最新01物质结构基础课件.ppt

1、质子质子中子中子电子（电子（e e）原子核原子核上夸克（上夸克（u u）下夸克（下夸克（d d）2u+1d1u+2d分子分子原子原子世界世界岩石岩石细胞细胞物质的组成物质的组成3.3.磁量子数磁量子数 mm 确定角动量沿确定角动量沿z方向的分量，即原子轨道在空间的方向的分量，即原子轨道在空间的伸展方向。伸展方向。m 的取值为的取值为0,1,2,l，共，共 2l+1 个取值，即个取值，即原子轨道共有原子轨道共有 2l+1 个空间取向。个空间取向。五个五个d d轨道的轨道的角动量空间量子化角动量空间量子化nlm轨道名称轨道名称轨道数轨道数 轨道总数轨道总数1001s112002s141-1,0,+

2、12p33003s191-1,0,+13p32-2,-1,0,+1,+23d54004s1161-1,0,+14p32-2,-1,0,+1,+24d53-3,-2,-1,0,+1,+2,+34f7原子轨道与原子轨道与3 3个量子数的关系个量子数的关系4.4.自旋量子数自旋量子数sm 自旋平行自旋平行 自旋反平行自旋反平行 s12m s12m 决定电子的自旋方向决定电子的自旋方向主量子主量子数数n角量子数角量子数l磁量子数磁量子数m自旋量子数自旋量子数ms电子运电子运动状态动状态数数取值取值取值取值能级能级符号符号取值取值原子轨道原子轨道取值取值符号符号符号符号总数总数101s01s11/222

3、02s02s41/2812p+12px1/202pz1/2-12py1/2303s03s91/21813p+13px1/203pz1/2-13py1/223d+21/2+13dxz1/201/2-13dyz1/2-23dxy1/24 4个量子数和电子运动状态个量子数和电子运动状态223xyd 23zd五、多电子原子结构和周期系五、多电子原子结构和周期系1.1.多电子原子轨道的能级多电子原子轨道的能级1s2s3s3d3p5s4d6p5 f7s6d2p4s6s4p5d5p4 f125436l相同时，相同时，n越大，轨道能量越大，轨道能量越高，如越高，如 E1s E2s E3s E4s。n相同时，相

4、同时，l越大，轨道能量越大，轨道能量越高，如越高，如 Ens Enp End Enf。当当n和和l均不同时，有时出现均不同时，有时出现能级交错现象。如能级交错现象。如E4sE3d，E6sE4f。当当n和和l均相同时，原子轨道均相同时，原子轨道的能量相等，这样的轨道称为的能量相等，这样的轨道称为等价轨道。等价轨道。2.2.核外电子分布的三个原则核外电子分布的三个原则（1）泡利不相容原理泡利不相容原理（2）能量最低原理能量最低原理在同一个原子中，任何两个电子的在同一个原子中，任何两个电子的4个量子数个量子数不能完全不能完全相同相同，即在每一个原子轨道中，最多只能容纳两个电子，即在每一个原子轨道中，

5、最多只能容纳两个电子，而且这两个电子自旋方向必须相反。而且这两个电子自旋方向必须相反。在不违背泡利不相容原理的前提下，核外电子总是在不违背泡利不相容原理的前提下，核外电子总是优先优先占有能量最低的轨道占有能量最低的轨道，只有当能量最低的轨道占满后，只有当能量最低的轨道占满后，电子才依次进入能量较高的轨道。电子才依次进入能量较高的轨道。（3）洪特规则洪特规则在能量相等的轨道上分布的电子，将在能量相等的轨道上分布的电子，将尽可能分占不同的尽可能分占不同的轨道轨道，而且自旋方向相同。，而且自旋方向相同。等价轨道的等价轨道的全充满全充满(p6、d10、f14)，半充满半充满(p3、d5、f7)或或全空

6、全空(p0、d0、f0)的状态一般比较稳定。的状态一般比较稳定。3.3.核外电子分布式和外层电子分布式核外电子分布式和外层电子分布式写出写出Ni 和出和出Ni2+的核外电子分布式。的核外电子分布式。1s2s3s3d3p5s4d2p4s4p 22626821223334sspspdsNi(28)Z 82Ar 34ds1s2s3s3d3p5s4d2p4s4p 2Ni(28)Z 226268122333sspspd8Ar 3dHHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSClArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInS

7、nSbTeIXeCsBaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaRfDbSgBhHsMtDsRgUubUut Uuq Uup UuhUusUuoLaCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLuAcThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr4.4.元素周期表元素周期表B0AAAAAABABBBBB123546712sn182(1)dsnn 1012(1)dsnn 216spnn114022(2)f(1)dsnnn 镧镧系系锕锕系系5.5.元素性质的周期性变化元素性质的周期性变化原子结构的周期性变化原子结构的周期性变化元素性质的周期性变化元素性质的

8、周期性变化原子半径原子半径电离势电离势电子亲和能电子亲和能电负性电负性（1 1）原子半径）原子半径在同一在同一周期周期中，原子半径中，原子半径从左到右减小从左到右减小在同一在同一 族族 中，原子半径中，原子半径从上到下增加从上到下增加（2 2）电离势）电离势基态的气体原子失去最外层的第一个电子成为气态基态的气体原子失去最外层的第一个电子成为气态+1 价价离子所需的能量称为第一电离能离子所需的能量称为第一电离能I1，再继续逐个失去一个，再继续逐个失去一个电子所需的能量称为第二电离能电子所需的能量称为第二电离能I2，依次类推。，依次类推。同一元素各级电离能的大小顺序：同一元素各级电离能的大小顺序：

9、I1 I2 I3 I4。Mg(g)eMg(g)11738kJ molI 2Mg(g)eMg(g)121453kJ molI 电离能越小，原子越电离能越小，原子越易易失去电子；电离能越大，原子失去电子；电离能越大，原子越越难难失去电子。失去电子。在同一周期中，从左到右，在同一周期中，从左到右，总趋势是电离能增大。在同一总趋势是电离能增大。在同一族（主要指主族）中，从上到族（主要指主族）中，从上到下，总趋势是电离能减小。下，总趋势是电离能减小。具有半充满，全充满和全空具有半充满，全充满和全空电子构型的元素有较大的电离电子构型的元素有较大的电离能，即比同周期前后元素的电能，即比同周期前后元素的电离能

10、都要大。离能都要大。第一电离能第一电离能（3 3）电子亲和能）电子亲和能气态原子在基态时得到一个电子成为气态原子在基态时得到一个电子成为-1 价气态阴离子所价气态阴离子所放出的能量称为第一亲和能，再继续逐个得到一个电子放出的能量称为第一亲和能，再继续逐个得到一个电子所放出的能量称为第二亲和能，依次类推。所放出的能量称为第二亲和能，依次类推。O(g)eO(g)1A1141kJ molE 2O(g)eO(g)1A2-780kJ molE 电子亲和能越小，原子越难得到电子；电子亲和电子亲和能越小，原子越难得到电子；电子亲和能越大，原子越易得到电子。能越大，原子越易得到电子。在同一周期中，从左到右，总

11、趋势是电离能增大。在同一周期中，从左到右，总趋势是电离能增大。第一亲和能第一亲和能在同一族（主要指主族）中，从上到下，总趋势是电离能减小。在同一族（主要指主族）中，从上到下，总趋势是电离能减小。（4 4）电负性）电负性是指元素原子在分子中吸引电子的能力。是指元素原子在分子中吸引电子的能力。电负性越大，原子吸引电子能力越强，即原子越易得电负性越大，原子吸引电子能力越强，即原子越易得到电子，越难失去电子；到电子，越难失去电子；电负性越小，原子吸引电子能力越弱，即原子越易失电负性越小，原子吸引电子能力越弱，即原子越易失去电子，越难得到电子。去电子，越难得到电子。在同一周期中，从左到右电负性递增，元素

