大学化学——物质结构基础优秀PPT.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,*,第五章 物质结构基础,1,物质,(,原子,),结构与周期性,微观粒子的波粒二象性,波函数与原子轨道,量子数,电子云,量子力学的诞生,2,量子力学,经典力学,17世纪末和20世纪初。以牛顿自然哲学之数学原理的出版为标志，宣告了现代经典物理学的正式创立,最彻底地推翻和重建了整个物理学体系,量子论的奠基人之一玻尔(Niels Bohr)说：“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。”,3,1900,年,12,月,14,日,普朗克在柏林宣读了他关于黑体辐射的论文，宣告了量子,quantum,的诞生。那一年他,42,岁。,4,1927,年第五届索尔维会议参加者合照,5,1.,微观粒子的波粒二象性,1913,年，丹麦物理学家,NBohr,提出氢原子结构模型:,4,（,1,）氢光谱,6,E,2,-E,1,=,E=h,h,普朗克常数（,6.626,10,-34,J S,）,E=2.18,10,-18,/n,2,n,主量子数,普朗克,1,2,3,基 态,激发态,定态,能量最低 最稳定,能量较高 不太稳定,7,1924,年，法国物理学家德布罗依受光的波粒二象性的启发，提出微观粒子,(,电子,),也具有波粒二象性。,（,2,）微观粒子的波粒二象性,德布罗依关系式：,=h,mv,(,波长与速度的关系,),8,电子发射器,晶体镍,照相底片,粒子性:,波动性:,实物粒子,1927,年,电子衍射实验,戴维逊和汤姆逊,波粒二象性是微观粒子运动的基本属性,9,2.,波函数与原子轨道,说明：本节不讨论薛定谔方程的求解过程，只是对,解薛定谔方程中引入的三个量子数（,n,l,m,）的意义作必要的探讨。,1926,年，奥地利物理学家薛定谔提出,了氢原子体系的电子运动方程：,物理意义：描述原子中电子运动状态的数学函数式，,又称为原子轨道。通常用,(x,y,z),表示。,（原子轨道）,波函数,E,为电子总能量,V,为电子势能,10,3.,量子数,主量子数,角量子数,磁,量子数,n,=1,，,2,，,3,，,.,l,=0,，,1,，,2,，,n-1,m,=0,，,1,，,2,，,l,(n,，,l,，,m),表示一个原子轨道,11,2,2,（,4,）,3,2,（,9,）,4,2,（,16,）,总数,n,2,1 K,2 L,3 M,4 N,5 O,6 P,7 Q,n,m,l,0,0,01,012,0123,s,s,p,s,p,d,s,p,d,f,0,0,1,0,0,1,0,1,0,0,1,2,0,1,2,3,0,1,2,(1.0.0),(2.0.0),轨道数,名称,1s,2s,3s,4s,2p,3p,4p,3d,4d,4f,1,3,1,1,1,3,5,5,7,3,1,2,l,+1,氢原子轨道与三个量子数的关系,12,(n,l,m,m,s,),可全面描述核外电子的运动状态,主量子数,(n),：,代表电子离核的平均距离。,电子层,角量子数,(,l,),：,反映原子轨道的形状。,电子亚层,0,s,1,p,2,d,3,f,磁,量子数,(m),：,反映原子轨道的空间取向。,自旋量子数,(m,s,),：,表征电子的自旋状态，取值：,量子数的物理意义,通常用：“”或“”表示。,13,4,电子云,反映电子在空间某位置上单位体积内出现的概率大小,。,用波函数的平方,(,2,),来描述。,电 子 云,电子云是电子在空间概率密度分布的形象化图示。,概率密度,14,(x,y,z),(,r,),z,o,x,y,P,P,x=r sin,cos,y=r sin,sin,z=r cos,(,r,)=,R(r)Y(,),径向部分 角度部分,波函数和电子云的图像可分解为两部分,:,径向分布图和角度分布图,将,Y(,),或,Y,2,(,),随,、,的变化关系,作图即得波函数或电子云的角度分布图。