大学化学-物质结构基础.课件.ppt

1、1900年12月14日 普朗克在柏林宣读了普朗克在柏林宣读了他关于黑体辐射的论他关于黑体辐射的论文，宣告了量子文，宣告了量子quantum的诞生。那的诞生。那一年他一年他4242岁。岁。1927年第五届索尔维会议参加者合照年第五届索尔维会议参加者合照 1913年，丹麦物理学家年，丹麦物理学家 NBohr提出氢原子结构提出氢原子结构模型模型:4 E2 - E1 = E = h h 普朗克常数（普朗克常数（6.62610 -34 J S）E = 2.1810-18 / n2n 主量子数主量子数普朗克普朗克123基基 态态激发态激发态定态定态能量最低能量最低 最稳定最稳定能量较高能量较高 不太稳定不

2、太稳定1924年，法国物理学家德布罗依受光的波粒二象年，法国物理学家德布罗依受光的波粒二象性的启发，提出微观粒子性的启发，提出微观粒子(电子电子)也具有波粒二象也具有波粒二象性。性。 德布罗依关系式：德布罗依关系式： = hmv (波长与速度的关系波长与速度的关系)电子发射器电子发射器晶体镍晶体镍照相底片照相底片 粒子性粒子性:波动性波动性:实物粒子实物粒子1927年年, 电子衍射实验电子衍射实验戴维逊和汤姆逊戴维逊和汤姆逊波粒二象性是微观粒子运动的基本属性波粒二象性是微观粒子运动的基本属性说明：本节不讨论薛定谔方程的求解过程，只是对说明：本节不讨论薛定谔方程的求解过程，只是对 解薛定谔方程中

3、引入的三个量子数（解薛定谔方程中引入的三个量子数（ n, l , m） 的意义作必要的探讨。的意义作必要的探讨。物理意义：描述原子中电子运动状态的数学函数式，物理意义：描述原子中电子运动状态的数学函数式， 又称为原子轨道。通常用又称为原子轨道。通常用(x , y , z)表示。表示。（原子轨道）（原子轨道）E为电子总能量为电子总能量,V为电子势能为电子势能0)VE(hm8zyx22222222 nlm 0a/ r30ea/1)0 , 0 , 1 ( 22（4） 32（9） 42（16）总数总数n21 K2 L3 M4 N5 O6 P7 Qnml00010120123sspspdspdf00,1

4、00,10,100,1, 20,1, 2,30,1,2(1.0.0)(2.0.0)轨道数轨道数 名称名称1s2s3s4s2p3p4p3d4d4f131113 557312 l +1氢原子轨道与三个量子数的关系氢原子轨道与三个量子数的关系 ( n , l , m , ms )可全面描述核外电子的运动状态可全面描述核外电子的运动状态主量子数主量子数(n)：代表电子离核的平均距离。代表电子离核的平均距离。电子层电子层角量子数角量子数 (l ) ： 反映原子轨道的形状。反映原子轨道的形状。电子亚层电子亚层0s1p2d3f磁磁量子数量子数 (m)： 反映原子轨道的空间取向。反映原子轨道的空间取向。 自旋

5、量子数自旋量子数 (ms)：表征电子的自旋状态，取值：表征电子的自旋状态，取值：21 通常用：通常用：“ ”或或“ ”表示。表示。2(x, y, z)(r, , ) zoxy PP x = r sin cos y = r sin sin z = r cos (r, , )= R( r ) Y( , ) 径向部分径向部分 角度部分角度部分 波函数和电子云的图像可分解为两部分波函数和电子云的图像可分解为两部分: 径向分布图和角度分布图径向分布图和角度分布图 将将Y( , )或或 Y2( , )随随 、 的变化关系的变化关系 作图即得波函数或电子云的角度分布图。作图即得波函数或电子云的角度分布图。

6、电子云电子云无无 原子轨道原子轨道有有略略“瘦瘦 ” 略略“胖胖”电子云与原子轨道的角度分布图区别电子云与原子轨道的角度分布图区别:正负正负形状形状（1）原子轨道或电子云的角度分布图不表示）原子轨道或电子云的角度分布图不表示 原子轨道或电子云的图像。原子轨道或电子云的图像。 （2）l , m 相同相同 n 不同，表示不同，表示 R( r )不同不同, 但但 Y( , )相同。相同。注意：注意：s电子云除外电子云除外l 氢原子的轨道能级由氢原子的轨道能级由 主量子数主量子数 n原子轨道的能级由低到高的顺序：原子轨道的能级由低到高的顺序：1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d

