第1章物质结构基础

第1章物质结构基础1.1原子结构1.2化学键与分子结构1.3分子间力与氢键1.4晶体结构和缺陷本章教学要求1.了解原子核外电子运动的基本特征，明确量子数的取值规律，了解原子轨道和电子云的空间分布。2.掌握核外电子排布的一般规律及其与元素周期表的关系。4.掌握价键理论的内容；会用价键理论解释共价键的特征，会用价电子对互斥理论和杂化轨道理论解释简单的分子结构；3.了解化学键的本质及键参数的意义。6.了解分子间作用力以及晶体结构与物质物理性质的关系。5．初步认识分子轨道，掌握第二周期元素的分子轨道特点；物质结构是研究物质微观结构及结构和性能关系的学科。即包括物质的几何结构（如分子中原子、晶体中粒子的结合的排布方式等），也包括物质的电子结构（如原子的电子层结构，分子、固体中的化学键，以及分子间作用力等）。本章主要讨论核外电子运动状态及其分布的一般规律，原子结构与元素性质的关系，化学键、分子空间构型、分子间作用力等基本理论以及晶体结构的基本类型及有关基础知识。1.1.1氢原子结构1.1.2电子多原子结构1.1.3元素周期表1.1原子结构核电荷数=核内质子数（P）=核外电子数=原子序数（符号为Z）原子量（相对原子质量）=质量数（符号为A）=质子数（Z）+中子数（N）原子原子核电子质子（带正电）→夸克中子（不带电）→夸克→带负电，m→0原子中，原子核的质量占99.9%，而体积仅占15~12101（1）电子在原子中的活动空间是巨大的；（2）原子核的密度是巨大的，约为1014g.cm-3。希腊的原子说。原子不可分割汤姆逊原子结构模型（“葡萄干布丁”模型）在1897年汤姆逊发现了电子，证明了原子是可再分的，汤姆逊提出了自己关于原子结构的模型：原子是正电荷连续分布的球体，电子之间以最大的距离分布在该球体中。就像将葡萄干“镶嵌”在松软的蛋糕中一样。史称“葡萄干布丁”模型。但该模型在解释卢瑟夫的α粒子的散射实验时遇到了困难。原子结构模型1.1.1氢原子结构α粒子散射实验：1909年汉斯·盖革和恩斯特·马斯登在欧内斯特·卢瑟福指导下于英国曼彻斯特大学做的一个著名物理实验。实验结果：绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转，并有极少数α粒子的偏转超过90°，有的甚至几乎达到180°而被反弹回来，这就是α粒子的散射现象。卢瑟夫行星轨道模型（太阳-行星模型）：按汤姆逊原子结构模型分散的正电荷不可能有足够大的正电密度使α粒子（氦的原子核（A=4，相对电荷为+2），作高速运动时具有很高能量）发生偏转或反弹。1.所有原子都有一个核即原子核2.核的体积只占整个原子体积极小的一部分；3.原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上；4.电子像行星绕着太阳那样绕核运动。α粒子穿过原子时，电子对α粒子运动的影响很小，影响α粒子运动的主要是带正电的原子核。而绝大多数的α粒子穿过原子时离核较远，受到的库仑斥力很小，运动方向几乎没有改变，只有极少数α粒子可能与核十分接近，受到较大的库仑斥力，才会发生大角度的偏转。在对α粒子散射实验结果的解释上,卢瑟夫行星轨道模型的成功是显而易见的,至少要点中的前三点是如此。第四点：电子像行星绕着太阳那样绕核运动。根据当时的物理学概念,带电微粒在力场中运动时总要产生电磁辐射并逐渐失去能量,运动着的电子轨道会越来越小,最终将与原子核相撞并导致原子毁灭。由于原子毁灭的事实从未发生,将经典物理学概念推到前所未有的尴尬境地。会不会？！卢瑟夫行星轨道模型面临的窘境玻尔轨道模型(量子力学模型)：1913年，玻尔吸收了1900年普朗克提出的量子论和1905年爱因斯坦提出的光子学说，运用量子化概念把卢瑟福的原子结构和当时知道的谱线系统结合起来提出的。