4.物质结构基础-复习版

ψ是描述电子运动状态的数学函数式，称
波函数或原子轨道，如基态氢的波函数：
100
1
a
3 0
-r
• e a0
北方工业大学机械与材料工程学院
⑴ 量子数的取值和符号
1.主量子数n
电子离核的平均距离，电子的能量。
n = 1, 2, 3, 4, 5, 6 …… 对应：K, L, M, N, O, P ……
• n越大，电子离核平均距离越远，能量越高。
亲和能、电负性）的周期性规律
北方工业大学机械与材料工程学院
本章小结
❖4.2 化学键
➢ 离子键的形成、特征，离子的电子层结构 ➢ 共价键的要点、特征和类型 ➢ 离子极化理论对离子化合物性质的影响 ➢ 价层电子对互斥理论要点及应用，杂化轨道理论
要点及应用，不同类型的杂化轨道杂化过程及空 间构型
北方工业大学机械与材料工程学院
本章小结
❖4.3 晶体结构
➢ 晶体的特征及晶体与非晶体的区别 ➢ 离子晶体、原子晶体、分子晶粒和金属晶体的成
键特征及对物质性质的影响
北方工业大学机械与材料工程学院
本章小结
❖4.4 分子间作用力与氢键
➢ 分子的极性，分子间力的产生、特征 ➢ 氢键的形成特征，分子间力及氢键对物质性质的
影响
北方工业大学机械与材料工程学院
V字型
共价键的类型
σ键：原子轨道沿键轴（即两核间连线）方向以“头 碰头”方式进行重叠而成的键。
π键：原子轨道沿键轴方向以 “肩并肩”方式进行 重叠而成的键。
北方工业大学机械与材料工程学院
特征
σ键
轨道重叠方式 沿键轴方向“头碰头”重 叠
重叠部位 集中在两核之间键轴处， 可绕键轴旋转
重叠程度 大
键的强度 较大
l=3， m=0， ±1， ±2
代表d亚层有5 个轨道取向： dz, dxz, dyz, dxy, dx2-y2
n l m 的组合确定了一个原子轨道（ψ n .l ） 北.m方工业大学机电学院
⑴ 量子数的取值和符号
n
l
m
(主量子数) (角量子数) (磁量子数）
1. 2. 3.…∝ 0. 1. 2.…(n-1) 0±1±2±l
K.L.M.N…
s. p. d. f…
mS(自旋量子数)
+1， -1 22
表示:顺、逆时针自旋。
北方工业大学机械与材料工程学院
⑵ 量子数的意义
主量子数n 电子的能量；
电子离核的平均距离。 —电子层的概念
角量子数l 原子轨道的形状: (s—球形；p—双球形…)
在多电子原子中影响能量 —电子亚层的概念
3. 离子半径： 根据晶体中相邻正负离子间的核间距(d)测出的。 d = r+ + r- （有效离子半径）
1. 共价键的价键理论（VB法）
价键理论，其要点：
①成键原子的未成对电子自旋相反； ②最大重叠原理：成键原子的原子轨道重叠程度（ 面积）越大，键越牢。 ③对称性匹配原理：原子轨道的重叠，必须发生 于角度分布图中正负号相同的轨道之间。
n l 的组合确定了一个能级。
北方工业大学机械与材料工程学院
磁量子数m 原子轨道或电子云在空间的 伸展方向: 每一个m值，对应一个方向。 （0 —z方向 +1 、 -1 —x 、 y方向, 等
n l m 的组合确定了一个原子轨道（ψ n .l .m）
自旋量子数ms 电子的自旋状态:
↑↑自旋平行，↑↓自旋非平行
42
分子的 几何构型
示例
直线型
HgCl2，CO2
平面三角形 V字型 四面体 三角锥 V字型
三角双锥 变形四面体
T型 直线型 八面体
BF3，SO3 PbCl2，SO2 CH4，SO42NH3，SO32H2O，ClO2-
PCl5 SF4，TeCl4 ClF3，BrF3 XeF2，I3SF6，[AlF6]3-
VP =
2
此外： H与卤素作配位原子，各提供一个电子；
卤素作中心原子，提供7个电子；
氧族元素配位原子时可认为不提供共用电子，作中 心原子，提供6个电子。 叁键、双键作为1对电子；
余下一个电子作一对电子看。
北方工业大学机械与材料工程学院
(2) 确定成键电子对数BP； (3) 确定孤电子对数LP； ⑷ 推断分子的几何构型（空间分布）。 若价层电 子对中无孤对电子，电子对的空间分布就是分子的 空间构型；
量
中的轨道分裂为不同的能级，
称能级分裂
➢ 当n、l都不同时，有时出现能
