普化培训幻灯片.ppt
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1、普通化学,3.1物质的结构与物质的状态 一.原子结构 1.核外电子的运动特性 核外电子运动具有能量量子化、波粒二象性和统计性的特征,不能用经典牛顿力学来描述核外电子的运动状态。 2.核外电子的运动规律的描述 由于微观粒子具有波的特性,所以在量子力学中用波函数来描述核外电子的运动状态。 (1)波函数:用空间坐标(x,y,z)来描写波的数学函数式,以表征原子中电子的运动状态。 一个确定的波函数,称为一个原子轨道。确定电子的一种运动状态. (2)概率密度(几率密度):用2表示电子在核外空间某单位体积内出现的概率大小。,(3)电子云:用黑点疏密的程度描述原子核外电 子的概率密度(2)分布规律的图形。黑
2、点密的 地方,电子出现的概率密度较大,单位体积内电 子出现的机会多。 氢原子1s电子云(二维投影),(4)四个量子数:波函数由n,l,m三个量子数决定,即(n,l,m)。三个量子数取值相互制约。 主量子数n:n=1,2,3, 确定原子轨道的能量,和电子离核的远近。 角量子数:=0,1,2n-1(n个),确定原子轨道的形状。 = 0, 1, 2, 3 s, p, d, f 球形 纺锤形 梅花形 复杂,P轨道投影,d轨道投影,磁量子数m: m=0 ,1,2 (2+1个) ,确定原子轨道的空间取向。 = 0, m=0, S轨道空间取向为1; =1, m=0 ,1, P轨道空间取向为3; =2 m=0
3、 ,1,2 , d轨道空间取向为5; ,一个原子轨道:指n、m三种量子数都具有一定数值时的一个波函数。 (n,m), 例如:(1,0,0)代表基态氢原子的波函数。 n、m取值合理才能确定一个存在的波函数,亦即确定电子运动的一个轨道。,n=1(1个), =0,m=0, (1,0,0) n=2(4个), = n=3(9个), = n=4(16个) 波函数数目n2,n、m的取值与波函数关系:,n,相同的轨道称为等价轨道。 s轨道有1个等价轨道,表示为: p轨道有3个等价轨道,表示为: d轨道有5个等价轨道,表示为:,4)自旋量子数ms= 代表电子自身两种不同的运动状态(习惯以顺、 逆自旋两个方向形容
4、这两种不同的运动状态), 可用 表示自旋平行,表示自旋反平行. n, ,m, ms四个量子数确定电子的一个完整的运动状态,以(n,m, ms )表示。 例:( 1, 0, 0, + ), ( 1, 0, 0, - ),例题: 7.对原子中的电子来说,下列成套的量子数中不可能存在的是_。 A.(3,1,1,-1/2) B.(2,1,-1,+1/2) C.(3,3,0,-1/2) D.(4,3,-3,+1/2) 9.下列量子数的组合中,哪一个是不合理的_。 A. n=2,=2,m=1 B. n=2, =1,m=0 C. n=3, =2,m=1 D. n=3, =0,m=0 19.量子力学中的一个原
5、子轨道是指_。 A.与波尔理论相同的原子轨道 B.n具有一定数值时的一个波函数 C.n、m三种量子数都具有一定数值时的一个波函数 D. 、m二种量子数都具有一定数值时的一个波函数,12.某元素最外层原子轨道4S上有一个电子,其四个量子数表达式正确的是_. A.(4.0,1,+1/2) B.(4,1,0,-1/2) C.(4.0,0,+1/2) D.(4,1,1,-1/2) 24.表示3d的诸量子数为:_ A.n=3 =1 m=+1 mS=-1/2 B.n=3 =2 m=+1 mS=+1/2 C.n=3 =0 m=+1 mS=-1/2 D.n=3 =3 m=+1 mS=+1/2 11p2波函数角
