1、1,第五章,物质结构基础,2,5.1 原子结构的近代概念,量子化：如果某一物理量的变化是不连续的，而是以某一最 小单位作整数倍的增加(或减少)，我们就说这个物 理量是量子化的，这一最小单位就叫做这一物理量 的量子( quanta )。,例：一个电子e 的电量 = 1.6 1019 库仑,人们对原子结构的认识不象对宏观物体那样直观，只能通过实验现象人为地提出一个模型，如果假设的模型不能解释实验现象，模型就需要修改，因此人们对原子结构的认识过程，就是根据实验现象不断完善模型的过程。,5.1 原子结构的近代概念,3,Dalton 原子模型(1803年),Thomson原子模型 (1804年),Rut
2、herford原子模型 (1911年),Bohr原子模型 (1913年),近代原子模型 (1927 1935年),5.1 原子结构的近代概念,4,n= 1，2，3，4 . . . . . . ， n2 n1 n 主量子数。,5.1 原子结构的近代概念,5,玻尔理论的优缺点：,成功地解释了氢原子光谱的不连续(discontinuous)。 提出了原子能级和主量子数的概念，提出电子可以在 不同能级间跃迁。(E = -1312/n2 kJ/mol) 把电子的简单地解释为经典粒子，并认为其运动同宏 观物体一样是有轨迹的，只是人为地规定轨道要服从 量子化条件。 只能解释氢原子及一些单电子离子的光谱，对多
3、电子 原子其光谱的计算值有很大出入。,5.1 原子结构的近代概念,6,微观粒子的波、粒二象性:,1924年，法国，物理学家 Louis de Broglie 预言：,1927年，电子衍射实验：,电子束 狭缝,电子衍射图,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,(wave particle duality of microscopic particle),(5.1),5.1 原子结构的近代概念,7,根据 de Broglie 式计算几种粒子的波长如下：,所以，宏观物体的波动性是极微弱的，难以察
4、觉，主要表现为粒性，而微观粒子的运动应考虑其波动性。,5.1 原子结构的近代概念,8,5.1.1 波函数(wave function),E 体系的总能量。 m 粒子的质量。V 体系的势能。 h 普朗克常数。,5.1 原子结构的近代概念,9,Schrodinger E,1926年 奥地利物理学家 Schrodinger 提出描述电子运动状态的波动方程：,5.1 原子结构的近代概念,例如：基态氢原子的波函数的解：,10,波函数和量子数 P204 (wave function and quantum number),n ：1、2、3、4、5、 ,主量子数 n (principal quantum n
5、umber), 确定电子离核的远近。与电子的能量有关。,5.1 原子结构的近代概念,11,角量子数（azimuthal quantum number ), 反映了波函数的形状。其取值受 n 限制。, ：0、1、2、3、 (n-1),例: n = 1 = 0 (一种形状) n = 2 = 0、1 (二种形状) n = 3 = 0、1、2 (三种形状) n = 4 = 0、1、2、3 (四种形状),磁量子数m （magnetic quantum number ),5.1 原子结构的近代概念,12,磁量子数m, 反映了波函数的空间取向。其取值受 限制。,m ：0、1、2、3、 ,例: n = 1 =
6、 0 m = 0 (一种取向) n = 2 = 0 m = 0 1 m = 0、 1 (三种取向) n = 3 = 0 m = 0 1 m = 0、 1 2 m = 0、 1、 2 (五种取向) n = 4 = 0 m = 0 1 m = 0、 1 2 m = 0、 1、 2 3 m = 0、 1、 2、 3 (七种取向),5.1 原子结构的近代概念,13,只有当三个量子数各自数值一定时，波函数才有确切的解，相应的解表示电子的运动状态，用表示，也可叫“原子轨道”，即：Atomic Orbital .( 注意: orbit 与 orbital 的区别。),例: n = 1 = 0 m = 0 (
7、1 0 0 ),量子数与原子轨道（运动状态）的关系：,例如：基态氢原子的波函数的解：,5.1 原子结构的近代概念,14,例: n = 2 = 0 m = 0 (2 0 0 ) 1 m = 0 (2 1 0 ) 1 (2 1 1 ) 、(2 1 1 ),例如：激发态氢原子的波函数的解：,5.1 原子结构的近代概念,15,n = 4 = 0 m = 0 1 m = 0、 1 2 m = 0、 1、 2 3 m = 0、 1、 2、 3,n = 3 = 0 m = 0 (3 0 0 ) 1 m = 0 (3 1 0 ) 1 (3 1 1 ) 、(3 1 1 ) 2 m = 0、 (3 2 0 ) 1
