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1、第六章原子结构和分子结构第1页，共77页，编辑于2022年，星期三第六章第六章 原子结构和分子结构原子结构和分子结构第一节第一节 原子结构原子结构第二节第二节 分子结构分子结构第三节第三节 氢氢 键键第2页，共77页，编辑于2022年，星期三第一节第一节 原子结构原子结构 一、电子云和概率密度一、电子云和概率密度二、原子轨道和量子数二、原子轨道和量子数三、原子轨道的角度分布图三、原子轨道的角度分布图四、原子的电子构型四、原子的电子构型第3页，共77页，编辑于2022年，星期三 微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性 19241924年年法法国国物物理理学学家家德德布布罗罗意意(L.de Br
2、oglie)提提出出了了电电子子等等实实物物粒粒子子与与光光一一样样也也有有波波粒粒二二象象性性的的假假设设。既既具具有有粒粒子子性性又具有又具有波动性。波动性。一、电子云和概率密度一、电子云和概率密度第4页，共77页，编辑于2022年，星期三一、电子云和概率密度一、电子云和概率密度 波动性：波动性：1 1、电子在核外运动没有固定的运动轨迹电子在核外运动没有固定的运动轨迹。2 2、不能准确地预测某一时刻电子在核外空间出现在何、不能准确地预测某一时刻电子在核外空间出现在何处。处。3 3、用波函数模的平方、用波函数模的平方|2 2表示电子在空间某处单位表示电子在空间某处单位体积内出现的概率。体积内
3、出现的概率。|2 2称为称为概率密度概率密度(probability density)(probability density)。第5页，共77页，编辑于2022年，星期三一、电子云和概率密度一、电子云和概率密度 将空间各处的将空间各处的|2 2值的大小用疏密程度不同的小黑点值的大小用疏密程度不同的小黑点表示，表示，在单位体积内黑点数与在单位体积内黑点数与|2成正比的图形称为成正比的图形称为电子电子云云。小黑点密集的地方表示电子出现的概率密度大。小黑点密集的地方表示电子出现的概率密度大。第6页，共77页，编辑于2022年，星期三基态氢原子1s1s电电子云的界面图子云的界面图一、电子云和概率密度
4、一、电子云和概率密度 电子云是概率密度的形象化描述。电子云是概率密度的形象化描述。离核越离核越近近，电子云越密集，电，电子云越密集，电子出现的概率密度愈子出现的概率密度愈大大；离核愈离核愈远远，电子云愈稀疏，电，电子云愈稀疏，电子出现的概率密度愈子出现的概率密度愈小小。第7页，共77页，编辑于2022年，星期三二、原子轨道和量子数二、原子轨道和量子数 量子力学中用量子力学中用一套一套合理的三个量子数合理的三个量子数n、l、m确定一确定一个波函数个波函数n,l,m（原子轨道原子轨道），），与另一量子数与另一量子数 s 一同来描一同来描述特定述特定核外电子的运动状态核外电子的运动状态。主量子数主量
5、子数 n (轨道轨道)角角(动量动量)量子数量子数 l 磁量子数磁量子数 m 自旋自旋(角动量角动量)量子数量子数 s 第8页，共77页，编辑于2022年，星期三（一）主量子数（一）主量子数 n(principal quantum number)(principal quantum number)取值取值：任意非零正整数，即：任意非零正整数，即n1、2、3、n n意义意义：俗称俗称电子层电子层。n值越值越大大，电子出现概率最大的区域距核越，电子出现概率最大的区域距核越远远，能量越，能量越高高。当当 n 1、2、3、4时，时，光谱学符号光谱学符号 K、L、M、N。(2)决定电子决定电子能量能量的
6、主要因素。的主要因素。(1)反映了电子在核外空间出现概率最大的区域反映了电子在核外空间出现概率最大的区域离核的远近离核的远近；第9页，共77页，编辑于2022年，星期三（二）角量子数（二）角量子数（二）角量子数（二）角量子数 l l (orbital angular momentum quantum number)(orbital angular momentum quantum number)l取值取值：受：受n限制，限制，l0、1、2、3(n-1)正整正整数，共可取数，共可取n个值。个值。(1)决定原子轨道和电子云的形状；决定原子轨道和电子云的形状；n 值值 1 2 3 4 l 值值00，
