第2章-化学元素和物质结构.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,2,章 化学元素和物质结构,第,2,章 化学元素和物质结构,上海交通大学,化学化工学院大学化学教研室,Dalton,John(1766-1844),原子理论,(1803,年,),不同元素由不同原子组成；,两种或多种元素的原子结合成化合物的分子；,分子是保持化合物性质的最小单位。,2.1,原子结构,2.1.1,原子结构理论的初期发展,1.,人们对原子结构的认识,2.1.1,原子结构理论的初期发展,2.1,原子结构,2.,原子的组成,1),天然放射性的发现,2),电子的发现：阴极射线管，密立根油滴实验，测定电子的荷质比。,电子带负电，质量为,9.109389 10,-31,kg,原子,(,电中性,),正电荷部分负电荷部分,2.,原子的组成,3)Rutherford,-,粒子散射实验,提出有核原子结构模型,4),中子的发现,2.1,原子结构,3.,氢原子光谱和玻尔,(Bohr),理论,2.1.1,原子结构理论的初期发展,氢原子光谱,线状，为什么？,1913,年，玻尔,(Bohr),提出原子结构理论的三点假设,：,电子不是在任意轨道上绕核运动，而是在一些符合一定条件的轨道上运动，轨道的角动量等于,h/2,的整数倍。,电子在离核越远的轨道上运动，其能量越大。,处于激发态的电子不稳定，可以跃迁到离核较近的轨道上，在跃迁的同时会以光子形式释放出光能。,3.,氢原子光谱和玻尔理论,2.1.1,原子结构理论的初期发展,Niels,Bohr(1885-1962,Denmark),线状光谱产生的原因,电子在不同的电子层间发生跃迁,2.1.1,原子结构理论的初期发展,玻尔原子理论的成功之处,提出了量子的概念,成功地解释了氢原子光谱的实验结果,用于计算氢原子的电离能,玻尔原子理论的局限性,无法解释氢原子光谱的精细结构,不能解释多电子原子,、,分子或固体的光谱,2.1.1,原子结构理论的初期发展,2.1.2,核外电子运动的特征,1,）光的波,粒二象性,普朗克的,量子理论，爱因斯坦的光子学说,粒子性,光电效应,波动性,干涉、衍射,h,:,普朗克常数,6.6210,-34,J,s,1.,微观粒子的波粒二象性,3.1.1,微观世界的特征,E,P,表征粒子性,表征波动性,由,h,定量相联系,2.1.2,核外电子运动的特征,2,）微观实物粒子的波粒二象,性,Louis de Broglie,(1892-1983 France),2.1.2,核外电子运动的特征,2.,测不准原理,宏观物体子弹,m,=10g,微观电子,2.1.2,核外电子运动的特征,研究微观世界粒子运动状态,量子力学,Werner Heisenberg,(1901-1976,Germany),1.,薛定谔方程,微粒的波动方程,2.2,核外电子的运动状态,2.2.1,薛定谔方程和波函数,：,波函数,x,y,z,：,空间坐标,E,：,体系的总能量,V,：,势能,Erwin Schrdinger(1887-1961,Austria),2.,波函数和原子轨道,薛定谔方程的解,(x,y,z),的具体函数形式，,波函数,。它是一个包含,n,l,m,三个常数项的,(x,y,z),的函数，常表示为：,n,l,m,三个量子数,是薛定谔方程有合理解的必要条件。,2.2.1,薛定谔方程和波函数,2.,波函数、原子轨道和概率密度,波函数,是量子力学中描述核外电子运动状态的数学函数式。,波函数的空间图象就是原子轨道；原子轨道的数学表示式就是波函数。,波函数,描述了核外电子可能出现的一个空间区域（,原子轨道,），不是经典力学中描述的某种确定的几何轨迹。