(整理)多原子分子的结构和性质复习过程
(整理)多原子分子的结构和性质
第五章多原子分子的结构和性质
§5.1 价电子对互斥理论(VSEPR)
价电子对: 成键电子对(bp)和孤电子对(lp)
认为:由于斥力作用,键长一定时,价电子对之间距离越远越稳定.
价电子对斥力: (1)电子对之间的静电排斥作用;
(2)Pauli斥力,即价电子对之间自旋相同的电子互相回避的效
应
判断分子构型需要考虑:(1)bp集中在两个原子的键轴区域
(2)多重键按一个键考虑
(3)孤电子对比较肥大
(4)电负性
据此提出判断几何构型的规则:
1. 使价电子对斥力小价电子对等距排布在同一球面上,形成规则多面体m + n个顶点的对应的构型这里m为配体数,n孤电子对数
2. 键型的作用
3.中心原子A与配体无论形成单键还是双键三键,按一个键区计算原子间的互斥作用.这样双键区有4个电子,三键区有6个电子。
C=O双键对C-Cl单键的斥力大于C-Cl单键之间的斥力,导致键角的不同. 4．孤电子对占据较大的位置
§5.2 杂化轨道理论
5.2.1.实验基础
CH
4
正四面体键角109.28°
中心C原子：
1
1
1
1
2
22
2
2
2
2
2
z
y
x
p
p
p
s
p
s
5.2.2.杂化轨道理论
1. 定义： 所谓“杂化”即单中心原子轨道的线性组合。
2.
基本假定：
在形成分子的过程中，原子中能级相近的几个原子轨道可以相互混合，从而产生新的原子轨道，称这种新的原子轨道为杂化轨道，这个过程为“杂化”。 3.
数学表述：
i
ki n
i k c φφ∑==1 ??
?==n k n i ......
2,1......
2,1 形成杂化轨道过程和AO 组合成MO 一样，也符合轨道数目守恒。
4. 成键能力：
经计算表明，原子轨道经杂化以后增加了成键能力，使体系更加稳定。
5.2.3.杂化轨道的三条基本原则
1． 杂化轨道的归一性
1
=?
τφφd k k k φ为实函数，得出，
∑==+++n i
ki kn
k k c c c c 1
...2
222
2
1
例如： 3
sp 杂化轨道：
pz
k py k px k s k k c c c c 2423221φφφφφ+++= （k=1……4）
124232221=+++k k k k c c c c 2． 单位轨道贡献
每个参加杂化的原子轨道，在所有新的n 个杂化轨道中该轨道成分之和必为一个单位。即
∑==+++n
k
ki ni
i
i
c c c c 1 (2)
22221
例如： 3
sp 杂化轨道：
124232221=+++i i i i c c c c 若杂化中
n c c c ni i i 1
(2)
2221=
===, 为等性杂化；
若
n c ki 1
2≠
为不等性杂化。
3．
杂化轨道的正交性(轨道间得夹角)
1=?τφφd l k 1≠k
l k φφ、为两个不同杂化轨道，对n
sp 杂化，设其形式为
pl l s l pk
k s k φλφφφλφφ+=+=
λ为p 和s 轨道组合系数之比，可推得：n =2λ，代入正交式得
出：
1=+=??τφφλλτφφd d pl pk l k l k
0cos 1=+=kl l k θλλ
式中kl θ为两个杂化轨道l k φφ、间的夹角。
对等性n sp 杂化 λλλ==l k ，则
0cos 12=+kl θλ 又 n =2λ 0ncosθ1k l =+
如sp 杂化 12=λ 0cos 1=+kl θ ο180=kl θ 直线型
2sp 杂化22=λ0cos 21=+kl θ ο120=kl θ 平面三角型 3sp 杂化32=λ0cos 31=+kl θ
'28109ο=kl θ 正四面体
5.2.4.杂化轨道理论的应用
1．s-p 型等性杂化
利用杂化轨道三原则构造sp 、2sp 、3sp 型杂化轨道：以2
sp 为例，
步骤如下：
（1） 求夹角 ο
120=kl θ
（2） 对平面型分子 通常选定 x 、y 平面为分子平面，设参加杂化的轨道是y
x p p s ,,，形成的杂化轨道是321,,φφφ，取1φ最大方向在x 方
向， 图示
（3） 对等性杂化，在三个杂化轨道s 成分为1/3，单位轨道贡献：
31312111=
==c c c
（4） 1φ中只有s 和p x 成分，p y 对1φ无贡献 031=c
利用归一化条件：
1213212211=++c c c 得
32
12=
c 得到1φ
（5） 32,φφ与x 轴夹角相同，对称
则3222c c =（x p 对32,φφ的贡献相同，且为负）
3323c c -=（y p
对32,φφ的贡献符号相反）
再利用p x 的单位轨道贡献
1322323222
=++???? ??C C 得
6132
22-==c c 同理得
21
3323=
-=c c
（6） 得到三个杂化轨道的具体形式是：
py px s φφφφ?++=
032
311
py px s φφφφ2161312+-=
py px s φφφφ2161313--=
（7） 同理得到
sp 杂化：
pz s φφφ21211+=
pz s φφφ21212-=
（对线性分子选z 轴为键轴）
sp 3
杂化：()()()()pz py px s pz py px s pz py px s pz py px s φφφφφφφφφφφφφφφφφφφφ-+-=--+=+--=+++=
21
2
1
2
1
21
4321
sp 3示意图
2．s-p- d 等性杂化
对过渡元素，(n-1)d 轨道和ns,np 能级相近，可形成d-s-p 杂化轨道；如d 2sp 3杂化，配位数为6的某些分子或络离子，中心原子或离子采取d 2sp 3杂化,例[Co(NH 3)6]3+; dsp 2杂化，配位数为4的络离子如[Ni(CN)4]2+，中心Ni 2+采取dsp 2杂化，平面正方形构型，参加杂化的基函是：dx 2-y 2,s,p x ,p y
对p 区元素，其ns,np,nd 能级相近，可形成s-p-d 杂化轨道；sp 3d 2杂化如SF 6分子，为正八面体分子，参加杂化的基函为： dx 2-y 2,dz 2,s,p x ,p y ,p z 3．s-p 不等性杂化
NH 4+
、CH 4均为正四面体结构，N 和C 采用等性sp 3
杂化，而在H 2O 、NH 3
中，键角的实验值为οο107,5.104,它们与NH 4+、CH 4等电子分子，所以推断
H 2O 、NH 3采取不等性sp 3杂化.
