4_物质结构基础-上

nullnull*Inorganic & Analytical Chemistry物质结构基础null*Inorganic & Analytical Chemistry 诗人们总说，科学家看不见星星的美丽——星星在科学家眼里仅仅是一堆聚集的气体原子。没有什么是“仅仅是”。我能看见沙漠夜空里的星星，也能感觉到他们。但是我是不是看见耳朵比别人少，或者多些？广袤的太空激起了我的幻想——盯着这个旋转的苍穹，我用我的小眼睛能够捕捉100万年以前的光线……宇宙比以前任何一个艺术家所能想象到的都要奇妙的多…… ……请允许我说明我讲这门课的主要目的。我的目的不是教你们如何应付考试，甚至不是让你们掌握这些知识，以便更好的为今后的你们面临的工作服务。我最希望的是你们能够欣赏到这个世界的美妙……你们学会的不仅仅是如何欣赏这种文化，甚至也愿意参加到这个人类思想诞生以来最伟大的探索中来。 ——理查德费曼 4.1 物质结构理论发展简介*Inorganic & Analytical Chemistry黑白二色，代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 阴阳两方，天地两部； 黑白两方的的界限就是划分天地阴阳界的人部。 白中黑点表示阳中有阴，黑方白点表示阴中有阳。 4.1 物质结构理论发展简介公元前四世纪，古希腊德谟克利特提出朴素的原子论，亚里士多德提出四元素——土、气、水、火说；后来增加了第五元素“以太” 古代印度提出五元素——水、地、火、风、空null*Inorganic & Analytical Chemistry原子-分子论经典原子模型玻尔氢原子模型量子力学1803-1811年1900-1911年道尔顿-阿佛迦德罗卢瑟福量子论海森伯，薛定谔，普朗克1661年，英国的波义耳在《怀疑派化学家》书中给元素下了科学的定义1789年，法国的拉瓦锡发表《普通化学原理》与牛顿的《自然哲学的数学原理》齐名1913年1925-1926年null*Inorganic & Analytical Chemistry1927年第五届索尔维会议参加者合照null*Inorganic & Analytical Chemistry量子力学经典力学17世纪末和20世纪初。以牛顿《自然哲学之数学原理》的出版为标志，宣告了现代经典物理学的正式创立最彻底地推翻和重建了整个物理学体系。1900年12月14日, 42岁的普朗克在柏林宣读了他关于黑体辐射的论文，宣告了量子quantum的诞生。量子论的奠基人之一玻尔(Niels Bohr)说：“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。” 理查德费曼说：“…我想我可以相当有把握的说，没有人理解量子力学。”null*Inorganic & Analytical Chemistry 1900年，英国物理学家开尔文在赞美19世纪物理学成就的同时，指出：“在物理学晴朗天空的远处，还有两朵小小的、令人不安的乌云。”这两朵乌云，指的是当时物理学无法解释的两个实验，一个是黑体辐射实验，另一个是迈克耳孙－莫雷实验。正是这两朵乌云导致了量子论与相对论的诞生。 电子的发现,打破了原子不可分的传统观念,开辟了原子研究的崭新领域; 放射性的发现,导致了放射学的研究,为原子核物理学作好必要的准备; 黑体辐射的研究导致了普朗克黑体辐射定律的发现.由此提出了能量子假说——关键是采用了玻尔兹曼的几率概念和统计方法 1905年,爱因斯坦针对经典理论解释光电效应所遇到的困难,提出了一个崭新的观点----光量子假说.《上帝在掷骰子吗？》 普朗克和爱因斯坦的工作在物理学史上有其重要的地位,但使量子理论产生深远影响的是玻尔——解决了光谱问题 还有德布罗意（物质波）、薛定谔（波动力学）、海森堡（矩阵力学）、狄拉克（相对论量子力学和量子场论）……自然界的电磁辐射*Inorganic & Analytical Chemistry自然界的电磁辐射波长（nm）连续光谱null*Inorganic & Analytical Chemistry氢原子光谱null*Inorganic & Analytical ChemistryFe在电弧中发光 无论何时、何地，测得的谱线位置和强度完全吻合！