,没有明确的物理意义，但,|,|,2,表示空间某处单位体积内电子出现的概率（,概率密度,）。,2.2.1,薛定谔方程和波函数,2.2.2,四个量子数,1.,主量子数,n,:,描述原子中,电子出现概率最大区域,离核的远近,，或者说它,决定电子层数,取值,:1,2,3,n,等正整数,电子层数,n 1 2 3 4 5 6 7,光谱学符号,K L M N O P Q,2.2,核外电子的运动状态,表示,原子轨道角动量的大小,原子轨道或电子云的形状,即电子亚层,取值,：,0,，,1,，,2,，,3,，,，（,n,1,）（共,n,个取值）,2.2.2,四个量子数,l,0,1,2,3,光谱学符号,s,p,d,f,电子云,球形,哑铃形,花瓣形,2.,角量子数,l,：,3.,磁量子数,m,：,表征原子轨道角动量在外磁场方向上分量的大小，即,原子轨道在空间的伸展方向,取值,:0,1,2,l,有,2,l,+1,个,取值,说明了线,状,光谱在外加磁场的作用下的分裂现象。,在没有外加磁场情况下，同一亚层的原子轨道，能量是相等的，叫,等价轨道,。,2.2.2,四个量子数,4.,自旋量子数,m,s,：,表征电子的,自旋状态,，有两种，即自旋角动量有两种不同的取向,取值：,说明了氢光谱的精细结构,2.2.2,四个量子数,例：已知核外某电子的四个量子数为：,n,=2;,l,=1;,m,=-1;,m,s,=+1/2,说明其表示的意义。,原子中每个电子的运动状态可用四个量子数来描述，四个量 子数确定之后，电子在核外的运动状态就确定了。,2.2.2,四个量子数,1.,概率密度的表示方法,2.2.3,波函数的空间图像,H,原子的,1s,电子云,1s,等概率率密度面,1s,界面图,电子云的轮廓图,1,p,电子云,s,电子云,2.2.3,波函数的空间图像,d,电子云,2.2.3,波函数的空间图像,电子云的轮廓图,2,R(r),径向分布部分，仅与,r,(,原子轨道半径,),有关，与空间取向无关,Y(,),角度分布部分，只取决于轨道的空间取向，与轨道半径无关,2.,波函数的空间图像,2.2.3,波函数的空间图像,坐标变换,2.2.3,波函数的空间图像,薛定谔方程变换为,球壳薄层中电子的几率为：,（,1,）径向分布,2.2.3,波函数的空间图像,对,r,作图,原子轨道的角度分布图,电子云的角度分布图,2.2.3,波函数的空间图像,（,2,）角度分布,原子轨道的角度分布和电子云的角度分布,原子轨道角度分布图胖一点，而电子角度分布图瘦一点。,因为,|,Y,|,1,，,所以,|,Y,|,2,L M N O P,各电子层能级相对高低的顺序为：,K L M N O P,2.3.1,多电子原子的能级,能级交错的原因,2,钻穿效应,外层电子钻到内部空间而靠近原子核的现象，通常称为,钻穿作用,。,2.3.1,多电子原子的能级,由于电子的钻穿作用的不同而使它的能量发生变化的现象称为,钻穿效应,。,E,4s,原未杂化轨道的成键能力，形成的化学键键能大，生成的分子更稳定。,中心原子杂化,杂化轨道形成,键,2.4.2,共价键及分子构型,1940,年首先由西奇威克（,Sidgwick,）,提出，并由吉来斯必（,R.J.Gillespie,）,发展起来,归纳了许多已知分子的构型，预测多原子分子的几何构型,适用于,AX,m,类型的共价型分子,AX,m,中心原子,配位原子,配位数,2.,价层电子对互斥理论,2.4.2,共价键及分子构型,在,AX,m,型共价分子中，,A,周围配位的,X,原子的几何构型，,主要取决于,A,的价电子层中电子对的排斥作用,。,电子对包括：成键电子对和未成键电子对。