备考一级注册结构工程师基础考试普通化学.pptx
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1、3.13.1物质的结构与物质的状态物质的结构与物质的状态一一.原子结构原子结构1.1.核外电子的运动特性核外电子的运动特性 核核外外电电子子运运动动具具有有能能量量量量子子化化、波波粒粒二二象象性性和和统统计计性性的的特征,不能用经典牛顿力学来描述核外电子的运动状态。特征,不能用经典牛顿力学来描述核外电子的运动状态。2.2.核外电子的运动规律的描述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由于微观粒子具有波的特性,所以在量子力学中用波函数函数来描述核外电子的运动状态。来描述核外电子的运动状态。(1)(1)波波函函数数:用用空空间间坐坐标标(x,y,z)(x,y,z)
2、来来描描写写波波的的数数学学函函数数式式,以表征原子中电子的运动状态。以表征原子中电子的运动状态。一一个个确确定定的的波波函函数数,称称为为一一个个原原子子轨轨道道。确确定定电电子子的的一种运动状态一种运动状态.(2)(2)概概率率密密度度(几几率率密密度度):用用2 2表表示示电电子子在在核核外外空空间间某某单单位体积内出现的概率大小。位体积内出现的概率大小。(3)(3)电子云:用黑点疏密的程度描述原子核外电电子云:用黑点疏密的程度描述原子核外电子的子的概率密度概率密度(2 2)分布规律的图形。黑点密的分布规律的图形。黑点密的地方,电子出现的概率密度较大,单位体积内电地方,电子出现的概率密度
3、较大,单位体积内电子出现的机会多。子出现的机会多。氢原子氢原子1s电子云(二维投影)电子云(二维投影)yxb(4)(4)四四个个量量子子数数:波波函函数数由由n,l,mn,l,m三三个个量量子子数数决决定定,即即(n,l,m)(n,l,m)。三个量子数取值相互制约。三个量子数取值相互制约。主主量量子子数数n n:n=1,2,3n=1,2,3,确确定定原原子子轨轨道道的的能能量量,和电子,和电子离核的远近离核的远近。角角量量子子数数:=0,1,2:=0,1,2n-1n-1(n(n个个),),确确定定原原子子轨轨道的形状道的形状。=0,1,2,30,1,2,3 s,p,d,f s,p,d,f 球形
4、球形 纺锤形纺锤形 梅花形梅花形 复杂复杂 s轨道投影yxP轨道投影轨道投影d轨道投影轨道投影磁量子数磁量子数m:m=0,1,2m:m=0,1,2(2(2+1+1个个),),确定原子确定原子轨道的空间取向轨道的空间取向。=0=0,m=0m=0,S S轨道空间取向为轨道空间取向为1 1;=1,m=0,1=1,m=0,1,P P轨道空间取向为轨道空间取向为3 3;=2 m=0,1,2,d=2 m=0,1,2,d轨道空间取向为轨道空间取向为5 5;一个一个原子轨道原子轨道:指指n n、mm三种量子数都具有三种量子数都具有一定数值时的一个波函数。一定数值时的一个波函数。(n,mn,m),),例如:例如
5、:(1,0,0)(1,0,0)代表基态氢原子的波函数。代表基态氢原子的波函数。n n、mm取值合理才能确定一个存在的波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。函数,亦即确定电子运动的一个轨道。n=1(1个个),=0,m=0,(1,0,0)n=2(4个)个),=n=3(9个个),=n=4(16个个)波函数波函数数目数目n2n n、mm的取值与波函数关系:的取值与波函数关系:n n,相同的轨道称为相同的轨道称为等价轨道。等价轨道。s s轨道有轨道有1 1个个等价轨道,表示为:等价轨道,表示为:p p轨道有轨道有3 3个个等价轨道,表示为:等价轨道,表示为:d d轨道有轨道有5
6、 5个个等价轨道,表示为:等价轨道,表示为:4)自旋量子数自旋量子数ms=代表电子自身两种不同的运动状态代表电子自身两种不同的运动状态(习惯以顺、习惯以顺、逆自旋两个方向形容这两种不同的运动状态)逆自旋两个方向形容这两种不同的运动状态),可用可用表示自旋平行表示自旋平行,表示自旋反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四个量子数确定电子的一个完整的运动状态动状态,以以(n,m,ms)表示。)表示。例:例:(1,0,0,+),(1,0,0,-)例题例题:7.7.对对原原子子中中的的电电子子来来说说,下下列列成成套套的的量量子子数数中中不不可可能能存存在在的是的是_。A.
