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原子结构
一、氢原子结构的量子力学模型
波粒二象性
1. λ=h/p=h/mv
2. 不确定原理
波动方程，波函数和量子数
量子数
主量子数n：决定电子运动状态的能量（n∈（0，+oo）
轨道角动量量子数l（角量子数、电子亚层）： 表示原子轨道的形态，是影响其能量的次要因素（l=0、1、2…（n-1）） 例如，n=4，了=0、1、2、3、4；对应的光谱学符号分别为s、p、d、f 在同一电子层，l起大，相应轨道能量越高
磁量子数m：表示轨道在空间的伸展方向 l相同、m不同的轨道在能量上完全相同，这些轨道称为简并轨道
自旋角动量量子数ms（自旋量子数）：表示电子在空间的自旋状态，取值为+1/2和-1/2，有时也用↑和↓表示
概率密度
电子云
波函数的图像表示
角度分布图
径向分布函数图
转穿效应
二、多电子原子的结构
屏蔽效应
在多电子原子中,其他电子与电子i之间存在排斥作用,这相当于部分地抵消了原子核正电 荷对电子i的吸引力;其他电子对电子i的这种作用称为屏蔽效应
被抵消的那部分核电荷用屏蔽常数σ表示,剩余的用于吸引电子i的核电荷称为有效 核电荷用Z*表示
原子轨道的近似能级
原子的核外电子排布
在书写20号以后的元素基态原子的电子组态时，虽然电子填充按照原子轨道近权能级顺序进行,但电子组态的书写要按电子层顺序进行
为了简化电子组态的书写,通常把内层已达到稀有气体电子层结构的部分用该稀有气体元 素符号加方括号表示,称其为原子实或原子芯
内层电子由于能量较低而不活泼,因此化学反应通常只涉及外层(或次外层)原子轨道上的 电子,这部分电子称为价电子(valence electron),相应的电子层称为价电子层或价层(valence shel)。元素的化学性质主要取决于价电子的数目及其所处的轨道,采用原子实表示的电子组 态使价电子一目了然
离子的电子组态仿照原子电子组态的方式书写。例如,Fe*的电子组态为[Ar]3d。
三、元素周期表
能级组与周期
能级组电子组态与族
1.主族 周期表有IA~VA共8个主族。主族元素原子的最外层是价电子,余下的原子 实内各亚层都已充满电子。因为原子实是稳定结构,所以主族元素的最高可能氧化数取决于最 外层电子数,与族号一致
2.副族 周期表有IB~WIB共8个副族。副族元素的最外层电子、次外层d电子、以及外 数第3层f电子的部分或全部都可以参加化学反应,它们都是价电子。IB~VIB元素的族号与 价电子数一致
元素分布
四、元素基本性质的周期性变化
原子半径
原子半径的类型
1. 范德华半径：在液态和固态共价化合物中,分子和分子之间的吸引力 为van der Waals力
2. 金属半径：指金属晶体中相邻两个原子的核间距离的一半（如果金属 体中原子的堆积方式不同,临近原子的数目(配位数)不同,测出的半径数值也不同）
3. 共价半径:通常把同种元素之间共价键键长的一半作为该元素原子的共价半
共价半径的变化趋势
同一周期从左往右,主族元素的原子半径减小
副族元素原子半径变化的总趋势是缓慢缩小,其间有小幅度起伏
镧系收缩
副族元素因镧系收缩的影响,第5、6周期元素的原子半径相差较小,有些甚至基本相同
电离能与电子亲和能
1. 元素原子的电离能：指气态原子的最低能量(基态能量) 相应的正离子的最低能量之间的差值
同一周期从左往右：电子层数相同,主族元素核电荷增加起主要作用,核对外层电子的吸引 力增大,便原子半径减小,导致电离能升高
同一族从上往下,核对外层电子的吸引力减少,原子半径增大，电子更容易失去，电离能降低
2. 元素原子的电子亲和能：指气态原子的最低能量（基态能量）与相应的最低能量之间的差值
电子亲和能反映元素的原子结合电子能力的大小
一般来说,如果一个元素的 电离能较高(即难以失去电子),则其电子亲和能也较高(易干得到电子)
电负性
同一周期从左往右,电负性逐渐增大;主族元素之间差别明显,副族元素的变化幅度较小
同一族从上往下，主族兀素的电负性一般是递减,但也有个别元素的电负性数值异常;副族元素 的变化情况较复杂
分子结构
一、离子键
离子键的形成与特点
离子键的形成：库伦作用
离子键的本质与特点
1. 没有方向性
2. 没有饱和性
离子键的强度
晶格能
晶格能越大表示破坏该晶体需要消耗越多的能量,晶体就越稳定
由于离子晶体在标准 状态下不可能气化成正、负离子,所以无法用实验的方法直接测定晶格能
Born-Haber循环：利用有关热力学数据通过热化学计算晶格能的大小
一般来说,对于同种晶型的离子晶体，晶格能越大,其熔点就越高,硬度也越大 另外,离子型化合物的热稳定性以及在水中的溶解度也都与晶格能有关
离子的电荷、半径和电子组态
1. 离子电荷
从离子键的形成过程可知,正离子的电荷数就是原子失去相应的电子数,负离子的电荷就是原子获得相应的电子数,离子电荷的多少直接影响着离子键的强度。一般来说,正、负离 所带的电荷越高,离子晶体的晶格能越大,离子化合物越稳定
2. 离子半径
指离子的电子云分布范围,因此严格地说,离子没有固定的半径,半径数值的大小只能近似地反映了离子的大小
离子半径的大小与周围 环境有关,即与离子的配位数有关
