[高等教育]第8章 物質(zhì)結(jié)構(gòu)ppt課件

1、8.1.1Bohr實際實際 三點假設(shè)：三點假設(shè)： 核外電子只能在有確定半徑和能量的軌核外電子只能在有確定半徑和能量的軌道上運動道上運動,且不輻射能量；且不輻射能量； 通常，電子處在離核最近的軌道上，能通常，電子處在離核最近的軌道上，能量最低量最低基態(tài)；原子獲得能量后，電子被基態(tài)；原子獲得能量后，電子被激發(fā)到高能量軌道上，原子處于激發(fā)態(tài)；激發(fā)到高能量軌道上，原子處于激發(fā)態(tài)； 從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)釋放光能，光的頻率從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)釋放光能，光的頻率取決于軌道間的能量差。取決于軌道間的能量差。2121hEEEEhE：軌道能量：軌道能量h：Planck常數(shù)常數(shù)18182221182212212.17910

2、2.17910112.17910hvEEEnnnn 15-12212113.289 10 ()svnn 1924年，年，Louis de Broglie以為：質(zhì)量為以為：質(zhì)量為 m ，運動速度為運動速度為的粒子，相應(yīng)的波長為：的粒子，相應(yīng)的波長為：8.1.2 電子的波粒二象性電子的波粒二象性 1927年，年，Davissson和和Germer運運用用Ni晶體進展電子衍射晶體進展電子衍射實驗，證明電子具有動實驗，證明電子具有動搖性。搖性。=h/m=h/p，h=6.62610-34Js，Plank常量。常量。x p h/4動量誤差動量誤差位置誤差位置誤差l微觀粒子的運動運用統(tǒng)計規(guī)律描畫，微觀粒子的

3、運動運用統(tǒng)計規(guī)律描畫，即幾率描畫即幾率描畫34326.62 104 3.14 10 100.04 102915.27 10m s 對宏觀物體可同時測定位置與速度4hm x例例2: 對于微觀粒子如電子對于微觀粒子如電子, m = 9.11 10-31 Kg, 半徑半徑 r = 10-10 m，那么，那么x至少要到達至少要到達10-11 m才相對準(zhǔn)確，那么其速度的測不準(zhǔn)情況為：才相對準(zhǔn)確，那么其速度的測不準(zhǔn)情況為：343111616.62 104 3.14 9.11 10105.29 10 m s假設(shè)假設(shè)m非常小，那么其位置與速度是不能非常小，那么其位置與速度是不能同時準(zhǔn)確測定的同時準(zhǔn)確測定的4h

4、m x222222228mEVxyzh 1.Schrdinger方程方程Planckh：V：E： ：m：體系的總能量體系的總能量電子的勢能電子的勢能電子的質(zhì)量電子的質(zhì)量描畫核外電子在空間運動形狀的數(shù)學(xué)函數(shù)式描畫核外電子在空間運動形狀的數(shù)學(xué)函數(shù)式2. 四個量子數(shù)四個量子數(shù) 主量子數(shù)主量子數(shù) n 0,1, 2,.1ln 磁量子數(shù)磁量子數(shù) m 自旋量子數(shù)自旋量子數(shù) ms1,2sm,.0.,mll 12sm 角量子數(shù)角量子數(shù)n =1, 2, 3, 與電子能量有關(guān)，對于氫原子，電子能量與電子能量有關(guān)，對于氫原子，電子能量 獨一決議于獨一決議于n；1 822 .1 7 91 0JEn 不同的不同的n 值，

5、對應(yīng)于不同的電子層：值，對應(yīng)于不同的電子層：主量子數(shù)主量子數(shù)n：決議電子能量高低的主要要素：決議電子能量高低的主要要素K L M N O角量子數(shù)角量子數(shù)l ：原子軌道或電子云的外形：原子軌道或電子云的外形 l 的取值的取值 0，1，2，3n1 對應(yīng)著對應(yīng)著 s, p, d, f. (亞層亞層) l 決議了決議了的角度函數(shù)的外形。的角度函數(shù)的外形。磁量子數(shù)磁量子數(shù)m：原子軌道或電子云在空間的：原子軌道或電子云在空間的伸伸 展方向展方向 m可取可取 0，1, 2l ； 其值決議了其值決議了角度函數(shù)的空間取向。角度函數(shù)的空間取向。自旋量子數(shù)自旋量子數(shù) ms表示同一軌道中電子的二種自旋形狀表示同一軌道

