第二章 原子结构和晶体的结合力

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α粒子
α粒子
电子
卢瑟福提出含核原子结构模型。主要观点是:
(1)每一个原子都有一个体积极小、极密实的核;
(2)原子核占有全部正电荷和几乎全部的原子质量;
(3)原子核被一个体积很大几乎什么也没有的空间包围着; (4)原子核外的空间里极稀疏地散布着电子,其总荷数恰好 与原子核中的正电荷相等。
卢瑟福的原子结构的行星模型
二、共价键
——亚金属(C、Si、Sn、Ge)、 聚合物和无机非金属材料。 实质:由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子 对形成。 在形成共价键时,为使电子云达到最大限度的重叠,共 价键就有方向性,键的分布严格服从键的方向性。 当一个电子和另一个电子配对以后就不再和第三个电子 配对了,成键的公用电子对数目是一定的,这就是共价键 的饱和性。
考虑到核外电子运动的特殊性,求解波函数时,引入了 三个量子化参数,分别为::主量子数n,k,m
主量子数 n:
n=1 2 3 4 · · · · · · ,n 对应主壳层:K L M N •主要决定电子的能量 •电子离核的平均距离 •电子层数 •各电子层的轨道数
角量子数 l:
l=0,1,2,· · · · · · ,(n -1)等正整数,
共价键
Covalent Bonding
主价键
Primary Bonding
结合键 Bonding
物理键
Physcal Bonding
金属键
Metallic Bonding
范德华键
Van der Waals Bonding
次价键
Secondary Bonding
氢键
Hydrogen Bonding
电负性
由于这一开拓性的贡献,玻尔获得了1922年诺贝尔 物理学奖。
玻尔理论的局限性:
1.它对能级的描述很能粗略,只有一个量子数。 2.更不能解释原子如何形成分子的化学健的本质。
5 .原子的量子力学模型——核外电子的运动和电 子排布规律
玻尔的原子结构模型理论也不是十分完美,对于多电子 原子的光谱线时,就只能做出近似的估计,无法定量计算。
1
0 1
3
1 3
M
3 2
9 5
小结
2.2 原子间的结合力
结合键:原子结合成分子或晶体的作用力。
结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。 从原则上讲,只要能从理论上正确地分析和计算结合键, 就能预测物质的各项性质。
离子键
Ionic Bonding
化学键
Chemical Bonding
IA O
元素周期表
IIIA
IVA
VA
VIA
VIIA
硼5 B 铝13 Al IIB 锌30 镓31 Zn Ga 镉48 铟49 Cd In 汞80 铊81 Hg Tl
碳6 C 硅14 Si 锗32 Ge 锡50 Sn 铅82 Pb
氮7 N 磷15 P 砷33 As 锑51 Sb 铋83 Bi
氧8 O 硫16 S 硒34 Se 碲52 Te 针84 Po
氟9 F 氯17 Cl 溴35 Br 碘53 I 砹85 At
氦2 He 氖10 Ne 氩18 Ar 氪36 Kr 氙54 Xe 氡86 Rn
镧 57 铈 58 镨 59 钕 60 钷 61 钐 62 铓 63 钆 64 铽 65 镝 66 钬 67 铒 68 铥 69 镱 70 镥 71 La La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 锕 89 钍 90 镤 91 铀 92 镎 93 钚 94 镅 95 锔 96 锫 97 锎 98 锿 99 镄100 钔101 锘102 铹103 Ac Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
电子层 量子数 原子轨道表
电子层 K L n 1 2 l 0 0 m 0 0 0 ±1 0 0 ±1 0 ±1 ±2 原子轨道符 号 1s 2s 2pz 2px ,2py 3s 3pz 3px , 3py 3dz2 3dyz, 3dxz 3dx2-y2, 3dxy 亚层中 原子轨 道数 1 1 电子层 中原子 轨道数n2 1 4
