物質(zhì)結(jié)構(gòu)原子核外電子運動的狀態(tài)、排布原則及方法

1、物質(zhì)結(jié)構(gòu)原子核外電子運動的狀態(tài)、排布原則及方法學習指南1.了解原子核外電子運動的狀態(tài)，掌握核外電子排布原則及方法。 2. 理解離子鍵與共價鍵、 鍵和鍵的特征及他們的區(qū)別。3.掌握極性共價鍵、非極性共價鍵以及配位共價鍵的特點。 4.了解雜化軌道的概念；理解雜化軌道和分子幾何構(gòu)型的關(guān)系；分子間作用力的特征與性質(zhì)。項目一 物質(zhì)結(jié)構(gòu)1.1 原子核外電子的運動狀態(tài)1.2 原子核外電子的排布1.3 元素性質(zhì)的周期性1.4 化學鍵1.5 分子空間結(jié)構(gòu)1.6 分子間力1.7 晶體類型1.1 原子核外電子的運動狀態(tài) 【能力目標】能夠完全掌握四個量子數(shù)表示意義及其取值規(guī)律。 【知識目標】掌握原子核外電子運動的特性

2、，掌握四個量子數(shù)的符號和表示的意義。1.1 原子核外電子的運動狀態(tài)1.1.1 核外電子運動的量子化1.1.2 電子的波粒二象性1.1.3 波函數(shù)與原子軌道1.1.4 電子云1.1.5 量子數(shù)核外電子運動的量子化 （1）原子中的電子只能沿著某些特定的、以原子核為中心、半徑和能量都確定的軌道上運動，這些軌道的能量狀態(tài)不隨時間而改變，稱為穩(wěn)定軌道（或定態(tài)軌道）。（2）在一定軌道中運動的電子具有一定的能量，處在穩(wěn)定軌道中運動的電子，既不吸收能量，也不發(fā)射能量。軌道的這些不同的能量狀態(tài)，稱為能級?；鶓B(tài)、激發(fā)態(tài)。（3）電子從一個定態(tài)軌道跳到另一個定態(tài)軌道，在這過程中放出或吸收能量，其頻率與兩個定態(tài)軌道之間

3、的能量差有關(guān)。電子的波粒二象性 法國物理學家德布羅依(de Broglie)，提出假設(shè)：微觀粒子都具有波粒二象性-德布羅依波或物質(zhì)波。 1927年，美國物理學家戴維遜()和革末(L.H.Ge rmer) 進行了電子衍射實驗，得到了和光衍射現(xiàn)象相似的一系列明暗交替的衍射環(huán)紋，這種現(xiàn)象稱為電子衍射。波函數(shù)與原子軌道 1926年奧地利物理學家薛定諤()把電子運動和光的波動性理論聯(lián)系起來，提出了描述核外電子運動狀態(tài)的數(shù)學方程，稱為薛定諤方程。 薛定諤方程把作為粒子物質(zhì)特征的電子質(zhì)量(m)、位能(V)和系統(tǒng)的總能量(E)與其運動狀態(tài)的波函數(shù)()列在一個數(shù)學方程式中，即體現(xiàn)了波動性和粒子性的結(jié)合。解薛定諤

4、方程的目的就是求出波函數(shù)以及與其相對應(yīng)的能量E，這樣就可了解電子運動的狀態(tài)和能量的高低。 圖1-1 s，p，d原子軌道角度分布圖(平面圖)電子云 電子在核外空間各處出現(xiàn)的概率大小，稱為概率密度。 為了形象地表示電子在原子中的概率密度分布情況，常用密度不同的小黑點來表示，這種圖像稱為電子云。 電子在核外空間出現(xiàn)的概率密度和波函數(shù)的平方成正比，表示為電子在原子核外空間某點附近微體積出現(xiàn)的概率。 原子軌道的角度分布圖帶有正、負號，而電子云的角度分布圖均為正值，電子云角度分布圖形比較“瘦”些。圖1-2 s，p，d電子云角度分布圖(平面圖)量子數(shù)1.1.5.1 主量子數(shù)n1.1.5.2 角量子數(shù)1.1.

