第2章 物质结构

第二章物质结构基础知识

本章主要讨论：原子核外电子的运动状态，核外电子排布，元素的基本性质，化学键和分子间力的形成和性质，杂化轨道理论与分子空间构型。大学基础化学§2-1原子核外电子的运动状态三、概率密度和电子云四、四个量子数及其对核外电子运动状态的描述§2-2原子核外电子的排布一、核外电子排布的规律二、近似能级图

一、原子半径二、电离势

三、电负性一、微观粒子的波粒二象性二、波函数和原子轨道三、核外电子排布和元素周期系

§2-4化学键一、离子键及其特性二、共价键及其特征

§2-5杂化轨道理论与分子空间构型

一、杂化轨道理论的基本要点二、杂化轨道类型与分子的空间构型§2－6分子间力和氢键一、分子的极性二、分子间力三、氢键目录§2-3元素基本性质的周期性大学基础化学学习要求1．了解原子核外电子运动的特性，熟悉四个量子数的取值及物理意义；2．熟悉核外电子排布原则及方法，理解核外电子排布与元素周期系的关系，了解原子半径、电离势、电负性的变化规律；3．理解离子键、共价键的特征及区别，能用杂化轨道理论解释分子空间构型；4．理解分子间作用力的特性、氢键的形成及对物性的影响。大学基础化学§2－1原子核外电子的运动状态α粒子散射研究原子论卢瑟福道尔顿核式模型大学基础化学玻尔理论原子能级玻尔(N.Bohr)假设①定态假设②能级假设③跃迁假设玻尔原子模型玻尔大学基础化学λ=h/mV一、微观粒子的波粒二象性电子衍射示意图微观粒子的波粒二象性是指微观粒子既具有微粒性，同时又具有波动性。

1927年戴维逊(Davisson)和革末(Germer)的电子衍射实验得到证明观看动画大学基础化学SchrÖdinger方程：描述核外电子运动的波动方程

二、波函数和原子轨道

大学基础化学直角坐标(x,y,z)与球坐标(r,θ,φ)的转换222zyxr++=cosrz=qsinsinry=φqcossinrx=φq()()φq,,

,,

rΨzyxΨ

()()φq,YrR

=大学基础化学薛定谔方程的解是一个含有三个变量x、y、z和三个参数n、l、m的函数式，叫做波函数ψ，表示为ψ(x，y，z)。

一个波函数ψ(x，y，z)代表电子的一种运动状态。

波函数ψ

(原子轨道)，描述核外电子运动状态的数学函数式。波函数(原子轨道)的角度部分的图形，如图所示

大学基础化学大学基础化学大学基础化学概率密度（|ψ|2

：电子在核外空间、某处单位微小体积内出现的概率。电子云：电子行为具有统计性的一种形象说法。电子云与原子轨道的角度分布图形状相似，有两点不同：（1）电子云的角度分布图比相应原子轨道的角度分布图要“瘦”一些。（2）原子轨道有正、负号之分，电子云没有正负号，这是因为|ψ|2的结果。

三、概率密度和电子云大学基础化学原子轨道的角度分布图电子云的角度分布图原子轨道和电子云的角度分布图对比大学基础化学四、四个量子数及其对核外电子运动状态的描述1.主量子数(n)

主量子数n是决定电子能量的主要因素和电子离核的远近或电子层数。取值：1，2，3，4，5，6，7等光谱符号：K、L、M、N、O、P、Q等

2.角量子数(l)

表示原子轨道(或电子云)的形状；决定电子能量的次要因素。取值：0，1，2，3，…，(n-1)等

光谱符号：s，p，d，f

，…，

等大学基础化学3.磁量子数(m)

决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向。取值：0，±1，±2，……，±l，

m值受l值的限制，m可有(2l+1)种状态

4.自旋量子数(ms)

它是描述核外电子的自旋状态的量子数。取值：+1/2和-1/2大学基础化学四个量子数和电子运动状态大学基础化学1.

