原子分子结构及性质.pptx
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1、2024/8/8 周周四四无机化学选论无机化学选论主讲:石晓波主讲:石晓波 绪论绪论 理论部分理论部分 溶液反应溶液反应元素化学元素化学结构理论结构理论 反应理论反应理论酸、碱反应酸、碱反应 沉淀沉淀-溶解反应溶解反应氧化氧化-还原反应还原反应 配位反应配位反应化学物质的结构、性质、制备、化学物质的结构、性质、制备、应用。应用。无机化学内容回顾无机化学内容回顾一一 绪论绪论1 原子、分子结构及性质原子、分子结构及性质2 配位化配位化合物合物3 溶液化学中的几个问题溶液化学中的几个问题4 主族元素化学主族元素化学 5 过渡金属过渡金属 本课程主要内容本课程主要内容二二无机化学选论无机化学选论第第
2、1章章 原子、分子结构及性质原子、分子结构及性质无机化学选论第无机化学选论第1章章主主 要要 内内 容容原子的性质原子的性质1.1共价键分子的成键理论共价键分子的成键理论1.2分子的立体化学分子的立体化学1.3离子极化学说及其应用离子极化学说及其应用1.4无机化学选论第无机化学选论第1章章1.原子结构理论中的重要概念原子结构理论中的重要概念(1)量子化量子化(2)波粒二象性波粒二象性(3)波函数、原子轨道和电子云波函数、原子轨道和电子云(4)概率密度和概率分布概率密度和概率分布(5)量子数量子数(6)能级、能级组和电子层能级、能级组和电子层(7)屏蔽效应和钻穿效应屏蔽效应和钻穿效应1.1 原子
3、的性质原子的性质无机化学选论第无机化学选论第1章章2.原子核外电子的排布原子核外电子的排布排布三原则排布三原则 最低能量原理最低能量原理 电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道上电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道上,使整个原子系统能量最使整个原子系统能量最 低。低。Pauli不相容原理不相容原理每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式相反的电子。每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式相反的电子。Hund 规则规则 在在 n 和和 l 相同的轨道上分布的电子相同的轨道上分布的电子,将尽可能分占将尽可能分占 m 值不同的轨道值不同的轨道,且自旋平行。且自旋平行。无机化学选论第无机化学选论第1章章3.元素周期
4、律与元素周期表元素周期律与元素周期表 元素周期律正是各元素原子内部结构周元素周期律正是各元素原子内部结构周期性变化的反映,因此各元素在周期表中的期性变化的反映,因此各元素在周期表中的位置、各周期元素数、主副族的确定、元素位置、各周期元素数、主副族的确定、元素的分区等都是元素原子电子层结构的反映。的分区等都是元素原子电子层结构的反映。无机化学选论第无机化学选论第1章章 习习 题题1-1.已知某元素的原子序数是已知某元素的原子序数是42,试推断:,试推断:(1)该元素的电子结构;该元素的电子结构;(2)处于哪一周期哪一族?处于哪一周期哪一族?(3)是非金属还是金属?是非金属还是金属?(4)最高氧化