1. 玻尔理论 *Inorganic & Analytical Chemistry1. 玻尔理论 1) 核外电子只能在有确定半径和能量的轨道上运动，且不辐能量。　 2) 通常，电子处在离核最近的轨道上，能量最低—基态;原子得到能量后,电子被激发到高能轨道上，原子处于激发态。 3) 从激发态回到基态释放光能 ，光的频率取决于轨道间的能量差。 玻尔理论的局限：1) 多电子原子光谱 2)氢原子的精细光谱 1. 微观粒子的三种基本属性*Inorganic & Analytical Chemistry 1. 微观粒子的三种基本属性 E2 - E1 = E = h h —普朗克常数（6.626×10 -34 J · S）基态激发态定态能量最低 最稳定能量较高 不太稳定E = 2.18×10-18 / n2n — 主量子数 1913年，丹麦物理学家 N•Bohr 提出氢原子结构模型:1234（1）量子化——氢光谱null*Inorganic & Analytical Chemistry1924年，法国物理学家德布罗意(louis •de • broglie)受光 的波粒二象性的启发，提出微观粒子也具有波粒二象性。 （2）微观粒子的波粒二象性德布罗意关系式：  = h／mv 粒子性:实物粒子波动性:1927年, 电子衍射实验null*Inorganic & Analytical Chemistry戴维逊和汤姆逊波粒二象性是微观粒子运动的基本属性电子发射器晶体镍照相底片几率波说明：此性质同样适用于宏观世界，只是因为宏观物质的质量太大，其波长太小，无实际意义。null*Inorganic & Analytical Chemistry 粒子在客观上不能同时具有确定的坐标位置及相应的动量。测不准原理来源于微观粒子的波粒二象性，是微观粒子的基本属性，所谓的测不准与测量仪器的精度无关。 （3）测不准原理 (the Uncertainty principle) 由 量子力学创始人 海森堡 （Heisenberg）1927年提出的。测不准原理 现也通常被称作不确定关系。null*Inorganic & Analytical Chemistry测不准原理是基于微观世界的量子学说得到的。也同样适用于宏观世界，是普适的客观规律。 在现实中也是遵循测不准原理的，只是可以忽略不计而已。如：一颗子弹射击出去，他的靶点不是固定在一个点上，而是在一个范围内（约10-7米的一个范围内），在这个范围内，是不能确定。 因为现实世界中，物体都比较大，速度也慢，所以测不准原理基本是没有什么用的，因为测不准范围很小。只有微观世界才有用。 与相对论和波粒二象性类似——在现实世界中其效应可以忽略不计，采用经典物理学计算的结果和精度足以满足我们的需要，而且非常简单方便。说 明2. 波函数与原子轨道*Inorganic & Analytical Chemistry2. 波函数与原子轨道说明：本节不讨论薛定谔方程的求解过程，只是对解薛定谔方程中引入的三个量子数（ n, l , m）的意义作必要的探讨。1926年，奥地利物理学家薛定谔(E.schroding)提出了氢原子体系的电子运动方程： Ψ物理意义：描述原子中电子运动状态的数学函数式， 又称为原子轨道。通常用ψ(x , y , z)表示。（原子轨道）— 波函数x,y,z ：空间坐标，E：体系的总能量，V：势能null*Inorganic & Analytical Chemistry说 明波函数Ψ是描述核外电子运动状态的数学函数式。 波函数通常也叫原子轨道。原子在不同条件（n，l，m）下的波函数叫做不同的原子轨道，通常用s，p，d，f等符号依次表示l＝0，1，2，3的轨道 波函数Ψ描述了核外电子可能出现的一个空间区域（原子轨道），不是经典力学中描述的某种确定的几何轨迹。 Ψ没有明确的物理意义，但 ||2 表示空间某处单位体积内电子出现的几率（几率密度）。