5、5.3 磁量子數(shù)m1.1.5.4 自旋量子數(shù) 主量子數(shù)是描述核外電子離核的遠近，電子離核由近到遠分別用數(shù)值n=1，2，3，有限的整數(shù)來表示，已知的最大值為7，主量子數(shù)決定了原子軌道能級的高低，n越大，電子的能級越大，能量越高。 n是決定電子能量的主要量子數(shù)。n相同，原子軌道能級相同。主量子數(shù)nn1234567層第一層 第二層 第三層 第四層 第五層 第六層 第七層 符號 KLMNOPQ角量子數(shù)l 在同一電子層內(nèi)，電子的能量也有所差別，角量子數(shù)l就是用來描述原子軌道或電子云的形態(tài)。 l的數(shù)值不同，原子軌道或電子云的形狀就不同，l的取值受n的限制。 n 1234l00,10,1,20,1,2,3表

6、1-3角量子數(shù)、亞層符號及原子軌道形狀的對應(yīng)關(guān)系0123亞層符號 spdf原子軌道或電子云形狀 圓球形 啞鈴形 花瓣形 花瓣形 EnsEnpEndEnf磁量子數(shù)m 磁量子數(shù)m是用來描述原子軌道在空間的伸展方向。 磁量子數(shù)的取值受角量子數(shù)的制約，它可取從+l到-l，包括0在內(nèi)的整數(shù)值，l確定后，m可有2l+1個值。表1-4 n、l和m的關(guān)系主量子數(shù)(n) 1234電子層符號 KLMN角量子數(shù)（l） 0010120123電子亞層符號 1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f磁量子(m) 00000000001111112223亞層軌道數(shù)(2+1) 1131351357電子層軌道數(shù)n14916自旋量

7、子數(shù)m 描述電子自旋運動的量子數(shù)還稱為自旋量子數(shù)ms，由于電子有兩個相反的自旋運動，因此自旋量子數(shù)取值為 ，用符號 “”和“”表示。 在四個量子數(shù)中，n、l、m三個量子數(shù)可確定電子的原子軌道；n、l兩個量子數(shù)可確定電子的能級；n這一個量子數(shù)只能確定電子的電子層。原子核外電子的排布 【能力目標】能夠?qū)懗瞿吃睾送怆娮优挪际健?【知識目標】掌握核外電子排布原則及方法；掌握常見元素的原子排布式和價電子構(gòu)型。原子核外電子的排布基態(tài)原子核外電子排布的原則原子核外電子排布基態(tài)原子核外電子排布的原則泡利不相容原理能量最低原理 1.2.1.3 洪特規(guī)則泡利不相容原理 1929年，奧地利科學家泡利()提出：在同

8、一原子中不可能有四個量子數(shù)完全相同的2個電子，即每個軌道最多只能容納2個自旋方向相反的電子。 每一電子層上電子的最大容量為2n2。能量最低原理 （1）能級圖 同一原子中的同一電子層內(nèi)，各亞層之間的能量次序為 同一原子中的不同電子層內(nèi)，相同類型亞層之間的能量次序為 同一原子中第三層以上的電子層中，不同類型的亞層之間，在能級組中常出現(xiàn)能級交錯現(xiàn)象，如能量1s2s2p3s3p4s4p3d5s5p4d6s6p5d4f組內(nèi)能級間能量差小，能級組間能量差大每個 代表一個原子軌道 p 三重簡并 d 五重簡并 f 七重簡并7s7p6d5f圖1-3 鮑林近似能級圖（2）屏蔽效應(yīng) 在多電子原子中，核外電子受原子核

