化学键与物质结构

化学键与物质结构

重点：四个量子数、核外电子排布、元素周期律；价键理论、化合物性质与分子结构的关系、价层电子对互斥理论、分子空间构型；晶体的特征及各种晶体的特点，离子的极化。

前面我们学习了热力学、动力学中的一些基本知识，这些都是从外因上解决化学问题，也就是说，它们不能从根本上，（从内因）解释一个反应的发生，以及在反应中各原子、分子是如何进行结合、分离的。如果要从根本上探索化学反应的实质，只有从其内部结构入手。所以学习物质的内部结构（原子、分子及晶体结构）是非常必要的。那么这一章，我们就开始学习有关原子、分子以及晶体内部结构的有关知识。

第一节核外电子运动状态

一．核外电子运动的量子化特性——氢原子光谱和玻尔理论

1．氢原子光谱

太阳光或白炽灯发出的白光，是一种混合光，它通过三棱镜折射后，便可分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等所有不同波长的光谱，这种光谱叫连续光谱（由许多波长连续变化的光波组成），一般白炽的固体、液体、高压下的气体都能给出连续关谱。有些光谱是由数条波长不连续变化的光波组成，叫不连续光谱。原子当受到激发时，发射出的光，经分光后得到的是不连续光谱，这种光谱叫原子光谱（或线状光谱），实际上，每种原子都具有自己的特征谱线，正是利用这点，我们可以进行原子量测定。

氢原子光谱是最简单的一种原子光谱具有两个特征：

⑴在可见光区内要有四条比较明显的谱线：HαHβHγHδ

⑵从长波到短谱，Hα至Hδ等谱线间距离越来越小。

1883年，瑞士物理学家巴尔麦指出了氢原子光谱可见光区各谱线的波长之间有如下关系：

γ= R∞c（1/22－1/n2）（n为2以上正整数）

γ= R∞c（1/n 12－1/n22）(n2 > n1)

λ= c/γR∞c =3.289 ×1015 s－1

如：n 1= 2, n2 = 3, γ=3.289 ×1015(1/22－1/32)=4.568 × 1014(s－1)

λ= c/γ=2.998×108/ 4.568×1014 = 656.3 (nm)

2. 玻尔理论

结果发生了尖锐的矛盾。

经典理论认为：

⑴电子绕核运动，核带正电，电子带负电，电子在运动时将发射电磁波，由于不断发射电磁波，电子的能量将逐渐减小，最终电子会落入原子核中。

⑵电子的能量逐渐变化，发射出的电磁波的频率应是连续的。但我们知道，原子光谱实际上并不是连续的。这样一来，事实与理论出现了矛盾。如何解决呢？

1913年，年轻的丹麦物理学家玻尔运用了德国物理学家普朗克的量子理论，将量子的概念应用到原子核外电子绕核运动上，成功的解释了氢原子光谱。

玻尔指出三点假设：①电子不是任意的，而是在某些符合一定条件的轨道上绕核运动的，电子在这些轨道上运动时，既不吸热也不放热。②电子运动轨道离核越远，原子所含能量越高，原子载正常或稳定状态时，各电子尽可能处在离核最近的轨道上，这里原子的轨道最低（称为基态），当原子从外界获得能量时，电子可以跃迁到离核较远的轨道上去，称为电子的激发，此时原子处于激发态。③当电子从离核较远的轨道上跃迁到离核较近的轨道时，原子才会以光的形式放出能量。

玻尔运用这些假设，圆满地解释了氢原子光谱，因而被称为玻尔理论。另外，玻尔理论引入了量子化概念。冲破了经典理论中能量是连续变化的束缚。指出了原子结构的量子化特性。因而是正确的，但是，玻尔理论也存在着缺陷，它不能解释多电子原子的原子光谱，只适用于解释氢原子光谱。因此，需要引入新的理论来进一步解释多电子原子光谱，这就是波粒二象性。

二．核外电子运动的波粒二象性

1、光的波粒二象性

“二象性”是指微粒在运动时，同时表现出“微粒性”和“波动性”。微粒性是指运动着的物体都具有动量和能量，它们的大小决定着物体的质量和速度。波动性是指微粒在运动中表现波的特性，具有一定的波长、频率、在传播中有干涉、衍射等现象。人们最初认为光只具有波动性，直到1905年爱因斯坦的光电效应试验之后，人们才真正认识到光不仅有波动性，还有微粒性，具有波粒二象性。那么光具有波粒二象性，核电子的运动又有什么特性呢？首先德布罗意预言，核外电子运动也具有波粒二象性。

2、德布罗意的预言（1929年获诺贝尔物理奖）

1924年，法国物理学家德布罗意大胆的预言，微观粒子（核外电子）也具有波粒二象

m，运动速度v的粒子，相应的波长λ可由下式求：λ=h/mv，p=mv

得到λ=h/p 这样通过h（普朗克常数）将波动性λ，粒子性p联系起来，这就是电子的波粒二象性。德布罗意的预言打开了人们进一步研究实物微粒运动规律的大门。

3、电子衍射实验

任何理论只有经过实践的检验才能成为真理，1927年，戴维森（Davission,C.J）和革尔麦（L.H.Germer）做了电子衍射实验，证实了德布罗意的假设，他们发现一束电子经过一薄晶片时，可以像单色光穿过小孔那样的到衍射现象，这些衍射现象说明电子具有波动性。

通过它们的实验结果，可以证明，电子仅是一种具有一定质量告诉运动的带电粒子，而且呈现出波动性，具有波粒二象性。

那么微观粒子运动状态又是怎样的，我们又如何来描述呢？

三、核外电子运动状态的描述

1、测不准原理

经典力学中，我们能准确的同时测定一个宏观粒子的位置和它的动量，但是，在微观世界中就不能准确的同一个粒子的位置和它的动量。1927年，德国物理学家海森堡提出了量子力学中一个重要的关系式：

△X·△P≈h （△X：确定粒子位置时的不准量△P：确定粒子动量时的不准量）两者不准量之积近似等于h。

这是海森堡测不准关系式，从关系是可以看出：粒子位置的准确度越大，（△X愈小），则相应的动量准确度越小（△P越大），反之亦然。

需要指出的是：<1> 测不准关系式只适用于微观粒子。

<2> 测不准关系式指出了微观粒子运动的波粒二象性。

那么对于微观粒子，不能同时测得准确的位置和动量，所以，不能用量子力学的方法描述电子的运动状态，所以引入了薛定谔方程。

2、薛定谔方程（1933年获得诺贝尔奖）

薛定谔是奥地利科学家，他首先提出了描述核外电子运动状态的数学表达式，薛定谔方程。

α2Ф/αx2+α2Ф/αy2+α2Ф/αz2= —8π2m/h2(E-V)Ф

其中：Ф是电子运动的波函数，它是描述核外电子运动状态的一种数学表达式；x，y,z 是空间坐标；E是总能量；V:势能；m:电子质量；h:普朗克常数。