7、5p 6s 4f 5dl 多电子原子轨道的能级由多电子原子轨道的能级由 主量子数主量子数 n 决定。决定。 共同决定。共同决定。和角量子数和角量子数 l1s2s3s4s5s6s2p3p4p5p6 (6s，4f，5d，6p)5 (5s，4d，5p)4 (4s，3d，4p)3 (3s，3p)2 (2s，2p)1 (1s)6p3d4d5d4f鲍林近似能级图鲍林近似能级图能能 级级 组组（1）n 相同：相同： E(s) E(p) E(d) E(f) （2） l 相同：相同： E(2p) E(3p) E(4p)（3）能级相错：）能级相错： E(4s) 1.7）例如：例如：NaCl，NaF，NH4Cl 等

8、。等。 (Valence Bond Theory ，VB 理论理论) 价键理论价键理论 分子轨道理论分子轨道理论MO理论理论 晶体场理论晶体场理论如如 H - - H Cl- -Cl H - - Cl 共价多键共价多键:如如 O = O NN注意：共价键数受未成对电子的限制。注意：共价键数受未成对电子的限制。 共价单键共价单键:氢原子的电子不仅固定在原先的轨道上氢原子的电子不仅固定在原先的轨道上,而且也出现在对方的原子轨道而且也出现在对方的原子轨道H2HH+1927 年年 Heitler 和和 London初步阐明共价键的本质。初步阐明共价键的本质。 1H 1s1 实质：实质： 共用电子对共用

9、电子对+H2O8O1s22s22P4+- .+-. 键键 “头碰头头碰头”牢固牢固“肩并肩肩并肩”易断裂易断裂 饱和性饱和性 方向性方向性 键键 型：型： 键键 特特 点：只有同号的轨道才能有效点：只有同号的轨道才能有效的叠加的叠加 +.+.O HH10440键长键长,键角键角,键能键能 要要 点：点： 原子构成分子时，先将能量相近的原子轨原子构成分子时，先将能量相近的原子轨道道可以混杂可以混杂形成数目相同的新的原子轨道形成数目相同的新的原子轨道_杂杂化轨道化轨道。a. 杂化、杂化轨道杂化、杂化轨道 “混合混合”, “重新组合重新组合”分配能量分配能量 确定空间取向确定空间取向新轨道新轨道b.

10、 杂化本质杂化本质原子轨道叠加原子轨道叠加c. 杂化条件杂化条件l 参与杂化的原子轨道能量相近参与杂化的原子轨道能量相近l 形成的杂化轨道数与参与杂化的原子形成的杂化轨道数与参与杂化的原子 8 轨道数相同轨道数相同 sp2杂化杂化 （4） 晶体场理论晶体场理论在金属晶体中，自由电子作穿梭运动，它不专属于某个金属在金属晶体中，自由电子作穿梭运动，它不专属于某个金属离子而为整个金属晶体所共有离子而为整个金属晶体所共有。这些自由电子与全部金属离子相互作用，从而形成某种结合这些自由电子与全部金属离子相互作用，从而形成某种结合，这种作用称为金属键，这种作用称为金属键。 根据正负两种电荷在分子内部的分布情

11、根据正负两种电荷在分子内部的分布情 况可把分子分为况可把分子分为极性分子极性分子与与非极性非极性 分子分子。极性分子极性分子非极性分子非极性分子 整体整体电中性电中性局部局部正电荷部分正电荷部分(原子核原子核)负电荷部分负电荷部分(电子电子) = 0= 0 0 0+ q- ql单位单位: : Cm方向方向: 正电荷中心正电荷中心负电荷中心负电荷中心 = q= q l l键的极性与分子极性为不同概念分子内存在极性键未必极性分子Eg：Eg：分子无极性分子有极性但极性分子中一般都存在极性键CClClClClCClHHH 由极性键由极性键形成形成极性分子。极性分子。由非极性键由非极性键形成形成非极性分

12、子非极性分子。由键的极性就可以确定分子极性由键的极性就可以确定分子极性对于空间构型对称对于空间构型对称(如直线形、平面三角形、如直线形、平面三角形、正四面体型等正四面体型等)的分子：的分子：分子极性不仅与键的极性有关，还与分子空分子极性不仅与键的极性有关，还与分子空间构型有关。间构型有关。由极性键由极性键形成形成非极性分子非极性分子由极性键由极性键形成形成极性分子极性分子对于空间构型不对称对于空间构型不对称(如四面体型、三角锥型、如四面体型、三角锥型、V字形等字形等)的分子：的分子：相似相溶原理：相似相溶原理： 极性溶质易溶于极性溶剂中。极性溶质易溶于极性溶剂中。 非极性溶质易溶于非极性溶剂中

