第01章无机化学第四版北师大
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无机
化 学
第一篇 物质结构基础
第一章 原子结构与元素周期系
第二章 分子结构
第三章 晶体结构
第四章 配合物
无机
化 学
第一章
原子结构与元素周期系
道尔顿原子论 相对原子质量（原子量） 原子的起源和演化 原子结构的玻尔行星模型
1—1 1—2 1—3 1—4
1—5 氢原子结构的量子力学模型
1—6 基态原子电子组态 1—7 元素周期系 1—8 元素周期性
无机
化 学
•以原子质量单位u为单位的某核素一个原 子的质量称为该核素的原子质量，简称原子
质量。
•1u等于核素12C的原子质量的1/12。 •核素的质量与12C的原子质量的1/12之比称 为核素的相对原子质量。它在数值上等于核 素的原子质量，量纲为一。
无机
1-2-4 元素的相对原子质量（原子量）
原子量是指一种元素的1摩尔质量对核素 12C的1摩尔质量的1/12的比值。 这个定义表相对原子质量明： 1）元素的相对原子质量是纯数。 2）单核素的相对原子质量等于该元素的核 素的相对原子质量。 3）多核素元素的相对原子质量等于该元素 的天然同位素相对原子质量的加权平均值。 Ar= ∑f*M
无机
化 学
1—1 道尔顿原子论
古希腊哲学家德谟克利特 （Democritus)臆想出原子是物质最 小的，不可再分的，永存不变的微粒。 17至18世纪，波意耳第一次给出 了化学元素的定义—用物理方法不能 再分解的最基本的物质组分。
• 1-1-1原子论发展简史
无机
化 学
1732年，尤拉提出自然界存在多少种原 子，就有多少种元素。 1785年，拉瓦锡用实验证明了质量守恒 定律—化学反应发生了物质组成的变化，但 反应前后物质的总质量不变。 1797年，希特发现了当量定律。 1799年，普鲁斯特发现了定比定律。 19世纪初，道尔顿创立了化学原子论。
h L mvr n 2
式中 m 和 v 分别代表电子的质量和速度, r 为轨道半径, h 为普朗 克常量, n 叫做量子数(quantum number), 取1,2,3,…等正整数. 轨道 角动量的量子化意味着轨道半径受量子化条件的制约, 图中示出的 这些固定轨道, 从距核最近的一条轨道算起, n值分别等于 1,2,3,4,5,6,7. 根据假定条件算得 n = 1 时允许轨道的半径为 53 pm, 这就是著名的波尔半径.
无机
化 学
★ 关于轨道能量量子化的概念. 电子轨道角动量的量子化也意味着
能量量子化. 即原子只能处于上述条件所限定的几个能态, 不可 能存在其他能态. 定态(stationary state)： 所有这些允许能态之统称.核外电子只能在有确定半径和能量的
定态轨道上运动, 且不辐射能量.
基态(ground state):
化 学
无机
化 学
1—3 原子的起源和演化
1.宇宙之初 2.氢爆炸 3.氦燃烧 4.碳燃烧 5.@过程 6.e过程 7.重元素诞生 8.宇宙大爆炸理论的是非
• • • • • • • •
无机
化 学
1-4 氢原子结构的玻尔（行星）模型 Bohr’ model
• 1-4-1 • 1-4-2 氢原子光谱 波尔理论
Name
n1
1 2 3 4 5
n2
2,3,4,… 3,4,5,… 4,5,6,… 5,6,7,… 6,7,8,…
Lyman series Balmer series Paschen series Brackett series Pfund series
紫外区。 可见区 。 红外区。
无机
化 学
对于巴尔麦( J. Balmer)系的经验公式
化 学
1.5. 氢原子结构的量子力学模型
1.5.1 波粒二象性 (wave-particle) 1.5.2 德布罗意关系式 1.5.3 海森堡不确定原理 1.5.4 氢原子的量子力学模型
无机
化 学
卢瑟福 根据 粒子散射实验，创立了关于原
子结构的 “太阳-行星模型 ”. 其要点是：
1. 所有原子都有一个核即原子核(nucleus)；
1 1 v R ( 2 2 ) 2 n
: 谱线波长的倒数, 波数(cm-1).
