無(wú)機(jī)化學(xué)-物質(zhì)結(jié)構(gòu)

1、 第四章第四章 物質(zhì)結(jié)構(gòu)物質(zhì)結(jié)構(gòu) 原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)Structure of materials 1掌握單電子原子、多電子原子的軌道能級(jí)和核外電子排布規(guī)律，掌握單電子原子、多電子原子的軌道能級(jí)和核外電子排布規(guī)律，熟練寫(xiě)出第四周期以內(nèi)元素原子的核外電子排布式；熟練寫(xiě)出第四周期以內(nèi)元素原子的核外電子排布式；2. 掌握原子結(jié)構(gòu)與周期系的關(guān)系掌握原子結(jié)構(gòu)與周期系的關(guān)系,了解元素基本性質(zhì)的變化規(guī)律；了解元素基本性質(zhì)的變化規(guī)律；3. 掌握價(jià)鍵理論的要點(diǎn)、共價(jià)鍵的特點(diǎn)及掌握價(jià)鍵理論的要點(diǎn)、共價(jià)鍵的特點(diǎn)及 鍵和鍵和 鍵的形成、特點(diǎn)；鍵的形成、特點(diǎn)；4. 掌握雜化軌道理論的要點(diǎn)，能解釋簡(jiǎn)單分子

2、的形成及分子的空間掌握雜化軌道理論的要點(diǎn)，能解釋簡(jiǎn)單分子的形成及分子的空間構(gòu)型；構(gòu)型；5. 掌握分子間作用力和氫鍵的形成、特點(diǎn)及對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響。掌握分子間作用力和氫鍵的形成、特點(diǎn)及對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響。本章學(xué)習(xí)要求本章學(xué)習(xí)要求Properties of WavesWavelength (l) is the distance between identical points on successive waves.Amplitude is the vertical distance from the midline of a wave to the peak or trough.自然界的電磁輻射自

3、然界的電磁輻射 射射線線X|射射線線真真空空紫紫外外近近紫紫外外可可見(jiàn)見(jiàn)光光近近紅紅外外基基本本紅紅外外遠(yuǎn)遠(yuǎn)紅紅外外微微波波無(wú)無(wú)線線電電波波0.01-1010-200200-400400-800800-25002500-50005000-300003E4-5E45E4-3E7波長(zhǎng)（波長(zhǎng)（nm）Maxwell (1873) proposed that visible light consists of electromagnetic waves.Electromagnetic radiation is the emission and transmission of energy in the

4、form of electromagnetic waves.All electromagnetic radiationl n = cc: speed of electromagnetic waves, i.e., 3.00108 m/s; l l: wavelength; n n: frequency Planks quantum theory量子理論Molecules could emit (or absorb) energy only in discrete (不連續(xù)的) quantities, like small packages or bundles. Planck gave the

5、 name quantum (量子） to the smallest quantity of energy that can be emitted (or absorbed) in the form of electromagnetic radiation. The energy E of a single quantum of energy is given by E = h n where h is called Plancks constant. h: 6.63x10-34 J s. n: frequency of the radiation微觀粒子能量變化是不連續(xù)的，只能以某一最小微觀

6、粒子能量變化是不連續(xù)的，只能以某一最小能量單位的整數(shù)倍變化，最小能量單位稱為能量單位的整數(shù)倍變化，最小能量單位稱為量子量子Max Planck（普朗克）（普朗克）（18581947） v德國(guó)物理學(xué)家，量子論德國(guó)物理學(xué)家，量子論的奠基人的奠基人 v1900年，他在黑體輻射年，他在黑體輻射研究中引入能量量子。研究中引入能量量子。由于這一發(fā)現(xiàn)對(duì)物理學(xué)由于這一發(fā)現(xiàn)對(duì)物理學(xué)的發(fā)展作出的貢獻(xiàn)，他的發(fā)展作出的貢獻(xiàn)，他獲得獲得1918年諾貝爾物理年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。學(xué)獎(jiǎng)。 v墓碑號(hào)刻著他的名和墓碑號(hào)刻著他的名和h的的值值 Light has both:1. wave nature2. particle natu

7、re“Photoelectric Effect”光電效應(yīng)Solved by Einstein in 1905Photon is a “particle” of lighthnKE e-光的波粒二象性A beam of light is really a stream of particles. These particles of light are now called photons(光子，光量子）光子，光量子）. Using Plancks quantum theory of radiation as a starting point, Einstein deduced that eac

8、h photon must possess energy E = hn n h: Planks constant, h=6.63x10-34 J s. n n: frequency of the radiation1924 年年， de Broglie提出了提出了靜止質(zhì)量不為靜止質(zhì)量不為零的微觀粒子具有波粒二象性零的微觀粒子具有波粒二象性的假的假設(shè)設(shè)。并。并預(yù)言具有動(dòng)量預(yù)言具有動(dòng)量 P 的微觀粒子，其物質(zhì)波的微觀粒子，其物質(zhì)波的波長(zhǎng)為的波長(zhǎng)為 l l ， 1. 微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特性1) 波粒二象性波粒二象性1927 年，年， de Broglie 的預(yù)言被電子衍射實(shí)驗(yàn)的預(yù)言被電子衍射實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，

9、故這種物質(zhì)波稱為所證實(shí)，故這種物質(zhì)波稱為de Broglie波。波。 h: Plank 常量；常量； v: 微觀粒子的速度；微觀粒子的速度； P=mv 動(dòng)量動(dòng)量mvhph=l感光屏幕感光屏幕金屬箔金屬箔衍射環(huán)紋衍射環(huán)紋電子槍電子槍電子束電子束用電子槍發(fā)射高速電子通過(guò)薄晶體片射擊感光用電子槍發(fā)射高速電子通過(guò)薄晶體片射擊感光熒屏，得到明暗相間的環(huán)紋，類似于光波的衍熒屏，得到明暗相間的環(huán)紋，類似于光波的衍射環(huán)紋。射環(huán)紋。 電子衍射實(shí)驗(yàn)示意圖電子衍射實(shí)驗(yàn)示意圖Louis Victor Pierre Raymond Duc de Broglie (1892-1977)French physicist.

