物质结构基础总结

1)离子键:
• 电负性较小的金属原子与电负性较大的非金属原子间以静 电引力形成的化学键 • 由离子键形成的化合物——离子化合物 • 离子键有极性，无方向性和饱和性
2) 共价键
• 原子通过共用电子对形成的化学键——共价键，或 • 共价键：原子间成键电子原子轨道重叠形成的化学键 • 价键(VB)理论——成键电子只能在以化学键相连的两原子 间的区域运动 • 分子轨道(MO)理论
H
37
He
152 111
Li Be
原子半径 (pm) 比例图
80
B
77
C
70
N
66
O
64
F
Ne Ar
Na Mg
186 160
Al Si
P
S
Cl
99
143 117 110 104
K Ca
Sc Ti V Cr Mn
Fe Co Ni Cu Zn
Ga Ge As Se Br
121 117 114
Kr
227 197 161 145 131 125 137
1.1 1.3 1.5 1.7 1.3 1.3
• 通常，金属 < 2.0 ，非金属 > 2.0 • 电负性越大，表示在分子中原子吸引电子的能力越强 (2) 金属性与非金属性 • 指元素(在化学反应中)得、失e的难易程度 • 显然，得e易，非金属性强；失e易，金属性强 • 横向: 左 • 纵向: 上 主族元素 右 金属性↓, 非金属性↑ 金属性最强 Fr 下 金属性↑, 非金属性↓ 非金属性最强 F
124 125 125 128 123 122 123
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te
I
Xe
248 216 181 160 143 136 136 133 135 138 145 149 163 141 141 143 133
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi
副族元素 • 因最外层都是ns1,2，e少，所以都是金属元素 • 又 r 变化较小，M性变化很慢
7、化学键和分子间相互作用力
• 当原子相互结合形成分子后, 性质将大不相同
• 化学键是原子或离子间强烈的相互作用力 • 化学反应的实质是旧键 新键
• 并且可见： ∆x大 键极性 大 • ∆x小 键极性 小 典型离子键 典型共价键
• 核外电子排布式
要求会用以上四项原理+原则写出所有原子基 态电子构型。最好先按能级顺序, 再重排(使n相 同的亚层在一起) 例：29Cu, 填充顺序： 1s22s22p63s23p64s13d10 书写时要按主量子数进行调整, 即 1s22s22p63s23p63d104s1
• 外层电子分布式
4、核外电子排布原则
1、基态原子的电子分布，将按照先低后高顺序，首 先填充能量低的轨道——能量最低原理。 2、每一轨道中最多只能容纳2个e, 且自旋一定相反， 称为Pauli不相容原理 • 3、在同一亚层上，电子将尽量分占各个轨道, 且自 旋相同——Hund规则 4、对于p, d, f 亚层，分别填充3, 5, 7 或者 6, 10, 14个e 时，原子能量较低——半满、全满规则 用以上2个原理+2个规则, 可得到原子的基态电子构型
ⅠA,ⅡA Ⅱ ⅢA―ⅦA, 0 Ⅶ ⅢB―Ⅷ ⅠB,ⅡB Ⅱ 镧系
• 价电子构型也是e最后进入的亚层， 按e最后进入的不同亚层，可以对：
3. 周期表分区
s d f 元素区 s p d
ds
p ds 族
ⅠA,ⅡA Ⅱ ⅢA―ⅦA, 0 Ⅶ ⅢB―Ⅷ Ⅷ ⅠB,ⅡB Ⅱ ⅢB
f
价 电 子 构 型 ns1,2 ns2 np1-6 (n-1)d1-8 ns1,2 (n-1)d10 ns1,2 (n-2)f 1-14 ns2
0.82 1.00 1.36 1.54 1.63 1.66 1.55 1.83 1.88 1.91 1.90 1.65 1.81 2.01 2.18 2.55 2.96