7、10，1，20，1，2，3 l 意义意义:决定了同一电子层中不同的决定了同一电子层中不同的亚层亚层（能级能级）。）。l 值值 0 1 2 3 4 5亚层符号亚层符号 形状形状s球形球形pdfgh双球形双球形花瓣形花瓣形第10页，共77页，编辑于2022年，星期三（二）角量子数（二）角量子数 l l (orbital angular momentum quantum number)例例:n=2，l0的称的称2s电子亚层；电子亚层；n3，l1的称为的称为3p电子亚层电子亚层 Ens Enp End 双键双键 三键三键如如H2O分子中的键角为分子中的键角为10445，CO2分子中的键分子中的键角为角
8、为180一般键能越大，共价键强度越大。一般键能越大，共价键强度越大。第42页，共77页，编辑于2022年，星期三1、键的极性、键的极性非极性共价键非极性共价键:极性共价键极性共价键:三、三、共价键的类型和参数共价键的类型和参数 成键的正、负电荷重心不重合形成的共价键。成键的正、负电荷重心不重合形成的共价键。同种原子同种原子（电负性相同）形成的共价键。（电负性相同）形成的共价键。键的正、负电荷重心重合的共价键。键的正、负电荷重心重合的共价键。不同种的原子不同种的原子（电负性不同）形成的共价键（电负性不同）形成的共价键。例如例如H2、O2、N2等分子形成非极性共价键。等分子形成非极性共价键。例如例
9、如 HCl键，键，H2O分子的分子的OH键等。键等。(三三三三).).键的极性和分子的极性键的极性和分子的极性-+电负性：原子在分子中吸引电子能力的大小。（类似于非金属性）电负性：原子在分子中吸引电子能力的大小。（类似于非金属性）F Cl Br I，F O N C H电负性差值越大，极性越大电负性差值越大，极性越大HF HCl第43页，共77页，编辑于2022年，星期三非极性分子：正、负电荷重心非极性分子：正、负电荷重心重合重合的分子。的分子。极性分子：正、负电荷重心极性分子：正、负电荷重心不重合不重合的分子。的分子。非极性键组成的分子非极性键组成的分子:极性键极性键组成的分子组成的分子:三、
10、三、共价键的类型和参数共价键的类型和参数 多原子分子多原子分子非极性分子非极性分子 双原子分子：双原子分子：极性分子极性分子NH3、H2O2.2.分子的极性分子的极性分子的极性分子的极性:不对称不对称-极性分子极性分子对称对称-非极性分子非极性分子CH4、CO2、BF3H2、Cl2、S8 HCl、HF(分子构型分子构型)若若中心原子中心原子A的的化合价化合价=最外层电子数最外层电子数 非极性分子非极性分子对两种原子形成的分子对两种原子形成的分子ABn:第44页，共77页，编辑于2022年，星期三能否用价键理论说明能否用价键理论说明CH4分子中共价键的形成分子中共价键的形成。不能解释不能解释C原
11、子如何形成原子如何形成4个共价单键，夹角为个共价单键，夹角为109o o28的事实。的事实。CH4分子中分子中C原子的价层电子组态为原子的价层电子组态为2s22p2，有有2个单电子，个单电子，按价键理论，按价键理论，C原子只能形成原子只能形成2个共价键，个共价键，第45页，共77页，编辑于2022年，星期三四、杂化轨道理论四、杂化轨道理论（一）、杂化轨道理论的要点：（一）、杂化轨道理论的要点：杂化(hybridization)：形形成成分分子子时时，因因原原子子之之间间相相互互影影响响，同同一一原原子子内内参参加加成成键键的的能能量量相相近近的的不不同同类类型型的的n个个原原子子轨轨道道混混合
12、合重重组组，重重新新分分配配能能量量和和确确定定空空间间方方向向，产产生生n个个新的原子轨道。这一过程称为杂化。新的原子轨道。这一过程称为杂化。1.杂化形成的新原子轨道称为杂化轨道。杂化形成的新原子轨道称为杂化轨道。2.杂杂化化轨轨道道形形状状与与原原来来的的原原子子轨轨道道的的形形状状不不同同，杂杂化化轨轨道道的的角角度度分分布布更更集集中中于于一一个个方方向向，在在成成键键中中更更有有利利于于达达到到最最大大重重叠叠，因因而而杂杂化化轨轨道道比比原原来来轨道的成键能力强轨道的成键能力强,故原子常先杂化后成键故原子常先杂化后成键。第46页，共77页，编辑于2022年，星期三四、杂化轨道理论四
