大學(xué)化學(xué)第六七章物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

第六章

原子結(jié)構(gòu)與周期系原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)及其聚集態(tài)的結(jié)構(gòu)物質(zhì)結(jié)構(gòu)物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)與

性能關(guān)系

學(xué)習(xí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的目的1、了解化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)

溶解：△S﹥o,△H﹥o,結(jié)構(gòu)相似一般|△H|

較小,為什么？2、發(fā)現(xiàn)、制取符合人類一定需要的物質(zhì)

硬質(zhì)合金制備3、對化學(xué)發(fā)展起推動作用

化學(xué)發(fā)展史上的兩次飛躍：原子論、元素周期率20世紀(jì)80年代，用掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡觀察原子和分子的排布。原子的直徑10－10m化學(xué)反應(yīng)中，只是核外電子運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化，使得原子的結(jié)合方式有了改變。

電子這種微觀粒子的運(yùn)動狀態(tài)無法用經(jīng)典物理學(xué)描述，導(dǎo)致了量子力學(xué)誕生。光電效應(yīng)，原子光譜量子力學(xué)的基礎(chǔ)：對實物微觀粒子的波粒二象性的認(rèn)識（2）G.P.湯姆遜（1927年）

電子通過金屬多晶薄膜的衍射實驗.1929年德布洛意獲諾貝爾物理獎。1937年戴維遜與G.P.湯姆遜獲諾貝爾物理獎。

實物微觀粒子的波粒二象性微觀粒子的波性和粒子性與經(jīng)典物理學(xué)中的有區(qū)別：1）電子波是“概率波”波的強(qiáng)度與電子出現(xiàn)的概率成正比。2）電子沒有固定的運(yùn)動軌跡只有電子出現(xiàn)概率的分布規(guī)律P117圖一、單電子波函數(shù)與原子軌道

本節(jié)不討論薛定諤方程的求解過程，只是對解薛定諤方程中引入的三個量子數(shù)（n,l,m）的意義作必要的探討。1926年，奧地利物理學(xué)家薛定諤(E.Schroding)提出了氫原子體系的電子運(yùn)動方程：Ψ物理意義：描述原子中電子運(yùn)動狀態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)式，又稱為原子軌道。通常用ψ(x,y,z)表示。

ψ2代表空間某點電子出現(xiàn)的概率——概率密度。（原子軌道）—波函數(shù)1電子云

反映電子在空間某位置上單位體積內(nèi)出現(xiàn)的幾率大小。用波函數(shù)的平方(ψ2)來描述。電子云

電子云是電子在空間幾率密度分布的形象化圖示。通常用小黑點的疏密來表示。幾率密度電子云與原子軌道的角度分布圖區(qū)別:s

軌道球形p

軌道啞鈴形d軌道有兩種形狀電子云與原子軌道的角度分布圖區(qū)別:2.量子數(shù)無外加磁場時，n、l相同的原子軌道能量相同。稱為等價軌道，如

ψ(2,1,0),ψ(2,1,1),ψ(2,1,-1)主量子數(shù)

角量子數(shù)磁量子數(shù)n=1，2，3，.....∞l=0，1，2，n-1m=0，±1，±2，

±lψ

(n，l，m)表示一個原子軌道原子核外電子的一種軌道運(yùn)動狀態(tài)(n,l,m,ms)可全面描述核外電子的運(yùn)動狀態(tài)主量子數(shù)(n)：代表電子離核的平均距離電子層角量子數(shù)(l)：反映原子軌道的形狀。電子亞層0s1p2d3f磁量子數(shù)(m)：

反映原子軌道的空間取向。

自旋量子數(shù)(ms)：表征電子的自旋狀態(tài)，取值：量子數(shù)的物理意義通常用：“”或“”表示。

22（4）

32（9）

42（16）總數(shù)n21K2L3M4N5O6P7QnmlΨ00010120123sspspdspdf00,±100,±10,±100,±1,±20,±1,±2,±30,±1,±2ψ(1.0.0)ψ(2.0.0)軌道數(shù)

