二炮兵工程学院503教研室《大学化学》教案 课前复习: 第一章着重介绍物质的化学组成和宏观上的物态分类,深刻认识物质的复杂性和 多样性,在每一物态中有重点有选择地介绍化学常识,这些认识仅仅停留在分子这一 层次上。具体来讲,第一节内容中了解一些日常生活中我们接触较多的化合物(如高 分子化合物)或某些常识性化学物质(如配位化合物,核酸、蛋白质、糖类等);第 二节内容中了解晶体的性质、类别、特点,非晶体物质的一些知识;第三节内容中介 绍水的一些化学知识,溶液中蒸气压下降、凝固点下降、沸点上升和产生渗透压的原 因,以及石油和表面活性剂等日常生活中常见的一些物质的化学知识;第四节内容中 介绍气体的一些知识,理想气体状态方程、湿度、相对湿度、酸雨、温室效应、臭氧 出现空洞的原因、危害以及气溶胶等。 引言 教学目的 然而,我们仅仅停留在分子这一层次上还是远远不够的,作为科班起到 出身的大学本科生必须知道更深一层次的物质组成一一物质的微观结承上启下 构,即原子结构、原子如何组成分子、分子如何组成物相,也就是说有的作用 限的化学元素为什么能构成千姿百态、变化万千的物质世界。物质的化学让学生更 组成和物质的结构紧密相连不可分割,因此,在学习第一章知识的基础上,好的理解 我们必须了解物质的结构即第二章的内容。了解了物质的化学组成和微观两章内容 结构,对于材料的化学组成、微观结构的认识理解就更为容易和深入,材的联系 料本身也是物质,因此,在第二章内容中紧接着介绍材料的一些性质是顺 理成章的。只是材料的认识、讲解更为具体,针对性较强,涉及面也窄, 有选择地介绍我们应用较多的材料,如高分子材料、复合材料。迄今,材 料科学虽已发展到从分子、原子尺度研究工程材料结构和性质关系的阶 段,但工程技术上仍习惯于按材料的常规特性、制备工艺以及成分与结 构将它们划分为以金属键为特征的金属材料、以共价键为主要特征的高 分子材料、以离子键为特征的无机非金属或陶瓷材料以及为发挥多种材 料特性而将它们按一定方法组合而成的复合材料
第二炮兵工程学院 503 教研室《大学化学》教案 - 1 - 课前复习： 第一章着重介绍物质的化学组成和宏观上的物态分类，深刻认识物质的复杂性和 多样性，在每一物态中有重点有选择地介绍化学常识，这些认识仅仅停留在分子这一 层次上。具体来讲，第一节内容中了解一些日常生活中我们接触较多的化合物（如高 分子化合物）或某些常识性化学物质（如配位化合物，核酸、蛋白质、糖类等）；第 二节内容中了解晶体的性质、类别、特点，非晶体物质的一些知识；第三节内容中介 绍水的一些化学知识，溶液中蒸气压下降、凝固点下降、沸点上升和产生渗透压的原 因，以及石油和表面活性剂等日常生活中常见的一些物质的化学知识；第四节内容中 介绍气体的一些知识，理想气体状态方程、湿度、相对湿度、酸雨、温室效应、臭氧 出现空洞的原因、危害以及气溶胶等。 引言 教学目的 然而，我们仅仅停留在分子这一层次上还是远远不够的，作为科班 出身的大学本科生必须知道更深一层次的物质组成——物质的微观结 构，即原子结构、原子如何组成分子、分子如何组成物相，也就是说有 限的化学元素为什么能构成千姿百态、变化万千的物质世界。物质的化学 组成和物质的结构紧密相连不可分割，因此，在学习第一章知识的基础上， 我们必须了解物质的结构即第二章的内容。了解了物质的化学组成和微观 结构，对于材料的化学组成、微观结构的认识理解就更为容易和深入，材 料本身也是物质，因此，在第二章内容中紧接着介绍材料的一些性质是顺 理成章的。只是材料的认识、讲解更为具体，针对性较强，涉及面也窄， 有选择地介绍我们应用较多的材料，如高分子材料、复合材料。迄今，材 料科学虽已发展到从分子、原子尺度研究工程材料结构和性质关系的阶 段，但工程技术上仍习惯于按材料的常规特性、制备工艺以及成分与结 构将它们划分为以金属键为特征的金属材料、以共价键为主要特征的高 分子材料、以离子键为特征的无机非金属或陶瓷材料以及为发挥多种材 料特性而将它们按一定方法组合而成的复合材料。 起 到 承上启 下 的作用 。 让学生 更 好的理 解 两章内 容 的联系