最低能量原理电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道上,使整个原子系统能量最低。2.Pauli不相容原理每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式相反的电子。3.

Hund

规则在n和l相同的轨道上分布的电子，将尽可能分占m

值不同的轨道,且自旋平行。§2－2原子核外电子的排布一、核外电子排布的规律大学基础化学二、近似能级图徐光宪，1920中国科学院资深院士北京大学教授徐光宪教授(n+0.7l)规则

与Pauling的近似能级图一致大学基础化学三、核外电子的排布和元素周期系

1.核外电子的排布

Na(Z=11)：1s22s22p63s1Cr(Z=24)：1s22s22p63s23p63d54s1；Cu(Z=29)：1s22s22p63s23p63d104s1；Zn(30)：1s22s22p63s23p63d104s2；如将同一层的能级归在一起则得到Zn(30)：1s2，2s22p6，3s23p63d10，4s2。Zn(30)：[Ar]3d104s2。[Ar]部分称原子实，其余部分称外电子层构型大学基础化学2.电子层结构与周期表按照各元素原子核外电子排布的顺序排列就形成了元素周期表

各周期中元素的数目与能级组的关系大学基础化学大学基础化学s区：ns1－2p区：ns2np1－6d区：(n-1)d1－10ns1－2(Pd无s电子)ds区：(n-1)d10ns1－2

f区：(n-2)f1－14(n-1)d0－2ns2结构分区：大学基础化学§2－3

元素基本性质的周期性一、原子半径共价半径：同核双原子以共价键相结合，两核间距离的一半。金属半径：金属晶体中相邻两原子核间距离的一半。范德华半径：分子晶体中两个相邻非键合原子的核间距的一半。大学基础化学主族元素大学基础化学二、电离势大学基础化学三、电负性表示元素原子在分子中对成键电子的吸引能力的数值电负性增大原子序数逐渐增大大学基础化学§2－4

化学键化学键金属键离子键其本质就是正负电荷间的静电作用力原子轨道重叠交盖，每对电子的结合形成一个共价键共价键大学基础化学1.离子键的形成(以NaCl为例)第一步电子转移形成离子：

Na－e——Na+

，Cl+e——Cl

－相应的电子构型变化：

2s22p63s1——2s22p6，

3s23p5——3s23p6

形成Ne和Ar的稀有气体原子的结构，形成稳定离子。一、离子键及其特性

第二步靠静电吸引，形成化学键。观看动画大学基础化学

(1)作用力的实质是静电引力

q1，q2分别为正负离子所带电量，r为正负离子的核间距离,F为静电引力（2）离子键没有方向性与任何方向的电性不同的离子相吸引，所以无方向性（3）离子键没有饱和性只要是正负离子之间，则彼此吸引，即无饱和性。

二、离子键的特征大学基础化学（4）键的离子性与元素的电负性有关

χ>1.7，发生电子转移，形成离子键；

χ<1.7，不发生电子转移，形成共价键。但离子键和共价键之间，并非可以截然区分的。可将离子键视为极性共价键的一个极端，而另一极端则为非极性共价键。大学基础化学二、共价键及其特征

路易斯理论

1916年，美国科学家Lewis提出共价键理论。认为分子中的原子都有形成稀有气体电子结构的趋势，求得本身的稳定。而达到这种结构，可以不通过电子转移形成离子和离子键来完成，而是通过共用电子对来实现。如＋ClClHH

Lewis的贡献，在于提出了一种不同于离子键的新的键型，解释了

χ比较小的元素之间原子的成键事实。大学基础化学但Lewis没有说明这种键的实质，所以适应性不强。在解释BCl3，PCl5等其中的原子未全部达到稀有气体结构的分子时，遇到困难。

大学基础化学1.价键理论－VB法的要点

未成对价电子自旋方式相反；原子轨道最大程度地重叠。2.共价键的特点①饱和性H—ClH—O—H②方向性观看动画大学基础化学①σ键：原子轨道沿核间联线方向进行同号重叠(头碰头)。3.共价键的键型大学基础化学②π键：

