1,第十章 物质结构基础,The Basis of Substance Structure,2,学 习 要 求,1.了解原子核外电子运动的特性；了解四个量子数的物理意义，掌握其取值规律；了解原子轨道角度分布图、电子云的角度分布图和径向分布图。2.掌握核外电子排布原则及方法；理解核外电子排布和元素周期系之间的关系；掌握原子半径、电离能、电子亲合能、电负性的周期性变化规律。3.了解离子键与共价键理论的基本要点；掌握共价键的特点、类型和键参数等概念。4.掌握杂化轨道理论要点，能正确判断简单分子的空间构型。5掌握分子间力和氢键的特征及对物性的影响；了解离子极化对物性的影响；了解常见晶体类型及物性。,3,10.1 核外电子的运动状态 10.2 多电子原子结构与元素周期律 10.3 离子键 10.4 共价键 10.5 配位化合物的结构 10.6 分子间力、氢键和离子极化 10.7 晶体简介,4,10.1 核外电子的运动状态,10.1.1 氢原子光谱与波尔理论 1.氢原子光谱 连续光谱 太阳、白炽灯发出的白光，通过三角棱镜的分光作用，可分出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等连续波长的光谱，称为连续光谱。,5,线状光谱 气体原子(离子)受激发后则产生的光线经三角棱镜分光后，得到分立的、彼此间隔的光谱。原子光谱均为不连续光谱。,6,7,1885年瑞士物理学家巴尔末发现氢原子光谱可见区四条谱线的频率遵循下面的数学关系式中:n为大于2的正整数，当n分别为3，4，5，6时，分别为可见光区的四条谱线的频率。1913年，瑞典物理学家里德堡提出了氢原子光谱各光区谱线之间关系的通式：式(10-2)中n1、n2为正整数，且n2 n1，RH = 3.289 1015s1，称里德堡常量。,8,如氢原子光谱在可见区(波长 = 400700 nm) 有4条颜色不同的谱线，与里德堡公式相吻合：类似可求得绿、 绿、 蓝、 蓝及紫、 紫等。,9,1913年，28岁的Bohr在基础上，提出了H原子结构模型即Bohr模型。,波尔理论,10,波尔理论要点：氢原子中的电子处于多种稳定的能量状态，能量为：En= 2.1791018J (1/n2)； n =1,2,3 n =1是能量最低的状态，称基态，其余为激发态。n值愈大，表示电子离核愈远，能量愈高；当n = 时，电子不再受核的吸引，即电离。 n值的大小反映出电子所处能级的高低。电子从一种定态跃迁到另一种定态的过程以电磁波的形式吸收或放出能量(h)。辐射能到大小取决于两定态间的能量差： E=E2E1= h求得氢原子基态电子的离核距离r =52.9pm，即波尔半径。,11,波尔理论成功地解释了氢原子光谱： 基态氢原子的电子在高压电激下获得能量跃迁到高能量的激发态，由于激发态能量高不稳定，电子会从高能量激发态跃迁回低能量轨道并以光的形式释放出能量。 不同的元素，核内质子数不同，核外电子数不同，相应的轨道能级也不同，因而有特征的原子光谱。原子发射和吸收光谱及元素的火焰定性分析即基于此原理。,12,氢 原 子 光 谱 与 能 级 关 系,释放能量,吸收能量,13,波尔理论的局限性无法解释多电子原子光谱、氢原子光谱的精细结构。如用精细光谱仪可发现氢原子光谱中每条谱线实际是相距很近的双线。虽然引入了普朗克的量子化概念，但却并未跳出经典力学的范畴，电子在固定轨道上绕核运动的模型不符合微观粒子的运动的波粒二象性。,14,10.1.2 微观粒子的运动特征 德布罗依波 1924年法国物理学家德布罗依在光 的波粒二象性启发下，假设电子等实物 粒子具有波粒二象性，并预言其波长为： = h/p =h/mv 式中：m：粒子质量v：粒子运动速度p：粒子的动量1927年，德布罗依的假设为戴维逊和盖革的 电子衍射实验所证实。,15,电子衍射实验加速的电子束入射到镍单晶上，观察散射电子束的强度和散射角的关系，结果完全类似于单色光通过小圆孔的衍射图像。计算电子波的波长，结果表明动量p与波长之间的关系完全符合德布罗依关系式 =h/mv。,16,例 电子的质量为9.1091 1031kg，当在电势差为1V的电场中运动速度达6.00105ms1时，其波长为多少？ 解： 根据()式该电子波长与X-射线的波长相当，能从实验测定。,Question,17,2.微观粒子运动的统计性规律,不确定原理 宏观物体的运动瞬间的位置和动量都 可以准确确定。它的运动轨迹是可测知的。而对具有波粒二象性的微观粒子，它们 的运动并不服从牛顿定律，不能同时准确测定它们速 度和位置。1927年德国物理学家海森堡提出不确定原理： x(位置误差)与p(动量误差)的乘积为一定值h xp h6.626 1034Js ： 电子运动动量愈精确，p，则x，愈不确定。,Heisenberg W,18,原子光谱都是不连续光谱，其能量是不连续的，具有微小的能量单位h，称量子(quantum)。某一物理量的变化不连续的现象(即具有最小值)称为量子化。如一个电子的电量为1.6021019C； 在原子结构中，轨道的能量也是量子化的： 氢原子基态(n=1)能级为：2.1791018J；氢原子基态(n=2)能级为：0.5451018J，等；微观粒子的能量及其他物理量具有量子化的特征是一切微观粒子的共性，是区别于宏观物体的重要特性之一。