,分子几何构型采取电子对排斥力最小构型,电子对间排斥力大小的次序为：,孤对孤对,孤对键对,键对键对,（,1,）价层电子对互斥理论的基本要点,2.4.2,共价键及分子构型,中心原子的价电子总数,:,A,本身的价电子数与配位原子提供的电子数的总和，计算规则：,元素,氧族（,O,S,）,N族,卤素,H,中心原子,A,6,5,7,配位原子,X,0,3,1,1,当讨论的物种是离子时，价电子总数应减去（或加上）正（或负,),离子的电荷数,电子对数,:,价层的电子总数,/2,，若余,1,个电子，亦算一对,价层电子对互斥理论,-,（,2,）判断共价分子结构的一般规则,AX,m,2.4.2,共价键及分子构型,PO,4,3-,：,价电子对总数,=(5+3)/2=4,NH,4,+,：,价电子对总数,=(5+4,1)/2=4,OCl,2,：,价电子对总数,=(6+2)/2=4,ICl,2,-,：,价电子对总数,=7+2,(,1)/2=5,计算价电子对数举例,2.4.2,共价键及分子构型,中心原子价层的电子总数,电子对数,电子对几何构型,画出结构图,填上配位原子,分子的空间构型,斥力最小,确定,AX,m,分子空间构型的方法：,2.4.2,共价键及分子构型,常见,AX,m,型化合物分子的几何构型,1,电子对数,化合物,成键电子对数,孤对电子对数,分子的空间构型,实例,A,杂化类型,2,AX,2,2,0,直线形,BeH,2,、HgCl,2,、CO,2,sp,3,AX,3,AX,2,3,2,0,1,平面三角形,V,形,BF,3,SO,3,NO,3,-,SO,2,sp,2,4,AX,4,AX,3,AX,2,4,3,2,0,1,2,四面体,三角锥,V,形,CCl,4,、NH,4,+,NH,3,、PH,3,H,2,O、SF,2,sp,3,注：,分子的空间构型列中,红色,为,电子对,的几何构型类型,2.4.2,共价键及分子构型,常见,AX,m,型化合物分子的几何构型,2,电子对数,化合物,成键电子对数,孤对电子对数,分子的空间构型,实例,A,杂化类型,10,AX,5,AX,4,AX,3,AX,2,5,4,3,2,0,1,2,3,三角双锥,变形四面体,T,形,直线形,PCl,5,、PF,5,SF,4,、TeCl,4,ClF,3,ICl,2,-,、XeF,2,sp,3,d,12,AX,6,AX,5,AX,4,6,5,4,0,1,2,八面体,四角锥,平面四边形,SF,6,PF,6,-,SiF,6,2-,IF,5,XeF,4,sp,3,d,2,2.4.2,共价键及分子构型,（,3,）价层电子对互斥理论的应用,确定分子的空间构型,比较键角,a.,根据斥力：,孤对,成键,单电子,叁键双键单键,b.,根据,AXn,中,A,和,X,电负性的不同,（,1,）,A,相同，,X,不同，则,X,电负性越大，成键,电子对越远离,A,，,键角越小；,（,2,）,X,相同，,A,不同，则,A,电负性越大，成,键电子对越靠近,A,，,键角越大；,判断中心原子的杂化类型,2.4.2,共价键及分子构型,键角的比较,(A,相同,),小,小,2.4.2,共价键及分子构型,4.,价层电子对互斥理论的局限性,：,只适用于讨论中心原子是主族元素的,AX,m,型分子（或基团）,对于副族元素则不是最理想,与杂化轨道理论一起使用,用价层电子对互斥理论判断电子对的空间构型和分子的空间构型，再推测中心原子的杂化形式。,2.4.2,共价键及分子构型,H,Cl,2.4.3,分子间力,1.,分子的极性,H H,Cl,Cl,2.4,化学键与分子结构,双原子分子,:,分子的极性取决于键的极性,多原子分子：,分子的极性取决于键的极性和分子空间构型,1.,分子的极性,永久偶极诱导偶极瞬间偶极,分子的类型,非极性分子,极性分子,离子型分子,2.4.3,分子间力,2.,分子间力的类型,（,1,）取向力,：,固有偶极之间,2.4.3,分子间力,（,2,）诱导力,：,诱导偶极参与,（,3,）色散力,：,瞬间偶极之间,2.4.3,分子间力,3.,分子间力的大小,2.4.3,分子间力,一些分子的分子间作用力（,kJmol,-1,）,4.,分子间力的性质与化学键的关系,范德华力是,永远存在,于分子或原子间的。