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1、4.1 原子结构原子结构4.2 分子结构分子结构4.3 分子间作用力分子间作用力第四章第四章 原子结构和分子结构原子结构和分子结构Atomic Structure andMolecular Structure原子的组成：原子的组成：原子原子质子质子(单位正电荷）单位正电荷）中子中子(不带电）不带电）电子电子(单位负电荷）单位负电荷）原子核原子核（原子序数）核电荷数（原子序数）核电荷数（质子数（质子数+中子数）质量数中子数）质量数原子组成表示法：原子组成表示法：一、原子核外电子运动的特点一、原子核外电子运动的特点 氢原子光谱氢原子光谱 第一节第一节 原子结构原子结构一、原子核外电子运动的特点一、
2、原子核外电子运动的特点 Bohr理论理论 p电子只能在固定的轨道上运动电子只能在固定的轨道上运动p一定轨道上运动的电子能量一定一定轨道上运动的电子能量一定 p电子尽可能处于能量最低的轨道上电子尽可能处于能量最低的轨道上 基态基态 吸收能量可跃迁到能量高的轨道上吸收能量可跃迁到能量高的轨道上激发态激发态 从从激激发发态态跃跃迁迁回回能能量量较较低低的的轨轨道道，能能量量差差以以电磁波的形式辐射出来电磁波的形式辐射出来 谱线谱线第一节第一节 原子结构原子结构一、原子核外电子运动的特点一、原子核外电子运动的特点 微粒具有波粒二象性微粒具有波粒二象性 1923年年法法国国物物理理学学家家L.de Br
3、oglie提提出出了了大大胆胆的的假假设设，认认为为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粒二象性波粒二象性 第一节第一节 原子结构原子结构 h为为Planck常量常量为粒子波波长为粒子波波长 p为粒子的动量为粒子的动量 v为粒子运动的速度为粒子运动的速度 一、原子核外电子运动的特点一、原子核外电子运动的特点 微粒具有波粒二象性微粒具有波粒二象性 第一节第一节 原子结构原子结构电子衍射实验电子衍射实验 一、原子核外电子运动的特点一、原子核外电子运动的特点 微粒具有波粒二象性微粒具有波粒二象性没有固定的运动轨道没有固定的运动轨道符符合合统统计计规规律律，其其运运动动状状态态可可用
4、用统统计计学学的的方方法加以描述法加以描述量子力学量子力学 具有具有量子化特征量子化特征第一节第一节 原子结构原子结构二、核外电子运动运动状态的描述二、核外电子运动运动状态的描述 Schrdinger方程方程 1926年年奥奥地地利利物物理理学学家家E.Schrdinger从从微微观观粒粒子子的的波波粒粒二二象象性性出出发发，提提出出了了用用量量子子力力学方法描述微观粒子运动的波动方程学方法描述微观粒子运动的波动方程第一节第一节 原子结构原子结构二、核外电子运动运动状态的描述二、核外电子运动运动状态的描述 波波函函数数和和原原子子轨轨道道：描描述述的的是是电电子子在在原原子子核核外外空空间间的
5、的运运动动状状态态（可可理理解解为为在在核核外外空空间间找找到电子的可能区域）。到电子的可能区域）。习惯上把习惯上把称为称为原子轨道（原子轨道（atomic orbitals）第一节第一节 原子结构原子结构电子云：电子云：用小黑点的疏密程度来形象地描用小黑点的疏密程度来形象地描述电子在原子核外空间各点出现的几率密度述电子在原子核外空间各点出现的几率密度的大小的图象的大小的图象电子云界面图：电子云界面图：1s电子云等密度面和界面图电子云等密度面和界面图 电子在某界面以内出现的几率很大电子在某界面以内出现的几率很大(90%(90%以上以上)时，该界面图形称为电子云界面图。时，该界面图形称为电子云界
6、面图。1s电子云的界面图电子云的界面图 s、p、d电子云的形状电子云的形状 三、四个量子数及其物理意义三、四个量子数及其物理意义 为为了了得得出出Schrdinger方方程程合合理理的的解解，就就必必须须引引进进一一些些符符合合特特定定条条件件的的经经限限定定的的参参数数，在在量量子子力力学学中中称称这这种种引引入入方方程程求求解解的的特特定定参参数数为为量量子数（子数（quantum number）第一节第一节 原子结构原子结构主量子数（主量子数（principal quantum number）以以n来表示，它反映了电子在核外空间出现来表示，它反映了电子在核外空间出现概率最大的区域离核的远
