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1、物质结构基础,第 五 章,物质 分子 原子,构成原子的粒子及其性质,1个电子带1个单位负电荷,1个质子带1个单位正电荷,不显电性,9.10910-31,1.67310-27,1.67510-27,1/1836,1.007,1.008,5.1 原子结构的近代概念 5.1.1 波函数,原子粒子:r 10-9 10-8 m物理学的研究表明：质量极小，速度极大的电子，其运动完全不同于宏观物体,不遵守经典力学规律，它不遵守牛顿力学定律，没有固定的运动轨迹，应用量子力学描述微观粒子的运动状态。量子力学认为微观粒子的能量是量子化的，粒子可处于不同能级上，当粒子从一个能级跃迁到另一个能级时，能量变化是跳跃式、
2、不连续的。,一、核外电子的特点：,波粒二象性,波动性：干涉，衍射。粒子性：具有一定能量。,P:动量入：波长h：普朗克常数 6.62610-34 Js,氢原子光谱(四条明线),抽蒸空的放电管,H2,高压放电,分光镜,可见光区域,紫 蓝 蓝绿（青）红,=3.291015(,)s-1 n1n2(正整数),里德堡用一公式归纳：,二 核外电子运动的特征,1 核外电子质量小，运动空间小，运动速率大。,2 无确定的轨道，无法描述其运动轨迹。,3 无法计算电子在某一刻所在的位置，只能指出其在核外空间某处出现的机会多少-电子云,电子云：描述核外电子运动特征的图象。薛定谔方程：,6,波函数1.波函数和量子数,（1
3、）薛定谔的波动方程（电子波）,解此方程可得：,如：,E 电子的总能量V 电子的势能波函数，是描述核外电子运动状态的数学函数,x、y、z直角坐标轴；r电子与核之间距离a0波尔半径,三、波函数和量子数：核外电子排布和运动,主量子数是确定电子离核远近（平均距离）和能级的主要参数。n值越大，表示电子离核的平均距离越远，所处状态的能级越高。n=1.2.3.47 K.L.M.N、O、P、Q,（1）主量子数n-,电子层,(2)角量子数l：表示原子轨道的形状,并在多电子原子中和主量子数一起决定电子的能级。l的取值受 n 的限制。l=0、1、2、3（n-1）共可取n个值。如：n=1 l=0 n=2 l=0、1
4、n=3 l=0、1、2 n=4 l=0、1、2、3 称为 s p d f,l=0 s轨道为球形对称状,l=1 p轨道为亚铃状,l=2 d轨道为花瓣状,l=3 f轨道为复杂的花瓣形,离原子核越近，能级越低,原子轨道,电子云,原子轨道,电子云,(3)磁量子数m：原子轨道在空间的伸展方向。取值受l 限制，m=0，1，2，3l，共可取2l+1个值.l=0，m=0表示S轨道在空间只有一种伸展方向。l=1，m=0，1表示P轨道在空间有三种伸展方向。l=2，m=0，1，2表示d轨道在空间有五种伸展方向。l=3，m=0，1，2，3表示f轨道在空间有七种伸展方向。,(4)自旋量子数ms 自旋量子数ms=，“”表
5、示两个不同的自旋方向,用或表示。,电子在核外运动状态可以用四个量子数来确定。确定轨道运动状态可以用前三个量子数来确定。,见教科书表5-1 P162,（等价轨道：能量完全相同的轨道。如：3Px,3Py,3Pz）等价轨道上，电子在全满，半满或全空时比较稳定。如全满：P6，d10，f14 半满：P3，d5，f7 全空：p0，d0，f0。由此，可以写出元素原子的电子排布顺序式：1S22S22P63S23P64S23d104P65S24d10。,5.2.2、核外电子分布原理和核外电子分布式1、核外电子分布的三个原理原子中电子分布规律基本遵照三个原理：（1）能量最低原理：核外电子分布总是尽先占据能量最低的
6、轨道。（2）泡利不相容原理：在同一原子中，不可能有四个量子数完全相同的电子存在。（3）洪特规则：等价轨道上电子总是尽先占据不同的轨道，而且自旋平行。,2p3,如：3d5,多电子原子轨道的能级顺序,如图所示,n=1 一个s轨道，两个电子n=2，s、p两种轨道，8个电子N=3 s/p/d三种轨道，18个电子,原子的电子排布和电子构型,1、短周期电子的排布,电子填充轨道顺序：1S2S 2P 3S 3P,原子核外电子排布式按照原子轨道能量由低到高的顺序填写,5.2.3,同周期，从左至右，最高氧化值逐渐升高。最高氧化值=族序数（VIII族例外）。非金属最低氧化值=族序数8。副族元素大都有可变氧化值。,例
