结构化学结课讲义
结构化学课件第四章第一节
分子结构模型
80%
原子模型
原子是化学元素的最小单位，由 原子核和绕核运动的电子构成。
100%
分子模型
分子由两个或更多原子通过化学 键连接而成，是物质的基本单位 。
80%
空间构型
分子中原子在空间的排列方式， 包括线性、平面、立体等构型。
化学键类型及特点
01
02
03
离子键
由正负离子间的静电引力 形成，具有高熔点、硬而 脆等特点。
波尔模型
电子只能在一些特定的轨道上运动，在这些轨道上 运动的电子既不吸收能量，也不放出能量。
原子核外电子排布
电子层
核外电子经常出现的区域称电 子层。电子层可用n（n=1、2、 3…）表示，n=1表明第一层电 子层（K层），n=2表明第二电 子层（L层），依次n=3、4、5 时表明第三（M层）、第四（N 层）、第五（O层）。
04
配合物结构与性质
配合物组成和命名
配合物组成
配合物由中心原子（或离子）和 配体组成，中心原子通常是金属 元素，配体可以是无机或有机分 子或离子。
配合物命名
配合物的命名遵循一定的规则， 包括中心原子、配体和配位数的 标识，以及配合物类型的区分。
配合物空间构型和异构现象
配合物空间构型
配合物的空间构型取决于中心原子和 配体的排列方式，常见的空间构型有 直线型、平面三角形、四面体型等。
金属晶体
由金属阳离子和自由电子通过 金属键结合形成的晶体，具有 良好的导电性、导热性和延展 性。
晶体中粒子间作用力
离子键
正负离子之间的静电吸引力，作用力强，无方向 性和饱和性。
分子间作用力
分子间的相互作用力，包括范德华力和氢键等， 作用力较弱。
《结构化学》课件
contents
目录
• 结构化学简介 • 原子结构与性质 • 分子的电子结构与性质 • 晶体结构与性质 • 结构化学实验结构化学的定义
总结词
结构化学是一门研究物质结构与 性质之间关系的科学。
详细描述
结构化学主要研究原子的排列方 式、电子分布和分子间的相互作 用，以揭示物质的基本性质和行 为。
晶体的电导率、热导率等性质取决于其内 部结构，不同晶体在这些方面表现出不同 的特性。
晶体的力学性质
晶体材料的应用
晶体的硬度、韧性等力学性质与其内部原 子排列密切相关，这些性质决定了晶体在 不同工程领域的应用价值。
晶体材料广泛应用于电子、光学、激光、 半导体等领域，如单晶硅、宝石等。了解 晶体的性质是实现这些应用的关键。
分子的选择性
分子的选择性是指分子在化学反应中对反应物的选择性和对产物的选择性。选择性强的分 子可以在特定条件下优先与某些反应物发生反应，产生特定的产物。
04
晶体结构与性质
晶体结构的基础知识
晶体定义与分类
晶体是由原子、分子或离子在空 间按一定规律重复排列形成的固 体物质。根据晶体内部原子、分 子或离子的排列方式，晶体可分 为七大晶系和14种空间点阵。
电子显微镜技术
• 总结词：分辨率和应用 • 电子显微镜技术是一种利用电子显微镜来观察样品的技术。相比光学显微镜，
电子显微镜具有更高的分辨率和更大的放大倍数，因此可以观察更细微的结构 和组分。 • 电子显微镜技术的分辨率一般在0.1~0.2nm左右，远高于光学显微镜的分辨 率（约200nm）。因此，电子显微镜可以观察到更小的晶体结构、病毒、蛋 白质等细微结构。 • 电子显微镜技术的应用范围很广，例如在生物学领域中，可以用于观察细胞、 病毒、蛋白质等生物样品的结构和形态；在环境科学领域中，可以用于观察污 染物的分布和形态；在材料科学领域中，可以用于观察金属、陶瓷、高分子等 材料的表面和断口形貌等。
结构化学讲义教案6配位化合物的结构和性质
第六章配位化合物的结构和性质教学目的：通过学习，使学生对配位化合物的三大化学键理论（价键理论、晶体场理论、分子轨道理论）有所了解，并能够运用合适的理论对常见配合物的结构和性质进行理论分析和解释。
教学重点：1．晶体场理论；2．姜－泰勒效应；3．分子轨道理论。
引言：配位化合物简称配合物，又叫络合物，是一类含有中心金属原子（离子）(M)和若干配体(L) 的化合物（MLn）。
中心原子通常是过渡金属元素的原子或离子，具有空的价轨道；而配体则有一对或多对孤对电子。
在广泛的化学实践和量子化学巨大发展的基础上，提出了各种解释中心原子和配体之间化学键本质的理论，主要有价键理论、晶体场理论和分子轨道理论第一节价键理论1928年Pauling把杂化轨道理论应用到配合物中，提出了配合物的价键理论。
