第四章物质结构 目的要求： 1.了解核外电子运动的特性—波粒二象性、量子化、波函数Ψ与原子轨道， 几率与几率密度及其表示法，原子轨道和电子云角度分布图 2.掌握四个量子数的物理意义，相互关系及合理组合 3.掌握单电子原子、多电子原子能级，了解钻穿效应、屏蔽效应对能级高低的 影响：学握核外电子排布的原理，能熟练写出一般元素原子核外电子排布式 4.掌握原子结构与同期系的关系及元素基本性质（原子半径、电离能、电子亲 合能、电负性)的变化规律 5.掌握离子键理论要点，决定离子化合物性质的因素与离子晶体的晶格能 6.掌握共价键理论(VB法)和杂化轨道理论要点及共价健特征 7.掌握偶极矩、分子的极化和分子间力、氢键及对物质物理性质的影响，了解 各类晶体的特点 重点： 四个量子数：核外电子的排布：元素性质变化的周期性；价键理论：杂化轨 道理论及其应用；分子间作用力和氢键 难点： 核外电子运动状态的描述：电子排布的特例：杂化轨道理论和分子空间构型 课堂组织： §4-1物质结构理论发展简介 一、氢原子光塔（了解） 人们对原子中电子的分布和运动状态的了解，起初受到光谱的启发。 1.光和电磁辐射1865年J.C.Maxwel指出光是电磁波，即是电磁辐射的一种形 式。电磁辐射包括无线电波、TV波、微波、红外、可见光、紫外X射线、y射 线和宇宙射线。可见光仅是电磁辐射的一小部分，波长范围是400nm(紫光)至 700nm(红光)。 太阳光或白炽灯发出的白光，通过玻璃三棱镜时，所含不同波长的光可折射 成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等没有明显分界线的光谱，这类光谱称为连续光 谱。 2.氢原子光谱 原子（包括氢原子）得到能量（高温、通电）会发出单色光，经过棱镜 分光得到线状光谱。即原子光谱属于不连续光谱。每种元素都有自己的特征线状 1
光谱。氢原子光谱如图所示。四条谱线的波长、频率的关系式一并列出。 见flash. 氢原子光谱的特征： ★不连续光谱，即线状光谱。 ★其频率具有一定的规律。 显然，原子中电子只能在一定能级间跃迁，才能放出固定波长的光；也只能说 明：原子中电子有一定的能级，才能导致固定不变的谱线位置· 二、玻尔理论（了解） 1913年丹麦物理学家Bor发表了原子结构理论的三点假设： ▲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。 ▲通常，电子处在离核最近的轨道上，能量最低一基态；原子得能量 后，电子被激发到高能轨道上，原子处于激发态。 ▲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。 hv=E2-E h E:轨道能量 h:Planck常数 三、电子波粒二象性(wave-particle duality) 电子、中子、质子等微观粒子与宏观物体的性质和运动规律不同，因此 不能用描述宏观物体运动状态的经典力学来描述微观粒子的运动状态。随着人们 对微观粒子特性认识的深入，于20世纪30年代建立了描述微观粒子运动规律的 量子力学。即微观粒子在不同条件下分别表现为波动和粒子的性质，称为波粒二 象性。 波动性：入，V 粒子性：m,v,p(具有量子化的能量和动量。) 运动粒子与波的关系式：入=hph/mv(1924年，de Broglie提出假设) h6.625×104J·s—普朗克常数 这一关系式将电子的粒子性(p是粒子性的特征)与波动性（入是波动性的 特征)定量地联系了起来。 I927年，Davisson和Germer应用Ni晶体进行的电子衍射实验证实了de Broglie的假设：电子具有波动性。将一束电子流经一定电压加速后通过金属单 晶体，像单色光通过小圆孔一样发生衍射现象，在感光底片的屏幕上，得到一系 2
