原子结构和分子结构幻灯片.ppt
原子结构和分子结构第1页，共121页，编辑于2022年，星期五教教学学要要求求掌握核外电子运动的特殊性掌握核外电子运动的特殊性波粒二象性波粒二象性掌握波函数、原子轨道、电子云的概念及意义掌握波函数、原子轨道、电子云的概念及意义掌握描述核外电子运动特征的四个量子数掌握描述核外电子运动特征的四个量子数掌握原子轨道的角度分布图掌握原子轨道的角度分布图熟悉多电子原子原子轨道近似能级图熟悉多电子原子原子轨道近似能级图掌握多电子原子核外电子排布规律及电子排布式掌握多电子原子核外电子排布规律及电子排布式掌握共价键的本质、特征和类型掌握共价键的本质、特征和类型掌握现代价键理论、杂化轨道理论掌握现代价键理论、杂化轨道理论掌握氢键的形成、特征和类型掌握氢键的形成、特征和类型第2页，共121页，编辑于2022年，星期五原子结构的认识史原子结构的认识史古代哲学思想古代哲学思想公元前四百年，古希腊卓越的唯物论者德谟克利特公元前四百年，古希腊卓越的唯物论者德谟克利特提出万物由提出万物由“原子原子”产生。产生。“原子原子”即不可分之意即不可分之意第3页，共121页，编辑于2022年，星期五1741年，俄国的罗蒙诺索夫曾提出物质构造的粒子学说，年，俄国的罗蒙诺索夫曾提出物质构造的粒子学说，但由于缺乏实验基础，未曾受到重视。但由于缺乏实验基础，未曾受到重视。十八世纪末，欧洲进入资本主义的上升时期，生产的迅速十八世纪末，欧洲进入资本主义的上升时期，生产的迅速发展推动了科学的进展。出现了较精密的天平，化学科学从定发展推动了科学的进展。出现了较精密的天平，化学科学从定性研究进入定量研究。性研究进入定量研究。第4页，共121页，编辑于2022年，星期五1.质量守恒定律质量守恒定律1756年，罗蒙诺索夫年，罗蒙诺索夫2.定组成定律定组成定律1779年，法国，普劳斯特：一种纯净的年，法国，普劳斯特：一种纯净的化合物不论来源如何，各组分元素的质量都有一定的比例。化合物不论来源如何，各组分元素的质量都有一定的比例。3.倍比定律倍比定律1803年，英国中年，英国中学教师道尔顿发现：当甲、乙两学教师道尔顿发现：当甲、乙两种元素互相化合生成两种以上化种元素互相化合生成两种以上化合物时，则在这些化合物中，与合物时，则在这些化合物中，与同一质量的甲元素化合的乙元素同一质量的甲元素化合的乙元素的质量互成简单的整数比。的质量互成简单的整数比。第5页，共121页，编辑于2022年，星期五十九世纪初（十九世纪初（1808年），道尔顿在继承了古希腊的年），道尔顿在继承了古希腊的原子论的基础上，提出了他的原子学说：原子论的基础上，提出了他的原子学说：1.物质是由原子构成，原子不可分割，不能自生自灭物质是由原子构成，原子不可分割，不能自生自灭2.同种元素的原子在质量、形状上、性质上完全一致，不同种元素的原子在质量、形状上、性质上完全一致，不同种类的原子则不同。同种类的原子则不同。3.每一种物质均由它自己的原子组成。单质由简单原子组每一种物质均由它自己的原子组成。单质由简单原子组成，化合物由复杂原子组成。而复杂原子又是由为数不成，化合物由复杂原子组成。而复杂原子又是由为数不多的简单原子所组成。复杂原子的质量又是组成它的简多的简单原子所组成。复杂原子的质量又是组成它的简单原子的质量之和。单原子的质量之和。第6页，共121页，编辑于2022年，星期五1811年，意大利化学家阿佛加德罗引入年，意大利化学家阿佛加德罗引入“分子分子”的的概念。认为原子虽是构成物质的最小微粒，但它并不能概念。认为原子虽是构成物质的最小微粒，但它并不能单独存在。单独存在。恩格斯评价：恩格斯评价：化学中的新时代是从原子论开始的，近代化学中的新时代是从原子论开始的，近代化学的始祖是化学的始祖是道尔顿道尔顿而非拉瓦锡而非拉瓦锡。原子分子论的建立，阐明了原子与分子间的联系与差别，原子分子论的建立，阐明了原子与分子间的联系与差别，使人们在认识物质的深度上产生一个飞跃，澄清了长期以来的使人们在认识物质的深度上产生一个飞跃，澄清了长期以来的混乱。混乱。