§5.3 离域分子轨道理论和休克尔分子轨道法HMO 5.3.1.问题的提出
1．丁二烯分子中的键长平均化和1，4加成反应
2．苯分子中6个C 一C 键等同，分不出单、双键，构型为正六边形，取代反应比加成反应更容易。
共轭分子的这些性质，说明分子中存在离域大π键（每个C 原子采取sp 2 杂化，剩余一个p 轨道互相平行，重叠在一起形成一个整体，p 电子在多个原子间运动产生离域大π键）。
1931年，休克尔（Huckel ）应用了LCAO 一MO 方法，并采用简化处理，解释了大量有机共轭分子，形成了休克尔分子轨道理论（简称HMO ）。
5.3.2.HMO 理论的基本要点和休克尔行列式 1．σ-π分离近似和π电子近似
有机共轭分子均为平面构型，如丁二烯，该平面为分子平面，所有C 的AO 和MO 分成两类；
①σ轨道及其基函（sp 2）在分子平面的反映下是对称的；
②π轨道及其基函（C2 pz ）在分子平面的反映下，是反对称的，分子平面为节面，由对称性相一致的原则，σ轨道和π轨道不互相组合。
在讨论共轭分子的结构时，把σ电子和π电子分开处理，在分子中把原子核、内层电子、非键电子连同σ电子一起冻结为“分子实”，构成了由σ键相连的分子骨架，π电子在分子骨架的势场中运动。
由于π电子在化学反应中比σ电子易受到扰动，在共轭分子的量子化学处理中，只讨论π电子，即π电子近似.
2．单电子近似：i i i ΨE πΨH =?
分子中每个π电子的运动状态均可用一个单电子波函数i ψ来描述，i ψ即π
分子轨道，πH
?为单个π电子的哈密顿算符。 3.LCAO —MO 近似：∑==n
1i i
i φC Ψ
每个离域π轨道是由相同对称性的各个C 原子的2pz 轨道进行线性组合，n 为共轭的C 原子的个数，每个C 原子提供一个2pz 轨道φi,组合系数由变分法确定。
将∑==n
1i i
i φC Ψ代入变分积分公式
?∑?∑∑??==dτ)φC ()dτφC π(H )φC (ΨdτΨπΨdτH ΨE 2
i i i i i i **??
展开，并引入积分H ii , H ij , S ij ，进一步利用变分处理
0C E C E C E n
21=??=??=??ΛΛ，得久期方程。
方程有非零解的条件是系数行列式（即久期行列式）为零，见教材（2—5.3）式，因式中涉及的许多积分的确切值难以计算，休克尔对上述几个积分
H ii , H ij , S ij 进一步引入近似。
11 (2)
21
1...
...................
.................................11.........2222212111.........12121111=---------n
ES n H Sn Hn Sn Hn n
ES n H ES H ES H n ES n H ES H ES H
4．休克尔近似 （1）库仑积分α
?α=τπφφ=d H ?H j
i ii
α近似为第i 个C 原子2pz 电子的平均能量，不考虑C 原子位置的差别,一律视为固定参数α，是由实验推测的参数。 （2）交换积分β
???
?β=τπφφ=键连非键连0d H ?H j i ij
β决定了相邻的π键的性质，称为成键参量，β为负值，为实验推测的参数。 （3）重叠积分
ij
S
???
?≠==τφφ=)j i (0)j i (1d S j i ij 归一化得到
即略去所有原子间pz 的重叠
在休克尔近似的基础上，对链式共轭烯烃，久期行列式化为教材（2一5.4）式，
00000
0
.....
00 0
0 (00)
=----E
E
E E αββ
αββαββα
应用
β-α=
E
x ，得休克尔行列式，相应的久期方程也得到简化：
0x
1
0001x 10001x 10001x )x (D n ==Λ
M ΛM M M M Λ
Λ
Λ
简化方程：0......