列明暗相间的衍射环 四、测不准原 1926年海森堡(Heisenberg)提出了测不准原理，并用数学式表示： △x·△p≥h即△x·m△v≥h一宏观与微观的判别式 式中△p表示动量的不准确程度，△x表示位置不准确程度。 这表明，用位置和速度来描述微观粒子的运动状态，只能达到一定的近似程 度。如果粒子的位置的测定的准确度越大（△x越小），其动量或速度的准确度就 越差（△v越大） 五、Schrodinger(裤定鄂)方程 由于微观粒子的运动具有波粒二象性，其运动规律需用量子力学来描述。 它的基本方程是Schr心dinger方程。 1926年，奥地利物理学家E.Schrodinger对经典光波方程进行改造，提出 个偏微分方程： 式中Ψ叫做波函数 E:总能量（势能+动能），V:势能 m:微观粒子的质量，h:Planck常数， x,y,z:空间直角坐标。 在不同条件下，能解出不同的E和y,这里所说的条件要用三种量子数米 表示。 六、波函数 1波函和原子就道 波函数平一描述电子在核外三维空间的一种运动状态的数学表达式平 (x,y,2)。 每一个，8)所表示的原子核外电子的运动状态称为原子轨道。 注意：(1)波函数是描述微观粒子运动的波动方程即Schrodinger(薛定鄂) 方程的解 (2)一个确定的函数表示了电子的一种运动状态。 (3)波函数又可称为原子轨道（电子所处的空间运动状态。）如：Ψ。又称 为1s轨道。 2.波函数是一个与坐标有关的量，可用直角坐标表示为(xy,),也常变换为球 坐标(，0，p),则表示为，0.o) 3
为了清楚起见，分别从w随r的变化而和随角度8.”的变化两方面来讨 论Schrodinger方程的解和波函数的图像，即将y(,0,p)表示为两个函数的乘积 (r,0,o=Rr）(0,) R()是与r有关的径向部分，由量子数n和1决定的，称径向波函数。 Y(但，到是与8,9有关的角度分布部分，由量子数1和m决定，称角度波函数 通过径向和角度分布可了解原子轨道（或电子云）的形状和方向。 3.原子轨道角度分布周（见课件） 1)仅是轮廓图，并不表示电子的运动轨迹。 2)有正、负之分，表明在这个区域的正负值，在讨论化学键的成键与否或键 的强弱可知，两个同号轨道相互重叠，才能保证化学键的形成。 4.电子云围和电子云角度分布图 1.概率密度与电子云 (1) 概率：电子在核外空间某区域内出现的机会大小。 (2) 概率密度：电子在核外空间某处单位微体积内出现的几率。它等于波 函数绝对值的平方。1Ψ2=dp/dv (3) 电子云：电子在核外空间几率密度分布的形象性。即乎2具体分布图 形。 (4) 电子云图：用小黑点的疏密来表示电子在核外空间几率密度分布的具 体图像。 2.电子云角度分布图（见课件） 原子轨道角度分布图和电子云角度分布图，两者形状相似，空间的伸展方向相同， 但有两点区别： ●前者有正负之分，后者均为正值。 ●前者胖，后者瘦 84-2核外电子运动状态 核外电子运动状态是指电子所处的位置，即离核的远近、能量的大小、电子 云或原子轨道的形状，电子云的空间伸展方向，电子自旋状态等等。波函数是用 来描述电子运动状态的，显然上述因素都与波函数密切相关。 在量子力学中，用三个量子数确定一个波函数，通过一组特定的n,lm,得出 萨定谔方程的一个合理的解平n,m,(xy,z)。它就表示了电子运动的一条原子轨道， 这三个量子数，再加上描述电子自旋运动特征的自旋量子数，即可描述核外电子 的运动状态了
一、四个量子数 ★主量子数n: [)与电子能量有关，对于氢原子，电子能量只取决于： [2]不同的n值，对于不同的电子壳层： 12345 K L M N O. [3]单电子原子（离子），电子能量完全决定于： n值越大，能量越高 [4)多电子原子，电子能量与n和原子轨道形状有关。 ★角量子数上 不同的取值对应不同的电子亚层 0123n-l s p d f 1决定了Ψ的角度函数的形状。 物理意义： A描述原子轨道或电子云形状： B.表示同一电子层中具有不同的亚层： C在多电子原子中，确定能量的次要因素。 多电子原子中，电子能量n,1由共同决定。 n,1相同的电子，能量相同，处于同一能级 单电子原子：Ens=Enp-End-Enf 多电子原子：Ens<Enp<End<Enf ★磁量子数m: 物理意义：决定原子轨道在空间的伸展方向，又称方向量子数 取值：与1有关 m=-l-(1-1).0,1,2,1.1 三个量子数即可决定一个原子轨道（血，山m) ,1,m一定，轨道也确定 例如： n=2,10,m-0,2s n=3,=1,m-0,3pz 5