13、、杂化轨道理论（一）、杂化轨道理论的要点：（一）、杂化轨道理论的要点：s px 2个个sp杂化轨道杂化轨道2s2p杂化杂化sp2p能量相近的一个能量相近的一个s s轨道与一个轨道与一个p p轨道杂化轨道杂化第47页，共77页，编辑于2022年，星期三四、杂化轨道理论四、杂化轨道理论（一）、杂化轨道理论的要点：（一）、杂化轨道理论的要点：3.杂杂化化轨轨道道之之间间尽尽可可能能在在空空间间取取最最大大夹夹角角分分布布，形形成相互成相互排斥能最小排斥能最小的杂化轨道构型的杂化轨道构型 。常见的杂化类型有常见的杂化类型有s+p(sp、sp2、sp3)如如 2个个sp杂化轨道的夹角为杂化轨道的夹角为1
14、80。第48页，共77页，编辑于2022年，星期三4.4.等性杂化与不等性杂化：等性杂化与不等性杂化：按杂化后所形成的几个杂按杂化后所形成的几个杂化轨道所含化轨道所含成分比例及能量成分比例及能量是否相同是否相同等性杂化等性杂化(equivalent hybridization):完全相同完全相同参与杂化的轨道均含有参与杂化的轨道均含有单电子单电子或均是空轨道。或均是空轨道。例如例如CH4是是sp3等性杂化等性杂化。有有孤对电子孤对电子占据的原子轨道参与杂化。占据的原子轨道参与杂化。例如例如NH3、H2O是是sp3不等性杂化不等性杂化。不等性杂化不等性杂化(nonequivalent hybri
15、dization)不完全相同不完全相同四、杂化轨道理论四、杂化轨道理论（一）、杂化轨道理论的要点：（一）、杂化轨道理论的要点：第49页，共77页，编辑于2022年，星期三（二）、杂化轨道理论的应用1.1.sp杂化杂化杂化杂化:2个个sp杂化轨道间的夹角为杂化轨道间的夹角为180，当两个，当两个sp杂化轨道与杂化轨道与其它原子成键后，就形成其它原子成键后，就形成直线形直线形分子。分子。每个每个sp杂化轨道均含杂化轨道均含1/2 s和和1/2 p轨道成分。轨道成分。+1个个ns1个个npsp杂化杂化2个个sp杂化轨道杂化轨道第50页，共77页，编辑于2022年，星期三（二）、杂化轨道理论的应用sp
16、 sp 杂化轨道形成示意图杂化轨道形成示意图杂化轨道形成示意图杂化轨道形成示意图 :第51页，共77页，编辑于2022年，星期三（二）、杂化轨道理论的应用Be:sp杂化实例杂化实例:BeClCl（直线形）（直线形）2s2p激发激发2s2psp杂化杂化sp2p试说明试说明BeCl2分子的空间构型。分子的空间构型。第52页，共77页，编辑于2022年，星期三（二）、杂化轨道理论的应用2.spsp2 2杂化杂化:3个个sp2杂化轨道间的夹角为杂化轨道间的夹角为120，分别与其他，分别与其他3个相同原子成键后，就形成个相同原子成键后，就形成正三角形正三角形分子。分子。每个每个sp2杂化轨道均含杂化轨道
17、均含1/3 s和和2/3 p 轨道成分。轨道成分。+1个个ns2个个np3个个sp2杂化轨道杂化轨道sp2杂化杂化第53页，共77页，编辑于2022年，星期三3个个sp2杂化轨道杂化轨道:（二）、杂化轨道理论的应用第54页，共77页，编辑于2022年，星期三（二）、杂化轨道理论的应用BF3:BFFF(平面三角形平面三角形)B:2s2p激发激发2s2psp2杂化杂化sp22p第55页，共77页，编辑于2022年，星期三（二）、杂化轨道理论的应用3.3.spsp3 3等性杂化等性杂化等性杂化等性杂化:4个个sp3杂化轨道间的夹角为杂化轨道间的夹角为109 28，当，当4个个sp3杂化轨道与杂化轨道
18、与4个相同原子的轨道重叠成键后，就形个相同原子的轨道重叠成键后，就形成成正四面体正四面体构型的分子。构型的分子。+1个个ns3个个np4个个sp3杂化轨道杂化轨道sp3杂化杂化第56页，共77页，编辑于2022年，星期三四个四个四个四个spsp3 3 3 3杂化轨道杂化轨道杂化轨道杂化轨道（二）、杂化轨道理论的应用第57页，共77页，编辑于2022年，星期三spsp3 3杂化实例：杂化实例：杂化实例：杂化实例：试说明试说明试说明试说明CHCH4 4分子的空间构型。分子的空间构型。分子的空间构型。分子的空间构型。（二）、杂化轨道理论的应用C：2s2p激发激发2s2psp3杂化杂化sp3第58页，