一、理论要点：配体的配位原子提供孤对电子进入中心原子(或离子)的空的杂化轨道形成配位键；配位键可分为电价配键和共价配键两种，相应的配合物叫做电价配合物和共价配合物。
二、杂化轨道与空间构型三、电价配键和共价配键1、电价配合物中心离子的电子层结构和自由离子的一样，它与配体是以静电作用力结合在一起，常采用spd外轨道杂化，形成高自旋配合物。
电价配合物特点：配体往往电负性大，不易给出孤电子对，中心离子的结构不发生变化。
配合物中配位键共价性较弱，离子性较强；键能小，不稳定，在水中易分解简单粒子；2、共价配合物中心离子腾出内层能量较低的空d轨道，进行dsp内轨道杂化，接受配体的孤对电子，形成低自旋共价配合物。
共价配合物特点：配体往往电负性较小，较易给出孤电子对，对中心离子的影响较大，使其结构发生变化。
配合物中配位键共价性较强，离子性较弱；由于(n-1)d轨道比nd轨道能量低，所以一般共价配合物比电价配合物稳定，在水溶液中不易解离为简单离子。
3．实验测定：通过测定络合物的磁化率,可判断中央离子与配体间化学键性质kTN x A 32μμ=, )()(反顺O M x x x +=μ磁矩cn ehn n e B B πμμμ4,)2(=+=(玻尔磁子) n 未成对电子数有摩尔磁化率X m 可计算络合物的磁矩μ,由μ可估算出n(未成对电子数),从而可判断此络合物是电价配键,或共价配键。
结构化学《结构化学》第1章 第2讲(1.2)1.2 《结构化学》第1章第2讲
6. 量子力学中最重要的算符
是哈密顿（能量）算符：
Hˆ h2 2 Vˆ
8 2m
这里
2
2 x2
2 y2
2 z 2
称为Laplace算符。
6
1.2.3 本征态、本征值和Schrödinger方程
1. 量子力学基本假设III的主要内容
若某一物理量A的算符Â作用于某一状态函数ψ， 等于某一常数a乘以ψ，即
将能量算符作用于描述该状态的波函数ψ，求出
能量算符的本征值， 该本征值应与实验测量的该状态的能量相一致。
8
4. 自轭算符的重要性质之一 自轭算符的本征值一定为实数。
5. 能量算符的本征方程为：
Hˆψ Eψ
h2
8 2m
2
Vˆ
ψ
Eψ
2
2m
2
Vˆ
ψ
1.2 量子力学基本假设
1. 对量子力学基本假设的几点说明 1）这些假设类似于公理，人们都认为是正确的， 但却无法证明； 2）从这些基本假设出发，可以推导出一些重要 的结论，这些结论与已有的实验事实相符； 3）从这些基本假设出发，可以从理论上预测一 些实验现象，这些理论预测结果后来与实验测定结 果相符合。
1
1.2.1 波函数和微观粒子的状态 1. 量子力学基本假设I的主要内容 一个微观体系的状态和由该状态所决定的各种物
理性质，可用波函数(x, y, z, t)表示。是体系的
状态函数，是体系中所有粒子坐标和时间的函数。 2. 定态波函数
不含时间的波函数ψ(x, y, z)称为定态波函数，也
就是体系的性质不随时间的改变而改变。 本课程主要讨论定态波函数，而不是含时波函数。
湖南大学结构化学讲义第一章
结构化学
1993 年，M. F. Crommie 等人用扫描隧道显微镜技术，把蒸发 到Cu（111）表面上的48 个Fe 原子排列成了半径为7.13nm 的 圆环形“量子栅栏（Quantum Corral）”。在量子栅栏内，受到 Fe 原子散射的电子波与入射的电子波发生干涉 而形成同心圆
36
结驻构波化学，直观地显示了电子的波动性。
结构化学 黑体辐射----经典的理论解
L. Rayleigh（瑞利）7 1911年Nobel物理奖
Rayleigh－Jeans方程
1900年6月，Rayleigh和Jeans从经典的电磁理论出发 推导出黑体辐射的数学表达式：
dEV
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(
)
d
8kT
1
4
d
近似地按简谐振动处理，可连续改变振动状态，发射
理 或吸收电磁波。 论 平衡时，空腔内形成驻波，驻波的个数与频率的平方 要 成正比。 点 驻波的振幅和能量可以连续地变化，每个驻波具有相
5
(2)黑体辐射实
high
Frequency,
low
黑体辐射实验的结论是：随 着温度升高，辐射总能量急 剧增加，最大强度蓝移。
黑体在热辐射达到平衡时，
结辐构射化能学量Er 随频率ν的变化曲线
6
(3) 基于经典物理理论的解
不少物理学家，如Wien（1864～1928，德）、 Rayleigh（1842～1919，英）和Jeans（1877～ 1946，英）试图用经典热力学和统计力学理论来解 释这种现象，从理论上推导出符合实验曲线的函数 表达式，但都不能得到满意的结果。