电负性:原子在分子中吸引成键电子的能力。 元素的电负性大,表示原子在分子内吸引电子 的能强。 元素的电负性目前还无法直接测定 目前较为通用的是鲍林的电负性标度。 鲍林的电负性标度: 假定元素氢H的电负性=2.05 然后通过比较和计算得到其它元素的电负性(32页)。
同周期元素变化:
同周期元素,电负性从左到右加大。
六、各种结合键的特点比较
离子键、共价键和金属键都涉及到原子外层电子的重新 分布,这些电子在键合后不再仅仅属于原来的原子,因此, 这几种键都称为化学键。
在形成分子键和氢键时,原子的外层电子分布没有变化, 或变化极小,它们仍属于原来的原子。因此,分子键和氢 键就称为物理键。
一般说来,化学键最强,氢键和分子键较弱。
一、离子键 ——多数盐类、碱类和金属氧化物
实质:金属原子失去电子成为带正电的正离子,非金属
原子得到电子成为带负电的负离子,两个异号离子间的
静电吸引作用。 正负离子通过静电引力(库仑引力)而结合成离子化 合物或离子晶体,因此离子键又称极性键。
特点:以离子而不是以原子为结合单元,要求正负离 子相间排列,且无方向性,无饱和性。结合力较大 离子晶体性质:熔点和硬度均较高,热膨胀系统小, 但脆性大。良好电绝缘体。
类 型
作用力来源
键合 强弱

形成晶体的特点
无方向性键、高配位数、高熔 点、高强度、低膨胀系数、塑 性较差、固态不导电、熔态离 子导电
原子得、失电子后形成负、 离子键 正离子,正负离子间的库仑 引力 相邻原子价电子各处于相反 共价键 的自旋状态,原子核间的库 仑引力
五、氢键
在 HF、H2O、NH3 等物质中,原子都是通过极性共价键 结合的,氢原子中唯一的电子被其它原子所共有,裸露原子 核将与近邻分子的负端相互吸引形成氢桥。使分子之间通过 氢键连接。下面以水为例加以说明。 氢和氧原子间形成共价键,由 于氢-氧原子间的共用电子对靠近 氧原子而远离氢原子,使氢原子 剩下一个没有任何核外电子作屏 蔽的原子核(质子),于是这个 没有屏蔽的氢原子核就会对相邻 水分子中的氧原子外层未共价电 子有较强的静电引力,这个引力 就是氢键。
评价:
• 正确指出了原子的构成 • 对电子的运动状态描述不符合事实。
4.玻尔的原子结构模型--发现核外电子的能量 (1)在原子中,电了不能沿着任意轨道绕核旋转,而只能沿着
符合一定条件的轨道旋转。电子在轨道上运动时,不吸收或 放出能量,处于一种稳定状态。 (2) 原子中的电子在不同轨道运动时可具有不同的能量,电
电子云模型:
对于原子来说, 核外电子的运动状态用波函数描述。 电子的波函数满足薛定谔方程
h2 2 [ ∇ V ] ( x, y, z ) E ( x, y, z ) 2 8 m
2 2 2 2 2 x y z 2
2
ψ——电子波函数: 描述原子核外电子运动状态的一个数学函数式 E——体系的总能量 V——体系的势能 m——微粒的质量 h——普朗克常数 x、y、z——微粒的空间坐标
四. 范德华键
范德华键:材料中分子间通过范德华力而形成的键。
+
共价键分子 极性分子:共价电子对偏于某一成键电子
-
非极性分子:共价电子对位于成价电子中间
极性分子=偶极子 诱导偶极子
+源自文库
永久偶极子
-
实质:
电偶极矩 感应作用
静电力
+
偶极子
+
偶极子
-
诱导力
偶极子
诱导偶极子
色散力
诱导偶极子
诱导偶极子
甲烷结构示意图 特点:范德华键是一种次价键,没有方向性和饱和性 ,它比化学键的键 能小1-2个数量级,远不如化学键牢固,但能很大程度改变材料性质。 由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低。 因无自由电子,因此材料有良好的绝缘性。 在高分子材料中总的范德华键超过化学键的作用,故在去除所有的 范德华键作用前化学键早已断裂了,所以高分子往往没有气态,只有 固态和液态。
同族元素,电负性从上到下减小。
稀有气体的电负性是同周期元素中最高的。 电负性最大的元素是F,最小的元素是钫Fr。 非金属元素电负性>2.0 金属元素电负性<2.0