Ga Ge As Se Br
Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl
9、杂化轨道
• 原子在相互结合成键过程中, 原来(能量接近)的原 子轨道要重新混合, 形成新的能量相近的原子轨道, 改变了原有轨道的形状，称为杂化轨道 • 杂化轨道有利于最大重叠，使分子更稳定 杂化轨道理论要点 不参与成键的原子轨道一般不参与杂化 有孤对e参与的杂化因各轨道成分不等, 称为不等性 杂化 杂化轨道的数目与原子轨道数目相同。
源自文库
2) 金属性与非金属性
(1)、电负性 、 • 定义：原子在分子中 分子中吸引电子的能力，用x表示 分子中 • 根据元素的电负性，可衡量元素金属性与非金 属性的相对强弱： 元素的电负性值越大，则该元素吸引电子的能 力越强，非金属性越强，金属性越弱； 元素的电负性值越小，则该元素失去电子的能 力越强，金属性越强，非金属性越弱。
H
0.98 1.57
元素电负性比例图
(Pauling Scale)
2.04 2.55 3.04 3.44 3.98
He B C N O F Ne Ar
Li Be
2.20
Na Mg
0.93 1.31
Al Si
P
S
Cl
1.61 1.90 2.19 2.58 3.16
K Ca
Sc Ti
V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn
第五章物质结构基础 第五章物质结构基础 小结
材料的性能
取决于
内部结构
包括
原子结构
原子键合
原子排列
包括
显微组织
晶 体
非晶体
1、波函数和量子数—电子运动状态的描述
描述微观粒子运动规律的波动方程为： 描述微观粒子运动规律的波动方程为： 二阶偏微分方程 式中： 式中： 体现微观粒子微粒性的物理量——m、E、V 体现微观粒子微粒性的物理量 、 、 体现微观粒子波动性的物理量——ψ，波函数： 体现微观粒子波动性的物理量 ψ 波函数： 1.波函数和原子轨道： 波函数和原子轨道： 波函数和原子轨道 波函数：描述了原子中单个电子运动状态的波的函数 波函数： 式——原子轨道 原子轨道——电子运动的一种状态 电子运动的一种状态 原子轨道 为了得到波动方程的合理的解，自然得到的参数： 为了得到波动方程的合理的解，自然得到的参数： 量子数？
265 217 188 156 143 137 134 134 136 138 144 160 170 175 155
Po At Rn
187
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
188 183 182 181 181 180 199 180 178 177 177 173 175 194 173
0.79 0.89 1.10 1.3 1.5 1.7 1.9 2.2 2.2 2.2 2.4 1.9
I
Xe
0.82 0.95 1.22 1.33 1.6 2.16 2.10 2.2 2.28 2.20 1.93 1.69 1.78 1.96 2.05 2.1 2.66 2.60
Pb Bi
Po At Rn
(1) 价键理论要点
a、自旋相反的单电子配对成键， 共价键的饱和性 共价 b、原子形成分子时，按电子云重叠最大的方向成键 键的方向性
c、原子轨道同号（对称性相同）重叠，重叠越多共价键越 牢固——最大重叠原理
按成间原子轨道重叠方式不同,可将共价键分 为σ 键和π 键
• 两原子轨道沿键轴方向以“头碰头”方式进行同号 重叠所形成的键叫σ 键，键轴旋转时重叠部分不变 • 两原子轨道沿键轴方向以“肩并肩”方式进行同号 重叠所形成的键叫π 键 • σ 键比π 键重叠要多，核间e云密度更大，因而键更 强、更稳定.
