注冊電氣工程師化學(xué)培訓(xùn)課件1.ppt

1、第一章 物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與物質(zhì)的狀態(tài) 一.原子結(jié)構(gòu) 1.核外電子的運(yùn)動特性 核外電子的運(yùn)動具有波粒二象性。電子具有粒子性，因?yàn)殡娮泳哂匈|(zhì)量和動量。電子的衍射試驗(yàn)，證明微觀粒子的波動性，且電子等微觀粒子波是一種具有統(tǒng)計性的幾率（概率）波。德布羅意物質(zhì)波公式 2.核外電子的運(yùn)動規(guī)律的描述 在量子化學(xué)中用波函數(shù)和電子云來描述核外電子的運(yùn)動狀態(tài)。 (1)波函數(shù)：用空間坐標(biāo)來描寫波的數(shù)學(xué)函數(shù)式。以 (x,y,z)或 (r, , )表示。 一個確定的波函數(shù)，稱為一個原子軌道。 表征原子中電子的一種運(yùn)動狀態(tài). 波函數(shù)的表達(dá)式，由n,l,m量子數(shù)決定。,(2)量子數(shù): 1）主量子數(shù)n：n=1,2,3, 意義：表示電

2、子離核的遠(yuǎn)近和電子能量的高低。 n越大,表示電子能量越高。 n = 1，2，3，4, ， 對應(yīng)于電子層K，L，M，N, 由于n的取值不連續(xù)，因此核外電子的能量也是不連續(xù)的，量子化的。,2)角量子數(shù): =0,1,2n-1(n個),意義：確定原子軌道的形狀； = 0, 1, 2, 3 s, p, d, f 球形 紡錘形 梅花形 復(fù)雜 代表亞層；對于多電子原子，與n共同確定原子軌道的能量。,P軌道角度分布圖,d軌道角度分布圖,3）磁量子數(shù)m: m=0 ,1,2，共 (2+1)個, 意義： 確定原子軌道的空間取向； 同一個亞層的軌道，稱為等價軌道。 = 0， m=0， S軌道空間取向?yàn)?； =1, m

3、=0 ,1， P軌道空間取向?yàn)?， P軌道有3個等價軌道； =2 m=0 ,1,2 , d軌道空間取向?yàn)?， d軌道有5個等價軌道。 ,s軌道有1個等價軌道，表示為： p軌道有3個等價軌道，表示為： d軌道有5個等價軌道，表示為：,一個原子軌道：指n、m三種量子數(shù)都具有一定數(shù)值時的一個波函數(shù)。 （n,m） 例如：(1,0,0)代表基態(tài)氫原子的波函數(shù)。 n、m取值合理才能確定一個存在的波函數(shù)，亦即確定電子運(yùn)動的一個軌道。,n=1(1個), =0,m=0, (1,0,0) n=2（4個）, = n=3(9個), = n=4(16個) 波函數(shù)數(shù)目n2,n、m的取值與波函數(shù)關(guān)系：,在一個確定的原子軌道

4、中，電子自身還有兩種不同的運(yùn)動狀態(tài)，這由第四個量子數(shù)mS確定. 4)自旋量子數(shù)ms= 代表電子自身兩種不同的運(yùn)動狀態(tài)。 可用 表示自旋平行,表示自旋反平行. n, ,m, ms四個量子數(shù)確定電子的一個完整的運(yùn)動狀態(tài),表示： （n,m, ms ） 例：( 1, 0, 0, + ), ( 1, 0, 0, - ),(2)幾率密度與電子云 1)幾率密度：表示電子在核外空間某單位體積內(nèi)出現(xiàn)的幾率（概率）大小。 電子的幾率密度等于2 。 3)電子云：用黑點(diǎn)疏密的程度描述原子核外電子的幾率密度(2)分布規(guī)律的圖形。 黑點(diǎn)密的地方，電子出現(xiàn)的幾率密度較大，單位體積內(nèi)電子出現(xiàn)的機(jī)會多。 氫原子1s電子云（二維

5、投影）,電子云的角度分布圖,原子軌道角度分布圖與電子云角度分布圖的區(qū)別 (1)原子軌道角度分布圖比電子云角度分布圖 “胖” 些 (1)原子軌道角度分布圖有“” “” ,電子云角度分布圖無“” “”,3.原子核外電子分布 （1）多電子原子軌道的能級 1）角量子數(shù)相同時，n越大，能量越高 E1s E2s E3s E4s 2）主量子數(shù)n相同時， 越大，能量越高 E3s E3p E3d 3)當(dāng)主量子數(shù)n和角量子數(shù)都不同時，可能發(fā)生能級交錯的現(xiàn)象。 E4s E3d ; E5s E4d ;,原子軌道近似能級圖:,7s 6s 4f 5d 6p 5s 4d 5p 4s 3d 4p 3s 3p 2s 2p 1s