名稱1s2s3s4s2p3p4p3d4d4f131113557312l+1氫原子軌道與三個量子數(shù)的關(guān)系

二、多電子原子結(jié)構(gòu)和元素周期表

多電子原子的波函數(shù)和單電子原子的有相似的形式，也用n,l,m三個量子數(shù)來描述

多電子原子的狀態(tài)應(yīng)當(dāng)用所有電子運(yùn)動狀態(tài)的總和來描述——核外電子排布

氫原子的軌道能級由

主量子數(shù)n原子軌道的能級由低到高的順序：1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p

多電子原子軌道的能級由主量子數(shù)n

決定。

共同決定。和角量子數(shù)l1.原子軌道的能級P129圖1s2s3s4s5s6s2p3p4p5p6(6s，4f，5d，6p)5(5s，4d，5p)4(4s，3d，4p)3(3s，3p)2(2s，2p)1(1s)6p3d4d5d4f鮑林近似能級圖能級組規(guī)沫律（1）n相同霧：E(圍s)頃<浩E拍(p按)州<傾E(么d)散<平E匆(f帖)（2）l相同寧：E(掩2p針)忌<掏E(晝3p澇)四<翁E(享4p捏)（3）能潤級相財錯：E(恰4s陰)塞<E賞(3奇d)注胡意（1）同領(lǐng)一能殃級組n不一敗定相隨同。（2）能柳級交西錯現(xiàn)延象只肚出現(xiàn)滲在個桶別元怠素中判。根據(jù)尖光譜叮試驗窮的結(jié)宣果，幕歸納飼一下鴿三個育方面折規(guī)律出現(xiàn)粘能級映交錯欠的原腫因：1）屏右蔽效芹應(yīng)電子賺間存會在排鍵斥作營用，隊使內(nèi)杠層電只子妹對外先層電養(yǎng)子有撐屏蔽鐮作用憶。2）鉆阻穿效哀應(yīng)外層旅電子江“鉆閥入”奇內(nèi)層辨出現(xiàn)紡在離鉤核較任近的祖地方捷，使櫻電子舟的能悟量降悲低。2.核外蛋電子湖分布a.泡利陡不相洗容原仙理b.能量種最低鮮原理c.洪特鳴規(guī)則符合胡“兩烘原理枯、一閣規(guī)則唐”:（1）一李般原剖則a.泡利暖不相間容原漢理每一逢電子宰層最豪多所探容納勺的電少子數(shù)睡。內(nèi)恩容：①同一牲個原典子中器沒有肺四個季量子潛數(shù)完幸全相同去的兩茫個電架子存敵在。②開同玻一個首原子御軌道鎮(zhèn)中最酸多只雄能容臘納兩個電蛛子，趙且自凍旋方彩向相歐反。結(jié)險論：軌道伐總數(shù)螞：n2=障4填充嗎電子轎數(shù)：2n2=舒8例如棉：n=罪2每一積電子芳層最鏟多所卵容納爆的電膽子數(shù)微為2n2解決誦問題:電子捕在不言同電排子層寺上的報填充歷順序依能家量順距序由旦低到嘴高填爹充。b.能量伐最低什原理電子曲在不桌同電尤子層阻上的音填充所順序允。內(nèi)駕容:結(jié)首論:6C蔑1s22s22p2解決恨問題:填充據(jù)時盡歇先占廈領(lǐng)能睬量最特低的績軌道陪。1s22s22p63s23p63d64s226Fe1s22s22p63s23p64s23d6內(nèi)層捐電子外層顛電子√×電子蛇盡可攔能分使占不占同的工軌道郊且自顆旋相柔同c.洪特耍規(guī)則解決女問題:電子左在電罷子亞戴層上謠的填乘充順籍序內(nèi)測容:結(jié)福論:電子任盡可您能分恰占不鉗同的意軌道廉，且保小持自閥旋方學(xué)向相罰同6C鵝1椒s22s22p22p2_常_件_糞_客_奴_慘_膚_詢_√盈×嗎×全旬空:d.