n:大于2的正整数；R = 1.097 37×105 cm-1 n=3 红 （Hα） n=4 青 （Hβ ） n=5 蓝紫 （ Hγ ） n=6 紫 （Hδ ）
∞
1
无机
化 学
氢原子核内只有一个质子，核外只 爱因斯坦的光子学说 有一个电子，它是最简单的原子.在 普朗克的量子化学说 建立了Bohr理论. Bohr在 氢原子的光谱实验 氢原子内，这个电子核外是怎样运动 卢瑟福的有核模型 的？这个问题表面看来似乎不太复杂 ，但却长期使许多科学家既神往又困 扰，经历了一个生动而又曲折的探索 过程. 1-4-2 波尔理论
无机
化 学
Bohr 理论的主要内容
玻尔(Bohr N)于1913年提出的氢原子结构的量子力学模型是基 于下述3条假定： ★ 关于固定轨道的概念. 玻尔模型认为, 电子只能在若干圆形的固定 轨道上绕核运动. 固定轨道是指符合一定条件的轨道, 这个条件是, 电子的轨道角动量L只能等于h/(2π)的整数倍：
2. 核的体积只占整个原子体积极小的一部分；
3. 原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上；
4. 波粒二象性 (wave-particle)
电磁波是通过空间传播的能量. 可见光只不过是电磁波的一种 .
The electromagnetic spectrum
无机
化 学
The experiments of particle of electrons The Planck equation The photoelectric effect
Plank 的 量子论 Einstein 的光子学说 电子微粒性的实验 导致了人们对波的深层次认 识，产生了讨论波的微粒性 概念为基础的学科 量子力 学（quantum mechanics）.
电磁波在有些情况下表现出连续波的性质，另一些情 况下则更像单个微粒的集合体，后一种性质叫作波的微粒 性.
无机
化 学
● Plank 公式
1900年, 普朗克 (Plank M) 提出了表达光的能量 (E)与频率(ν)关系的方程, 即著名的普朗克方程：
E = hν，式中的h叫普朗克常量(Planck constant), 其 值为6.626×10-34 J· s.
h L mvr n 2
代入上式，得
• E = -（me4/8ε02h2）· （1/n2）=-B · （1/n2） • B= 1312kJ · mol-1=13.6eV
无机
总结：波尔理论要点如下: 1）行星模型 波尔假定，氢原子核外电子是 处在一定的线形轨道上绕核运行的。 2）定态假设 波尔假定，氢原子核外电子在 轨道运行时有一定的不变的能量，这种状态称为 定态。 基态---能量最底的定态。 激发态---能量高于基态的定态。 3）量子化条件 波尔假设，氢原子核外电子 的轨道是不连续的，在轨道运行的电子具有一定 的角动量。
~R 1 1 2 2 n2 n1
式中 为波数的符号, 它定义为波长的倒数, 单位常用cm-1; R 为里 德堡常数, 实验确定为1.097 37×107 m-1; n2大于n1 , 二者都是不大的 正整数. 各线系 n 的允许值见下表：
The allowed values for n in above equation
Δ E = E2 － E1 = hν=B（1/n12-1/n22）
如果电子由能量为E1的轨道跃至能量为E2的轨道, 显然应从外 部吸收同样的能量.
E: 轨道的能量 ν：光的频率 h: Planck常数
无机
化 学
• 根据经典力学“离心力等于向心力”原理
• Mν2/r =Ze2/4πε0r2
• 将量子化条件
无机
化 学
1-4-1
氢原子光谱
氢原子光谱特征:
①不连续的、线状的， ②是很有有规律的.
