第8章 原子结构和分子结构

第8章原子结构和分子结构8.1原子结构8.1.1核外电子的运动状态1.电子云的概念几率:机会的百分数。几率密度:空间某处单位体积中出现的几率。等密度线:把电子出现的几率相等的地方联接起来，称为等密度线，亦称作电子云的界面。原子轨道:电子云的界面所包括的空间范围。核外电子的运动状态1）电子层电子层按离核远近的顺序不同分为若干层，用字母n表示。离核最近的，n=1为第1层，其余依次类推，n=2为第2层，n=3为第3层习惯上用K、L、M、N、O、P、Q等来表示。2）电子亚层和电子云形状在同一个电子层中，电子的能量还稍有差别，电子云的形状也不相同。根据这个差别，又可以把一个电子层分成一个或几个亚层，分别用s、p、d、f等符号表示。s亚层电子云是以原子核为中心的球形，p亚层的电子云是纺锤形3）电子云的伸展方向s电子云是球形对称的，在空间各个方向上伸展的程度相同。P电子云在空间有三个伸展方向。d电子云可以有五种伸展方向，f电子云可以有七种伸展方向。表8—1各电子层的原子轨道数电子层亚层原子轨道数1234nss、ps、p、ds、p、d、f1=121+3=4=221+3+5=9=321+3+5+7=16=42n24）电子的自旋9.1.2多电子原子轨道的能级7s6d4f6p6s5d3f5p5s4d4p4s3d3p3s2p2s1s图8—1原子轨道近似能级图(1)1s(2)2s(4)3s(6)4s(9)5s(12)6s(16)7s(3)2p(5)3p(8)4p(11)5p(15)6p(19)7p(10)4d(7)3d(14)5d(18)6d(13)4f(17)5f图8—2电子填入原子轨道的顺序1s＜2s＜2p＜3s＜3p＜4s＜3d＜4p＜5s＜4d＜5p＜6s＜4f＜5d＜6p＜7s＜5f＜6d＜7p8.1.3原子核外电子的排布1.泡利不相容原理泡利（Pauli）于1925年根据元素在周期表中的位置和光谱分析结果提出：“在同一个原子中没有运动状态4个方面完全相同的电子存在。”（1）每个原子轨道只能容纳两个电子，且自旋方向反。（2）s、p、d、f亚层最多容纳的电子数分别为2、6、10、14。（3）各电子层最多容纳2n2个电子。2.能量最低原理多电子原子处于基态时，在不违背泡利不相容原理的前提下，电子尽可能先占据能量较低的轨道，而使原子体系的总能量最低，处于最稳定状态。3.洪特规则洪特（Hund）于1925年根据大量的光谱实验数据总结出一个规律，即电子在等价轨道（即能量相同的原子轨道）上排布时，总是尽可能分占不同的轨道且自旋方向相同。半充满s1、p3、d5、f7全充满s2、p6、d10、f14全空s0、p0、d0、f04.电子构型电子在原子轨道中的排布方式称为电子层结构，简称电子构型。1）轨道表示式例如氮原子的轨道表示式为或1s2s2p1s2s2p2）电子排布式氮原子的电子排布式为排布的电子数7N1s22s22p3电子层数亚层（能级）符号Al1s22s22p63s23p1表示为[Al]3s23p1Fe1s22s22p63s23p64s23d6表示为[Fe]4s23d63）价电子层结构价电子层结构指的是价电子（即能参与成键的电子）所排布的电子层结构。主族ns1~2np1~6副族(n－1)d1~10ns1~28.2电子层结构与元素周期系元素周期律是指：随着原子序数的递增，元素的性质呈周期性变化的规律。8.2.1元素周期系与电子层结构的关系1.周期元素周期表中共有7个横行，称为7个周期。具有相同的电子层数而又按照原子序数递增的顺序排列的一系列元素称为一个周期。2.族在周期表中有18个纵行。除8、9、10这3个纵行（称为第Ⅷ族外），其余15个纵行，每个纵行标为一族。族可分为主族和副族。由短周期和长周期元素共同构成的族，称为主族（A）；完全由长周期元素构成的族，称为副族（B）。3.区根据原子中最后1个电子填充的轨道（或亚层）不同，把周期表中的元素划分为4个区。表9—3周期表中元素的分区区外电子层构型包含的族spdfns1~2ns2np1~6(n－1)d1~10ns1~2(n－2)f1~14(n－1)d0~1ns1~2ⅠA和ⅡA族ⅢA和ⅦA族ⅠB和ⅧB族La系和Ac系8.2.2元素性质的周期性变化原子半径（1）金属半径在金属单质晶体中，相邻两原子核间距离的一半称为金属半径。（2）共价半径同种元素的两原子以共价单键结合时，其核间距的一半，称为共价半径。（3）范德华半径在分子晶体中，相邻两分子的两原子的核间距的一半称为范德华半径。图8—4元素原子半径与原子序数的关系8.3分子结构8.3.1共价键理论共价键：原子间通过共用电子对（电子云重叠）而形成的化学键称为共价键。1.共价键的饱和性和方向性饱和性：两个原子相接近时，自旋方向相反的未成对的价电子可以配对形成共价键。