1、2 微观粒子的波粒二象性,光的波、粒二象性揭示了光被人们忽略的另一面，反之，粒子是否也具有被忽视的另一面，即波动性质呢？,1924年，德布罗意(de Broglie)提出微观粒子也具有波的性质，并假设： = h / mv,式中， 为粒子波的波长；v为粒子的速率，m为粒子的质量,电子具有波粒二象性,(1) 主量子数 n 的物理意义：,表示核外的电子层数并确定电子到核的平均距离确定单电子原子的电子运动的能量,n 的取值：n = 1，2，3，,量子数,n = 1，2，3，4, 对应于电子层K，L，M，N, ,(2) 角量子数 l 的物理意义：,l 的取值：l = 0,1,2,3, (n 1) l =
2、 0,1,2,3 的原子轨道习惯上分别称为s、p、d、f 轨道。,图5.5 原子轨道形状,表示亚层，基本确定原子轨道的形状,对于多电子原子，与n共同确定原子轨道的能量。,(3) 磁量子数 m 的物理意义：,m 的取值: m = 0,1,2, l, 共可取2l + 1个值确定原子轨道的伸展方向,p轨道, m=-1,0,+1,有三个伸展方向,d轨道, m=-2,-1,0,+1,+2有五个伸展方向,图5.6 原子轨道伸展方向,除s轨道外,都是各向异性的,用波函数n,l,m描述原子中电子的运动,习惯上称为轨道运动,它由n, l, m三个量子数所规定,电子还有自旋运动，因而产生磁矩，电子自旋磁矩只有两个
3、方向。因此，自旋量子数的取值仅有两个，分别为+1/2和-1/2，也常形象地表示为 和 。,(4) 自旋量子数ms,一个轨道中的电子可以有两种不同的自旋方向。,5.2.2 核外电子分布原理与方式,原子核外电子的分布要服从以下规则：,泡里不相容原理,能量最低原理,洪德规则,此外，还有一些其它的补充规则，用以解释以上规则不足以说明实验事实的一些特例。,量子数，电子层，电子亚层之间的关系,每个亚层中轨道数目,1 3 5 7,2 6 10 14,2 8 18 2n2,每个亚层最多容纳电子数,每个电子层最多容纳的电子数,主量子数 n 1 2 3 4,电子层 K L M N,角量子数 l 0 1 2 3,电
4、子亚层 s p d f,4 能量最低原理的补充规则,当相同能量的轨道为全充满或半充满的状态时，能量较低。,例5.2 写出Z=24的铬元素的电子排布式 （注意书写）,解： 不考虑补充规则时，排列方式应是,1s22s22p63s23p63d54s1,思考题：29号元素的的电子排布式如何？,1s22s22p63s23p63d104s1,1s22s22p63s23p6 4s2,考虑补充规则时，则为,3d4,5.2.3 原子结构与性质的周期性,1 元素周期表中的族与元素分区,特征电子构型相同的元素排在同一列，构成了元素周期表中的族。,元素性质的变化规律：原子半径、电离能、最高氧化值以及元素电负性在同一周
5、期中或同一 族中都按一定的规律变化。,1 离子键,当活泼金属和活泼非金属元素的原子互相接近时，前者失去电子形成正离子，后者得到电子形成负离子。正、负离子通过静电相互作用结合成离子型化合物。,2 金属键,金属的电离能较小，最外层的价电子容易脱离原子的束缚而形成自由电子。金属离子紧密堆积。所有自由电子在整个堆积体间自由运动，形成金属键。,立心,面心,体心,图5.19 金属离子紧密堆积方式,金属键的特点：,金属键的本质：,金属离子与自由电子之间的库仑引力。,没有方向性没有饱和性,共价键的特性,共价键具有方向性,除 s 轨道外，其它原子轨道均有方向性，要取得最大程度的重叠，成键的两个轨道必须在有利的方
6、向上。,共价键具有饱和性,共价键的数目取决于成键原子所拥有的未成对电子的数目。,图5.21 共价键方向性,图5.22 共价键饱和性,共价键理论,价键理论和分子轨道理论。,2 分子的空间构型和杂化轨道理论,1931年，鲍林等以价键理论为基础，提出化学键的杂化轨道理论。我国化学家唐敖庆教授对杂化轨道进行了系统化处理。,杂化轨道理论的要点,同一原子中若干能量相近的轨道可以相互叠加组成相同数目、能量完全相同的新的杂化轨道。,杂化轨道的电子云较集中，由杂化轨道形成的共价键更牢固。,2) 杂化轨道的应用,Sp杂化,这些元素的特征电子构型为ns2，按照价键理论，它们不能形成共价键。杂化轨道理论认为，s轨道上
7、的一个电子可以激发到p轨道上(所需的能量由成键后释放的能量补偿)，从而进行sp杂化形成2个等性sp杂化轨道。,sp杂化轨道成键特征：,图5.28 sp杂化轨道,两个sp杂化轨道的夹角为180，分子空间构型为直线型。例如 BeCl2, HgCl2, CO2, HCCH等,杂化轨道的应用（续）,sp2杂化,在BCl3分子中，B原子的一个s轨道和两个p轨道可以进行sp2杂化，形成3个等性sp2杂化轨道。三个轨道间的夹角为120。,图5.29 sp2杂化轨道,BCl3和CH2CH2的空间构型,杂化轨道的应用(续),等性sp3杂化,甲烷分子中C原子的一个s轨道和3个p轨道可以进行sp3杂化，形成4个等性