9、的吸引，還受到電子之間的相互排斥。排斥力的存在，減弱了原子核對外層電子的吸引力。 有效核電荷z*與核電荷z關(guān)系如下。 氫原子核電荷為z1，核外只有一個電子，只存在核與電子之間的引力，電子的能量完全由主量子數(shù)n決定。即ev（z=1）例1-1 計算鈧原子中處于3p和3d軌道上電子的有效核電荷和一個3s電子的能量。解：Sc（z21）核外電子排布為3p電子z*3d電子 z*33s電子 屏蔽常數(shù)對各分層的能量有較大影響，n相同l不同的原子軌道，隨著l的增大其它電子對它的屏蔽常數(shù)也增大，從而使得它的能量升高，即有 （3）鉆穿效應(yīng) 在多電子原子中，角量子數(shù)l較小的軌道上的電子，鉆到靠核附近的空間的幾率較大，

10、具有較強的滲透能力。這種電子可以避免其它電子的屏蔽，又能增強核對它的吸引力，使其能量降低。這種外層電子向內(nèi)層穿透的現(xiàn)象稱為鉆穿效應(yīng)（Penetrating effect）。鉆穿與屏蔽兩種作用是相互聯(lián)系的，總效果都反映在z*值上。軌道的鉆穿能力通常按ns、np、nd、nf的順序減小，導致主量子數(shù)相同的軌道能級按 雙鍵三鍵。鍵長越短，鍵能就越大，鍵就越牢固。 （3）鍵角（） 分子中鍵與鍵的夾角稱為鍵角。知道一個分子的鍵長和鍵角，就可以推知該分子的幾何構(gòu)型。鍵參數(shù)（4）鍵的極性 若化學鍵中正、負電荷中心重合。則鍵無極性，反之則鍵有極性。根據(jù)鍵的極性可將共價鍵分為非極性共價鍵和極性共價鍵。 由同種原子

11、形成的共價鍵，如單質(zhì)分子H2、O2、N2等分子中的共價鍵，電子云在兩核中間均勻分布(并無偏向)，這類共價鍵稱為非極性共價鍵。 由不同元素的原子形成的共價鍵。元素的電負性不同，對電子對的吸引能力不同，共用電子對偏向電負性較大的元素的原子，使其帶負電荷，而電負性較小的原子帶正電荷，鍵的兩端出現(xiàn)了正、負極，正、負電荷中心不重合。這樣的共價鍵稱為極性共價鍵。 1.5 分子空間結(jié)構(gòu) 【能力目標】能夠利用雜化軌道理論分析雜化軌道和分子幾何構(gòu)型的關(guān)系。 【知識目標】理解雜化軌道的概念；理解雜化軌道和分子幾何構(gòu)型的關(guān)系。 雜化軌道雜化雜化軌道雜化 在成鍵的過程中，由于原子間的相互影響，同一原子中幾個能量相近的

12、不同類型的原子軌道（即波函數(shù)），可以進行線性組合，重新分配能量和確定空間方向，組成數(shù)目相等的新原子軌道，這種軌道重新組合的方式稱為雜化。圖1-10 兩個sp雜化軌道的形成和方向雜化軌道雜化后形成的新軌道稱為雜化軌道。雜化軌道的類型雜化1.5.2.2 sp雜化1.5.2.3 sp3雜化1.5.2.4 sp3不等性雜化圖1-11 sp雜化軌道的分布與分子的幾何構(gòu)型雜化圖1-12 sp2雜化軌道的分布與分子的幾何構(gòu)型 1.5.2.2 sp2雜化圖1-13 sp3雜化軌道的分布與分子的幾何構(gòu)型1.5.2.3 sp3雜化1.5.2.4 sp3不等性雜化 在雜化軌道中有不參加成鍵的孤對電子存在，使所形成的