二炮兵工程学院503教研室《大学化学》教案 ★21核外电子运动的状态 物质的化学组成、结构和化学变化是构成化学问题的三大方面。这三个方面都涉 及电子的核外运动,因此本章首先要重点介绍原子中电子的运动状态和特征。 如绪论所述,要描述宏观物体的运动,确定宏观物体的运动状态,需用经典力 学来处理,通过经典力学的基本方程(F=m)可以求出宏观物体的轨迹和相应的能 量。对一个运动着的宏观物体,在它运动的时间间隔内(即物体运动的起始状态到终 结状态所需的时间)可时时刻刻找到物体的空间位置和它相应的能量数值(即若时间 在t1可得XY1Z1和E1),对每一个指定时间就必然有明确的空间位置(坐标)和相应 的能量值,由于时间是连续变化的,所以在宏观物体运动的时间间隔内,将每一时刻 的位置连接起来就可以求得物体的运动轨迹,每一时刻运动着的物体均有明确的能量 值,故在整个的时间间隔内也可求得物体运动的能量值分布。宏观物体运动其能量值 分布是连续的。所以对宏观物体每时每刻都能求得位置和能量。在整个运动时间内又 可得到物体的运动轨迹(即轨道)和能量值的分布,我们说这个宏观物体的运动状态 就被完全确定了。 牛顿的三大力学定律等经典力学理论只能解释低速运动的宏观物体,对于诸如 电子、光子、夸克等髙速运动的微观粒子的运动就显得无能为力。这是就要针对微观 粒子的波粒二象性的特点利用量子力学理论和方法来处理。因此,有必要对微观粒子 运动特征和量子力学有关基本知识作简要的说明。 、电子运动的特征 教学提示 1.波粒二象性 在物理学的发展过程中,对光的本质认识,最早看到光线能反射、难点教学 折射,认为光是作直线行进的微粒,称光的微粒说,那是几何光学的年内容 代。后来发现光线通过狭缝时会产生衍射现象,得到衍射环图像,只有首先简要 认为光是波动,即光的本质是光波时,方能解释光的衍射现象。若将光介绍人类 波看成电磁波便得到了光的波动方程,解此方程可求能量和描述光波运探索原子 动的波函数。这样光的波动说占了上风。到20世纪初,当发现光与物质内电子运 接触时有非弹性碰撞的现象(即碰撞前后能量有变化)称康普顿效应。动规律的 又认为光是具有微粒性的,结论是光的本质既有波动性又有微粒性,简过程:额外 称波粒二象性 介绍测不 2
第二炮兵工程学院 503 教研室《大学化学》教案 - 2 - ★§２.1核外电子运动的状态 物质的化学组成、结构和化学变化是构成化学问题的三大方面。这三个方面都涉 及电子的核外运动，因此本章首先要重点介绍原子中电子的运动状态和特征。 如绪论所述，要描述宏观物体的运动，确定宏观物体的运动状态，需用经典力 学来处理，通过经典力学的基本方程（F=ma）可以求出宏观物体的轨迹和相应的能 量。对一个运动着的宏观物体，在它运动的时间间隔内（即物体运动的起始状态到终 结状态所需的时间）可时时刻刻找到物体的空间位置和它相应的能量数值（即若时间 在t1可得X1Y1Z1和E1），对每一个指定时间就必然有明确的空间位置（坐标）和相应 的能量值，由于时间是连续变化的，所以在宏观物体运动的时间间隔内，将每一时刻 的位置连接起来就可以求得物体的运动轨迹，每一时刻运动着的物体均有明确的能量 值，故在整个的时间间隔内也可求得物体运动的能量值分布。