级交错现象
北方工业大学机械与材料工程学院
4.2 物质结构的第二方面问题：
分子结构
化学键
分子的几何构型
分子或晶体内相邻原子 （或离子）间强烈的相
互吸引作用
分子在空间呈一定的几 何形状
（即几何构型）
离子键、共价键、金属键
北方工业大学机械与材料工程学院
与之类似的还有氨： 其分子构型是四面体型。
北方工业大学机械与材料工程学院
一些杂化轨道（s-p）和分子空间构型
杂化轨道类型 sp
sp2
sp3
不等性sp3
参加杂化轨道 1个s、1个p 1个s、2个p 1个s、3个p
1个s、3个p
杂化轨道数
2
3
4
4
成键轨道键角 180°
120°
109°28′
90°＜θ＜109°28′
1.离子的电荷：原子在形成离子化合物过程中， 失去或得到的电子数
2. 离子的电子构型 简单负离子一般最外层具有稳定的8电子构型。 正离子：2电子构型 Li+ Be2+
8电子构型 Na+ K+ Ca2+ 18电子构型 Cu+、 Ag+、 Zn2+ 、 Cd2+、 Hg2+ （ds区） 18+2电子构型 Pb2+ 、 Sn2+ 、 Bi3+ （p区） 9-17电子构型 Fe2+ 、Fe3+、 Cr3+、 Mn2+ （d区）
轨道名称：1s
轨道名称：2s，2p 轨道名称：3s，3p，3d 轨道名称：4s，4p，4d, 4f
北方工业大学机电学院
3.磁量子数m
原子轨道或电子云在空间的伸展方向:
m = 0，±1，±2，±3 …… ±l
取值受角量子数的影响
l=0， m=0
s轨道为球形，只有一个取向
l=1， m=0， ±1 代表 pz，px，py 3个轨道
2
y 2
2
z 2
8h22m（E -V）ψ
0
解此方程可得：
①系统的能量E ； 电子
核
波
②波函数ψ。
北方工业大学机械与材料工程学院
解此方程时自然引入三个量子数：n、l、m。 只有它们经过合理组合,ψn .l .m才有合理解。
ψ(1.0.0) =ψ1.0.0 =ψ1s 称1s轨道; ψ(2.0.0) =ψ2.0.0 =ψ2s 称2s轨道; ψ(2.1.0) =ψ2.1.0 =ψ2p 称2p轨道;
空间构型
直线
平面三角形 正四面体
三角锥 V形
实例
BeCl2、 HgCl2
BF3、BCl3 CH4、SiCl4
NH3、 PH3
H2O、 H2S
北方工业大学机械与材料工程学院
配离子中的化学键—(s-p-d杂化)
以[Ni(CN)4]2-为例:
Ni2+的外层电子构型为3d84s04p0
3d
4s
4p
3d
4s
北方工业大学机械与材料工程学院
4个sp3杂化轨道的形状：
由sp3杂化形成的分子是正四面体形的：
北方工业大学机械与材料工程学院
以CH4分子的形成为例：
激发
杂化
成键
其四面体形状：
北方工业大学机械与材料工程学院
不等性sp3杂化—— H2O分子的形成：
基态O
激发态O
化合态H2O
所以，水分子构型是 “V字型”。
自旋平行。
北方工业大学机械与材料工程学院
近似能级图
L.Pauling 根据光谱实验给出了关于多电子原子能量 高低的近似图示——近似能级图
鲍林近似能级图
➢ 当l相同时，随着主量子数n的
增大，轨道能级升高，比如
E1s<E2s <E3s ➢ 当主量子数n相同时，随着l的
能
增大，轨道能级升高，比如
Ens<Enp <End，同一个电子层
离子键的特征
❖离子键的本质是静电引力
离子所带电荷越多，离子半径越小，离子键越强
❖离子键没有方向性
离子电场是球形分布的，因此没有方向性
❖离子键没有饱和性
离子键由于没有方向性，因此只要周围空间许 可，能吸引尽量多的带异号电荷的离子。
键的极性与元素的电负性有关
北方工业大学机械与材料工程学院
离子结构
❖ n个原子轨道杂化后只能得到n个能量相等、轨道 取向不同的杂化轨道。
北方工业大学机械与材料工程学院
s-p杂化形成的分子是直线形的： 以BeH2为例：
北方工业大学机械与材料工程学院
s-p2杂化形成的分子是正三角形的： 以BF3分子的形成为例：
激发
杂化
成键
分子呈平面正三角形。 其形成过程的立体图：
化学活泼型 较稳定
π键
沿键轴方向“肩并肩”重叠
分布在通过键轴的一平面的上下 方，键轴处为0，不可绕轴旋转 小 较小 较活泼