,量子化,19,统计性,电子在核外空间的位置无法准确确定，只能从统计的观点出发，用电子在核外空间某处出现的机会(概率)大小来描述。电子在核外某处出现的概率大小不随时间而变化，电子云就是形象地用来描述电子在核外空间出现的概率的一种图示方法，黑点的疏密，表示概率密度的相对大小。电子衍射图也是统计性的结果。,基态氢原子电子云,微观粒子运动的主要特征是 波粒二象性，具体体现在量子化与统计性的特征。,20,10.1.3 核外电子运动状态描述,1. 薛定谔方程 1926年，奥地利物理学家薛定谔提出 了微观粒子运动的波动方程，即薛定 谔方程。这是一个二阶偏微分方程：其中， 为波动函数，是空间坐标x、y、z 的函数。E 为核外电子总能量，V 为核外电子的势能，h 为普朗克常数，m 为电子的质量。,21,2. 波函数()与电子云( | |2),波函数 是坐标(x, y, z )的函数，为了有利于薛定谔方程的求解和原子轨道的表示，在数学上可通过坐标变换：,22,处于每一定态的电子均有相应的 (r, , )。如基态H原子：解薛氏方程可得：E1= 2.1791018J 本身没有明确的物理意义，为描述核外电子运动状态的数学表达式，电子运动规律受其控制。,23,物理学中，波的强度与波的振幅的平方 2成正比。因此常用波函数 绝对值的平方 2表示核外空间某点电子出现的概率密度。在核外空间某点p(r, , )附近微体积d 内电子出现的概率dp为dp= |2d 如用黑点的疏密表示核外空间电子概率密度的大小，就得到电子云的图形，所以电子云是概率密度|2的形象化描述。也把|2直接称为电子云，而把波函数称为原子轨道,概率密度|2,24,在整个求解过程中，要使函数具有明确物理意义的边界条件需要引入三个参数，n、l 和 m。得到一个含有三个参数和三个变量的函数 = n, l, m（x, y, z） 由于参数的取值是非连续的，称之为量子数。 当n、l 和 m 的值确定时，波函数即可确定，也即原子轨道即可确定。三个量子数确定唯一的一个原子轨道。,3.量子数,25,(1)主量子数(n),主量子数决定原子轨道离核的远近。 n 可取的值 1， 2，3，4，5, 6, 7光谱学符号 K, L, M, N, O, P, Qn 值愈大，电子离核愈远，能量愈高。由于n只能取正整数，所以电子的能量是量子化的。对氢原子来说，其电子的能量可用下式表示：E = -13.6/n2eV,26,角量子数 (l ),l 决定原子轨道的形状。l 可取的值 0，1，2，3, (n 1) ， 光谱学符号 s，p，d，f，在多电子原子中，当n相同时，不同的角量子数l （即不同的电子云形状）也影响电子的能量 大小。,s 轨道 球形,p 轨道 哑铃形,d 轨 道 有 两 种 形 状,27,(3) 磁量子数m,磁量子数m反映电子云在空间的伸展方向，其量子化条件受l的限制。m取值：0，1，2，3， l，共可取2l +1个值。 说明原子轨道或电子云在空间有不同的取向。,s 轨道(l = 0, m = 0 )即s电子云在空间只有球状对称的一种取向，表明s亚层只有一个轨道；,28,当l =1(p亚层) ，m依次可取 1，0，+1三个值，表示p亚层在空间有互相垂直的3个p轨道，分别以px、py、pz表示；l =2(d亚层) m可取5个值，即d轨道有5个。l =3(f亚层) m可取7个值， 即f轨道有7个。当n、l、m确定后，电子运动的波函数也随之确定。,29,由上面的讨论知道 n, l, m 一定, 轨道也确定,l 0 1 2 3 Orbital s p d f例如: n =2, l =0, m =0, 2sn =3, l =1, m =0, 3pz n =3, l =2, m =0, 3dz2,30,用小黑点的疏密表示电子出现概率密度的相对大小，小黑点较密的地方，概率密度较大，单位体积内电子出现的机会多。,电子云示意图,31,Question,例 写出轨道量子数 n = 4, l = 2, m = 0 的原子轨道的名称。,解： 原子轨道是由 n, l, m 三个量子数决定的。 与 l = 2 对应的轨道是 d 轨道。因为 n = 4, 该轨道的名称应该是 4d轨道。 磁量子数 m = 0 在轨道名称中得不到反映, 但根据我们迄今学过的知识, m = 0 表示该 4d 轨道是不同伸展方向的 5 个 4d 轨道之一。,32,(4) 自旋角动量量子数 si, 两种可能的自旋状态: 用si=+1/2和 1/2表示，也可用箭头、符号表示。 产生方向相反的磁场 相反自旋的一对电子，磁场相互抵消。,33,主量子数 n 和轨道角动量量子数 l 决定原子轨道的能量； 轨道角动量量子数 l 决定原子轨道的形状； 磁量子数 m 决定原子轨道的空间取向或原子轨道的数目； 自旋角动量量子数si决定电子运动的自旋状态。 电子在核外运动的状态可以用四个量子数来描述。,34,核外电子的可能状态,35,10.1.4 原子轨道和电子云的图像,对用三个量子数 n、l、m限制的合理的波函数：n,l,m(x, y, z ) n,l,m(r, , ) n,l,m(r, , ) Rn,l(r)l,m( ,)Rn,l (r)只与半径(r)有关，称原子轨道的径向部分； l ,m( , ) 只与角度( ,)有关，称原子轨道的角度部分。,36,氢原子部分原子轨道的径向分布与角度分布 (a0 为玻尔半径),