6、中電子的二種自旋形狀 n, l, m 一定，軌道也確定一定，軌道也確定 0 1 2 3 軌道軌道 s p d f 例如例如: n =2， l =0， m =0， 2s n =3， l =1， m =0， 3pz n =3， l =2， m =0， 3dz2有有6組量子數(shù)組量子數(shù)n=3, l=1, m=-1; n=3, l=0, m=0; n=2, l=2, m=-1; n=2, l=1, m=0; n=2, l=0, m=-1; n=2, l=3, m=2;其中正確的選項是其中正確的選項是A. B. C. D. 2pyYxyz2pxYxyz22pxYxyzxyz22pyYxyz22pzYxyz

7、2pzY8. 3d態(tài)：n=3, l=2, m=0,2, 123dzxyz3dyzxyz3dxzxyz3dxyxyz223dxyxyz小結(jié)：量子數(shù)與電子云的關(guān)系小結(jié)：量子數(shù)與電子云的關(guān)系 n：決議電子能量的大?。簺Q議電子能量的大小 l：描畫電子云的外形：描畫電子云的外形 m：描畫電子云的伸展方向：描畫電子云的伸展方向 軌道：與氫原子類似，其電子運動形狀軌道：與氫原子類似，其電子運動形狀 可描畫為可描畫為1s, 2s, 2px, 2py, 2pz, 3s能量：與氫原子不同能量：與氫原子不同, 能量不僅與能量不僅與n有關(guān)有關(guān), 也與也與l有關(guān)有關(guān); 在外加場的作用下在外加場的作用下, 還還 與與m有

8、關(guān)。有關(guān)。8.2.1 多電子原子軌道能級多電子原子軌道能級8.2 核外電子運動形狀核外電子分布三規(guī)那么：核外電子分布三規(guī)那么： 最低能量原理最低能量原理 電子在核外陳列應(yīng)盡先分布在低能級軌電子在核外陳列應(yīng)盡先分布在低能級軌道上道上, 使整個原子系統(tǒng)能量最使整個原子系統(tǒng)能量最 低。低。 Pauli不相容原理不相容原理 每個原子軌道中最多包容兩個自旋方式每個原子軌道中最多包容兩個自旋方式相反的電子。相反的電子。8.2.2 核外電子排布核外電子排布 Hund 規(guī)那么規(guī)那么 在在 n 和和 l 一樣的軌道上分布的電子一樣的軌道上分布的電子,將盡將盡能夠分占能夠分占 m 值不同的軌道值不同的軌道, 且自

9、旋平行。且自旋平行。N：1s2 2s2 2p3Z = 26 Fe：1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 226265124 Cr 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4sZ ：半滿全滿規(guī)那么：半滿全滿規(guī)那么： 當(dāng)軌道處于全滿、半滿時，原子較穩(wěn)定。當(dāng)軌道處于全滿、半滿時，原子較穩(wěn)定。2262610129 Cu 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4sZ ：51Ar 3d 4s主族元素主族元素2.電離能電離能 基態(tài)氣體原子失去電子成為帶一個正基態(tài)氣體原子失去電子成為帶一個正電荷的氣態(tài)正離子所需求的能量稱為第一電荷的氣態(tài)正離子所需求的能量稱為第一電離能，用電離能，用 I 1表示。表

10、示。 由由+1價氣態(tài)正離子失去電子成為帶價氣態(tài)正離子失去電子成為帶+2價氣態(tài)正離子所需求的能量稱為第二電離價氣態(tài)正離子所需求的能量稱為第二電離能，用能，用 I 2表示。表示。E (g) E+ (g) + e- I 1E+ (g) E 2+ (g) + e- I 211Li(g)eLi (g) 520.2kJ molI212Li (g)eLi(g) 7298.1kJ molI2313Li(g)eLi (g) 11815kJ molI 原子在分子中吸引電子的才干稱為元素原子在分子中吸引電子的才干稱為元素的電負(fù)性，用的電負(fù)性，用 表示。表示。 3.電負(fù)性電負(fù)性 電負(fù)性可以綜合衡量各種元素的金屬性電負(fù)