10、Member of an old and noble family in France. He held the title of a prince. In his doctoral dissertation, he proposed that matter and radiation have the properties of both wave and particle. For this work, de Broglie was awarded the Nobel Prize in Physics in 1929. 粒子粒子 m (kg) v (m.s-1) l l (m) 近 似 直

11、近 似 直徑徑(m) 波動(dòng)性波動(dòng)性 1V電子電子 9.110-31 5.9105 1.210-9 10-15 顯著顯著 氫原子氫原子 1.610-27 1.0103 4.010-10 10-10 尚顯著尚顯著 槍彈槍彈 1.010-2 1.0103 6.010-35 10-2無(wú)無(wú) 壘球壘球 2.010-1 3.010 1.110-46 10-2 無(wú)無(wú) 由上表可知，由上表可知，當(dāng)波長(zhǎng)當(dāng)波長(zhǎng)大于實(shí)物粒子直徑才表現(xiàn)波動(dòng)性大于實(shí)物粒子直徑才表現(xiàn)波動(dòng)性。宏觀物體與宏觀物體與微觀粒子比較微觀粒子比較mvh=l不可能同時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)定微觀粒子的動(dòng)量（或速度）不可能同時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)定微觀粒子的動(dòng)量（或速度）和位置和位

12、置。3) 量子化特征量子化特征 E = h (Plank定律)微觀粒子能量變化是不連續(xù)的，只能以某一最小微觀粒子能量變化是不連續(xù)的，只能以某一最小能量單位的整數(shù)倍變化，最小能量單位稱為能量單位的整數(shù)倍變化，最小能量單位稱為量子量子即即 x ph 2) Heisenberg測(cè)不準(zhǔn)原理測(cè)不準(zhǔn)原理測(cè)不準(zhǔn)原理是宏觀與微觀的判別式。測(cè)不準(zhǔn)原理是宏觀與微觀的判別式。(uncertainty principle) x：位置測(cè)不準(zhǔn)量：位置測(cè)不準(zhǔn)量 , p：動(dòng)量測(cè)不準(zhǔn)量：動(dòng)量測(cè)不準(zhǔn)量Werner Karl Heisenberg (1901-1976)German physicist. One of the fo

13、unders of modern quantum theory, Heisenberg received the Nobel Prize in Physics in 1932.Heisenberg W我想不到有甚么詩(shī)句或成語(yǔ)可以描述海森伯的文章，我想不到有甚么詩(shī)句或成語(yǔ)可以描述海森伯的文章，既能道出他的天才的獨(dú)創(chuàng)性，又能描述他的思路中既能道出他的天才的獨(dú)創(chuàng)性，又能描述他的思路中不清楚、有渣滓、有時(shí)似乎茫然亂摸索的特點(diǎn)。不清楚、有渣滓、有時(shí)似乎茫然亂摸索的特點(diǎn)。 0=V) (Ehm8zyx222222222. 2. 波函數(shù)波函數(shù) Wave function1) Schrndinger 方程方程

14、波函數(shù)，波函數(shù)， Schrndinger 方程的解，描述核外電子在空間運(yùn)動(dòng)描述核外電子在空間運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)函數(shù)式，即的數(shù)學(xué)函數(shù)式，即原子軌道原子軌道 E 軌道總能量（動(dòng)能與勢(shì)能總和軌道總能量（動(dòng)能與勢(shì)能總和 ）m 微粒質(zhì)量，微粒質(zhì)量，h 普朗克常量普朗克常量x,y,z 為微粒的空間坐標(biāo)，為微粒的空間坐標(biāo)， (x,y,z)波函數(shù)波函數(shù)波函數(shù)波函數(shù) 是描述核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)式，是原子軌道，是描述核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)式，是原子軌道，是通過(guò)解薛定諤方程是通過(guò)解薛定諤方程(微觀粒子運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)方微觀粒子運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)方 程程)得到的。得到的。Schrndinger 方程: 描述核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的波動(dòng)

15、方程。Erwin Schrodinger (1887-1961)Austrian physicist. Schrodinger formulated wave mechanics, which laid the foundation for modern quantum theory. He received the Nobel Prize in Physics in 1933. Schrodinger E1944年，薛定諤還發(fā)表了生命是什么？年，薛定諤還發(fā)表了生命是什么？活細(xì)胞的物活細(xì)胞的物理面貌一書(shū)（英文版，理面貌一書(shū)（英文版，1948；中譯本，；中譯本，1973）。在此書(shū)）。在此書(shū)中，薛