6、,能量逐漸升高,（2）核外電子分布的規(guī)則 1)泡利不相容原理：一個原子中不可能有四個量子數(shù)完全相同的兩個電子。 一個原子軌道中只能容納自旋方向相反的兩個電子。 表示為：,s軌道最多容納2電子,表示為 s2; p軌道最多容納6電子,表示為 p6; d軌道最多容納10電子,表示為 d10,根據(jù)每層有n2個軌道，每個軌道最多能容納兩個電子，由此可得出 每一層電子的最大容量為：2 n2。,2)最低能量原理：電子總是盡先占據(jù)能量最低的軌道。 電子依據(jù)近似能級圖由低到高依次排布。 3)洪特規(guī)則：在n和值都相同的等價軌道中，電子總是盡可能分占各個軌道且自旋平行。 如2p3:,26.鐵原子的價電子構(gòu)型為3d6

7、4s2，在軛道圖中，未配對的電子數(shù)為：_ A.0 B.2 C.4 D.6,洪特規(guī)則特例：當(dāng)電子的分布處于全充滿、半充滿或全空時，比較穩(wěn)定。 全充滿: p6或d10或f14 半充滿: p3或d5或f7 全空: p0或d0或f0 例如: 24Cr 1S22S22P63S23P63d54S1，半充滿比較穩(wěn)定。 29u 1S22S22P63S23P63d104S1, 全充滿比較穩(wěn)定 42Mo、47Ag、79Au,(3)核外電子分布式： 原子的 原子的 離子的 離子外層 電子分布式 外層電子分布式 電子分布式 電子分布式 （價電子構(gòu)型） 11Na：1s22s22p63s1 3s1 Na+:1s22s22

8、p6 2s22p6 16S：1s22s22p63s23p4 3s23p4 S2-:1s22s22p63s23p6 3s23p6 26Fe：1s22s22p6 3s23p63d64S2 3d64s2 Fe3+:1s22s22p6 3s23p63d5 3s23p63d5 24Cr： 1S22S22P63S23P63d54S1 3d54S1 Cr3：1S22S22P 3S23P63d3 3S23P63d3 29u ：1S22S22P63S23P63d104S1 3d104S1 u2：1S22S22P6 3S23P63d9 3S23P63d9,二.化學(xué)鍵和分子結(jié)構(gòu) 1.化學(xué)鍵：分子或晶體中相鄰的原子（

9、離子）之間的強(qiáng)烈的相互作用?；瘜W(xué)鍵一般分為離子鍵、共價鍵和金屬鍵。 (1)離子鍵：由正負(fù)離子的靜電引力形成的化學(xué)鍵。 活潑的金屬元素和活潑的非金屬元素通過離子鍵結(jié)合.,(2)金屬鍵:金屬的電離能較小，最外層的價電子容易脫離原子的束縛而形成自由電子。金屬離子緊密堆積。所有自由電子在整個堆積體間自由運(yùn)動，形成金屬鍵。 金屬鍵的本質(zhì)：金屬離子與自由電子之間的庫侖引力,(3)共價鍵：分子內(nèi)原子間通過共用電子對所形成的化學(xué)鍵。 典型的共價鍵是在非金屬單質(zhì)或電負(fù)性相差不大的原子之間通過電子的相互配對(共用電子對)而形成。 1)價鍵理論要點(diǎn)： 原子中一個未成對電子只能和另一個原子中自旋相反的一個電子配對成鍵

10、. -共價鍵飽和性 成鍵時原子軌道要對稱性匹配,并實(shí)現(xiàn)最大程度的重疊. -共價鍵方向性,鍵：原子軌道沿兩核連線，以“頭碰頭”方式重疊 S-S: H2 S-Px: HCl Px-Px: Cl2 鍵：原子沿兩核連線以“ 肩并肩”方式進(jìn)行重疊。 如 單鍵 ： Cl-Cl 雙鍵 ：+ -C= C- 三鍵：+ + NN,鍵,鍵,雙原子分子:分子極性與鍵的極性一致.即鍵是極性鍵,分子是極性分子;鍵是非極性鍵,分子是非極性分子. 如： N2,H2、O2非極性分子； HFHClHBrHI極性分子 多原子分子:分子是否極性不僅取決于鍵的極性,而且取決于分子的空間構(gòu)型(結(jié)構(gòu)對稱的為非極性分子) 如： CH4, C