0
00143232121=+=++=++=+-x C C C x C C C x C C C x C n n
休克尔行列式构成法：①行数和列数等于C 原子个数；②写出分子中C 原子标号,列于行列式顶和侧；③有C 原子的地方为x ，有π键的为1，其它为0 写出休克尔行列式，解出x i (i=1，2……n)，求出对应的i i x E β-α=；再将x i 代回简化的久期方程，利用归一化条件确定系数，即得到π轨道。（详见下面）
5.3.3.丁二烯的HMO 处理
1．解休克尔行列式确定轨道及能量 1 2 3 4 H 2C=CH –CH=CH 2
x
1001x
1001x
1001x
=
简化程：00
00
4343232121=+=++=++=+x C C C x C C C x C C C x C
展开行列式：x 4-3x 2+1=0,令y=x 2解出y 得：
x=±0.618, ±1.618
βαβαx E E
x -=-=
, 得四个轨道能量:
β
αβαβαβα618.1,618.1618.0,618.0618.0,618.0618.1,618.122112211+==-==+=-=+=-=E x E x E x E x
β为负值，E l 如x1=-1.618代入， ?????? ?=+=++=++=+000 43432 3 2121x C C C x C C C x C C C x C ，得?????===141312618.1618.1C C C C C C 四个变量中只有三个是独立的，最后确定参数需用归一化条件： 1 )618.1()618.1() 0,1(1 )(*,1*2 12121212 42 32 221244332211=+++∴===+++=+++==???C C C C Sij Sii C C C C d C C C C d d i i i i 注意：应用即： τφφφφτψψ τψψ 得到：? ????? ?====3717.046015.036015.023717.01C C C C 即：432144 32134 32124 32113717.06015.06015.03717.06015.03717.03717.06015.06015.03717.03717.06015.04,3,23717.06015.06015.03717.0φφφφψφφφφψφφφφψφφφφψ-+-=+--=--+=+++=：代入简化的久期方程得同样将x x x 2．结果讨论——能量及离域π轨道示意图 详见教材p225一227，了解能级图，会计算离域能；根据i ψ画π分子轨道示意图，并讨论。 注意在计算离域能πDE 时，定域能πl E 的规律：假设分子中有m 个间隔的定 域π键，则依休克尔方法计算出有m 个简并的β+α最低能级，每个能级占据2个电子，共2m 个电子，则πl E 为： )(2βαπ+=m E l 丁二烯有两个定域π键，4个π电子，m=2；同理对苯m=3。 离域能是对分子体系起稳定化作用的能量。共轭体系越大,则离域能πDE 越负。 5.3.4.丁二烯的HMO 处理 1．解休克尔行列式确定轨道及能量 1 2 3 4 H 2C=CH –CH=CH 2 x 1001x 1001x 1001x = 简化程：00 00 4343232121=+=++=++=+x C C C x C C C x C C C x C 展开行列式：x 4-3x 2+1=0,令y=x 2解出y 得： x=±0.618, ±1.618 βαβαx E E x -=-= , 得四个轨道能量: β αβαβαβα618.1,618.1618.0,618.0618.0,618.0618.1,618.122112211+==-==+=-=+=-=E x E x E x E x β为负值，E l 如x1=-1.618代入， ?????? ?=+=++=++=+000 43432 3 2121x C C C x C C C x C C C x C ，得?????===141312618.1618.1C C C C C C 四个变量中只有三个是独立的，最后确定参数需用归一化条件： 1 )618.1()618.1() 0,1(1 )(*,1*2 12121212 42 32 221244332211=+++∴===+++=+++==???C C C C Sij Sii C C C C d C C C C d d i i i i 注意：应用即： τφφφφτψψ τψψ 得到：? ????? ?====3717.046015.036015.023717.01C C C C 即：432144 32134 32124 32113717.06015.06015.03717.06015.03717.03717.06015.06015.03717.03717.06015.04,3,23717.06015.06015.03717.0φφφφψφφφφψφφφφψφφφφψ-+-=+--=--+=+++=：代入简化的久期方程得同样将x x x 2．结果讨论——能量及离域π轨道示意图 详见教材p225一227，了解能级图，会计算离域能；根据i ψ画π分子轨道示意图，并讨论。 注意在计算离域能πDE 时，定域能πl E 的规律：假设分子中有m 个间隔的定域π键，则依休克尔方法计算出有m 个简并的β+α最低能级，每个能级占据2个电子，共2m 个电子，则πl E 为： )(2βαπ+=m E l 丁二烯有两个定域π键，4个π电子，m=2；同理对苯m=3。 离域能是对分子体系起稳定化作用的能量。共轭体系越大,则离域能πDE 越负。 5.3.4苯分子的HMO 处理 详见教材p229一231。会写苯分子的休克尔行列式，详细求解过程不要求。 