原子结构与分子结构郭琦.ppt
《原子结构与分子结构郭琦.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《原子结构与分子结构郭琦.ppt(161页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、原子结构与分子结构原子结构与分子结构 江苏教育学院化学系江苏教育学院化学系 郭郭 琦琦 必备知识波函数和原子轨道 薛定谔方程薛定谔方程波函数和原子轨道波函数和原子轨道 一定的波函数表示电子的一种运动状一定的波函数表示电子的一种运动状态,状态态,状态轨道。轨道。波函数叫做原子轨道,即波函数与原波函数叫做原子轨道,即波函数与原子轨道是同义词。子轨道是同义词。波函数的意义 原子核外电子的一种运动状态原子核外电子的一种运动状态 每一个波函数都有对应的能量每一个波函数都有对应的能量 E E 波函数波函数没有明确的直观的物理没有明确的直观的物理意义意义,但波函数绝对值的平方但波函数绝对值的平方|2 2却有
2、明确的物理意义却有明确的物理意义 从从薛薛定定谔谔方方程程中中求求出出的的具具体体函函数数形形式式,即即为为方方程程的的解解。它它是是一一个个包包含含n n l l m m 三三个个常常数数项项的的三三变变量量(x x、y y、z z)的的函函数数。通通常常用用 表表示示。应应当当指指出出,并并不不是是每每一一个个薛薛定定谔谔方方程程的的解解都都是是合合理理的的,都都能能表表示示电电子子运运动动的的一一个个稳稳定定状状态态。所所以以,为为了了得得到到一一个个合合理理的的解解,就就要要求求n n l l m m 不不是是任任意意的的常常数数而而是是要要符符合合一一定定的的取取值值。在在量量子子力
3、力学学中中把把这这类类特特定定常常数数n n l l mm称称为为量量 子子 数数。通通 过过 一一 组组 特特 定定 的的 n n l l mm就就 可可 得得 出出 一一 个个 相相 应应 的的 n n,l l、m m (x x、y y、z z),每每一一个个 即即表表示示原子中核外电子的一种运动状态。原子中核外电子的一种运动状态。波函数和原子轨道波函数和原子轨道 波波函函数数在在量量子子力力学学中中起起了了核核心心作作用用,展展示示出出原原子子和和分分子子中中电电子子的的运运动动状状态态,是是探探讨讨化化学学键键理理论论的重要基础。的重要基础。按按照照实实物物粒粒子子波波的的本本性性和和
4、测测不不准准原原理理的的几几率率概概念念,物物理理学学家家玻玻恩恩M.Born M.Born 假假定定粒粒子子的的波波函函数数已已不不再再是是振振幅幅的的函函数数,取取代代它它的的是是粒粒子子出出现现的的几几率率,当当这这个个波波函函数数的的绝绝对对值值越越大大,粒粒子子出出现现的的几几率率也也就越大。就越大。一定的波函数表示电子的一种运动状态,一定的波函数表示电子的一种运动状态,状态状态轨道。轨道。波函数叫做原子轨道,波函数叫做原子轨道,即波函数与原子轨道是同义词即波函数与原子轨道是同义词。概率密度和电子云 概率和概率密度概率和概率密度 概率概率|(x|(xy yz)|z)|2 2 d d概
5、率密度概率密度 =|(x|(xy yz)|z)|2 2 电子云电子云|2 2的空间图像就是电子云分布图像。的空间图像就是电子云分布图像。即电子云是从统计的概念出发,对核外电即电子云是从统计的概念出发,对核外电子出现的概率密度做形象化的描述。当电子出现的概率密度做形象化的描述。当电子云中黑点密的地方表示电子在此处出现子云中黑点密的地方表示电子在此处出现的概率密度大,黑点稀的地方表示概率小。的概率密度大,黑点稀的地方表示概率小。波函数的空间图象 Z=cosZ=cos数学表达式数学表达式 =sincos =sincos y=sinsin y=sinsin 2 2=2+y2+Z2=2+y2+Z2 ta
6、n=y/tan=y/变数分离变数分离:(,y,Z)=(,)=R()(,y,Z)=(,)=R()Y(,)Y(,)径向波函数图径向波函数图 径向密度函数图 径向分布函数图 Z/cos cos2 01.001.00150.970.93300.870.75450.710.50600.500.25900.000.001200.500.251350.710.501500.870.751650.970.931801.001.00波函数的角度分布图波函数的角度分布图角角度度部部分分的的图图形形 电子云等密度面图 电子云界面图 电子云图 原子轨道的形状 四个量子数 量子数物理意义取值范围主量子数n描述电子离核远