模型认为：原子中的电子沿着固定轨道绕核运动，电子在这些轨道上运动时，不吸收也不辐射能量，称为定态。轨道上电子有特定的能量值，称为能级。能量最低的定态称为基态。激发态原子发光的频率规则：e在不同定态之间发生跃迁，当它处于激发态时不稳定，会从激发态跃迁到基态，以光子的形式放出能量：E2-E1=h(h=6.626×10-34-频率)成功★成功的把氢原子结构和光谱线结构联系起来,从理论上说明了氢原子和类氢原子的光谱线结构，使原子光谱成为研究原子内部结构及其物理特性的有力工具。★揭示了微观体系的量子化规律，为建立量子力学奠定了基础。缺陷★不能解释光谱的精细谱线★不能解释多电子原子光谱原因：没有考虑微观世界粒子的特性—波粒二象性2.揭示了微观体系的量子化规律，为建立量子力学奠定了基础。波动力学模型：迄今为止最成功的原子结构模型（只介绍与化学有关的某些重要结论）。1926年，奥地利物理学家薛定谔根据德布罗意物质波的观点，提出了描述微观粒子运动状态变化规律的数学表达式，即著名的微观粒子运动方程—薛定谔方程。222222228()0mEVxyzh式中:为波函数,是空间坐标，，的函数。xyz(,,)xyzE是体系总能量；V是势能，m是电子的质量，h是普朗克常数。★微粒的波性:薛定谔方程的基础Ψn,l,m(r,θ,φ)=……;Ψn,l,m(r,θ,φ)=……;波函数中的常数能导致合理物理意义的取值n1，2，3，4，5等正整数l从(n-1)到0的整数m从+l到-l之间的正、负整数和0)(822222222VEhmzyx三个量子数及其取值方式不是人为的！★电子在核外空间出现概率最大的区域叫原子轨道，或叫轨道。原子轨道三种原子模型，三种“轨道”概念卢瑟夫行星轨道玻尔确定轨道波动力学轨道是个区域1.1.1.1描述电子运动状态的四个量子数描述原子中各电子的状态（指电子所在的电子层和原子轨道的能级、形状、伸展方向以及电子的自旋方向等）需要四个参数。（1）主量子数n◆确定电子出现概率最大处离核的距离◆与电子能量有关◆不同的n值，对应于不同的电子层１２３４５……..KLMNO……..在氢原子或类氢离子中，电子的能量完全由主量子数n决定。))(n1(10179.2218JE◆与角动量有关，确定原子轨道的形状◆l的取值受n的限制。l=0、1、2、3……（n-1）共可取n个值。（2）角量子数l(angularmomentumquantumumber),1,0,1lnlnl1234（亚层0000s111p22d3f)◆l的每一个取值表示一个亚层，它表示同一电子层中具有不同状态的分层。一个亚层s二个亚层sp三个亚层spd四个亚层spdfl=0s亚层为球形对称状l=1p亚层为亚铃状l=2d亚层为花瓣状l=3f轨道为复杂的花瓣形◆原子轨道的能量也与角量子数有关。角量子数l在多电子原子中和主量子数一起决定电子的能级（l也与E有关）。当主量子数相同，轨道的能量高低顺序为：EnsEnpEndEnf。在氢原子或类氢离子中，电子的能量完全由主量子数n决定。◆取值受l限制，m=0，±1，±2，±3…±l，共可取2l+1个值。◆表征了每个亚层中原子轨道的数目，原子轨道在空间的伸展方向。l=0，m=0表示S亚层在空间只有一种伸展方向（一个原子轨道）。l=1，m=0，±1表示P亚层在空间有三种伸展方向(三个原子轨道）。l=2，m=0，±1，±2表示d亚层在空间有五种伸展方向。l=3，m=0，±1，±2，±3表示f亚层在空间有七种伸展方向。◆同一亚层（n、l值相同，m值不同）的轨道具有相同的能量称为等价(简并)轨道。如：2px，2py，2pz（3）磁量子数m(magneticquantumnumber)lmlm轨道数0(s)1(p)2(d)3(f)0＋10－1＋2＋10－1－2＋3＋2＋10－1－2－31357s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轨道本课程不要求记住f轨道具体形状!