宏观物体运动其能量值 分布是连续的。所以对宏观物体每时每刻都能求得位置和能量。在整个运动时间内又 可得到物体的运动轨迹（即轨道）和能量值的分布，我们说这个宏观物体的运动状态 就被完全确定了。 牛顿的三大力学定律等经典力学理论只能解释低速运动的宏观物体，对于诸如 电子、光子、夸克等高速运动的微观粒子的运动就显得无能为力。这是就要针对微观 粒子的波粒二象性的特点利用量子力学理论和方法来处理。因此，有必要对微观粒子 运动特征和量子力学有关基本知识作简要的说明。 一、电子运动的特征 教学提示 1.波粒二象性 在物理学的发展过程中，对光的本质认识，最早看到光线能反射、 折射，认为光是作直线行进的微粒，称光的微粒说，那是几何光学的年 代。后来发现光线通过狭缝时会产生衍射现象，得到衍射环图像，只有 认为光是波动，即光的本质是光波时，方能解释光的衍射现象。若将光 波看成电磁波便得到了光的波动方程，解此方程可求能量和描述光波运 动的波函数。这样光的波动说占了上风。到20世纪初，当发现光与物质 接触时有非弹性碰撞的现象（即碰撞前后能量有变化）称康普顿效应。 又认为光是具有微粒性的，结论是光的本质既有波动性又有微粒性，简 称波粒二象性。 重 点 难 点 教 学 内容。 首 先 简 要 介 绍 人 类 探 索 原 子 内 电 子 运 动 规 律 的 过程；额外 介 绍 测 不
第二炮兵工程学院503教研室《大学化学》教案 1900年普朗克在研究光的黑体辐射时,发现其相应能量分布只能准原理;让 用E=mhm表达,当m=1时,E=h这是光的能量最小单位,也可称为学生正确 光子能量单位。到1905年爱因斯坦( Einstein A)从光申效应(光照到金理解原子 属表面,有电子逸出的现象)确认光的微粒性,其碰撞时动量P应为核外电子 P=h/,所以对光的波粒二象性的数学表达可谓 运动的不 E=nhv 确定性是 P=h/1 指其所处 等式右边反映波动性,等式左边反映微粒性。其运动方程可用光位置和运 的波动方程。 动速度不 到1924年法国物理学家德布罗意认为像电子这样的微粒也应当有能同时确 波粒二象性。他把光的二象性推广到有静止质量的电子这样的微粒,定:运用多 由于电子的动量P=m,m是电子的质量,是电子的速度。将P=m代人媒体手段 P=h/得:2=h/m,这是电子的波长 演示光子、 既然电子也具有波粒二象性,也就应有电子衍射现象,实验证明电子运动 确实存在电子衍射现象,再将A=h/m代人光的波动方程中去,就可的特征:波 得到描述电子运动的方程,这是很自然的事。 粒二象性。 2.电子能量分布的不连续性和空间位置的概率性 波粒二象性是微观粒子(光子、电子等)的最基本的特性。既然 电子与光子一样都具有波粒二象性,所以电子能量分布也是不连续的 量子化的。 此外,电子运动方程得到的描述电子空间运动只能用波函数表达。 它不是轨道的概念,这与宏观物体运动有明确的轨迹(轨道)是不同 的。通常观察到的电子衍射图像,是相同条件下的大量电子运动的集 体行为,相当单个电子千万次重复的统计性结果,因此电子运动对单 个电子是概率性的,而对大量电子则具有统计性。所以电子能量分布 的不连续性或称量子化和电子运动具有统计性是电子运动波粒二象性 特征的表征,归根到底波粒二象性是微观粒子根本性质。 原子轨道和电子云 教学提示 任何微观粒子的运动状态都可以用一个波函数v来描述。w虽然不重点 3