25
结构化学
光是一种电磁波
1856年，Maxwell建立电磁场理论，预言了电 磁波的存在。 理论计算出电磁波以3×108m/s的速度在真空 中传播，与光速度相同，所以人们认为光也是 电磁波。 1888年，Hertz探测到电磁波。 光作为电磁波的一部分，在理论上和实验上就 完全确定了。
结构化学《结构化学》第2章 第1讲(2.1,2.2,2.3)2.2 《结构化学》第2章第1讲
1. 为什么首先要研究原子的结构？ 化学是研究原子之间相互化合和分解的科学。要 研究原子之间的相互作用，就需要研究原子的结构。 2. 原子结构理论发展简史 1）19世纪初，Dalton提出原子学说。 认为元素的最终组成者是原子，原子不能创造、 不能毁灭、不能再分，在化学变化中保持不变；同 一元素的原子，形状、质量、性质相同；原子以简 单数目的比例组成化合物。
Ze2
4πε 0 r
E
ψ
0
7
2.1.2 对单电子原子Schrödinger方程进行变量分离
令ψ(r,θ ,φ) R(r)(θ )(φ), 代入上式，得
1 r2
r
r
2
R
r
1
r2 sinθ
θ
sinθ
R
θ
0
φ
2π 0
1
1
A 2π
m
1 eimφ
2
4）1909~1911年，Rutherford提出了原子结构的 “行星绕太阳”模型。
原子不是实体球； 原子有一极小的核，直径约为10-15m； 原子的质量几乎全部集中在原子核上； 原子核带正电荷，电子绕核运动。
3
5）1913年，Bohr提出了Bohr原子模型（主要内 容包含：定态规则和频率规则）。
8π 2 μ
h2
r2
Ze 2
4πε 0 r
E
l(l
1)
rR2
1 r2
d dr
r
2
dR dr
湖南大学结构化学讲义第二章
Hˆ
N
i 1
2 2mi
2 i
V
r x2 y2 z2
Hˆ
2 2me
2 e
电子的动能
结构化学
2 2mn
2 n
核的动能
Ze2
4 0r
核对电子的吸引位能7
Born－Oppenheimer近似：mn>>me，ve>>vn， 可假设原子核固定不动，处于坐标的原点。
Hˆ
2 2me
2 e
2 2mn
2 n
(sin
)
1
r2 sin2
2 2
1 r2
r
(r2
)
r
r2
1
sin
(sin
)
r2
1
sin2
2 2
2m 2 (E
Ze2 ) 40r
0
ψ=ψ(r,θ,φ)
11
结构化学
2.1.2 薛定谔方程的求解
r、θ、φ三个变量是相互独立的，假设：
(r, , ) R(r) ( ) ( )
径向部分 角度部分
a0
4 0 2
me2
52.9pm
a0值和玻尔理论中基态轨道半径完全一致，习惯上称之为Bohr半径。
17
结构化学
n＝1，l＝0
R1,0 (r )
2
Z a0
3/ 2
er / a0
ψ1s是球形对称的，与角度θ和φ无关
18
结构化学
量子数(nml)
主量子数n
1 2 3 4 5 6…
电子层(光谱学符号） K L M N O P…
约： n＝1，2，3，…， n≥l＋1
l＝0，1，2，…，n-1
结构化学讲义
第一章 量子力学基础和原子结构第1节 量子力学建立的实验和理论背景㈠ 黑体辐射问题和普朗克的量子假说 1. 黑体辐射问题黑体可以吸收全部的外来辐射，同时黑体在所有温度下不断地向外辐射电磁波。
在试图对黑体辐射的能量分布曲线进行理论解释时，人们发现，在经典物理的范畴内无法解决这个问题。
2. 普朗克的量子假说为解释黑体辐射问题，普朗克假设：能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的。
而经典物理则认为：一切自然的过程都是连续不断的。
①把黑体看作是由不同频率的谐振子组成。
(谐振子是进行简谐运动的振子，其运动可用正弦或余弦函数描述)②谐振子的能量具有最小单位ε0，称为能量子(后称为量子)，00νεh =其中，h =6.626×10-34 J ⋅s 称为普朗克常数；ν0是谐振子的振动频率。
③谐振子的能量E 只能是最小单位ε 0的整数倍，而不能是其它值，...,,n n E 3210==ε④谐振子吸收或发射能量时，能量的变化为()()01201212νε∆h n n n n E E E --=-=＝即，能量的吸收和发射不是连续的，必须以量子的整数倍一份一份的进行。
所谓量子化是指物理量不连续变化。
