工程化学--第1章-物质结构基础

XUTSchoolofsciences第一章物质结构基础西安理工大学理学院应用化学系XUTSchoolofsciences本章教学目的及要求1了解原子轨道、概率密度、电子云等概念；熟悉四个量子数的名称、符号、取值和意义；熟悉s、p、d原子轨道与电子云的形状。2了解屏蔽效应和钻穿效应对多电子原子能级的影响；掌握核外电子排布规律；从原子结构与元素周期系的关系，掌握元素的位置、结构、性质之间的关系，了解元素某些性质的周期性。XUTSchoolofsciences3了解离子键理论;熟悉共价键的价键理论的基本要点，共价键的特点和类型。能用杂化轨道理论解释一些典型共价分子的空间构型。4了解分子的偶极矩概念，掌握分子间作用力的类型及其组成，掌握分子间力及其对物质性质的影响，掌握不同分子体系存在的分子间力；了解氢键的形成条件、特点及对某些物理性质的影响。5联系化学键及分子间相互作用力说明典型晶体的结构和性质。XUTSchoolofsciences微观粒子的波粒二象性波函数与原子轨道量子数几率密度和电子云波函数和电子云的图形1.1原子结构的近代概念XUTSchoolofsciencesLeucippus：留伯基,希腊哲学家•Heconcludedthattheremustbeultimateparticlesthatcouldnotbefurthersubdivided.•Democritus：德谟克利特,希腊哲学家•Hegavetheseultimateparticlesnames---atomos(Gr.,a,‘not’+tomos,’tocut’)atomXUTSchoolofsciences•Callednature’sbasicparticleanatom,basedontheGreekmeaning“indivisible”.Hisviewwasnotsupportedbyevidencesohisideaswerenotthoughttobetrue.Later,DaltonturnedDemocritus’ideasintoascientifictheory.XUTSchoolofsciences1897年汤姆逊（Thomson，1856-1940）通过阴极射线发现了电子的存在。原子内正电荷均匀分布负电荷包罗于正电荷提出原子的西瓜模型——认为电子处于在带正电荷的球内。1803年约翰·道尔顿（（JohnDalton，1766-1844）英国化学家、物理学家、近代化学之父。提出‘一切物质都是由原子构成的’。XUTSchoolofsciences考察粒子在金箔上的散射。发现大多数粒子未偏转。一部分粒子偏转。sourcedeflectedundeflectedreflected1911年英国科学家卢瑟福（Rutherford，D.1749-1819）进行了著名的粒子散射实验结论：原子中的正电荷集中在一个很小的核上，其余大部分是空的。由此提出了原子的有核模型。XUTSchoolofsciences氢原子光谱在研究氢原子结构时，埃格斯特朗（1853）年最先从气体放电的光谱中确定了氢的红线Hα,后来，他又找到了氢的另外三根在可见光范围内的谱线，Hβ、Hγ及Hδ，精确地测量了它们的波长,实验得到氢原子在可见光区间呈现出不连续的线状光谱如下图。氢光谱氢的可见光谱波长谱线波长（×10-10米）H6562.10Hb4860.74Hγ4340.1Hδ4101.1瑞典物理学家，光谱学的奠基人。1868年，埃格斯特朗发表了标准太阳谱图表，记录了太阳光谱中上千条谱线的波长，以10-10米为单位，精确到六位有效数字。这些数据成为当时的国际标准。为纪念这位物理学家，10-10米以他的名字命名为埃格斯特朗，简称埃。XUTSchoolofsciences在研究氢原子结构时，由氢原子的光谱实验得到氢原子在红外到紫外这一区间呈现出不连续的线状光谱不连续光谱,即线状光谱。