第二炮兵工程学院 503 教研室《大学化学》教案 - 3 - 1900年普朗克在研究光的黑体辐射时，发现其相应能量分布只能 用 E nh = 表达，当n=1时， E h = 这是光的能量最小单位，也可称为 光子能量单位。到1905年爱因斯坦（Einstei A）从光电效应（光照到金 属表面，有电子逸出的现象）确认光的微粒性，其碰撞时动量P应为 P h = / ，所以对光的波粒二象性的数学表达可谓 E nh = P h = / 等式右边反映波动性，等式左边反映微粒性。其运动方程可用光 的波动方程。 到1924年法国物理学家德布罗意认为像电子这样的微粒也应当有 波粒二象性。他把光的二象性推广到有静止质量的电子这样的微粒， 由于电子的动量P=mv，m是电子的质量，v是电子的速度。将P=mv代人 P h = / 得: = h mv / ,这是电子的波长。 既然电子也具有波粒二象性，也就应有电子衍射现象，实验证明 确实存在电子衍射现象，再将 = h mv / 代人光的波动方程中去，就可 得到描述电子运动的方程，这是很自然的事。 2.电子能量分布的不连续性和空间位置的概率性 波粒二象性是微观粒子（光子、电子等）的最基本的特性。既然 电子与光子一样都具有波粒二象性，所以电子能量分布也是不连续的、 量子化的。 此外，电子运动方程得到的描述电子空间运动只能用波函数表达。 它不是轨道的概念，这与宏观物体运动有明确的轨迹（轨道）是不同 的。通常观察到的电子衍射图像，是相同条件下的大量电子运动的集 体行为，相当单个电子千万次重复的统计性结果，因此电子运动对单 个电子是概率性的，而对大量电子则具有统计性。所以电子能量分布 的不连续性或称量子化和电子运动具有统计性是电子运动波粒二象性 特征的表征，归根到底波粒二象性是微观粒子根本性质。 准原理；让 学 生 正 确 理 解 原 子 核 外 电 子 运 动 的 不 确 定 性 是 指 其 所 处 位 置 和 运 动 速 度 不 能 同 时 确 定；运用多 媒 体 手 段 演示光子、 电 子 运 动 的特征：波 粒二象性。 二、原子轨道和电子云 教学提示 任何微观粒子的运动状态都可以用一个波函数 来描述。 虽然不 重 点
第二炮兵工程学院503教研室《大学化学》教案 像经典的机械波那样有非常直观的物理图像,但它却具有非常明确的难点教学 物理意义。首先它代表微观粒子的运动状态,它既有大小又有正负,内容。 反映了微观粒子的波动性:其次,从它的数学表达式可求出微观粒子了解 的各种性质,如能量、角动量等。波函数不是一个数,一般是复函数,波函数表 比较复杂。波函数经常不明显写出它的具体数学形式,而是以一组量达的意义, 子数来标记。 理解原子 现在人们常说的原子轨道,指的是电子一个允许的能态,就是原子轨道表示 的波函数v,它表示电子在原子核外可能出现的范围。不能把v想象为的是核外 电子可能 某种确定的轨道或轨迹,所以,有时也称W为原子轨函。 出现的空 波函数的平方可以反映电子在空间某位置单位体积内出现的间范围而 概率大小,即概率密度。如前所述,只要时间足够的长,电子在某区不是轨迹 域中出现的机会是一定的。我们可以把在原子核周围高速运动的电子 想象成带负电荷的“云”。“电子云”一词正由此而来。 电子云中黑点绝不代表电子,而仅仅用黑点的疏密程度表示电子在 氢原子核周围空间各处的概率密度:黑点较密的区域,概率密度大, 即电子出现的机会多;反之黑点稀疏的区域,概率密度小,即电子出 现的机会少;氢原子在离核529177×10m处的机会最多。如果把电子 云概率密度相等的点连接起来,作为电子云的界面,即绘成界面图。 当原子中的所有电子都处在能量最低的稳定态时,称为基态,当基 态原子吸收外界能量时处于不稳定的状态,称为激发态。氢原子处于 激发态时,它的电子云还可呈双橄榄形或四只花瓣及上下似橄榄中间 似轮胎的图形,分别称为p电子云和d电子云,它们的界面图如投影片 所示对多电子原子,除有s,p,d电子云外还有子云 三、量子数 教学提示 1s,2p,3d等确定了原子中电子的运动状态,这是标记波函数的方法,重点 其中1,2,3,…等称主量子数:s,p,d,是角量子数为0,1,2,3等中的重点 的符号。主量子数、角量子数和下面还要提到的磁量子数都是在求解定难点教学