12、的非金属性在同一周期中，从左到右电负性递增，元素的非金属性逐渐增强。逐渐增强。在同一主族中，从上到下电负性递减，元素的非金属性在同一主族中，从上到下电负性递减，元素的非金属性依次减弱。依次减弱。元素性质元素性质原子原子半径半径第一第一电离势电离势第一第一亲和能亲和能电负性电负性金属性金属性非金非金属性属性主主族族元元素素同周期同周期从左向右从左向右减小减小增大增大增大增大增大增大减弱减弱增强增强同族同族自上而下自上而下增大增大减小减小增大增大减小减小增强增强减弱减弱副副族族元元素素同周期同周期从左向右从左向右略有略有减小减小不规律不规律不规律不规律增大增大减弱减弱增强增强同族同族自上而下自上而

13、下略有略有增大增大不规律不规律不规律不规律IIIBVB减小减小增强增强减弱减弱IVBIIB增大增大减弱减弱增强增强元素性质的周期性变化小结元素性质的周期性变化小结第二节第二节 分子结构分子结构物质物质化学键化学键分子分子原子原子分子之间的作用力分子之间的作用力CClClClClo109.51.78 NHHHHHO一、键参数一、键参数1.1.键能键能2.2.键长键长3.3.键角键角在在298.15K 和和100kPa 压力下，断裂气态物质中压力下，断裂气态物质中1mol 的化学键生成气态原子时所吸收的能量。的化学键生成气态原子时所吸收的能量。分子中两个成键原子核间的平均距离。分子中两个成键原子核

14、间的平均距离。分子中相邻的两个化学键之间的夹角。分子中相邻的两个化学键之间的夹角。键能是化学键牢固程度的量度，键能越大，断键能是化学键牢固程度的量度，键能越大，断开化学键所需要的能量越大，化学键越牢固。开化学键所需要的能量越大，化学键越牢固。键长越短，键作用越强，化学键越牢固。键长越短，键作用越强，化学键越牢固。二、离子键二、离子键NaClNa Cl 在在298.15K 和和100kPa 压力下，相互远离的气态正离子和负压力下，相互远离的气态正离子和负离子结合成离子结合成1mol 固态离子晶体时所释放出的能量。固态离子晶体时所释放出的能量。Z ZUkRR e 核间距核间距离子电荷的离子电荷的乘

15、积乘积晶格能晶格能U三、金属键三、金属键金属原子的电负性、电离能金属原子的电负性、电离能较小，价电子容易脱离原子较小，价电子容易脱离原子核的束缚而成为可以在金属核的束缚而成为可以在金属阳离子之间自由运动的离域阳离子之间自由运动的离域电子。这些自由电子将金属电子。这些自由电子将金属阳离子阳离子“胶合胶合”成紧密堆积成紧密堆积的形式而形成金属晶体，这的形式而形成金属晶体，这种种“胶合胶合”力（金属离子与力（金属离子与电子之间的结合力）就称为电子之间的结合力）就称为金属键。金属键。自由电子模型自由电子模型金属键没有方向性和饱和性。在金属中，每个原子将在空间金属键没有方向性和饱和性。在金属中，每个原子

16、将在空间允许的条件下，与尽可能多数目的原子形成金属键。允许的条件下，与尽可能多数目的原子形成金属键。四、共价键四、共价键分子中原子间通过分子中原子间通过共用电子对共用电子对结合而形成的化结合而形成的化学键。学键。1.1.价键理论价键理论自旋相反的未成对电子相互靠近时可以形成稳定的自旋相反的未成对电子相互靠近时可以形成稳定的共价键，一个原子含有几个未成对电子只能和几个自共价键，一个原子含有几个未成对电子只能和几个自旋方向相反的未成对电子配对成键，即共价键应符合旋方向相反的未成对电子配对成键，即共价键应符合饱和性饱和性原则。原则。原子轨道相互重叠时，必须考虑描述原子轨道的波原子轨道相互重叠时，必须

17、考虑描述原子轨道的波函数的正、负号，只有同号的原子轨道（对称性相同）函数的正、负号，只有同号的原子轨道（对称性相同）相互重叠，才能使电子出现的几率密度增大，体系能相互重叠，才能使电子出现的几率密度增大，体系能量降低，实现有效重叠，即共价键应符合量降低，实现有效重叠，即共价键应符合对称性对称性原则。原则。成键电子的原子轨道重叠越多，所形成的共价键越成键电子的原子轨道重叠越多，所形成的共价键越牢固。共价键尽可能沿着原子轨道最大重叠的方向形牢固。共价键尽可能沿着原子轨道最大重叠的方向形成（成（最大重叠原理最大重叠原理），即共价键具有），即共价键具有方向性方向性。HH 1s1s FF 2p2p H 1