7、近，决定电子层概率最大的区域离核的远近，决定电子层数，是决定电子能量的主要因素数，是决定电子能量的主要因素可取的数值可取的数值主量子数主量子数n：1、2、3、4等正整数，等正整数，电子层顺序：电子层顺序：1、2、3、4 电子层符号：电子层符号：K、L、M、N、O、P、Q（1 1）主量子数）主量子数n物理意义：物理意义：n值愈大，电子活动的主要区城离核愈远，值愈大，电子活动的主要区城离核愈远，能量也就愈高。能量也就愈高。是决定电子离核远近和能是决定电子离核远近和能量高低的主要因素。单电子原子中电子的量高低的主要因素。单电子原子中电子的能量完全由主量子数决定。能量完全由主量子数决定。（1 1）主量
8、子数）主量子数n（2 2）角量子数）角量子数 l n1234l0010120123符号符号1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f可取的数值：可取的数值：0 n-1的整数的整数(n个取值个取值)角量子数角量子数(azumuthal quantum number)也称为副量子数，以也称为副量子数，以l来表示。在多电子原来表示。在多电子原子中，角量子数是决定电子能量的次要因素。子中，角量子数是决定电子能量的次要因素。（2 2）角量子数）角量子数 l 物理意义：物理意义：u l值决定轨道或电子云的值决定轨道或电子云的形状形状；u l值相同的各轨道，统称为一个值相同的各轨道，统称为一个亚层亚层。s电子
9、云电子云 p电子云电子云（3 3）磁量子数）磁量子数m 磁量子数磁量子数(magnetic quantum number)(magnetic quantum number)，以，以m表示。表示。可取的数值：可取的数值：0、1、2l等整数，磁量子等整数，磁量子数有数有(2l1)个取值，意味着该形状的轨道有个取值，意味着该形状的轨道有（2l1）个。个。物理意义：物理意义：决定原子轨道在空间的取向。决定原子轨道在空间的取向。（3 3）磁量子数）磁量子数m s、p、d 电子云在空间的分布电子云在空间的分布 主主量量子子数数角角量量子子数数亚亚层层符符号号磁量子数磁量子数轨道轨道空间空间取向取向数数每层
10、每层中中轨轨道数道数n2101s0112012s2p0-1、0、+113430123s3p3d0-1、0、+1-2、-1、0、+1、+21359每层中原子轨道数每层中原子轨道数（4 4）自旋量子数）自旋量子数ms 自旋量子数自旋量子数(spin quantum number)，以表示。，以表示。可取的数值：可取的数值：+1/2、-1/2。常用常用、符号符号表示电子自旋的两种取向。表示电子自旋的两种取向。物理意义：物理意义：电子自旋方向。电子自旋方向。四个量子数四个量子数n、l、m、ms 确确定后，该电子的定后，该电子的运动状态就完全确定了。也就是说原子中每运动状态就完全确定了。也就是说原子中每
11、个电子的运动状态可以用个电子的运动状态可以用n，l，m，ms四个量四个量子数来描述子数来描述例例 1、下下 列列 各各 组组 量量 子子 数数 中中，不不 合合 理理 的的 是是 。A.（2，1，0，+1/2）B.（3，3，2，-1/2）C.（1，0，0，+1/2）D.（4，3，1，-1/2）例例2、用四个量子数表示用四个量子数表示3s1电子的运动状态电子的运动状态（3，0，0，+1/2）or（3，0，0，-1/2）四、核外电子的排布规律四、核外电子的排布规律2.能量最低原理能量最低原理原子处于原子处于基态基态时，核外电子的排布总是尽可时，核外电子的排布总是尽可能先分布在能量最低的轨道上以使原