7、近及能量高低n=1,2,3,正整数角量子数l描述原子轨道的形状及能量的高低l=0,1,2,小于n的正整数磁量子数m描述原子轨道在空间的伸展方向自旋量子数ms描述电子的自旋方向ms=+1/2,-1/22m=0,+1,-1,+2,l原子的电子层结构原子的电子层结构与元素的分区与元素的分区 元素周期系的发展前景 原子半径 A.共价半径同种元素的两个原子共价单键连接时,核间距的一半。一般 单键半径 双键半径 叁键半径B.金属半径紧密堆积的金属晶体中以金属键结合的同种原子核间距离的一半。同一原子的金属半径要大于共价半径1015%。C.范德华半径非键和原子之间只靠分子间的作用力互相接近时,两原子的核间距的
8、一半。一般范德华半径最大(非键合),共价半径最小(轨道重叠),金属半径位中间(紧密堆积)原子半径在周期中的变化 1.1.在短周期中,从左往右随着核电荷数的在短周期中,从左往右随着核电荷数的增加,原子核对外层电子的吸引作用也增加,原子核对外层电子的吸引作用也相应地增强,使原子半径逐渐缩小。相应地增强,使原子半径逐渐缩小。2.2.在长周期中,自左向右原子半径缩小程在长周期中,自左向右原子半径缩小程度不大。度不大。周期系中各相邻元素原子半径减少的平均周期系中各相邻元素原子半径减少的平均幅度为:幅度为:非过渡金属过渡元素内过渡元素非过渡金属过渡元素内过渡元素(1)原子半径在周期表中的变化原子半径在周期
9、表中的变化只有当只有当d5,d10,f7,f14半充满和全充满时,层中电子的对半充满和全充满时,层中电子的对称性较高,这时称性较高,这时 占主导地位,占主导地位,占主导地位,占主导地位,原子半径原子半径r增大增大。核电荷数核电荷数Z增大,对电子吸引力增大,使得原子半径增大,对电子吸引力增大,使得原子半径r有减小的趋势。有减小的趋势。核外电子数增加,电子之间排斥力增大,使得原子半径核外电子数增加,电子之间排斥力增大,使得原子半径r有增大的趋势。有增大的趋势。以以以以 为主。即同周期中从左向右原子半径减小。为主。即同周期中从左向右原子半径减小。为主。即同周期中从左向右原子半径减小。为主。即同周期中
10、从左向右原子半径减小。(a)同周期中同周期中从左向右,在原子序数增加的过程中,有两个因素在影响原从左向右,在原子序数增加的过程中,有两个因素在影响原子半径的变化子半径的变化这是一对矛盾,这是一对矛盾,以哪方面为主?以哪方面为主?短周期的主族元素,以第短周期的主族元素,以第3周期为例周期为例MgNaAlSiPSClArr/pm15413611811711010499154长周期的过渡元素长周期的过渡元素,以第以第4周期的第一过渡系列为例周期的第一过渡系列为例ScTiVCrMnFeCoNiCuZnScNi,8个元素,个元素,r减少了减少了29pm。相邻元素之间,。相邻元素之间,平均减少幅度平均减少
11、幅度4pm许。许。NaCl,7个元素,个元素,r减少了减少了55pm。相邻元素之间,。相邻元素之间,平均减少幅度平均减少幅度10pm许。许。Ar为范德华半径,为范德华半径,所以比较大。所以比较大。r/pm144132122118117117116115117125短周期短周期短周期短周期主族元素,电子填加到外层轨道,对核的正电荷中和主族元素,电子填加到外层轨道,对核的正电荷中和少,有效核电荷少,有效核电荷Z*增加得多。所以增加得多。所以r减小的幅度大。减小的幅度大。长周期长周期长周期长周期过渡元素,电子填加到次外层轨道,对核的正电荷中过渡元素,电子填加到次外层轨道,对核的正电荷中和多,和多,Z
12、*增加得少,所以增加得少,所以r减小的幅度小。减小的幅度小。短周期主族元素原子半径平均减少幅度短周期主族元素原子半径平均减少幅度10pm,长周期的过,长周期的过渡元素平均减少幅度渡元素平均减少幅度4pm。造成这种不同的原因是什么?。造成这种不同的原因是什么?Cu,Zn为为d10结构,电子斥力大,结构,电子斥力大,所以所以r不但没减小,不但没减小,反而有所增加。反而有所增加。ScTiVCrMnFeCoNiCuZnr/pm144132122118117117116115117125试设想超长周期的内过渡元素,会是怎样的情况。试设想超长周期的内过渡元素,会是怎样的情况。(b)镧系收缩)镧系收缩LaC