11、Cl4,CO2,CS2非極性分子,三.周期系 元素周期表是元素周期系的體現(xiàn)，元素周期表由周期 和族組成。 1.每周期元素的數(shù)目相應(yīng)能級組所能容納的最多電子數(shù),元素周期表,2.元素在周期表中的位置和原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系 (1)周期數(shù)電子層數(shù) 如: 34號元素：外層電子分布式 4s24p4,第4周期 (2)族數(shù)： 主族和IB，IIB的族號最外層電子數(shù) IA: ns1 A: ns2 A A : ns2nP15 IB: （n1）d10 ns1 B : （n1）d10 ns2, IIIBVIIB族的族數(shù) （n1）d ns 電子 數(shù)； IIIBVIIB: （n1）d15 ns2 VIII族（n1）d ns電子

12、數(shù)8 10 （n1）d6 ns2;（n1）d7 ns2;（n1）d8 ns2 零族的最外層電子數(shù)2或8,周期表與價電子結(jié)構(gòu)的關(guān)系,3元素在周期表中的分區(qū),鑭系、錒系元素為 f 區(qū),例1 有一元素在周期表中屬于第4周期第VI主族，試寫出該元素原子的電子分布式和外層電子分布式。 解： 根據(jù)該元素在周期表中的位置可直接寫出該元素的外層電子分布式： 4s24p4（第4周期第6主族） 再根據(jù)外層電子分布式推出完整的電子分布式： 1s22s22p63s23p63d104s24p4 例2. 已知锝的外層電子分布式4d55s2,指出該元素在周期表中所屬的周期數(shù)和族數(shù)。 解： 周期數(shù)5，（層數(shù)5） 族數(shù)VIIB

13、族，（5s電子4d電子數(shù)257）,4、元素性質(zhì)的周期性遞變 （1）原子半徑: 1）同一周期：從左右,原子半徑逐漸減少，非金屬性增強(qiáng). 2）同一族： 從上下，原子半徑逐漸增大，金屬性增強(qiáng) 副族元素略有增加，但不明顯。,（2）電離能（I） 元素的第一電離能（I1） :基態(tài)的氣態(tài)原子失去一個電子形成1價氣態(tài)離子時所吸收的能量。 X(氣)e=X(氣)。 數(shù)值越大,原子越難失去電子; 數(shù)值越小,原子越易失去電子。規(guī)律： 同一周期： 從左右,電離能依次增大； 同一族： 從上下，電離能依次減少。,(3)電子親合能（Y）: 基態(tài)的氣態(tài)原子獲得一個電子形成1價氣態(tài)離子時所放出的能量。 X(氣)e=X(氣)。 用

14、于衡量單個原子獲得電子的難易程度。 電子親合能越大,原子越容易獲得電子;元素非金屬性越強(qiáng)。,(4)元素電負(fù)性（X）：原子在分子中吸引電子的能力。 電負(fù)性越大，吸電子能力越強(qiáng)，元素的非金屬性越強(qiáng)； 電負(fù)性越小，元素的金屬性越強(qiáng)。 規(guī)律： 同一周期： 從左右,主族元素電負(fù)性依次增大； 同一族： 從上下，主族元素電負(fù)性依次減少。 副族元素規(guī)律性較差。 金屬元素的電負(fù)性值2.0(除鉑系和金), 非金屬元素的電負(fù)性值2.0(除Si外)。,5元素氧化物及其水合物的酸堿性遞變規(guī)律 （）氧化物及其水合物的酸堿性一般規(guī)律 1）同周期元素最高價態(tài)的氧化物及其水合物，從左到右酸性遞增，堿性遞減。 以三周期為例： N

15、a2O ， MgO Al2O3 SiO2 P2O5 SO3 Cl2O7 NaOH， Mg（OH）2 ，Al（OH）3 H2SiO3 H3PO4 H2SO4 HClO4 強(qiáng)堿， 中強(qiáng)堿 ， 兩性 ，弱酸 ，中強(qiáng)酸 ， 強(qiáng)酸 ，最強(qiáng)酸,酸性增強(qiáng)，堿性減弱,四周期：,2）同族元素相同價態(tài)的氧化物及其水化物,自上而下酸性減弱,堿性增強(qiáng). N2O3 HNO2 中強(qiáng)酸 P2O3 H3PO3 中強(qiáng)酸 As2O3 H3AsO3 兩性偏酸 Sb2O3 Sb(0H)3 兩性偏堿 Bi2O3 Bi(0H)3 堿性,酸性增強(qiáng),堿性增強(qiáng),3)同一元素,不同價態(tài)的氧化物及其水合物,高價態(tài)的酸性比低價態(tài)的酸性強(qiáng).如: Cr