3. 量子数*Inorganic & Analytical Chemistry3. 量子数无外加磁场时，n、l 相同的原子轨道能量相同。 称为等价轨道，如 ψ(2 ,1 ,0) , ψ(2 ,1 ,1) , ψ(2 ,1 , -1) 主量子数 角量子数磁量子数n= 1 ，2，3，. . . . . l= 0 ，1 ，2 ， n-1 m = 0，±1，±2，  ± lψ (n，l，m)表示一个原子轨道 n, l, m 三个量子数是薛定谔方程有合理解的必要条件。null*Inorganic & Analytical Chemistry氢原子轨道与三个量子数的关系null*Inorganic & Analytical Chemistry( n , l , m , ms )可全面描述核外电子的运动状态主量子数(n)：代表电子离核的平均距离。电子层角量子数 (l ) ： 反映原子轨道的形状。电子亚层0s1p2d3f磁量子数 (m)： 反映原子轨道的空间取向。 自旋量子数 (ms)：表征电子的自旋状态，取值：量子数的物理意义通常用：“ ”或“ ”表示。4 电子云*Inorganic & Analytical Chemistry4 电子云 反映电子在空间某位置上单位体积内出现的几率大小。用波函数的平方(ψ2)来描述。电 子 云 电子云是电子在空间几率密度分布的形象化图示。通常用小黑点的疏密来表示。几率密度说明：光速是极限，光子无静止质量，电子的运动速度肯定小于光速，由于电子具有波粒二象性，依据测不准原理无法如经典物理学那样准确知道电子运动的轨道，具有不确定性。但是其在某个空间出现的概率可以知道。这是确定性与不确定性的辩证统一。这种不确定性也体现在生物进化论上（后达尔文主义——中心进化与自然选择）null*Inorganic & Analytical Chemistry图片显示有大约1.9万个直径超过4英寸(约10厘米)的人造物体正绕地球旋转 图片中每一个圆点表示在低地轨道运行的直径超过4英寸(约10厘米)的少量已知太空垃圾null*Inorganic & Analytical Chemistryψ(x, y, z)ψ(r, ,φ ) φPP` x = r sin cosφ y = r sin sinφ z = r cos ψ(r,  , φ )= R( r ) · Y(, φ) 径向部分 角度部分 波函数和电子云的图像可分解为两部分: 径向分布图和角度分布图 将Y( , φ)或 Y2( , φ)随 、φ 的变化关系 作图即得波函数或电子云的角度分布图。 波函数和电子云的角度分布图null*Inorganic & Analytical Chemistry是角度函数Y l, m (, )随, 变化的图象。波函数角度分布图：s轨道：波函数角度分布图: p轨道*Inorganic & Analytical Chemistry波函数角度分布图: p轨道其中，浅色为“＋”号，深色为“－”号（下面的d轨道中同此）。正负号以及Y的极大值空间取向将对原子之间能否成键及成键的方向性起着重要作用。波函数角度分布图: d轨道*Inorganic & Analytical Chemistry波函数角度分布图: d轨道null*Inorganic & Analytical Chemistry概率密度和电子云电子云是几率密度（||2）的形象化图示。 处于不同运动状态的电子，它们的波函数不同，||2 表示的图象（电子云图象）也不一样。null*Inorganic & Analytical Chemistry电子云的角度分布图图中的界面是指概率大于95%以上的部分，界面之外出现的概率很小，以此人为规定了一个界面！null*Inorganic & Analytical Chemistry电子云无 原子轨道有略“瘦 ”略“胖”电子云与原子轨道的角度分布图区别:正负形状（1）原子轨道或电子云的角度分布图不表示原子轨道或电子云的图像。都只是反映函数关系的角度部分 （2）l , m 相同 n 不同，表示 R( r )不同, 但 Y(, φ)相同。 （3）原子轨道角度分布有正、负号之分（只是代表波函数中Y部分的正负——相位，并不表示波函数的正负），而电子云的角度分布均为正值。注 意注意： s电子云除外null*Inorganic & Analytical Chemistry量子力学原子模型的要点由于电子具有波粒二象性，所以核外电子运动没有固定的轨道，但具有按几率分布的统计规律性。 可用薛定谔方程描述核外电子的运动。波函数（Ψ）是描述核外电子运动状态的数学表示式。方程的每一个合理的解就表示核外电子运动的某一种可能的稳定状态。 原子轨道为波函数（Ψ）的空间图象。以波函数（Ψ）角度分布的空间图象作为原子轨道角度分布的近似描述。 以 |Ψ|2 的空间图象——电子云来表示核外电子出现的几率密度。 以四个量子数来确定核外每一个电子的运动状态。 4.2 多电子原子结构和元素周期表 4.2 多电子原子结构和元素周期表 原子轨道的能级 核外电子分布 核外电子分布的周期系 1. 原子轨道的能级*Inorganic & Analytical Chemistry 1. 原子轨道的能级e-e- 3Li e-何谓屏蔽效应？ 有效核电荷数： 屏蔽常数（1）有效核电荷数null*Inorganic & Analytical Chemistry 在多电子原子中，电子不仅受到原子核的引力，而且还存在着电子之间的排斥力，这种排斥的存在，实际上相当于减弱了原子核对外层电子的吸引力，这种作用称为屏蔽作用或屏蔽效应。各电子层电子屏蔽作用的大小顺序为： K > L > M > N > O > P …… 各电子层能级相对高低的顺序为： K < L < M < N < O < P …… 在原子中，如果屏蔽效应大，就会使电子受到的原子核的吸引力减少，因而电子具有的能量就增大。null*Inorganic & Analytical Chemistry钻穿效应 外层电子钻到内部空间而靠近原子核的现象，通常称为钻穿作用。由于电子的钻穿作用的不同而使它的能量发生变化的现象称为钻穿效应。 钻穿作用的大小对轨道的能量有明显的影响。电子钻穿作用越大，它受其它电子的屏蔽作用就越小，受核的吸引力越强，因而能量也越低。E4s < E3d 能级交错现象 （2）核外电子分布*Inorganic & Analytical Chemistry （2）核外电子分布 氢原子的轨道能级由 主量子数 n原子轨道的能级由低到高的顺序： 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 多电子原子轨道的能级由 主量子数 n 决定。 共同决定。和角量子数 ln+0.7 l 规则与n+0.4 l规则(徐光宪)null*Inorganic & Analytical Chemistry1s2s3s4s5s6s2p3p4p5p6 (6s，4f，5d，6p)5 (5s，4d，5p)4 (4s，3d，4p)3 (3s，3p)2 (2s，2p)1 (1s)6p3d4d5d4f鲍林近似能级图能 级 组nullnull*Inorganic & Analytical Chemistry 规 律（1）n 相同：E(s) < E(p) < E(d) < E(f) （2） l 相同： E(2p) < E(3p) < E(4p)（3）能级相错：E(4s) 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 a (n, l , m ,ms)b尽先占领 能量最低轨道电子分占不同 轨道,且自旋相同结论2n2低→高注：个别原子核外电子的排布不服从上述规则。null*Inorganic & Analytical Chemistry 26Fe ： 1s22s22p63s23p63d64s2内层电子外层电子 外层电子构型 （2）核外电子分布式原子实，价电子层（组态）null*Inorganic & Analytical Chemistry注意：原子失去电子成为正离子时，先失去能量最高的最外层电子。