11、性可以綜合衡量各種元素的金屬性和非金屬性。同一周期從左到右電負(fù)性依次和非金屬性。同一周期從左到右電負(fù)性依次增大；同一主族從上到下電負(fù)性依次變小，增大；同一主族從上到下電負(fù)性依次變小，B族元素沒有明顯的規(guī)律而且第三過渡元素族元素沒有明顯的規(guī)律而且第三過渡元素大于第二過渡元素。大于第二過渡元素。8.4 8.4 離子化合物離子化合物Ionic bond theory離子鍵的構(gòu)成及特征離子鍵的構(gòu)成及特征 1. 離子鍵的構(gòu)成離子鍵的構(gòu)成 1916年德國化學(xué)家柯塞爾，年德國化學(xué)家柯塞爾，基于稀有氣體原子的電子層構(gòu)造特別穩(wěn)定的現(xiàn)基于稀有氣體原子的電子層構(gòu)造特別穩(wěn)定的現(xiàn)實，提出了離子實際。以為，當(dāng)電負(fù)性很小的

12、實，提出了離子實際。以為，當(dāng)電負(fù)性很小的金屬原子和電負(fù)性很大的非金屬原子相互接近金屬原子和電負(fù)性很大的非金屬原子相互接近時，前者易失去電子變成陽離子，后者易得到時，前者易失去電子變成陽離子，后者易得到電子變成陰離子。而正、負(fù)離子靠靜電引力作電子變成陰離子。而正、負(fù)離子靠靜電引力作用結(jié)合在一同，這種靜電引力作用稱為離子鍵。用結(jié)合在一同，這種靜電引力作用稱為離子鍵。如如NaCl的構(gòu)成。的構(gòu)成。 離子鍵實際離子鍵實際 Cl e Cl- 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 5 1s22s22p63s23p6 ( =3.0 ) ArNa+Cl-Na+ Cl- Na+Cl- (離子型分

13、子離子型分子)靜電引力靜電引力 離子鍵離子鍵 Na - e Na+ 1s22s22p63s1 1s22s22p6 ( = 0.9 ) Ne 離子鍵可存在于氣體分子中離子鍵可存在于氣體分子中LiFLiF，大，大量的是存在于離子晶體中。量的是存在于離子晶體中。 普通情況下，以離子鍵結(jié)合的化合物都普通情況下，以離子鍵結(jié)合的化合物都 是以離子晶體的方式存在。所以，是以離子晶體的方式存在。所以，NaClNaCl、KClKCl均為化學(xué)式。均為化學(xué)式。 離子鍵的特征離子鍵的特征 (1) 由正負(fù)離子構(gòu)成靜電作用力由正負(fù)離子構(gòu)成靜電作用力 (2)無方向性和飽和性：無方向性和飽和性： 離子可近似地看成一個彌漫著電

14、子云的離子可近似地看成一個彌漫著電子云的圓球，離子電荷分布是球形對稱的，所以離圓球，離子電荷分布是球形對稱的，所以離子能從任何方向吸引帶相反電荷的離子；而子能從任何方向吸引帶相反電荷的離子；而且盡能夠多地吸引異號離子，只受空間大小且盡能夠多地吸引異號離子，只受空間大小的限制。的限制。 (3)鍵的離子性大小取、決于電負(fù)性差值大小鍵的離子性大小取、決于電負(fù)性差值大小 電負(fù)性差值越大，電子的偏向越明顯，電負(fù)性差值越大，電子的偏向越明顯，相互作用越強。實驗闡明，電子的轉(zhuǎn)移不能夠相互作用越強。實驗闡明，電子的轉(zhuǎn)移不能夠完全。因完全。因(r, )，任何一個電子都在全部，任何一個電子都在全部空間出現(xiàn)，只是幾