无机
化 学
氢原子光谱由五组线系组成, 即紫外区的莱曼(Lyman)系, 可见 区 的 巴 尔 麦 (Balmer) 系 , 红 外 区 的 帕 邢 (Paschen) 系 、 布 莱 克 特 (Brackett)系和芬得(Pfund)系. 任何一条谱线的波数(wave number) 都满足简单的经验关系式:
无机
化 学
1-2-3 原子的质量
一个原子的质量很小，但是不等于构成它 的质子和中子质量的简单加和。 例如，1摩尔氘原子的质量比1摩尔质子和1 摩尔中子的质量和小0.00431225g。这一差值称 为质量亏损，等于核子结合成原子核释放的能量 ---结合能。单位是百万电子伏特（Mev）。 不同数量的核子结合成原子释放的能量与核 子的数量不成比例，比结合能是某原子核的结合 能除以其核子数。比结合能越大，原子核越稳定。
无机
化 学
•1-1-2 原子论的优点与缺点
道尔顿提出了原子量的概念，并且 解释了当时已知的化学反应的定量关系； 却不能给出许多元素的原子量，但是原 子论极大地推动了化学的发展。
无机
化 学
1—2 相对原子质量（原子量）
元素---具有一定核电核数的原子。 原子序数---按元素的核电核数进行 排序所得的序号。 元素符号
Ha
Hb
Hg
Hd
656.2 486.1 434.0 410.1 656.3 486.1 434.1 410.2
● 对其他发光现象（如Ｘ光的形成）也能解释 ● 计算氢原子的电离能
波尔理论的不足之处
● 不能解释氢原子光谱的精细结构 ● 不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂 ● 不能解释多电子原子的光谱
无机
• 1-2-1 元素，原子序数和元素符号
无机
化 学
•1-2-2 核素，同位素和同位素丰度
1. 核素---具有一定质子数和一定中子数的原 子称为一种核素。 它可以分为稳定核素和放射性核素；还可以 分为单核素元素和多核素元素。 核素符号, 质子数， 中子数， 质量数。 2.同位素---具有相同核电核数，不同中子数 的核素互称同位素。eg,氢的3种同位素氕，氘， 氚。 3.同位素丰度---某元素的各种天然同位素的 分数组成（原子百分比）。
n 值为 1 的定态.通常电子保持在能量最低的这一基态. 基态是 能量最低即最稳定的状态. 激发态(excited states): 指除基态以外的其余定态. 各激发态的能量随 n 值增大而增 高. 电子只有从外部吸收足够能量时才能到达激发态.
无机
化 学
★关于能量的吸收和发射跃迁规则.
玻尔模型认为, 只有当电子从较高能态(E2)向较低能态(E1) 跃迁时, 原子才能以光子的形式放出能量(即, 定态轨道上运动 的电子不放出能量), 光子能量的大小决定于跃迁所涉及的两条 轨道间的能量差. 根据普朗克关系式, 该能量差与跃迁过程产生 的光子的频率互成正比：
普朗克认为, 物体只能按hν的整数倍 (例如1, 2, 3等)一份一份地吸收或释出光 能, 而不可能是0.5, 1.6, 2.3等任何非整 数倍.这就是所谓的能量量子化概念.
无机
化 学
● 光电效应 1905年, 爱因斯坦(Einstein A)成功地解释 了光电效应(photoelectric effect), 将能量量子 化概念扩展到光本身. 对某一特定金属而言,不 是任何频率的光都能使其发射光电子. 每种金 属都有一个特征的最小频率(叫临界频率), 低 于这一频率的光线不论其强度多大和照射时 间多长, 都不能导致光电效应. The photoelectric effect 爱因斯坦认为, 入射光本身的能量也按普朗克方程量子化, 并将 这一份份数值为1的能量叫光子(photons), 一束光线就是一束光子 流. 频率一定的光子其能量都相同, 光的强弱只表明光子的多少, 而与每个光子的能量无关. 爱因斯坦对光电效应的成功解释最终使光的微粒性为人们所接 受. 以波的微粒性概念为基础的一门学科叫量子力学(quantum mechanics).