13、各雜化軌道的成分和能量不完全相等，這類雜化稱為不等性雜化。例如NH3和H2O分子中的N，O原子就是以不等性sp3雜化軌道進行成鍵的。 （a） （b）圖1-14 NH3和H2O的幾何構(gòu)型表1-10 s-p型等性和不等性雜化的比較雜化軌道類型軌道鍵角軌道幾何形狀分子幾何形狀實例sp3等性雜化10928正四面體正四面體CH4,NH4+,SiF4不等性雜化1對成對電子10928四面體三角錐NH3,H3O+,PCl32對成對電子10928四面體折線形H2O,OF2sp2等性雜化120平面三角形平面三角形BF3,SO3,C2H4不等性雜化（含1對成對電子）120平面三角形折線形SO2,NO2sp等性雜化1

14、80直線形直線形BeCl2，CO2，HgCl2分子間力 【能力目標】更夠根據(jù)分子間作用力與物質(zhì)性質(zhì)的影響。 【知識目標】理解分子間作用力的特征與性質(zhì)；理解氫鍵的形成及對物質(zhì)性質(zhì)的影響。分子間力1.6.1 分子的極性1.6.2 分子間力1.6.3 氫鍵分子的極性分子的極性分子的極化分子的極性 在分子中正、負電荷分別集中于一點，稱正、負電荷中心，即“+”極和“-”極。如果兩個電荷中心之間存在一定距離，即形成偶極，這樣的分子就有極性，稱為極性分子。如果兩個電荷中心重合，分子就無極性，稱為非極性分子。 對于由共價鍵結(jié)合的雙原子分子，鍵的極性和分子的極性是一致的。例如O2，N2，H2，Cl2等分子都是由

15、非極性共價鍵結(jié)合的，它們是非極性分子；HI，HBr，HCl，HF等分子都是由極性共價鍵結(jié)合的，它們是極性分子。 對于由共價鍵結(jié)合的多原子分子，除考慮鍵的極性外，還要考慮分子構(gòu)型是否對稱。CH4，SiH4，CCl4，SiCl4等分子呈正四面體中心對稱結(jié)構(gòu)，CO2分子呈直線形中心對稱結(jié)構(gòu)，故這些分子都屬于非極性分子。 分子極性的大小通常用偶極矩()來衡量，偶極矩的定義為分子中正電荷中心或負電荷中心上的電荷量(q)與正、負電荷中心間距離(d)的乘積：=qd。 =0的分子為非極性分子，0的分子為極性分子。值越大，分子的極性就越強。分子的極化 分子極化是指有外加電場的情況下，在電場作用下，分子中的正負電

16、荷產(chǎn)生偏離（正電荷受到與電場同方向的力，負電荷受到反方向的力）。這種效應(yīng)叫做分子極化。 非極性分子也可以在電場中產(chǎn)生分子極化。分子間力取向力誘導力色散力分子間力對物質(zhì)性質(zhì)的影響取向力 當兩個極性分子充分靠近時，由于極性分子中存在永久偶極就會發(fā)生同極相斥、異極相吸，從而使極性分子按一定的取向排列，同時變形，這種永久偶極間產(chǎn)生的作用力稱為取向力。 取向力的本質(zhì)是靜電引力，因此分子間的偶極矩越大，取向力就越強。 （a）分子離得較近 （b）取向 （c）誘導圖1-16 極性分子間的相互作用誘導力 當極性分子與非極性分子相互靠近時，非極性分子在極性分子永久偶極的影響下，正、負電荷中心分離產(chǎn)生誘導偶極，誘導

17、偶極與極性分子的永久偶極之間的相互作用力稱為誘導力。 誘導力不僅存在于非極性分子與極性分子之間，也存在于極性分子與極性分子之間。誘導力隨著分子的極性增大而增大，也隨分子的變形性增大而增大。 （a）分子離得較遠 （b）分子離得較遠圖1-17 極性分子和非極性分子間的作用色散力 非極性分子中的電子和原子核處在不斷的運動之中，使分子的正、負電荷中心不斷地發(fā)生瞬間的相對位移，使分子產(chǎn)生瞬時偶極。當兩個或多個非極性分子在一定條件下充分靠近時，就會由于瞬時偶極而發(fā)生異極相吸作用。這種由于瞬時偶極而產(chǎn)生的相互作用力，稱為色散力。 色散力是非極性分子間的作用力，也存在于極性分子間以及極性分子與非極性分子之間。