16、定諤試圖用熱力學(xué)、量子力學(xué)和化學(xué)理論來(lái)解釋生中，薛定諤試圖用熱力學(xué)、量子力學(xué)和化學(xué)理論來(lái)解釋生命的本性，引進(jìn)了非周期性晶體、負(fù)熵、遺傳密碼、量子命的本性，引進(jìn)了非周期性晶體、負(fù)熵、遺傳密碼、量子躍遷式的突變等概念。這本書(shū)使薛定諤成了今天蓬勃發(fā)展躍遷式的突變等概念。這本書(shū)使薛定諤成了今天蓬勃發(fā)展的分子生物學(xué)的先驅(qū)。的分子生物學(xué)的先驅(qū)。 2) 波函數(shù)與原子軌道波函數(shù)與原子軌道 v 波函數(shù)波函數(shù)是是描述微觀粒子在核外三維空間的描述微觀粒子在核外三維空間的 一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)表達(dá)式一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)表達(dá)式(x,y,z)v 波函數(shù)是描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)方程即薛波函數(shù)是描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)方程即薛 定

17、諤方程的解。定諤方程的解。v 一個(gè)確定的波函數(shù)即表示電子的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。一個(gè)確定的波函數(shù)即表示電子的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。波函數(shù)波函數(shù)又可稱為又可稱為原子軌道原子軌道。如：。如：1s 又稱為又稱為1s軌道。軌道。 3) 直角坐標(biāo)直角坐標(biāo)( x,y,z)與球坐標(biāo)與球坐標(biāo) (r, , )的轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換 (x,y,z)= (r, , )=R(r)Y( , )徑向波函數(shù)徑向波函數(shù) 角度波函數(shù)角度波函數(shù)# 一個(gè)合理的波函數(shù)，必然對(duì)應(yīng)一組合理的量子數(shù)：n、l、m。 n, l, m, 稱為量子數(shù)，是決定波函數(shù)的三個(gè)參數(shù)。球坐標(biāo)與直角坐標(biāo)關(guān)系各種波函數(shù)的角度分布圖各種波函數(shù)的角度分布圖s、p 軌道角度部分剖面圖軌道角度

18、部分剖面圖zx+szx+pxzy+pypzzx+d 軌道角度部分剖面圖軌道角度部分剖面圖+yxdxy+zxdxz+zYdyz+d x2y2yx+d z2zx四四花花瓣瓣形形f 原子軌道角度分布圖原子軌道角度分布圖注意：注意：A.A.僅是輪廓圖，并不表示電子的運(yùn)動(dòng)軌跡。僅是輪廓圖，并不表示電子的運(yùn)動(dòng)軌跡。B.B. 有正、負(fù)之分，表明在這個(gè)區(qū)域的正負(fù)值，有正、負(fù)之分，表明在這個(gè)區(qū)域的正負(fù)值，在論化學(xué)鍵的成鍵與否或鍵的強(qiáng)弱時(shí)，兩在論化學(xué)鍵的成鍵與否或鍵的強(qiáng)弱時(shí)，兩個(gè)符號(hào)相同的軌道相互重疊，才能保證化個(gè)符號(hào)相同的軌道相互重疊，才能保證化學(xué)鍵的形成。學(xué)鍵的形成。1) 1) 具有波動(dòng)性的微觀粒子不再服從經(jīng)

19、典力學(xué)規(guī)律，具有波動(dòng)性的微觀粒子不再服從經(jīng)典力學(xué)規(guī)律， 它們的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有確定的軌道，只有一定的空它們的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有確定的軌道，只有一定的空間間幾幾率分布，遵循測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系率分布，遵循測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系, ,故故對(duì)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)對(duì)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)只能采用統(tǒng)計(jì)的方法，做出幾率性的判斷。狀態(tài)只能采用統(tǒng)計(jì)的方法，做出幾率性的判斷。3) 概率（幾率）密度概率（幾率）密度：電子在核外空間某處單位電子在核外空間某處單位 微體積內(nèi)出現(xiàn)的概率微體積內(nèi)出現(xiàn)的概率,它等于波函數(shù)絕對(duì)值的平它等于波函數(shù)絕對(duì)值的平方，方，即即|2 dp/dvdp/dv。3. 概率和概率密度2) 概率（幾率）：概率（幾率）：電子在核外空間某區(qū)域出現(xiàn)機(jī)電

20、子在核外空間某區(qū)域出現(xiàn)機(jī)會(huì)的大小會(huì)的大小。 電子云（即電子云（即|2）的角度分布圖的角度分布圖：v 電子云圖：電子云圖：用小黑點(diǎn)的疏密來(lái)表示電子在外空間幾率密度分布的具體圖像。用小黑點(diǎn)的疏密來(lái)表示電子在外空間幾率密度分布的具體圖像。因?yàn)橐驗(yàn)?2(r, , )=D2(r)Y2( , ) ，根據(jù)根據(jù)Y2( , ) ( , )可以畫(huà)出電子云的角度分布圖可以畫(huà)出電子云的角度分布圖v 電子云：電子云：電子在核外空間幾率密度分布的電子在核外空間幾率密度分布的 形象。即形象。即|2具體分布圖形。具體分布圖形。Within which 95% of theprobability to find e- for

21、the 1s orbital電子云圖（概率密度分布圖）電子云圖（概率密度分布圖）界面圖（界面內(nèi)電子出現(xiàn)的概率界面圖（界面內(nèi)電子出現(xiàn)的概率95%）各種電子云的角度分布圖各種電子云的角度分布圖zxsdz2zxydx2y2xydxyxzyxS電子云電子云 P電子云電子云各種電子云的空間分布圖象各種電子云的空間分布圖象球形對(duì)稱球形對(duì)稱啞鈴形，沿某個(gè)坐標(biāo)軸啞鈴形，沿某個(gè)坐標(biāo)軸呈柱形對(duì)稱，在核附近呈柱形對(duì)稱，在核附近及另兩個(gè)軸方向上幾率及另兩個(gè)軸方向上幾率密度為零。密度為零。d 電子云電子云五種空間取向，花瓣形，核附近幾率密度為零五種空間取向，花瓣形，核附近幾率密度為零d電子云電子云 f f 軌道軌道 (