,波函数和电子云的角度分布图,15,电子云,无,原子轨道,有,略“瘦”,略“胖”,电子云与原子轨道的角度分布图区别,:,正负,形状,（,1,）原子轨道或电子云的角度分布图不表示,原子轨道或电子云的图像。,（,2,）,l,m,相同,n,不同，表示,R(r),不同,但,Y(,),相同。,注 意,注意：,s,电子云除外,16,4.2,多电子原子结构和元素周期表,原子轨道的能级,核外电子分布,核外电子分布的周期系,17,核外电子分布,氢原子的轨道能级由,主量子数,n,原子轨道的能级由低到高的顺序：,1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d,多电子原子轨道的能级由,主量子数,n,决定。,共同决定。,和角量子数,l,1.,原子轨道的能级,18,1,s,2,s,3,s,4,s,5,s,6,s,2p,3p,4p,5p,6,(6s,，,4f,，,5d,，,6p),5,(5s,，,4d,，,5p),4,(4s,，,3d,，,4p),3,(3s,，,3p),2,(2s,，,2p),1,(1s),6p,3d,4d,5d,4f,鲍林近似能级图,能 级 组,19,规 律,（,1,）,n,相同：,E(s)E(p)E(d)E(f),（,2,）,l,相同：,E(2p)E(3p)E(4p),（,3,）能级相错：,E(4s)1.7,）,例如：,NaCl,，,NaF,，,NH,4,Cl,等。,37,2.,共 价 键,(Valence Bond Theory,，,VB,理论,),杂化轨道理论,价键理论,分子轨道理论,(Molecule Orbital Theory,，,MO,理论,),晶体场理论,38,（,1,）价键理论,如,H,-,H Cl,-,Cl H,-,Cl,共价多键,:,如,O=O NN,注意：共价键数受未成对电子的限制。,共价单键,:,氢原子的电子不仅固定在原先的轨道上,而且也出现在对方的原子轨道,H,2,H,H,+,1927,年,Heitler,和,London,初步阐明共价键的本质。,1,H 1s,1,实质：,共用电子对,+,+,39,H,2,O,8,O,1s,2,2s,2,2P,4,+,-,.,+,-,.,键,“,头碰头”,牢固,“,肩并肩”,易断裂,饱和性,方向性,键 型：,键,特 点：只有同号的轨道才能有效的叠加,+,.,+,.,O,H,H,10440,键长,键角,键能,40,（,2,）杂化轨道理论,要 点：,原子构成分子时，先将能量相近的原子轨道,可以混杂,形成数目相同的新的原子轨道,_,杂化轨道,。,a.,杂化、杂化轨道,“,混合”,“,重新组合”,分配能量,确定空间取向,新轨道,41,b.,杂化本质,原子轨道叠加,c.,杂化条件,参与杂化的原子轨道能量相近,形成的杂化轨道数与参与杂化的原子,8,轨道数相同,42,杂化轨道类型,sp,杂化,sp,2,杂化,sp,3,杂化,43,（,3,）分子轨道理论,成键分子轨道,反键分子轨道,（,4,）晶体场理论,44,金属键,在金属晶体中，自由电子作穿梭运动，它不专属于某个金属离子而为整个金属晶体所共有。,这些自由电子与全部金属离子相互作用，从而形成某种结合，这种作用称为金属键,。,45,4.4,分子间力和氢键,极性分子与非极性分子,分子间作用力,氢键,46,1.,极性分子与非极性分子,根据正负两种电荷在分子内部的分布情,况可把分子分为,极性分子,与,非极性 分子,。,+,极性分子,非极性分子,分子,整体,电中性,局部,正电荷部分,(,原子核,),负电荷部分,(,电子,),=0,0,47,分子的电偶极矩,+q,-q,l,单位,:,C,m,方向,:,正电荷中心负电荷中心,=q,l,48,键的极性与分子极性为不同概念,分子内存在极性键,未必,极性分子,Eg,：,Eg,：,分子无极性,分子有极性,但极性分子中一般都存在极性键,49,双原子分子,由极性键,形成,极性分子。,由非极性键,形成,非极性分子,。,由键的极性就可以确定分子极性,50,对于空间构型对称,(,如直线形、平面三角形、,正四面体型等,),的分子：,多原子分子,分子极性不仅与键的极性有关，还与分子空,间构型有关。