6、度分布形状为: A.双球形 B.球形 C.四瓣梅花形 D.橄榄形,3.原子核外电子分布三原则 (1)泡利不相容原理:一个原子中不可能有四个量子数完全相同的两个电子。 一个原子轨道中只能容纳自旋方向相反的两个电子。 表示为: 根据每层有n2个轨道,每个轨道最多能容纳两个电子,由此可得出 每一层电子的最大容量为:2 n2。,(2)最低能量原理:电子总是尽先占据能量最低的轨道。 电子依据近似能级图由低到高依次排布。,近似能级图:,7s 6s 4f 5d 6p 5s 4d 5p 4s 3d 4p 3s 3p 2s 2p 1s,能量逐渐升高,(3)洪特规则:在n和值都相同的等价轨道中,电子总是尽可能分占
7、各个轨道且自旋平行。 如2p3: 3d6有几个未成对电子? 洪特规则特例:当电子的分布处于全充满、半充满或全空时,比较稳定。 全充满: p6或d10或f14 半充满: p3或d5或f7 全空: p0或d0或f0 例如: 24Cr 1S22S22P63S23P63d54S1,半充满比较稳定。 29u 1S22S22P63S23P63d104S1, 全充满比较稳定 42Mo、47Ag、79Au,(4)核外电子分布式: 原子的 原子的 离子的 离子外层 电子分布式 外层电子分布式 电子分布式 电子分布式 (价电子构型) 11Na:1s22s22p63s1 3s1 Na+:1s22s22p6 2s22
8、p6 16S:1s22s22p63s23p4 3s23p4 S2-:1s22s22p63s23p6 3s23p6 26Fe:1s22s22p6 3s23p63d64S2 3d64s2 Fe3+:1s22s22p63s23p63d5 3s23p63d5 24Cr: 1S22S22P63S23P63d54S1 3d54S1 Cr3:1S22S22P63S23P63d3 3S23P63d3 29u :1S22S22P63S23P63d104S1 3d104S1 u2:1S22S22P63S23P63d9 3S23P63d9,例题,130.某元素的+2价离子的外层电子分布式为: 该元素是: C (A)
9、Mn (B)Cr (C)Fe (D)Co 1、24号基态原子的外层电子结构式正确的是( ) A、2s2 B、3s23p6 C、3s23p4 D、3d54s1 3.Fe3+的外层电子分布式为_。 A.3d34S2 B.3d5 C.3S23P63d5 D.3S23P63d34S2 18.原子序数为25的元素,其+2价离子的外层电子分布为。 A. 3d34s2 B. 3d5 C. 3s23p63d5 D. 3s23p63d34s2,20.原子序数为29的元素,其原子外层电子排布应是: A.3d94s2 B.3d104s2 C.3d104s1 D.3d105s1 26.铁原子的价电子构型为3d64s2
10、,在轭道图中,未配对的电子数为:_ A.0 B.2 C.4 D.6,(5)原子、离子的电子式及分子结构式 电子式:在元素符号周围用小黑点(或)来表示原子或离子的最外层电子的式子。例如: H. Na. .Mg. .Ca. :C: 分子结构式:用“”代表一对共用电子对的分子式。例如: NN,O=C=O,Cl-Cl ,HCl 二.化学键和分子结构 1.化学键:分子或晶体中相邻的原子(离子)之间的强烈的相互作用。化学键一般分为离子键、共价键和金属键。 (1)离子键:由正负离子的静电引力形成的化学键。 离子的外层电子构型大致有: 2电子构型; 8电子构型 ; 917电子构型 ; 18电子构型; (182
11、)电子构型。,(2)共价键:分子内原子间通过共用电子对(电子云重叠)所形成的化学键。 可用价键理论和分子轨道理论来说明。 价键理论要点:价键理论认为典型的共价键是在非金属单质或电负性相差不大的原子之间通过电子的相互配对(共用电子对)而形成。原子中一个未成对电子只能和另一个原子中自旋相反的一个电子配对成键,且成键时原子轨道要对称性匹配,并实现最大程度的重叠。所以共价键具有饱和性和方向性。,键:原子轨道沿两核连线,以“头碰头”方式重叠 S-S: H - H, S-Px: H - Cl , Px-Px: Cl-Cl 键:原子沿两核连线以“ 肩并肩”方式进行重叠。 如 单键 : Cl-Cl 双键 :+
