第1章 原子结构与键合(1)-原子结构与键合

2.3 混合键
实际的材料内部原子结合键往往是各种键的 混合，结合键也表现出一定的过渡性。 混合，结合键也表现出一定的过渡性。
表 某些陶瓷化合物中混合键特征
化合物中离子键的比例取决于组成元素的电 负件差，电负性相差越大则离子键比例越高。 负件差，电负性相差越大则离子键比例越高。 鲍林经验公式：（确定化合物AB中离子键 鲍林经验公式：（确定化合物AB中离子键 ：（确定化合物AB 结合的相对值）： 结合的相对值）：
1 (x A x B ) 2 4
离子结合(%) = [1 e]
×100%
(1 - 1)
式中， 分别为化合物组成元素A、 式中，XA、XB分别为化合物组成元素 、B 的电负性数值。 的电负性数值。
混合型晶体——石墨的结构 石墨的结构 混合型晶体
同时含有 共价键和 共价键和 范德瓦耳斯键
石墨晶体结构
金属键
化学键
主价键
一次键
离子键 共价键 范德瓦耳斯力 氢键
物理键
次价键
二次键
2.1 主价键 一、金属键
正离子与充满整个结构中的自由电子气之间的强相互作用。 正离子与充满整个结构中的自由电子气之间的强相互作用。 金属键没有方向性、饱和性。 金属键没有方向性、饱和性。 + + + + + + + + + + 结合能： 结合能： ~50 kcal/mol + + 特点： 特点：电子共有化 金属的导电性、导热性、 金属的导电性、导热性、 延展性都直接起因于金属 键结合（电子气）。 键结合（电子气）。
（二）角量子数
决定原子轨道的形状， 角量子数 l 决定原子轨道的形状 ， 取值为 0、1、 、 、 2….n－1。在多电子原子中，当 n 相同而 l 不同时，电子 不同时， － 。在多电子原子中， 的能量还有差别，又常将一个电子层分为几个亚层。 的能量还有差别，又常将一个电子层分为几个亚层。 n＝1 时，l ＝0，K 层只有 s 亚层； ＝ ， 亚层； n＝2 时，l ＝0、1，L 层有 s、p 亚层； ＝ 、 ， 、 亚层； n＝3 时，l ＝0、1、2，M 层有 s、p、d 亚层 ＝ 、 、 ， 、 、 亚层; n＝4 时，l ＝0、1、2、3，N 层有 s、p、d、f 亚层。 ＝ 、 、 、 ， 、 、 、 亚层。 在多电子原子中， 也决定着原子轨道的能量。 在多电子原子中， l 也决定着原子轨道的能量。当 n 相同时，随 l 的增大，原子轨道的能量升高。 相同时， 的增大，原子轨道的能量升高。
1.4
元素周期表
2 原子间的键合
一切物质均是由无数微粒按一定方式聚集而成的， 一切物质均是由无数微粒按一定方式聚集而成的， 这些微粒可能是分子 原子或离子。 分子、 这些微粒可能是分子、原子或离子。原子是化学变化中 的最小微粒。 的最小微粒。 两个或多个原子形成分子或固体时， 两个或多个原子形成分子或固体时，它们依靠什么 样的结合力聚集在一起，这就是原子间的键合问题。 样的结合力聚集在一起，这就是原子间的键合问题。
第一章 原子结构与键合
第一节 原子结构与键合 第二节 高分子结构
第一节 原子结构与键合
1、原子结构 、 1.1 物质的组成 1.2 原子的结构 1.3 原子的电子结构 1.4 元素周期表 2、原子间的键合 、 2.1 主价键 2.2 次价键 2.3 混合键 2.4 结合键的本质与原子间距 2.5 结合键与性能
（三）磁量子数
磁量子数m 决定原子轨道在空间的取向， 磁量子数 决定原子轨道在空间的取向，它 的取值为0, 种取向。 的取值为 ±1, ±2, ± l ，因此有 2 l + 1 种取向。 l ＝0 时，m只能取 0，s 亚层只有 1 个轨道； 个轨道； 只能取 ， l ＝1 时， m可取 －1、0、＋ ，p 亚层有 个 、＋1， 亚层有3个 可取 、 、＋ 轨道； 轨道； 同理， 个轨道， 亚层有7个轨道 个轨道。 同理，d 亚层有 5 个轨道，f 亚层有 个轨道。
结合能 ~ 150 kcal/mol 典型晶体： 典型晶体：NaCl、LiF等 、 等
离子键既没有方向性 也没有饱和性
+[:Cl:] Na + :Cl → Na