㈡ 光电效应和爱因斯坦的光量子论 1. 光电效应光电效应是指，光照在金属表面上时，金属中的电子从光获得足够的能量而逸出金属表面的现象。
从金属表面逸出的电子称为光电子，由光电子形成的电流称为光电流。
2. 光电效应的实验事实①对于特定的金属，入射光的频率ν必须大于某个特定值ν0，电子才能逸出，ν0称为临阈频率。
即，电子是否逸出决定于光的频率，与强度无关。
②对于ν>ν0的入射光，一经照射，电子立即逸出，没有时间上的延迟。
即，没有能量的积累过程。
③逸出电子的动能随光的频率而增加，与光的强度无关。
④光的强度越大，逸出的电子越多。
即，逸出电子的数量，决定于光的强度，与频率无关。
3. 经典电磁理论的困难按照经典电磁理论：⑴光是电磁波，其能量由波的强度决定，光的强度越大，光电子的动能应该越大；⑵电子吸收光的能量是一个连续积累的过程，低强度的光长时间照射应该能使光电子逸出；⑶频率越高，振动就越频繁，应该使更多的电子逸出。
第五讲 结构化学讲座
第五讲结构化学讲座§5-1.原子结构知识要点原子轨道子、原子、分子等叫微观粒子，微观粒子的运动规律与宏观物体的运动规律是迥然不同的。
海森堡不确定关系式可表为：x²△px≥h(1)式中△x表坐标的测量误差，△px表同一分量的动量（mv）的测量误差，此二误差之积不小于普朗克常数h。
h=6.626 ,是一个很小的量，对宏观物体的运动毫无影响，然对微观粒子而言，则不能同时精确地确定其运动的坐标和动量，因而不能用描动轨迹的方法来描述微观粒子的运动。
下列显示此点：50ｇ的子弹其速度为300m/s,而质量为9.1³10-28ｇ的电子，其绕核运动的速假如速度的测量误差为万分之一，这已是相当精确的了，可算出子弹的△x=h/(m²△v)=6.626³10-27/50³30000³0.01﹪=4.4³10精确测定，可用轨迹（弹道）描述。
对于核外运动的电子△x=6.626³10-27/9.1³10-28³108³0.01﹪≈7Å，玻尔理论认为氢原子1s 3 Å为半径的圆周上绕核运动，如行星绕太阳那样，然半径的误差却有7 Å，这样的圆周轨道显然是毫无意义的。
上述例子表明我们不能描述微观粒子的运动轨迹，换言之，微观粒子具有明显的波动性称为物质波又叫德布罗依波，其波长可作德述：λ=h/p=h/mv(2)微观粒子的波动性及其德布罗依关系式皆为实验所证实。
我们用波长数ψ来描述核外电子的运动。
ψ2dτ表示微小体积△τ内电子出现的几率。
我们称这样的ψ叫原子轨道。
可见原子轨道既运动轨迹亦不是绕核运动的电子的轨迹，而是位于ψ上的电子在核外的几率密度分布。
一定的ψ就有一定的几率密度分布，有一定的和角动量的z分量。
ψ与三个量子数有关，叫ψn 、l、m（1）三个量子数Ⅰ，主量子数n,n=1,2,3……分别用K、L、M表示。
结构化学课件第三章
得到ca=cb
将E2代入
得到ca = –cb
Structural Chemistry
第三章 共价键和双原子分子的结构化学
3.2.2 变分法解薛定谔方程
ca=cb，相应的波函数
1 ca a b
利用波函数归一化条件，
2 1 a
ca= – cb，相应的波函数
2 c a b
为使得变分原理得到满足，必须调整系数ci使之 满足下面求极值的各个方程。
E E E E ... ... 0 c1 c2 ci cm
由此求出 E 值最低时对应的线性组合系数ci值，进而 得到波函数φ。
Structural Chemistry
第三章 共价键和双原子分子的结构化学
Structural Chemistry
第三章 共价键和双原子分子的结构化学
3.2.2 变分法解薛定谔方程
由于H2+的两个核是等同的，φa和φb 是归一化的
H aa a H a d b H b d Hbb
H ab a H b d b H a d H ba
1 2 1 1 1 E ra rb R 2
Structural Chemistry
第三章 共价键和双原子分子的结构化学
3.2.2 变分法解薛定谔方程
用任意一个满足体系边界条件的品优波函数求得 的能量平均值，将大于或等于基态的能量E0。
变分原理
c11 c22 ... cmm
3.2-2
c c2 ... cm 1
2 1 2 2
注意：变分函数为实函数
Structural Chemistry
结构化学讲义教案2原子结构和性质
第二章 原子结构和性质教学目的：通过H 原子薛定谔方程的求解，了解原子结构中量子数的来源，类氢离子波函数的图形及其物理意义。