13、ePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu15种元素,种元素,r共减小共减小11pm。电子填到内层。电子填到内层(n2)f轨道,轨道,屏蔽系数更大,屏蔽系数更大,Z*增加的幅度更小。所以增加的幅度更小。所以r减小的幅度很小。减小的幅度很小。r/pm161160158158158170158r/pm169165164164163162185162Eu4f76s2,f轨道半充满,轨道半充满,Yb4f146s2,f轨道全充满,电轨道全充满,电子斥力的影响占主导地位,原子半径变大。子斥力的影响占主导地位,原子半径变大。将将15镧系种元素,原子半径共减小镧系种元素,原子半径共减小11pm这一
14、事实,称为这一事实,称为镧系收缩。镧系收缩。KCaScTiVCrr/pm203174144132122118RbSrYZrNbMor/pm216191162145134130CsBaLaHfTaWr/pm235198169144134130镧系收缩造成的影响镧系收缩造成的影响对于镧系元素自身的影响,使对于镧系元素自身的影响,使15种镧系元素的半径相似,种镧系元素的半径相似,性质相近,分离困难。性质相近,分离困难。对于镧后元素的影响,使得第二、第三过渡系的同族元素半对于镧后元素的影响,使得第二、第三过渡系的同族元素半径相近,性质相近,分离困难。径相近,性质相近,分离困难。(c)同族中同族中同族中
15、,从上到下,有两种因素影响原子半径的变化趋势同族中,从上到下,有两种因素影响原子半径的变化趋势核电荷核电荷Z增加许多,对电子吸引力增大,增加许多,对电子吸引力增大,使使r减小;减小;核外电子增多,增加一个电子层,使核外电子增多,增加一个电子层,使r增大。增大。主族元素主族元素Li123pmNa154pmK203pmRb216pmCs235pmr r增大增大增大增大在这一对矛盾中,在这一对矛盾中,起主导作用。同族中,从上到下,原起主导作用。同族中,从上到下,原子半径增大。子半径增大。副族元素副族元素 TiVCrr/pm132122118ZrNbMo145134130HfTaW144134130第
16、二过渡系列比第一第二过渡系列比第一过渡系列原子半径过渡系列原子半径r增增大大1213pm。第三过渡系列和第二第三过渡系列和第二过渡系列原子半径过渡系列原子半径r相近相近或相等。这是镧系收缩的或相等。这是镧系收缩的影响结果。影响结果。原子半径在族中变化原子半径在族中变化 在同一主族中,从上到下,随在同一主族中,从上到下,随着核电荷数增加,元素原子的电着核电荷数增加,元素原子的电子层数增多,原子半径增大。子层数增多,原子半径增大。副族元素的元素半径变化不副族元素的元素半径变化不明显,特别是第五、六周期的元明显,特别是第五、六周期的元素的原子半径非常相近。这主要素的原子半径非常相近。这主要是由于镧系
17、收缩所造成的结果。是由于镧系收缩所造成的结果。3电离能与价态之间的关系电离能与价态之间的关系首先要明确,失去电子形成正离子后,首先要明确,失去电子形成正离子后,有效核电荷数有效核电荷数Z*增增加,半径加,半径r减小,故核对电子引力大,再失去电子更加不易。所减小,故核对电子引力大,再失去电子更加不易。所以对于一种元素而言有以对于一种元素而言有I1I2I3I4结论结论电离能逐级加大。电离能逐级加大。分析下列数据,探讨电离能与价态之间的关系。分析下列数据,探讨电离能与价态之间的关系。I1I2I3I4I5I6Li520728911815Be90017571484921007B8012427366025
18、026C10862353462162233783047277N1402285645787475944553266电离能电离能kJmol-1共价键理论共价键理论一一、路易斯理论、路易斯理论1916年,美国科学家年,美国科学家Lewis提出共价键理论。认为分子中的提出共价键理论。认为分子中的原子都有形成稀有气体电子结构的趋势,求得本身的稳定。原子都有形成稀有气体电子结构的趋势,求得本身的稳定。而达而达到这种结构,可以不通过电子转移形成离子和离子键来完成,而到这种结构,可以不通过电子转移形成离子和离子键来完成,而是通过共用电子对来实现。是通过共用电子对来实现。H2ONH3例如例如H+H=HH通过共用
