2021-2022学年高二物理竞赛课件：从孤立氢原子到氢分子.pptx

从孤立氢原子到氢分子从孤立氢原子到氢分子两个孤立两个孤立氢原子中原子中电子波函数子波函数 A 和和 B 分分别满足足两原子相互靠近两原子相互靠近时，波函数，波函数交叠交叠，形成共价，形成共价键两个两个电子子为两个两个氢原子所共有，描写其状原子所共有，描写其状态的哈密的哈密顿算符算符为下下标A和和B代表两个原子，代表两个原子，1和和2代表两个代表两个电子子采用采用分子轨道法分子轨道法简化处理问题简化处理问题忽略两个电子之间的相互作用忽略两个电子之间的相互作用V12，简化为单电子问题，简化为单电子问题同时描写两个电子状态的哈密顿算符可分解为两个部分，分别只与同时描写两个电子状态的哈密顿算符可分解为两个部分，分别只与一个电子的坐标有关一个电子的坐标有关同时描写两个电子状态的波函数可分解为两个部分，分别描写两个同时描写两个电子状态的波函数可分解为两个部分，分别描写两个电子电子分子分子轨道波函数道波函数满足足若原子若原子A、B等价，等价，则有有分子分子轨道波函数可表示道波函数可表示为原子原子轨道波函数的道波函数的线性性组合合其中其中Ci为归一化常数，一化常数，i=1为变分分计算待定因子算待定因子氢分子的分子分子的分子轨道波函数道波函数成成键态反反键态计算得到算得到负电子云与原子核之子云与原子核之间具有具有库仑作用作用，使得成，使得成键态能量相能量相对于原子能于原子能级降低降低，与此同，与此同时反反键态的能量的能量升高升高成成键态上可以填充两个上可以填充两个自旋相反自旋相反的的电子，使体系的能量下子，使体系的能量下降，意味着有相互降，意味着有相互吸引吸引的作用的作用氢分子分子的两个的两个电子同子同时填充在成填充在成键轨道上，能量比两个孤道上，能量比两个孤立立氢原子原子要低要低！2-2 氢分子的分子轨道饱和性和性：共价：共价键形式形式结合的原子能形成的合的原子能形成的键的数目有一个的数目有一个最大最大值，每个，每个键含有含有2个个电子，分子，分别来自两个原子来自两个原子共价共价键是由未配是由未配对的的电子形成子形成价价电子壳子壳层如果不到半如果不到半满，所有，所有电子都可以是不配子都可以是不配对的，因的，因此成此成键的数目就是价的数目就是价电子数目子数目价价电子壳子壳层超超过半半满时，根据泡利不相容原理，部分，根据泡利不相容原理，部分电子必子必须自旋相反配自旋相反配对，形成的共价，形成的共价键数目小于价数目小于价电子数目子数目方向性方向性：原子只在特定的方向上形成共价：原子只在特定的方向上形成共价键，各个共价，各个共价键之之间有确定的相有确定的相对取向取向共价共价键的的强弱取决于形成共价弱取决于形成共价键的两个的两个电子子轨道相互交叠的道相互交叠的程度程度一个原子在价一个原子在价电子波函数最大的方向上形成共价子波函数最大的方向上形成共价键碳原子：碳原子：6个个电子子2个个1s2电子成子成对2个个2s2电子成子成对2个个2p2电子子不成不成对每个碳原子只能形成每个碳原子只能形成2个共价个共价键？事事实上，金上，金刚石中每个碳原子和石中每个碳原子和4个近个近邻原子成原子成键！金金刚石共价石共价键基基态由由2s和和2p波函数的波函数的组合构成合构成sp3杂化化轨道：道：电子云分子云分别集中集中在四面体的在四面体的4个个顶角方向上，形角方向上，形成成4个个等价的共价等价的共价键两个两个键之之间的的夹角：角：10928金金刚石石spxpypzsp3基本特点：基本特点：电子子“共有化共有化”组成晶体成晶体时每个原子最外每个原子最外层电子子为所有原子所共有，价所有原子所共有，价电子可在整个金属晶体内自子可在整个金属晶体内自由运由运动，共同构成了，共同构成了电子云子云电子云和原子子云和原子实的作用的作用 库仑作用作用体体积越小越小电子云密度越高，子云密度越高，库仑相互作用相互作用导致能量越低，致能量越低，表表现为原子聚合起来的作用原子聚合起来的作用导电性、性、导热性、金属光性、金属光泽等金属特性与等金属特性与电子云密切相关子云密切相关典型的金属晶体：典型的金属晶体：I族、族、II族元素及族元素及过渡元素，最外渡元素，最外层电子一子一般般为12个个晶体的晶体的平衡平衡：依靠库仑作用力和一定的排斥力：依靠库仑作用力和一定的排斥力金属晶体的金属晶体的结合力合力：原子：原子实和和电子云之子云之间的的库仑力力要求排列最要求排列最紧密，密，势能最低，能最低，结合最合最稳定，无定，无饱和性、方向性等和性、方向性等特殊要求特殊要求良好的良好的导电、导热本本领结合能合能差异很大差异很大I、II族元素相族元素相对较低，材料低，材料较软，熔点，熔点较低低过渡金属渡金属较大，材料大，材料较硬，熔点硬，熔点较高高范性范性良好良好金属性金属性结合合对原子的排列无特殊要求，易造成原子排列的不原子的排列无特殊要求，易造成原子排列的不规范性范性金属晶体的金属晶体的排斥排斥力力来自两个方面：来自两个方面：体积减小，电子云的密度增大，电子的体积减小，电子云的密度增大，电子的动能动能将增加将增加原子实相互接近到一定的距离时，它们的原子实相互接近到一定的距离时，它们的电子云电子云发生显著的发生显著的重叠重叠，将产生强烈的排斥作用将产生强烈的排斥作用面心立方晶格，配位数面心立方晶格，配位数12：Cu、Ag、Au、Al密排六方晶格，配位数密排六方晶格，配位数12：Be、Mg、Zn、Cd体心立方晶格，配位数体心立方晶格，配位数8：Li、Na、K、Rb、Cs、Mo1873年范德瓦耳斯年范德瓦耳斯(Van der Waals)提出在提出在实际气体分子气体分子中，两个中性分子中，两个中性分子间存在着存在着“分子力分子力”范德瓦耳斯作用力：范德瓦耳斯作用力：稀有气体原子稀有气体原子最外最外层8个个电子、或价子、或价电子已完全用于形成子已完全用于形成共价共价键的的饱和分子和分子，具有球，具有球对称的称的稳定封定封闭结构构取向力取向力：极性分子正：极性分子正负电荷中心荷中心不重合，存在不重合，存在稳定偶极矩定偶极矩色散力色散力：非极性分子瞬：非极性分子瞬时正正负电荷中心不重合，呈荷中心不重合，呈现瞬瞬时偶极矩偶极矩诱导力力：其它原子受到已有的偶：其它原子受到已有的偶极矩作用，极矩作用，产生感生感应极矩极矩作用力非常作用力非常微弱微弱、距离非常、距离非常短短以稀有气体分子（即以稀有气体分子（即为单个原子）个原子）为例：例：原子原子1的的瞬瞬时偶极矩偶极矩原子原子1产生的生的电场原子原子2在在电场的作用下的作用下感感应偶极矩偶极矩其中其中 为原子极化率原子极化率两偶极矩两偶极矩间吸引能吸引能与与 r6 成反比关系，很弱，成反比关系，很弱，随距离增加下降很快随距离增加下降很快总的相互作用能的相互作用能勒勒纳琼斯斯(Lennard-Jones)势