掌握多电子原子的原子轨道能级等，推导原子基态光谱项。
教学重点：1.类氢离子波函数量子数的物理意义。
2.掌握多电子原子的原子轨道能级、电离能的求解。
3.推导等价、非等价电子的原子光谱项，掌握基态原子谱项的快速推算法。
第一节 单电子原子的薛定谔方程及其解引言：前面介绍了量子力学的概念，建立了量子力学的基础，下面我们要讨论原子结构的核心问题，即原子中电子的运动状态，其中最简单的体系就是原子核外只有一个电子的体系，也叫单电子原子结构，如氢原子和类氢离子（H ，Li 2+，He +，Be 3+……）。
一．建立单电子原子的Schrodinger 方程r Ze mh M h H e N 022********ˆπεππ-∇-∇-= 假设在研究电子运动时核固定不动，r Ze mh H 0222248ˆπεπ-∇-= 为了解题方便通常将x,y ,z 变量变换成极坐标变量r ，θ，φ由图可得如下关系：⎪⎭⎪⎬⎫⋅=⋅⋅=⋅⋅=θφθφθcos sin sin cos sin r z r y r x得极坐标形式的Schrodinger 方程：048sin 1sin sin 110222222222=⎪⎪⎭⎫⎝⎛++∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂ψπεπφψθθψθθθψr Ze E h m r r r r r r二、单电子Schrodinger 方程的一般解。
1. 变数分离法把含三个变量的微分方程化为三个各含一个变量的常微分方程来求解。
令()()r R r =φθψ,,Θ（θ）Φ（φ）()()φθ,,Y r R =代入薛定鄂方程，经过数学变换得三个方程：R(r)方程 ()()k E r hm r h mZe r r R r r r R =++⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂⋅2222022821πεπ Θ方程22sin )(sin )(sin m k =+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂Θ∂⋅∂∂⋅Θθθθθθθθ Φ方程222)()(1m =∂Φ∂⋅Φ-φφφ 2. Φ方程的解Φ方程整理得：0222=Φ+Φm a a φ这是一个常系数2阶齐次线性方程，它的特征方程为022=+m p i m p ±=微分方程的两个特解为φim Ae m =Φ m m ±= A 由归一化求得： π21=A ∴φπim e m 21=Φ 这是解的复数形式，由于Φ是循环坐标所以()()πφφ2+Φ=Φm m 于是πφπφφ2)2(im im im im e e e e ⋅==+ 即12=πim e由欧拉公式12sin 2cos 2=+=m i m e im πππ故m 的取值必须为： 2,1,0±±=m 即取值是量子化的称为磁量子数。
《结构化学》课程教学大纲
《结构化学》课程教学大纲课程代码：ABCL0408课程中文名称：结构化学课程英文名称：Structural Chemistry课程性质：选修课程学分数：1.5课程学时数：24授课对象：材料化学专业本课程的前导课程：无机化学、物理化学等一、课程简介结构化学是在原子、分子的层次上研究原子、分子、晶体结构的运动规律，揭示物质的微观结构与性能之间关系的一门基础科学。
它以电子构型和几何构型为两条主线，系统讲授三种理论和三类结构：量子理论和原子结构、化学键理论和分子结构、点阵理论和晶体结构。
为本科生打下两方面基础：量子化学基础、结晶化学基础。
这些基础对于建立微观结构概念和原理、掌握现代测试方法具有不可替代的作用。
二、教学基本内容和要求课程教学内容：1 量子力学基础知识：（1）微观粒子的运动特征，（2）量子力学的基本假设，（3）箱中粒子的Schrödinger方程及其解；3 原子结构和性质：（1）单电子原子的Schrödinger方程及其解，（2）量子数的物理意义，（3）波函数电子云图形，（4）多电子原子的结构，（5）元素周期表和元素周期性质；4 共价键和双原子分子的结构化学：（1）化学键的概述，（2）H2+的结构和共价键的本质，（3）分子轨道理论和双原子分子的结构；5 多原子分子的结构和性质：（1）价层电子对互斥理论（VSEPR），（2）杂化轨道理论；6 配位化合物的结构和性质：（1）概述，（2）价键理论、晶体场理论、配位场理论；7 晶体的点阵结构和晶体的性质：（1）晶体结构的周期性和点阵，（2）晶体的衍射。