15、率不同而已?？臻g出現(xiàn)，只是幾率不同而已。 例如例如 CsF：成鍵作用中，離子性：成鍵作用中，離子性：92%，共價性：共價性：8% 當(dāng)當(dāng)X 1.7 時，可視為離子鍵時，可視為離子鍵 X=1.7 離子性占離子性占50%，對單鍵而言，對單鍵而言，就可視為離子鍵。就可視為離子鍵。 但但HF例外，例外，X =1.78。共價鍵的本質(zhì)與特點共價鍵的本質(zhì)與特點雜化軌道雜化軌道共價鍵的鍵型共價鍵的鍵型8.5.1 價鍵實際價鍵實際8.5 8.5 共價化合物共價化合物Covalent bond theory離子鍵實際離子鍵實際分子軌道理論價鍵理論共價鍵的本質(zhì)與特點共價鍵的本質(zhì)與特點化學(xué)鍵：化學(xué)鍵： 分子或晶體中相鄰

16、原子分子或晶體中相鄰原子(或離子或離子)之間之間劇烈的吸引作用。劇烈的吸引作用?；瘜W(xué)鍵實際：化學(xué)鍵實際：共價鍵實際共價鍵實際1.1.量子力學(xué)處置量子力學(xué)處置H2H2分子的結(jié)果分子的結(jié)果 兩個氫原子電子自旋方式相反，接近、重疊，核間構(gòu)成一個電子概率密度較大的區(qū)域。系統(tǒng)能量降低，構(gòu)成氫分子。 核間距 R0為74 pm。 共價鍵的本質(zhì)原子軌道重疊，核間電子概率密度大吸引原子核而成健。2.價鍵實際根本要點與共價鍵的特點價鍵實際根本要點與共價鍵的特點價鍵實際根本要點：價鍵實際根本要點：未成對價電子自旋方式相反；未成對價電子自旋方式相反；原子軌道最大程度地重疊。原子軌道最大程度地重疊。共價鍵的特點：共價鍵

17、的特點：方向性方向性飽和性飽和性H ClH O HN N1.鍵：鍵： 原子軌道沿核間聯(lián)線方向進展同號原子軌道沿核間聯(lián)線方向進展同號重疊重疊(頭碰頭頭碰頭)。共價鍵的鍵型共價鍵的鍵型2.鍵：鍵： 兩原子軌道垂直核間聯(lián)線并相互平行兩原子軌道垂直核間聯(lián)線并相互平行進展同號重疊進展同號重疊(肩并肩肩并肩)。3.配位鍵配位鍵構(gòu)成條件：成鍵原子一方有孤對電子，構(gòu)成條件：成鍵原子一方有孤對電子， 另一方有空軌道。另一方有空軌道。4NH4BFCO222s 2p242s 2pHNHHHFBFFF例：例：OC 在雙原子分子中，于在雙原子分子中，于100kPa下將氣態(tài)下將氣態(tài)分子斷裂成氣態(tài)原子所需求的能量。分子斷裂

18、成氣態(tài)原子所需求的能量。D(HCl)=432kJmol-1, D(ClCl)=243kJ mol-1 在多原子分子中，斷裂氣態(tài)分子中的某在多原子分子中，斷裂氣態(tài)分子中的某一個鍵，構(gòu)成兩個一個鍵，構(gòu)成兩個“碎片時所需求的能量碎片時所需求的能量叫做此鍵的解離能。叫做此鍵的解離能。121H O(g)H(g)OH(g) (HOH)499kJ molHO(g)H(g)O(g) (OH)429kJ molDD鍵能鍵能鍵解離能鍵解離能D 分子中兩原子核間的平衡間隔稱為鍵長。例如，H2分子，l = 74pm。鍵長鍵長共共 價價 鍵鍵 鍵鍵 長長l/pm 鍵鍵能能E/(kJmol-1) 共共 價價鍵鍵 鍵鍵 長

19、長l/pm 鍵鍵能能E/(kJmol-1) HF 92 570 HH 74 436 HCl 127 432 CC 154 346 HBr 141 366 CC 134 602 HI 161 298 CC 120 835 FF 141 159 NN 145 167 ClCl 199 243 NN 110 942 BrBr 228 193 CH 109 411 II 267 151 OH 96 464 鍵角和鍵長是反映分子空間構(gòu)型的重要參數(shù)，它們均可經(jīng)過實驗測知。鍵角鍵角N:FFFo102C = CHHHHo121o118N:HHo107 18HP:HHHo93 18H 鍵矩是表示鍵的極性的物理量