两原子轨道垂直核间联线并相互平行进行同号重叠(肩并肩)。③特殊共价键－配位键大学基础化学4.键参数①键能②键长③键角

④共价键的极性相同原子形成的共价键，△χ=0，称为非极性共价键；不同原子间形成的共价键，△χ＞0，称为极性共价键。大学基础化学§2－5

杂化轨道理论与分子空间构型

一、杂化轨道理论的基本要点1.杂化轨道的数目等于参加杂化的原子轨道数目。2.原子轨道杂化时，一般使成对电子激发到空轨道上形成单电子。3.杂化轨道成键时，键与键之间斥力的大小决定于杂化轨道的夹角。

二、杂化轨道类型与分子的空间构型

由于参加杂化的原子轨道的种类和数目的不同，可以组成不同类型的杂化轨道。大学基础化学Be：2s21.sp杂化BH2的空间构型为直线形HHBespsp杂化Be采用sp杂化生成BeH2观看动画大学基础化学B：2s22p12.sp2杂化BF3的空间构型为平面三角形sp2sp2杂化观看动画大学基础化学三个sp2杂化轨道大学基础化学CH4的空间构型为正四面体C：2s22p23.sp3杂化sp3观看动画大学基础化学4.不等性sp3杂化观看动画大学基础化学小结：杂化轨道的类型与分子的空间构型中心原子Be(ⅡA)B(ⅢA)C,Si(ⅣA)N,P(ⅤA)O,S(ⅥA)Hg(ⅡB)

直线形三角形四面体三角锥V形杂化轨道类型s+ps+(3)ps+(2)ps+(3)p参加杂化的轨道2443杂化轨道数成键轨道夹角分子空间构型实例大学基础化学

一、分子的极性

1.共价型分子是否有极性，取决于分子中正、负电荷的分布。

2.分子的极性与键的极性的关系：

①分子中的学键均无极性，则分子无极性。

②分子中的化学键有极性，但分子的空间构型对称，键的极性互相抵消，则分子无极性。

③分子中的化学键有极性，分子的空间构型不对称，键的极性不能抵消，则分子有极性。

§2－6分子间力和氢键观看动画大学基础化学

3.分子极性用偶极矩来衡量

μ=q·d

偶极矩{单位：德拜（D）}是一个矢量，其方向由正到负。

偶极矩越大表示分子的极性越大学基础化学二、分子间力1.取向力

两个极性分子相互靠近时，由于同极相斥、异极相吸，分子发生转动，并按异极相邻状态取向，分子进一步相互靠近。

两个固有偶极间存在的同极相斥、异极相吸的定向作用称为取向作用。分子离得较远趋向观看动画观看动画大学基础化学2.诱导力决定诱导作用强弱的因素：极性分子的偶极矩：

μ愈大，诱导作用愈强。非极性分子的极化率：

α愈大，诱导作用愈强。由于诱导偶极而产生的分子间相互作用。分子离得较远分子靠近时观看动画大学基础化学3.色散力非极性分子的瞬时偶极之间的相互作用由于瞬时偶极而产生的分子间相互作用。一大段时间内的大体情况色散力与分子极化率有关。α大,色散力大。每一瞬间观看动画大学基础化学小结

极性分子之间由取向力、诱导力和色散力三部分组成。极性分子与非极性分子间只有诱导力和色散力。非极性分子之间仅有色散力。

色散力在分子间存在是普遍的而且是主要的。

大学基础化学三、氢键

HFHClHBrHI

沸点/0C－85.0－66.7－35.4

19.9极化率小大色散作用弱强沸点低高HF为何反常的高？原因——存在氢键。

HF分子中，共用电子对强烈偏向电负性大的F原子一侧。在几乎裸露的H原子核与另一个HF分子中F原子的某一孤对电子之间产生的吸引作用称为氢键。1.氢键观看动画大学基础化学(1)氢键的形成条件：分子中有H和电