5、态及其氧化物的酸碱性。最高氧化态及其氧化物的酸碱性。1-2.写出下列电子构型的阳离子位于周期表中的哪写出下列电子构型的阳离子位于周期表中的哪些区?并对每种构型的阳离子在每一区中各举一例:些区?并对每种构型的阳离子在每一区中各举一例:8 8电子构型,电子构型,1818电子构型,电子构型,18+218+2电子构型,电子构型,9 91717电电子构型,子构型,2 2电子构型。电子构型。无机化学选论第无机化学选论第1章章1-3.为什么最外电子层的电子数不为什么最外电子层的电子数不能超过能超过8个个,次外电子层的电子数不次外电子层的电子数不能超过能超过18个,而不是电子最大容纳个,而不是电子最大容纳数数
6、=2n2?1-4.原子核外最外层电子的四个量子数为原子核外最外层电子的四个量子数为n=4,l=0,m=0,ms=,试写出符合条件的试写出符合条件的元素有几种?元素符号为?元素有几种?元素符号为?无机化学选论第无机化学选论第1章章1-5.有有3个元素个元素A、B、C,最外层电子构型分别为,最外层电子构型分别为A:4d55s1;B:5d06s2;C:3d34s2。指出它们处于哪。指出它们处于哪一周期哪一族?原子序数分别是多少?元素符号?一周期哪一族?原子序数分别是多少?元素符号?1-6.现有现有A、B、C、D四元素,四元素,A是是IA族第五周期元素,族第五周期元素,B是第三周期元素,是第三周期元素
7、,B、C、D的价电子分别为的价电子分别为2,2和和7个,四元素原子序数从小到大的顺序是个,四元素原子序数从小到大的顺序是B、C、D、A。已知已知C和和D的次外层电子均为的次外层电子均为18个。个。(1)判断判断A、B、C、D各是什么元素?各是什么元素?(2)写出写出A、B、C、D简单离子的形式;简单离子的形式;(3)这四种元素中互相生成二元化合物有几种?这四种元素中互相生成二元化合物有几种?无机化学选论第无机化学选论第1章章1-7.回答以下各问题回答以下各问题:(1)写写出出原原子子序序数数为为 32 的的元元素素的的核核外外电电子子排排布布、元元素符号、元素名称以及此元素在周期表中的位置;素
8、符号、元素名称以及此元素在周期表中的位置;(2)试试用用四四个个量量子子数数分分别别表表示示这这个个元元素素原原子子最最外外层层各各价电子的核外运动状态价电子的核外运动状态 (3)分别画出此元素原子最外层分别画出此元素原子最外层px电子的轨道角度分电子的轨道角度分布图及电子云径向分布图。布图及电子云径向分布图。1-8.请解释在请解释在H原子中原子中3s和和3p轨道有相等的能轨道有相等的能量,而在量,而在Cl原子中原子中3s轨道能量比相应的轨道能量比相应的3p轨轨道能量低。道能量低。无机化学选论第无机化学选论第1章章4.某些元素性质与原子结构的关系某些元素性质与原子结构的关系(1)原子半径原子半
9、径(2)电离能电离能 (注意全满和半满结构注意全满和半满结构)(3)电子亲和能电子亲和能 (注意变化复杂注意变化复杂)(4)电负性电负性 元素的原子半径、电离能、电子亲和能和电负元素的原子半径、电离能、电子亲和能和电负性等性质都是由原子结构直接决定的,它们的周期性等性质都是由原子结构直接决定的,它们的周期性变化规律可以由原子结构来说明。性变化规律可以由原子结构来说明。无机化学选论第无机化学选论第1章章电负性电负性 Pauling认为,由于异核原子的电负性不相等,其认为,由于异核原子的电负性不相等,其键能除共价性键能外,还应有附加的、额外的离子键键键能除共价性键能外,还应有附加的、额外的离子键键
10、能,即上式中能,即上式中。因此,。因此,Pauling将将A和和B原子的电负性原子的电负性差定义为:差定义为:|A B|=0.1021/2 (1.1)并指定并指定F的电负性为的电负性为3.98。其他元素的。其他元素的Pauling电负电负性性 P便可由热力学数据计算出来。便可由热力学数据计算出来。Pauling注意到异核双原子分子成键时有如下关系:注意到异核双原子分子成键时有如下关系:DA-B 1/2(DA-A+DB-B)或或 DA-B=1/2(DA-A+DB-B)+0无机化学选论第无机化学选论第1章章 R.S.Mulliken认为比较原子电负性的大小应结合考认为比较原子电负性的大小应结合考虑