课程的重点、难点：1 量子力学基础知识：（1）微观粒子的运动特征，（2）量子力学的基本假设；3 原子结构和性质：（1）量子数的物理意义，（2）波函数电子云图形，（3）多电子原子的结构；4 共价键和双原子分子的结构化学：（1）化学键的概述，（2）H2+的结构和共价键的本质；5 多原子分子的结构和性质：（1）杂化轨道理论；6 配位化合物的结构和性质：（1）价键理论、晶体场理论、配位场理论；7 晶体的点阵结构和晶体的性质：（1）晶体结构的周期性和点阵。
结构化学(第一节)
5
量子化特征 微观粒子运动遵循量子力学规律，与经典力学 运动规律不同的重要特征是“量子化（quantized）”。 “量子化”是指微观粒子的运动以及运动过程 中能量的变化是不连续的，而是以某一最小量 为单位呈现跳跃式的变化。
6
―量子化”这一重要概念是普朗克（Plank） 于1900年首先提出的。他根据黑体辐射实验 的结果，提出能量的传递与变化是不连续的， 是量子化的这一大胆假说。这是与传统的物 理学观念相背的、革命性科学假说，后来发 展为量子论，是现代量子力学发展的开端， 是科学发展史上具有划时代意义的里程碑之 一。
1结构化学第一节2第一节原子结构与元素周期系一微观粒子的运动特征二原子结构1波函数与原子轨道2四个量子数3原子轨道的图形4电子云和几率密度三核外电子的排布1基本原则2原子轨道能级的顺序3原子中电子的实际排布4原子的电子排布和元素周期系四元素性质的周期性变化31897年汤姆逊thomson18561940通过阴极射线发现了电子的存在
23
薛定谔方程是现代量子力学及原子结构理论 的重要基础和最基本的方程式。薛定谔方程 不是用数学方法推导出来的。其正确性、真 理性是靠大量实验事实来证明的。
24
Ψ称为波函数(wave function)。它是空间坐标（x、y、 z）的函数， Ψ ＝ Ψ （x、y、z）；也可用球坐标（r、 、）表示： Ψ ＝ Ψ （r、、）。
2
x
2
2
y
2
2
z
2
8 m
2
h
2
( E V ) 0
（4-3）
22
薛定谔方程，是函数Ψ对x、y、z三个空间坐 标变量的二阶偏微分方程。Ψ是薛定谔引入 的一个物理量，它是电子空间坐标x、y、z的 函数： Ψ （x，y，z）。薛定谔用Ψ（x，y， z）来描述或表征电子运动的波动性，因此Ψ （x，y，z）应该服从、遵循某种波动的规律， 即符合波动方程式的要求。故称为波函数。
结构化学课件
分子力学和分子动态
晶体结构
晶体定义与分类 晶体结构特点 晶体对称性 晶体缺陷与性质
结构化学基本原理
价键理论
定义：价键理论 是结构化学中的 基本原理之一， 它描述了原子间 通过电子交换形 成的化学键。
特点：价键理论 强调了电子在形 成化学键中的重 要作用，包括成 键电子和反键电 子的形成。
类型：根据成键 方式的不同，价 键理论可以分为 共价键和离子键 两种类型。
结构化学基础知识
原子结构
原子核：原子核是原子的核心，由质子和中子组成
电子：电子围绕原子核运动，具有不同的能级
核外电子排布：根据能量高低，电子按照一定的规律排布在原子核周围 原子光谱：原子光谱是电子在不同能级之间跃迁时产生的光谱，是研究原子结构的重要手段之 一
分子结构
原子和分子
分子轨道理论
分子光谱
结构化学课件
汇报人：资料超市
课件概述 结构化学基础知识 结构化学基本原理 结构化学在日常生活中的应用 实验操作与数据分析 思考题与习题解析
课件概述
课件简介
课件目标：帮助学 生掌握结构化学的 基本概念、原理和 应用
课件内容：包括原 子结构、分子结构、 晶体结构等核心内 容
课件形式：采用图 文并茂的方式，结 合动画演示，使抽 象概念更加生动形 象
晶体结构与材料科学：晶体结构在材料科 学中具有重要应用，如陶瓷、玻璃、半导 体等材料的制备和性能研究。
晶体结构与药物研发：药物分子的晶体结 构对于药物的疗效和副作用具有重要影响， 通过晶体结构研究可以优化药物设计和研 发。
实验操作与数据分析
实验操作技巧
实验前的准备工 作：熟悉实验步 骤、了解实验仪 器和试剂的特性
添加标题
结构化学讲义
5.1 杂化轨道理论 5.2 价电子互斥理论 5.3 离域p键 5.4 HMO法
对双原子分子，无论用MO法，还是用VB法处理， 都是双中心的，在多数情况下，可以得到一致的结 论。当然也有不一致的情况，比如O2。
而对多原子分子，用MO法与VB法处理，则模式 图象完全不一样了，VB法仍是双中心的，而MO 法则是多中心的。即分子轨道（分子中单个电子的 波函数）原则上是遍及分子中所有原子的，这就是 通常所说的正则分子轨道或离域分子轨道。
