第一講 原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)與化學(xué)鍵理論.ppt

1、大學(xué)化學(xué)無(wú) 機(jī)化學(xué)部分,授課教師： 林 峰 Tel: 88273592(Lab.);E-mail: 浙江大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系 無(wú)機(jī)與材料化學(xué)研究所,什么是化學(xué)？,化學(xué)是在原子、分子層次上(10-610-9m)研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其能量變化的一門(mén)科學(xué)。 它涉及存在于自然界的物質(zhì)（如礦物、空氣中的氣體、海洋里的水和鹽、動(dòng)植物體內(nèi)的化學(xué)成分），以及由化學(xué)家創(chuàng)造的新物質(zhì)；它也涉及自然界的變化（如因閃電而著火的樹(shù)木、生命過(guò)程中的化學(xué)變化），還有那些由化學(xué)家發(fā)明創(chuàng)造的新變化。 化學(xué)的主要任務(wù)是創(chuàng)造新物質(zhì)，以滿(mǎn)足人類(lèi)對(duì)物質(zhì)的需求。,數(shù)、理、化的擬人表達(dá),數(shù)學(xué) 充滿(mǎn)智慧的長(zhǎng)者；

2、物理 彬彬有禮的紳士； 化學(xué) 婀娜多姿的女郎。,構(gòu)建化學(xué)知識(shí)的基本方法,化學(xué)知識(shí)的積累和構(gòu)造 感性認(rèn)識(shí) 理性認(rèn)識(shí) 現(xiàn)象 反應(yīng) 物質(zhì) 性質(zhì) 結(jié)構(gòu) 化學(xué)知識(shí)的掌握和應(yīng)用,無(wú)機(jī)化學(xué)的范疇,Moeller.T. : 除去碳?xì)浠衔锖推浯蠖鄶?shù)衍生物外，無(wú)機(jī)化學(xué)是對(duì)所有元素和它們化合物的性質(zhì)和反應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和理論解釋的科學(xué)。,無(wú)機(jī)化學(xué)的分支學(xué)科,生物無(wú)機(jī)化學(xué) 無(wú)機(jī)材料化學(xué) 配位化學(xué) 金屬有機(jī)化學(xué) 無(wú)機(jī)合成化學(xué) 無(wú)機(jī)仿生化學(xué) ,學(xué)習(xí)無(wú)機(jī)化學(xué)課程的參考書(shū),指定參考書(shū)： 無(wú)機(jī)化學(xué)高教出版社（第四版） 大連理工大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)教研室 編 推薦參考書(shū)： 無(wú)機(jī)化學(xué)（上、下冊(cè)）高教出版社 第三版 武漢大學(xué) 吉林大學(xué)等校編

3、 無(wú)機(jī)化學(xué)（上、下冊(cè)）高教出版社 第四版 北師大、華師大等主編 現(xiàn)代基礎(chǔ)化學(xué)化學(xué)工業(yè)出版社 第一版 朱裕貞 顧 達(dá) 黑恩成 主編,課件下載和ppt及論文上傳,FTP地址：52 打開(kāi)“incoming”文件夾 打開(kāi)“林峰-2010大學(xué)化學(xué)-無(wú)機(jī)化學(xué)”文件夾，即可下載課件。,大學(xué)化學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)部分的教學(xué)內(nèi)容安排,第1講原子結(jié)構(gòu)和元素周期律,1.1 原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概況 1.2 原子的量子力學(xué)模型 1.3 原子的電子結(jié)構(gòu)與元素周期律 1.4 原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)的關(guān)系 化學(xué)視野掃描隧道顯微鏡(STM),1.1 原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概況,古希臘哲學(xué)家 德謨克利特 Demokritos

4、(約公元前460370） 最早提出原子學(xué)說(shuō),Demokritos 的古代原子論,原子與虛空是萬(wàn)物的本原； 原子是一種最小的、不可見(jiàn)的和不能再分的物質(zhì)微粒； 虛空則是原子運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)所，也是實(shí)在的存在； 原子在虛空中急劇而零亂地作直線運(yùn)動(dòng)； 由于原子的大小、形狀、次序和位置的不同，原子之間的碰撞才會(huì)結(jié)合組成世界的萬(wàn)物。,1.1 原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概況,1808年英國(guó)化學(xué)家John Dalton提出“原子論”： 元素是由非常微小的、看不見(jiàn)的、不可再分割的原子組成； 原子既不能創(chuàng)造，不能毀滅，也不能轉(zhuǎn)變，所以在一切化學(xué)反應(yīng)中都保持自己原有的性質(zhì)；,Dalton J. (17661844),同一種元素的原