11、虑原子吸引电子的能力和抵抗丢失电子的能力,原子吸引电子的能力和抵抗丢失电子的能力,前者前者与电子亲和能成正比,后者与电离能成正比。因此与电子亲和能成正比,后者与电离能成正比。因此Mulliken关于电负性关于电负性 M的定义为:的定义为:(1.2)为了与为了与Pauling电负性比较,电负性比较,Mulliken总结出如下总结出如下关系式:关系式:P=0.336 M0.207=0.168(EA+I1.23)(1.3)或或 P=1.35 M1/21.37 (1.4)电负性电负性无机化学选论第无机化学选论第1章章 A.L.Allred(阿莱阿莱)和和E.G.Rochow(罗周罗周)定义电负性定义电
12、负性为为核对价电子施加的静电吸引力核对价电子施加的静电吸引力,可按下式计算:,可按下式计算:(1.5)式中,式中,Z*为有效核电荷,为有效核电荷,r为原子半径为原子半径(pm)。1989年,年,Allen(阿伦阿伦)根据光谱数据,根据光谱数据,以基态自由原以基态自由原子价层电子的平均单电子能量为基础获得主族元素的电子价层电子的平均单电子能量为基础获得主族元素的电负性负性:(1.6)式中,式中,m和和n分别为分别为p轨道和轨道和s轨道上的电子数,轨道上的电子数,Ep和和Es分别为分别为p轨道和轨道和s轨道上的电子的平均能量。轨道上的电子的平均能量。电负性电负性无机化学选论第无机化学选论第1章章考
13、察电负性数据可以发现:考察电负性数据可以发现:(2)同一周期的元素的电负性从左向右随着族数的增同一周期的元素的电负性从左向右随着族数的增加而增加。加而增加。同一族的元素的电负性随着周期的增加而减同一族的元素的电负性随着周期的增加而减小。小。因此,电负性大的元素集中在周期表的右上角,电因此,电负性大的元素集中在周期表的右上角,电负性小的元素在左下角。负性小的元素在左下角。(1)金属元素的电负性较小,非金属的电负性较大,金属元素的电负性较小,非金属的电负性较大,电负性是判断金属性的重要参数,电负性是判断金属性的重要参数,=2可作为近似标可作为近似标志金属和非金属的分界点。志金属和非金属的分界点。电
14、负性电负性无机化学选论第无机化学选论第1章章 离子键、共价键和金属键是三种极限键型,它们离子键、共价键和金属键是三种极限键型,它们之间有一系列的过渡性的化学键。可见,电负性数据之间有一系列的过渡性的化学键。可见,电负性数据是研究化合物中键型变异的重要参数。是研究化合物中键型变异的重要参数。(3)电负性相差大的元素之间的化合物以离子键为电负性相差大的元素之间的化合物以离子键为主;主;电负性相同或相近的非金属元素相互间以共价电负性相同或相近的非金属元素相互间以共价键结合:键结合:电负性相同或相近的金属元素相互间以金电负性相同或相近的金属元素相互间以金属键结合,属键结合,形成金属或合金。形成金属或合
15、金。电负性电负性无机化学选论第无机化学选论第1章章 (4)按按Allen和和Allred的电负性定义,的电负性定义,稀有气体在同稀有气体在同一周期中电负性最高一周期中电负性最高,这是因为它们具有极强的保持这是因为它们具有极强的保持电子的能力,即电子的能力,即I1特别大。特别大。Ne的电负性比所有元素都的电负性比所有元素都高,高,这是因为它对价电子抓得极紧之故。这是因为它对价电子抓得极紧之故。Xe比比F、O的电负性低,的电负性低,可以形成氟化物和氧化物;可以形成氟化物和氧化物;Xe和和C的电的电负性相近,可以形成共价键,这已被实验所证实。负性相近,可以形成共价键,这已被实验所证实。电负性电负性无