Fe 3d64s2 Fe2+ 3s23p63d6 3d6 √ × Fe3+ 3s23p63d5 3d5 √ ×注意：原子得到电子成为负离子时，所得电子分布在最外电子层上。 Cl 3s2 3p5 Cl- 3s2 3p63d和4s轨道能级交错决定了电子填充顺序，一旦填好以后，由于屏蔽效应和钻穿效应还是4s电子能量高，处在最外层，在得失电子过程中也不能重新排列 3、核外电子分布与周期系 *Inorganic & Analytical Chemistry 3、核外电子分布与周期系 （1） 电子分布与周期系关系a. 周期号数 = 电子层数 46Pd注意：4d10 属于第5周期元素周期律的发现使得几百年来大量零散的化学知识系统化，形成一个有内在联系的统一体系，今儿使之上升为理论。很遗憾的是门捷列夫在1906年的诺贝尔化学奖候选人投票表决时，以一票之差而落选（莫瓦桑因氟元素研究获奖），1907年2月2日逝世。1955年将101号元素命名为钔以做纪念!null*Inorganic & Analytical Chemistrynull*Inorganic & Analytical Chemistry主族,ⅠB ,ⅡB: b. 族号族号=最外层电子数ⅢB~ⅦB:族号 = 最外层电子数 + (n-1)d电子数 Ⅷ (包括三列)：(n-1)d6~8 ns2 零 族： ns2np6null*Inorganic & Analytical Chemistry ⅠA 0 ⅡA ⅢA~ⅦA ⅢB~Ⅷ ⅠB ⅡB c. 分 区 s区 d区 ds区 p区 ns1~2 (n-1)d1~8 ns2 (n-1)d10 ns1~2 ns2np1~6 f 区(n-2)f 1~14 ns 2null*Inorganic & Analytical Chemistry减小增大主族原子半径呈周期性变化的规律以主族元素最明显： 同周期 从左到右 原子半径逐渐减小 同主族 从上到下 原子半径逐渐增大（2）元素性质的周期性 a. 原子半径图：原子半径*Inorganic & Analytical Chemistry图：原子半径半充满和全充满时，原子半径大null*Inorganic & Analytical ChemistryB.电离能气态原子 气态正离子电子亲和能——气态原子获得一个电子成为一价负离子时所放出的能量。与电离能的情形相似，可以看作相反的过程，影响因素是：有效核电荷、原子半径、和原子的电子构型。反映元素原子在气态失去电子的能力. 第一电离能\第二电离能 同一周期: 增大 同一族: 减小电离能数据（不特别说明，均指第一电离能）*Inorganic & Analytical Chemistry增减电离能数据（不特别说明，均指第一电离能）原子光谱 原子发射谱 原子吸收谱null*Inorganic & Analytical Chemistry 1932年，鲍林首先提出 指定氟的电负性为4.0，电负性是一相对数值 电负性越大，原子在分子中吸电子的能力越强 一般情况下，金属元素的电负性小于2.0，非金属元素的电负性大于2.0 目前国际上有多个电负性数值表，其计算式 中考 中考数学全套课件中考心理辅导讲座中考语文病句辨析修改中考语文古诗文必背中考单选题精选 察的因素和处理方式的不同，尚未统一。c. 电 负 性 分子中原子吸引电子的能力大小的量度。电负性数值越大，原子在分子中吸引电子的能力就越强，反之越弱。电负性数据*Inorganic & Analytical Chemistry增减电负性数据电负性呈周期性变化的规律以主族元素最明显： 同周期 从左到右 电负性一般递增 同主族 从上到下 电负性一般递减null*Inorganic & Analytical Chemistryd. 金属性与非金属性 反映了在化学反应中原子得失电子的能力，它与元素的电负性数值有关。上述变化规律，以主族元素比较典型和明显； 仅仅是总体趋势，呈现波浪状（锯齿状），不可滥用； 这些性质变化规律上的相似性，是因为结构决定性质，是因为他们的本质是相同的，都是由于核外电子排布的周期性决定的。