热化学课件：第五章 物质结构.ppt

1、无机化学无机化学第五章第五章 物质结构基础物质结构基础 5.1 5.1 原子结构原子结构 5.2 5.2 化学键化学键 5.3 5.3 晶体结构晶体结构 无机化学无机化学5.1 原子结构5.1 核外电子运动的特性性5.1 原子轨道和电子云5.3 核外电子分布和周期系无机化学无机化学DNA 双螺旋结构双螺旋结构 大家已经知道，原子、分大家已经知道，原子、分子和离子等是物质是参与化学子和离子等是物质是参与化学变化的最小粒子。因此了解这变化的最小粒子。因此了解这些粒子的内部组成、结构和性些粒子的内部组成、结构和性能，是理解化学变化能，是理解化学变化(反应反应)本质本质及其规律性的前提条件，是化及其规

2、律性的前提条件，是化学科学的核心内容学科学的核心内容。 5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学黑体辐射实验黑体辐射实验 无反射能力的物体称(绝对)黑体，黑体向四周辐射的能量称为辐射能。按照经典理论的观点，谐振子的能量和它的振幅平方成正比，振子的振幅是连续变化的，因而振子的能量也是连续变化的。然而，根据物理量连续变化的这种传统观念，总是不能圆满解释黑体辐射实验曲线。 一、一、 微观粒子的量子化特征微观粒子的量子化特征5.1.1 核外电子运动的特性性5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学普朗克的量子假说普朗克的量子假说1900年普朗克（M.Planck）提出了量子论，才能圆满解释辐射实验曲

3、线。在辐射(或吸收)过程中，谐振子的能量及其变化都是不连续的，只能是一群分立的量值，而且这些量值E只能是某一最小能量单元E的整数倍，即： E EE E ，正整数，正整数最小能量单元应与谐振子的频率成正比，即： E E 式中是普朗克常数, 6.626Js。5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学 综上所述，所谓量子化特征是指: 如果某一物理量的变化是不连续的，而是以某一最小单位作跳跃式的增减，这一物理量就是量子化的，其变化的最小单位就做叫这一物理量的量子。 普朗克的量子假说，否定了“一切自然过程都是连续的”的观点，成为“20世纪整个物理学研究的基础”(爱因斯坦)。 5.1 原子结构原子结构 无

4、机化学无机化学氢原子光谱实验氢原子光谱实验 由于氢原子是世界上最简单的原子（原子核只有1个质子，核外只有1个电子），人类对原子结构的探索，首先从氢原子开始。研究原子光谱是了解原子性质和结构的最重要手段之一。研究氢原子核外电子结构的实验是氢原子光谱实验。 在熔接着两个电极的真空玻璃管内，充入氢气，通过电极加上电压，玻璃管会发光，这是核外电子从高能状态回迁到低能状态释放能量所发出的光。此光通过棱镜分光，在黑色屏幕上可以看到对应的光谱。 5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学 太阳光、白炽灯光和固体加热时发出的光，其频率十分齐全，在谱图上所得谱线十分密集，连成一片，称连续光谱(continuou

5、s spectrum)-表示能量连续变化。5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学传统观念不能圆满解释氢原子光谱实验结果 按照卢瑟福原子结构的“行星式模型”和经典的电磁理论，电子绕核的旋转的加速运动中电子将连续不断地释放能量，以致使绕核运动的轨道半径连续变小，进而使发射电磁波的波长和频率也连续变化，由此得到的光谱应该是连续光。氢原子光谱实验的结果出人意料，得到的却是线状光谱。5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学 在可见光范围只看到四条颜色不同的谱线，分别为红色（ 4.57X1014S-1）、青色（6.17 X1014S-1）、 蓝紫色（6.91 X1014S-1）、紫色（7.31 X1

6、014S-1）。并符合下列规律： = 3.289X1015（ ）S-1当n = 3、4、5、6时分别等于上述四条谱线的频率， 但无法解释其物理意义。22121n5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学BohrBohr理论理论1913年，丹麦物理学家玻尔(Bohr)在卢瑟福原子结构的“行星式模型”基础上，引入了普朗克的量子化概念，比较满意地解释了氢原子光谱规律，玻尔理论的要点如下： （1）核外电子只能在具有确定半径和能量的轨道上运动，也就是说轨道半径和轨道的能量都是不连续的，电子在这些轨道上运动时并不辐射能连。 轨道半径的计算公式为：r r n n = =0 0 ，. . ，正整数，正整数.