但它也但它也只是一定历史时期的相对真理只是一定历史时期的相对真理。第7页，共121页，编辑于2022年，星期五电子的发现电子的发现第8页，共121页，编辑于2022年，星期五汤姆逊布丁模型，汤姆逊布丁模型，1897年年第9页，共121页，编辑于2022年，星期五粒子散射实验粒子散射实验第10页，共121页，编辑于2022年，星期五卢瑟福行星模型，卢瑟福行星模型，1911年年但该模型与经典的电磁理论相矛盾。另外，原子光但该模型与经典的电磁理论相矛盾。另外，原子光谱也是线状光谱（非连续光谱）。谱也是线状光谱（非连续光谱）。第11页，共121页，编辑于2022年，星期五按麦克斯韦的电磁理论，绕核运动的电子应不停地连续向外按麦克斯韦的电磁理论，绕核运动的电子应不停地连续向外辐射电磁波，得到连续光谱。辐射电磁波，得到连续光谱。同时由于电磁波的不断辐射，电子的能量应逐渐减小，同时由于电磁波的不断辐射，电子的能量应逐渐减小，终于落于核上。终于落于核上。第12页，共121页，编辑于2022年，星期五第13页，共121页，编辑于2022年，星期五玻尔理论的基础玻尔理论的基础第一节第一节 原原 子子 结结 构构能量量子化和光子学说能量量子化和光子学说20世纪初世纪初1900年，年，普朗克普朗克（Planck）提出了能量）提出了能量量子化量子化的概念。的概念。他认为黑体辐射频率为他认为黑体辐射频率为 的能量是不连续的，只能是的能量是不连续的，只能是h 的的整数倍。整数倍。h称为普朗克常数，称为普朗克常数，6.62610-34Js。1905年，年，爱因斯坦爱因斯坦提出了提出了光子学说光子学说，圆满地解释了光，圆满地解释了光电效应。电效应。光的波粒二象性。光的波粒二象性。第14页，共121页，编辑于2022年，星期五1913年，丹麦物理学家年，丹麦物理学家玻尔玻尔（Bohr）在）在牛顿力学牛顿力学的基的基础上，吸收了量子论和光子学说的思想，建立了础上，吸收了量子论和光子学说的思想，建立了玻尔原子玻尔原子模型模型。(定态同心圆模型定态同心圆模型)第15页，共121页，编辑于2022年，星期五玻尔的氢原子模型玻尔的氢原子模型1.定态假设：核外电子运动有一定态假设：核外电子运动有一定的轨道，在此轨道上运动的电子定的轨道，在此轨道上运动的电子既不放出能量也不吸收能量。称为既不放出能量也不吸收能量。称为定态。定态。能量最低的定态称为基态能量最低的定态称为基态能量高于基态的定态称为能量高于基态的定态称为激发态激发态第16页，共121页，编辑于2022年，星期五2.量子化假设：在一定轨道上运动的电子具有一定的角量子化假设：在一定轨道上运动的电子具有一定的角动量和能量，这个角动量和能量只能取某些量子化的条件动量和能量，这个角动量和能量只能取某些量子化的条件所决定的数值。所决定的数值。n1,2,3,4,5，称为称为量子数量子数第17页，共121页，编辑于2022年，星期五3.跃迁规则：电子吸收光子就会跃迁到能量较高的激发跃迁规则：电子吸收光子就会跃迁到能量较高的激发态，反之，激发态的电子会放出光子，返回基态或能量较低态，反之，激发态的电子会放出光子，返回基态或能量较低的激发态；电子吸收或放出光子的能量为跃迁前后两个能级的激发态；电子吸收或放出光子的能量为跃迁前后两个能级的能量之差。的能量之差。但在解释多电子原子时，却遇到了难以解决的因难但在解释多电子原子时，却遇到了难以解决的因难成功解释氢原子光谱及成功解释氢原子光谱及类氢离子类氢离子光谱。误差在千分之一光谱。误差在千分之一以下。以下。第18页，共121页，编辑于2022年，星期五优点：优点：指出原子结构量子化的特性指出原子结构量子化的特性用量子化解释了原子结构和氢光谱的关系用量子化解释了原子结构和氢光谱的关系缺点：缺点：未能完全摆脱经典物理的束缚未能完全摆脱经典物理的束缚无法解释多电子系统和原子光谱的精细结构无法解释多电子系统和原子光谱的精细结构玻尔理论的优缺点玻尔理论的优缺点第19页，共121页，编辑于2022年，星期五对于原子中电子运动的描述，要在新的对于原子中电子运动的描述，要在新的量子力学量子力学出现后，出现后，才能得到和实验结果相符合的结果。