s, pz s, p x , p y s, p x , p y , p z
s, d xz , d xy , d yz
d x 2 y 2 , s, p x , p y
直线形
平面三角形 四面体形 四面体形 平面四方形
BF3 ,SO3
MnO 4
Ni(CN)24
CH 4
dsp3
dsp3
d z 2 , s, px , p y , pz
2 2 s2d p x d p y d 1
s p
x
d s p y d p x p y d 0
有两组解，代表两种情况： y
2 : a2 p y
2 2 3
1
x
2 : a2 p y
2 2 3
两个解任意取一即可，不妨取 a2 p y
注意：虽然杂化轨道的形式与LCAO-MO一样，也 是由原子轨道线性组合得到，但是意义不同。参与
杂化的原子轨道都来自同一个原子，而组成分子轨
道的原子轨道来自不同的原子，因此杂化轨道也是 原子轨道，属于一个原子，而分子轨道则属于整个 分子。 价键理论有逐渐被分子轨道理论所代替的趋势，但 是在组成分子轨道时，先将每个原子的原子轨道杂
结构化学精品课程(精)
S4 h C4 , S42 C2 , S43 h C43, S44 E
结构化学精品课程
第四章
CH4 的 四 重 象 转 轴 S4 及 旋 转 反 映 操 作
27
相互等价
仍代表 H
旋转90° 反映
结构化学精品课程
第四章
4.1.6 反轴(In )和旋转反演操作( În )
x' 1 0 0 x
y'
0
1
0
y
z' 0 0 1 z
13
结构化学精品课程
第四章
4.1.2 旋转轴 Cn(n) 和旋转操作Ĉn(L(α))
n 重旋转可衍生出(n-1)个旋转操作， 记为Ĉni(i=1,2,…,n-1 ), Ĉnn = Ê ( n 为任意正整数 )
m
cij aip ppj (i = 1, 2, …, n, j= 1,2, …, k) p1
17
结构化学精品课程
第四章
4.1.3
对称中心（i）和反演操作（
i
）
与对称中心 i 对应的对称操作叫反演或倒反 。 若将i 坐标原点放在对称中心处，则反演操作将空间 任意一点（x, y, z）变为其负值（-x, -y, -z），反演操
导出第三种对称元素（例:C2, I 与 h 之间的关系），
但它们之间的组合必须满足一定原则。
34
结构化学精品课程
第四章
对称元素组合原则
因为分子是有限图形（封闭图形），因此参加组合的 对称元素必须至少通过一个公共点(点动作，点群名 称的由来)
主轴与C2轴的组合：必然产生n个等价的C2轴
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
A3: 可取出六方晶胞
③ A1: 密置层为(111)，与晶胞的体对角线垂直
A3: 密置层为(001)，与C轴垂直
④ 空隙在晶胞中的位置不同
例3. β-SiC为立方晶系，晶胞参数a=4.358Å，晶胞中原子的
分数坐标为：
C: (0,0,0), (0,1/2,1/2 ), (1/2,0,1/2),( 1/2,1/2,0)
3.点阵的标记和点阵平面间距（晶面指标、晶面间距）
dh*k*k*
a h*2k*2l*2
4.晶体的X射线衍射（Laue(劳埃)方程和Bragg(布拉格)方程、X射线法
（劳埃法、回转法、粉末法）、消光规律、及简单晶体结构测定的应用 ）
57.3 2L度 4R
2dhklsin hkl
a
2
h2 k2 l2
8
第八九章例题精讲
例1. 钨具有体心立方结构，密度为19.30g/cm3，原子 量为183.9。试计算钨原子的金属半径。
解：设单胞的棱长为a（Å）。每个单胞中含有两个钨原子。
每一摩尔钨原子所占有的体积为：
a3*1024*6.023*1023cm3 2
每一摩尔钨原子的质量为183.9g，钨的密度为：
偶极矩和旋光性的判据
七、晶体的点阵结构和晶体的性质
1.晶体结构的周期性和点阵（结构基元、点阵点、晶胞两
要素：大小型式和内容）
ห้องสมุดไป่ตู้
2.晶体结构的对称性（晶体的宏观对称操作（旋转、反映、反演、反
轴）、轴次定理（n=1,2,3,4,6）；微观对称操作（平移、螺旋旋转、反映滑
移）；7大晶系、14种空间点阵型式、32种晶体学点群）
e
H 8h2 2m 24 Z e20(r1 ar1 b)4e20R
ra
rb
a
R
b