7、. 其中其中0 0 = 53 = 53 pm = 53pm = 5310 10 -12-12 m m，称为玻尔半径。，称为玻尔半径。5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学（2）能 量最低的轨道称为基态原子轨道，在正常情况下，电子总是处于基态轨道。当原子通过通电、受热或受到辐射时，电子获得能量可以跃迁到离核较远（能量较高）的轨道上去，这时原子处于激发态。轨道能量的计算公式为：= = / / ，. . ，正整数，正整数. . 其中其中B = 13.6 eV B = 13.6 eV = 2.179= 2.1791010-8-8 J J。5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学（3）于激发态的电

8、子不稳定，可以跃迁到离核较近的轨道上，同时释放出光能。辐射能的大小，取决于跃迁前后两个轨道的能量差，因此电子的辐射能是不连续的： 辐射辐射 高高低低 （/ /低低）（）（/ /高高） B =13.6 eVB =13.6 eV = 2.179 = 2.1791010-18 -18 J J 由辐射辐射 = = ， =辐射辐射/ /可以计算光谱的频率。由=/ /可以计算波长，其中c为光速，c = 299792458 m.s-1 3108 m.s-15.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学玻尔理论的贡献 玻尔理论能够解释许多由单电子运动决定的光谱实验事实，还为类氢离子(即只一个核外电子的体系，如、等

9、)的光谱实验所证实。电子具有确定能量的定态轨道的观点，也得到了弗兰克 赫兹(Franck Hertz)电子轰击原子实验的有力支持， 玻尔理论提出能级的概念，引入量子化条件，成功地解释了氢原子光谱，把宏观的光谱现象和微观的原子内部电子分层结构联系起来，推动了原子结构理论的发展，是原子结构理论发展过程中的一个重大进展。5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学玻尔理论的缺陷：（a） 无法解释原子光谱的精细结构（b） 不能说明多电子原子的光谱（c） 不能解释原子的稳定性 人们不得不反思：是否因为人类对电子的属性尚未明了，才会导致上述的种种困惑呢?BohrBohr5.1 原子结构原子结构 无机化学无机

10、化学光电效应实验-爱因斯坦光子学说 人们的常识性：-光是一种电磁波 -但是不能解释光电效应的实验规律 爱因斯坦受普朗克量子假说启发，于1905年提出了光子学说：电磁波(即光)不仅在黑体表面交换能量时，是一份一份进行的，是不连续的，而且在空间传播时，也是不连续的，是一份一份地进行的。 光波是一个个不可分割的粒子聚集而成的整体。二、波粒二象性二、波粒二象性5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学光具有“粒子性”，体现在： 具有能量：具有动量：具有质量： hE hP 22ChCEm 光子电子的碰撞服从能量守恒和动量守恒定律。这些性质与经典力学中所表示的微粒性质相一致。这就是爱因斯坦的光子说 。根据

11、光的波粒二象性，不仅成功地解释了光电效应的实验规律，而且还结束了几百年来关于光是波还是粒子的争论，并对量子力学的建立起到了巨大的促进作用。5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学德布罗意(De Broglie)物质波假说 德布罗意于1924年提出：波粒二象性不只是光才有的特性，而是一切微观粒子共有的本性。并提出德布罗意关系式：mvhph计算发现：只有当实物粒子的德布罗意波长大于或等于其直径时，才既能显示波动性，又能显示粒子性，即具有波粒二象性；对于波长小于直径的那些粒子，粒子性掩盖了波动性，即只显示粒子性。讨论比氢原子还大的原子(粒子)的波动性已无实际意义。从而说明，波粒二象性是微观粒子的特