才能得到和实验结果相符合的结果。相对于量子力学，相对于量子力学，1900-1925年，称为年，称为旧量子论阶段旧量子论阶段量子力学的基础是：量子力学的基础是：波粒二象性波粒二象性、测不准原理测不准原理和和薛定谔薛定谔方程方程。核外电子运动状态的现代概念核外电子运动状态的现代概念第20页，共121页，编辑于2022年，星期五量子力学概念量子力学概念1.微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性物质波物质波1924年，德布罗意年，德布罗意电子等微观粒子与光一样具有波粒二象性电子等微观粒子与光一样具有波粒二象性三年后，假设由电子衍射实验证实。三年后，假设由电子衍射实验证实。第21页，共121页，编辑于2022年，星期五电子衍射实验电子衍射实验单个电子穿过晶体单个电子穿过晶体投射在屏幕上投射在屏幕上多个电子穿过晶体多个电子穿过晶体投射在屏幕上投射在屏幕上电子衍射图电子衍射图abc第22页，共121页，编辑于2022年，星期五如何理解电子衍射图如何理解电子衍射图 统计解释：用弱的电子流使电子一个个地通过晶体光统计解释：用弱的电子流使电子一个个地通过晶体光栅或者使某个电子反复通过晶体光栅而到达底片，长时间后，栅或者使某个电子反复通过晶体光栅而到达底片，长时间后，也有相同的衍射图形。说明也有相同的衍射图形。说明电子衍射不是电子与电子之间相电子衍射不是电子与电子之间相互作用的结果互作用的结果，是由，是由电子本身运动的规律性所致电子本身运动的规律性所致，是和大是和大量电子的运动统计性规律量电子的运动统计性规律联系在一起的联系在一起的。所以电子波又称。所以电子波又称统计波或概率波，也称为物质波统计波或概率波，也称为物质波。第23页，共121页，编辑于2022年，星期五2.不确定原理不确定原理1927，海森堡，海森堡无法同时准确测定微观粒子的位置和动量无法同时准确测定微观粒子的位置和动量不确定原理不确定原理x 为为x 方向坐标的测不准量（误差）方向坐标的测不准量（误差）px为为x方向的动量测不准量（误差）方向的动量测不准量（误差）微观粒子运动无确定的运动轨道，应该用量子力学来微观粒子运动无确定的运动轨道，应该用量子力学来描述微观粒子的运动描述微观粒子的运动第24页，共121页，编辑于2022年，星期五3.薛定谔方程薛定谔方程 电子波动方程电子波动方程1926年，薛定谔利用德布罗意的物质波的观点，提出了描述年，薛定谔利用德布罗意的物质波的观点，提出了描述微观粒子运动规律的方程，后称为微观粒子运动规律的方程，后称为薛定谔方程薛定谔方程。该方程的提。该方程的提出标志着量子力学的诞生，它是量子力学的最重要的基出标志着量子力学的诞生，它是量子力学的最重要的基本方程。本方程。x,y,z:电子的空间坐标；电子的空间坐标；m:电子的质量电子的质量V:电子的势能电子的势能;E:电子的总能量电子的总能量 :方程的函数解，称为波函数方程的函数解，称为波函数第25页，共121页，编辑于2022年，星期五 是描述氢原子核外运动状态的数学函数，称为是描述氢原子核外运动状态的数学函数，称为波函数波函数是薛定谔方程的合理解，无明确的物理意义是薛定谔方程的合理解，无明确的物理意义|2表示在空间某处电子出现的表示在空间某处电子出现的概率密度概率密度该点周围微单位体积内电子出现的概率该点周围微单位体积内电子出现的概率薛定谔方程的物理意义薛定谔方程的物理意义量子力学的一个基本方程，提出了波函数量子力学的一个基本方程，提出了波函数 (x,y,z)量子力学用波函数量子力学用波函数 (x,y,z)和其相应的能量来描述电子和其相应的能量来描述电子的运动状态的运动状态第26页，共121页，编辑于2022年，星期五电子运动的特征：电子运动的特征：1.电子具有波粒二象性，它具有质量、能量等粒子特征，又电子具有波粒二象性，它具有质量、能量等粒子特征，又具有波长这样的波的特征。电子的波动性与其运动的统计规具有波长这样的波的特征。电子的波动性与其运动的统计规律相联系，电子波是概率波；律相联系，电子波是概率波；2.