第二炮兵工程学院 503 教研室《大学化学》教案 - 4 - 像经典的机械波那样有非常直观的物理图像，但它却具有非常明确的 物理意义。首先它代表微观粒子的运动状态，它既有大小又有正负， 反映了微观粒子的波动性；其次，从它的数学表达式可求出微观粒子 的各种性质，如能量、角动量等。波函数不是一个数，一般是复函数， 比较复杂。波函数经常不明显写出它的具体数学形式，而是以一组量 子数来标记。 现在人们常说的原子轨道，指的是电子一个允许的能态，就是原子 的波函数 ，它表示电子在原子核外可能出现的范围。不能把 想象为 某种确定的轨道或轨迹，所以，有时也称 为原子轨函。 波函数的平方 2 可以反映电子在空间某位置单位体积内出现的 概率大小，即概率密度。如前所述，只要时间足够的长，电子在某区 域中出现的机会是一定的。我们可以把在原子核周围高速运动的电子 想象成带负电荷的“云”。“电子云”一词正由此而来。 电子云中黑点绝不代表电子，而仅仅用黑点的疏密程度表示电子在 氢原子核周围空间各处的概率密度：黑点较密的区域，概率密度大， 即电子出现的机会多；反之黑点稀疏的区域，概率密度小，即电子出 现的机会少；氢原子在离核5.29177×10-11m处的机会最多。如果把电子 云概率密度相等的点连接起来，作为电子云的界面，即绘成界面图。 当原子中的所有电子都处在能量最低的稳定态时，称为基态，当基 态原子吸收外界能量时处于不稳定的状态，称为激发态。氢原子处于 激发态时，它的电子云还可呈双橄榄形或四只花瓣及上下似橄榄中间 似轮胎的图形，分别称为p电子云和d电子云，它们的界面图如投影片 所示对多电子原子，除有s，p，d电子云外还有f电子云。 难 点 教 学 内容。 了 解 波函数表 达的意义， 理解原子 轨道表示 的是核外 电 子可能 出 现 的 空 间 范 围 而 不是轨迹。 三、量子数 教学提示 1s，2p，3d等确定了原子中电子的运动状态，这是标记波函数的方法， 其中1，2，3，…等称主量子数；s，p，d，f是角量子数为0，1，2，3等 的符号。主量子数、角量子数和下面还要提到的磁量子数都是在求解定 重 点 中 的 重 点 难 点 教 学
第二炮兵工程学院503教研室《大学化学》教案 态薛定愕方程时,为使求解有意义而引进的三个条件参数。像描述宏观内容 物体的经典力学方程一样,它是描述微观粒子运动规律的方程。波函数适当 甲是薛定愕方程的解。在确定系统状态时,相应的一组量子数与波函数引入量子 是完全等价的。主量子数、角量子数和磁量子数的符号分别记为n,1和化学的内 向。由于n,1,m本身的取值必须是量子化的,所以把n,1,m称为量子容,使学生 数。一组n,1,m确定的允许值就表示核外电子的一种运动状态,对应对量子有 个波函数,就是表示一个原子轨道。它们表达的相关物理意义如下所一个清晰 的概念,并 主量子数n,它表征了原子轨道离核远近。它确定原子中允许电子出引导学员 现的电子层。n可取1至无穷大的一切正整数。但地球上的元素,尚未发对微观运 现n>7的基态。对于n=1,2,3,4,5,6,7,光谱学中将七个电子层动建立量 的符号分别用K,L,M,N,O,P,Q表示。