16、机化学选论第无机化学选论第1章章 最后还要强调的是,既然最后还要强调的是,既然电负性是表示原子在分子电负性是表示原子在分子中吸引电子的能力中吸引电子的能力,并非单独原子的性质。那么,并非单独原子的性质。那么,原原子在分子中的价态、原子所带电荷、原子在成键时所子在分子中的价态、原子所带电荷、原子在成键时所采用的杂化形式以及周围其他原子采用的杂化形式以及周围其他原子都会对电负性有不都会对电负性有不同程度的影响。即同程度的影响。即元素的电负性将取决于原子在分子元素的电负性将取决于原子在分子中所处的环境中所处的环境。电负性电负性无机化学选论第无机化学选论第1章章一一般般所所取取碳碳的的电电负负性性为为
17、2.55,氮氮为为3.04,分分别别相相当当于于sp3杂杂化化轨轨道道的的电电负负性性。当当以以sp杂杂化化时时,碳碳的的电电负负性性值值约接近于氧约接近于氧(3.44),氮的电负性甚至比氟,氮的电负性甚至比氟(3.98)还要大还要大.原子的杂化状态原子的杂化状态 例如,碳和氮原子在杂化轨道例如,碳和氮原子在杂化轨道sp3、sp2 和和 sp 中中 s成分分别为成分分别为 25%、33%、50%,相应的电负性分别为,相应的电负性分别为2.48、2.75、3.29 和和 3.08、3.94、4.67。原原子子的的杂杂化化状状态态对对电电负负性性的的影影响响是是因因为为s电电子子的的钻钻穿穿效效应
18、应比比较较强强,s轨轨道道的的能能量量比比较较低低,有有较较大大的的吸吸引引电电子子的的能能力力。所所以以杂杂化化轨轨道道中中含含s成成分分越越多多,原原子子的的电电负负性也就越大。性也就越大。电负性电负性无机化学选论第无机化学选论第1章章 键联键联原子的诱导作用原子的诱导作用 一个原子的电负性可因受周围原子诱导作用的影一个原子的电负性可因受周围原子诱导作用的影响而发生变化。响而发生变化。例如,在例如,在CH3I中的碳的电负性就小于中的碳的电负性就小于CF3I中碳的电负性。中碳的电负性。其原因在于,其原因在于,F的电负性远大于的电负性远大于H(2.2),在,在F的诱导作用下,的诱导作用下,CF
19、3I中碳的电负性增加,中碳的电负性增加,甚至超过了碘。结果使得在两种化合物中甚至超过了碘。结果使得在两种化合物中CI键的极键的极性有着完全相反的方向性有着完全相反的方向:在在 中碳带正电,而在中碳带正电,而在 中碳带负电。中碳带负电。电负性电负性无机化学选论第无机化学选论第1章章 一个特定的基团有一个特定的电负性值一个特定的基团有一个特定的电负性值(表表)。2.583.504.323.363.763.422.613.78C6H5COOCH3NO2COOHCNOHN(CH3)2NF22.782.963.103.193.322.322.30电负性电负性NH2CI3CBr3CCl3CF3CH3CH2
20、CH3基团基团 考虑到如上述考虑到如上述CH3和和CF3基团的中心原子受其他原基团的中心原子受其他原子影响而改变了电负性值,从而提出了子影响而改变了电负性值,从而提出了基团电负性基团电负性的的概念。概念。电负性电负性无机化学选论第无机化学选论第1章章 原子所带电荷原子所带电荷即即:a表表示示中中性性原原子子的的电电负负性性(中中性性原原子子 0),b为为电电荷荷参参数数,表表示示电电负负性性随随电电荷荷而而改改变变的的变变化化率率。大大的的、易易极极化化的的原原子子有有较较小小的的b值值;小小的的、难难以以极极化化的的原原子子b值值较大。较大。电负性与电荷的关系可用下式表示。电负性与电荷的关系