16、O Cr2O3 CrO3 Cr(OH)2 Cr(OH)3 H2CrO4 堿性 兩性 酸性,酸性增強(qiáng),四.分子間力與氫鍵 1.分子間力 （1）色散力：瞬時偶極和瞬時偶極之間產(chǎn)生的吸引力。 瞬時偶極：由于分子在某瞬間正負(fù)電荷中心不重合所產(chǎn)生的一種偶極。 分子與極性分子間的力 色散力普遍存在于一切分子之間。 （2）誘導(dǎo)力：由固有偶極和誘導(dǎo)偶極之間所產(chǎn)生的吸引力。 誘導(dǎo)偶極：由于分子受外界電場包括極性分子固有偶極場的影響所產(chǎn)生的一種偶極。 誘導(dǎo)力存在于極性分子與非極性分子之間 ； 極性分子與極性分子之間 。,（3）取向力：由固有偶極之間所產(chǎn)生的吸引力。 誘導(dǎo)力只存在于極性分子與極性分子之間 非極性分子

17、與非極性分子間之間：只有色散力； 非極性分子與極性分子之間：具有色散力和誘導(dǎo)力； 極性分子與極性分子之間：具有色散力、誘導(dǎo)力和取向力。,分子間力 (范德華力):色散力、誘導(dǎo)力和取向力的總稱。 其中色散力最普遍，也最重要。 分子間力比一般化學(xué)鍵弱得多，沒有方向性和飽和性。 同類型分子中，色散力與摩爾質(zhì)量成正比， 故可近似認(rèn)為分子間力與摩爾質(zhì)量成正比。,2.氫鍵：氫原子除能和電負(fù)性較大的X原子（如：F、O、N）形成強(qiáng)的極性共價鍵外，還能吸引另一個電負(fù)性較大的Y原子（如：F、O、N）中的孤電子云對形成氫鍵。 XHY X、Y: 電負(fù)性較大的原子如(F、O、N),分子中含有FH鍵、OH鍵或NH鍵的分子能

18、形成氫鍵。如: HF、H2O、NH3、無機(jī)含氧酸(HNO3、H2SO4、H3BO3等) 、有機(jī)羧酸（COOH）、醇(OH)、胺(NH2)、蛋白質(zhì)等分子之間都存在氫鍵。 而乙醛（CH3 CHO）和丙酮（CH3COCH3）等醛、酮、醚分子之間則不能形成氫鍵。但與水分子之間能形成氫鍵。,3.分子間力對物質(zhì)性質(zhì)的影響 物質(zhì)的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)：同類型的單質(zhì)和化合物，其熔點(diǎn)和沸點(diǎn)一般隨摩爾質(zhì)量的增加而增大。但含有氫鍵的物質(zhì)比不含氫鍵的物質(zhì)熔點(diǎn)和沸點(diǎn)要高。例如， HF、 HCl、 HBr、 HI 沸點(diǎn)（。）：、 85、57、 36 HF分子間存在氫鍵，其熔點(diǎn)和沸點(diǎn)比同類型的氫化物要高，出現(xiàn)反?，F(xiàn)象。,物質(zhì)的溶解性

19、：“（極性）相似者相溶” 即極性溶質(zhì)易溶于極性溶劑；非極性（或弱極性）溶質(zhì)易溶于非極性（或弱極性）溶劑。溶質(zhì)和溶劑的極性越相近，越易互溶。例如，碘易溶于苯或四氯化碳，而難溶于水.,五、晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì) (一)晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 1.離子晶體 （1） 晶格結(jié)點(diǎn)上的微粒正、負(fù)離子。 （2）微粒間作用力離子鍵。離子鍵鍵能隨離子電荷的增多和半徑的減少而增強(qiáng)。 （3） 晶體中不存在獨(dú)立的簡單分子。例如NaCl晶體,表示Na+:Cl=1:1。 （4）晶體的特性熔點(diǎn)高、硬度大；延展性差；一般易溶于極性溶劑；熔融態(tài)或水溶液均易導(dǎo)電。 在相同類型的典型離子晶體中，離子的電荷越多，半徑越小，晶體的熔點(diǎn)越高，硬度越大。,例1： 例2：,離子半徑與電荷的規(guī)律如下： 在同一周期:自左而右隨著正離子電荷數(shù)的增多，離子半徑逐漸減少, 如， NaMg2;KCa2Sc3 在同一族:自上而下離子半經(jīng)逐