22、 ( l l = 3,= 3,m m = +3,+2,+1, 0, -1, -2, -3 ) = +3,+2,+1, 0, -1, -2, -3 ) : : m m 七種取值七種取值, , 空間七種空間七種取向取向, , 七條等價(jià)七條等價(jià)( (簡(jiǎn)并簡(jiǎn)并) ) f f 軌道軌道. .f電子云電子云 =s, p, d平面示意圖平面示意圖 電子云電子云| |2分布圖分布圖 yx+ (s)yx| (s)|2yx| (px)|2yx| (py)|2zx| (pz)|2yx (px)+-yx (py)+-zx (pz)+- 對(duì)于多電子原子，以上軌道也近似存在對(duì)于多電子原子，以上軌道也近似存在原子軌道與電子

23、云角度分布圖比較原子軌道與電子云角度分布圖比較圖的形狀較圖的形狀較“瘦瘦” 為正值為正值圖的形狀較圖的形狀較“胖胖” 為為 正、負(fù)值正、負(fù)值不同不同伸展方向相同伸展方向相同形狀相似形狀相似相同相同Y2( , )Y ( , )角度分布函數(shù)角度分布函數(shù)電子云電子云原子軌道原子軌道原子軌道與電子云角度分布圖比較原子軌道與電子云角度分布圖比較名稱名稱 徑向分布函數(shù)圖徑向分布函數(shù)圖: :rr+drD(r)r D(r) = 2 4 r2 稱為徑向稱為徑向分布函數(shù)分布函數(shù),表示電子在離核半表示電子在離核半徑為徑為r 的球面上單位厚度球的球面上單位厚度球殼內(nèi)出現(xiàn)的概率。殼內(nèi)出現(xiàn)的概率。D(r)r1s52.9p

24、m 氫原子氫原子1s電子：電子：在原子在原子核附近核附近概率密度（概率密度（ 2 ）最大，而在離核半徑最大，而在離核半徑52.9pm (Bohr半徑半徑) 的球殼的球殼層中有最大層中有最大概率（概率（ 2 4 r2 ）。Radial probability distributions (徑向概率分布函數(shù)徑向概率分布函數(shù)) for atomic orbitals with n=1-3.D(r)D(r) = 2 4 r24.2 核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)指電子所在的電子層和原子軌道的能級(jí)指電子所在的電子層和原子軌道的能級(jí)(n, l)、形狀形狀(l)、伸展方向伸展方向(m)和電子本身的自旋方向

25、和電子本身的自旋方向(ms)。 1. 四個(gè)量子數(shù)：四個(gè)量子數(shù)： quantum number 描述描述電子層電子層( (能層能層) ) 描述電子離核遠(yuǎn)近，描述電子離核遠(yuǎn)近， n 是決定電子能量的主要因素是決定電子能量的主要因素 物理意義：物理意義：相應(yīng)光譜項(xiàng)：相應(yīng)光譜項(xiàng)： K L M N O P Q. 1) 主量子數(shù)主量子數(shù) n ： principal quantum 取值：取值： 1 2 3 4 5 6 7 n eVnE26 .13 = = 單電子原子（離子），電子能量完全決定于單電子原子（離子），電子能量完全決定于nn值越大，能量越高值越大，能量越高多電子原子，電子能量與多電子原子，電子能

26、量與n和原子軌道形狀和原子軌道形狀l有關(guān)有關(guān)。 = f(n, l, m, ms)principal quantum number nn = 1, 2, 3, 4, .n=1n=2n=3distance of e- from the nucleusBoundary surfaces of s orbitals2) 角量子數(shù)角量子數(shù) l 物理意義：物理意義： 描述原子軌道或電子云描述原子軌道或電子云形狀形狀； 表示同一電子層中具有不同的表示同一電子層中具有不同的亞層亞層； 在多電子原子中，確定能量的次要因素在多電子原子中，確定能量的次要因素。 angular quantum number取值取值:

27、 0，1， 2， (n-1) 共共n個(gè)個(gè)l0123亞層亞層spdf電子云形狀電子云形狀球?qū)ΨQ球?qū)ΨQ啞鈴形啞鈴形四花瓣形四花瓣形各電子層的亞層數(shù)各電子層的亞層數(shù)=電子層的電子層的 n值值l = 0 (s orbitals)l = 1 (p orbitals)Boundary surfaces of the three p orbitalsl = 2 (d orbitals)Boundary surfaces of the five d orbitals = f(n, l, m, ms)angular momentum quantum number lfor a given value of n,

28、 l = 0, 1, 2, 3, n-1n = 1, l = 0n = 2, l = 0 or 1n = 3, l = 0, 1, or 2Shape of the “volume” of space that the e- occupies l = 0 s orbitall = 1 p orbitall = 2 d orbitall = 3 f orbital zyxnpnpnpEEE=多電子原子中，電子能量由多電子原子中，電子能量由n 、 l 共同共同 決定。決定。n 、l 相同的電子，能量相同，處于同相同的電子，能量相同，處于同 一能一能級(jí)級(jí),稱稱為等價(jià)軌道為等價(jià)軌道(簡(jiǎn)并軌道簡(jiǎn)并軌道)