7、如：某些物质中元素氧化值:,氧化值（氧化数）：元素在单质和化合物中的表观化合价（或表观电荷数）。,变化规律:,2.元素的氧化值,3.电离能,元素的原子在气态时失去电子的难易，可以用电离能来衡量,电离能越大,失去电子越难。电离能(I)：气态原子失去一个电子成为气态+1价离子，所需吸收的能量。A(g)+IA+(g)+e-第一电离能(I1)：基态气态原子失去第一个电子成为气态+1价离子，所需吸收的能量。A(g)+I1 A+(g)+e-影响电离能大小的因素:原子的核电荷、半径与电子构型。,（1）同一周期主族元素从左到右作用到最外层电子上的有效核电荷逐渐增大，电离能呈增大趋势，表示元素原子越来越难失去电
8、子。碱金属最低（2）同一周期副族元素从左至右，由于有效核电荷增加不多，原子半径减小缓慢，有电离能增加不如主族元素明显，只是随着原子序数的增加第一电离能从左至右略有增加。由于最外层只有两个电子，过渡元素均表现金属性。（3）同一主族元素从上到下第一电离能逐渐减小，表明自上而下原子越来越容易失去电子。当外围电子在能量相等的轨道上形成全空(p0,d0,fo)、半满(p3,d5,f7)或全满(p6,d10,f14)结构时，元素的第一电离能较大。特例是第二主族的第一电离能大于第三主族，第五主族的第一电离能大于第六主族。,电负性：衡量分子中各原子吸引电子的能力。电负性值越大，原子在分子中吸引电子的能力越强，
9、L.C.鲍林提出的标度：根据热化学数据和分子的键能，指定氟的电负性为4.0，锂的电负性1.0，计算其他元素的相对电负性。非金属性强；电负性最大者氟元素为4.0,最小者铯元素为0.7。电负性值越小，原子在分子中吸引电子的能力越弱，金属性越强。应用意义：（1）判断元素的金属性和非金属性。（2）判断化合物中元素化合价的正负。（3）判断分子的极性和键型。,4.元素的电负性,主族：同周期从左至右，电负性逐渐增大。同族从上至下，电负性逐渐减小。副族：电负性值较接近，变化规律不明显。电负性2.0为非金属（Si除外）;电负性差值越大，键的极性越大 例如：HS CCI HN SiCI HO 电负性差值 0.4
10、0.5 0.9 1.2 1.4 键的极性增大,周期系中元素的电负性规律如下：,5.3.1化学键-分子中原子或离子间的强烈相互作用力称为化学键。,离子键,共价键,金属键,价键理论,杂化轨道理论,分子轨道理论,晶体场理论,5.3 化学键和分子间相互作用力,特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构性质：良好导电、导热性能，延展性好,2023/6/1,1.离子键,定义：,正、负离子间通过静电引力结合形成的化学键,特点：,无方向性也无饱和性,离子的电荷越高、半径越小，静电作用力就越强，熔点就越高。一般要求电负性差大于1.7，而且差值越大，极性越强。主要以晶体的形式存在，具有较高的熔点和
11、沸点。在熔融状态或溶于水后其水溶液均能导电。,金属键：金属晶体中自由电子与原子或正离子之间的作用力。,2.金属键,由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而成。由于电子的自由运动，金属键没有固定的方向，因而是非极性键。,导电性：在金属晶体中，自由电子在金属中作穿梭运动，所以在外电场作用下，自由电子定向运动，产生电流。延展性：当金属晶体受外力作用而变形时，尽管金属离子发生了位移，但自由电子的连接作用并没变，金属键没有被破坏，故金属晶体具有延展性。导热性：金属离子和自由电子的振动很容易一个接一个的传导，故金属局部分子的振动能快速地传至整体，所以金属导热性能一般很好。,2023/6/1
12、,1916年，G.N.Lewis 提出了共价键理论,（1）价键理论,3.共 价 键,两元素电负性差值远大于1.7时，成离子键；远小于1.7时，成共价键；在1.7附近时，它们的成键具有离子键和共价键的双重特性,2023/6/1,H2,H,H,+,1927 年 Heitler 和 London应用量子力学求解氢分子的薛定谔方程后，才初步阐明共价键的本质。,1H 1s1,实质：,共用电子对,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,2023/6/1,电子配对原理：原子中自旋方向相反的未成对电子相互接近时，可相互配对形成稳定的化学键。已键合电子不能再形成新的化学键，成键数目受单电
13、子数目的影响。原子轨道的最大重叠原理：两个原子轨道只有同号才能实行有效重叠，而原子轨道重叠时总是沿着重叠最多的方向进行，重叠越多，共价键越牢固。,价键理论的要点：,共价键的饱和性,共价键的方向性,.,2023/6/1,对称性匹配,最大重叠原理,原子轨道重叠时，只有同号才为有效重叠。,最大重叠,较小重叠,减弱或抵消,异号重叠(不匹配),-,+,异号重叠(不匹配),+,-,-,+,+,.,.,-,+,.,+,.,.,-,+,2023/6/1,共价键具有方向性的原因是因为原子轨道(p,d,f)有一定的方向性，它和相邻原子的轨道重叠成键要满足最大重叠条件。,2023/6/1,键,“头碰头”较牢固,“肩