12、子体系能先分布在能量最低的轨道上以使原子体系的总能量最低。的总能量最低。1.鲍里不相容原理鲍里不相容原理在同一原子里，不能有四个量子数完全相在同一原子里，不能有四个量子数完全相同的电子。同的电子。在一个原子中，不存在运动状态在一个原子中，不存在运动状态全同的电子。全同的电子。在每一个原子轨道中最多只能容纳两个自在每一个原子轨道中最多只能容纳两个自旋相反的电子。每层最多容纳旋相反的电子。每层最多容纳2n2个电子。个电子。基态多电子原子轨道的近似能级基态多电子原子轨道的近似能级n+0.7l规则规则电子排布顺序电子排布顺序 例、例、用用s，p，d，f 等符号写出下列各元素原子等符号写出下列各元素原子
13、基态的电子层结构。基态的电子层结构。16S 12Mg 26Fe 30Zn解：解：16S：1s22s22p63s23p4 12Mg：1s22s22p63s2 26Fe：1s22s22p63s23p63d64s2 30Zn：1s22s22p63s23p63d104s2 3.洪特规则洪特规则在简并轨道（在简并轨道（原子中能级相同的轨道）原子中能级相同的轨道）上电上电子的排布，电子尽可能分占不同的简并轨道，子的排布，电子尽可能分占不同的简并轨道，且自旋平行（方向相同）。且自旋平行（方向相同）。例例6C、7N在简并轨道上的电子排布处于全充满在简并轨道上的电子排布处于全充满(p6、d10、f14)、半充满
14、半充满(p3、d5、f 7)或全空的状态或全空的状态时，原子具有较低的能量和较大的稳定性。时，原子具有较低的能量和较大的稳定性。例例24Cr、29Cu、42Mo、47Ag例、例、下下列列各各元元素素基基态态原原子子的的电电子子层层结结构构的的写写法法各各违违背背了了什什么么原原理理？写写出出正正确确的的电电子子层结构式。层结构式。（1）5B：1s22s3（2）7N：1s22s22px22py1 （3）4Be：1s22p2五、元素的电负性五、元素的电负性 元素的原子在分子中吸引电子的能力叫元元素的原子在分子中吸引电子的能力叫元素的电负性。素的电负性。元素的电负性愈大，表示该元素原子吸引电元素的电
15、负性愈大，表示该元素原子吸引电子的能力愈大，生成阴离子的倾向愈大。反之，子的能力愈大，生成阴离子的倾向愈大。反之，吸引电子的能力愈小，生成阳离子的倾向愈大。吸引电子的能力愈小，生成阳离子的倾向愈大。同一周期内从左到右，元素的电负性逐渐同一周期内从左到右，元素的电负性逐渐增大，同一主族内从上至下电负性减小。增大，同一主族内从上至下电负性减小。规定标准：规定标准：氟氟4.0（锂（锂1.0）第二节第二节 分分子结构子结构一、化学键的概念一、化学键的概念分子或晶体中相邻原子间强烈的相互作用分子或晶体中相邻原子间强烈的相互作用力称为力称为化学键化学键。以阳离子和阴离子之间静电引力形成的化以阳离子和阴离子
16、之间静电引力形成的化学键叫学键叫离子键离子键。分子中原子间通过共用电子对形成的化学分子中原子间通过共用电子对形成的化学键为键为共价键共价键。由一个原子单独提供一对电子与另一个原由一个原子单独提供一对电子与另一个原子共用所形成的共价键，叫配位共价键子共用所形成的共价键，叫配位共价键，简称简称配位键配位键。（一）价键理论要点（一）价键理论要点 具有具有自旋相反的未成对电子自旋相反的未成对电子的两个原子的两个原子相互接近，可以形成稳定的共价键。相互接近，可以形成稳定的共价键。成键电子的电子云重叠得越多，核间电成键电子的电子云重叠得越多，核间电子云密度越大，形成的共价键越牢固。在子云密度越大，形成的共
17、价键越牢固。在形成共价键时，电子云总是尽可能地达到形成共价键时，电子云总是尽可能地达到最大程度的重叠最大程度的重叠。共价键的饱和性共价键的饱和性（受自旋相反限制）（受自旋相反限制）共价键的方向性共价键的方向性（受最大重叠原理限制（受最大重叠原理限制）-+-+-+共价键的方向示意图共价键的方向示意图（二）共价键的特征（二）共价键的特征（三）共价键的类型（三）共价键的类型键键 原子轨道以原子轨道以“头碰头头碰头”方式重叠所形成的共方式重叠所形成的共价键价键特点特点 原子轨道及其重叠部分、成键电子云绕键轴（两原子轨道及其重叠部分、成键电子云绕键轴（两核间联线）呈圆柱形对称核间联线）呈圆柱形对称 键电