（4）自旋量子数ms(spinquantumnumber)◆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n,l,m一组量子数可以决定一个原子轨道的离核远近，形状和伸展方向。n,l,m一定,轨道也确定l0123……轨道spdf……例如:n=2,l=0,m=0,2sn=3,l=1,m=0,3pzn=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)nlmms根据四个量子数间的关系，可以得出各电子层中可能存在的电子运动状态的数目电子层Kn=1Ln=2Mn=3Nn=4n原子轨道符号1s2s2p3s3p3d4s4p4d…轨道的空间取向数1131351357…电子容量2818322n2写出与轨道量子数n=4,l=2,m=0的原子轨道名称。原子轨道是由n,l,m三个量子数决定的。与l=2对应的轨道是d轨道。因为n=4,该轨道的名称应该是4d.磁量子数m=0在轨道名称中得不到反映,但根据我们迄今学过的知识,m=0表示该4d轨道是不同伸展方向的5条4d轨道之一。Question4Solution例：判断可能存在的状态n=3l=1m=-1ms=½n=2l=2m=0ms=½n=4l=2m=3ms=-½n=1l=0m=0ms=0n=3l=2m=1ms=½,1,0,1lnllm例：填空n=l=2m=2ms=n=4l=m=-1ms=½n=5l=3m=ms=½,1,0,1lnllm=31、2、33,2,1,0,-1,-2,-3±½例:下列各组量子数中,哪些是合理的?（）(A)n=2,l=1,m=0(B)n=2,l=2,m=-1(C)n=3,l=0,m=0(D)n=4,l=1,m=1(E)n=2,l=0,m=-1(F)n=4,l=3,m=4例:下列能级符号正确的是（）(A)6s(B)2d(C)3f(D)7p例:下列各能层中不包含p能级的是(A)N(B)M(C)L(D)K,1,0,1lnllm×××A、DD薛定谔方程与量子数)(822222222VEhmzyx1926年，奥地利物理学家薛定谔根据德布罗意物质波的观点，提出了描述微观粒子运动状态变化规律的数学表达式，即著名的微观粒子运动方程—薛定谔方程。式中:为波函数,是空间坐标，，的函数。xyz(,,)xyzE是体系总能量；V是势能，m是电子的质量，h是普朗克常数。1.1.1.2氢原子波函数★方程中既包含体现微粒性的物理量m、E、V；也包含体现波动性的物理量ψ;★求解薛定谔方程,就是求得波函数ψ和能量E;★薛定谔方程的解不是具体的数值,而是包括三个常数(n,l,m)和三个变量(x,y,z)的函数式ψn,l,m(x,y,z);ψn,l,m(x,y,z)是空间坐标x,y,z的函数，也可以写成球坐标的函数。波函数★直角坐标(x,y,z)与球坐标(r,θ,φ)的转换)1(10.1792218-nE图1-1球坐标与直角坐标关系变换为球面坐标：x=rsinθcosφy=rsinθsinφz=rcosθr2=x2+y2+z2,YrRΨn,l,m(r,θ,φ)径向波函数角度波函数氢原子的波函数将波函数的径向部分视为常量来考虑不同方位上的相对大小，即随的变化作图，所得图像称为原子轨道角度分布图。这种分布图只与l,m有关,与n无关。ψYθ,φθ,φ具体做法是：计算出有关的Y(θ,φ)值，以原子核为球坐标的原点，在每一个(θ,φ)方向上引出一长度等于Y值的直线，连接这些线段的端点，在空间形成的闭合曲面就是原子轨道的角度分布图。,rR),,(ln,θzyxml,Yml,n,ψ径向分布函数由n，l决定角度分布函数由l