《工程化學(xué)》物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

1、第四章物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)物質(zhì)結(jié)構(gòu)問(wèn)題，包括：原子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵晶體結(jié)構(gòu) 近代結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為，核外電子的運(yùn)動(dòng)具有三大特征：1. 量子化特征；2. 波粒二象性；3. 統(tǒng)計(jì)性。第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu)與周期系一、核外電子運(yùn)動(dòng)的特殊性1. 量子化特征實(shí)驗(yàn)依據(jù)：線狀光譜氫原子光譜其中n（量子數(shù)）為正整數(shù)，且 n1 n2 。 根據(jù)N.Bohr理論，（氫原子）核外電子的運(yùn)動(dòng)軌道：定態(tài)軌道半徑 定態(tài)軌道電子能量r = n2ao （ao=52.9pm） 可見(jiàn)，核外電子的能量是不連續(xù)的能級(jí)。核量子軌道電子能級(jí) 當(dāng)電子在兩個(gè)軌道間躍遷時(shí)，電子吸收或釋放的能量對(duì)應(yīng)的電磁波（譜線）便也是不連續(xù)的。于是便產(chǎn)生了線狀光譜。氫原子能級(jí)和

2、氫光譜產(chǎn)生的示意圖巴爾麥系萊曼系巴新系德布羅依提出：微觀粒子都具有波粒二象性。這種波稱為德布羅依波或物質(zhì)波。光的波粒二象性：波動(dòng)性：干涉、衍射現(xiàn)象；粒子性：原子光譜、光電效應(yīng)光照射到金屬表面時(shí)，金屬有電子逸出。 2. 波粒二象性 1927年的電子衍射實(shí)驗(yàn)電子衍射環(huán)紋是有限數(shù)目電子大量次行為無(wú)限數(shù)目電子少量次行為統(tǒng)計(jì)的結(jié)果所以，電子波（物質(zhì)波）是統(tǒng)計(jì)波。 1927 年，海森堡指出，對(duì)于具有波粒二象性的微觀粒子，不可能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)定它們?cè)谀乘查g的位置和速度（或動(dòng)量）。3. 測(cè)不準(zhǔn)原理式中： x 表示位置測(cè)不準(zhǔn)量， P 表示動(dòng)量測(cè)不準(zhǔn)量，h 為普朗克常數(shù) （6.626 1034Js）， 為圓周率，m

3、為質(zhì)量，v 表示速度的測(cè)不準(zhǔn)量。 薛定諤方程二、原子軌道和電子云：波函數(shù)E：系統(tǒng)的總能量V：系統(tǒng)的勢(shì)能m：電子的質(zhì)量h：普朗克常數(shù)x，y，z：空間直角坐標(biāo)將直角坐標(biāo)( x，y，z )轉(zhuǎn)換成球坐標(biāo)OxyzP(r, )Pr 波函數(shù)是描述原子核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，稱為原子軌道。 解方程時(shí)引入三個(gè)量子數(shù)：n、l、 m。 只有它們經(jīng)過(guò)合理組合, nlm才有合理解。當(dāng)n=1，l=0，m=0 解薛定鍔方程，可得1. 波函數(shù)與原子軌道注意：這里原子軌道不同于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)軌道，也不同于玻爾所說(shuō)的固定軌道。2. 概率密度與電子云氫原子 1s 電子云示意圖 量子力學(xué)證明，可以用 |2 表示電子在核外某處出

4、現(xiàn)的概率密度。概率密度：電子在核外某處單位體積內(nèi)出 現(xiàn)的概率。電子云：是電子在核外出現(xiàn)概率密度大小的形象化描述。黑點(diǎn)密集的區(qū)域電子出現(xiàn)的機(jī)會(huì)多，|2 的值大，即概率密度大；反之概率密度小。s 電子云的界面圖(電子出現(xiàn)概率達(dá)到95的等密度面)1s 電子云| |2 r 圖3. 四個(gè)量子數(shù) 核外電子運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)可以用四個(gè)量子數(shù)來(lái)描述。主量子數(shù) n角量子數(shù) l磁量子數(shù) m自旋量子數(shù) ms n, l和m三個(gè)量子數(shù)確定電子在空間運(yùn)動(dòng)的軌道，稱為原子軌道。自旋量子數(shù) ms規(guī)定電子自旋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。(1) 主量子數(shù)n 物理意義：表示核外電子離核的遠(yuǎn)近和原子軌道能量的高低或電子所在的電子層數(shù)。 取值范圍：n = 1,