结果讨论：能级图，离域能πDE ，π分子轨道示意图（俯视图） 5.3.5.休克尔4m+2规则与非苯类的芳香烃 对于单环多烯CnHn 分子轨道能级分布的规律性可以利用FROST 建议的图示法表示： 5.3. 6.电荷密度，键级与自由价、分子图——HMO 参量 1．电荷密度 指每个原子π电子电荷的多少。 ∑=j 2 jr j r C n q ,此公式不须死记，以丁二烯为 例计算每个C 原子上的π电荷密度，问题就简单了（参见教材）。也可再以苯为例计算一下。 2．键级rs p 在双原子分子中定义过键级 2 n n * ∑∑-,表示两个原子间定域键的相对强度， 共轭分子的离域π键，相邻原子间键级须重新定义。 ∑=占据 j js jr j rs C C n p (rs 为相邻原子) 此公式也不用记，以了二烯为例会计算即可。从计算结果看出：离域π键所提供的键级是小数；分布于C 1一C 2和C 3 一C 4间的π键较强，而中间的π键较弱。 σ键和π键总键级：rs rs p 1P += 相邻原子间的键级越大，其键强度越大，键长就越短。 3．自由价F r “自由价”即原子参与形成化学键之后，还剩余的成键能力 原子成键度: ∑=s rs r P N 即原子r 和周围其它原子间键级总和，max N 表示该原子最大成键度，则定义某原 子r 的自由价为： ∑-=-=s rs max r max r P N N N F 某原子的自由价即剩余成键度。Nmax 是人为选定的上限，对C 原子通常以三次甲基甲烷以32)CH (C (假想体)中心C 原子的总键级（可通过HMO 计算出来）Nmax=4.732 ∵∑-=s rs r P 732.4F ,可以丁二烯和苯为例进行计算。 4.分子图 在共轭分子的碳骨架上，把电荷密度、键级、自由价表示出来，就构成分子图，具体表示方法参见教材p239 应用①由分子图可以推断键的性质和分子的稳定性（详见教材p240） ②由分子图可以计算偶级矩（不要求） ③判断分子化学反应活性（掌握并应用） 有机取代反应所发生的位置的四点规律参见教材p241～242 5.3.7.无机共轭分子和离子 HMO 法可应用于无机共轭分子或离子，例如2CO ，- 3N ，2NO ，- 23CO ， -3 NO ，3BF ，等都不能用经典结构式表示，都存在离域π键。关于这些分子的 休克尔行列式及HMO 计算不要求，只要求掌握它们的电子结构及大π键。 1．如2CO 分子经实验测定为直线型结构，可推断中心C 原子采取sp 杂化 C 原子sp 杂化轨道与O 的单占据轨道形成σ键，还剩余两个p 轨道，分 别与O 互相平行的两个p 轨道形成两个离域大π键，即2个43π。 对每个大π键，三个AO 即两个C 的2px ，O 的2px 或C 的2py 与O 的2py 组合形成三个MO:1ψ（成键）2ψ（非）3ψ（反），两个大π键两两简并。 -3N 结构与2CO 类似，也为直线型，形成两个4 3π，学员可自己分析. 2．2NO 分子，实验测定为角形结构?=∠132ONO ，可判断N 原子采取不等性sp 2杂化用以形成σ键，剩余一个P z 轨道单占据，垂直于分子平面，与O 原子平行的P 轨道形成4 3π 3.AB 3型分子如3BCl ,3BF ，-23CO ，- 3NO 等，中心原子采取等性sp 2杂化， 分子是平面三角形，有一组平行的P 轨道能形成共轭π键。 5.3.8.离域π键形成的条件和类型 1．离域π键是指三中心以上的原子间垂直于分子平面的p 轨道互相重迭形成的化学键。 条件：①分子骨架为一平面，每个原子可以提供一个垂直于分子平面的彼此平行的p 轨道；②总的π电子数少于p 轨道数的2倍（保证成键电子数大于反键电子数）。 2．n 个原子提供n 个P 轨道和m 个P 电子，形成m n π大π键。 ①正常大π键（n = m ）p 轨道数 = p 电子数 ②多电子离域π键（n ＜m ） 一般O ，Cl ，N ，S 带孤对电子如酰胺C 原子sp 2 杂化，形成4 3π，N 的孤 对电子离域化，使N 原子碱性减小。 ③缺电子离域π键（m ＜n 由于形成了离域π键，增加了π电子的活动范围，使得分子具有特殊的物理化学性质，如能量降低，稳定性增强，键长平均化，酸碱性及各种化学性能的变化。 一、共轭分子的量子力学处理——休克尔分子轨道法（HMO ） （1）丁二烯（4个碳原子剩下4个2p 轨道组成非定域分子轨道） 线性组合试探波函数： ∑==+++=ψ 4 1 44332211i i i c c c c c φφφφφ ∑∑∑∑?∑∑?∑∑??H = H = ψψψH ψ= E ∧ ∧ i j ij j i i j ij j i j j j i i i j j j i i i S c c c c d c c d c c d d τ φφτ φ φτ τ ))(()()(* * 休克尔近似（简化）：1=? =H =ij ij S j i 1001>=H ±===H ±≠ij ij ij ij S j i S j i β 代回求能量表示式，并求极值，可得久期方程组 ??? ????=E -?+=+E -?+=+E -?+=+E -?0 )(0 )(0 )(0 )(4343232121c c c c c c c c c c ββββββ 则有： 01 0011 00110 0100 00 00=??→ ?=E -?E -?E -?E -?E -?=x x x x x β ββ β β β β 解久期行列式，得：0)1)(1(0132224=---+=+-x x x x x x 求得四个根：618.1618 .0618 .0618.14321==-=-=x x x x 有四个能级： βββ β 618.1618.0618.0618.14321-?=E -?=E +?