18、sCl 3p H Cl HClFF 2FH H 2H键和键和键键CCHHHHHHHHCC键键键键HHHHCC键键键键：2.2.杂化轨道理论与分子的空间构型杂化轨道理论与分子的空间构型杂化轨道理论认为原子轨道在成键过程中并不是杂化轨道理论认为原子轨道在成键过程中并不是一成不变的，同一原子中能量相近的某些原子轨一成不变的，同一原子中能量相近的某些原子轨道在成键过程中重新组合成一系列能量相等的新道在成键过程中重新组合成一系列能量相等的新轨道，从而改变了原有轨道的形态，这一过程称轨道，从而改变了原有轨道的形态，这一过程称为杂化，所形成的新轨道称为杂化轨道。为杂化，所形成的新轨道称为杂化轨道。杂化过程只

19、有在原子形成分子的过程中才会发生，孤立杂化过程只有在原子形成分子的过程中才会发生，孤立的原子是不可能发生杂化的；的原子是不可能发生杂化的；杂化后原子轨道的角度分布图的形状发生了变化（一头杂化后原子轨道的角度分布图的形状发生了变化（一头大、一头小），成键时以电子分布比较集中的一方（大的大、一头小），成键时以电子分布比较集中的一方（大的一头）进行重叠，因而杂化增强了原子的成键能力；一头）进行重叠，因而杂化增强了原子的成键能力；杂化过程只有在能量相近的原子轨道之间才能发生，而杂化过程只有在能量相近的原子轨道之间才能发生，而能量相差较大的原子轨道是不能发生杂化的；能量相差较大的原子轨道是不能发生杂化的

20、；当一定数目的原子轨道参与杂化后，可以得到相同数目当一定数目的原子轨道参与杂化后，可以得到相同数目的杂化轨道。的杂化轨道。轨道杂化有多种类型，杂化的类型不同，所形成的分子轨道杂化有多种类型，杂化的类型不同，所形成的分子的几何构型也不同。的几何构型也不同。1s2s2p Be基基态态spBe：FF 1s2s2p 激激发发激激发发态态1s2sp 杂杂化化杂杂化化态态 杂杂化化 FBFF2sp 1s2s2p B基基态态1s2s2p 激激发发激激发发态态1s22sp 杂杂化化杂杂化化态态 杂杂化化 3spC HHHH CHHHH：1s2s2p C基基态态1s2s2p 激激发发激激发发态态1s32sp 杂

21、杂化化杂杂化化态态3NHN 不等性不等性sp3杂化杂化HHH NHHHN1s2s2p N基基态态1s32sp 杂杂化化杂杂化化态态2H O OHH OHHO不等性不等性sp3杂化杂化1s2s2p O基基态态1s32sp 杂杂化化杂杂化化态态3.3.分子轨道理论分子轨道理论分子轨道理论是把分子看成一个整体，由分子分子轨道理论是把分子看成一个整体，由分子中各原子间相互对应的原子轨道重叠组成若干中各原子间相互对应的原子轨道重叠组成若干分子轨道，然后将电子安排在一系列分子轨道分子轨道，然后将电子安排在一系列分子轨道上，电子属于整个分子。上，电子属于整个分子。分子轨道理论基本要点分子轨道理论基本要点 n

22、个原子轨道可以组成个原子轨道可以组成n 个分子轨道，原子轨道组个分子轨道，原子轨道组合成分子轨道后，一半分子轨道能量降低，称为合成分子轨道后，一半分子轨道能量降低，称为成成键分子轨道键分子轨道，另一半分子轨道能量升高，称为，另一半分子轨道能量升高，称为反键反键分子轨道分子轨道。电子排布在分子轨道时，遵循能量最低原则，泡电子排布在分子轨道时，遵循能量最低原则，泡利不相容原理及洪特规则。利不相容原理及洪特规则。原子轨道有效地组合成分子轨道必须符合能量近原子轨道有效地组合成分子轨道必须符合能量近似、轨道最大重叠和对称性匹配三个原则。似、轨道最大重叠和对称性匹配三个原则。1s H 1s H 1s*1s

