27283. 原子的电负性原子的电负性 Electronegativity 1932年年，泡泡林林提提出出电电负负性性的的概概念念，用用来来确确定定化化合合物物中中的的原原子对电子吸引能力的相对大小。子对电子吸引能力的相对大小。 如如果果原原子子吸吸引引电电子子的的趋趋势势相相对对较较强强, 元元素素在在该该化化合合物物中中显显示示电电负负性性(electronegative)；如如果果原原子子吸吸引引电电子子的的趋趋势势相相对对较较弱弱,元元素在该化合物中则显示电正性素在该化合物中则显示电正性(electropositive)。
13、化合物化合物 电负性元素电负性元素 电正性元素电正性元素 ClO2 (Cl-O化合物化合物) O(3.44) Cl(3.16) HCl Cl(3.16) H(2.20)29u鲍林（鲍林（Pauling）标度：）标度： 是根据热为学数据计算出来是根据热为学数据计算出来的相对大小数据。这是目前最常用的电负性。的相对大小数据。这是目前最常用的电负性。u密立根（密立根（Mulliken）标度）标度 ：根据电离能和亲合能计算：根据电离能和亲合能计算出来的数据。出来的数据。u阿莱罗周（阿莱罗周（Allred-Rochow） 标度：根据核电荷和标度：根据核电荷和电子间的库仑引力计算出来的数据。电子间的库仑引
14、力计算出来的数据。电负性的标度有多种，常见的有电负性的标度有多种，常见的有 ：30H He2.1 4.16Li Be B C N O F1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0Na Mg Al Si P S Cl0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.5 3.0K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br 0.8 1.0 1.3 1.5 1.6 1.6 1.5 1.8 1.9 1.9 1.9 1.6 1.6 1.8 2.0 2.4 2.8Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb
15、Te I0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 1.9 2.2 2.2 2.2 1.9 1.7 1.7 1.8 1.9 2.1 2.5Cs Ba La-Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At0.7 0.9 1.0-1.2 1.3 1.5 1.7 1.9 2.2 2.2 2.2 2.4 1.9 1.8 1.9 1.9 2.0 2.2Fr Ra Ac-No0.7 0.9 1.1-1.3 电负性的周期性电负性的周期性31 金属性元素的电负性一般在金属性元素的电负性一般在2.0以下，非金属性性元素一般在以下，非金属性性元素一般在2.0以以上。电负性最大的元素是位于右上方的上。电负性最大的元素是位于右上方的F，电负性最小的元素是位于左，电负性最小的元素是位于左下方的下方的Fr（Fr是放射性元素）。是放射性元素）。32电离能电离能电子亲和能电子亲和能原子及离子半径原子及离子半径电负性电负性33Thanks3435