其频率具有一定的规律。氢原子光谱特征：XUTSchoolofsciences1913年，丹麦物理学家N•Bohr根据氢原子光谱不连续的特点以及普朗克的量子理论提出氢原子结构模型:XUTSchoolofsciences基态：激发态：定态能量最低最稳定能量较高不太稳定•1、氢原子中的电子是在氢原子核的势能场中运动，其运动轨道不是任意的，电子只能以原子核为中心的某些能量（En）确定的圆形轨道上运动。这些轨道的能量状态不随时间而改变，因而被称为定态轨道。基态激发态XUTSchoolofsciences2、不同的定态轨道能量是不同的。离核越近的轨道，能量越低，电子被原子核束缚得越牢；离核越远的轨道，能量越高。轨道的这些不同的能量状态，称为能级。原子在定态轨道上运动时，既不吸收也不释放能量。E=-2.18×10-18/n2n=1.2.3.4…（正整数）—主量子数XUTSchoolofsciencesE2-E1=E=hh—普朗克常数（6.626×10-34J·s）3、只有当电子从某一轨道跃迁到另一轨道时，才有能量的吸收和放出。当电子从能量较高的轨道跃迁到能量较低的轨道时，原子放出能量，并以光子的形式放出。其频率决定于电子跃迁前后的两轨道之间的能量差。•1234XUTSchoolofsciences由于玻尔理论的这些缺陷，必须确立更符合微观粒子运动规律的新的理论系统。对玻尔理论的评价优点缺点成功解释氢原子光谱不能解释多原子光谱提出能级概念不能解释谱线中的精细结构引入量子化条件不能解释化学键本质XUTSchoolofsciences1.1.1微观粒子的波粒二象性1924年，法国物理学家德布罗依(louis•de•broglie)受光的波粒二象性的启发，提出微观粒子也具有波粒二象性。XUTSchoolofsciences德布罗依关系式：=h／mvm：粒子的质量，υ：粒子运动速度：波长h—普朗克常数（6.626×10-34J·s）XUTSchoolofsciences阴极射线管内两极之间装一个可旋转的小飞轮，当阴极射线打在小飞轮上，小飞轮即可旋转，说明电子是有质量、有动量的粒子，亦即具有粒子性。当经过电位差加速的电子束入射到镍单晶上，观察散射电子束的强度和散射角的关系，结果得到完全类似于单色光通过小圆孔那样得到的衍射图像。粒子性实物粒子波动性电子衍射实验波粒二象性XUTSchoolofsciences电子束的衍射示意图和电子衍射图谱1927年，戴维逊（Davissson）和革末（Germer）应用Ni晶体进行电子衍射实验，证实电子具有波动性。波粒二象性是微观粒子运动的基本属性XUTSchoolofsciences电子的波性是大量电子（或少量电子的大量）行为的统计结果。统计波统计波（几率波）XUTSchoolofsciences1.1.2波函数与原子轨道如何描述微观体系的运动规律呢？具有波粒二象性的电子，已不再遵守经典力学规律，它们的运动没有确定的轨道，只有一定的空间几率分布，即电子的波动性与其微粒行为的统计性规律相联系。XUTSchoolofsciences1926年，奥地利物理学家薛定谔(E.schroding)提出了微观粒子运动规律的波动方程，被命名为：薛定谔方程0)(822222222VEhmzyxE：系统总能量；V：系统势能；m：电子质量；Ψ：波函数解此方程可得：①系统的能量E；②波函数ψ。在量子力学中是用波函数和与其对应的能量来描述微观粒子的运动状态的。XUTSchoolofsciencesψ波函数不是一个具体的数值，而是用空间坐标（如ｘ,ｙ,ｚ）来描述原子中电子运动状态的数学函数式。方程的每一个解代表电子的一种可能运动状态。—波函数（原子轨道）XUTSchoolofsciences解此方程时自然引入三个量子数：n、l、m。只有它们经合理组合，ψ（n,l,m）才有合理解。波函数是空间坐标的函数，其空间图象可以形象地理解为电子运动的空间范围，俗称”原子轨道”。