化 学
无机
化 学
4)跃迁规则 电子吸收光子就会跃迁到能 量较高的激发态，反之，激发态的光子会放出 光子返回基态或者能量较底的激发态。光子的 能量就是跃迁前后2个能级的能量之差。
无机
化 学
波尔理论的成功之处
● 解释了 H 及 He+、Li2+、B3+ 的原子光谱
Wave type
Calculated value/nm Experimental value/nm ● 说明了原子的稳定性
化 学
第一篇 物质结构基础
第一章 原子结构与元素周期系
第二章 分子结构
第三章 晶体结构
第四章 配合物
无机
化 学
第一章
原子结构与元素周期系
道尔顿原子论 相对原子质量（原子量） 原子的起源和演化 原子结构的玻尔行星模型
1—1 1—2 1—3 1—4
1—5 氢原子结构的量子力学模型
1—6 基态原子电子组态 1—7 元素周期系 1—8 元素周期性
无机
化 学
•以原子质量单位u为单位的某核素一个原 子的质量称为该核素的原子质量，简称原子
质量。
•1u等于核素12C的原子质量的1/12。 •核素的质量与12C的原子质量的1/12之比称 为核素的相对原子质量。它在数值上等于核 素的原子质量，量纲为一。
无机
1-2-4 元素的相对原子质量（原子量）
原子量是指一种元素的1摩尔质量对核素 12C的1摩尔质量的1/12的比值。 这个定义表相对原子质量明： 1）元素的相对原子质量是纯数。 2）单核素的相对原子质量等于该元素的核 素的相对原子质量。 3）多核素元素的相对原子质量等于该元素 的天然同位素相对原子质量的加权平均值。 Ar= ∑f*M
无机
化 学
1—1 道尔顿原子论
古希腊哲学家德谟克利特 （Democritus)臆想出原子是物质最 小的，不可再分的，永存不变的微粒。 17至18世纪，波意耳第一次给出 了化学元素的定义—用物理方法不能 再分解的最基本的物质组分。
• 1-1-1原子论发展简史
无机
化 学
1732年，尤拉提出自然界存在多少种原 子，就有多少种元素。 1785年，拉瓦锡用实验证明了质量守恒 定律—化学反应发生了物质组成的变化，但 反应前后物质的总质量不变。 1797年，希特发现了当量定律。 1799年，普鲁斯特发现了定比定律。 19世纪初，道尔顿创立了化学原子论。
h L mvr n 2
式中 m 和 v 分别代表电子的质量和速度, r 为轨道半径, h 为普朗 克常量, n 叫做量子数(quantum number), 取1,2,3,…等正整数. 轨道 角动量的量子化意味着轨道半径受量子化条件的制约, 图中示出的 这些固定轨道, 从距核最近的一条轨道算起, n值分别等于 1,2,3,4,5,6,7. 根据假定条件算得 n = 1 时允许轨道的半径为 53 pm, 这就是著名的波尔半径.
无机
化 学
★ 关于轨道能量量子化的概念. 电子轨道角动量的量子化也意味着
能量量子化. 即原子只能处于上述条件所限定的几个能态, 不可 能存在其他能态. 定态(stationary state)： 所有这些允许能态之统称.核外电子只能在有确定半径和能量的
定态轨道上运动, 且不辐射能量.
基态(ground state):
化 学
无机
化 学
1—3 原子的起源和演化
1.宇宙之初 2.氢爆炸 3.氦燃烧 4.碳燃烧 5.@过程 6.e过程 7.重元素诞生 8.宇宙大爆炸理论的是非
• • • • • • • •
无机
化 学
1-4 氢原子结构的玻尔（行星）模型 Bohr’ model
• 1-4-1 • 1-4-2 氢原子光谱 波尔理论
Name
n1
1 2 3 4 5
n2
2,3,4,… 3,4,5,… 4,5,6,… 5,6,7,… 6,7,8,…
Lyman series Balmer series Paschen series Brackett series Pfund series
紫外区。 可见区 。 红外区。
无机
化 学
对于巴尔麦( J. Balmer)系的经验公式
化 学
1.5. 氢原子结构的量子力学模型
1.5.1 波粒二象性 (wave-particle) 1.5.2 德布罗意关系式 1.5.3 海森堡不确定原理 1.5.4 氢原子的量子力学模型
无机
化 学
卢瑟福 根据 粒子散射实验，创立了关于原
子结构的 “太阳-行星模型 ”. 其要点是：
1. 所有原子都有一个核即原子核(nucleus)；
1 1 v R ( 2 2 ) 2 n
: 谱线波长的倒数, 波数(cm-1).