3、多电子原子结构与元素周期系
•多电子原子中，轨道能量与n、l有关，按能级高低 顺序，得能级图 •当n相同时，随着l 增大，轨道能量升高 •当l 相同时，随着n增大，轨道能量升高 •当都不同时，会出现“能级交错”现象 •核电荷对某个电子的吸引力因其它电子对该电子的 排斥而被削弱的作用称为屏蔽效应。屏蔽只是内层e 对外层e而言。 •钻穿效应：外层电子钻到内层，从而躲避了内层电 子对它的屏蔽，使有效核电荷增加、能量降低。
2.0 2.2
1.8 1.8 1.9
Fr Ra Ac
0.7 0.9 1.1
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
1.10 1.12 1.13 1.14 -- 1.17 -- 1.20 -- 1.22 1.23 1.24 1.25 -- 1.0
Ac Th Pa U Np Pu
ψ(n, l, m, ms, x, y, z) 包含四个量子数
量子 实验表现 数 名 称 代表意义 取值范围 主 电子层 一般(精度不高)原 n 1, 2, 3, … 量子数 (能层) 子光谱可以区分 0, 1, 2, 3, 角 电子亚层 高精度光谱仪 l …, n-1 量子数 (能级) 可以区分 0, ±1, ±2, 外加磁场中，高 磁 同亚层 m 量子数 角动量分量 ±3,…, ±l 精度谱仪可区分 自旋 很高精度谱仪+外 ms e自旋状态 +1/2, -1/2 量子数 磁场可区分
2) 价层电子构型与族
• 元素的化学性质主要取决于价电子 • 价电子所在的能级称为价层 • 价层电子分布式称为价层电子构型 主族元素电子最后填入的是最外层的s或p亚层 副族元素电子最后填入的是倒数第二层的d亚层 镧系、锕系元素电子最后填入的是倒数第三层 的f亚层
• 元素所在的族数，一般由价层电子数来判断 元素所在的族数， 主族元素和ІB、ІІB族元素的族数等于最外层电子 数 第ІІІB至VІІB族元素的族数等于最外层电子数与 次外层电子数之和 VІІІB最外层电子数与次外层电子数之和为8~10 元素的价电子构型(通式)： 价 电 子 构 型 ns1,2 ns2 np1-6 (n-1)d1-8 ns1,2 (n-1)d10 ns1,2 (n-2)f 1-14 ns2 族
共价单键一般是σ 键 共价双键一般是一个σ 键，一个π 键 共价三键一般是一个σ 键，两个π 键
8、几个重要的键参数
1）键能 在标准状态(pθ)以及298.15 K下，拆开1 mol ）键能: 的AB分子，变成 A(g) + B(g) 所需要的能量. 衡量共价键牢固程度的键参数. 2、键长 、 • 分子中，相邻两个原子间的平衡核间距。单键的键 长越短，表示键能越大，分子越稳定。 • 一般，双键、三键比单键短 3、键角 、 • 多原子分子中，相连的三个原子间两个化学键的夹 角。
•ds区 不称s/d区：因为，1) 此时d10已满，而s区总为d0 ds区 不称s/d s/d区 因为， 此时d 已满， 区总为d ds 性质大不相同, 故用ds ds以示区别 2) K 4s1和Cu 4s1 性质大不相同, 故用ds以示区别
6、元素原子的一些周期性质
• 元素有效核电荷的周期性变化，决定了原子半径、 电负性、金属性与非金属性的周期性变化。 1) 原子半径 • 范得华半径>其单键共价半径 • 金属半径>其单键共价半径 • 决定原子半径的主要因素:电子层数和有效核电荷 • 随着原子序数的增加，原子半径呈现周期性的变化
2、电子云
• 电子在原子核外空间作高速旋转运动，像带负电 荷的云雾笼罩在原子核周围，故形象地称它为电 子云。 |ψ|2——电子在核外空间的几率分布(几率密度) • 电子云的角度分布图：反应了电子在核外空间各 个方向上出现的几率密度的分布规律，与原子轨 道的角度分布图形相似。 • 原子轨道的角度分布图形有正、负之分。
5、原子的电子层结构与元素周期系
• 元素随着原子序数的递增，核外电子结构呈现周期 变化，导致性质呈现周期变化，构成元素周期表。 • 周期表反应了电子结构与周期系的关系。
1) 能级组与周期
• 元素在周期表中所处的周期数等于该元素原子的能 级组数，即等于电子层数。 • 每周期元素的数目等于相应能级组中原子轨道所能 容纳的电子数。
价层电子构型： 主族元素外层电子分布式：是最外层 副族元素外层电子分布式：最外层+次外层 例：K（19）外层电子分布式? 4S1，铬（24）外层电子分布式? 3d54s1, 原子失电子的顺序不一定是填充的逆过程 例：Mn（25）的外层电子分布式? 3d54s2, Mn2+的外层电子分布式? 3s23p63d5