如下揭特殊場情況灑時原壁子系昏統(tǒng)具梅有較內(nèi)低能冰量半充智滿:全充壟滿:p0，d0，f0p3，d5，f7p6，d10，f1424Cr1s22s22p63s23p63d54s11s22s22p63s23p63d44s2√×29Cu1s22s22p63s23p63d94s2√×1s22s22p63s23p63d104s1半充守滿全充勸滿泡利瞞不相僚容原理能量分最低原理洪特死規(guī)則電子斯層最孫多容轟納電子國數(shù)電子點層填充缺順序電子宗亞層填充招順序解決問題內(nèi)容a引(炕n,猾l蔽,m放,ms)b盡先腦占領(lǐng)能量泰最低淹軌道電子業(yè)分占柔不同軌道,且自它旋相咳同結(jié)論2n2低→底高注意泰：個別俱原子墾核外北電子補(bǔ)的排充布不鹽服從上棋述規(guī)緞則。26Fe：1s22s22p63s23p63d64s2內(nèi)層鼓電子外層逢電子外層樸電子會構(gòu)型主族販元素（2）核狡外電聲子分略布式ns1~泛2ns2np1~輕611Na3s153I5s25p5過渡沫元素(n樣-1獲)d1~稍10ns1~槍226Fe3d64s2鑭系-錒系敬元素(n皇-2塘)f1~延14ns259Pr4f36s2注意袍：原子絨失去田電子嫂成為功正離星子時債，先豬失去能量欲最高的最欣外層等電子戀。Fe3d64s2Fe2+3s23p63d63d44s2√×Fe3+3s23p63d53d24s2√×注意單：原子脅得到洽電子替成為旅負(fù)離且子時水，所芝得電子蔑分布娃在最跪外電無子層鞭上。Cl3s23p5Cl-3s23p6正離睛子構(gòu)默型離子席構(gòu)型8電子葡構(gòu)型如19K+3s23p69~廟17電子應(yīng)構(gòu)型18電子棉構(gòu)型如29Cu+3s23p63d1018扁+2電子與構(gòu)型如50Sn2+4s24p64d105s2負(fù)離拼子構(gòu)么型8電子面構(gòu)型如Cl-3s23p6如26Fe3+3s23p63d53、核余外電俗子分穩(wěn)布與詳周期持系（1）電子器分布慨與周杠期系瞇關(guān)系a.周期杠號數(shù)=電子龍層數(shù)46Pd例如籃：4d10屬于沿第5周期主族,ⅠB,ⅡB:b.族號族號=最外缺層電語子數(shù)ⅢB~ⅦB:族號=最外橡層電鑒子數(shù)+(n向-1友)d電子囑數(shù)Ⅷ質(zhì)(包括竄三列)：(n緣瑞-1夢)d6~攻8ns2零室族墾：ns2np6ⅠA0ⅡAⅢA賄~Ⅶ脾AⅢB~ⅧⅠB丟ⅡBc.分視區(qū)s區(qū)d區(qū)ds區(qū)p區(qū)ns1~睛2(n姐-1饒)d1~案8ns2(n熊-1油)d10ns1~懶2ns2np1~說6f區(qū)(n型-2桶)f1~突14ns2a.原子倍半徑（2）元獸素性設(shè)質(zhì)的岡周期祝性原子橫半徑負(fù)呈周顆期性技變化智的規(guī)丈律以灰主族刃元素石最明葡顯：同周圣期甘從左騎到右羅原劑子半敲徑逐守漸減煌小同主衛(wèi)族竟從上椒到下果原殘子半砍徑逐靠漸增悉大b.電萬負(fù)循性分子兵中原逐子吸香引電科子的辨能力足大小要的量感度。凝電負(fù)析性數(shù)恐值越響大，搖原子粉在分侍子中協(xié)吸引解電子包的能直力就庫越強(qiáng)旦，反償之越備弱。c.金屬便性與享非金姜屬性反映城了在巖化學(xué)戲反應(yīng)切中原穩(wěn)子得漠失電到子的描能力承，它油與元訴素的俱電負(fù)窗性數(shù)雞值有快關(guān)。金屬睜元素亭的電膀負(fù)性架較小非金誤屬元曾素的斯電負(fù)勝性較畏大電負(fù)院性呈咸周期裙性變仔化的竄規(guī)律抗以主通族元返素最擴(kuò)明顯補(bǔ)：同周粥期忽從左大到右園電負(fù)圍性一爆般遞草增同主叼族界從上傳到下凳電負(fù)壺性一紡般遞殼減第七路章分子酷結(jié)構(gòu)搭與晶代體結(jié)烏構(gòu)1、公化庫學(xué)鍵離子例鍵共價否鍵金屬磚鍵1.離子裹鍵定義緩：正、軋負(fù)離壓子間攪通過蠶靜電棍引力草結(jié)合章形成鑼的化干學(xué)鍵特點懇：（1）無我方向則性、控?zé)o飽賭和性鄰。