第3章 双原子分子的结构与分子光谱.doc

第3章 双原子分子的结构与分子光谱
1. CO是一个极性较小的分子还是极性较大的分子？其偶极距的方向如何？为什么？
解： CO是一个异核双原子分子。其中氧原子比碳原子多提供2个电子形成配位键： 氧原子的电负性比碳原子的高，但是在CO分子中，由于氧原子单方面向碳原子提供电子，抵消了部分碳氧之间的电负性差别引起的极性，所以说CO是一个极性较小的分子。偶极矩是个矢量，其方向是由正电中心指向负电中心，CO 的偶极距m = 0.37×10-30 C·m，氧原子端显正电，碳原子端显负电，所以CO分子的偶极距的方向是由氧原子指向碳原子。
2. 在N2，NO，O2，C2，F2，CN，CO，XeF中，哪几个得电子变为AB-后比原来中性分子键能大，哪几个失电子变为AB+后比原来中性分子键能大？
解： 就得电子而言，若得到的电子填充到成键电子轨道上，则AB-比AB键能大,若得到得电子填充到反键分子轨道上，则AB-比AB键能小。就失电子而言，若从反键分子轨道上失去电子，则AB+比AB键能大，若从成键轨道上失去电子，则AB+比AB键能小。
(1) 键级为3
键级为2.5
键级为2.5
N2的键能大于N2+ 和N2-的键能
(2) 键级为2.5
键级为3
键级为2
所以NO的键能小于 NO+的键能，大于NO-的键能
(3) 键级为2.5，
键级为2，
键级为1.5，
所以O2的键能小于O2+的键能，大于O2-的键能
(4) 键级为2
键级为1.5
键级为2.5
所以C2的键能大于C2+的键能，小于C2
(5) 键级为1
键级为1.5
键级为0.5
所以F2 的键能小于F2+ 的键能，大于F2-的键能
(6) 键级为2.5
键级为3
键级为2
所以CN的键能大于CN+的键能，小于CN-的键能
(7) 键级为3
键级为2.5
键级为2.5
所以CO的键能大于CO+和CO-的键能
(8) 键级为0.5
键级为1
键级为0
所以XeF的键能小于XeF+的键能，大于XeF-的键能，XeF-不能稳定存在。
3. 按分子轨道理论说明Cl2的键比Cl2+的键强还是弱？为什么？
解：Cl2的键比Cl2+的键弱，因为Cl2的基态价电子组态为：，键级为1，而Cl2+比Cl2少1个反键电子，键级为1.5，所以Cl2+的键较强些。
4. 下列分子的键能，比其正离子的键能小的是哪些？比其负离子的键能小的是哪些？
O2，NO，CN，C2，F2
解：(1) 键级为2，
键级为2.5，
键级为1.5，
所以O2的键能小于O2+的键能，大于O2-的键能
(2) 键级为2.5
键级为3
键级为2
所以NO的键能小于 NO+的键能，大于NO-的键能
(3) 键级为2.5
键级为3
键级为2
所以CN的键能大于CN+的键能，小于CN-的键能
(4) 键级为2
键级为1.5
键级为2.5
所以C2的键能大于C2+的键能，小于C2-的键能
(5) 键级为1
键级为1.5
键级为0.5
所以F2 的键能小于F2+ 的键能，大于F2-的键能
5. 比较下列各对分子和离子的键能大小
N2，N2+；O2，O2+；OF，OF-；CF，CF+；Cl2，Cl2+
解：(1) 键级为3
键级为2.5
所以N2的键能大于N2+的键能
(2) 键级为2，
键级为2.5，
所以O2的键能小于O2+的键能
(3) 键级为1.5
键级为1
所以OF的键能大于OF-的键能
(4) 键级为2.5
键级为3
所以CF的键能小于CF+的键能
(5) 键级为1
键级为1.5
所以Cl2的键能小于Cl2+的键能
6. 写出下列的键级、键长次序及磁性
解： 键级为2.5，顺磁性；
键级为2， 顺磁性；