两中心一电子体系
2. 变分法原理（对任意一个品优波函数 ，用体系的 Ĥ 算符求得的能量
平均值，将大于或接近于体系基态的能量E0 ） 3. 分子轨道理论（不同原子轨道有效组合成分子轨道必须满足的三个条
件：对称匹配、能量相近和轨道最大重叠；电子填充规则：Pauli原理、能量
Ir2
m 1 m 2 m 1 m 2
五、多原子分子的结构和性质
1. 休克尔分子轨道法（HMO法）和共轭分子的结构（HMO法 对链状和环状分子的处理）
2. 离域π键、共轭效应（
m n
、共轭分子结构与性质(电性、颜色、酸碱
性、化学反应活性)的关系）
3. 前线轨道理论和分子轨道对称守恒原理（对称性匹配、能级 高
结构化学结课讲义
知识点提要
一、量子力学基础知识
1. 波函数和微观粒子的状态（合格波函数, 2 , 2d）
2. 物理量和算符（
Pˆq i
）
q
3.本征态，本征值和Schrödinger 方程 （ Aˆ a）
4. Pauli原理 （不相容原理、排斥原理）
5. 箱中粒子的Schrödinger方程及其解
Hˆ
2
2m
d2 dx2
n(x)
2Sin nx
ll
Hˆ E
h2
En
8ml2
nx2 ny2 nz2
二、原子的结构和性质
1. 单电子原子的Schrödinger 方程
[8h22m24Z 2e0r]E
2
2 x2
2 y2
2 z2
2. 量子数的物理意义（n/l/m/s/j）
3. 波函数和电子云图形（了解氢原子s, p, d 各种状态的波函数和电子 云图形及其特征、氢原子波函数节面总数和极大值数）
最低原理和Hund规则；分子轨道σ, π, δ的特点）
4. 双原子分子的结构（同核和异核双原子分子的基态电子排布、键级、
成键情况、判断磁性）
三、双原子分子的结构和性质
5. 分子光谱（转动光谱、振动光谱旋律、光电子能谱、 Frank-Condon原理）
B I r 1 2 B (J 1 ) B 8 h 2 Ic
低相近、电子转移方向从电负性判断应当合理；共轭烯烃的电环化反应） 5
四、分子的对称性和群论基础 1. 对称操作，对称元素和对称操作群
C,i,,S,I
2. 分子的点群
C n ,C n h ,C n v ,C n i,D n ,D n h ,D n d ,S 4 n ,T d ,O h
3. 分子的性质与分子对称性的关系
例2. 试比较A1和A3这两种结构型式的异同。
相同点:
① 每一层都是密置层,由密置层作最密堆积
② 配位数都为12
③ 空间占有率都为74.05% ④ 晶胞中球数：八面体空隙数：四面体空隙数的比值都为1∶1∶2
不同点:
① A1: ABC|ABC|...堆积
A3: AB|AB|...堆积
② A1: 可取出立方面心晶胞
Si: (1/4,1/4,1/4 ), (1/4,3/4,3/4),( 3/4,1/4,3/4), (3/4,3/4,1/4)
Si
C原子量12.011，Si 原子量28.085。
4.多电子原子的Schrödinger 方程（一中心两电子体系）
H 8h 2 2 m ( 1 2 2 2)4 Z2 0e (r 1 1r 1 2)4e2 0 r12 Hˆ E
5. 多电子原子的光谱项
L 2 S 1 J
三、双原子分子的结构和性质
1. H2+的Schrödinger 方程
1 8 a 3 3 . * 9 6 * . 2 0 2 * 3 1 0 1 9 . 3 0 g / c m 3 a 3 1 6 8 . 0 3 2 . 9 3 * * 1 2 9 * . 1 3 0 0 3 1 . 6 4 A o 3 a 3 . 1 6 3 A o
在体心立方格子中，在顶角上的原子和体心原子相接触，因
此钨原子的金属半径等于单胞体对角线长度的1/4，即：
r1
3a1
o
33.1631.37A
44
9
例题延伸： （1）、反之，已知半径求密度。 （2）、用x-射线测定其晶胞参数a和密度，求阿佛加得罗 常数。 （3）、 改变体系，已知金属o 铜为面心结构，密度
A
（8.936g/cm3）原子量（63.54），计算铜的金属半径。 （a=3.615Å）
sin2 hkl
a dhkl h2 k2 l2
Z
V M
N0
八、金属的结构和性质
1. 等径圆球的密堆积（A1、A3、A2型）
九、离子化合物的结构化学
1. 离子键和点阵能 2. 离子晶体的若干简单结构型式（ 分数坐标“语言”、离 子堆积“语言” ） 3. 离子 配位多面体及其连接规律（配位数、配位多面体规 则、电价规则）