一个原子含有几个未成对电子，就可以和几个自旋方向相反的电子配对成键。方向性：成键原子的电子云必须在各自密度最大的方向上重叠，这就决定了共价键具有方向性2.共价键的类型(1)(2)键:如果两个原子轨道都沿着轨道对称轴的方向重叠，键轴（原子核间的连线）与轨道对称轴重合，或者说以“头碰头”的方式发生原子轨道重叠.键:如果两个P轨道的对称轴相平行，同时它们的节面又互相重合，那么这两个P轨道就可以从侧面互相重叠，重叠部分对称于节面，这样形成的共价键称为键。形象地说，键是两个P轨道以“肩并肩”的方式重叠而形成的共价键。3.共价键的键参数在讨论以共价键形成的分子时，常用到键长、键能、键角、键的极性等表征共价键性质的物理量，这叫做共价键的键参数。1）键长键长是分子中成键的两个原子核间的平均距离（即核间距）。2）键角分子中某一原子与另外两个原子形成的两个共价键在空间形成的夹角叫做键角。3）键能图8-7四氯甲烷分子和甲醛分子中的键角OHHCClClClClC109.5°120°4）键的极性和分子的极性分子的极性与共价键的极性、分子的空间构型有关。双原子分子中:极性键形成的分子是极性分子，非极性键形成的分子是非极性分子多原子分子中:化学键都是非极性的是非极性分子，化学键是极性的，但化学键空间分布对称，分子的偶极矩为零，分子是非极性的。表8—6共价键的偶极矩10-30C·m共价键偶极矩共价键偶极矩C－HO－HCl－HBr－HI－H1.335.043.062.741.47C－OC－ClC－BrC－NC－F2.474.874.600.735.034.杂化与杂化轨道1）SP3杂化2s2p四个的空间分布sp3sp3HHHHHHHHCsp3Csp3Csp3H1sσσ(s-sp3)(sp3-sp3)2）SP2杂化一个sp2三个的关系sp2轨道与轨道的关系psp23）SP杂化180°spsppypz两个的空间分布sp三键碳原子的轨道分布图5.分子间的作用力有机分子通常是非极性或弱极性的，除了高度分散的气体之外，分子之间也存在一定的作用力，这种分子间的作用力较弱，要比键能小1~2个数量级，但确是影响有机物的三态变化（固态、液态、气态）及溶解性的重要因素，这种分子间的作用力也叫范德华（VanderWaals）力。（1）取向力由极性分子固有偶极之间的取向而产生的分子间作用力叫做取向力（2）诱导力当极性分子与非极性分子靠近时，极性分子的固有偶极使非极性分子变形产生的偶极叫诱导偶极，诱导偶极与极性分子的固有偶极相吸引产生的作用力称诱导力。（3）色散力两个暂时偶极相互吸引产生的作用力称为色散力。（4）氢键当氢原子与一个原子半径较小而电负性又很强的X原子以共价键相结合时，就有可能再与另一个电负性大的X原子生成一种较弱的键，这种键称为氢键。HHHOOOHHHHHHOOOHHH（a）水分子间氢键HHHNHNHH（b）氨分子间氢键HHNHOHH（c）氨与水分子间氢键图8—12氢键的形成8.3.2离子键和离子晶体原子失去电子成为正离子，而原子得到电子成为负离子，正离子和负离子之间通过静电吸引而形成的化学键称为离子键。由离子键形成的化合物称为离子化合物。8.3.3金属键共用电子在金属原子、金属离子之间产生一种结合力，这种结合力称为金属键熔点测定目的和要求了解测定熔点的意义。正确掌握用毛细管法测定有机化合物的原理及其方法。基本原理——熔点定义：熔点是固体有机化合物固液两态在大气压力下达成平衡的温度。纯净的固体有机化合物一般都有固定的熔点，固液两态之间的变化是非常敏锐的，自初熔至全熔(称为熔程)温度不超过0.5-1℃。若化合物含有杂质，会导致熔点变低，熔程变长。沸点管橡皮圈温度计样品液面沸点测定装置实验装置——熔点的测定提勒管熔点管样品温度计熔点测定装置固定b形管，加入石蜡油样品管中加入样品将样品放入b形管内加热升温距离熔点10-15℃时(1-2℃/分钟)记录初熔及终熔温度终熔温度：固体完全消失1、熔点的测定初熔温度：样品开始塌陷并有液相产生熔点测定实验步骤熔点测定实验步骤注意事项：毛细管的封闭：将毛细管的一端伸入酒精灯下层火焰，不断转动毛细管使其不歪斜，不留孔。装样高度：2~3mm，密实。注意使温度计水银球位于b形管上下两叉口之间。升温速度：不可太快，特别是接近熔点时需控制每分钟升温1℃左右。每个样品测两次（复测需重新装样，不可待上次样品凝固后再测）熔点的测定——数据记录观测三个温度，并列表记录：萎缩、塌陷温度T1液滴出现温度T2全部液化时温度T3表格建议格式：样品T1T2T3尿素第一次第二次T1-T3即为化合物的熔程思考题1.测定熔点时，若遇下列情况，将产生什么样结果？(a)熔点管壁太厚。(b)熔点管底部未完全封闭，尚有一针孔。(c)熔点管不洁净。(d)样品未完全干燥或含有杂质。(e)样品研得不细或装得不紧密。(f)加热太快。