5、 2, 3, , 正整數(shù) n值越小，電子離核越近，能量越低。 n值越大，電子離核越遠(yuǎn)，能量越高。核外電子能量的高低主要決定于主量子數(shù)。主量子數(shù)n123456電子層一二三四五六符號(hào)KLMNOP主量子數(shù)與電子層的對(duì)應(yīng)關(guān)系氫原子核外電子能量值決定于主量子數(shù)。(2) 角量子數(shù) l物理意義: -決定原子軌道或電子云的形狀； -決定同一電子層中亞層的數(shù)目； -多電子原子中，核外電子的能量除了取 決于主量子數(shù) n，還與角量子數(shù) l 相關(guān)； -主量子數(shù) n相同，角量子數(shù) l 越大亞層 能量越高。取值范圍： l = 0, 1, 2, 3, , n1取值數(shù)目 = n值 角量子數(shù) 0123亞層符號(hào)spdf軌道形狀球

6、形啞鈴形花瓣形角量子數(shù)與電子亞層、軌道形狀的對(duì)應(yīng)關(guān)系主量子數(shù)與角量子數(shù)的關(guān)系n1234電子層KLMNl00 10 1 20 1 2 3亞層1s2s 2p3s 3p 3d4s 4p 4d 4f(3) 磁量子數(shù)m 同一亞層(n, l 相同)，原子軌道能量相同， 稱為等價(jià)軌道或簡(jiǎn)并軌道。 取值范圍： m = 0, 1,2, l 物理意義：表示原子軌道或電子云在空間的 伸展方向。磁量子數(shù)與能量無(wú)關(guān)。 取值數(shù)目 = 2l + 1p、d、f 分別有3、5、7個(gè)等價(jià)軌道。 n = 2 l = 1: E2px= E2py= E2pzl, m 取值與軌道名稱的關(guān)系5012230111s00亞層軌道數(shù)軌道名稱ml

7、2p態(tài)：n =2 , l =1 , m = +1,0, 1 3d態(tài)：n=3, l=2, m=0,1, 2(4)自旋量子數(shù) ms 物理意義：決定電子在空間的自旋方向。 取值： 用向上和向下的箭頭 ( 和 ) 來(lái)表示。Stern-Gerlach 實(shí)驗(yàn)nl軌道m(xù)軌道數(shù)101s01202s0112p+1,0, 13303s0113p+1,0, 1323d+2,+1,0, 1, 25404s0114p+1,0, 1324d+2,+1,0, 1, 2534f+3,+2,+1,0, 1, 2, 37 量子數(shù)與原子軌道 16941 n、l、m 和 ms 決定核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。其中 ms 確定電子的自旋方向。只

8、有四個(gè)量子數(shù)的合理組合才能表示某一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的一個(gè)電子。 n、l、m 決定一個(gè)原子軌道。或用帶有三個(gè)量子數(shù)下標(biāo)的波函數(shù) nlm 表示一個(gè)原子軌道。小結(jié) n、l 決定一個(gè)能級(jí)。(1) 填充合理的量子數(shù)： n= _, l=2, m=0, ms=1/2; n=2, l=_, m=+1, ms= 1/2; n=4, l=2, m=_, ms=+1/2; n=2 , l=0, m=0, ms=_。 3的正整數(shù)10, 1,21/2(2) 3d 能級(jí)對(duì)應(yīng)的主量子數(shù) n = , 角量子數(shù) l = , 最大的磁量子數(shù) m = 。322填空(4) n = 3, l = 1, m = 1不合理 ( l = 0,

9、m = 0; l = 1, m =1 )判斷下列量子數(shù)是否合理？(1) n = 2, l = 1, m = 0(6) n = 2, l = 3, m = 2(2) n = 2, l = 2, m = 1(3) n = 3, l = 0, m = 0(5) n = 2, l = 0, m = 1合理不合理 ( l = 1 )合理合理不合理 ( m = 0或l = 1 )原子軌道的角度分布圖：以Y(,)對(duì)、 做圖。4. 原子軌道和電子云的圖像原子軌道的徑向分布圖：以R(r)對(duì)r做圖。電子云的角度分布圖：以Y 2(,)對(duì)、 做圖。電子云徑向分布圖：以R2(r) 對(duì)r做圖。nlm (r,) = Rnl

10、 (r) Ylm (,) 1s原子軌道角度分布圖為一球面。1s 軌道角度部分：+30602pz原子軌道的角度分布圖0306090120180cos10.8660.500.51YpzR0.866R0.5R00.5RR2pz 軌道角度部分：s、p、d 原子軌道的角度分布圖。原子軌道的角度分布圖(立體圖)s、p、d電子云的角度分布圖2) 電子云的角度分布圖原子軌道和電子云的角度分布圖a. 原子軌道b. 電子云 從外形上看，電子云的角度分布圖比原子軌道的角度分布圖要“瘦”些； 電子云的角度分布圖與原子軌道的角度分布圖相似，主要有兩點(diǎn)區(qū)別： 原子軌道角度分布圖有正負(fù)之分，而電子云的角度分布圖全為正。 無(wú)論是原子軌道的角度分布圖還是電子云的角度分布圖，都不是電子運(yùn)動(dòng)的軌跡，而是兩種函