三、共价键
共享电子对
● ●
结合能： 结合能：~150 kcal/mol 典型晶体：金刚石、 典型晶体：金刚石、SiC等 等
共价键的本质是由于原子 共价键的本质是由于原子 相互接近时轨道重叠 （即波函数叠加），原 即波函数叠加），原 ）， 子间通过共用自旋相反 的电子对使能量降低而 成键。 成键。 共价键的主要特点是具有 共价键的主要特点是具有 饱和性和方向性。 饱和性和方向性。
（三）能量最低原理：在不违背泡利不相容原理的 能量最低原理： 前提下， 前提下，核外电子总是尽可能排布在能量最低的 轨道上，使系统处于最低的能量状态。 轨道上，使系统处于最低的能量状态。当能量最 低的轨道排满后，电子才依次排布在能量较高的 低的轨道排满后， 轨道上。 轨道上。
值得注意的是相邻壳层的 能量范围有重叠现象。 能量范围有重叠现象。电子 填充时， 填充时，有可能出现内层尚 未填满前就先进入外壳层的 情况。 情况。
金属离子沉浸在自 由电子的海洋中
二、离子键
当电负性较小的活泼金属元素的原子与电负性较 大的活泼非金属元素的原子相互接近时， 大的活泼非金属元素的原子相互接近时，金属原子失 去最外层电子形成带正电荷的阳离子； 带正电荷的阳离子 去最外层电子形成带正电荷的阳离子；而非金属原子 得到电子形成带负电荷的阴离子。 得到电子形成带负电荷的阴离子。 带负电荷的阴离子 阳、阴离子之间除了静电相互吸引外，还存在电 阴离子之间除了静电相互吸引外 静电相互吸引 子与电子、原子核与原子核之间的相互排斥作用 相互排斥作用。 子与电子、原子核与原子核之间的相互排斥作用。当 阴离子接近到一定距离时， 阳、阴离子接近到一定距离时，吸引作用和排斥作用 达到了平衡，系统的能量降到最低， 达到了平衡，系统的能量降到最低，阳、阴离子之间 就形成了稳定的化学键。 就形成了稳定的化学键。 这种阳、 这种阳、阴离子间通过静电作用所形成的化学键 离子键。 称为离子键 称为离子键。
2.2 次价键
一、范德瓦耳斯键
范德瓦耳斯键只 是原子间的偶极吸引 键力远低 力，键力远低于一次 键。 结合能： 结合能： ~1 kcal/mol 塑料等高分子材 料、部分层状无机化 合物层间作用力（ 合物层间作用力（石 水铝石、云母） 墨、水铝石、云母）
二、氢键
氢原子在两个电负性很强的原子(或原子团 之间形成一 氢原子在两个电负性很强的原子 或原子团)之间形成一 或原子团 个桥梁，把两者结合起来，成为氢键。表达为： 个桥梁，把两者结合起来，成为氢键。表达为： X-H—Y
2.4 结合键的本质
与原子间距
双原子模型： 双原子模型： 原子间存在的吸 引力和排斥力， 引力和排斥力， 使原子处于平衡 位置， 位置，能量处于最 低状态。 低状态。
2.5 结合键与性能 一、物理性能
（一）熔点与键能值有较好的对应关系
表 不同材料的键能和熔点
共价键、离子键化合物的熔点较高， 共价键、离子键化合物的熔点较高，其中 纯共价键的金刚石具有最高的熔点， 纯共价键的金刚石具有最高的熔点，金属的熔 点相对较低。 点相对较低。 金属中过渡族金属有较高的熔点， 金属中过渡族金属有较高的熔点，特别是 难熔金属W Mo、Ta等熔点更高 难熔金属W、Mo、Ta等熔点更高，这可能起 等熔点更高， 因于内壳层电子未充满， 因于内壳层电子未充满，使结合键中有一定比 例的共价键混合所致。 例的共价键混合所致。 具有次价键结合的材料， 具有次价键结合的材料，它们的熔点一定 偏低，如聚合物等。 偏低，如聚合物等。
3
M
9
4
N
16
二、核外电子的排布遵循三个原则
不相容原理： （一）泡利(Pauli)不相容原理：在一个原子中，不可 泡利 不相容原理 在一个原子中， 能存在四个量子数完全相同的两个电子。 能存在四个量子数完全相同的两个电子。 由泡利不相容原理， 由泡利不相容原理，可知一个原子轨道最多只 能容纳两个电子，而且这两个电子的自旋必须相反。 能容纳两个电子，而且这两个电子的自旋必须相反。 规则： （二）洪德(Hund)规则：在能级简并的轨道上，电子 洪德 规则 在能级简并的轨道上， 尽可能自旋平行地分占不同的轨道；全充满、 尽可能自旋平行地分占不同的轨道；全充满、半充 全空的状态比较稳定， 满、全空的状态比较稳定，因为这时电子云分布近 于球形。 于球形。
