物质结构基础

第九章物质结构基础无机及分析化学●理解原子核外电子运动的特性；了解波函数表达的意义；掌握四个量子数的量子化条件及其物理意义；理解原子轨道角度分布图、电子云角度分布图和径向分布函数图。●掌握原子核外电子排布规则；理解多电子原子轨道能级交错现象；理解元素的基本性质及其元素周期性变化规律。●理解离子键的特征；掌握价键理论的基本要点及共价键的类型和特点；了解价层电子对互斥理论和分子轨道理论，掌握杂化轨道理论；掌握分子间作用力及氢键；理解离子极化作用和离子变形性及对化合物性质的影响规律。●了解金属键理论；了解晶体的特征，理解不同种类晶体的结构、性质。教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学目的和要求第九章物质结构基础◆重点内容：原子轨道与核外电子运动状态的量子数;常见元素基态原子的核外电子排布式和价电子构型；屏蔽效应、钻穿效应；元素周期性；杂化轨道的类型；共价键的方向性和饱和性；分子间作用力；氢键对化合物性质的影响。◆难点内容：波函数、原子轨道与电子云角度分布图；价层电对互斥理论预测分子构型；分子轨道理论；离子极化现象；晶体的结构与性质。教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点教学重点和难点第九章物质结构基础9.1核外电子的运动状态主要章节9.4晶体结构9.2核外电子排布与元素周期表9.3化学键理论9.1核外电子的运动状态氢原子光谱特征线状光谱(不连续光谱)n=3,4,5,6…9.1核外电子的运动状态氢原子线状光谱产生示意图9.1.1氢原子光谱和玻尔理论221112Rn（-）2212111Rnn（-）ＨδＨγＨβＨα连续光谱图9-29.1核外电子的运动状态9.1.1氢原子光谱和玻尔理论如何解释氢原子线状光谱的实验事实？事实：氢原子光谱是线状光谱（而不是连续光谱）；原子没有湮灭。9.1核外电子的运动状态9.1.1氢原子光谱和玻尔理论玻尔经典电磁理论认为：电子绕核作高速圆周运动，发出连续电磁波→连续光谱，电子能量↓，→坠入原子核→原子湮灭。玻尔理论的要点（1）电子只能在某些特定的圆形轨道上绕核运动，在这些轨道上运动的电子既不放出能量，也不吸收能量。（2）电子在不同轨道上运动时，其能量是不同的。在离核越远的轨道上，能量越高；在离核越近的轨道上，能量越低。轨道的这些不同的能量状态称为能级，其中能量最低的状态称为基态，其余能量高于基态的状态称为激发态。原子轨道的能量是量子化的，这些轨道上的电子运动的角动量，必须是h/2π的整数倍，即9.1核外电子的运动状态9.1.1氢原子光谱和玻尔理论2hPmrn（3）只有当电子在能量不同的轨道之间跃迁时，原子才会吸收或放出能量。当电子从能量较高的轨道（E2）跃迁到能量较低的轨道（E1）时，原子以光子的形式释放出能量，释放出光的频率与轨道能量的关系为：EEEhh终始式中，h为普朗克常量(6.626×10-34J·s)9.1核外电子的运动状态9.1.1氢原子光谱和玻尔理论玻尔理论的要点•不能解释多电子原子、分子以及固体的光谱•不能解释氢光谱的精细结构部分量子化，仍以经典物理学为基础9.1核外电子的运动状态9.1.1氢原子光谱和玻尔理论玻尔理论局限性9.1.2微观粒子的特性EhhPhhmvP其中:P：动量m:光子质量（粒子性）:光的频率:光的波长（波动性）v:电子速度h=6.626×10-34J·s(Planck常量)波动性粒子性德布罗意9.1核外电子的运动状态微观粒子的波粒二象性1927年,两位美国科学家戴维孙（C.J.Davisson）和革末（L.H.Germer）进行了电子衍射实验,证实了德布罗意关系式的正确性。电子衍射图电子衍射实验X射线的衍射图Ni晶体电子衍射实验9.1核外电子的运动状态9.1.2微观粒子的特性电子与宏观物体具有完全不同的特点，不能同时准确地确定它的位置和动量，电子的位置确定得越准（越小），则电子的动量就确定得越不准确（越大）；反之，电子的动量确定得越准确，电子的位置就确定得越不准确。xxPh海森堡xxPhxmxmh9.1.2微观粒子的特性9.1核外电子的运动状态海森堡不确定原理9.1.3核外电子运动状态的描述薛定谔方程二阶偏微分方程：222222228π(-)mEVxyzhE是体系的总能量，等于势能与动能之和；V为势能，表示原子核对电子的吸引能；m为电子的质量；h为普朗克常量;x,y,z为电子的空间坐标;为波函数，是薛定谔方程的解埃尔温薛定谔1933年诺贝尔物理学奖9.1核外电子的运动状态物理意义：波函数本身没有物理意义，而代表空间上某一点电子出现的概率密度。量子力学原理指出：在空间某点（x,y,z）附近体积元d内电子出现的概率dp为：22d|(,,)|dd|(,,)|dpxyzpxyz因此代表在单位体积内电子出现的概率，即概率密度。2||2||(,,)xyz2||概率=概率密度×体积9.1核外电子的运动状态9.1.3核外电子运动状态的描述概率密度和电子云假想将核外一个电子每个瞬间的运动状态,用照相的方法摄影,并将这样数百万张照片重叠,得到如下的统计效果图,形象地称为电子云图.电子云图9.1核外电子的运动状态9.1.3核外电子运动状态的描述电子云图解薛定谔方程式时,为方便起见,将直角坐标(x,y,z)变换为球极坐标(r,,):x＝r·sin·cosy＝r·sin·sinz＝r·cosr2＝x2+y2+z2球坐标与直角坐标的关系波函数与原子轨道222222228π(-)mEVxyzh9.1核外电子的运动状态9.1.3核外电子运动状态的描述从薛定谔方程解出来的波函数，是球坐标的函数式，记为常将波函数分解为两个函数的乘积：电子在原子核外空间的运动状态，可以用波函数来描述，每一个就表示电子的一种运动状态，通常把波函数称为原子轨道。