=E +?=E 421 E 3 将解得的各能量值E 代入方程组： ?????? ?=+=++=++=+0 000 434323 2121xc c c xc c c xc c c xc 并结合归一化条件：12 42322212=+++=ψ?c c c c d τ 可求得Ci （i=1，2，3，4）的四组解。如：E=E 1 x 1 =-1.618代入： c 2 =-x 1c 1 ；c 3 =-x 1c 4 c 1+（-x 1c 1 ）x 1 +(-x 1c 4)=0 即：41121411211)1(0c x c x c x c x c =-?=-- ?? ?-==+=∴=+++=∴=-1 122 221322 42322 214 112112211c x c c c c c c c c c c c x x ΘΘ 解得： 3 241602.0372.0c c c c ==== 则： ) (372.0602.0602.0372.0)(602.0372.0372.0602.0)(602.0372.0372.0602.0)(372.0602.0602.0372.044 321434321324321214 3211E -+-=ψE +--=ψE --+=ψE +++=ψφφφφφφφφφφφφφφφφ 讨论： ○14个电子进入4个离域π键分子轨道，（遍及整个分子），这些分子轨道由4个碳原子p 轨道线性组合而成。 ○2成键情况：π电子处于两个成键轨道，比原单个π键轨道能量要低，更加稳定。 ○3波函数分布： 1ψ： 键轴上没节点 2ψ：有一个节面点 电子云密集各原子间 电子去密集在C 1 —C 2 C 3—C 4 能量最低，成键作用 能量次低，起小π键作用 3ψ：有三个节点，激发态（反键轨道） 4ψ：有三个节点，更高激发态 （反键轨道） 电子云只密集在C 2—C 3 （弱） 电子无密集在原子间，倾向于分离， 起反键作用 由此可见：节面越多，能量越高（波函数交替排布）。 ○ 4苯（环状化合物） 可得久期行列式 00.00001 1 000011000 01 1000011 10001=x x x x x x 可解得x 的六个根和六个能级： β αβαβαβα22 1122 665454323211-=E =-=E =E ==+=E =E -==+=E -=x x x x x x 六个波函数（分子轨道） )(6 1 )22(121 )(41 )(4 1 ) 22(121 )(6165432166543215653246532365432126543211φφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφφ-+-+-= ψ--+--=ψ-+-=ψ--+= ψ+---+=ψ+++++=ψ 6个π电子进入成键轨道321ψψψ、、 βα864221+=E +E =E ββαβαπ2)86()66()(-=+-+=?E 离域能 苯的离域能绝对值比丁二烯要大，比丁二烯稳定。 （3）休克尔分子轨道理论的一般推论： ○1共轭分子的π电子遍及整个分子，离域范围越大，能量越低。 2 228ml h n =E （类似一维势阱的情形） ○2分子轨道能级的分布 A 、直链烯烃 能级通式：)2.1(1 cos 2n n Λ=++=E ρρπ βα 如丁二烯 n=4 （碳原子数） β απ βαβ απ βαβ απ βαβ απ βα618.1)5 4cos(2618.0)53cos(2618.0)5 2cos(2618.1)5cos(24321-=+=E -=+=E +=+=E +=+=E 又如戊二烯 n=5 β απ βαβ απ βααπ βαβ απ βαβ απ βα732.1)65cos(2)64cos(2)63cos(2)62cos(2732.1)6cos(254321-=+=E -=+=E =+=E +=+=E +=+=E B 、单环共轭烯烃： 能级通式：)12.1.0(1 2cos 2-=++=E n n Λρρπ βα 如：苯 n=6 βαπ βαβ αβα+=+=E +=+=E )6 2cos( 220cos 221 β απ βαβ απ βαβ απ βαβ απ βα+=+=E -=+=E -=+=E -=+=E )3 5cos(2)34cos(22)6 6cos(2)64cos(26543 二、大π键形成条件和共轭效应 （1）条件： 1、参与离域分子轨道的原子应在同一个平面上且提供一个相互平行而且垂直于平面的p 轨道。 2、总的π电子数小于两倍离域分子轨道数。 )2(n m m n m n <--∏电子数 原子轨道数 π （2）类型 1、m=n 正常大π键101066 44 ∏∏∏ NO 2 N sp 2 杂化 33∏ 2、m>n 多电子大π键 Cl CH CH -=2 43∏ C 6H 5NH 2 87∏ CO 2 2个43∏ 3、m 第一章物质结构与性质教案 教材分析： 一、本章教学目标 1．了解原子结构的构造原理，知道原子核外电子的能级分布，能用电子排布式表示常见元素(1～36号)原子核外电子的排布。 2．了解能量最低原理，知道基态与激发态，知道原子核外电子在一定条件下会发生跃迁产生原子光谱。 3．了解原子核外电子的运动状态，知道电子云和原子轨道。 4．认识原子结构与元素周期系的关系，了解元素周期系的应用价值。 5．能说出元素电离能、电负性的涵义，能应用元素的电离能说明元素的某些性质。 6．从科学家探索物质构成奥秘的史实中体会科学探究的过程和方法，在抽象思维、理论分析的过程中逐步形成科学的价值观。 本章知识分析： 本章是在学生已有原子结构知识的基础上，进一步深入地研究原子的结构，从构造原理和能量最低原理介绍了原子的核外电子排布以及原子光谱等，并图文并茂地描述了电子云和原子轨道；在原子结构知识的基础上，介绍了元素周期系、元素周期表及元素周期律。