n:大于2的正整数；R = 1.097 37×105 cm-1 n=3 红 （Hα） n=4 青 （Hβ ） n=5 蓝紫 （ Hγ ） n=6 紫 （Hδ ）
∞
1
无机
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氢原子核内只有一个质子，核外只 爱因斯坦的光子学说 有一个电子，它是最简单的原子.在 普朗克的量子化学说 建立了Bohr理论. Bohr在 氢原子的光谱实验 氢原子内，这个电子核外是怎样运动 卢瑟福的有核模型 的？这个问题表面看来似乎不太复杂 ，但却长期使许多科学家既神往又困 扰，经历了一个生动而又曲折的探索 过程. 1-4-2 波尔理论
无机
化 学
Bohr 理论的主要内容
玻尔(Bohr N)于1913年提出的氢原子结构的量子力学模型是基 于下述3条假定： ★ 关于固定轨道的概念. 玻尔模型认为, 电子只能在若干圆形的固定 轨道上绕核运动. 固定轨道是指符合一定条件的轨道, 这个条件是, 电子的轨道角动量L只能等于h/(2π)的整数倍：
2. 核的体积只占整个原子体积极小的一部分；
3. 原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上；
4. 波粒二象性 (wave-particle)
电磁波是通过空间传播的能量. 可见光只不过是电磁波的一种 .
The electromagnetic spectrum
无机
化 学
The experiments of particle of electrons The Planck equation The photoelectric effect
Plank 的 量子论 Einstein 的光子学说 电子微粒性的实验 导致了人们对波的深层次认 识，产生了讨论波的微粒性 概念为基础的学科 量子力 学（quantum mechanics）.
电磁波在有些情况下表现出连续波的性质，另一些情 况下则更像单个微粒的集合体，后一种性质叫作波的微粒 性.
无机
化 学
● Plank 公式
1900年, 普朗克 (Plank M) 提出了表达光的能量 (E)与频率(ν)关系的方程, 即著名的普朗克方程：
E = hν，式中的h叫普朗克常量(Planck constant), 其 值为6.626×10-34 J· s.
h L mvr n 2
代入上式，得
• E = -（me4/8ε02h2）· （1/n2）=-B · （1/n2） • B= 1312kJ · mol-1=13.6eV
无机
总结：波尔理论要点如下: 1）行星模型 波尔假定，氢原子核外电子是 处在一定的线形轨道上绕核运行的。 2）定态假设 波尔假定，氢原子核外电子在 轨道运行时有一定的不变的能量，这种状态称为 定态。 基态---能量最底的定态。 激发态---能量高于基态的定态。 3）量子化条件 波尔假设，氢原子核外电子 的轨道是不连续的，在轨道运行的电子具有一定 的角动量。
~R 1 1 2 2 n2 n1
式中 为波数的符号, 它定义为波长的倒数, 单位常用cm-1; R 为里 德堡常数, 实验确定为1.097 37×107 m-1; n2大于n1 , 二者都是不大的 正整数. 各线系 n 的允许值见下表：
The allowed values for n in above equation
Δ E = E2 － E1 = hν=B（1/n12-1/n22）
如果电子由能量为E1的轨道跃至能量为E2的轨道, 显然应从外 部吸收同样的能量.
E: 轨道的能量 ν：光的频率 h: Planck常数
无机
化 学
• 根据经典力学“离心力等于向心力”原理
• Mν2/r =Ze2/4πε0r2
• 将量子化条件
无机
化 学
1-4-1
氢原子光谱
氢原子光谱特征:
①不连续的、线状的， ②是很有有规律的.