电子所处电子层的能量一子化观点。 般随n的增大而升高。 角量子数l,它确定原子轨道的空间形状,表征原子轨道角动量的大 小,俗称电子亚层。对于n的任意给定值,1可以取从0到(n1)之间的 所有整数。习惯上用光谱项符号,p,d,珠来分别表示角量子数为0,1, ,3的电子亚层。角量子数0(符号S)、1(符号p)、2(符号d)确定 的电子云的几何形状分别为球形、双橄榄形和四只花瓣以及上下似橄榄 中间似轮胎的图形(如投影片),角量子数为3(符号f)的形状更为复 杂。主量子数不同,角量子数相同的电子云的几何形状基本相同。 磁量子数m,它表征了原子轨道在空间的不同取向,确定了原子轨道 在磁场中的取向,即轨道数目及空间取向。对于给定的值,m可以取从 到+L(包括0在内)的所有整数值。对于任意的1,可以有(2L+1)个 卜不同的m值或称有(2L+1)种在空间取向上彼此不同的原子轨道。 般用主量子数n的数值和角量子数L的符号组合来给出波函数(轨 道)的名称,例如2s,4d等。它们的通式是ns,np,nd,nf,也叫电子 组态。不同1值有不同角动量,它在多电子原子中与主量子数一起确定 电子的能量,所以2s,4d等又称为能级。同一能级中的不同轨道,能量 相同,空间几何形状一致,仅空间取向不同。 5
第二炮兵工程学院 503 教研室《大学化学》教案 - 5 - 态薛定愕方程时，为使求解有意义而引进的三个条件参数。像描述宏观 物体的经典力学方程一样，它是描述微观粒子运动规律的方程。波函数 Ψ是薛定愕方程的解。在确定系统状态时，相应的一组量子数与波函数 是完全等价的。主量子数、角量子数和磁量子数的符号分别记为n，l和 m。由于n，l，m本身的取值必须是量子化的，所以把n，l，m称为量子 数。一组n，l，m确定的允许值就表示核外电子的一种运动状态，对应 一个波函数，就是表示一个原子轨道。它们表达的相关物理意义如下所 述。 主量子数n，它表征了原子轨道离核远近。它确定原子中允许电子出 现的电子层。n可取1至无穷大的一切正整数。但地球上的元素，尚未发 现n＞7的基态。对于n=1，2，3，4，5，6，7，光谱学中将七个电子层 的符号分别用K，L，M，N，O，P，Q表示。电子所处电子层的能量一 般随n的增大而升高。 角量子数 l ，它确定原子轨道的空间形状，表征原子轨道角动量的大 小，俗称电子亚层。对于n的任意给定值，l可以取从0到（n-1）之间的 所有整数。习惯上用光谱项符号s，p，d，f来分别表示角量子数为0，1， 2，3的电子亚层。角量子数0（符号S）、l（符号p）、2（符号d）确定 的电子云的几何形状分别为球形、双橄榄形和四只花瓣以及上下似橄榄 中间似轮胎的图形（如投影片），角量子数为3（符号f）的形状更为复 杂。主量子数不同，角量子数相同的电子云的几何形状基本相同。 磁量子数m，它表征了原子轨道在空间的不同取向，确定了原子轨道 在磁场中的取向，即轨道数目及空间取向。对于给定的L值，m可以取从 -L到+L（包括0在内）的所有整数值。对于任意的l，可以有（2L＋l）个 不同的m值或称有（2L＋l）种在空间取向上彼此不同的原子轨道。 一般用主量子数n的数值和角量子数L的符号组合来给出波函数（轨 道）的名称，例如2s，4d等。它们的通式是ns，np，nd，nf，也叫电子 组态。不同 l值有不同角动量，它在多电子原子中与主量子数一起确定 电子的能量，所以2s，4d等又称为能级。同一能级中的不同轨道，能量 相同，空间几何形状一致，仅空间取向不同。 内容。 适 当 引入量子 化学的内 容，使学生 对量子有 一个清晰 的概念，并 引导学员 对微观运 动建立量 子化观点