即波函数的空间图象就是原子轨道，原子轨道的数学表达式就是波函数。XUTSchoolofsciences求解薛定谔方程不仅可得到氢原子中代表电子运动状态的波函数，而且可以自然地导出主量子数n、角量子数l和磁量子数m。1.1.3量子数XUTSchoolofsciences主量子数角量子数磁量子数n＝1，2，3，…，∞l＝0，1，2，…，（n-1）m＝0，±1，±2，±3，…，±l1量子数的取值范围XUTSchoolofsciencesn1234567电子层第一层第二层第三层第四层第五层第六层第七层电子层符号KLMNOPQn值越小，该电子层离核越近，能级越低表示原子轨道或电子云离核距离和能级高低。2量子数的物理意义主量子数(n)XUTSchoolofsciences表示波函数即原子轨道的形状。角量子数(l)s轨道球形p轨道哑铃形d轨道有两种形状通常把l值相同的原子轨道归属同一电子亚层。各电子亚层的光谱符号为：角量子数：0，1，2，3，4，…，(n-1)，电子亚层：s，p，d，f，g……对于多电子原子，l还影响原子轨道的能级。同一电子层中的l值越小，该电子亚层的能级越低。XUTSchoolofsciences表示原子轨道或电子云在空间的伸展方向，共(2l+1)个。m值相同的轨道互为等价轨道。磁量子数(m)s轨道(l=0,m=0):m有一种取值,即空间一种取向,一条s轨道。XUTSchoolofsciencesp轨道(l=1,m=+1,0,-1)m有三种取值,即三种取向,三条等价(简并)p轨道。XUTSchoolofsciencesd轨道(l=2,m=+2,+1,0,-1,-2):m有五种取值,即空间五种取向,五条等价d轨道.XUTSchoolofsciencesψ(n，l，m)表示一个原子轨道0/30/1)0,0,1(areaXUTSchoolofsciences自旋量子数(ms)：表征电子的自旋状态，取值：21通常用：“”或“”表示。XUTSchoolofsciences（1）用四个量子数描述电子的运动状态,如:n=2第二电子层。l=12p能级，其电子云呈亚铃形。m=02pz轨道，沿z轴取向。ms=+1/2逆时针自旋。（2）按四个量子数间的关系，可以确定每一电子层中可能存在的电子运动状态数，即每一电子层中的电子数目。(n,l,m,ms)可全面描述核外电子的运动状态电子运动状态的描述氢原子轨道与三个量子数的关系主量子数（n）角量子数（l）磁量子数（m）轨道符号轨道数轨道总数1001s112002s1410,+1,-1,2p33003s1910,+1,-1,3p320,+1,+2,-1,-23d54004s11610,+1,-1,4p320,+1,+2,-1,-24d530,+1,+2,+3,-1,-2,-34f72l+1n2XUTSchoolofsciences1.1.4几率密度和电子云电子运动有规律，但无法确定其运动轨迹，而是按一定的几率在空间出现。ψ无直观明确的物理意义,它的物理意义是通过|ψ|2来体现的。XUTSchoolofsciences几率－电子在原子核外空间某处出现的次数量子力学认为，原子中个别电子运动的轨迹是无法确定的，亦即没有确定的轨道，这一点是与经典力学有原则的差别。但是原子中电子在原子核外的分布还是有规律的：核外空间某些区域电子出现的概率较大，而另一些区域电子出现的概率较小。几率密度－电子在原子核外某处单位体积内出现的几率。用波函数的平方|ψ|2来描述。XUTSchoolofsciences电子云：电子云是电子出现概率密度的形象化描述。|ψ|2的空间图象。通常用小黑点的疏密来表示。小黑点较密的地方，几率密度较大，单位体积内电子出现的机会多。如1s的电子云XUTSchoolofsciences1.1.5波函数和电子云的图形直角坐标(x,y,z)与球坐标(r,θ,φ)的转换r:径向坐标,决定了球面的大小θ:角坐标,由z轴沿球面延伸至r的弧线所表示的角度.φ:角坐标,由r沿