7、(3,1,1,-1/2)B.(2,1,-1,+1/2)A.(3,1,1,-1/2)B.(2,1,-1,+1/2)C.(3,3,0,-1/2)C.(3,3,0,-1/2)D.(4,3,-3,+1/2)D.(4,3,-3,+1/2)9.9.下列量子数的组合中,哪一个是不合理的下列量子数的组合中,哪一个是不合理的_。A.n=2,=2,m=1A.n=2,=2,m=1 B.n=2,=1,m=0 B.n=2,=1,m=0C.n=3,=2,m=C.n=3,=2,m=1 D.n=3,=0,m=01 D.n=3,=0,m=019.19.量子力学中的一个原子轨道是指量子力学中的一个原子轨道是指_。A.A.与波尔理
8、论相同的原子轨道与波尔理论相同的原子轨道B.nB.n具有一定数值时的一个波函数具有一定数值时的一个波函数C.nC.n、m m三种量子数都具有一定数值时的一个波函数三种量子数都具有一定数值时的一个波函数D.D.、m m二种量子数都具有一定数值时的一个波函数二种量子数都具有一定数值时的一个波函数12.12.某某元元素素最最外外层层原原子子轨轨道道4S4S上上有有一一个个电电子子,其其四四个个量量子子数表达式正确的是数表达式正确的是_._.A.(4.0,1,+1/2)B.(4,1A.(4.0,1,+1/2)B.(4,1,0,-1/2)0,-1/2)C.(4.0,0,+1/2)D.(4C.(4.0,0
9、,+1/2)D.(4,1,1,-1/2)1,1,-1/2)24.24.表示表示3d3d的诸量子数为:的诸量子数为:_ A.n=3 =1 m=+1 m A.n=3 =1 m=+1 mS S=-1/2=-1/2 B.n=3 =2 m=+1 m B.n=3 =2 m=+1 mS S=+1/2=+1/2 C.n=3 =0 m=+1 m C.n=3 =0 m=+1 mS S=-1/2=-1/2 D.n=3 =3 m=+1 m D.n=3 =3 m=+1 mS S=+1/2=+1/211p2波函数角度分布形状为波函数角度分布形状为:A.双球形双球形B.球形球形C.四瓣梅花形四瓣梅花形D.橄榄形橄榄形3.3
10、.原子核外电子分布三原则原子核外电子分布三原则(1)(1)泡泡利利不不相相容容原原理理:一一个个原原子子中中不不可可能能有有四四个个量子数完全相同的两个电子。量子数完全相同的两个电子。一一个个原原子子轨轨道道中中只只能能容容纳纳自自旋旋方方向向相相反反的的两两个电子个电子。表示为:表示为:根据每层有根据每层有n2个轨道,每个轨道最多能容纳个轨道,每个轨道最多能容纳两个电子,由此可得出两个电子,由此可得出每一层电子的最大容量为:每一层电子的最大容量为:2n2。(2)(2)最最低低能能量量原原理理:电电子子总总是是尽尽先先占占据据能能量量最低的轨道。最低的轨道。电子依据近似能级图电子依据近似能级图
11、由低到高依次排布由低到高依次排布。近似能级图近似能级图:7s 7s 6s 6s 4f 5d4f 5d 6p 6p 5s 5s 4d4d 5p 5p 4s 4s 3d3d 4p 4p 3s 3p 3s 3p 2s 2p 2s 2p 1s 1s能量逐渐升高能量逐渐升高能量逐渐升高能量逐渐升高(3)(3)洪洪特特规规则则:在在n n和和值值都都相相同同的的等等价价轨轨道道中中,电子总是尽可能电子总是尽可能分占各个轨道且自旋平行分占各个轨道且自旋平行。如如2p2p3 3:3d 3d6 6有几个未成对电子?有几个未成对电子?洪洪特特规规则则特特例例:当当电电子子的的分分布布处处于于全全充充满满、半半充充
12、满或全空时,比较稳定满或全空时,比较稳定。全充满全充满:p:p6 6或或d d1010或或f f1414半充满半充满:p:p3 3或或d d5 5或或f f7 7全空全空:p:p0 0或或d d0 0或或f f0 0例如例如:2424Cr 1SCr 1S2 22S2S2 22P2P6 63S3S2 23P3P6 63d3d5 54S4S1 1,半充满比较稳定。,半充满比较稳定。2929u 1Su 1S2 22S2S2 22P2P6 63S3S2 23P3P6 63d3d10104S4S1 1,全充满比较稳定全充满比较稳定42Mo、47Ag、79Au(4)(4)核外电子分布式:核外电子分布式:原