总之，本章按照课程标准要求比较系统而深入地介绍了原子结构与元素的性质，为后续章节内容的学习奠定基础。尽管本章内容比较抽象，是学习难点，但作为本书的第一章，教科书从内容和形式上都比较注意激发和保持学生的学习兴趣，重视培养学生的科学素养，有利于增强学生学习化学的兴趣。 通过本章的学习，学生能够比较系统地掌握原子结构的知识，在原子水平上认识物质构成的规律，并能运用原子结构知识解释一些化学现象。 注意本章不能挖得很深，属于略微展开。 第一节原子结构 第一课时 知识与技能： 1、进一步认识原子核外电子的分层排布 2、知道原子核外电子的能层分布及其能量关系 3、知道原子核外电子的能级分布及其能量关系 4、能用符号表示原子核外的不同能级，初步知道量子数的涵义 5、了解原子结构的构造原理，能用构造原理认识原子的核外电子排布 6、能用电子排布式表示常见元素（1～36号）原子核外电子的排布 方法和过程： 复习和沿伸、类比和归纳、能层类比楼层，能级类比楼梯。 情感和价值观：充分认识原子结构理论发展的过程是一个逐步深入完美的过程。 教学过程： 1、原子结构理论发展 从古代希腊哲学家留基伯和德谟克利特的朴素原子说到现代量子力学模型，人类思想中的原子结构模型经过多次演变，给我们多方面的启迪。 现代大爆炸宇宙学理论认为，我们所在的宇宙诞生于一次大爆炸。大爆炸后约两小时，诞生了大量的氢、少量的氦以及极少量的锂。其后，经过或长或短的发展过程，氢、氦等发生原子核的熔合反应，分期分批地合成其他元素。 〖复习〗必修中学习的原子核外电子排布规律： 分子结构与性质 1．三硫化磷(P4S3)是黄绿色针状晶体，易燃、有毒，分子结构之一如下图所示，已知其燃烧热△H＝ -3677kJ/mol(P被氧化为P4O10)，下列有关P4S3的说法中不正确的是 A．分子中每个原子最外层均达到8电子稳定结构 B．P4S3中硫元素为-2价，磷元素为+3价 C．热化学方程式为P4S3(s)+8O2(g)＝P4O10(s)+3SO2(g)；△H＝-3677kJ/mol D．一个P4S3分子中含有三个非极性共价键 【答案】B 【解析】A、P原子最外层有5个电子，含3个未成键电子，S原子最外层有6个电子，含2个未成键电子，由P4S3的分子结构可知，每个P形成3个共价键，每个S形成2个共价键，分子中每个原子最外层均达到8电子稳定结构，A正确；B、由P4S3的分子结构可知，1个P为+3价，其它3个P都是+1价，正价总数为+6，而S为-2价，B错误；C、根据燃烧热的概念：1mol可燃物燃烧生成稳定氧化物放出的热量为燃烧热，则P4S3(s)+8O2(g)=P4O10(s)+3SO2(g)；△H= -3677kJ/mol，C正确；D、由P4S3的分子结构可知，P-P之间的键为非极性键，P-S之间的键为极性键，一个P4S3分子中含有三个非极性共价键，D正确。 2．常温下三氯化氮（NCl3）是一种淡黄色的液体，其分子结构呈三角锥形，以下关于NCl3说法正确的是（）A．该物质中N-C1键是非极性键 B．NCl3中N原子采用sp2杂化 C．该物质是极性分子 D．因N-C1键的键能大，所以NCl3的沸点高 【答案】C 【解析】A、N和Cl是不同的非金属，则N－Cl键属于极性键，故A错误；B、NCl3中N有3个σ键，孤 电子对数531 2 -? =1，价层电子对数为4，价层电子对数等于杂化轨道数，即NCl3中N的杂化类型为sp3， 故B错误；C、根据B选项分析，NCl3为三角锥形，属于极性分子，故C正确；D、NCl3是分子晶体，NCl3沸点高低与N－Cl键能大小无关，故D错误。 3．二氯化二硫(S2Cl2)，非平面结构，常温下是一种黄红色液体，有刺激性恶臭，熔点80℃，沸点135.6℃，对干二氯化二硫叙述正确的是 一、填空题 1. 已知:类氢离子He +的某一状态Ψ=0202/30)22()2(241a r e a r a -?-?π此状态的n ，l ，m 值分别为_____________________.其能量为_____________________,角动量平方为_________________.角动量在Z 轴方向分量为_________. 2. He +的3p z 轨道有_____个径向节面， 有_____个角度节面。 3. 如一原子轨道的磁量子数m=0，主量子数n ≤2，则可能的轨道为__________。 二、选择题 1. 在外磁场下，多电子原子的能量与下列哪些量子数有关（ ） A. n,l B. n,l,m C. n D. n,m 2. 用来表示核外某电子运动状况的下列各组量子数（n ，l ，m ，ms ）中，哪一组是合理的（） A. （2，1，-1，-1/2） B. （0，0，0，1/2） C. （3，1，2，1/2） D.（2，1，0，0） 3. 如果一个原子的主量子数是4，则它（ ） A. 只有s 、p 电子 B. 只有s 、p 、d 电子 C. 只有s 、p 、d 和f 电子 D. 有s 、p 电子 4. 对氢原子Φ方程求解,下列叙述有错的是( ). A. 可得复函数解Φ=ΦΦim m Ae )(. B. 由Φ方程复函数解进行线性组合,可得到实函数解. C. 根据Φm (Φ)函数的单值性,可确定|m|=0.1.2…………I D. 根据归一化条件1)(220=ΦΦΦ?d m π求得π21 =A 5. He +的一个电子处于总节面数为3的d 态问电子的能量应为 ( ). A.1 B.1/9 C.1/4 D.1/16 6. 电子在核附近有非零几率密度的原子轨道是( ). A.Ψ3P B. Ψ3d C.Ψ2P D.Ψ2S 7. 