（2）強(qiáng)旨極性嬌鍵。p1乘52室溫青下，半離子粗化合漸物呈窯固態(tài)鄭，熔惡點都嫁較高嗎。例如惕：Na削Cl，Na褲F，NH4Cl等?；瘜W(xué)索式配位攏數(shù)2.共廉價蘿鍵原子傳間的鴨軌道哈重疊程，共搬用自量旋相掙反的惑電子村對使蝕能量監(jiān)降低缺而成稱鍵。價鍵暢理論分子四軌道謠理論配位狀場理森論例如:穴H2，O2p1菠53將分荒子看內(nèi)成一勞個整易體，誰其中陷的電靠子不撈再從真屬于戰(zhàn)某個追原子念。過渡淹金屬懲中心代離子誤和配版位體徐之間統(tǒng)的特緊殊情著況（1）價柿鍵理岡論要蓮點：如H-H樂Cl-Cl墾H-Cl共價域多鍵:如O毒=匆O漸N升≡N注意洲：共尊價鍵千數(shù)受起未成醋對電雹子的燒限制蠶。共價種單鍵:a.電子灶配對諒原理H2HH+19捷27年He鉛it葵le須r和Lo機(jī)nd咱on初步蔑闡明孩共價品鍵的寬本質(zhì)繪。1H囑1s1實質(zhì)異：共用納電子嶺對++p1好55H2O8O1s22s22P4+-.+-.鍵“頭碰原頭”“肩并聾肩”飽和叢性方向紫性鍵米型櫻：σ鍵特促點論：+.+.OHH104°40′2、分技子間著力和此氫鍵分子探間力冶的作招用，遵形成謠物健質(zhì)的工聚集態(tài)分子辭間力插比化初學(xué)鍵父力小耗許多分子鋒間力蛙影響顯物質(zhì)沈的熔榴點、缸沸點、追表面呈張力所和穩(wěn)涉定性1.極性亮分子堪與非勢極性稅分子根據(jù)爸正負(fù)答兩種壤電荷部在分使子內(nèi)拼部的滾分布選情況可產(chǎn)把分授子分嚷為極性撥分子與非極雖性忍分子?！?—極性衣分子非極阻性分復(fù)子分子整體電中住性局部正電拔荷部探分(原子蜓核)負(fù)電膚荷部曬分(電子)p=皆0p≠蒼0電荷欣重心HF分子離子渣型分捏子H2分子偶極匙矩（鑰分子諷極性堡的大性小）+晴q-飼ql單位:C·m方向:正電桶荷中劉心→晴負(fù)電委荷中桐心p們=柜ql10-3塘0Cm測定柜分子澆偶極占距是森確定啄分子倚結(jié)構(gòu)緊的一位種實玻驗方壩法分子致極性灑與鍵加的極載性不喇一定君相同顯：HC魄l齡H氏–C腹l極性鹽鍵極性味分子2.嚇13.他03.菌6p×10-3朽0c·屠m(xù)直線布形H2H–傻H2.肥12.仍1非極性云鍵0非極規(guī)性分內(nèi)子直胃線肢形CO2C–梨O2.控53.戲5極性廢鍵0非極然性分兩子直疼線姻形SO2S–輛O2.望53.飯5極性飾鍵5.貼44極性平分子V字佛形BF3B–即F2.懷04.伯0極性倆鍵0非極溪性分劃子平面尸三角歌形NH3N–隱H3.廁02.濟(jì)1極性絡(luò)鍵4.請9極性剩分子三角戚錐形CH4C–雕H2.桑52.罵1極性鼻鍵0非極杯性分胖子正四遼面體廚形雙原殘子分窄子由極臺性鍵形成極性巡壽分子演或非粘極性挖分子渠。由非肌極性歐鍵形成非極禿性分太子。由鍵躁的極茂性就僑可以院確定凈分子路極性對于繁空間肆構(gòu)型簡對稱(如直裳線形毀、等旗邊平餓面三范角形裝、正鏡四面鐮體型景等)的分古子：多原份子分照子分子磁極性國不僅饞與鍵駕的極介性有園關(guān)，脅還與默分子脹空間構(gòu)合型有絞關(guān)。由極屢性鍵形成非極拋性分取子由極胖性鍵形成極性商分子對于駱空間韻構(gòu)型唱不對副稱(如四群面體督型、功三角經(jīng)錐型露、V字形恨等)的分而子：2.分子羊間力（1）色籃散力色散閃力、亮誘導(dǎo)慈力、戶取向魄力。瞬時向偶極±+-某一絮瞬間另一泉瞬間-++-+--+-++-+--+-+異極謙相鄰存在賣于一數(shù)切分搞子中范德哀華力押包括愛：瞬時部偶極蕉間的甘作用追力（2）誘崇導(dǎo)力誘導(dǎo)壁偶極+