一些大致的变化趋势
1.同一周期的主族元素的正离子从左到右所带的电荷数增多,离子半径依次减小
2.同一主族元素的离子自上而下电子层数依次增多,带有相同电荷数的同族的离子半径次增大
3.相邻两主族左上方和右下方两元素的正离子半径相近
4.同一元素正离子的半径随电荷数增加而减小
3. 离子的电子组态
子主题
离子的电子组态影响离子之间的相互作用,使得离子键的性质有所改变,从而影响晶格能的大小,造成晶体具有不同的物理性质(如熔点、溶解度等)
离子极化现象
离子极化
当带相反电荷的离子相互靠近时，会诱导对方的电子云发生变形,偏离原来的球形分布
极化能
离子的外电场造成其他离子的电子云变形
变形力
离子的电子云在外电场的作用下发生变形
二、共价键
经典共价键理论
现代共价键理论
分子轨道理论
现代共价键理论
共价键的本质
两个成键原子具有自旋方向相反的未成对电子它们的原子轨道发生了重叠,单 电子在两核之间自旋配对,使系统能量降低而形成共价键
现代价键理论的基本要点是: 1.只有自旋相反的单电子可以相互配对形成稳定的共价键 2.成键电子的原子轨道尽可能达 到最大重叠。轨道重叠程度越大,两核之间电子的概率 度越大,系统能量降低越多,形成的共价键越稳定。这称为最大重叠原理
共价键的特点
1. 饱和性
2. 方向性
共价键的类型
杂化轨道
杂化轨道理论认为同一原子中能量相近的某些原子轨道,在成键过程中可以“杂化成同等 数目的新的原子轨道,这些新的原子轨道叫作杂化轨道
由于杂化轨道的 能量和形状相同或相似,彼此之间在空间呈最大夹角分布,因而有利于与其他原子的轨道发生 最大重叠,形成更加稳定的共价键
1.s-p型等性杂化 对于主族元素来说,ns、np能级比较接近,往往采用s-p型杂化
2.不等性杂化
分子轨道理论
分子轨道理论的要点
成键分子轨道
反键分子轨道
（1）对称性匹配原则 （2）能量近似原则 （3）最大重叠原则
分子轨道：电子在分子中的运动状态
分子轨道的类型
σ分子轨道
π分子轨道
分子轨道理论的应用
1.第二周期元素同核双原子分子的电子组态
2.异核双原子分子的分子轨道
3.π键
共价键
共价键参数
键的极性
μ=q.d
极性键
非极性键
键能
表示键的牢固程度的参数，用符号E表示
键长
指构成共价键的两个原子的核间距离,用符号L表示
键角
指分子中键和键之间的夹角，用符号θ表示
三、分子的形状与极性
价层电子对互斥模型
夹层电子对互斥模型要点
子主题
中心原子价层电子对数目的确定
价层电子对数目和分子几何形状
分子的极性
偶极矩μ
矢量
永久偶极矩：极性分子的偶极矩
对于双原子分子来说,键的极性就是分子的极性
多原子分子的情况稍微复杂些,分子的极性不仅取决于各个键的极性,而且还要考虑这些 键在分子内的分布情况,即分子的几何形状 如：H2O是极性分子，CO2是非极性分子
诱发偶极矩：外界电场造成分子的正、负电荷重心发生了相对位移,我们把 再重 这种附加的偶极矩称为诱导偶极
一般说来,外界电场越强,分子的变形性越大,其诱导偶极越大
四、分子间作用力
Van der Waals 力
Van der Waals 力的类型
1. 取向力
2. 诱导力
3. 色散力
影响Van der Waals 力的因素
色散力＞＞取向力＞诱导力
Van der Waals 力对物质性质的影响
物质的物理性质与Van der Waals 力的关系
物质的溶解性与Van der Waals 力的关系
氢键
氢键的形成和特性
分子内氢键和分子间氢键
氢键对物质性质的影响
对熔点和沸点的影响
对物质溶解度的影响
都属于分子间力的范畴,是一种广泛存在的弱作用
五、晶体结构
晶体的宏观特征和微观结构
晶体的宏观特征
1.晶体具有规则的外形 晶体在生长过程中自发地形成多面体
2.晶体具有各向异性 在晶体内部的不同方向上微观粒子的周期性排列情况不同,所 体的物理性质在不同方向上是不同的
3.晶体具有固定的熔点 在一定压力下,晶体只有加热到某一温度才开始熔化
晶体的微观结构
晶体的宏观特征是其微观结构特征的体现
晶胞的类型
晶胞是晶体结构中的基本重复单元,其大小和形状可用平行六面体的边长a、b、c以及夹角α、β、γ的关系来确定,这些边长和夹角也称为品胞参数
晶体的类型及其特性
金属晶体
1. 六方密堆积
2. 面心立方密堆积
3. 体心立方堆积
4. 简单立方堆积
离子晶体
1. Cs型结构
2. NaCl型结构
3. 立方ZnS型结构
原子晶体
分子晶体
化学键键型和晶体晶型的关系
离子极化作用对键型的影响
离子极化作用对化合物理化性质的影响
1.离子极化对化合物溶解性的影响
离子化合物的溶解性与晶格能、水合焓等因素有关。 由于正、负离子与极性水分子之间存在较强的离子一偶极相互作用,所以离子化合物一般易溶 于水。如果正、负离子之间发生相互极化,离子键向共价键过渡,在水中的溶解性就会降低
2.离子极化对化合物熔点的影响
离子化合物一般具有较高的熔、沸点,而共价化合物的 熔点、沸点较低。如果离子化合物中存在较强的极化作用,引起晶格能变小,其熔点就会下降
3.离子极化对物质颜色的影响
影响化合物颜色的因素有很多,这里简单介绍离子极化作 用对电荷迁移的影响