29、.同一亞層（即簡(jiǎn)并軌道或等價(jià)軌道）同一亞層（即簡(jiǎn)并軌道或等價(jià)軌道）（n, l 相同）相同）：多電子原子：多電子原子： E1s E2s E3s E4s （n不同，不同，l 相同）相同） Ens Enp Endl Existence (and energy) of electron in atom is described by its unique wave function .Pauli exclusion principle - no two electrons in an atomcan have the same four quantum numbers. = f(n, l, m, ms

30、)Each seat is uniquely identified (E, R12, S8)Each seat can hold only one individual at a timeHow many electrons can an orbital hold?If n, l, and ml are fixed, then ms = or - = (n, l, m, ) or = (n, l, m, -)An orbital can hold 2 electronsHow many 2p orbitals are there in an atom?2pn=2l = 1If l = 1, t

31、hen m = -1, 0, or +13 orbitalsHow many electrons can be placed in the 3d subshell?3dn=3l = 2If l = 2, then m = -2, -1, 0, +1, or +25 orbitals which can hold a total of 10 e- =ssssmmlnmmlnmmlnmmln, 1, 2, 4421, 0, 3321, 1, 2221, 0, 2,1當(dāng)?shù)牧孔訑?shù)。例：給下列各組填入適31021小結(jié)小結(jié)vn,m,l三個(gè)量子數(shù)可確定一個(gè)原子軌道三個(gè)量子數(shù)可確定一個(gè)原子軌道(n,l,m)v

32、n, l , m,ms四個(gè)量子數(shù)確定一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)四個(gè)量子數(shù)確定一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).vn,l相同的原子軌道，能量相同，稱為簡(jiǎn)并軌道。相同的原子軌道，能量相同，稱為簡(jiǎn)并軌道。v每個(gè)電子層的亞層數(shù)每個(gè)電子層的亞層數(shù) = n 值值 v每個(gè)電子亞層的軌道數(shù)為（每個(gè)電子亞層的軌道數(shù)為（2l+1 )個(gè)個(gè) v每個(gè)電子層的軌道總數(shù)為每個(gè)電子層的軌道總數(shù)為n2個(gè)，最多可容納個(gè)，最多可容納2n2 個(gè)電子個(gè)電子 主量子數(shù)主量子數(shù)n和角量子數(shù)均不相同時(shí)，出現(xiàn)和角量子數(shù)均不相同時(shí)，出現(xiàn) “能級(jí)交錯(cuò)能級(jí)交錯(cuò)”現(xiàn)象現(xiàn)象E4s E3d E4p . 。 角量子數(shù)相同，能級(jí)能量隨主量子數(shù)的增角量子數(shù)相同，能級(jí)能量隨主量子數(shù)的

33、增 大而升高，即大而升高，即E1s E2s E3s E4s . 。 主量子數(shù)相同，能級(jí)能量隨角量子數(shù)主量子數(shù)相同，能級(jí)能量隨角量子數(shù)l的增的增 大而升高，即大而升高，即Ens Enp End En f . 。2.2.Or 同一能級(jí)組：同一能級(jí)組：ns (n-2)f (n-1)d npOr 不同電子層：不同電子層：EK EL EM EN 能級(jí)交錯(cuò)能級(jí)交錯(cuò)interleavingns (n-2)f (n-1)d npEns Enp End EnfEK EL EM ENEnergy levels of multi-electron atomic orbitals多電子原子軌道近似能級(jí)圖多電子原子軌道

34、近似能級(jí)圖1s2p2s3p3s4p3d4s5p4d5s6p5d4f6s7p6d5f7s n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 n=6 n=7 K L M N O P Q 能級(jí)1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p ns(n-1)d(n-2)f 26Fe Ar3d64s2 Ar3d64s0 Ar3d54s0 Ar3d44s2 Ar3d34s2 Fe2+ Fe3+Electron Configurations of Cations and AnionsNa Ne3s1Na+ NeCa Ar4s2Ca2+ ArAl Ne3s23p1Al3+ NeAtoms lose el

35、ectrons so that cation has a noble-gas outer electron configuration.H 1s1H- 1s2 or HeF 1s22s22p5F- 1s22s22p6 or NeO 1s22s22p4O2- 1s22s22p6 or NeN 1s22s22p3N3- 1s22s22p6 or NeAtoms gain electrons so that anion has a noble-gas outer electron configuration.Of Representative ElementsNa+: NeAl3+: NeF-: 1

36、s22s22p6 or NeO2-: 1s22s22p6 or NeN3-: 1s22s22p6 or NeNa+, Al3+, F-, O2-, and N3- are all isoelectronic with NeWhat neutral atom is isoelectronic with H- ?H-: 1s2same electron configuration as HeElectron Configurations of Cations of Transition MetalsWhen a cation is formed from an atom of a transiti

37、on metal, electrons are always removed first from the ns orbital and then from the (n 1)d orbitals.Fe: Ar4s23d6Fe2+: Ar4s03d6 or Ar3d6Fe3+: Ar4s03d5 or Ar3d5Mn: Ar4s23d5Mn2+: Ar4s03d5 or Ar3d5What is the electron configuration of Mg?Mg 12 electrons1s 2s 2p 3s 3p 4s 1s22s22p63s22 + 2 + 6 + 2 = 12 ele