12、 -C= C- 三键:+ + NN,键,键,例题: 11.根据价键理论和原子轨道重叠原则,N2的结构为_。 A.一个键,二个键; B.三个键; C.三个键 ; D.一个键,二个键,2.分子的极性与电偶极矩:极性分子和非极性分子用电偶极矩来区别。 =q. q:正负电荷中心带电量; :正负电荷中心之间的距离。 极性分子:正负电荷中心不重合,0 如: HX, H2O,SO2,H2S,HCN等。 且极性:HFHClHBrHI 非极性分子:正负电荷中心重合,=0。 如:N2,H2 ,CH4, CCl4,CO2,CS2等。,对于双原子分子:分子极性与键的极性一致.即键是极性键,分子是极性分子;键是非极性键
13、,分子是非极性分子. 如: N2,H2、O2非极性分子; HFHClHBrHI极性分子 对于多原子分子:分子是否极性不仅取决于键的极性,而且取决于分子的空间构型(结构对称的为非极性分子) 如: CH4, CCl4,CO2,CS2非极性分子,3.分子空间构型和杂化轨道理论 杂化轨道理论要点: 1)电子在成键原子的作用下,进行激发; 2)能级相近的原子轨道互相杂化; 3)几个轨道参加杂化,形成几个杂化轨道; 4)成键能力更强。 以此用来解释分子的空间构型。,1)sp杂化:,4Be 2s2,图5.18 sp杂化轨道,分子空间构型为直线型,键角180 例如:HgCl2、BeCl2分子。,2) sp2杂
14、化:,5B 2s22p1,附图5.15 sp2杂化轨道,如:BX3,H2C=CH2,BCl3和CH2CH2的空间构型,3)等性sp3杂化:,6C 2s22p2,等性杂化:各个杂化轨道所含成分完全相同。,附图5.16 sp3杂化轨道,sp3杂化轨道成键特征:键角为10928 ,分子空间构型为正四面体。,例如: CH4,CX4,甲烷的空间构型,4)sp3不等性杂化,7N 2s22p3,8O 2s22p4,NH3空间构型为三角锥形, H2O空间构型为“V”形,不等性杂化:各个杂化轨道所含成分不完全相同。,例题,2、用杂化轨道理论推测下列分子空间构型,其中为平面三角形的是( ) A、NF3 B、AsH
15、3 C、BF3 D、SbH3 5.下列分子中其中心原子采用SP3不等性杂化的是 。 A.BeCl2 B.BCl3 C.PH3 D.CCl4 15.下列分子中,偶极距不为零的是。 AH2O BH2 CCO2 DO2,22. 下列哪些叙述是正确的_。 A.多原子分子中,键的极性越强,分子的极性越强; B.具有极性共价键的分子,一定是极性分子; C.非极性分子中的化学键,一定是非极性共价键; D.分子中的键是非极性键,分子一定是非极性分子. 27 CO2、H2O、NH3三种分子的极性不同:_ CO2属非极性分子,H2O、NH3属极性分子。 CO2、NH3属非极性分子 ,H2O属极性分子 三者均是极性
16、分子 它们均是非极性分子,4.分子间力 非极性分子与非极性分子间的力 色散力:瞬时偶极和瞬时偶极之间产生的分子间的力。 瞬时偶极:由于分子在某瞬间正负电荷中心不重合所产生的一种偶极。 非极性分子与极性分子间的力 色散力; 诱导力:由固有偶极和诱导偶极之间所产生的分子间力。 诱导偶极:由于分子受外界电场包括极性分子固有偶极场的影响所产生的一种偶极。 极性分子与极性分子之间的力 色散力; 诱导力; 取向力:由固有偶极之间所产生的分子间力。,分子间力是色散力、诱导力和取向力的总称。分子间力 也叫范德华力。其中色散力最普遍,也最重要。分子间力 比一般化学键弱得多,没有方向性和饱和性。 同类型分子中,色
17、散力与摩尔质量成正比,故可近似认为分子间力与摩尔质量成正比。 例题: 2.下列各物质分子间只存在色散力的是 。 . H20 . NH3 . SiH4 .HCl 6.HCl分子间的力有_。 A. 色散力 B.色散力、诱导力、取向力 C.诱导力、取向力 D.色散力、诱导力 10.下列分子中,分子间作用力最大的是_。 A.F2 B.Cl2 C.Br2 D.I2,5.氢键:氢原子除能和电负性较大的X原子(如:F、O、N)形成强的极性共价键外,还能吸引另一个电负性较大的Y原子(如:F、O、N)中的孤电子云对形成氢键。 XHY, X、Y电负性较大的原子如(F、O、N) 分子中含有FH键、OH键或NH键的分