,由极性键,形成,非极性分子,由极性键,形成,极性分子,对于空间构型不对称,(,如四面体型、三角锥型、,V,字形等,),的分子：,51,分子极性与溶解度有关,相似相溶原理：,极性溶质易溶于极性溶剂中。,非极性溶质易溶于非极性溶剂中。,非,(,弱,),极性物质,汽油,甲苯,四氯化碳,常用的有机溶剂,极性物质,乙醇,丙酮,难溶于水,溶于水,52,润滑油,机油,汽油,甲苯,油污染零件的清洗：,丙酮,乙醇,水,53,2.,分子间力,（,1,）色散力,色散力、诱导力、取向力。,瞬时偶极,+,-,某一瞬间,另一瞬间,-,+,+-,+-,-+,-+,+-,+-,-+,-+,异极相邻,存在于一切分子中,范德华力包括：,瞬时偶极间的作用力,54,（,2,）取向力,+,-,极性分子,极性分子,异极相邻,固有偶极间的作用力,+,-,+,-,+,-,55,（,3,）诱导力,诱导偶极,+,-,+,-,+,-,异极相邻,极性分子,非极性分子,极性分子,极性分子,+,-,+,-,+,-,+,-,诱导偶极同固有偶极间的作用力,56,总 结：,极性分子,极性分子,色散力、诱导力、取向力,色散力、诱导力,极性分子,非极性分子,非极性分子,非极性分子,色散力,57,分子间力实质：,静电引力,分子间力特点：,（,1,）无方向性和饱和性,（,2,）较弱,(0.250 kJ/mol),（,3,）作用范围较小,(,几百皮米）,分子间力对熔沸点影响较大。,分 子,CH,4,SiH,4,GeH,4,SnH,4,沸点,/-164 -112 -90 -52,58,3.,氢 键,F,F,H,H,28kJ/mol,565kJ/mol,270pm,9,F 2s,2,2p,5,HF,F,H,F,2s,2,2p,5,X H,Y,59,影响,:,当氢原子与电负性较大的,X,原子以极性,共价键结合时，氢原子还能吸引另一个,电负性较大,原子半径较小,的,Y,原子中,的,孤对电子,形成氢键,。,（,1,）有方向性和饱和性。,（,2,）键能同范德华力相当。,定义,:,特点,:,（,1,）熔沸点,:,含氢键的物质熔沸点相对较高。,（,2,）在水中的溶解性：,与水分子形成氢键的物质易溶于水。,60,4.5,晶体结构,晶体的基本类型,过渡型晶体,61,1.,晶体的基本类型,离子晶体,原子晶体,分子晶体,金属晶体,正,负离子,原子,分子,金属原子,正离子,离子键,共价键,分子间力或,氢键,金属键,(,离域键,),较高,高,较低,不定,硬 度,大,小,不定,NaCl,CaO,NH,4,Cl,金刚石,Si,SiO,2,B,4,C,SiC,Ge,CO,2,HF,卤素单质,稀有气体,Fe,Cu,Al,，,Zn,基本类型,晶格点上的微粒,微粒间作用力,熔沸点,较大,实 例,62,2.,过渡型晶体,层状结构晶体,石 墨,6,C,2s,2,2p,2,链状结构晶体,石棉,(,硅酸盐晶体,),成柱或纤维状,63,其它相关,超分子,晶体缺陷,非整比化合物,非线性光学晶体,64,朗之万,Prince Louis Victor Pierre Raymond de Broglie,65,奇迹年,(,1666,年和,1905,年,),1666,年,23,岁的牛顿为了躲避瘟疫，回到乡下的老家度假。在那段日子里，他一个人独立完成了几项开天辟地的工作。,发明了,微积分,(,流数,),，完成了,光分解,的实验分析，以及,万有引力,的开创性工作。在那一年，他为数学、力学和光学三大学科分别打下了基础，,66,3,月,18,日，光电效应 量子论的奠基石之一。,4,月,30,日，测量分子大小的论文，博士学位。,5,月,11,日和后来的,12,月,19,日，布朗运动的论文，成了分子论的里程碑。,6,月,30,日，,论运动物体的电动力学,的论文,“,狭义相对论,”,，,9,月,27,日，关于物体惯性和能量的关系，这是狭义相对论的进一步说明，质能方程,E=mc,2,。,1905,年,(6,篇论文,),67,埃尔文,.,薛定谔,(Erwin Schrodinger),68,诺贝尔奖得主,69,