键级为1.5，顺磁性；
键级为1， 逆磁性；
7. 按分子轨道理论写出NF，NF+和NF-基态时的电子组态，说明它们的键级、不成对电子数和磁性。
解： 键级为2.5， 不成对电子数：1，顺磁性；
键级为3， 不成对电子数：0，逆磁性；
键级为2，不成对电子数：2，顺磁性。
8. 判断NO和CO哪一个的第一电离能小，原因是什么？
解：基态CO分子的价层电子组态为，而NO分子的基态价层电子组态为，CO分子的第一电离能是将电子激发所需的最小能量，而NO分子的第一电离能是将2p电子激发所需的最小能量，由于电子是成键电子，能量比较低，激发能低，而2p电子是反键电子，能量较高，所以激发能高，即基态CO的第一电离能比NO分子的第一电离能高。
9. HF分子以何种键结合，写出这个键的完全波函数。
解： HF分子以s键结合
10. 试用分子轨道理论讨论SO分子的电子结构，说明基态时有几个不成对电子。
解： SO分子的价电子结构与O2和S2的价电子结构比较相似，SO的价电子组态可表示为：，其中，1s，3s和1p轨道是成键轨道，2s和2p轨道是反键轨道。这些价层分子轨道是由氧原子的2s，2p轨道和S原子的3s，3p轨道叠加成的。根据价层分子轨道的性质和电子数，可算出SO分子的键级为2，在简并的2p轨道上各有一个电子。因此，SO分子的不成对电子数为2。
11. OH分子于1964年在星际空间被发现。
(1) 试按分子轨道理论只用O原子的2p轨道和H原子的1s轨道叠加，写出其电子组态。
(2) 在哪个分子轨道中有不成对电子？
(3) 此轨道是由O和H的原子轨道叠加形成的，还是基本上定域于某个原子上？
(4) 已知OH的第一电离能为13.2 eV，HF的第一电离能为16.05 eV，它们的差值几乎与O原子和F原子的第一电离能（15.8 eV和18.6 eV）的差值相同，为什么？
(5) 写出它的光谱项
解：(1) H原子的1s轨道和O原子的2p轨道满足对称性匹配、能级相近等条件，可叠加形成s轨道。其电子组态为，OH有两对半非键电子，键级为1。
(2) 在1p轨道中有一个不成对电子。
(3) 此轨道不是由O和H的原子轨道叠加形成的，是基本上定域于O原子上的。
(4) OH和HF的第一电离能分别是电离它们的1p电子所需要的最小能量，而1p轨道是非键轨道，即电离的电子是由O和F提供的非键电子，因此OH和HF的第一电离能的差值几乎与O原子和F原子的第一电离能的差值相同。
(5) OH的HOMO组态为，电子排布 ，M =1，L=1，S=1/2
所以，光谱项为2 Õ。
12. 试写出在价键理论中描述H2运动状态的符合Pauli原理的波函数，并区分其单态和三重态。
解：体系的波函数可以写成原子轨道的波函数的乘积形式：
1轨道中心对称，即空间波函数是对称的，要求自旋波函数必须是反对称的，所以需将自旋态及组成反对称函数。

描述H2中的两个电子自旋运动的反对称波函数为：

对称波函数为：；；
故H2基态完全波函为
H2排斥态波函数：
可见，只有一个波函数，而则有三个波函数。
结论：当两个氢原子自远处接近时，它们的相互作用逐渐增大，在较近距离处原子间的相互作用与它们的自旋密比相关，如果电子自旋为反平行，在达到平衡距离之前，原子间相互吸引，体系能量随核间距R的减小而降低，在达到平衡核间距以后，体系的能量随R的减小而迅速增高。H2可振动于平衡核间距左右而稳定存在，这就是H2的基态，如果两个氢原子的电子自旋平行，两个原子相互排斥，因此不能形成稳定的分子这就是H2的排斥态。

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