18、子能形成氢键。如, HF、H2O、NH3、无机含氧酸(HNO3、H2SO4、H3BO3等) 、有机羧酸(COOH)、醇(OH)、胺(NH2)、蛋白质等分子之间都存在氢键。而乙醛(CH3 CHO)和丙酮(CH3COCH3)等醛、酮、醚分子之间则不能形成氢键。但与水分子之间能形成氢键。,例题,129.下类物质存在氢键的是: B (A)HBr (B)H2SO4 (C)C2H8 (D)CHCl3 1.下列物质中,含有氢键的是 _。 . H2S . NH3 . HCHO . C6H6 4.在下列物质中含有氢键的是_ C _。 A.HCl B.H2S C.CH3CH2OH D.CH3OCH3 6.下列含氢
19、化合物中,不存在氢键的化合物有_. .C2H5OH . C3H8 . NH3 .H3BO3,6.分子间力对物质性质的影响 物质的熔点和沸点:同类型的单质和化合物,其熔点和沸点一般随摩尔质量的增加而增大。因为分子间的色散力随摩而质量的增加而增大。但含有氢键的物质比不含氢键的物质熔点和沸点要高。例如, HF、 HCl、 HBr、 HI 沸点(。): 、 85 、57、 36 因HF分子间存在氢键,其熔点和沸点比同类型的氢化物要高,出现反常现象。 物质的溶解性:“(极性)相似者相溶” 即极性溶质易溶于极性溶剂;非极性(或弱极性)溶质易溶于非极性(或弱极性)溶剂。溶质和溶剂的极性越相近,越易互溶。例如
20、,碘易溶于苯或四氯化碳,而难溶于水.,例题: 14.下列物质熔点最高的是_。 ACF4 BCCl4 CCBr4 DCI4 51H2O的沸点是100,H2Se的沸点是-42,这种反常现象主要是由下述哪种原因引起的? _。 .分子间力 .共价键 .离子键 .氢键,三、晶体结构和性质 (一)晶体的基本类型和性质 1.离子晶体 (1) 晶格结点上的微粒正、负离子。 (2) 微粒间作用力离子键。作用力随离子电荷的增多和半径的减少而增强。 (3) 晶体中不存在独立的简单分子。例如NaCl晶体,表示Na+:Cl=1:1。 (4) 晶体的特性熔点高、硬度大;延展性差;一般易溶于极性溶剂;熔融态或水溶液均易导电
21、。 在相同类型的典型离子晶体中,离子的电荷越多,半径越小,晶体的熔点越高,硬度越大。,例1: 例2:,离子与电荷的规律如下: 在同一周期中,自左而右随着正离子电荷数的增多,离子半径逐渐减少, 如, NaMg2;KCa2Sc3 ,同一元素,随着正离子电荷数的增多,离子半经减少。 如 Fe2+Fe3+ 在同一族中,自上而下离子半经逐渐增大。 如,IBrClF,2.原子晶体. (1)晶格结点上的微粒原子。 (2)微粒间作用力共价键。 (3)晶体中不存在独立的简单分子。例如方石英(SiO2)晶体,表示Si:O=1:2。 (4)晶体的特性熔点高、硬度大;延展性差;一般溶剂中不溶;是电的绝缘体或半导体。常
22、见的原子晶体有金刚石(C)和可作半导体材料的单晶硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、以及碳化硅(SiC)和方石英(SiO2)。,3.分子晶体 (1)晶格结点上的微粒极性分子或非极性分子。 (2)微粒间作用力分子间力(还有氢键)。在同类型的分子中,分子间力随分子量的增大而增大。 (3)晶体中存在独立的简单分子。例如CO2晶体,表示一个分子。 (4)晶体的特性熔点抵、硬度小(随分子量的增大而增大);延展性差;其溶解性遵循“相似者相溶”。(有的易溶于有机溶剂),4金属晶体 (1)晶格结点上的微粒原子或正离子。 (2)微粒间作用力金属键。 (3)晶体中不存在独立的简单分子。 (4)晶体的特性是
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