38、ctronsAbbreviated as Ne3s2Ne 1s22s22p6What are the possible quantum numbers for the last (outermost) electron in Cl?Cl 17 electrons1s 2s 2p 3s 3p 4s 1s22s22p63s23p52 + 2 + 6 + 2 + 5 = 17 electronsLast electron added to 3p orbitaln = 3l = 1ml = -1, 0, or +1ms = or -元素原子的電子層結(jié)構(gòu)呈周期性變化元素原子的電子層結(jié)構(gòu)呈周期性變化 ，導(dǎo)

39、，導(dǎo)致元素性質(zhì)周期性變化致元素性質(zhì)周期性變化, 這就是元素周期律。這就是元素周期律。2. 2. 元素周期系元素周期系周期的劃分與能級(jí)組的劃分完全一致，每個(gè)周期的劃分與能級(jí)組的劃分完全一致，每個(gè)能級(jí)組都獨(dú)自對(duì)應(yīng)一個(gè)周期。共有七個(gè)能級(jí)能級(jí)組都獨(dú)自對(duì)應(yīng)一個(gè)周期。共有七個(gè)能級(jí)組，組， 所以共有七個(gè)周期。所以共有七個(gè)周期。1) 元素周期律元素周期律2) 元素的周期元素的周期When the Elements Were DiscoveredFamilies of elements in the periodic tablens1ns2ns2np1ns2np2ns2np3ns2np4ns2np5ns2np6

40、d1d5d104f5fGround State Electron Configurations of the Elements周期的劃分和軌道能級(jí)組的關(guān)系周期的劃分和軌道能級(jí)組的關(guān)系周期周期數(shù)數(shù)原子原子序數(shù)序數(shù)元素元素?cái)?shù)目數(shù)目最高能級(jí)組最高能級(jí)組最大電最大電子容量子容量11221s第一能級(jí)組第一能級(jí)組2231082s,2p第二能級(jí)組第二能級(jí)組83111883s,3p第三能級(jí)組第三能級(jí)組841936184s,3d,4p第四能級(jí)組第四能級(jí)組1853754185s,4d,5p第五能級(jí)組第五能級(jí)組1865586326s,4f,5d,6p第六能級(jí)組第六能級(jí)組32787109(未完未完)237s,5f,6

41、d,7p第七能級(jí)組第七能級(jí)組32周期數(shù)周期數(shù)元素電子層數(shù)元素電子層數(shù)能級(jí)組中最高主量子數(shù)能級(jí)組中最高主量子數(shù)周期周期短周期（一，二，三）短周期（一，二，三）長(zhǎng)周期（四，五，六，七）長(zhǎng)周期（四，五，六，七）族族主族主族(IA-VIIA,0)原子最后一個(gè)電子原子最后一個(gè)電子填填 在外層在外層 ns、np軌道軌道 副族副族(IIIB-IIB,IB)最后一個(gè)電子填在最后一個(gè)電子填在(n-1)d或或 (n- 2)f 軌道上軌道上1SH He2345672S3S4S5S6S7S3d4d5d2p3p4p5p6p4f5f4) 元素的區(qū)元素的區(qū)Block structureA nature division o

42、f the periodic table into blocks according to the outer electron configurations外層電子構(gòu)型 of atoms. s block: outer electron configurations (ns)1-2. Main groupp block: outer electron configurations (ns)2(np)1-6. Main groupd block: outer electron configurations (n-1)d1-8ns2 Transition elements; Exception:

43、 Cr, Mo, Nb, Ru, Rh, Pd, Ptds block: outer electron configurations (n-1)d10ns1-2 Transition elementsf block: outer electron configurations (n-2)f1-14ns2 Lanthanides (4f) and Actinides (5f). There are exceptions Ground State Electron Configurations of the ElementsExceptions in d block:Cu 4s13d10; Ag

44、5s14d10; Au 6s15d10Cr 3d54s1; Mo 4d55s1;Nb 4d45s1 Ru 4d75s1; Rh 4d85s1; Pd 4d10; Pt 5d96s1Exceptions in f block:La: 5d16s2; Ce: 4f15d16s2; Gd: 4f75d16s2Ac: 6d17s2; Th: 6d27s2; Pa: 5f26d17s2; U: 5f36d17s2; Np: 5f46d17s2; Cm: 5f76d17s2In Chinese book:The Lanthanide(鑭系元素鑭系元素): From La (57) to Lu (71)Th

45、e Actinide(錒系元素錒系元素): From Ac (89) to Lr (103)In Raymond Changs book: The Lanthanide: From Ce (58) to Lu (71)The Actinide: From Th (90) to Lr (103)In the other book: The Lanthanide: From La (57) to Yb (70)The Actinide: From Ac (89) to No (102) 3.元素基本性質(zhì)的周期性元素基本性質(zhì)的周期性 1) 原子半徑原子半徑 v 共價(jià)半徑共價(jià)半徑 同種元素的兩個(gè)原子，

46、同種元素的兩個(gè)原子， 以共價(jià)單鍵相連時(shí)，以共價(jià)單鍵相連時(shí)，核間距的一核間距的一 半半，為共價(jià)半徑。，為共價(jià)半徑。 d核間距為核間距為d， v金屬半徑金屬半徑 金屬晶體中，金屬原子被視為剛性金屬晶體中，金屬原子被視為剛性球體，彼此相切，其核間距的一半，為金屬半徑。球體，彼此相切，其核間距的一半，為金屬半徑。 v van de Waals半徑半徑惰性氣體中，原子間不形成化學(xué)鍵，但由于在惰性氣體中，原子間不形成化學(xué)鍵，但由于在T很低時(shí)也能液化、固化，因此很低時(shí)也能液化、固化，因此 原子原子(分子分子)間以間以分子間力分子間力 作用，相互接觸，形成分子晶體；作用，相互接觸，形成分子晶體；又如干冰又如干