21、可用下式表示。ab 式式中中 为为分分子子中中原原子子所所带带的的部部分分电电荷荷。a、b为为两两个个参参数。数。电负性电负性无机化学选论第无机化学选论第1章章1-10不参考任何数据表不参考任何数据表,排出以下物种性质的顺序:排出以下物种性质的顺序:(1)Mg2+,Ar,Br,Ca2+按半径增加的顺序按半径增加的顺序 (2)Na,Na+,O,Ne按第一电离能增加的顺序按第一电离能增加的顺序 (3)H,F,Al,O按电负性增加的顺序按电负性增加的顺序 (4)O,Cl,Al,F按第一电子亲和能增加的顺序。按第一电子亲和能增加的顺序。习习 题题1-9.比较下列各对元素的第一电离能的大小。比较下列各对
22、元素的第一电离能的大小。(1)Mg与与Al;(;(2)P与与S;(3)Cu与与Zn无机化学选论第无机化学选论第1章章1-12.根据电离能或电子亲和能推测下列气相反应哪根据电离能或电子亲和能推测下列气相反应哪些是自发的些是自发的?(1)Kr+He+Kr+He (2)Si+Cl+Si+Cl (3)Cl-+I I-+Cl1-11.比较下列各组元素的电负性和第一电离能的大小。比较下列各组元素的电负性和第一电离能的大小。(1)19和和29号元素;号元素;(2)37和和55号元素;号元素;(3)33和和34号元素号元素无机化学选论第无机化学选论第1章章一一.几种典型的分子轨道几种典型的分子轨道 轨道轨道:
23、原子轨道:原子轨道头对头头对头方式重叠构成方式重叠构成分子轨道。分子轨道。重叠的电子云呈园柱型重叠的电子云呈园柱型对称分布于键轴,对称分布于键轴,ss、sp、pxpx都可构成都可构成重叠。重叠。1.2 共价键分子的成键理论共价键分子的成键理论无机化学选论第无机化学选论第1章章 轨轨道道:对对称称性性匹匹配配的的d轨轨道道以以面面对对面面方方式式重重叠叠构构成成分子轨道。分子轨道。分分子子轨轨道道的的电电子子云云分分布布于于与与键键轴轴垂垂直直的的两两个个平平面面,dx2y2与与dx2y2构成构成重叠。重叠。轨轨道道:原原子子轨轨道道以以肩肩并并肩肩方式重叠构成方式重叠构成分子轨道。分子轨道。分
24、分子子轨轨道道电电子子云云对对称称分分布布于于通通过过分分子子键键轴轴的的平平面面,pypy和和pzpz都可构成都可构成重叠。重叠。无机化学选论第无机化学选论第1章章二二.分子轨道理论的基本要点分子轨道理论的基本要点 原子轨道组合为原子轨道组合为分子轨道分子轨道的的三个原则三个原则:能量相近原则能量相近原则 对称性匹配原则对称性匹配原则 轨道最大重叠原则轨道最大重叠原则无机化学选论第无机化学选论第1章章能量相近的两个原子轨道组合成分子轨道能量相近的两个原子轨道组合成分子轨道分子轨道理论分子轨道理论无机化学选论第无机化学选论第1章章反键轨道反键轨道非键轨道非键轨道成键轨道成键轨道非键轨道非键轨道
25、分子轨道理论分子轨道理论无机化学选论第无机化学选论第1章章 分子中共价键的强度用键级来度量:分子中共价键的强度用键级来度量:二二.分子轨道理论的基本要点分子轨道理论的基本要点键级键级键级越大,键能越大,分子就越稳定。键级越大,键能越大,分子就越稳定。分子轨道理论分子轨道理论无机化学选论第无机化学选论第1章章1.同核双原子分子同核双原子分子三三.几种简单分子的分子轨道能级图几种简单分子的分子轨道能级图反键分子轨道反键分子轨道成键分子轨道成键分子轨道 原子轨道原子轨道 原子轨道原子轨道 1s 1s*1s1sHHH2节面节面分子轨道理论分子轨道理论无机化学选论第无机化学选论第1章章H2+的结构的结构
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