氢原子处于下列各状态 (1)ψ2px (2) ψ3dxz (3) ψ3pz (4) ψ3dz 2 (5)ψ322 ，问哪些状态既是M 2算符的本征函数，又是M z 算符的本征函数? A. (1) (3) B. (2) (4) C. (3) (4) (5) D. (1) (2) (5) 分子的结构与性质 【知识动脉】 知识框架 产生原因：共价键的方向性 Sp3 决定因素：杂化轨道方式sp2 分子的空间构型sp 空间构型的判断：VSEPR理论 空间构型决定性质等电子原理 手性分子 配合物 一、杂化轨道理论 1. 杂化的概念：在形成多原子分子的过程中，中心原子的若干能量相近的原子轨道重新组合，形成一组新的轨道，这个过程叫做轨道的杂化，产生的新轨道叫杂化轨道。 思考：甲烷分子的轨道是如何形成的呢？ 形成甲烷分子时，中心原子的2s和2p x，2p y，2p z等四条原子轨道发生杂化，形成一组新的轨道，即四条sp3杂化轨道，这些sp3杂化轨道不同于s轨道，也不同于p轨道。 根据参与杂化的s轨道与p轨道的数目，除了有sp3杂化外，还有sp2杂化和sp杂化，sp2杂化轨道表示由一个s轨道与两个p轨道杂化形成的，sp杂化轨道表示由一个s轨道与一个p轨道杂化形成的。 思考： 应用轨道杂化理论，探究分子的立体结构。 C2H4 BF3 CH2O C2H2 思考：怎样判断有几个轨道参与了杂化？ [讨论总结]：三种杂化轨道的轨道形状，SP杂化夹角为°的直线型杂化轨道，SP2杂化轨道为°的平面三角形，SP3杂化轨道为°′的正四面体构型。 小结：HCN中C原子以sp杂化，CH2O中C原子以sp2杂化；HCN中含有2个σ键和2π键；CH2O中含有3σ键和1个π键 【例1】（09江苏卷21 A部分）（12分）生物质能是一种洁净、可再生的能源。生物质气（主要成分为CO、CO2、H2等）与H2混合，催化合成甲醇是生物质能利用的方法之一。甲醛分子中碳原子轨道的杂化类型为。甲醛分子的空间构型是；1mol甲醛分子中σ键的数目为。 解析与评价：甲醛分子中含有碳氧双键，故碳原子轨道的杂化类型为sp2杂化；分子的空间构型为平面型；1mol甲醛分子中含有2mol碳氢δ键，1mol碳氧δ键，故含有δ键的数目为3N A 答案：sp2平面型3N A 【变式训练1】（09宁夏卷38）［化学—选修物质结构与性质］（15分） 已知X、Y和Z三种元素的原子序数之和等于42。X元素原子的4p轨道上有3个未成对电子，Y元素原子的最外层2p轨道上有2个未成对电子。X跟Y可形成化合物X2Y3，Z元素可以形成负一价离子。请回答下列问题： （1）X与Z可形成化合物XZ3，该化合物的空间构型为____________; 2、价层电子对互斥模型 把分子分成两大类：一类是中心原子上的价电子都用于形成共价键。如CO2、CH2O、CH4等分子中的C 原子。它们的立体结构可用中心原子周围的原子数来预测，概括如下： ABn 立体结构范例 n=2 直线型CO2 n=3 平面三角形CH2O n=4 正四面体型CH4 另一类是中心原子上有孤对电子 ．．．．．．．．．．．．）的分子。如 ．．．．（未用于形成共价键的电子对 H2O和NH3中心原子上的孤对电子也要占据中心原子周围的空间，并参与互相排斥。因而H2O分子呈V型，NH3分子呈三角锥型。 练习2、应用VSEPR理论判断下表中分子或离子的构型。进一步认识多原子分子的立体结构。 化学式中心原子含有孤对电子对数中心原子结合的原子数空间构型 H2S 原子结构与元素周期律 考点1 原子结构 1、原子的构成 中子N （核素） 原子核 近似相对原子质量 质子Z → 元素符号 原子结构 决定原子呈电中性 电子数（Z 个） 体积小，运动速率高（近光速），无固定轨道 核外电子 运动特征 电子云（比喻） 小黑点的意义、小黑点密度的意义。 排布规律 → 电子层数 周期序数及原子半径 表示方法 → 原子（离子）的电子式、原子结构示意图 2、三个基本关系 （1）数量关系：质子数 = 核电荷数 = 核外电子数（原子中） （2）电性关系： ①原子中：质子数=核电荷数=核外电子数 ②阳离子中：质子数>核外电子数 或 质子数=核外电子数+电荷数 ③阴离子中：质子数<核外电子数 或 质子数=核外电子数-电荷数 （3）质量关系：质量数 = 质子数 + 中子数 [例1]（2008·茂名一模）一定量的锎（98252Cf ）是有用的中子源，1mg （98252Cf ）每秒约放出2. 34xl99个中子，在医学上常用作治疗恶性肿瘤的中子源。下列有关锎的说法错误的是 A.98252Cf 原子中，中子数为154 B.98252Cf 原子中，质子数为98 C.98252Cf 原子中，电子数为 98 D.锎元素的相对原子质量为252 考点2 原子核外电子排布规律 决定 X)(A Z [例2]（2008·广州二模·理基）X和Y属短周期元素，X原子的最外层电子数是次外层电子数的一半，Y位于X的前一周期，且最外层上只有一个电子，下列说法正确的是（）A．X可能是第二周期的非金属元素 B．X可能是第三周期的金属元素 C．Y可能与X同主族 D．Y一定是金属元素 考点3 相对原子质量 定义：以12C原子质量的1/12（约1.66×10-27kg）作为标准，其它原子的质量跟它比较所得的值。其国际单位制（SI）单位为1，符号为1（单位1一般不写） 原子质量：指原子的真实质量，也称绝对质量，是通过精密的实验测得的。 如：一个氯原子的m(35Cl)=5.81×10-26kg。 核素的相对原子质量：各核素的质量与12C的质量的1/12的比值。一种元素有几 种同位素，就应有几种不同的核素的相对原子质量，相对诸量如35Cl为34.969,37Cl为36.966。 原子比较核素的近似相对原子质量：是对核素的相对原子质量取近似整数值，数值上与该质量核素的质量数相等。