19、一对电子,每个通过共用一对电子,每个H均成均成为为He的电子构型,形成一个共价键。的电子构型,形成一个共价键。Lewis的贡献,在于提出了一种不同于离子键的新的键型,的贡献,在于提出了一种不同于离子键的新的键型,解释了解释了 X比较小的元素之间原子的成键事实。比较小的元素之间原子的成键事实。又如又如ClClHH路易斯结构式路易斯认为,稀有气体最外层电子构型稀有气体最外层电子构型(8e)(8e)是一种是一种稳定构型稳定构型。他把用“共用电子对共用电子对”维系维系的化学作用力化学作用力称为“共价键共价键”。后人就把这种观念称为路易斯共价路易斯共价键理论键理论。分子有用于形成共价键的键键合合电电子子
20、(成成键键电电子子)和未用于形成共价键的非非键键合合电电子子,又称“孤孤对对电电子子”,用小黑点来表示孤对电子。例如,水、氨、乙酸、氮分子的路易斯结构式可以表示为:路易斯结构式人们把这类(用短棍表示共价键,同时用小黑点表小黑点表示非键合的示非键合的“孤对电子孤对电子”)”)添加了孤对电子的结构式添加了孤对电子的结构式叫做路易斯结构式路易斯结构式,也叫电子结构式电子结构式。如:SO2Cl2、HNO3、H2SO4、CO32和SO42的路易斯结构式:价电子总数等于分子中所有原子的价电子数之和,但中心原子周围的电子总数(共用电子+孤对电子)并不总等于8,有多电子中心多电子中心或缺电子中心缺电子中心如:
21、路易斯结构式第二周期元素最外层是L层,它的2s和2p两个能级总共只有4个轨道,最多只能容纳8个电子,因此,对于第二周期元素来说,多电子中心的路易斯结构式明显不合理。为避免这种不合理性,可以在不改变原子顺序的前提下,把某些键合电子改为孤对电子,但这样做,键合电子数就与经典化合价不同了,例如,N2O,分子价电子总数为16,可以画出如下两种路易斯结构式:路易斯结构式对于可以写出几个相对合理的路易斯结构式的分子,泡林提出了“共振论共振论”,认为分子的真实结构是这些合理路易斯结构式的“共振杂化体”,每个结构式则称为一种“共振体”,“共振”的符号“”例如:苯分子C-C键长没有区别,苯分子中的C-C键既不是
22、双键,也不是单键,而是单键与双键的“共振共振混合体混合体”。有关这方面的知识将在有机化学课程中进行讨论。Lewis共振式:SO2HNNNHNNN,互称为互称为HN3的共振结构式。的共振结构式。2共价键的方向性和饱和性共价键的方向性和饱和性共价键的数目由原子中单电子数决定,包括原有的和激发而生共价键的数目由原子中单电子数决定,包括原有的和激发而生成的。例如氧有两个单电子,成的。例如氧有两个单电子,H有一个单电子,所以结合成水分子有一个单电子,所以结合成水分子时,只能形成时,只能形成2个共价键。个共价键。C最多能与最多能与4个个H形成共价键。形成共价键。各原子轨道在空间分布方向是固定的,为了满足轨
23、道的最大各原子轨道在空间分布方向是固定的,为了满足轨道的最大程度重叠,原子间成的共价键,当然要具有方向性。程度重叠,原子间成的共价键,当然要具有方向性。原子中单电子数决定了共价键的数目。即为共价键的饱和性。原子中单电子数决定了共价键的数目。即为共价键的饱和性。+1sz+3pzz以以HCl为例。为例。Cl的的3pz和和H的的1s轨道重叠,只有沿着轨道重叠,只有沿着z轴重叠,才能轴重叠,才能保证最大程度的重叠,而且不改变原有的对称性。保证最大程度的重叠,而且不改变原有的对称性。Cl2分子中成键的原子轨道,也要保持对称性和最大程度的分子中成键的原子轨道,也要保持对称性和最大程度的重叠。重叠。pzzp
24、z+z+如下图所示的重叠,将破坏原子轨道的对称性。如下图所示的重叠,将破坏原子轨道的对称性。X+X+sp+pzz+pz共价键和轨道重叠:3共价键的键型共价键的键型成键的两个原子核间的连线称为键轴。成键的两个原子核间的连线称为键轴。按成键轨道与键轴之按成键轨道与键轴之间的关系,共价键的键型主要分为两种。间的关系,共价键的键型主要分为两种。键键 将成键轨道沿着键轴旋转任意角度,图形及符号均将成键轨道沿着键轴旋转任意角度,图形及符号均保持不变。保持不变。即即 键键的键轴是成键轨道的任意多重轴。的键轴是成键轨道的任意多重轴。一种形象化描述:一种形象化描述:键是成键轨道的键是成键轨道的“头碰头头碰头”重
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 原子结构 分子结构
限制150内