47、冰CO2，兩個(gè)分子間也以兩個(gè)分子間也以van de Waals力力相互作用相互作用, 其其O-O間的一半間的一半為為van de Waals半徑半徑。AARAACO2CO2以上二者都稱為接觸半徑以上二者都稱為接觸半徑或或van de Waals半徑。半徑。 原子半徑原子半徑在周期表中的遞變規(guī)律在周期表中的遞變規(guī)律 同一主族，從上到下原子半徑逐漸增大同一主族，從上到下原子半徑逐漸增大減小程度不大減小程度不大, r = 5pm。 同一副族從上到下變化幅度小，第五、同一副族從上到下變化幅度小，第五、六周期六周期元素的原子半徑非常接近元素的原子半徑非常接近。 同一周期中同一周期中：v長(zhǎng)周期過(guò)渡元素長(zhǎng)周

48、期過(guò)渡元素：從左到右原子半徑從左到右原子半徑v短周期短周期：從左到右原子半徑逐漸減小從左到右原子半徑逐漸減小變化幅度較大變化幅度較大。主族元素主族元素2) 電離能電離能 （ionization energy） 第一電離能（第一電離能（I1）：）：A(g)-e A+ (g) 第二電離能：由氣態(tài)第二電離能：由氣態(tài)+1價(jià)離子再失去一個(gè)電價(jià)離子再失去一個(gè)電 子成為子成為+2價(jià)離子所需的能量?jī)r(jià)離子所需的能量I 1 I2 2.0 為非金屬元素為非金屬元素X 1.7 易形成穩(wěn)定離子易形成穩(wěn)定離子Na + 2s 2 2p 6， Cl 3s 2 3p 6 ，只轉(zhuǎn)移少數(shù)電子就只轉(zhuǎn)移少數(shù)電子就達(dá)稀有氣體式穩(wěn)達(dá)稀有氣

49、體式穩(wěn)定結(jié)構(gòu)定結(jié)構(gòu)。Na ( s ) + 1/2 Cl 2 ( g ) = NaCl ( s )形成離子鍵時(shí)釋放能量多形成離子鍵時(shí)釋放能量多 H = 410.9 kJmol-12. 離子鍵的特征離子鍵的特征1) 作用力的實(shí)質(zhì)是靜電引力作用力的實(shí)質(zhì)是靜電引力221rqqF 2) 離子鍵沒(méi)有方向性離子鍵沒(méi)有方向性離子離子與任何方向性不同的離子相吸引與任何方向性不同的離子相吸引,所以無(wú)方向性所以無(wú)方向性。3) 離子鍵沒(méi)有飽和性離子鍵沒(méi)有飽和性只要是正負(fù)離子之間，則彼此吸引，只要是正負(fù)離子之間，則彼此吸引，即無(wú)飽和性。即無(wú)飽和性。因離子化合物是正負(fù)離子由離子鍵交替連接構(gòu)成的晶體物質(zhì)，沒(méi)有單個(gè)正負(fù)離子的

50、分子存在，故離子化合物的分子式只是其化學(xué)式。3) 離子半徑離子半徑 R陽(yáng)陽(yáng)R原原R陰陰 同一周期同一周期，離子電子構(gòu)型相同的，離子電子構(gòu)型相同的陽(yáng)陽(yáng) RNa+=95pmRCl=99.4pmRA3+ RA2+ RA+ R Fe3+=64pm 0鍵的極性與電負(fù)性差鍵的極性與電負(fù)性差的關(guān)系的關(guān)系鍵鍵鍵型過(guò)渡鍵型過(guò)渡H HH BrH ClH FNa+ F - 00.40.70.91.93.1非極性鍵非極性鍵極性鍵極性鍵離子鍵離子鍵負(fù)性差負(fù)性差來(lái)衡量來(lái)衡量 , 越大鍵極性越強(qiáng)越大鍵極性越強(qiáng) 。 共價(jià)鍵共價(jià)鍵H I 分子的極性分子的極性分子的極性大小用偶極矩分子的極性大小用偶極矩衡量衡量+q-qd偶極矩偶

51、極矩=d.q=d.q非極性分子非極性分子 = 0分子中鍵均為非極性鍵分子中鍵均為非極性鍵有極性鍵有極性鍵, ,但分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱但分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱極性分子極性分子分子結(jié)構(gòu)不對(duì)稱分子結(jié)構(gòu)不對(duì)稱 0+-+-OHHOOc180.vv 價(jià)健理論局限性價(jià)健理論局限性： 無(wú)法解釋分子的空間構(gòu)型無(wú)法解釋分子的空間構(gòu)型 健角健角 分子構(gòu)型分子構(gòu)型 H2O 104.50 V型型 CH4 109.280 正四面體型正四面體型1) 在形成分子時(shí)在形成分子時(shí),原子中能量相近的幾個(gè)原子中能量相近的幾個(gè) 原子軌道重新組合而形成一組新的原原子軌道重新組合而形成一組新的原 子軌道，這一過(guò)程稱為雜化，形成的新軌道稱為雜化軌道子軌道，這