12、性。De Broglie5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学1927年，电子衍射实验完全证实了电子具有波动性。(a) X(a) X光衍射图光衍射图(b) (b) 电子衍射图电子衍射图5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学德布罗意关系式的内涵： 所谓微观粒子的波动性，仅仅是指粒子的运动在某种条件下，会产生干涉和衍射等波动现象，但不意味着物理量在介质中的传播(否则就是经典波)，所以德布罗意波是不可测量的； 所谓微观粒子的粒子性，是指在与物质相互作用时，能显示能量、质量和动量等粒子属性，但它不存在沿一定轨道运动的观点(否则是经典粒子)。 所以波粒二象性，对描述宏观物体运动规律的经典理论是不

13、可想像的，但对微观粒子却是不可避免的。5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学三、不确定关系三、不确定关系 对于宏观粒子的运动状态总是用坐标和动量(或速度)来描述的。这就意味着既可以通过理论计算，也可以通过实验同时精确地测定粒子的坐标和动量，宏观粒子是测得准的。 对于微观粒子，由于它还具有波动性，经典理论的方法不再适用。经研究发现，其坐标和动量之间存在着一种互相依赖、互相制约的不确定关系。微观粒子是测不准的。hPXx5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学粒子质量粒子质量 m/ kgm/ kg 运动速度（运动速度（v v） 运动坐标（运动坐标（x x）v v/m/ms s- -确定量确定量

14、vv运 动 直 径运 动 直 径/m/m不确定量不确定量/m/mm m（电子）：（电子）：9.19.110101010 101010101010 ( (误差不可忽略误差不可忽略) )m m（尘埃）：（尘埃）：10105 510106 610103 3不限不限6.6266.62610101010( (误差误差完全可以忽略完全可以忽略) )（/ /） 欲用经典理论中的物理量坐标和动量来描述微观粒子的运动状态时，只能达到一定的近似程度。例如：5.1.2 原子轨道和电子云原子轨道和电子云5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学 由于微观粒子具有波粒二象性，受不确定关系的限制，微观粒子的运动不能用经典

15、理论，而应该用量子力学的方法进行处理。描述微观粒子运动规律的数理方程称为薛定谔方程，其形式如下：SchrodingerSchrodinger22x22y22z)(822VEhm+=- （，）一、波函数与原子轨道一、波函数与原子轨道5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学式中 （，）为波函数，表示核外电子运动状态的函数式，-是电子具有波动性的表现； m为电子的质量， E为电子的总能量，等于动能与势能之和，V为电子的势能，, ,Z为核电荷，e为电子电量，r为电子离核的距离，-这些都是电子具有粒子性的表现；是普朗克常数， -通过普朗克常数的联系，将电子这种微观粒子的波动性与粒子性统一在薛定谔方程中

16、。5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学薛定谔方程式是二阶偏微分方程，求解过程非常复杂，只须了解其求解思路和基本步骤：(1)坐标变换：核电荷产生的势场是球形对称的所以解这个方程应在含 r，变量的球极坐标系中进行。为此，应将方程（，）变为方程（，），对应方程的解也由 （，）变为 （，）其中的自变量，与自变量，之间的换算关系如图所示： 5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学(2)分离变量： 将含多个自变量的薛定鄂方程： （，） 拆分为两个简单变量薛定鄂方程 ：（） 称径向方程（R方程）和（， ）称角度方程（、方程）(3)求解方程：求解径向方程（） ，得径向波函数R（r）；求解角度方程（，