18、子云界面图键电子云界面图（三）共价键的类型（三）共价键的类型N2分子形成示意图分子形成示意图 键键 原子轨道以原子轨道以“肩并肩肩并肩”方式重叠所形成的共方式重叠所形成的共价键价键特点特点 重叠部分、成键电子云对通过键轴的一个重叠部分、成键电子云对通过键轴的一个平面呈平面呈镜面对称镜面对称 键电子云界面图键电子云界面图 键以键以“头碰头头碰头”式成式成键键重叠程度大重叠程度大键较牢固键较牢固沿键轴呈圆柱形对称沿键轴呈圆柱形对称自由旋转自由旋转单独存在单独存在 键以键以“肩并肩肩并肩”式成键式成键不能旋转不能旋转重叠程度小重叠程度小键易断开键易断开在通过键轴的平面上下对称在通过键轴的平面上下对称
19、只能与只能与 键共存键共存 键和键和 键的比较键的比较（四）键的极性（四）键的极性非极性共价键非极性共价键 成键电子云无偏向、正负电成键电子云无偏向、正负电荷重心重合的共价键。荷重心重合的共价键。极性共价键极性共价键 成键电子云有偏向、正负电成键电子云有偏向、正负电荷重心不重合的共价键。荷重心不重合的共价键。成键原子间的电负性差值越大，键的极性成键原子间的电负性差值越大，键的极性就越大。就越大。离子键可以看成是极性键的极限。离子键可以看成是极性键的极限。（五）分子的极性（五）分子的极性定义定义 以分子中正负电荷重心是否重合为依据。以分子中正负电荷重心是否重合为依据。重合重合非极性分子非极性分子
20、不重合不重合极性分子极性分子如何确定分子的极性如何确定分子的极性 a、单质为非极性分子单质为非极性分子 b、双原子化合物为极性分子双原子化合物为极性分子 c、多原子分子看分子构型多原子分子看分子构型 在成键过程中，由于原子间的相互影响，在成键过程中，由于原子间的相互影响，同一原子中参加成键的几个能量相近的原子同一原子中参加成键的几个能量相近的原子轨道可以进行混合，重新分配能量和空间方轨道可以进行混合，重新分配能量和空间方向，组成数目相等的新的原子轨道。向，组成数目相等的新的原子轨道。杂化轨道之间互相排斥，力图在空间取得杂化轨道之间互相排斥，力图在空间取得最大的键角，使体系能量降低。最大的键角，
21、使体系能量降低。+-+-+-杂化轨道理论基本要点杂化轨道理论基本要点杂化轨道的基本类型杂化轨道的基本类型 按杂化后轨道的能量是否相同分：按杂化后轨道的能量是否相同分：等性杂化轨道等性杂化轨道 不等性杂化轨道不等性杂化轨道按参加杂化的轨道的类型分：按参加杂化的轨道的类型分：sp型型 dsp型型同一层上同一层上1个个s轨道和轨道和l个个p轨道间进行杂化，叫轨道间进行杂化，叫做做sp杂化。其杂化所形成的轨道，叫做杂化。其杂化所形成的轨道，叫做sp杂杂化轨道。化轨道。（直线型）（直线型）sp杂化杂化激发激发杂化杂化+-+-+-BeClCl+-BeCl2的形成过程的形成过程sp2杂化杂化 同一层上同一层
22、上1个个s轨道和轨道和2个个p轨道间的杂化，叫做轨道间的杂化，叫做sp2杂化，其杂化所生成的杂化轨道，叫做杂化，其杂化所生成的杂化轨道，叫做sp2杂化轨道。杂化轨道。（三角形）（三角形）激发激发杂化杂化+-+-BFF+-+-+-+-FB BFFFBF3的形成过程的形成过程sp3杂化杂化 同一层上同一层上1个个s轨道和轨道和3个个p轨道间的杂化，叫做轨道间的杂化，叫做sp3杂化。其杂化所生成的杂化轨道，叫做杂化。其杂化所生成的杂化轨道，叫做sp3杂化轨道。杂化轨道。（四面体型）（四面体型）激发激发杂化杂化CHHHH109.5CH4分子形成分子形成不等性的不等性的sp3杂化杂化 杂化以后的几个杂化
23、轨道的能量不完全相等。杂化以后的几个杂化轨道的能量不完全相等。杂化杂化O OH104.8HH2O呈呈V形结构形结构杂化杂化NH106.8HHNH3分子的空间构型分子的空间构型杂化轨道类型杂化轨道类型键角键角分子空分子空间构型间构型实例实例等性杂等性杂化化sp杂化杂化180直线型直线型BeCl2、HgCl2sp2杂化杂化120平面正平面正 BF3、BCl3sp3杂化杂化109.5正四面体正四面体 CH4、CCl4sp2不等不等性杂化性杂化一孤对电子一孤对电子V型型SnCl2、PbCl2sp3不等不等性杂化性杂化一孤对电子一孤对电子三角锥三角锥NH3、SbCl3两孤对电子两孤对电子V型型H2O、H