多重键中，必有一σ键，其余为π键。
分子的空间构型
原子组成分子，如何在空间排布
用于预测空间构型的价层电子对互斥
(VSEPR)理论;
用于解释空间构型的杂化轨道理论。
北方工业大学机械与材料工程学院
第四章 物质结构基础
Chapter 4 Basic Structures of Matter
北方工业大学机械与材料工程学院
本章小结
❖4.1 原子结构与周期律
➢ 核外电子的特征：量子化、波粒二象性、统计性 ➢ 波函数和原子轨道、量子数 ➢ 核外电子分布原则及近似能级图、原子的外层电子结
构 ➢ 元素的性质（原子半径、金属性与非金属性、电离能、
4.1 原子结构与周期律
“原子结构”的问题，实质是原子核外电 子的运动状态是什么样的？
近代结构理论认为，核外电子的运动 具有三大特征：
1. 量子化特征； 2. 波-粒二象性； 3. 统计性。
北方工业大学机械与材料工程学院
1926年，E.Schrödinger提出了描写电子运动的 波动方程：
2
x2
价层电子对互斥理论（VSEPR）
基本要点：
AXn型分子的空间构型决定于:
1. 中心原子A的价电子层中的电 子对排斥作用。
它总是采取电子相互排斥最 小的结构；
价电子层中的电子对包括： 成键电子对和未成键的孤电子 对。
北方工业大学机械与材料工程学院
2. 价层电子对间的斥力，其顺序为：
----
⑴ 成键电子对----成键电子对
四方锥
IF5，[SbF6]2-
平面正方形北方工业大学X机e械F与4，材料IC工程l4学- 院
杂化轨道理论的基本要点
❖ 同一个原子中能量相近的原子轨道之间可以通过 叠加混杂，形成成键能力更强的一组新的原子轨 道，即杂化轨道。
❖ 原子轨道杂化时，原已成对的电子可以激发到空 轨道中形成单电子，其激发所需的能量可以由成 键时放出的能量得到补偿。
n l m mS四个量子数的组合表示了一个电子的 运动状态。
北方工业大学机械与材料工程学院
多电子原子核外电子的排布
1. 泡利不相容原理
在同一原子中不能有四个量子 数完全相同的电子。
2. 能量最低原理
不违背泡利原理的前提下，电子尽先占据能
量最低的轨道。
3. 洪特规则
ຫໍສະໝຸດ Baidu
在等价轨道上，电子尽可能占据不同轨道而且
4p
北方工业大学机械与材料工程学院
物质结构的第三方面问题：
晶体 固 （crystal） 态 物 质
非晶体 （non-crystal）
北方工业大学机械与材料工程学院
• 对于单电子原子或离子而言，其能量E仅和主
量子数n有关。
北方工业大学机电学院
2、角量子数l
原子轨道的形状，表示电子所在的电子亚层, 在多电子原子中影响能量
l = 0, 1, 2, 3, 4 ……（n-1） 对应：s, p, d, f, g ……电子亚层
n=1时， l=0.
n=2时， l=0，1. n=3时， l=0，1, 2 n=4时， l=0，1, 2，3
北方工业大学机械与材料工程学院
1 第 章 物质结构基础
1.2 化学键与分子结构
共价键的特征
饱和性: 原子所能提供单电子数 = 共价单键数目
方向性: 原子轨道的重叠必须沿重叠最多的方向 进行，这样才能形成牢固的共价键。
px
【说明】 饱和性决定了物质的组成比，如：H2S 2:1
方向性决定了物质的几何构型，如：H H S
斥 力
成键电子对----孤电子对
小
孤电子对----孤电子对
大
所以，最先考虑孤对电子的斥力。 ⑵ 叁键>双键>单键 ⑶ 夹角越小，斥力越大
所以，最先考虑夹角90°的情况。
北方工业大学机械与材料工程学院
判断步骤：
⑴ 确定价层电子对数VP
中心原子的 价电子数
+
配位原子提供 的价电子数
+ -
正离子电荷数 负离子电荷数
若价层电子对中有孤对电子，分子的空间构 型便不同于电子对的空间分布。价层电子对的空 间分布与分子的几何构型的关系如表：
北方工业大学机械与材料工程学院
VP
价层电 子对数
2
价层电子对 空间分布
直线型
3 平面三角形
4 四面体
5 三角双锥
6 八面体
BP
成键电 子对数
LP
孤对电 子数
20 30 21 40 31 22 50 41 32 23 60 51