17、），得角度波函数Y（，）；这二者的乘积就是总的波函数 （，）= R（r）Y（，）。5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学表表 单电子原子轨道的波函数单电子原子轨道的波函数 5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学波函数的意义因为 2（，）表示离核距离为，方位为，处微小空间电子云出现的几率密度，所以波函数 2（，）是表示核外电子运动状态的函数，所以每一波函数都表示电子的一种运动状态。通常把这种波函数称为轨道函数，简称原子轨道。 虽然它是薛定鄂方程的解但仍然是非常复杂的函数式，通常用图解的方法直观的理解轨道函数 2（，）和电子云 2（，）的分布情况，分别称为轨道函数的图形和电子云的图形。 5

18、.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学原子轨道的图形 将角度函数Y（，）对角度（，）作图， 得原子轨道的角度分布图（Y图）； 将径向波函数R（r）对半径（r）作图， 得原子轨道的径向分布图（R图）；将Y图和R图叠加得原子轨道图形。例如2Pz原子轨道图的产生： Y（Pz）-图R（2Pz）-r图2Pz原子轨道图5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学例:（）原子轨道的角度分布图作图过程（） /（）（ ） /。0 0303090901501501801801.001.000.8660.8660.000.00-0.866-0.866-1-1（）0.4890.4890.4230.4230.000.0

19、0-0.423-0.423-0.489-0.4892 2（）0.2390.2390.1790.1790.000.000.1790.1790.2390.2395.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学0 。30 。90 。150 。180 。0.4890.4230-0.423-0.489+-波函数（原子轨道）角度分布图的绘制波函数（原子轨道）角度分布图的绘制5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学 波函数波函数( (原子轨道原子轨道) )的角度分布图的角度分布图 5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学波函数波函数( (原子轨道原子轨道) )的径向分布图的径向分布图5.1 原子结构原子结构

20、无机化学无机化学电子云的图形Y2（，）对角度（，）作图，得电子云的角度分布图（Y2图）；令D（r）=4 ，则D（r）对半径（r）作图， 得电子云的径向分布图（D图）。将电子云的角度分布图（Y2图）与电子云的径向分布图（D图）叠加， 便得到电子云图。例如2Pz电子云图的产生：22Y2（2Pz）-图D（2Pz）- r图2Pz电子云图5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学 d半径为的 球壳面积体积 该处电子云的几率密度（单位体积的几率） dr 该球壳上电子云的几率 例：电子云的径向分布图的意义r drS = D dr = dr5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学电子云的角度分布图电子云的角

21、度分布图5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学3d3d电子云图的叠合过程电子云图的叠合过程3S3S电子云图的叠合过程电子云图的叠合过程3P3P电子云图的叠合过程电子云图的叠合过程5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学1S1S电子云图的叠合过程电子云图的叠合过程1s1s5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学2p2p2P2P电子云图的叠合过程电子云图的叠合过程5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学3d3d电子云图的叠合过程电子云图的叠合过程3d3d5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学 核外电子的量子化特征，表现在描述它运动规律的薛定谔方程只有在符合某些特定条件时，才有合理的解

22、(有确定的波函数)。表示这些特定条件的物理量称为量子数，量子数是在求解薛定谔方程的过程中自然产生的。一组量子数就对应着电子的一种能量状态，既然电子的能量状态是不连续的，因此量子数的值也是不连续的。量子数的名称、符号及其意义分述如下：二、四个量子数二、四个量子数5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学(1)(1)主量子数主量子数 符号：符号： 意义意义1 1 决定电子出现几率最大的区域离核的远近。（决定电子出现几率最大的区域离核的远近。（n n值愈大离核愈远）值愈大离核愈远） 取值：取值：1 1，2 2，3 3，4 4， 等正整数。等正整数。 符号：符号：K K，L L，M M，N N，O O

23、，P P， 意义意义2 2 决定电子能量的高低决定电子能量的高低对于单电子体系，电子能量完全由决定：对于单电子体系，电子能量完全由决定：. .( (/ /) )（）（） . .( (/ /) ) （）（） 对于多电子原子，电子能量的大小除了与主量子数有关外，对于多电子原子，电子能量的大小除了与主量子数有关外， 还与角量子数有关。还与角量子数有关。5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学(2)(2)角量子数角量子数 符号：符号：意义意义1 1 决定电子云的形状决定电子云的形状 取值：取值： 0 0，1 1， 2 2， 3 3，（，（n - 1n - 1） 符号：符号：， 取值限制：取值限制：共