24、2S等性杂化后与不同原子成键时，键角会变化。等性杂化后与不同原子成键时，键角会变化。杂化轨道类型与分子空间构型的关系小结杂化轨道类型与分子空间构型的关系小结取向力取向力永久偶极、取向、取向力永久偶极、取向、取向力取向力的本质是取向力的本质是静电引力，静电引力，分子的分子的极性极性(偶极偶极矩矩)愈大，取向力愈大；愈大，取向力愈大；温度温度愈高，取向力愈愈高，取向力愈小；分子间小；分子间距离距离变大，取向力迅速递减。变大，取向力迅速递减。取向力的产生过程取向力的产生过程 +-+-+-+-诱导力诱导力极化、诱导偶极、诱导力极化、诱导偶极、诱导力极性分子的极性分子的偶极矩偶极矩愈大，非极性分子的愈大
25、，非极性分子的变形性变形性（极化度）愈大，诱导力愈强。（极化度）愈大，诱导力愈强。极性分子与极性分子之间也存在诱导力。极性分子与极性分子之间也存在诱导力。诱导力的产生过程诱导力的产生过程 +-+-+-色散力色散力+-+-+-+色散力产生过程色散力产生过程 瞬间偶极、色散力瞬间偶极、色散力相对分子质量愈大，变形性愈大，色散力愈强。相对分子质量愈大，变形性愈大，色散力愈强。色散力存在于任何分子之间色散力存在于任何分子之间。非极性分子之间非极性分子之间 色散力；色散力；极性、非极性分子间极性、非极性分子间 色散力、诱导力；色散力、诱导力；极性分子之间极性分子之间 色散力、诱导力和取向力色散力、诱导力
26、和取向力范德华力的特点范德华力的特点a、范范德德华华力力是是存存在在于于分分子子间间的的一一种种弱弱的的静静电电引力。引力。b、范德华力的作用范围只有几个纳米范德华力的作用范围只有几个纳米(nm)。c、范范德德华华力力的的能能量量比比化化学学键键的的键键能能小小一一二二个个数量级。数量级。d、范德华力范德华力没有饱和性和方向性。没有饱和性和方向性。e、范德华力范德华力中，色散为是主要的，诱导力是中，色散为是主要的，诱导力是次要的，取向力只是在较大的极性分子间才占次要的，取向力只是在较大的极性分子间才占一定的比例。一定的比例。范德华力范德华力对物质性质的影响对物质性质的影响对沸点、熔点的影响对沸
27、点、熔点的影响对溶解度的影响对溶解度的影响惰性惰性气体气体HeNeArKrXe原子半原子半径径/pm93131174189209溶解度溶解度/mlL-113.814.737.973110卤素卤素F2Cl2Br2I2熔点熔点83.26239.16331.16457.66沸点沸点50.16170.76265.36386.76氢键氢键 氢原子和电负性大的原子以共价键结合后，和氢原子和电负性大的原子以共价键结合后，和另一个键上电负性大的原子相互吸引，产生的另一个键上电负性大的原子相互吸引，产生的比较强烈的吸引力。以比较强烈的吸引力。以XHY表示。表示。X和和Y可以相同，也可以不同；氢键可在分子之间可以
28、相同，也可以不同；氢键可在分子之间或分子之内形成。或分子之内形成。不同分子间氢键不同分子间氢键相同分子间的氢键相同分子间的氢键分子内的氢键分子内的氢键 氢键的本质氢键的本质属于静电吸引作用。属于静电吸引作用。氢键的饱和性和方向性氢键的饱和性和方向性 饱和性饱和性 XH只能和一个只能和一个Y原子结合（空间位阻作用）原子结合（空间位阻作用）；方向性方向性 XH和和Y应尽可能在同一直线上。（当应尽可能在同一直线上。（当XHY在同一直线上时，带负电的在同一直线上时，带负电的X和和Y相距最远，相距最远，斥力最小）斥力最小）氢键形成条件氢键形成条件 分子中必须有一个与电负性很强的元素形分子中必须有一个与电
29、负性很强的元素形成强极性键的氢原子。成强极性键的氢原子。分子中必须有带孤对电子、电负性大、原分子中必须有带孤对电子、电负性大、原子半径小的元素。子半径小的元素。氢键对物质性质的影响氢键对物质性质的影响 对熔点和沸点的影响对熔点和沸点的影响 对溶解度的影响对溶解度的影响溶质分子和溶剂分子之间能够形成氢键，则溶质的溶溶质分子和溶剂分子之间能够形成氢键，则溶质的溶解度显著增大。解度显著增大。溶质分子形成分子内氢键，在极性溶剂中，它的溶解溶质分子形成分子内氢键，在极性溶剂中，它的溶解度则减小；在非极性溶剂中，它的溶解度则增大。度则减小；在非极性溶剂中，它的溶解度则增大。分子间氢键的形成可使物质的熔点和沸点显著升高。分子间氢键的形成可使物质的熔点和沸点显著升高。分子内氢键的形成，常使物质的熔点和沸点降低分子内氢键的形成，常使物质的熔点和沸点降低 。