5、子的形狀、質(zhì)量及性質(zhì)相同，而不同元素的原子的形狀、質(zhì)量及性質(zhì)則各不相同，原子的質(zhì)量（而不是形狀）是元素最基本的特征；不同元素的原子以簡(jiǎn)單的數(shù)目比例相結(jié)合，形成化合物。 化合物的原子稱(chēng)為復(fù)雜原子，它的質(zhì)量為所含各種元素原子質(zhì)量之總和。同種化合物的復(fù)雜原子，其性質(zhì)和質(zhì)量也必然相同。,John Dalton的“原子論”,Rutherford的a粒子散射實(shí)驗(yàn),a粒子撞擊金原子的情形,Rutherford的有核原子模型,Rutherford的有核原子模型的缺陷：,根據(jù)經(jīng)典電磁理論，繞核高速旋轉(zhuǎn)的電子將不斷以電磁波的形式發(fā)射出能量。這將導(dǎo)致兩種結(jié)果： （a）電子不斷發(fā)射能量，自身能量會(huì)不斷減少，電子運(yùn)動(dòng)的

6、軌道半徑也將逐漸縮小，電子很快就會(huì)落在原子核上，即有核原子模型所表示的原子是一個(gè)不穩(wěn)定的體系。,Rutherford的有核原子模型的缺陷,（b）電子自身能量逐漸減少，電子繞核旋轉(zhuǎn)的頻率也要逐漸地改變。根據(jù)經(jīng)典電磁理論，輻射電磁波的頻率將隨著旋轉(zhuǎn)頻率的改變而逐漸變化，因而原子發(fā)射的光譜應(yīng)是連續(xù)光譜。 事實(shí)上，原子是穩(wěn)定存在的而且原子光譜不是連續(xù)光譜而是線狀光譜。這些矛盾是經(jīng)典理論所不能解釋的。,19世紀(jì)末和20世紀(jì)初的三個(gè)著名實(shí)驗(yàn),光電效應(yīng) 黑體輻射 氫原子的線狀光譜,以上三個(gè)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象和結(jié)果都不能用經(jīng)典的物理學(xué)理論來(lái)解釋?zhuān)驗(yàn)樗鼈兌忌婕暗揭粋€(gè)不可分的最小的物理量。,不連續(xù)性的概念,Planck

7、的量子論,氫原子的線狀光譜實(shí)驗(yàn),Rydberg公式,氫原子光譜的各譜線與軌道能級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,氫原子光譜的性質(zhì),Bohr理論的提出,Bohr假設(shè)（一）,Bohr假設(shè)（二）,Bohr假設(shè)（三）,Bohr假設(shè)解決的問(wèn)題,Bohr假設(shè)的成功與失敗之處,1.2 原子的量子力學(xué)模型,光的波粒二象性波動(dòng)性,光的波粒二象性粒子性,揭示光的波粒二象性的公式,電子的波粒二象性,電子的波動(dòng)性電子衍射實(shí)驗(yàn),波粒二象性是微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),宏觀物體的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),原子核外電子運(yùn)動(dòng)的測(cè)不準(zhǔn)性,Heisenberg測(cè)不準(zhǔn)原理,計(jì)算宏觀物體測(cè)不準(zhǔn)量的例子,計(jì)算微觀物體測(cè)不準(zhǔn)量的例子,原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)薛定諤方程,薛定諤方程的

8、解,波函數(shù)與原子軌道,波函數(shù)的概念,電子云的概念,幾率密度與電子云,S電子云,P電子云,d電子云(dxy、dxz、dyz),d電子云(dx2-y2),d電子云(dz2),f電子云,波函數(shù)的空間圖象,波函數(shù)的徑向分布,類(lèi)氫原子的各種狀態(tài)的徑向分布,注意和問(wèn)題,解答：,波函數(shù)徑向分布的主層概念,原子軌道的角度分布,Pz軌道的角度分布圖,各種原子軌道的角度分布圖,電子云的角度分布圖,原子軌道與電子云的角度分布圖的對(duì)比,四個(gè)量子數(shù),主量子數(shù),角量子數(shù),角量子數(shù)的意義（1）,角量子數(shù)的意義（2）,角量子數(shù)的意義（3）,角量子數(shù)的意義（4）,磁量子數(shù),磁量子數(shù)的意義（1）,磁量子數(shù)的意義（2）,自旋量子數(shù)