13、子的原子的 原子的原子的 离子的离子的 离子外层离子外层 电子分布式电子分布式 外层电子分布式外层电子分布式 电子分布式电子分布式 电子分布式电子分布式 (价电子构型)(价电子构型)1111NaNa:1s1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s1 1 3s3s1 1 NaNa+:1s:1s2 22s2s2 22p2p6 6 2s2s2 22p2p6 6 1616S S:1s1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p4 4 3s3s2 23p3p4 4 S S2-2-:1s:1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p6 6 3s3s2 23p3p6 6
14、2626FeFe:1s1s2 22s2s2 22p2p6 6 3s 3s2 23p3p6 63d3d6 64S4S2 2 3d3d6 64s4s2 2 FeFe3+3+:1s:1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p6 63d3d5 5 3s3s2 23p3p6 63d3d5 52424CrCr:1S1S2 22S2S2 22P2P6 63S3S2 23P3P6 63d3d5 54S4S1 1 3d 3d5 54S4S1 1 Cr Cr3 3:1S1S2 22S2S2 22P2P6 63S3S2 23P3P6 63d3d3 3 3S3S2 23P3P6 63d3d3 329
15、29u u:1S1S2 22S2S2 22P2P6 63S3S2 23P3P6 63d3d10104S4S1 1 3d3d10104S4S1 1 u u2 2:1S1S2 22S2S2 22P2P6 63S3S2 23P3P6 63d3d9 9 3S3S2 23P3P6 63d3d9 9例题例题130.某元素的某元素的+2价离子的外层电子分布式为价离子的外层电子分布式为:该元素是该元素是:C(A)Mn(B)Cr(C)Fe(D)Co1、24号基态原子的外层电子结构式正确的是(号基态原子的外层电子结构式正确的是()A、2s2B、3s23p6C、3s23p4D、3d54s13.3.FeFe3+3+的
16、外层电子分布式为的外层电子分布式为_。A.3dA.3d3 34S4S2 2 B.3d B.3d5 5 C.3SC.3S2 23P3P6 63d3d5 5 D.3S D.3S2 23P3P6 63d3d3 34S4S2 21818.原原子子序序数数为为2525的的元元素素,其其+2+2价价离离子子的的外外层层电电子子分分布布为为。A.3dA.3d3 34s4s2 2 B.3d B.3d5 5 C.3sC.3s2 23p3p6 63d3d5 5 D.3s D.3s2 23p3p6 63d3d3 34s4s2 2 2020.原子序数为原子序数为2929的元素,其原子外层电子排布应是:的元素,其原子外
17、层电子排布应是:A.3dA.3d9 94s4s2 2 B.3d B.3d10104s4s2 2 C.3d C.3d10104s4s1 1 D.3d D.3d10105s5s1 126.26.铁铁原原子子的的价价电电子子构构型型为为3d3d6 64s4s2 2,在在轭轭道道图图中中,未未配配对对的电子数为:的电子数为:_ A.0 B.2 A.0 B.2 C.4C.4 D.D.6 6(5)5)原子、离子的电子式及分子结构式原子、离子的电子式及分子结构式电电子子式式:在在元元素素符符号号周周围围用用小小黑黑点点(或或)来来表表示示原原子子或或离离子子的的最外层电子最外层电子的式子。例如的式子。例如:
18、H.Na.Mg.Ca.:C:H.Na.Mg.Ca.:C:分子结构式:分子结构式:用用“”代表一对共用电子对代表一对共用电子对的分子式。例如的分子式。例如:NNNN,O=C=OO=C=O,Cl-Cl Cl-Cl,H HCl Cl 二二.化学键和分子结构化学键和分子结构1.1.化化学学键键:分分子子或或晶晶体体中中相相邻邻的的原原子子(离离子子)之之间间的的强强烈烈的的相相互作用。化学键一般分为离子键、共价键和金属键。互作用。化学键一般分为离子键、共价键和金属键。(1)(1)离子键:由正负离子的静电引力形成的化学键。离子键:由正负离子的静电引力形成的化学键。离子的离子的外层电子构型外层电子构型大致
19、有:大致有:2 2电电子子构构型型;8 8电电子子构构型型 ;9 91717电电子子构构型型 ;1818电电子子构构型型;(18182 2)电子构型。)电子构型。(2)(2)共共价价键键:分分子子内内原原子子间间通通过过共共用用电电子子对对(电电子云重叠子云重叠)所形成的化学键。所形成的化学键。可用价键理论和分子轨道理论来说明。可用价键理论和分子轨道理论来说明。价价键键理理论论要要点点:价价键键理理论论认认为为典典型型的的共共价价键键是是在在非非金金属属单单质质或或电电负负性性相相差差不不大大的的原原子子之之间间通通过过电电子子的的相相互互配配对对(共共用用电电子子对对)而而形形成成。原原子子