Hale Waihona Puke 原子结构1.1 物质的组成
一切物质均是由无数微粒按一定方式聚集而 分子、 成的，这些微粒可能是分子 原子或离子。 成的，这些微粒可能是分子、原子或离子。 分子是能单独存在 是能单独存在、 分子是能单独存在、并保持物质化学特性的 一种微粒。 一种微粒。 分子又是由一些更小的微粒——原子所组成。 原子所组成 分子又是由一些更小的微粒 原子所组成。 原子是化学变化中的最小微粒； 原子是化学变化中的最小微粒；原子并不是物质 的最小微粒。 的最小微粒。 离子是原子失去电子后得到的微粒 是原子失去电子后得到的微粒。 离子是原子失去电子后得到的微粒。
电子层、电子亚层、 电子层、电子亚层、原子轨道与量子数之间的关系 n 电子层 1 2 K L l 0 0 1 0 1 2 0 1 2 3 电子亚层 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 0 0 1,0,+1 0 -1,0,+1 -2,-1,0,+1,+2 0 -1,0,+1 -2,-1,0,+1,+2 -3,-2,-1,0,+1,+2,+3 m 轨道 数 1 1 3 1 3 5 1 3 5 7 4
结合能： 结合能： ~10 kcal/mol 具有饱和性和方向性 典型晶体： 典型晶体：H2O、HF、KH2PO4（KDP）等 、 、 ）
氢键的结合力比范德瓦耳斯键强 氢键的结合力比范德瓦耳斯键强 在带—COOH、 —OH、 —NH2原子团的高分子 、 在带 、 聚合物中常出现氢键 氢键在一些生物分子如DNA中也起重要作用 中也起重要作用 氢键在一些生物分子如
1.2 原子的结构
质子 中子 核外电子
原子核
原子核位于原子中心、带正电；质子带正电荷， 原子核位于原子中心、带正电；质子带正电荷，中子呈电中性 电子在原子核外高速旋转，带负电，按能量高低排列， 电子在原子核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，电子云
1.3 原子的电子结构
1926 年，奥地利著名的物理学家薛定谔提出描述 氢原子的电子的运动状态的方程，称为薛定谔方程 薛定谔方程。 氢原子的电子的运动状态的方程，称为薛定谔方程。 方程成功地解决了电子在核外运动状态的变化规 律，方程中引入了波函数的概念，以取代经典物理中 方程中引入了波函数的概念，以取代经典物理中 波函数的概念 圆形的固定轨道，解得的波函数（ 圆形的固定轨道，解得的波函数（习惯上又称原子轨 道）描述了电子在核外空间各处位置出现的几率，相 描述了电子在核外空间各处位置出现的几率， 出现的几率 当于给出了电子运动的“轨道” 当于给出了电子运动的“轨道”。 电子运动的“轨道”由四个量子数所确定。 电子运动的“轨道”由四个量子数所确定。
（四）自旋量子数
自旋量子数ms描述电子的自旋方向， 自旋量子数 描述电子的自旋方向，它的取 描述电子的自旋方向 值为 +1/2 和 -1/2。 。 综上所述， 、 综上所述，n、 l 、m 三个量子数可以确定 原子轨道， 一个 原子轨道，而 n、 l、m 、 ms 四个量子数可 、 、 以确定电子的运动状态。 以确定电子的运动状态。
一、四个量子数
主量子数、角量子数、磁量子数、 主量子数、角量子数、磁量子数、自旋量子数
（一）主量子数
决定原子轨道的能量。 越大， 主量子数 n 决定原子轨道的能量。n 越大， 电子离原子核的距离越远，电子的能量越高。 电子离原子核的距离越远 ， 电子的能量越高 。 在 一个原子中， 相同的电子为一个电子层 一个电子层。 一个原子中，常称 n 相同的电子为一个电子层。 分别称为第 当 n＝1、2、3、4、5、6、7 时，分别称为第 ＝ 、 、 、 、 、 、 七电子层， 一 、 二 、 三 、 四 、 五 、 六 、 七电子层 ， 相应地用 符号 K、L、M、N、O、P、Q 表示。 、 、 、 、 、 、 表示。