,它的作用能比化学键的键能约,小,一至二个数量级。,范德华力,没有方向性和饱和性,，其作用范围较小,。,2.4.3,分子间力,分子间力小结,极性分子与 极性分子之间,极性分子与 非极性分子之间,非极性分子与 非极性分子之间,取向力,诱导力,色散力,2.4.3,分子间力,2.4.4,氢键,1.,氢键形成的条件,分子中有,H,原子且与电负性很大的元素,(,如,F,、,O,、,N,等,),形成共价键；,分子中有电负性很大、半径小、且带有孤对电子的原子；,2.4,化学键与分子结构,氢键的键能和键长,2.,氢键的类型,分子间氢键,分子内氢键,2.4.4,氢键,3.,氢键的特点,具有方向性,具有饱和性,强弱与成键元素的电负性和原子半径大小有关,FH F,OHO,OHN,NHN,Cl,、,C,原子形成的氢键很弱或不能形成氢键,2.4.4,氢键,4.,氢键对化合物性质的影响,溶解度大、黏度大、硬度大，沸点高,氢化物的沸点,2.4.4,氢键,5.,氢键实例,2.4.4,氢键,2.5,晶体的结构,晶格,：组成晶体的正负离子在空间呈有规则的排列,晶胞,：晶体中的最小重复单位,2.5.1,离子晶体,1.,AB,型离子化合物的三种晶胞示意图,2.5,晶体的结构,2.,离子晶体的晶型与半径比的关系,2.5.1,离子晶体,高的熔点、沸点和硬度,熔融和水溶液导电,比较脆，延展性较差,3.,离子晶体的性质,2.5.1,离子晶体,离子晶体晶型的检测方法,X-,射线晶体衍射,2.5.1,离子晶体,2.5.2,金属晶体,金属键：,由多个原子共有一些流动的自由电子所组成，金属沉浸在电子的海洋中。,2.5,晶体的结构,能带模型,2.5.2,金属晶体,金属的性质,密度大,金属光泽,导热,可加工性,导电性,2.5.2,金属晶体,2.5.3,共价晶体（原子晶体）,质点与质点的作用力是共价键力,晶格结点上的质点是原子,性质：,有非常高的熔点和硬度。,2.5,晶体的结构,2.5.4,分子晶体,性质：,较低的熔点、沸点,较小的硬度,一般不导电,I,2,2.5,晶体的结构,2.5.5,同素异形体及混合晶体,以碳单质为例：,石墨、金刚石、富勒烯及其结构,石墨的混晶结构及在性质上的表现：,a.C,横向,sp,2,杂化，形成共价键；,b.,未参与杂化的,p,轨道在一个大平面上形成共轭大,键；,c.,层与层之间分子间力。,形成了石墨晶体的独有特性：,导电、光泽、层状可滑动。在结构上横向与纵向的距离有一定的差别。,2.5,晶体的结构,碳的,同素异形体,石墨 金刚石,富勒烯,金刚石：四面体,sp,3,杂化,石墨：平面六边形,sp,2,杂化,2.5.5,同素异形体及混合晶体,The Nobel Prize in Chemistry 1996,Richard E.,Smalley,Rice University,Houston,USA,for their discovery of fullerenes,Robert F.Curl Jr.,Rice University Houston,USA,Sir Harold W.,Kroto,University,of Sussex,United Kingdom,2.5.5,同素异形体及混合晶体,晶体分类和特点小结,晶体,性质特点,举例,离子晶体,较高熔沸点和硬度等,NaCl,原子晶体,高熔,沸点，高硬度等,金刚石，,SiC,金属晶体,高的,熔，沸点，导电等,Cu,分子晶体,低的,熔，沸点，低硬度等,CO,2,