9、,四個(gè)量子數(shù)小結(jié),思考題：,1.引起微觀粒子與宏觀物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的本質(zhì)區(qū)別是什么？ 2. 微觀粒子的波動(dòng)性是如何表現(xiàn)出來(lái)的？ 3. 根據(jù)測(cè)不準(zhǔn)原理，氫原子核外一個(gè)電子(1s1)在某一瞬間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是不可預(yù)測(cè)的，但為什么線狀光譜卻是有規(guī)律的？,1.3 原子的電子結(jié)構(gòu)與元素周期律,Pauling原子軌道的能級(jí)圖,原子軌道的近似能級(jí)圖,屏蔽效應(yīng)（1）,屏蔽效應(yīng)（2）,鉆穿效應(yīng)（1）,鉆穿效應(yīng)（2）,能量最低原理,Pauli不相容原理,Pauli不相容原理的推論,Hund規(guī)則,Hund規(guī)則的特例,原子的電子層結(jié)構(gòu)（1）,原子的電子層結(jié)構(gòu)（2）,電子層結(jié)構(gòu)與元素的分區(qū),電子層結(jié)構(gòu)與周期的關(guān)系,電子層結(jié)構(gòu)

10、與族的關(guān)系,1.4 原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)的關(guān)系,1. 原子半徑 a 共價(jià)半徑：同種元素的兩個(gè)原子以共價(jià)單鍵連接時(shí)，它們核間距的一半叫做原子的共價(jià)半徑。 b.金屬半徑：把金屬晶體看成是由球狀的金屬原子堆積而成的，假定相鄰的兩個(gè)原子彼此互相接觸，它們核間距離的一半就是該原子的金屬半徑。,c.范德華半徑: 當(dāng)兩個(gè)原子之間沒(méi)有形成化學(xué)鍵而只靠分子間作用力互相接近時(shí)，例如稀有氣體在低溫下形成單原子分子的分子晶體時(shí)，兩個(gè)原子之間的距離的一半，就叫做范德華半徑。 一般說(shuō)來(lái): 范德華半徑 金屬半徑 共價(jià)半徑,原子半徑,原子半徑的周期性,2. 原子的電離能（勢(shì)）,使某元素一個(gè)基態(tài)的氣態(tài)原子失去一個(gè)電子形成正一價(jià)的

11、氣態(tài)離子時(shí)所需要的能量，叫做這種元素的第一電離能(I1)。 A(g) e A(g)+ HI1,元素第一電離勢(shì)周期變化圖,3. 電子親合能,某元素的一個(gè)基態(tài)的氣態(tài)原子得到一個(gè)電子形成氣態(tài)負(fù)離子時(shí)所放出的能量叫做該元素的電子親合能(E1)。 A(g) + e A(g) H= E1,第一電子親和能的周期性變化,3. 元素的電負(fù)性,1932年P(guān)auling定義元素的電負(fù)性是： 原子在分子中吸引電子的能力。 他指定氟的電負(fù)性為4.0，并根據(jù)熱化學(xué)數(shù)據(jù)比較各元素原子吸引電子的能力，得出其他元素的電負(fù)性數(shù)據(jù)。,元素電負(fù)性的周期性變化圖,化學(xué)視野掃描隧道顯微鏡（STM）,原子的存在及其結(jié)構(gòu)是歷代不少科學(xué)家們傾

12、注心血終生探索的核心問(wèn)題之一。直接觀察原子，曾是人們的夢(mèng)想。 1981年，IBM公司瑞士蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的G.Birning和H.Rohrer兩位博士共同研制成功了世界第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope，簡(jiǎn)稱(chēng)STM）。為此他們與電子顯微鏡的創(chuàng)制者共同榮獲1986年Nobel物理獎(jiǎng)。,掃描隧道顯微鏡的基本原理 量子的隧道效應(yīng),將一個(gè)銳利的鎢針尖和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離接近到幾個(gè)小的原子直徑范圍內(nèi)，在外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過(guò)兩個(gè)電極之間的絕緣層流向另一電極，這種現(xiàn)象稱(chēng)為隧道效應(yīng)。 隧道電流強(qiáng)度對(duì)于兩電極之間距離的反映非常敏感。如果距離減小 100 pm，電流強(qiáng)度將增加 1000倍。,因此，用壓電陶瓷材料控制針尖在樣品表面掃描，利用電子反饋線路控制隧道電流恒定（說(shuō)明兩電極之間的距離不變），則探針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映了樣品表面的起伏，當(dāng)探針沿著樣品表面水平方向掃描時(shí)，數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存