8、 (3 2 1 )(3 2 1 ) 2 (3 2 2 ) (3 2 2),当n 有确定值时就有 n2 个波函数的解，也可以说电子有n2 种运动形式。,5.1 原子结构的近代概念,16,光谱学上规定:,例:n = 4 = 0 m = 0 4s 轨道 1 m = 0、 1 4p 轨道 2 m = 0、 1、 2 4d 轨道 3 m = 0、 1、 2、 3 4f 轨道,5.1 原子结构的近代概念,17,例1：指出下列各组量子数中，哪些组是不可能存在的 哪些是合理的。 (1) 3 2 2 (2) 2 2 2 (3) 3 1 0 (4) 3 0 1 (5) 3 2 1 (6) 2 0 2 (7) 2
9、1 0 (8) 1 1 1,例2: 填空,2 0 0,2p,0 1,3 2,0 12,4f,0123,5 3,0123,4 2,3 1,0 12,0 1,5.1 原子结构的近代概念,18,2. 波函数(原子轨道)的角度分布(angular wave function)图 P206, (X, Y, Z),x = rsincos y = rsinsin z = r cos ,5.1 原子结构的近代概念,19, (r, , ) 波函数,R( r ) 径向波函数。以r 对R 作图叫原 子轨道的径向分布图。Y (, ) 角度波函数。以(, )对Y 作 图叫原子轨道的角度分布图。,5.1 原子结构的近代概
10、念,20,例如：基态氢原子的波函数的解：,角度分布函数 Y1S =,5.1 原子结构的近代概念,21,例： 氢原子1S 轨道的角度分布函数 Y1S =,原子轨道的角度分布图沿最大值轴线旋转一周为一空心状，球面上任意一点到原点的距离为这个方向上的Y 值。,5.1 原子结构的近代概念,22,2p 轨道波函数的解：,角度分布函数,YPZ,5.1 原子结构的近代概念,23,例：YPZ=,5.1 原子结构的近代概念,24,y,Z,+,PZ,+,Py,y,+,X,PX,25,d 轨道角度分布图:,5.1 原子结构的近代概念,26,5.1.2 电子云(electron cloud),1. 电子云与几率密度,
11、声波、无线电波、光波都可以用波函数的平方来表示波的强度。同理 2 也可以表示电子波的强度，电子波的强度应与电子在空间某位置上单位体积内出的几率大小成正比。电子在原子内各位置上出现的几率大小若用小黑点来表示，就叫做电子云。,电子云,几率密度=,2 几率密度,5.1 原子结构的近代概念,27,2. 电子云的角度分布图,5.1 原子结构的近代概念,28,3. 电子云的径向分布图P210,如果不考虑电子云的角度分布 , 电子云的径向分布 R2 可以代表2即可以表示几率密度。,5.1 原子结构的近代概念,29,在半径为 r ，厚度为 dr 球壳中电子出现的几率 = R2(r) 体积 = R2(r) 4r
12、 2 dr,dr,r,单位厚度(即一球面) 电子出现的几率 =,= 4r2 R2(r), 以 r 为横坐标, 以4r2 R2(r) 为纵坐标作图就有确切的物理意义: 反映电子出现几率的大小与离核远近的关系。,r,dr,5.1 原子结构的近代概念,30,单位厚度(即一球面) 电子出现的几率 =,= 4r2 R2(r), 以 r 为横坐标, 以4r2 R2(r) 为纵坐标作图就有确切的物理意义: 反映电子出现几率的大小与离核远近的关系。,r,dr,5.1 原子结构的近代概念,31,r,4r2 R2(r),1S,几点讨论：,l 相同，n 不同，可 认为电子分“层”。,n 相同，l 不同，可认为同属一
13、“亚层”。 但能量:3S 3P 3d。,峰值= ( n l ),32,5.2 多电子原子结构和周期系P230,根据光谱实验结果，可归纳三条规律：,5.2.1 多电子原子轨道的能级,l 相同，n 不同时, 由n 决定。1S 2S 3S 。,n 相同，l 不同时，由l决定。3S 3P 3d。,能级交错。4S 3d 、 5S 4d 、6S 4f Br2 Cl2 F2常温下: 固 液 气 气 熔点: 113.6 -7.3 -102.4 -223 0C,5.3 化学键和分子间相互作用力,91,分子间作用力( kJ.mol-1)分配 P231,分子 取向力 诱导力 色散力 总作用力 H2 0 0 0.17
14、 0.17 Ar 0 0 8.48 8.48 Xe 0 0 18.40 18.40 CO 0.003 0.008 8.79 8.79 HCl 3.34 1.1003 16.72 21.05 HBr 1.09 0.71 28.42 30.22 HI 0.58 0.295 60.47 61.36 NH3 13.28 1.55 14.72 29.55 H20 36.32 1.92 8.98 47.22,5.3 化学键和分子间相互作用力,92,2. 氢键, 是指氢原子与电负性较大的F、O、N 以共价 极性键相结合的同时，还能吸引F、O、N 的 孤对电子形成一种特殊的作用力叫氢键。,例：,F H O,H,H,注意：氢键有方向性和饱和性。,5.3 化学键和分子间相互作用力,93,5.3 化学键和分子间相互作用力,
