无机化学-物质结构

第四章

物质结构

—原子结构、分子结构

Structure of materials

本章学习要求

1.掌握单电子原子、多电子原子的轨道能级和核外电子排布规律， 熟练写出第四周期以内元素原子的核外电子排布式； 2. 掌握原子结构与周期系的关系,了解元素基本性质的变化规律；

3. 掌握价键理论的要点、共价键的特点及σ 键和π 键的形成、特点；

4. 掌握杂化轨道理论的要点，能解释简单分子的形成及分子的空间 构型；5. 掌握分子间作用力和氢键的形成、特点及对物质性质的影响。

Properties of Waves

Wavelength (l) is the distance between identical points on successive waves. Amplitude is the vertical distance from the midline of a wave to the peak or trough.

自然界的电磁辐射

射 线

X | 射 线

真 空 紫 外

近 紫 外

可 见 光

近 红 外

基 本 红 外 -

远 红 外

微 波

无 线 电 波 -

0.01 10-10 200

200 400

400 800 2500 5000 3E4 5E4-

800 250 5000 3000 5E4 3E7 0 0波长(nm)

Maxwell (1873) proposed that visible light consists of electromagnetic waves.Electromagnetic radiation is the emission and transmission of energy in the form of electromagnetic waves.

All electromagnetic radiation ln=cc: speed of electromagnetic waves, i.e., 3.00 108 m/s; l: wavelength; n: frequency

Plank’s quantum theory量子理论discrete (不连续的) quantities, like small packages or

Molecules could emit (or absorb) energy only in

bundles. Planck gave the name quantum (量子) to the smallest quantity of energy that can be emitted (or absorbed) in the form of electromagnetic radiation.The energy E of a single quantum of energy is given by where h is called Planck’s constant. h: 6.63x10-34 J s.

E=h

n

n: frequency of the radiation

微观粒子能量变化是不连续的，只能以某一最小 能量单位的整数倍变化，最小能量单位称为量子

Max Planck(普朗克)(1858~ 1947)

德国物理学家，量子论 的奠基人 1900年，他在黑体辐射 研究中引入能量量子。 由于这一发现对物理学 的发展作出的贡献，他 获得1918年诺贝尔物理 学奖。 墓碑号刻着他的名和h的 值

“Photoelectric Effect”光电效应 Solved by Einstein in 1905Light has both: 1. wave nature 2. particle nature光的波粒二象性 Photon is a “particle” of lightA beam of light is really a stream of particles. These particles of light are now called photons(光子，光量子). Using Planck’s quantum theory of radiation as a starting point, Einstein deduced that each photon must possess energy

hn

KE e-

h: Plank’s constant, h=6.63x10-34 J s. n: frequency of the radiation

E = hn

1. 微观粒子的运动特性1) 波粒二象性(wave-partical parallelism) 1924 年， de Broglie提出了静止质量不为 零的微观粒子具有波粒二象性的假设。并 预言具有动量 P 的微观

粒子，其物质波 的波长为 l , h h

l=

p

=

mv

1927 年， de Broglie 的预言被电子衍射实验 所证实，故这种物质波称为de Broglie波。h: Plank 常量； v: 微观粒子的速度； P=mv 动量

电子衍射实验示意图用电子枪发射高速电子通过薄晶体片射击感光

荧屏，得到明暗相间的环纹，类似于光波的衍射环纹。电 子 枪

电 子 束

金属箔 感光屏幕 衍射环纹

Louis Victor Pierre Raymond Duc de Broglie (1892-1977)French physicist. Member of an old and noble family in France. He held the title of a prince. In his doctoral dissertation, he proposed that matter and radiation have the properties of both wave and particle. For this work, de Broglie was awarded the Nobel Prize in Physics in 1929.

宏观物体与微观粒子比较粒子 1V电子 氢原子 m (kg) 9.1×10-31 1.6×10-27 v (m.s-1) 5.9×105 1.0×103

h l= mv近 似 直 波动性 径(m) 10-15 显著 尚显著

l (m)1.2×10-9

4.0×10-10 10-10

枪弹垒球

1.0×10-22.0×10-1

1.0×1033.0×10

6.0×10-35 ~10-21.1×10-46 ~10-2

无无

由上表可知，当波长λ大于实物粒子直径才表现波动性。

2) Heisenberg测不准原理

(uncertainty principle)

不可能同时准确地测定微观粒子的动量(或速度) 和位置。 即 x · p≥h x:位置测不准量 , p:动量测不准量 测不准原理是宏观与微观的判别式。 3) 量子化特征 E = h (Plank定律)

微观粒子能量变化是不连续的，只能以某一最小 能量单位的整数倍变化，最小能量单位称为量子

Werner Karl Heisenberg (1901-1976)German physicist. One of the founders of modern quantum theory, Heisenberg received the Nobel Prize in Physics in 1932.我想不到有甚么诗句或成语可以描述海森伯的文章， 既能道出他的天才的独创性，又能描述他的思路中 不清楚、有渣滓、有时似乎茫然乱摸索的特点。 Heisenberg W

2. 波函数 Wave function是通过解薛定谔方程(微观粒子运动的波动方 程)得到的。

波函数 是描述核外电子运动状态的数学函数式，是原子轨道，

1) Schrö ndinger 方程 2ψ 2ψ 2ψ 8 π 2 m (E V)ψ = 0 2 2 2 2 x y z h

Schrö ndinger 方程: 描述核外电子运动状态的波动方程。

-波函数， Schrö ndinger 方程的解，描述核外电子在空间运动的数学函数式，即原子轨道

E- 轨道总能量(动能与势能总和 ) m— 微粒质量，h— 普朗克常量 x,y,z 为微粒的空间坐标， (x,y,z)波函数

Erwin Schrodinger (1887-1961)Austrian physicist. Schrodinger formulated wave mechanics, which laid the foundation for modern quantum theory. He received the Nobel Prize in Physics in 1933.1944年，薛定谔还发表了《生命是什么？——活细胞的物 理面貌》一书(英文版，1948;中译本，1973)。在此书 中，薛定谔试图用热力

学、量子力学和化学理论来解释生 命的本性，引进了非周期性晶体、负熵、遗传密码、量子 跃迁式的突变等概念。这本书使薛定谔成了今天蓬勃发展 的分子生物学的先驱。

Schrodinger E

2) 波函数与原子轨道 波函数ψ是描述微观粒子在核外三维空间的

一种运动状态的数学表达式ψ(x,y,z) 波函数是描述微观粒子运动的波动方程即薛

定谔方程的解。 一个确定的波函数即表示电子的一种运动状态。

波函数又可称为原子轨道。如：Ψ1s 又称为1s 轨道。

3) 直角坐标( x,y,z)与球坐标 (r, , )的转换

(x,y,z)= (r, , ) =R(r)Y( , )径向波函数 角度波函数

球坐标与直角坐标关系 # 一个合理的波函数，必然对应一组合理的量子数：n、l、m。 # n, l, m, 称为量子数，是决定波函数的三个参数。

各种波函数的角度分布图 s、p 轨道角度部分剖面图s+ x z px - z +

xpz z +

py -

z +

y

x

-

d 轨道角度部分剖面图

dxy-

y + x

dxz-

z

dyz+ x - z - +

z + Y -

四 花 瓣 形

+

-y - +

+

+ +x- -

x

-

+

d x2-y2

d z2

f 原子轨道角度分布图

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/awz4.html