24、共n n个，最大值为（）个，最大值为（）意义意义2 2 决定电子角动量的大小，相同决定电子角动量的大小，相同愈大电子的能量愈高。愈大电子的能量愈高。 相同相同不同的电子能量差别并不太大，所以不同的电子能量差别并不太大，所以通常将相同、通常将相同、不同的电子归在同一电子层中的不同电子亚层。不同的电子归在同一电子层中的不同电子亚层。例如：例如：（层）时：（层）时： （态）、（态）、（态）、（态）（态）、（态）、（态）、（态） 即：即：第四电子层共有、四个电子亚层，第四电子层共有、四个电子亚层，可见：电子亚层数与它的主量子数值相同。可见：电子亚层数与它的主量子数值相同。5.1 原子结构原子结构 无机

25、化学无机化学(3)(3)磁量子数磁量子数 符号：符号： 意义意义：决定了在外磁场作用下，电子绕核运动的角动量在磁场方向上：决定了在外磁场作用下，电子绕核运动的角动量在磁场方向上的分量的大小，它反映原子轨道在空间的不同取向。每一个取向相当的分量的大小，它反映原子轨道在空间的不同取向。每一个取向相当于一个于一个“原子轨道原子轨道”。取值限制取值限制：，：，L L 共共2 2+1+1个个即：每个亚层中的电子可以有即：每个亚层中的电子可以有2 2+1+1个取向，每个亚层中有个取向，每个亚层中有2 2+1+1个原个原子轨道。子轨道。5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学 (4)(4)自旋量子数自旋量

26、子数 符号：符号：意义：意义： 决定电子的自旋运动状态决定电子的自旋运动状态取值：取值： / /-顺时针方向自旋顺时针方向自旋 、 / /-逆时针方向自旋逆时针方向自旋 应当指出，应当指出，“电子自旋电子自旋”并非像地球绕轴自旋一样，而是表示电子并非像地球绕轴自旋一样，而是表示电子自身的两种不同的运动状态。自身的两种不同的运动状态。5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学小结：小结： 四个量子数规定了核外电子的运动状态，每个电子都可四个量子数规定了核外电子的运动状态，每个电子都可以用上述的四个量子数的一套数据来描述其运动状态（对应以用上述的四个量子数的一套数据来描述其运动状态（对应着一个波函

27、数），同一原子中没有四个量子数完全相同的电着一个波函数），同一原子中没有四个量子数完全相同的电子。换句话说，在同一原子中的各个电子，它们的运动状态子。换句话说，在同一原子中的各个电子，它们的运动状态不可能完全相同，即四个量子数中至少有一个量子数是不同不可能完全相同，即四个量子数中至少有一个量子数是不同的。的。5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学表表 量子数与原子轨道量子数与原子轨道 lmmln ,1主量子数角量子数磁量子数轨道符号3003s103pZ Z3pX X3pY Y203d（z2z2）3d XYXY3dYZYZ3d（x2-y2x2-y2）3d XYXYln25.1 原子结构原子结

28、构 无机化学无机化学 对单电子体系，可用单电子的薛定谔方程处理，只需处理1个核和1个电的吸引作用。对多电子体系，要用多电子的用薛定谔方程处理，N个电子与1个核的吸引作用，要处理 N个电子之间的排斥作用。5.1.3 原子核外电子分布与周期系5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学一、核外电子分布的原则一、核外电子分布的原则（1）泡利）泡利()不相容原理不相容原理 “在同一原子中没有四个量子数完全相同的电子”或者：“同一原子轨道只能容纳两个自旋相反的电子”每一电子层、每一电子亚层所能容纳的电子数都是一定的 。（2）最低能量原理）最低能量原理 多电子原子处于基态时，核外电子的分布，在不违背泡利原理

