无机与分析化学第四章物质结构简介.doc

第四章 物质结构简介 一、 内容提要 （一） 本章重点 掌握量子数的取值原则，原子核外电子排布规律，能级组的概念；熟悉离子键理论、共价键理论和轨道杂化理论要点；正确判断简单分子的空间构型。 1玻尔理论 （1）氢原子光谱 氢原子光谱是线状光谱。 （2）玻尔理论 1913年丹麦物理学家玻尔在卢瑟福“含核模型”的基础上，大胆引用普朗克的量子理论，提出了他的原子结构理论假说，成功地解释了氢原子线状光谱的规律性，该假说后来被称为“玻尔理论”，玻尔因此获得1922年诺贝尔物理学奖。 玻尔理论虽然引入了量子化，但并没有完全摆脱经典力学的束缚，存在一定局限性。 2微观粒子的波粒二相性 （1） 光的波粒二相性 在光子学说中，爱因斯坦用以下两式来表示光的波粒二相性 E=hγp=h[]λ 能量E和动量P代表粒子性；频率γ和波长λ代表波动性，波粒二相性通过h联系在一起。 （2） 德布罗依波 1924年法国青年物理学家德布罗依在光的波粒二相性及有关争论的启发下，大胆提出一切实物微粒都具有波粒二相性。 即 λ=h[]mv=h[]p（v——实物粒子速度） 此假设1927年被美国的戴维森和杰尔麦用电子衍射实验所证实。 （3） 测不准原理 在经典力学中，可以同时用准确的位置和速度来描述一个宏观物体的运动状态，但对具有波粒二相性的微观粒子，不可能同时准确地测定其速度和空间位置。1927年德国物理学家海森堡经推证提出，如果微粒的运动位置测得越准确，其相应的速度测得越不准确，反之亦然。这就是著名的海森堡不确定原理，即测不准原理。 3．原子中电子的运动状态 电子在原子核外的运动状态，有几种描述方法 （1） 波函数（ψ） ψ是含有空间坐标（x，y，z）或球坐标（r，θ，φ）的函数式。 可表示为ψ（x，y，z）或ψ（r，θ，φ），ψ的函数式是由解薛定谔方程（它是一个二阶偏微分方程）得到的。求解过程很复杂。波函数和原子轨道是描述核外电子运动状态的同义词。 （2）图形法 包括原子轨道（ψ）的空间分布图和电子云ψ2的空间分布图。它们分别由各自的角度分布图和径向分布图得到。 a原子轨道的角度分布图：以Y（θ，φ）角度波函数随角度θ，φ的变化而做的图。S轨道只有1种图形，P轨道有3种，d轨道有5种。 电子云的角度分布图：以Y2（θ，φ）函数随角度θ，φ的变化而作的图，S电子云只有1种图形，P电子云有3种，d电子有5种。 两种图形比较：原子轨道角度分布图有正、负号之分，图形较胖；电子云角度分布图无正负号之分，图形较瘦。 b 原子轨道以及电子云的径向分布图：电子云径向分布图是反映电子云随半径r变化的图形，它对了解原子的结构和性质，了解原子间的成键过程具有重要意义。 （3） 量子数 核外任一电子的运动状态，可用四个量子数来描述。它们分别是主量子数n角量子数l、磁量子数m以及自旋量子数mS。 下面是4个量子数和电子运动状态的关系： n[]1[]2[]3[]4l[]0(1S)[]0(2S)[]1(2P)[]0(3S)[]1(3P)[]2(3d)[]0(4S)[]1(4P)[]2(4d)[]3(4f)m[]0[]0[]0,±1[]0[]0,±1[]0,±1, ±2[]0[]0,±1[]0,±1, ±2[]0,±1, ±2,±3电子层中 轨道数n2[]1[]4[]9[]16mS[]±1/2[]±1/2[]±1/2[]±1/2状态 总数[]2 (1S2)[]8 (2S2,2P6)[]18 3S23P63d10[](4S24P64d104f14) 4原子中核外电子的排布 （1）多电子原子轨道近似能级图 鲍林的原子轨道近似能级图，是按轨道能量高低顺序依次排列。各能级组包含的轨道有1S；2S，2P；3S，3P；4S，3d，4P；5S，4d，5P；6S；4f, 5d, 6P; 7S, 5f, 6d, 7P …依次为第一至第七能级组。 （2） 屏蔽效应和钻穿效应 在多电子原子中，原子核对某一电子的引力总是因其他电子的存在而减小，其他电子对核电荷的这种抵消作用称为屏蔽作用。 Z*=Z-δ 对于l相同的轨道来说，n越大，该层电子受到的屏蔽作用越大，所以能量越高。如E1SE2SE3SE4S , E2PE3PE4S。 对于n相同的轨道来说，l越大，越容易受到其他电子的屏蔽，电子能量越高，如E3SE3PE3d。 对于n相同，l相同的轨道，其能量是相等的。 如果电子处在一定的轨道上，能量是一定的。若电子钻到原子核附近，就回避了其他电子对它的屏蔽作用，这就是钻穿效应。对于许多原子来说E4SE3d，E6SE4fE5d。这都是钻穿效应的结果。 （3） 原子核外电子的排布规律 根据光谱实验结果和元素周期律，核外电子的排布，一般遵循三个原则：即能量最低原理、包利不相容原理、洪特规则。根据这三条原则，按照近似能级图由较低