8、sp3杂化轨道。4个轨道间的夹角为10928。每个键中，s成分占1/4，p成分占3/4。,图5.30 sp3杂化轨道,甲烷的空间构型,杂化轨道的应用(续),Sp3不等性杂化,氨分子中N原子可以进行sp3杂化形成不等性sp3杂化轨道。,N原子不等性sp3杂化轨道成键特征：,其中有一个杂化轨道含有一对电子(孤对电子)，含孤对电子的轨道因内部斥力较大而较胖，因此压迫另3个轨道使键角小于10928。,O原子和S原子也能进行不等性sp3杂化,图5.31 NH3和H2O分子的空间构型,杂化轨道与分子极性,分子 杂化形式 分子构型 分子极性 示例 AB2 sp等性 线形 非极性 CO2, BeCl2 AB3
9、 sp2等性 平面三角 非极性 BF3, SO3,5.3.3 分子间相互作用力,范德华力包含： 取向力、诱导力和色散力,分子间作用力： 分子间作用包括范德华力、氢键、疏水作用等，比化学键要弱得多。分子间作用力存在于所有分子中。,范德华力的特点： 永远存在于分子间的弱相互作用； 短程力 没有方向性、没有饱和性 以色散力为主,1 取向力,取向力 分子固有电偶极之间的作用力，存在于极性分子中。,距离较远时,距离较近时,图5.32 取向力示意图,分子的极性！,2 诱导力,诱导力 固有偶极与诱导偶极之间的作用力，存在于极性分子之间或极性分子与非极性分子之间。,图5.33 诱导力产生的示意图,分子的极性和
10、非极性分子的极化率！,3 色散力,色散力 当非极性分子相互靠近时，由于电子和原子核的不断运动，正负电荷中心不能始终保持重合，产生瞬间偶极，瞬间偶极之间的相互作用称为色散力。 色散力存在于所有分子之间 （包括极性分子），同类型分子距离相等时，相对分子质量越大，其色散力越大。,例5.10：下列两组物质的色散力大小 1）卤素单质；2）卤化氢,解：卤素单质按色散力从大到小：I2, Br2, Cl2, F2; 卤化氢按色散力从大到小：HI, HBr, HCl, HF,思考：实际上卤化氢中HF的沸点高于HCl, 说明在HF分子中还存在其它的相互作用？可能是什么？,非极性分子的极化率！,4 氢键,氢键 电负
11、性很大的原子X（F、O、N）与H原子成键时，由于X吸引电子的能力很强，使氢原子带有较多正电荷，它与另一个电负性大且半径又小的原子Y （F、O、N）形成氢键： XHY,氢键具有方向性和饱和性。 氢键可以是分子间的也可以是分子内的。,Y,Y,Y,Y,Y,Y,Y,图5.34 氢键的方向性和饱和性,5.4.1 晶体的基本类型,晶体的分类,根据晶体点阵点上粒子间的相互作用力，可以分为：,离子晶体 点阵点上的物质微粒是正、负离子，粒子之间作用力是离子键力。,原子晶体 点阵点上的物质微粒是原子，微粒之间的作用力是共价键，,金属晶体 点阵点上的物质微粒是金属离子，微粒之间作用力是金属键，,分子晶体 点阵点上的
12、物质微粒是分子，微粒之间作用力是分子间力，,2 原子晶体,原子晶体中粒子的空间排列取决于共价键的方向和数量，如金刚石晶体，C原子采取sp3杂化。,原子晶体的特点 一般具有低配位、硬度高，强度大与熔点高等特点。,除金刚石外，SiC，SiO2，Si3N4，BN，AlN等都是原子晶体。,图5.42 金刚石晶体的结构,图5.43 SiO2晶体的结构,3 金属晶体,金属晶体中, 金属离子紧密堆积，依靠自由电子对金属离子的引力结合。由于自由电子可以在整个金属晶体的范围内运动，因此，金属晶体又具有独特的性质：,展延性 金属离子之间可以错位移动。,导电导热性 在外电场存在下，金属中的自由电子可以定向移动而导电
13、或导热。,金属晶体的硬度、强度、熔点等相差很大 具有高的价电子/半径比的金属一般具有高的熔点、强度和硬度，如钨，反之，则熔点、硬度和强度都很低，如碱金属和碱土金属(Be除外)。,4 分子晶体,分子晶体中，占据在点阵点上的物质粒子是分子。粒子之间的相互作用是分子间作用力。因此，分子晶体的熔点、硬度和强度都很差，如干冰、冰等晶体。许多分子晶体还具有挥发性。,图5.44 CO2分子晶体,例5-13：判断分子晶体 1）：SiF4、SiCl4、SiBr4、SiI4 2）：H2O、H2S、H2Se、H2Te 的熔点高低。,解：分子晶体的熔点取决于粒子间的相互作用力。1）的顺序：从左到右依次升高。2）中由于H2O晶体中粒子间存在氢键熔点特高，其它分子晶体的熔点从左到右升高。,