29、的前提下，核外电子在各原子轨道中的排布方式应使整个原子的能量处于最低的状态。即总是尽先占有能量最低的轨道，只有当能量最低的轨道占满后，电子才能依次进入能量较高的轨道，这就是能量最低原则。一般来说应当按照近似能级图的顺序填充电子。5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学（3）洪特规则）洪特规则 在能量相同的轨道上排布电子时，总是以自旋相同的方向优先分占不同的轨道，这样体系的能量较低。因此，在一个亚层中，半充满状态是该亚层中自旋成单最多的状态(3，5 ，7)，能量最低。此外，亚层处于全充满(如6 ，10 ，14 )状态时 也是一种低能量的状态。 那么，哪些轨道能量较高，哪些轨道能量较低呢？这就需

30、要进一步了解原子轨道的能级。5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学 美国著名结构化学家鲍林根据大量光谱实验数据及理论计算的结果，提出了多电子原子中轨道的近似能级图。这个图的能级顺序与外层轨道电子的填充顺序是一致的，因此近似能级图实际上是电子填充顺序图。二、原子轨道的能级与核外电子分布二、原子轨道的能级与核外电子分布5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学 我国著名化学家徐光献先生，在总结前人工作的基础上，提出了轨道能量高低与主量子数n和角量子数l的关系式， 用这种方法计算得到的电离能数值与实验值符合得很好。式中n、l分别为对应轨道的主量子数和角量子数，其值越大，能量越高。例如: E（4S

31、）=（4+0.7 0）= 4， E（3d）=（3+0.7 2）= 4.4 E（3d）大于E（4S）。lnEln7.0)(,徐光献先生徐光献先生5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学原子轨道能量与原子序数的关系原子轨道能量与原子序数的关系5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学一般核电子的能级符合下列的规律：5.1 原子结构原子结构 ns (n-2)f (n-1)d np无机化学无机化学 周期：周期：7个能级组的存在是元素表被划分成7个周期的本质原因。 周期号数周期号数 = = 能级组号数能级组号数 = = 电子层数电子层数 = = 最大主量子数最大主量子数max max 每周期的元素个数

32、 = 该周期元素外层轨道所能容纳的电子数。 每一周期从亚层开始，到亚层结(第一周期只有亚层)。三、原子周期系三、原子周期系5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学族：族：每周期元素的电子层结构出现周期性的变化，将相同的价电子层结构的元素归为同一列（共分18列），这是周期表分族的依据。主族主族 占8列，分8族， 凡是最后一个电子填入或能级的元素称为主族元素。 通式通式：ns ns 1-21-2 np np 0-60-6副族副族 占10列，分8族（第8族占3列），凡是最后一个电子填在（n-1）或(n-2)能级上的元素，称为副族元素。 通式通式：( (n-2)fn-2)f1-141-14 (n-1

33、)d (n-1)d1-101-10 ns ns1-21-25.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学分区：分区：将结构相似的族划为同一区区 凡是价电子层最高能级为1-2电子组态的元素，称区元素。它包括和A两个主族元素。p区 凡是价电子层上具有ns2 n p-6 电子组态的元素 称为p区元素。它包括A-A以及0族的主族元素。区价电子层上具有(n-1)d-ns-电子组态的元素称为区元素。它包括- 6个副族元素。 区价电子层中具有(n-1)dns-电子组态的元素称为区元素。它包括、两个副族元素。区 价电子层中具有(n-2)f-(n-1)dns电子组态的元素称区元素,镧系元素和锕系元素属于区元素。5.