19、共77页，编辑于2022年，星期三（二）、杂化轨道理论的应用 NH3:N:4、不等性不等性不等性不等性spsp3 3杂化杂化实例实例实例实例1 1:NHHHHNH=10718sp3杂化杂化不等性不等性三角锥形2s2psp3第59页，共77页，编辑于2022年，星期三H2O:O:4、不等性不等性不等性不等性spsp3 3杂化杂化杂化杂化实实实实例例例例2 2:OHHHOH=10445 V 字形字形sp3杂化杂化不等性不等性（二）、杂化轨道理论的应用2s2psp3不等性不等性第60页，共77页，编辑于2022年，星期三 杂化轨道理论（总结）杂化轨道理论（总结）杂化类型杂化类型spsp2sp3(等性
20、等性)sp3(不等性不等性)参与杂化的参与杂化的原子轨道原子轨道1个个s+1个个p1个个s+2个个p1个个s+3个个p1个个s+3个个p杂化轨道数杂化轨道数2个个sp3个个sp24个个sp34个个sp3(含含1或或2对孤对电子对孤对电子)杂化轨道杂化轨道夹角夹角180120109289010928分子构型分子构型直线形直线形平面三角形平面三角形正四面体正四面体三角锥，三角锥，V形形实例实例BeCl2,C2H2BF3,C2H4CH4,CCl4NH3，H2O杂化轨道数目杂化轨道数目=键数键数+孤对电子对数孤对电子对数第61页，共77页，编辑于2022年，星期三练习练习练习练习1 1：试用杂化轨道理
21、论解释试用杂化轨道理论解释C2H4(乙烯乙烯)是是平面形平面形。C激发激发sp2杂化杂化解：解：C CHHHH2s2psp22p四、四、杂化轨道理论杂化轨道理论sp2sp2sp2-sp21sp2-s4p-p1 一般可认为，扣除生成一般可认为，扣除生成键的键的p电子外，最外层其余有电子占电子外，最外层其余有电子占据的轨道进行杂化，杂化后轨道生成的是据的轨道进行杂化，杂化后轨道生成的是键。键。第62页，共77页，编辑于2022年，星期三练习练习练习练习2 2：试用杂化轨道理论解释试用杂化轨道理论解释C2H2(乙炔乙炔)是是直线形直线形。C:激发激发sp杂化杂化解：解：HC CH2s2psp2p四、
22、四、杂化轨道理论杂化轨道理论spspsp-sp1sp-s2p-p2第63页，共77页，编辑于2022年，星期三练习练习3：指出分子中各指出分子中各C原子是什么杂化类型？原子是什么杂化类型？CH3CH2OH、CH3CH=CHCOHO四、四、杂化轨道理论杂化轨道理论sp3sp3sp3sp2sp2sp2CH3C CHsp3spsp第64页，共77页，编辑于2022年，星期三分子间作用力(intermolecular force)定义定义 分子之间弱的相互作用力。分子之间弱的相互作用力。包包括括 范德华力范德华力(van der Waals force)和氢键和氢键(hydrogen bond)等。等
23、。第三节第三节 氢氢 键键氢键的形成、本质、特点、类型、对物质性质的影响及在医学上的意义第65页，共77页，编辑于2022年，星期三一、氢键的形成和本质形形成成：当当H原原子子与与电电负负性性高高、半半径径小小的的X原原子子以以极极性性共共价价键键结结合合后后，由由于于X原原子子吸吸引引电电子子能能力力大大，使使H原原子子显显示示较较强强正正电电荷荷场场，在在与与另另一一个个电电负负性性较较强强且且有有孤孤对对电电子子的的Y原原子子接接触触时时，又能产生静电吸引力，该吸引力称为氢键，用又能产生静电吸引力，该吸引力称为氢键，用“”表示。表示。XH YX、Y 可以相同也可以不同，如可以相同也可以不
24、同，如F、O、N等原子。等原子。如如HF分子间的氢键分子间的氢键FH F H 又如又如NH3和水分子间的氢键和水分子间的氢键第三节第三节 氢氢 键键第66页，共77页，编辑于2022年，星期三一、氢键的形成和本质本质本质：静电作用静电作用FH F OH O OH N NH N X、Y 原子的电负性愈原子的电负性愈大大、半、半径愈径愈小小，形成的氢键愈，形成的氢键愈强强。常见氢键强弱顺序：常见氢键强弱顺序：第三节第三节 氢氢 键键第67页，共77页，编辑于2022年，星期三二、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