-±+

-+

-異極娛相鄰極性胃分子非極事性分它子極性珠分子極性顛分子+

-+

-+

-+

-誘導(dǎo)濾偶極施同固伯有偶臨極間窮的作咐用力（3）據(jù)取向溪力+

-極性怪分子極性沈分子異極軌相鄰固有允偶極爆間的予作用書力，帥進(jìn)一京步分跪開+

-+

-+

-總略結(jié)：極性分子極性分子色散權(quán)力、填誘導(dǎo)鬼力、殊取向唐力色散微力、迎誘導(dǎo)聯(lián)力極性分子非極性分子非極性分子非極性分子色散喊力色散灣力是帳主要羨的分子稅色術(shù)散被誘京導(dǎo)蹄取滅向奪總制能量H20.吐17雪0簽0紛0量.1罵7Ar柄8.煉48賀0龍0晌8擔(dān).4笛8Xe校1枯8.源40心0捉0味1抱8.島40CO曾8.旱78評0.么00粒8保0嚷.0商03柳8劈燕.7傾9HC蜓l湯1比6.蓋72發(fā)1車.1住0沾3.父34房誠2鞋1.移05HB芹r箏2餃8.桿42炎0欲.7艇1茶1.童09懼30臨.2腎2HI葛60而.4喂7辯0.展29被50想.5鳳8肺61斯.3必6NH314去.7尿2販1.滑56霸13端.2圖8悅2弦9.烏56H2O霞8.量98猛1.噴92犁36滾.3遷2李4捕7.責(zé)22分子鄉(xiāng)豐間作都用能攔的分腥配（kJ層/m雖ol）分子蜘間力益實質(zhì)老：靜電救引力分子資間力忠特點訓(xùn)：（1）無捎方向笑性和卵飽和扶性（2）較掉弱(甩0.惠2~粥50沒k壞J/坑mo蠻l岔)（3）作捏用范舉圍較土小(幾百慎皮米帝）分子西間力園對熔暈點、批沸點分影響神較大珍。分觀子CH4Si朽H4Ge嶺H4Sn畝H4沸點/℃齡-1緩64恐-1唇12缺-濃90拉-5斯2Ⅶ主族蝦氫化糟物Ⅵ主族蒸氫化艱物Ⅴ主族急氫化公物Ⅳ主族疼氫化康物2345100-2000-100沸點℃周期數(shù)分子籮極性封與溶火解度霞有關(guān)相似溝相溶濟(jì)原理剃：極性谷溶質(zhì)岡易溶崖于極燙性溶杠劑中藝。非極阿性溶笛質(zhì)易覽溶于棄非極福性溶神劑中踐。潤滑法油機(jī)油汽油甲苯乙醇丙酮水非(弱)極性蹈物質(zhì)非(弱)極性啊溶劑極性謊溶劑例如