34、1 原子结构原子结构 无机化学无机化学族族 A A B B A A1 12 23 34 45 56 67 7 8 81 12 23 34 45 56 67 70 01 1 2 2 3 34 45 56 67 7区区 S S区区 d d区区dsds区区 P P区区n nS S1 1 2 2 nS nS2 2 （n-1n-1）d d1 81 8 nS nS2 2 n n p p1 61 6元素周期表与原子的电子层结构关系图元素周期表与原子的电子层结构关系图 5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学 元素的性质是其原子结构的反映，随着原子序数的增元素的性质是其原子结构的反映，随着原子序数的增大，原

35、子的电子层结构呈周期性的变化，因此与电子层结大，原子的电子层结构呈周期性的变化，因此与电子层结构有关的元素的基本性质，也呈现周期性变化。构有关的元素的基本性质，也呈现周期性变化。5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学孤立原子的半径：孤立原子的半径： 原子的基电子组态中，占据最高能级上的电子到原子核的距离。由于电子的波动性和不确定关系而测不准。可以用基态原子最外层的原子轨道的半径近似代表其半径孤立原子的半径。 2 20 0 / /（* *）5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学实际原子的半径：实际原子的半径：其大小与其所处环境有关，取决于它与环境中原子之间作用力的性质，分为：(1)原子的

36、共价半径 -同种元素的两个原子A，以共价键结合成分子A时，两原子的核间距的一半，为A原子的共价半径。(2)范德华半径在以范德华力形成的分子晶体中，不属于同一个分子的两个最接近原子的核间距的一半。(3)原子的金属半径 -在金属晶体中，两相互接触原子的核间距(离)的一半。5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学原子半径的变化规律原子半径的变化规律（1 1）原子半径的相对大小：）原子半径的相对大小：范德华半径范德华半径 自由原子自由原子“半径半径” ” 金属半径金属半径 共价半径共价半径（2 2）同周期比较：）同周期比较：主量子数相同，有效核电荷数*越大，对最外亚层中电子的吸引力就越大，相应的原子

37、半径越小；主族元素 ：从左到右原子半径（但惰性元素半径突然增大）副族元素：从左到右 原子半径（但到了B和B两个副族元素原子半径明显地增大了 ）主族元素原子半径递变规律明显，因为有效核电荷*递增明显。（3）同族比较：同族比较：有效核电荷数*基本相同，最外亚层的主量子数越大，最外亚层电子的能量越大，因而它们离核的距离也越大，即原子半径越大。主族元素：自上而下 原子半径增大。副族元素： r（四周期） r（五周期） r（六周期）， （由镧系收缩引起）5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学原子半径随周期表的变化规律原子半径随周期表的变化规律5.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学5.1 原子结构原

38、子结构 无机化学无机化学电离能的概念：电离能的概念： 基态的气态原子失去最外层的一个电子成为气态+1价离子所需的最低能量称为第一电离能I1，再相继失去第二、三、个电子所需能量依次称为第二电离能、第三电离能(I2 I3)等等。 gAgAgAgAIII323215.1 原子结构原子结构 无机化学无机化学电离能的周期性变化电离能的周期性变化（1 1）各级电离能的关系）各级电离能的关系 原子失去电子后，离子中电子受核的吸引增强，能量有所降低，故从A+离子中再失去一个电子所需的能量，即第二电离能必大于第一电离能，依次类推。逐级电离能总是递增的，即：I I1 1 I I2 2 I I3 3 I 9-17e

39、- 8e-5.3 晶体结构无机化学无机化学 4. 离子极化对键型的影响离子极化对键型的影响 离子极化的结果使离子晶体中出现离子对或分子单位，从离子键强度考虑，共价键的百分数增大，离子键向共价键过渡。这种过渡则使得物质的熔点、沸点降低，在水中的溶解性降低 。5.3 晶体结构无机化学无机化学 干冰的晶体结构干冰的晶体结构5.3.4 5.3.4 分子晶体分子晶体5.3 晶体结构无机化学无机化学 我们学过的一些物质，如H2O、CO2、NH3、CH4 等，在固态时也以晶体的形式存在，但与NaCl和CsCl晶体不同，它们是由分子通过分子间作用力结合而成的。在这些晶体中，构成晶体的粒子是分子，像这样分子间以