25、键：分子内部形成的氢键。分子内部形成的氢键。第三节第三节 氢氢 键键 类型类型：第68页，共77页，编辑于2022年，星期三 特点特点特点特点：3.分子间分子间氢键具有氢键具有方向性方向性，形成氢键的，形成氢键的3个原子尽可能个原子尽可能在一条直线上，在一条直线上，X与与Y之间距离最远斥力较小，氢键稳之间距离最远斥力较小，氢键稳定。定。1.氢键的氢键的键能小键能小，比化学键弱得多，但比范德华力比化学键弱得多，但比范德华力稍强。稍强。（不是不是化学键）化学键）2.氢键具有氢键具有饱和性饱和性，当，当H原子已经形成原子已经形成1个氢键后，不能再个氢键后，不能再与第三个强电负性原子形成第与第三个强电
26、负性原子形成第2个氢键。个氢键。分子内氢键就不具有方向性。分子内氢键就不具有方向性。XH Y第三节第三节 氢氢 键键二、氢键的特点和类型二、氢键的特点和类型第69页，共77页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 氢氢 键键三、氢键对物质性质的影响及其在生命科学中的意义三、氢键对物质性质的影响及其在生命科学中的意义(一一).).对熔、沸点的影响对熔、沸点的影响第70页，共77页，编辑于2022年，星期三三、氢键对物质性质的影响及其在生命科学中的意义分子分子内内氢键氢键(一一).).对熔、沸点的影响对熔、沸点的影响分子分子间间氢键氢键熔、沸点熔、沸点高高低低例子例子间、对间、对硝基苯酚硝基苯酚熔
27、点为熔点为96和和114邻邻硝基苯酚硝基苯酚熔点为熔点为45第三节第三节 氢氢 键键第71页，共77页，编辑于2022年，星期三(二二).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 溶质易形成溶质易形成分子内氢键分子内氢键：在水中的溶解度在水中的溶解度小小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对硝基苯酚酚小？小？第三节第三节 氢氢 键键三、氢键对物质性质的影响及其在生命科学中的意义三、氢键对物质性质的影响及其在生命科学中的意义第7
28、2页，共77页，编辑于2022年，星期三(三三).).氢键在生命科学中的意义氢键在生命科学中的意义v 氢键是稳定生物高分子的高级结构的一个重氢键是稳定生物高分子的高级结构的一个重要因素。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v 一旦氢键被破坏，分子的空间结构会发生变化，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。生理活性也就随之丧失。第三节第三节 氢氢 键键三、氢键对物质性质的影响及其在生命科学中的意义三、氢键对物质性质的影响及其在生命科学中的意义第73页，共77页，编辑于2022年，星期三蛋白质氢键示意图蛋白质氢键示意图蛋白质氢键示意
29、图蛋白质氢键示意图 第三节第三节 氢氢 键键第74页，共77页，编辑于2022年，星期三DNADNA双螺旋结构和碱基配对形成氢键示意图双螺旋结构和碱基配对形成氢键示意图第三节第三节 氢氢 键键第75页，共77页，编辑于2022年，星期三练习：练习：解：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。判断：判断：1.有有H 2.有有F、O、N第三节第三节 氢氢 键键第76页，共77页，编辑于2022年，星期三练习：练习：解：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键键可形成氢键，但每个可形成氢键，但每个HOCH2CH2OH分子可形成两倍分子可形成两倍于于CH3CH2CH2OH的氢键，所以前者沸点高。的氢键，所以前者沸点高。第三节第三节 氢氢 键键第77页，共77页，编辑于2022年，星期三