23、 2H 1s2s2p N 2p1s2s N 2N 1s*1s 2s*2s 2p*2p 2p*2p 2O 1s*1s 2s*2s 2p*2p 2p*2p 1s2s2p O 1s2s2p O 2p2p2p*2p 2p2p2p*2p 4.4.配位共价键与配位化合物配位共价键与配位化合物由中心离子（或原子）和几个中性分子或负离子通过配位键结由中心离子（或原子）和几个中性分子或负离子通过配位键结合而成的复杂化合物称为配位化合物，简称配合物。合而成的复杂化合物称为配位化合物，简称配合物。HHH：NH NHHHH 配位键配位键32Ag (NH)Cl配合物配合物配位原子配位原子 配位数配位数36K Fe (C

24、N)配位原子配位原子 配位数配位数内界（配离子）内界（配离子）外界外界中心离子中心离子配体配体配合物配合物内界（配离子）内界（配离子）外界外界中心离子中心离子配体配体配位化合物的组成配位化合物的组成33Co(en)CoEDTA CoCoNNNNNNNNOOOO如果配位个体是阳离子，将其当成金属离子；如果配位个体是阳离子，将其当成金属离子；如果配位个体是阴离子，则当成含氧酸根离子。如果配位个体是阴离子，则当成含氧酸根离子。配离子的命名原则是：先配体后中心原子，在配体配离子的命名原则是：先配体后中心原子，在配体和中心原子之间加和中心原子之间加“合合”字，在中心原子之后用加括字，在中心原子之后用加括

25、号的罗马数字标注其氧化值。配体个数用倍数词头号的罗马数字标注其氧化值。配体个数用倍数词头“二二”，“三三”，“四四”等表示。若存在多种配体，等表示。若存在多种配体，则配体与配体之间用圆点则配体与配体之间用圆点“”隔开。隔开。配体顺序：先阴离子配体，后中性配体；先简单配配体顺序：先阴离子配体，后中性配体；先简单配体，后复杂配体。同类配体按配位原子元素符号的英体，后复杂配体。同类配体按配位原子元素符号的英文字母顺序命名。文字母顺序命名。配位化合物的命名配位化合物的命名3232K Ag(S O)344Cu(NH)SO26H SiF 46K Fe(CN)352CoCl(NH)Cl2342CrCl(NH

26、)Cl 2H O 366Cr(NH)Co(CN)4Ni(CO)二（硫代硫酸根）合银（二（硫代硫酸根）合银（）酸钾）酸钾硫酸四氨合铜（硫酸四氨合铜（）六氟合硅（六氟合硅（）酸）酸六氰合铁（六氰合铁（）酸钾）酸钾二氯化一氯二氯化一氯五氨合钴（五氨合钴（）二水合一氯化二氯二水合一氯化二氯四氨合铬（四氨合铬（）六氰化合钴（六氰化合钴（）酸六氨合铬（）酸六氨合铬（）四羰基合镍（四羰基合镍（0）配位键理论配位键理论配位数配位数中心原子杂化态中心原子杂化态空间构型空间构型实例实例2sp直线直线Ag(NH3)2+3sp2平面三角平面三角CuCl32-4sp3四面体四面体Zn(NH3)42+dsp2平面四方平面

27、四方Cu(NH3)42+5dsp3三角双锥三角双锥Ni(CN)53-、Fe(CO)56sp3d2八面体八面体FeF63-d2sp3八面体八面体Fe(CN)63-五、分子间的相互作用五、分子间的相互作用1.1.分子的极性分子的极性正、负电荷中心正、负电荷中心是否重合是否重合q d +qq d分子有无极性分子有无极性？非极性分子非极性分子极性分子极性分子组成和结构组成和结构否否是是偶极矩偶极矩ClHCClHHHFBFFCClClClClNHHHHHOCOO试判断试判断HCl、H2O、CO2、NH3、BF3、CH3Cl、CCl4的极性的极性极性分子极性分子+极性分子极性分子+固有偶极固有偶极2.2.