20、記作 。 = q l 式中 q 為電量，l 為核間距。為矢量，例如，實驗測得HClHCl303.5710C m鍵的極性鍵的極性雜化后軌道伸展方向，外形發(fā)生改動雜化后軌道伸展方向，外形發(fā)生改動,成成鍵才干加強，成鍵才干大小順序鍵才干加強，成鍵才干大小順序 spsp2sp3dsp2sp3dHClHBrHI 對于多原子分子：極性鍵多原子分子不一定對于多原子分子：極性鍵多原子分子不一定是極性分子，還與分子的空間構(gòu)型有關(guān)系是極性分子，還與分子的空間構(gòu)型有關(guān)系如：如：CH4 CCl4 無極性，無極性， CHCl3 有極性有極性 分子偶極矩的測定，可得到分子構(gòu)分子偶極矩的測定，可得到分子構(gòu)造的參考資料。造的

21、參考資料。 CO2 CO2：C-O C-O 鍵有極性，但分子無極性，鍵有極性，但分子無極性，得得CO2CO2為線性分子。為線性分子。 BF3 BF3分子無極性，為平面構(gòu)造，分子無極性，為平面構(gòu)造， 而而NH3NH3分子有極性，為三角錐構(gòu)造分子有極性，為三角錐構(gòu)造分子的偶極矩分子的偶極矩(1030 Cm) D3.3310-30Cm分子式分子式偶極矩偶極矩分子式分子式偶極矩偶極矩H2N2CO2CS2CH4COCHCl3H2S000000.403.503.67SO2H2ONH3HCNHFHClHBrHI5.336.174.909.856.373.572.671.40 2.分子間力的本質(zhì)和類型分子間力

22、的本質(zhì)和類型 1 色散力色散力 非極性分子在某一瞬間總會有一個偶極非極性分子在某一瞬間總會有一個偶極存在，這種偶極叫做瞬時偶極。接近的兩存在，這種偶極叫做瞬時偶極。接近的兩分子間由于同極相斥異極相吸，瞬時偶極分子間由于同極相斥異極相吸，瞬時偶極間總是處于異極相鄰的形狀。我們把瞬時間總是處于異極相鄰的形狀。我們把瞬時偶極間產(chǎn)生的分子間力叫做色散力偶極間產(chǎn)生的分子間力叫做色散力. 定義定義: 分子間的相互作用稱為分子間分子間的相互作用稱為分子間力，力， 又叫范德華力。又叫范德華力。非極性分子的瞬時偶非極性分子的瞬時偶極之間的相互作用極之間的相互作用由于瞬時偶極而產(chǎn)生的分子間相互作用。由于瞬時偶極而

23、產(chǎn)生的分子間相互作用。+_+_+_一大段時間內(nèi)的一大段時間內(nèi)的大體情況大體情況每一瞬間每一瞬間+_+_ 雖然瞬時偶極存在的時間極短，但偶極雖然瞬時偶極存在的時間極短，但偶極異極相鄰的形狀總是不斷地反復(fù)著，所以任異極相鄰的形狀總是不斷地反復(fù)著，所以任何分子何分子(不論極性與否不論極性與否)相互接近時，都存在相互接近時，都存在著色散力。著色散力。 同族元素單質(zhì)及其化合物，隨分子量的同族元素單質(zhì)及其化合物，隨分子量的添加，分子體積越大，瞬時偶極矩也越大，添加，分子體積越大，瞬時偶極矩也越大，色散力越大。色散力越大。 2誘導(dǎo)力 當(dāng)極性分子和非極性分子接近時，首先兩個分子都有各自的瞬時偶極，顯然是存在著