20、中中一一个个未未成成对对电电子子只只能能和和另另一一个个原原子子中中自自旋旋相相反反的的一一个个电电子子配配对对成成键键,且且成成键键时时原原子子轨轨道道要要对对称称性性匹匹配配,并并实实现现最最大大程程度度的的重重叠叠。所以共价键具有所以共价键具有饱和性和方向性饱和性和方向性。键键:原原子子轨轨道道沿沿两两核核连连线线,以以“头头碰碰头头”方式重叠方式重叠 S-S:H-HS-S:H-H,S-PS-Px x:H-Cl,:H-Cl,P Px x-P-Px x:Cl-Cl :Cl-Cl 键键:原原子子沿沿两两核核连连线线以以“肩肩并并肩肩”方方式进行重叠。式进行重叠。如如 单键单键 :Cl-Cl
21、Cl-Cl 双键双键 :+-C=C-C=C-三键:三键:+NN NN 键键 键键例题例题:11.11.根根据据价价键键理理论论和和原原子子轨轨道道重重叠叠原原则则,N N2 2的的结结构构为为_。A.A.一个一个键键,二个二个键键;B.B.三个三个键键;C.C.三个三个键键 ;D.;D.一个一个键键,二个二个键键2.2.分分子子的的极极性性与与电电偶偶极极矩矩:极极性性分分子子和和非非极极性分子用电偶极矩性分子用电偶极矩来区别。来区别。=q.=q.q q:正负电荷中心带电量;:正负电荷中心带电量;:正负电荷中心之间的距离。:正负电荷中心之间的距离。极性分子:极性分子:正负电荷中心不重合,正负电
22、荷中心不重合,0 0 如:如:HX,HHX,H2 2O,SOO,SO2 2,H,H2 2S,HCNS,HCN等。等。且极性且极性:HFHClHBrHI:HFHClHBrHI非极性分子:非极性分子:正负电荷中心重合,正负电荷中心重合,=0=0。如如:N:N2 2,H,H2 2,CH,CH4 4,CCl,CCl4 4,CO,CO2 2,CS,CS2 2等。等。对于对于双原子分子双原子分子:分子分子极性极性与键的极性一致与键的极性一致.即键是极性键即键是极性键,分子是极性分子分子是极性分子;键是非极键是非极性键性键,分子是非极性分子分子是非极性分子.如:如:N N2 2,H,H2 2、O O2 2非
23、极性分子;非极性分子;HFHClHBrHIHFHClHBrHI极性分子极性分子对于对于多原子分子多原子分子:分子是否极性不仅取决于分子是否极性不仅取决于键的极性键的极性,而且取决于分子的空间构型而且取决于分子的空间构型(结结构对称的为非极性分子构对称的为非极性分子)如:如:CHCH4 4,CCl,CCl4 4,CO,CO2 2,CS,CS2 2非极性分子非极性分子3.3.分子空间构型和杂化轨道理论分子空间构型和杂化轨道理论杂化轨道理论要点杂化轨道理论要点:1 1)电子在成键原子的作用下,进行激发;)电子在成键原子的作用下,进行激发;2)2)能级相近的原子轨道互相杂化能级相近的原子轨道互相杂化;
24、3)3)几个轨道参加杂化几个轨道参加杂化,形成几个杂化轨道;形成几个杂化轨道;4)4)成键能力更强。成键能力更强。以此用来解释分子的空间构型。以此用来解释分子的空间构型。杂化轨道类型杂化轨道类型SPSPSPSP2 2SPSP3 3SPSP3 3(不等性)(不等性)空间构型空间构型直线型直线型平面正三形平面正三形角形角形正四面体正四面体三角锥型三角锥型V V字型字型实例实例BeClBeCl2 2,HgCl2,HgCl2,CO2,CO2,CS2CS2,C2H2 C2H2 BClBCl3 3,BF,BF3 3(B,Al,Ga等等IIIA元素元素的卤化物的卤化物),C2H4CHCH4 4,SiH,Si
25、H4 4,CClCCl4 4,SiCl,SiCl4 4 (IVAIVA元素)元素)NHNH3 3PHPH3 3,PClPCl3 3(VAVA元素)元素)H H2 2O O H H2 2S S(VIAVIA元元素)素)分子极性:分子极性:非极性非极性非极性非极性非极性非极性 极性极性极性极性 1)sp杂化杂化:4Be 2s2图5.18sp杂化轨道分子空间构型为分子空间构型为直线型,键角直线型,键角180 例如:例如:HgCl2、BeCl2分子。分子。附图5.15 sp2杂化轨道sp2杂化轨道成键特征:杂化轨道成键特征:键角为键角为120,120,分子空间构型为分子空间构型为平面正三角形。平面正三
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