28、分子间的相互作用力分子间的相互作用力取向力取向力固有偶极固有偶极（1 1）分子间力）分子间力极性分子极性分子+非极性分子非极性分子 诱导偶极诱导偶极+诱导力诱导力非极性分子非极性分子非极性分子非极性分子 +瞬间偶极瞬间偶极色散力色散力分子间力作用较弱，约比化学键键能小分子间力作用较弱，约比化学键键能小12 个数量级。其特个数量级。其特点是没有方向性，没有饱和性，作用范围约只有点是没有方向性，没有饱和性，作用范围约只有0.30.5nm，只有当分子间充分接近时才能显示出来。分子间力是气体液只有当分子间充分接近时才能显示出来。分子间力是气体液化或液体固化的主要因素，分子间力越大，物质的熔、沸点化或液

29、体固化的主要因素，分子间力越大，物质的熔、沸点越高。越高。在非极性分子间，只存在色散力；在非极性分子和极性分子在非极性分子间，只存在色散力；在非极性分子和极性分子间，存在色散力和诱导力；在极性分子和极性分子间，存在间，存在色散力和诱导力；在极性分子和极性分子间，存在色散力，诱导力和取向力。色散力在各种分子之间都存在，色散力，诱导力和取向力。色散力在各种分子之间都存在，而且也是三种分子间力中的主要部分。色散力随相对分子质而且也是三种分子间力中的主要部分。色散力随相对分子质量增大而增加。所以，同类分子中相对分子质量大的物质溶、量增大而增加。所以，同类分子中相对分子质量大的物质溶、沸点较高。沸点较高

30、。氢键是由于与电负性极强的元素相结合的氢原子，和另氢键是由于与电负性极强的元素相结合的氢原子，和另一分子中电负性极强的原子间所产生的引力而形成的。一分子中电负性极强的原子间所产生的引力而形成的。氢键具有饱和性和方向性氢键具有饱和性和方向性（2 2）氢键）氢键氢氢键键 2.8 1.8 1.0 第三节第三节 晶体结构晶体结构晶体：离子、原子或分子按晶格结构排列而成的物质。晶体：离子、原子或分子按晶格结构排列而成的物质。每个微粒的位置就是晶格结点（或阵点）。每个微粒的位置就是晶格结点（或阵点）。X-raysCrystalline solidIncident beamLead screenDifrra

31、cted X-raysX-ray detector几种晶体的比较表格几种晶体的比较表格晶体类型晶体类型晶格点晶格点微粒微粒微粒间作微粒间作用力用力熔点、熔点、沸点沸点硬度硬度延展性延展性导电性导电性实例实例离子晶体离子晶体正、负正、负离子离子离子键离子键较高较高较大较大差差水溶液水溶液或熔融或熔融态易导态易导电电NaCl原子晶体原子晶体原子原子共价键共价键高高大大差差绝缘体绝缘体金刚石金刚石金属晶体金属晶体金属原金属原子或离子或离子子金属键金属键一般较一般较高高,部分部分低低一般较一般较大大,部分部分小小良良良导体良导体金属单质金属单质分子晶体分子晶体分子分子分子间力分子间力低低小小差差绝缘体绝缘体干冰、冰干冰、冰分子分子原子原子分子间的相互作用分子间的相互作用气体气体液体液体固体固体 价键理论价键理论本章小结本章小结化学键化学键离子键离子键金属键金属键共价键共价键分子间力分子间力氢氢 键键 杂化轨道理论杂化轨道理论 分子轨道理论分子轨道理论非晶体非晶体晶晶 体体离子晶体离子晶体原子晶体原子晶体金属晶体金属晶体分子晶体分子晶体过渡性晶体过渡性晶体物质物质配位键配位键分子的极性分子的极性能级图能级图+核外电子分布三原则核外电子分布三原则核外电子排布核外电子排布元素周期性变化元素周期性变化