14、并肩”易断裂,饱和性 方向性,键,特 点：,共价键的类型,-,+,+,-,-,-,2023/6/1,（2）键与 键的差异：,键 键,a可以单独存在。必须与键共存。,b存在于任何共价键中。仅存在于不饱和键中。,c成键轨道沿轴向在直线上 成键轨道对称轴平行，相互重叠。可相对的自由旋转 从侧面重叠。不能自由旋转,d 电子云集中于两原子 电子云分布在 键所在平面核的连线上，呈圆柱形分布。的上下两方，呈块状分布。e 键有一个对称轴，轴 只有对称面，对称面上 上电子云密度最大。的电子云密度最小（=0）。f键能：较大。较小。,2023/6/1,由于共价键具有方向性，因此必然会决定或 影响分子的立体结构。而分
15、子的立体结构决定了很多分子的重要性质，例如：,镇静作用,强烈致畸作用,反应停（halidomide，-苯肽茂二酰亚胺，塞利多米）,“反应停”事件,1957年，德国，上市一种新药非巴比妥类镇静药-“反应停”（-苯肽茂二酰亚胺，塞利多米）。广泛用于妊娠反应，销往46个国家，8000多例海豹肢畸形婴儿。截至全球在1965年撤销此药销售为止，报道婴儿缺陷超过15，000例。,1原子核外电子具有、二象性；它的电子排布应遵循；三个原则；一个核外电子应有四个参数表明它的运动状态，其中主量子数（n）是表明、；当n=2达到全满，这层最多可以填充 个电子，它的轨道形状分别是、。2元素C、N、O、F中电负性最强的是
16、；电离能最小的是；具有最高氧化值的是。3、铁钉、食盐、白糖、小苏打四种物质，以共价键结合的是；以金属键结合的是；以离子键结合是的；既有离子键又有共价键结合的是 4、乙醇和水均属于（极性、非极性），物质，所以它们可以形成 键。乙醇可以与水互溶，它符合 原理。3原子序号为16的硫和原子序号为17的氯的核外电子排布分别是、它们最低的氧化值分别是、，二者比较电负性强的是，电离能大的是。5、共价键的两大特点是、。1、下列关于四个量子数n、l、m、ms不合理的是（）A(2,1,1,1/2)B(2,2,2,2)C(3,1,1,-1/2)D(2,0.0.1/2)2、下列哪个原子轨道的能级最低（）A 2P B
17、3S C 3P D2S3 原子序号为17的Cl原子电子填充正确的是（）A 1S21S22P63S23P5 B 1S21S22P63S13P6 C1S21S22P53S23P6 D1S31S32P63S23P3 4、对于电离能描述正确的是：（）A表明分子在气态时失去电子的难易程度 B电离能越大,失去电子越难。C锂的电离能大于氧的电离能 D 锂的电离能大于氢的电离能5.下列哪个元素的电负性最大（）A I B Cl C F D Br6、二氧化碳气体分子之间分子间作用力是（）A氢键力 B诱导力 C色散力 D取向力下列物质溶液中哪种酸性最强（）A 0.1mol/LHF B 0.1mol/LHCl C 0
18、.1mol/LHBr D0.1mol/LHI,下列哪个元素的电负性最大（）A I B Cl C F D Br29、二氧化碳气体分子之间分子间作用力是（）A氢键力 B诱导力 C色散力 D取向力30、不能形成分之间氢键力的是（）A H2O-CH3CH2OH(乙醇)B HF-HF C CH4-CH4（甲烷）D H2O-HCl31、请判断哪种物质的沸点最低（）A 乙烷 B乙醇 C 乙醚 D乙酸用所学到的化学知识解释下列生活问题：1、冬天下雪路面撒盐 2.金属导电性和导热性3、紫外线与皮肤4.人体电解质失去平衡的危险性5、输液为啥不以蒸馏水为溶剂,5.3.2分子的极性和分子的空间构型,1、共价键参数 表
19、征共价键性质的物理量统称共价键参数键长：分子中成键原子的两核间距离,键长值越小，键 越牢固。键角：分子中相邻两键间的夹角，反映分子空间构型的 重要因素之一。键能：从能量因素衡量化学键强弱的物理量。用于预测分子的极性、稳定性和分子的空间构型。,非极性分子：分子中正负电荷中心重合的分子极性分子：分子中正负电荷中心不重合的分子,2.分子的极性和电偶极矩（1）分子的极性-分子中正负电荷中心重合程度,极性键 电负性差大（0-1.7）、电荷分布不对称性非极性键 电负性差小（0）电荷分布对称性,极性分子有哪些？非极性分子有哪些？如何定量衡量分子的极性？通过电偶极矩,（2）电偶极矩=ql q-正负电荷中心所带
20、的电量，l-正负电荷中心间的距离表示分子中极性的大小=0非极性分子,0极性分子.越大，分子的极性越大,分子极性与键极性的关系:双原子分子 双原子分子的极性与键的极性一致.例:H2:键没有极性，分子无极性 HCl、CO、NO键有极性,分子有 极性.键的极性越强、分子的极性越强.例：HI HBr H Cl HF,电负性差值增大,分子的极性增强,键极性增强,2023/6/1,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