电子等微观粒子不能同时测准它的位置和动量，不存在电子等微观粒子不能同时测准它的位置和动量，不存在确定的运动轨道。它在核外空间出现体现为概率的大小，确定的运动轨道。它在核外空间出现体现为概率的大小，有的地方出现的概率小，有的地方出现的概率大有的地方出现的概率小，有的地方出现的概率大4.每一每一 对应一确定的能量值，称为对应一确定的能量值，称为“定态定态”。电子的能。电子的能量具有量子化的特征，是不连续的。基态时能量最小，激量具有量子化的特征，是不连续的。基态时能量最小，激发态的能量高。发态的能量高。3.电子的运动状态可用波函数电子的运动状态可用波函数 和其相应的能量来描述。和其相应的能量来描述。波函数波函数 是薛定谔方程的合理解，是薛定谔方程的合理解，表示概率密度。表示概率密度。第27页，共121页，编辑于2022年，星期五量子数是一些不连续的、分立的数值，它的增减只能是量子数是一些不连续的、分立的数值，它的增减只能是1的的整数倍整数倍，体现了某些物理量的不连续变化，体现了某些物理量的不连续变化，称为量子化。称为量子化。n、l、m的取值和组合一定时的取值和组合一定时 才能合理存在，因此才能合理存在，因此三个合三个合理量子数取值的组合理量子数取值的组合就可以确定一个波函数就可以确定一个波函数n、l、m是求解薛定谔方程中的自然体现是求解薛定谔方程中的自然体现一般记成：一般记成：薛定谔方程的解为系列合理解，每个解都有一定的薛定谔方程的解为系列合理解，每个解都有一定的能量与其对应，同时每个解能量与其对应，同时每个解 都要受到三个常数都要受到三个常数(n,l,m)的规定，即为量子数。的规定，即为量子数。一、量子数和氢原子的波函数一、量子数和氢原子的波函数量子数量子数第28页，共121页，编辑于2022年，星期五（一）主量子数（一）主量子数(n)主量子数主量子数n 反映了反映了电子在核外空间出现概率最大的区电子在核外空间出现概率最大的区域离核的远近域离核的远近，这些区域俗称为，这些区域俗称为电子层电子层，是是决定核外电子决定核外电子能量的主要因素能量的主要因素。取值：取值：非零正整数非零正整数，即，即n1、2、3、n 值相同的电子称为值相同的电子称为同层电子。同层电子。当当n1、2、3、4时，相应用光谱学符号时，相应用光谱学符号K、L、M、N来表示来表示对于对于单电子原子单电子原子，n是决定其电子能量的唯一因素是决定其电子能量的唯一因素是决定其电子能量的唯一因素是决定其电子能量的唯一因素第29页，共121页，编辑于2022年，星期五（二）（二）角量子数角量子数(l)l 决定决定原子轨道和电子云的原子轨道和电子云的形状形状在多电子原子中配合主量子数在多电子原子中配合主量子数n一起一起决定电子的能量决定电子的能量取值：取值：l0、1、2、3(n-1)，共可取，共可取n 个值个值同一电子层中的电子可分为若干个能级同一电子层中的电子可分为若干个能级(亚层亚层)，l 决定了同决定了同一电子层中一电子层中不同亚层不同亚层n,l相同相同的原子轨道称为的原子轨道称为简并轨道简并轨道或或等价轨道等价轨道l012电子亚层spd电子云形状球形双球形花瓣形第30页，共121页，编辑于2022年，星期五讨论：讨论：l 相同，相同，n 不同。不同。n越大，能量越高越大，能量越高。E1sE2sE3sE4sE2pE3pE4pE5pn相同，相同，l不同。不同。l越大，能量越高越大，能量越高。EnsEnpEndOHOOHNNHN第109页，共121页，编辑于2022年，星期五二、氢键的特点和类型二、氢键的特点和类型分子间氢键：分子间氢键：分子之间形成的氢键。分子之间形成的氢键。分子内氢键：分子内氢键：分子内部形成的氢键。分子内部形成的氢键。第110页，共121页，编辑于2022年，星期五举举 例例分子内氢键分子内氢键分子间氢键分子间氢键第111页，共121页，编辑于2022年，星期五 氢键的特征氢键的特征3.分子间氢键具有方向性分子间氢键具有方向性，形成氢键的，形成氢键的3个原子尽可能在个原子尽可能在一条直线上，一条直线上，X与与Y之间距离最远斥力较小，氢键稳定。