13、。非极性溶质易溶于非极性溶剂中。非非(弱弱)极性物质极性物质汽油汽油,甲苯甲苯,四氯化碳四氯化碳常用的有机溶剂常用的有机溶剂极性物质极性物质乙醇乙醇,丙酮丙酮难溶难溶于水于水溶于水溶于水润滑油润滑油机油机油汽油汽油甲苯甲苯油污染零件的清洗：油污染零件的清洗：丙酮丙酮乙醇乙醇水水色散力、诱导力、取向力。色散力、诱导力、取向力。瞬时偶极瞬时偶极+ -某一瞬间某一瞬间另一瞬间另一瞬间 - + -+ - +- + -+ - +- +异极相邻异极相邻存在于一切分子中存在于一切分子中范德华力包括：范德华力包括：瞬时偶极间的作用力瞬时偶极间的作用力+ -极性分子极性分子 极性分子极性分子异极相邻异极相邻固有

14、偶极间的作用力固有偶极间的作用力+ -+ -+ -诱导偶极诱导偶极+ -+ -+ -异极相邻异极相邻极性分子极性分子非极性分子非极性分子极性分子极性分子极性分子极性分子+ -+ -+ -+ -诱导偶极同固有偶极间的作用力诱导偶极同固有偶极间的作用力总总 结：结：极性分子极性分子极性分子极性分子色散力、诱导力、取向力色散力、诱导力、取向力色散力、诱导力色散力、诱导力 极性分子极性分子非极性分子非极性分子非极性分子非极性分子非极性分子非极性分子色散力色散力 分子间力实质：分子间力实质：静电引力静电引力 分子间力特点：分子间力特点： （1）无方向性和饱和性）无方向性和饱和性 （2）较弱）较弱( 0.

15、250 kJ/mol ) （3）作用范围较小）作用范围较小(几百皮米）几百皮米） 分子间力对熔沸点影响较大。分子间力对熔沸点影响较大。 分分 子子 CH4 SiH4 GeH4 SnH4 沸点沸点/ -164 -112 -90 -52FFHH28kJ/mol565kJ/mol270pm9F 2s22p5HFFHF2s2 2p5 当氢原子与电负性较大的当氢原子与电负性较大的X原子以极性原子以极性 共价键结合时，氢原子还能吸引另一个共价键结合时，氢原子还能吸引另一个 电负性较大电负性较大, 原子半径较小原子半径较小的的Y原子中原子中 的的孤对电子孤对电子形成氢键形成氢键。 （1）有方向性和饱和性。）

16、有方向性和饱和性。 （2）键能同范德华力相当。）键能同范德华力相当。 （1）熔沸点）熔沸点: 含氢键的物质熔沸点相对较高。含氢键的物质熔沸点相对较高。 （2）在水中的溶解性：）在水中的溶解性： 与水分子形成氢键的物质易溶于水。与水分子形成氢键的物质易溶于水。离子晶体离子晶体原子晶体原子晶体分子晶体分子晶体金属晶体金属晶体正正,负离子负离子原子原子分子分子金属原子金属原子正离子正离子离子键离子键共价键共价键 分子间力或分子间力或 氢键氢键 金属键金属键(离域键离域键) 较高较高 高高较低较低不定不定 硬硬 度度大大小小不定不定 NaCl CaONH4Cl 金刚石金刚石,SiSiO2, B4CSi

17、C, Ge CO2 , HF 卤素单质卤素单质 稀有气体稀有气体Fe , Cu Al，Zn 基本类型基本类型晶格点上晶格点上的微粒的微粒微粒间作微粒间作用力用力熔沸点熔沸点较大较大实实 例例 层状结构晶体层状结构晶体 石石 墨墨6C2s22p2 链状结构晶体链状结构晶体 石棉石棉(硅酸盐晶体硅酸盐晶体)成柱或纤维状成柱或纤维状朗之万朗之万 l3 3月月1818日，光电效应日，光电效应 量子论的奠基量子论的奠基石之一。石之一。l4 4月月3030日，测量分子大小的论文，博士日，测量分子大小的论文，博士学位。学位。l5 5月月1111日和后来的日和后来的1212月月1919日，布朗运动日，布朗运动的论文，成了分子论的里程碑。的论文，成了分子论的里程碑。l6 6月月3030日，日，论运动物体的电动力学论运动物体的电动力学的论文的论文 “ “狭义相对论狭义相对论”，l9 9月月2727日，关于物体惯性和能量的关系，日，关于物体惯性和能量的关系，这是狭义相对论的进一步说明，质能方程这是狭义相对论的进一步说明，质能方程E=mcE=mc2 2。(6(6篇论文篇论文) ) 埃尔文埃尔文. .薛定谔薛定谔(Erwin Schrodinger)(Erwin Schrodinger)诺贝尔奖得主诺贝尔奖得主