21、分子：,甲烷,氢气,1、中心原子化合价法:组成为ABn型化合物,若中心原子A的化合价等于族的序数,则该化合物为非极性分子.如:CH4,CCl4,SO3,PCl5 2、受力分析法:若已知键角(或空间结构),可进行受力分析,合力为0者为非极性分子.如:CO2,C2H4,BF3 3、同种原子组成的双原子分子都是非极性分子。不是非极性分子的就是极性分子了!,2023/6/1,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。,润滑油机油,汽油甲苯,乙醇丙酮,水,非(弱)极性物质,非(弱)极性溶剂,极性溶剂,例如：油污染零件的清洗：,2023/6/1,Inorg
22、anic&Analytical Chemistry,分子极性与键的极性：,HCl HCl,极性键,极性分子,2.1,3.0,3.6,10-13 cm,直线形,H2 HH,2.1,2.1,非极性键,0,非极性分子,直 线 形,CO2 CO,2.5,3.5,极性键,0,非极性分子,直 线 形,SO2 SO,2.5,3.5,极性键,5.44,极性分子,V 字 形,BF3 BF,2.0,4.0,极性键,0,非极性分子,平面三角形,NH3 NH,3.0,2.1,极性键,4.9,极性分子,三角锥形,CH4 CH,2.5,2.1,极性键,0,非极性分子,正四面体形,5.3.3分子间相互作用力,范德华力-色散
23、力，诱导力，取向力氢键力,范德华力最早是由范德华研究实际气体对理想气体状态方程的偏差提出来的，理想气体是假设分子没有体积也没有任何作用力为基础确立的概念，当气体密度很小(体积很大、压力很小)、温度不低时，实际气体的行为相当于理想气体。实际气体分子有相互作用力。这种分子间的作用力就被后人称为范德华力。范德华力普遍地存在于固、液、气态任何微粒之间。微粒相离稍远，就可忽略；范德华力没有方向性和饱和性，不受微粒之间的方向与个数的限制。后来又有三人将范德华力分解为三种不同来源的作用力色散力、诱导力和取向力。,2023/6/1,Inorganic&Analytical Chemistry,（1）色散力,色
24、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,范德华力包括：,2023/6/1,（2）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,可发生在极性和非极性分子之间,2023/6/1,（3）取向力,极性分子,极性分子,异极相邻,固有偶极间的作用力,总 结：,色散力、诱导力、取向力,色散力、诱导力,色散力,综上规律：,一般极性不大的分子间作用力以色散力为主，极性很大的分子间（H2O）作用力才以取向力为主,分子间作用力在0.30.5nm之间起作用。,2023/6/1
25、,Inorganic&Analytical Chemistry,分子 色散 诱导 取向 总能量 H2 0.17 0 0 0.17 Ar 8.48 0 0 8.48 Xe 18.40 0 0 18.40 CO 8.78 0.008 0.003 8.79 HCl 16.72 1.10 3.34 21.05 HBr 28.42 0.71 1.09 30.22 HI 60.47 0.29 50.58 61.36 NH3 14.72 1.56 13.28 29.56 H2O 8.98 1.92 36.32 47.22,分子间作用能的分配（kJ/mol）,2023/6/1,氢键的形成条件和类型,分子中有H
26、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且带有孤对电子的原子,2.氢 键,2023/6/1,F,F,H,H,28kJ/mol,565kJ/mol,270pm,9F 2s22p5,HF,F,2023/6/1,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。如乙醇沸点大于乙醚，乙烷（2）在水中的溶解性：与水分子形成氢键的物质易溶于水如乙醇溶于水，乙醚不溶于水。,2023/6/1,氢键解释了水的特殊物理性质,氢键对氟化氢是弱酸的解释,氢键对某些物质的熔沸点差异的解释分子内氢键；分子间氢键。,作用力,分子内,（2）物质的溶解性,“相似者相溶”:溶质与溶剂的极性越相近越易互溶。如CCl4能萃取Br2、I2；NaCl、KOH能溶于水。溶质与溶剂的分子间形成氢键的物质溶解性增强。,