之间距离最远斥力较小，氢键稳定。1.氢键的键能小氢键的键能小，比化学键弱得多，但比范德华力稍强。，比化学键弱得多，但比范德华力稍强。2.氢键具有饱和性氢键具有饱和性，当，当H原子已经形成原子已经形成1个氢键后，不个氢键后，不能再与第三个强电负性原子形成第能再与第三个强电负性原子形成第2个氢键。个氢键。第112页，共121页，编辑于2022年，星期五三、氢键的作用三、氢键的作用分子内氢键分子内氢键1.1.对熔、沸点的影响：对熔、沸点的影响：分子间氢键分子间氢键熔、沸点熔、沸点高高低低例：例：间、对硝基苯酚间、对硝基苯酚熔点为熔点为96和和114邻硝基苯酚熔邻硝基苯酚熔点为点为45第113页，共121页，编辑于2022年，星期五2.对溶解度的影响对溶解度的影响溶质与水形成氢键溶质与水形成氢键在水中的溶解度在水中的溶解度不能不能能能较大较大很小很小ROH(醇醇),RCOOH(羧酸羧酸)例子例子烃烃溶质易形成分子内氢键：溶质易形成分子内氢键：如何解释如何解释邻硝基苯酚邻硝基苯酚在水中的溶解度比在水中的溶解度比对硝基苯酚对硝基苯酚小？小？在水中的溶解度小在水中的溶解度小第114页，共121页，编辑于2022年，星期五3.对分子的构型、构象、性质与功能的影响对分子的构型、构象、性质与功能的影响氢键是稳定生物高分子的高级结构的一个重要因素氢键是稳定生物高分子的高级结构的一个重要因素蛋白质分子中的氢键蛋白质分子中的氢键DNA分子中的氢键分子中的氢键 一旦氢键被破坏，分子的空间结构会发生变化，生理一旦氢键被破坏，分子的空间结构会发生变化，生理活性也就随之丧失。活性也就随之丧失。第115页，共121页，编辑于2022年，星期五蛋白质分子中氢键示意图（二级结构）蛋白质分子中氢键示意图（二级结构）-螺旋螺旋-折叠折叠第116页，共121页，编辑于2022年，星期五DNA氢键示意图氢键示意图氢键是稳定氢键是稳定DNA分子双螺旋结构的原因之一分子双螺旋结构的原因之一第117页，共121页，编辑于2022年，星期五例例 题题下下列列各各化化合合物物中中有有无无氢氢键键？如如果果存存在在氢氢键键，是是分分子子间氢键还是分子内氢键？间氢键还是分子内氢键？NH3、C6H6、C2H6、HNO3、邻羟基苯甲酸、邻羟基苯甲酸分子间氢键：分子间氢键：NH3分子内氢键：分子内氢键：HNO3、邻羟基苯甲酸、邻羟基苯甲酸C6H6、C2H6不会形成氢键不会形成氢键第118页，共121页，编辑于2022年，星期五例例 题题下列液体化合物下列液体化合物（a）乙二醇）乙二醇HOCH2CH2OH（b）丙醇）丙醇CH3CH2CH2OH，何者沸点高？说明理由，何者沸点高？说明理由因因HOCH2CH2OH和和CH3CH2CH2OH中都有中都有O-H键可形键可形成氢键，但每个成氢键，但每个HOCH2CH2OH分子可形成两倍于分子可形成两倍于CH3CH2CH2OH的氢键，所以的氢键，所以乙二醇沸点高乙二醇沸点高。第119页，共121页，编辑于2022年，星期五小小 结结微观粒子的波粒二象性、概率波的意义微观粒子的波粒二象性、概率波的意义波函数、原子轨道、电子云的概念及意义波函数、原子轨道、电子云的概念及意义四个量子数取值、意义及其合理组合四个量子数取值、意义及其合理组合原子轨道的角度分布图原子轨道的角度分布图多电子原子原子轨道近似能级图多电子原子原子轨道近似能级图多电子原子核外电子排布规律及电子排布式多电子原子核外电子排布规律及电子排布式第120页，共121页，编辑于2022年，星期五小小 结结现代价键理论的要点现代价键理论的要点共价键的类型及其性质共价键的类型及其性质杂化轨道理论要点杂化轨道理论要点原子轨道杂化类型及实例原子轨道杂化类型及实例根据杂化轨道理论判断分子的杂化类型、分子的空间构型根据杂化轨道理论判断分子的杂化类型、分子的空间构型并用轨道式表示杂化过程并用轨道式表示杂化过程氢键的概念、形成、特点、类型及其对性质的影响氢键的概念、形成、特点、类型及其对性质的影响第121页，共121页，编辑于2022年，星期五