24、色散力的。除此而外極性分子受極性分子電場的作用，原來重合的正、負(fù)電荷重心別分開來產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極。誘導(dǎo)偶極與極性分子固有偶極間的作用力叫誘導(dǎo)力。另一方面，誘導(dǎo)偶極又反作用于極性分子，使其偶極長度添加，進一步加強了相互吸引力。決議誘導(dǎo)作用強弱的要素：決議誘導(dǎo)作用強弱的要素： 極性分子的偶極矩：極性分子的偶極矩： 愈大，誘導(dǎo)作用愈強。愈大，誘導(dǎo)作用愈強。 非極性分子的極化率：非極性分子的極化率： 愈大，誘導(dǎo)作用愈強。愈大，誘導(dǎo)作用愈強。誘導(dǎo)偶極而產(chǎn)生的分子間相互作用。誘導(dǎo)偶極而產(chǎn)生的分子間相互作用。+_分子離得較遠(yuǎn)分子離得較遠(yuǎn)分子接近時分子接近時+_+_ 3 取向力取向力 當(dāng)極性分子相互接近時，它們的

25、固有偶極間當(dāng)極性分子相互接近時，它們的固有偶極間相互作用，兩個分子在空間按照異極相鄰的形相互作用，兩個分子在空間按照異極相鄰的形狀取向。由于固有偶極的取向而引起的分子間狀取向。由于固有偶極的取向而引起的分子間的力叫做取向力。的力叫做取向力。+_+_+_+_+_+_分子離得較遠(yuǎn)分子離得較遠(yuǎn)取向取向誘導(dǎo)誘導(dǎo)分子極性分子極性 色散作用色散作用 誘導(dǎo)作用誘導(dǎo)作用 取向作用取向作用 非非-非非 非非-極極 極極-極極 分子間力是三種吸引力的總稱，其大分子間力是三種吸引力的總稱，其大小普通為幾小普通為幾 kJmol1，比化學(xué)鍵小，比化學(xué)鍵小 12 個數(shù)量級。個數(shù)量級。分子間的吸引作用分子間的吸引作用(10

26、22 J)分子分子取向能取向能誘導(dǎo)能誘導(dǎo)能色散能色散能總和總和HeArXeCOCCl4HClHBrHIH2ONH30000.0002101.20.390.02111.95.20000.003700.360.280.100.650.630.052.9184.61167.815332.65.60.052.9184.61169.416331511分子間力的特點：分子間力的特點： 不同情況下，分子間力的組成不同。不同情況下，分子間力的組成不同。例如，非極性分子之間只需色散力；極性例如，非極性分子之間只需色散力；極性分子之間有三種力，并以色散力為主，僅分子之間有三種力，并以色散力為主，僅僅極性很大的僅極

27、性很大的H2O 分子例外。分子例外。 分子間作用力較弱，既無方向性又無飽分子間作用力較弱，既無方向性又無飽和性。和性。 HF HCl HBr HI沸點沸點/ 85.0 66.7 35.419.9極化率極化率 小小 大大色散作用色散作用 弱弱 強強沸點沸點 低低 高高HF為何反常的高？緣由為何反常的高？緣由存在氫鍵。存在氫鍵。 HF 分子中，共用電子對劇烈偏向電負(fù)分子中，共用電子對劇烈偏向電負(fù)性大的性大的 F 原子一側(cè)。在幾乎裸露的原子一側(cè)。在幾乎裸露的 H 原子原子核與另一個核與另一個 HF 分子中分子中 F 原子的某一孤對電原子的某一孤對電子之間產(chǎn)生的吸引作用稱為氫鍵。子之間產(chǎn)生的吸引作用稱為氫鍵。氫鍵的構(gòu)成條件：氫鍵的構(gòu)成條件：分子中有分子中有H H和電負(fù)性大、半徑小且有孤對和電負(fù)性大、半徑小且有孤對電子的元素電子的元素(F (F ，O O，N)N)構(gòu)成氫鍵。構(gòu)成氫鍵。 鍵長特殊：鍵長特殊：FH F 270pm 鍵能小鍵能小 E(FH F) 28kJmol1 具有飽和性和方向性具有飽和性和方向性氫鍵的特點：氫鍵的特點： 氫鍵的方向性是指氫鍵的方向性是指Y原子與原子與XH構(gòu)成氫構(gòu)成氫鍵時，將盡能夠使氫鍵與鍵時，將盡能夠使氫鍵與XH鍵軸在同一鍵軸在同一方向，即方