无机
化 学
氢原子光谱由五组线系组成, 即紫外区的莱曼(Lyman)系, 可见 区 的 巴 尔 麦 (Balmer) 系 , 红 外 区 的 帕 邢 (Paschen) 系 、 布 莱 克 特 (Brackett)系和芬得(Pfund)系. 任何一条谱线的波数(wave number) 都满足简单的经验关系式:
无机
化 学
1-2-3 原子的质量
一个原子的质量很小，但是不等于构成它 的质子和中子质量的简单加和。 例如，1摩尔氘原子的质量比1摩尔质子和1 摩尔中子的质量和小0.00431225g。这一差值称 为质量亏损，等于核子结合成原子核释放的能量 ---结合能。单位是百万电子伏特（Mev）。 不同数量的核子结合成原子释放的能量与核 子的数量不成比例，比结合能是某原子核的结合 能除以其核子数。比结合能越大，原子核越稳定。
无机
化 学
•1-1-2 原子论的优点与缺点
道尔顿提出了原子量的概念，并且 解释了当时已知的化学反应的定量关系； 却不能给出许多元素的原子量，但是原 子论极大地推动了化学的发展。
无机
化 学
1—2 相对原子质量（原子量）
元素---具有一定核电核数的原子。 原子序数---按元素的核电核数进行 排序所得的序号。 元素符号
Ha
Hb
Hg
Hd
656.2 486.1 434.0 410.1 656.3 486.1 434.1 410.2
● 对其他发光现象（如Ｘ光的形成）也能解释 ● 计算氢原子的电离能
波尔理论的不足之处
● 不能解释氢原子光谱的精细结构 ● 不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂 ● 不能解释多电子原子的光谱
无机
• 1-2-1 元素，原子序数和元素符号
无机
化 学
•1-2-2 核素，同位素和同位素丰度
1. 核素---具有一定质子数和一定中子数的原 子称为一种核素。 它可以分为稳定核素和放射性核素；还可以 分为单核素元素和多核素元素。 核素符号, 质子数， 中子数， 质量数。 2.同位素---具有相同核电核数，不同中子数 的核素互称同位素。eg,氢的3种同位素氕，氘， 氚。 3.同位素丰度---某元素的各种天然同位素的 分数组成（原子百分比）。
n 值为 1 的定态.通常电子保持在能量最低的这一基态. 基态是 能量最低即最稳定的状态. 激发态(excited states): 指除基态以外的其余定态. 各激发态的能量随 n 值增大而增 高. 电子只有从外部吸收足够能量时才能到达激发态.
无机
化 学
★关于能量的吸收和发射跃迁规则.
玻尔模型认为, 只有当电子从较高能态(E2)向较低能态(E1) 跃迁时, 原子才能以光子的形式放出能量(即, 定态轨道上运动 的电子不放出能量), 光子能量的大小决定于跃迁所涉及的两条 轨道间的能量差. 根据普朗克关系式, 该能量差与跃迁过程产生 的光子的频率互成正比：
普朗克认为, 物体只能按hν的整数倍 (例如1, 2, 3等)一份一份地吸收或释出光 能, 而不可能是0.5, 1.6, 2.3等任何非整 数倍.这就是所谓的能量量子化概念.
无机
化 学
● 光电效应 1905年, 爱因斯坦(Einstein A)成功地解释 了光电效应(photoelectric effect), 将能量量子 化概念扩展到光本身. 对某一特定金属而言,不 是任何频率的光都能使其发射光电子. 每种金 属都有一个特征的最小频率(叫临界频率), 低 于这一频率的光线不论其强度多大和照射时 间多长, 都不能导致光电效应. The photoelectric effect 爱因斯坦认为, 入射光本身的能量也按普朗克方程量子化, 并将 这一份份数值为1的能量叫光子(photons), 一束光线就是一束光子 流. 频率一定的光子其能量都相同, 光的强弱只表明光子的多少, 而与每个光子的能量无关. 爱因斯坦对光电效应的成功解释最终使光的微粒性为人们所接 受. 以波的微粒性概念为基础的一门学科叫量子力学(quantum mechanics).
化 学
无机
化 学
4)跃迁规则 电子吸收光子就会跃迁到能 量较高的激发态，反之，激发态的光子会放出 光子返回基态或者能量较底的激发态。光子的 能量就是跃迁前后2个能级的能量之差。
无机
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波尔理论的成功之处
● 解释了 H 及 He+、Li2+、B3+ 的原子光谱
Wave type
Calculated value/nm Experimental value/nm ● 说明了原子的稳定性