(,,)()(,)rRrY,,r(,,)r径向波函数角度波函数波函数9.1核外电子的运动状态9.1.3核外电子运动状态的描述氢原子的某些波函数、径向波函数和角度波函数轨道（r,,）R(r)Y(，)1s2s2px2py2pz0301eπraa03012eraa14π0230011(2)e42πraraa023001(2)e8πraraa3cos4π023001()e24πraraa0230011()ecos42πraraa0230011()esincos42πraraa0230011()esinsin42πraraa023001()e24πraraa023001()e24πraraa3sincos4π3sinsin4π14π取值:1,2,3,4,…,n,为正整数,与电子层相对应用符号:K,L,M,N,…对于单电子体系,n决定了电子的能量。n的数值越大,电子距离原子核远,则具有较高的能量。主量子数(n)2-182-2.17910JzEn四个量子数意义：表示核外电子离核的远近和电子能量的高低。9.1核外电子的运动状态9.1.3核外电子运动状态的描述意义:决定了原子轨道的形状。取值:受主量子数n的限制，对于确定的n,l可为：0,1,2,3,4,…,(n-1),为n个取值，符号:s,p,d,f,…角量子数()l例如：n=3,表示角量子数可取：l=0，1，2原子轨道的形状取决于l;n=4,l=0：表示轨道为第四层的4s轨道，形状为球形l=1：表示轨道为第四层的4p轨道，形状为哑铃形l=2：表示轨道为第四层的4d轨道，形状为花瓣形l=3：表示轨道为第四层的4f轨道，形状复杂9.1核外电子的运动状态9.1.3核外电子运动状态的描述单电子原子中电子的能量由n决定多电子原子中电子的能量由n和l共同决定因而，（第四电子层中）：多电子原子：E4sE4pE4dE4f分别对应l:0,1,2,3所以n相同时，多电子原子的电子的l大的能量高。单电子原子：E4s=E4p=E4d=E4f分别对应l:0,1,2,3所以n相同时，单电子原子中，电子能量与l无关。182182-2.17910()2.17910()nZZEnn原子中电子的能量9.1核外电子的运动状态9.1.3核外电子运动状态的描述m取值受l的影响,对于给定的l,m可取:个值。例如:l=3,，则2l+1=7共7个值。意义:对于形状一定的轨道(l相同电子轨道),m决定其空间取向。例如:,有三种空间取向(能量相同)。0123l，，，，，0123m，，，1,01lm，p轨道的三种空间取向9.1核外电子的运动状态9.1.3核外电子运动状态的描述(m)磁量子数(m)l=2,d轨道,m取值为5个伸展方向,(dxy、dxz、dyz、dx2-y2、dz2)磁量子数(m)d轨道的五种空间取向9.1核外电子的运动状态9.1.3核外电子运动状态的描述自旋量子数综上所述：原子中每一个电子的运动状态可以用四个量子数(n,l,m,ms)来描述。(ms)它决定电子在空间的自旋方向，自旋量子数只有2个值,+1/2,-1/2，通常用“↑”“↓”表示。9.1核外电子的运动状态9.1.3核外电子运动状态的描述ilim1431395131657n电子层电子亚层轨道数1K01s012L012s2p01,0,+143M0123s3p3d094N01234s4p4d4f016电子层、电子亚层、原子轨道与量子数之间的关系1,0,12,1,0,1,21,0,12,1,0,1,23,2,1,0,1,2,3解：n=2，则l=0，1。当n=0时，l=0；m=1时，m=-1，0，1。原子轨道数目有4条,分别为：222201110-10+1n例1推算n=2的原子轨道数目，并分别用三个量子数n、l、m加以描述。lmnlnmln解：n=2，则l=0，1。当n=0时，l=0；m=1时，m=-1，0，1。原子轨道数目有4条,分别为：222201110-10+1mln例2用四个量子数描述n=3，l=1的所有电子的运动状态。解：对于确定的n=3，l=1，对应的m=-1，0，+1，有三条轨道，每条轨道容纳两个自旋方向相反的电子，因此有6个电子的运动状态，分别对应如下：n333333l111111m-1-100+1+1ms+1/2-1/2+1/2-1/2+1/2-1/2原子轨道和电子云的的角度分布图xyzzzzzzzzzyyyyyyyyxxxxxxxxspxpypzdxzdyzdxy22dxy2dz氢原子s、p、d的原子轨道角度分布图9.1核外电子的运动状态9.1.4波函数的空间图像电子云角度分布图氢原子是s、p、d电子云角度分布图9.1核外电子的运动状态9.1.4波函数的空间图像1.原子轨道角度分布Y(,j）图有正负号之分，而电子云角度分布|Y(,j|2图总是正值。原子轨道角度分布图中的正负只是函数式Y(,j）计算结果的正负(在成键中代表轨道的对称性),不是电荷的正负。注意2.因为Y＜1，|Y(,j）|2＜1，因而电子云角度分布图要比原子轨道角度分布图“瘦”些。9.1核外电子的运动状态9.1.4波函数的空间图像电子云径向分布图D(r)-r之间的关系,看概率密度随半径如何变化。波函数分解为径向部分R(r)和角度部分两个函数的乘积：,Yj()(,,)()(,)rRrYjj222d=