18、 通常色散力的大小隨分子的變形性增大而增大，組成、結(jié)構(gòu)相似的分子，相對分子質(zhì)量越大，分子的變形性就越大，色散力也就越大。圖1-18 非極性分子間的相互作用分子間力對物質(zhì)性質(zhì)的影響 分子間作用力直接影響物質(zhì)的許多物理性質(zhì)，如熔點、沸點、溶解度、黏度、表面張力、硬度等。 如極性分子易溶于極性分子，非極性分子易溶于非極性分子，這稱為“極性相似相溶”?！跋嗨啤钡膶嵸|(zhì)是指溶質(zhì)內(nèi)部分子間力和溶劑內(nèi)部分子間力相似，當具有相似分子間力的溶質(zhì)、溶劑分子混合時，兩者易互溶。氫鍵氫鍵的形成氫鍵的表示方式氫鍵的特點 氫鍵對化合物性質(zhì)的影響 氫鍵的形成 氫鍵是一種特殊的分子間力。分子間存在分子間力，還存在著另一種作用力

19、，致使這些簡單的分子成為締合分子，分子締合的重要原因是由于分子間形成了氫鍵。氫鍵的表示方式 氫鍵可用XHY表示，其中X，Y代表電負性大、半徑小且有孤對電子的原子，一般是F，N，O等原子。X，Y可以是同種原子，也可以是不同種原子。氫鍵既可在同種分子或不同種分子間形成，也可在分子內(nèi)形成(例如在HNO3或H3PO4中)。 氫鍵的特點 氫鍵具有方向性和飽和性：每個XH只能與一個Y原子相互吸引形成氫鍵；Y與H形成氫鍵時，盡可能采取XH鍵鍵軸的方向，使XHY在一條直線上。氫鍵對化合物性質(zhì)的影響 氫鍵的形成會對某些物質(zhì)的物理性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響，如對于NH3，H2O和HF，欲使固體熔化或液體汽化，除要克服純粹

20、的分子間力外，還必須額外地提供一份能量來破壞分子間的氫鍵。因此其熔點、沸點比同族內(nèi)的其他氫化物要高。 分子內(nèi)氫鍵常使物質(zhì)的熔點、沸點降低。如果溶質(zhì)分子與溶劑分子間能形成氫鍵，將有利于溶質(zhì)的溶解。 NH3在水中有較大的溶解度就與此有關(guān)。液體分子間若有氫鍵存在，其黏度一般較大。晶體類型 【能力目標】能夠依據(jù)各種晶體類型分析其與物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系。 【知識目標】掌握晶體類型與物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系。晶體類型晶體的特征晶體的類型晶體的特征 晶體是由原子或分子在空間按一定規(guī)律周期重復地排列構(gòu)成的固體物質(zhì)。 晶體的特征是具有規(guī)則的幾何外形。 晶體的又一特征是具有固定的熔點。 晶體具有各向異性的重要特征，也就是說同一個

21、晶體在不同方向上有不同的性質(zhì)。非晶體則各向同性。 晶體內(nèi)部粒子周期性的排列及其理想的外形都具有特定的對稱性。晶體的類型離子晶體分子晶體原子晶體金屬晶體離子晶體 （1）離子晶體的特征 在離子晶體中，質(zhì)點間的作用力是靜電吸引力，即正、負離子是通過離子鍵結(jié)合在一起的，由于正、負離子間的靜電作用力較強，所以離子晶體一般具有較高的熔點、沸點和硬度。 離子的電荷越高，半徑越小，靜電作用力越強，熔點也就越高。 離子晶體的硬度較大，但比較脆，延展性較差。 離子晶體不論在熔融狀態(tài)或在水溶液中都具有優(yōu)良的導電性，但在固體狀態(tài)，由于離子被限制在晶格的一定位置上振動，因此幾乎不導電。（2）離子晶體的晶格能 當相互遠離