电负性高 电负性低 氢1 H IIA 锂3 铍4 Li Be Periodic Table of Elements 钠 11 镁 12 Na Mg IIIB IVB VB VIB VIIB VIII IB 钾19 钙 20 钪 21 钛 22 钒 23 铬24 锰25 铁26 钴27 镍28 铜29 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu 铷 37 锶 38 钇 39 锆 40 铌 41 钼42 锝43 钌44 铑45 钯46 银47 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag 铯55 钡 56 铪72 钽73 钨74 铼75 锇76 铱77 铂78 金79 La Cs Ba Hf Ta W Re Os Ir Pt Au 钫 87 镭88 Fr Ra Ac
第二章
原子结构和晶体的结合力
2.1 原子结构
近代科学实验证明:原子是由质子和中子组成的原子核,以 及核外的电子所构成的。 原子的体积很小,直径约为10-10m数量级,而其原子 核直径更小,仅为10-13m数量级。 原子的质量恰主要集中在原子核内。因为每个质子 和中子的质量大致为1.67X10-24g,而电子的质量约为 9.11X10-28g,仅为质子的1/1836。
科学家们经过 13 年的艰苦修改、验证、论证,终于在 1925
年~1926年,在玻尔原子结构模型的基础上发展成为原子的 量子力学模型,其核心是薛定锷波动方程。
原子的量子力学模型包括:
① 玻尔所采用的量子化能级的概念,即主量子数(主层)。 ② 此外还提出其他量子数以说明电子的能量,如亚层和轨 道数。 ③ 由于电子属于微观粒子,具有波粒二象性,它在核外的 运动速度可以与光速相比,很难同时准确地测定它的速 度和位置,只能用统计的方法来描述,因而引入了“电 子云”的概念。
以s,p,d,f· · · · · · 等表示。
•决定电子运动的角动量; •决定原子轨道的形状; •影响多电子原子中电子的能量; •表示同一电子层还可以分出几个亚层。
磁量子数 m
m=0,±1,± 2,±3· · · · · · ,±l 等正整数。 决定了各原子轨道在空间的伸展方向, 电子亚层中原子轨道的数目。
特点:饱和性、方向性 共价键晶体性质:强度高,硬度高,脆性大,熔点高, 沸点高和挥发性低。
金刚石结构
三、金属键
金属键:金属中自由电子与金属正离子之间构成的键。
实质:金属最外层电子数很少(通常s、p 价电子数少于
4),即价电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子, 形成电子云。
特点:电子共有化,既无饱和性又无方向性, 容易形成低能量密堆结构。 金属键材料特点: 良好的导电性和导热性。 正的电阻温度系数。 不透明并呈现特有的金属光泽。 良好的塑性变形能力,好的强韧性。
汤姆生认为:正电荷均匀地分布在原子之中,而电子
就像是葡萄干面包中的葡萄干一样散布在原子的正电
荷之中,这就是原子结构的第一个模型——葡萄干面 包式模型。
面包(原子)
葡萄干(电子)
3.卢瑟福的原子结构模型--发现原子核结构
1911年,英国物理学家卢瑟福做了一系列实验:当用一束平 行的a粒子轰击金箔时,发现绝大多数a粒子穿过金箔不改变 行进方向,只有极少数的 a 粒子产生偏转,其中个别的甚至 反方向折回。
子运动时所处的能量状态称为能级。电子在轨道上运动时所
具有的能量只能取某些不连续的数值 (电子能量是量子化的 )。
(3)只有当电子从某一轨道跃迁到另一轨道时,才有能量的
吸收或放出。当电子从能量较高的(E2)轨道跃迁到能量较低 的(E0)轨道时,原子就放出能量。放出的能量转变为一个辐 射能的光子,其频率可由两个轨道的能量差决定。玻尔提 出的原子结构模型,揭示了光谱线与原子结构的内在联系。
1 近代原子论的建立者——道尔顿
化学元素均由不可再分的微粒构成, 这种微粒称为原子。 原子在一切化学变化中均保持其不 可再分性。 同一元素的原子在质量和性质上都 相同,不同元素的原子在质量和性质上 都不相同。 不同元素化合时,这些元素的原子按 简单整数比结合成化合物。
2.汤姆生的原子结构模型-葡萄干面包模型
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