52、一過(guò)程稱為雜化，形成的新軌道稱為雜化軌道 1. 1. 雜化軌道理論的基本要點(diǎn)雜化軌道理論的基本要點(diǎn) 4.6 雜化軌道理論雜化軌道理論 Hybridization of Atomic Orbitals雜化軌道形狀一頭大一頭小的葫蘆型雜化軌道形狀一頭大一頭小的葫蘆型。3) 軌道雜化增強(qiáng)原子軌道的成鍵能力軌道雜化增強(qiáng)原子軌道的成鍵能力；2) 雜化軌道數(shù)目等于參與雜化的原子軌道數(shù)目雜化軌道數(shù)目等于參與雜化的原子軌道數(shù)目；（最大重疊、最小斥力）最大重疊、最小斥力）。 2.雜化類型與分子空間構(gòu)型雜化類型與分子空間構(gòu)型 v spsp雜化雜化 2個(gè)個(gè)sp 雜化軌道雜化軌道特點(diǎn)：特點(diǎn)：sp=s/2+p/2兩個(gè)兩

53、個(gè)sp 雜化軌道的夾角為雜化軌道的夾角為180+y+xy+x+-y-x=+ 直線型直線型空間構(gòu)型空間構(gòu)型Formation of sp Hybrid Orbitals兩個(gè)兩個(gè)sp 雜化軌道的夾角為雜化軌道的夾角為1802s22p0激發(fā)2s12p1雜化sp成鍵Cl ClEx.形成形成BeCl2分子分子分子為分子為直線型結(jié)構(gòu)直線型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：特點(diǎn)：sp=s/2+p/2+-Cl+-Cl+-雜化軌道雜化軌道Be: 1s22s2v sp2 雜化雜化2s22p1激發(fā)2s12p2雜化成鍵FFFsp2雜化軌道 三個(gè)三個(gè)sp2 雜化軌道的夾角為雜化軌道的夾角為120 空間構(gòu)型為空間構(gòu)型為; 平面三角型平面三角型

54、BF3 分子分子特點(diǎn)特點(diǎn)： = S/3+2p/3Formation of sp2 Hybrid Orbitalsv sp3 雜化雜化 2s22p2激發(fā)2s12p3雜化成鍵HHHsp3雜化軌道H 四個(gè)四個(gè)sp3 雜化軌道的夾角為雜化軌道的夾角為10928 空間構(gòu)型為空間構(gòu)型為; 正四面體型正四面體型 CH4 分子分子特點(diǎn)：特點(diǎn)： = S/4+3p/4 vv等性雜化等性雜化: : 各個(gè)雜化軌道的形狀和能量完全各個(gè)雜化軌道的形狀和能量完全相同。相同。 vv不等性雜化不等性雜化: : 參與雜化的原子軌參與雜化的原子軌道中存道中存在孤對(duì)電子，則形成的雜化軌道的形狀和能量不完在孤對(duì)電子，則形成的雜化軌道的

55、形狀和能量不完全相同。全相同。判斷是否等性雜化，要看各條雜化軌道的能量是否相等，不能看未參加雜化的軌道的能量。3. 等性雜化和不等性雜化等性雜化和不等性雜化2s22p3成鍵HHsp3雜化軌道H雜化NH3H2O2s22p4成鍵Hsp3雜化軌道H雜化三角錐型三角錐型V 型型1071810445參與雜化但不成鍵參與雜化但不成鍵參與雜化但不成鍵參與雜化但不成鍵氨分子的不等性氨分子的不等性sp3雜化雜化Predict correctbond angle水分子的不等性水分子的不等性sp3雜化雜化 (1)(1) 在形成多原子分子時(shí)，在形成多原子分子時(shí)，能量相近能量相近的原子軌的原子軌 道發(fā)生混合道發(fā)生混合,

56、 ,重新形成能量相同的雜化軌道。重新形成能量相同的雜化軌道。 雜化軌道理論小結(jié)雜化軌道理論小結(jié) (2) (2) 雜化軌道數(shù)目與參與雜化的雜化軌道數(shù)目與參與雜化的原子軌道數(shù)目等原子軌道數(shù)目等，雜化軌道有確定的雜化軌道有確定的伸展方向伸展方向。 (3) (3) 雜化分雜化分等性雜化等性雜化和和不等性雜化不等性雜化。 (4) 雜化軌道雜化軌道成鍵能力增強(qiáng)成鍵能力增強(qiáng)。 s s成分越多，成分越多， 成鍵能力越強(qiáng)成鍵能力越強(qiáng)sp sp2 sp3 p 只能形成只能形成鍵鍵，有一定的，有一定的局限性局限性。雜化類型雜化類型 軌道數(shù)軌道數(shù) 軌道夾角軌道夾角 分子構(gòu)型分子構(gòu)型 sp 2 180 直線型直線型 s

57、p2 3 120 平面三角型平面三角型 sp3 4 等性等性10928 正四面體正四面體 不等性不等性10718 三角錐型三角錐型 10445 V型型4.4.軌道雜化類型與分子空間構(gòu)型軌道雜化類型與分子空間構(gòu)型 sp Linear sp2 Trigonal planar sp3 Tetrahedral dsp3 or sp3d Trigonal bipyramidald2sp3 or sp3d2 Octahedral# of Lone Pairs+# of Bonded AtomsHybridizationExamples23456spsp2sp3sp3dsp3d2BeCl2BF3CH4, N

58、H3, H2OPCl5SF6How do I predict the hybridization of the central atom?Count the number of lone pairs AND the numberof atoms bonded to the central atomSigma bond () electron density between the 2 atomsPi bond () electron density above and below plane of nuclei of the bonding atoms(d) The valence bond model of methane, showing the bonding between carbon sp3 orbitals and four hydrogen 1s orbitals (e) The sp2 bonding and