40、分子间作用力相结合的晶体叫做分子晶体分子晶体。前图所示的是CO2的晶体结构模型。此外，卤素、稀有气体、O2、CO等，也都能形成分子晶体。5.3 晶体结构无机化学无机化学 由于分子间作用力很弱，要破坏它使晶体变成液体或气体就比较容易，所以，分子晶体具有较低的熔点和沸点，如CO的熔点为199，沸点为191.5。并且分子晶体的硬度也较小。对于分子晶体来说，分子间作用力的大小对其熔点、沸点等都有影响。例如，分子间作用力越大，克服分子间作用力使分子晶体熔化和汽化就需要越多的能量，分子晶体的熔点和沸点也就越高。5.3 晶体结构无机化学无机化学 由于分子晶体是由分子构成的，所以，它们在固态和熔融状态时都不导

41、电。 组成分子晶体的分子不同，分子晶体的性质也不同，如在溶解性上，不同的分子晶体存在着较大差异。5.3 晶体结构无机化学无机化学氢键氢键 5.3 晶体结构无机化学无机化学 氢键形成的条件和本质氢键形成的条件和本质氢键形成的条件 与电负性很大的原子A 形成强极性键的氢原子 较小半径、较大电负性、含孤电子对、带有部分负电荷的原子B (F、O、N) 氢键的本质 强极性键(A-H)上的氢核, 与电负性很大的、含孤电子对并带有部分负电荷的原子B之间的静电引力。 5.3 晶体结构无机化学无机化学 氢键的特点氢键的特点 键长特殊：FH F 270pm 键能小 E(FH F) 28 kJmol1 具有饱和性和

42、方向性5.3 晶体结构无机化学无机化学 分子间氢键和分子内氢键HCOOHHOOHC5.3 晶体结构无机化学无机化学 5.3.5 5.3.5 原子晶体原子晶体 金刚石的晶体结构二氧化碳的晶体结构5.3 晶体结构无机化学无机化学 我们已经知道，固态CO2是分子晶体，它的熔、沸点都很低。我们也知道，Si与C同属于第A族，那么SiO2晶体与CO2晶体是否具有相似的结构和性质呢？ CO2和SiO2的一些物理性质如下表所示，通过比较试判断SiO2晶体是否属于分子晶体。熔点 /沸点 /状态（室温）CO2-78.4-56.2气态SiO217232230固态5.3 晶体结构无机化学无机化学 通过比较可以知道，S

43、iO2与CO2在熔点、沸点等物理性质上存在很大的差异，可以推断SiO2不属于分子晶体。这是为什么呢？ 研究发现，SiO2和CO2的晶体结构不同。在SiO2 晶体中，1个Si原子和4个O原子形成4个共价键，每个Si原子周围结合4个O原子；同时，每个O原子跟2个Si原子相结合。实际上，SiO2 晶体是由Si原子和O原子按1 2的比例所组成的立体网状的晶体。这种相邻原子间以共价键相结合而形成空间网状结构的晶体，叫做原子晶体原子晶体。5.3 晶体结构无机化学无机化学 原子晶体中，构成晶体的粒子是原子，原子间以较强的共价键相结合，而且形成空间网状结构，要破坏它就需要很大的能量，所以，原子晶体的熔点和沸点高，如SiO2 晶体的熔点为1723，沸点为2 230。并且，原子晶体的硬度大，不导电，并难溶于一些常见的溶剂。5.3 晶体结构无机化学无机化学 我们知道，金刚石是天然存在的最硬的物质，它也是一种原子晶体，其晶体结构与SiO2 晶体相似。在金刚石的晶体中，C原子的排列与Si原子相同，只是碳原子之间没有O原子，即每个碳原子都被相邻的4个碳原子包围，处于4个碳原子的中心，以共价键与这4个碳原子结合，成为正四面体结构，这些正四面体向空间发展，构成彼此联结的立体网状晶体。金刚石的熔点（3 550）和沸点（4 827）都很高。5.3 晶体结构