如：35Cl为35,37Cl为37。 元素的相对原子质量：是按该元素各种天然同位素原子所占的原子个数百分比 算出的平均值。如：Ar(Cl)=Ar(35Cl)×a% + Ar(37Cl)×b% 元素的近似相对原子质量：用元素同位素的质量数代替同位素相对原子质量与 其原子个数百分比的乘积之和。 注意①、核素相对原子质量不是元素的相对原子质量。 ②、通常可以用元素近似相对原子质量代替元素相对原子质量进行必要的计算。 [例4]（2008·汕头二模）某元素一种同位素的原子的质子数为m，中子数为n，则下列说法正确的是( ) A.不能由此确定该元素的原子量 B.这种元素的原子量为(m+n) C.若碳原子质量为w g，此原子的质量为(m+n)w g D.核内中子的总质量小于质子的总质量 第二章分子结构与性质 第一节共价键 【学习目标】 1、了解共价键的形成过程。 2、知道共价键的主要类型δ键和π键。 3、能用键参数――键能、键长、键角说明简单分子的某些性质 4、知道等电子原理，结合实例说明“等电子原理的应用” 【学习重点】 1、δ键和π键的特征和性质 2、用键能、键长、键角等说明简单分子的某些性质。 【学习难点】 1、δ键和π键的特征； 2、键角 【教学过程】 复习引入： 1.NaCl、HCl的形成过程 2.离子键：阴阳离子间的相互作用。 3.共价键：原子间通过共用电子对形成的相互作用。 4.使离子相结合或原子相结合的作用力通称为化学键。 一、共价键 1、定义：原子间通过共用电子对形成的相互作用。 2、练习：用电子式表示H2、HCl、Cl2的形成过程 H2 HCl Cl2 思考：为什么H2、Cl2 是双原子分子，而稀有气体是单原子分子？ 3、形成共价键的条件：两原子都有单电子 讨论（第一组回答）：按共价键的共用电子对理论，是否有H3、H2Cl、Cl3的分子存在？ 4、共价键的特性：饱和性 对于主族元素而言，内层电子一般都成对，单电子在最外层。 如：H 1s1 、Cl 1s22s22p63s23p5 H、Cl最外层各缺一个电子，于是两原子各拿一电子形成一对 共用电子对共用，由于Cl吸引电子对能力稍强，电子对偏向Cl（并非完全占有），Cl略带部分负电荷，H略带部分正电荷。 讨论（第二组回答）：共用电子对中H、Cl的两单电子自旋方向是相同还是相反？ 设问：前面学习了电子云和轨道理论，对于HCl中H、Cl原子形成共价键时，电子云如何重叠？ 例：H2的形成 1s1 相互靠拢1s1 电子云相互重叠形成H2分子的共价键 （H-H）由此可见，共价键可看成是电子云重叠的结果。电子云重叠程度越大，则形成的共价键越牢固。 H2里的共价键称为δ键。形成δ键的电子称为δ电子。 5、共价键的种类 （1）δ键：（以“头碰头”重叠形式） a、特征：以形成化学键的两原子核的连线为轴作旋转操作，共价键电子云的图形不变，这种特征称为轴对称。 讲：H2分子里的δ键是由两个s电子重叠形成的，可称为S-Sδ键。 下图为HCl、Cl2中电子云重叠： 未成对电子的电子云相互靠拢电子云相互重叠形成的共价单 键的电子云图 像 未成对电子的电子云相互靠拢电子云相互重叠形成的共价 单键的电子 云图像 HCl分子里的δ键是由H的一个s电子和Cl的一个P电子重叠形成的，可称为S-P δ键。 Cl2分子里的δ键是由Cl的两个P电子重叠形成的，可称为P-P δ键。 b、种类：S-S δ键 S-P δ键 P-P δ键 第五章多原子分子的结构和性质 ●多原子分子的结构包括两方面内容： （1）组成分子的原子在三维空间的排布次序、相对位置，（1）组成分子的原子在三维空间的排布次序相对位置，通常由键长、键角、二面角等参数描述构型和构象。分子的几何结构可用衍射方法（包括X 射线衍射、电子衍射和中 X射线衍射电子衍射和中子衍射）测定。 （2）分子的电子结构、化学键型式和相关的能量参数，通（2）分子的电子结构化学键型式和相关的能量参数通常由分子轨道的组成、性质、能级高低和电子排布描述。分子的电子结构可用谱学方法（包括分子光谱、电子能谱和子的电子结构可用谱学方法（包括分子光谱电子能谱和磁共振谱等）测定。 51价电子对互斥理论（VSEPR） 5.1 价电子对互斥理论（VSEPR） ?VSEPR :V alence S hell E lectronic P air R epelling 1940年提出，用来解释许多化合物的几何构型。 年提出用来解释许多化合物的几何构型?价电子对 ·成键电子对（bp） ·孤对电子对（lp） p ?价电子对互斥理论认为： 原子周围各个价电子对之间由于互相排斥作用，在键长一定的条件下，相互间距离愈远愈稳定。 ·价电子对之间排斥力的根源 1. 是各电子对之间的静电排斥力； 2. 是Pauli 斥力，即价电子对之间自旋相同的电子互相回避 的效应。 ?判断分子几何构型的规则： 1. 为使价电子对间斥力最小，可将价电子对看作等距离地排1为使价电子对间斥力最小可将价电子对看作等距离地排布在同一个球面上，形成规则的多面体形式。 中心原子周围存在m个配位体L及n个孤对电子对E时， ★当m+n=2 时，分子为直线形； ★当m+n 3 时，分子为三角形； m+n=3 ★当m+n=4 时，分子为四面体形； ★当m+n=5 时，分子为三方双锥形； m+n=5时分子为 ★当m+n=6 时，分子为八面体形。 (整理)多原子分子的结构和性质 第五章多原子分子的结构和性质 §5.1 价电子对互斥理论(VSEPR) 价电子对: 成键电子对(bp)和孤电子对(lp) 认为:由于斥力作用,键长一定时,价电子对之间距离越远越稳定. 价电子对斥力: (1)电子对之间的静电排斥作用; (2)Pauli斥力,即价电子对之间自旋相同的电子互相回避的效 应 判断分子构型需要考虑:(1)bp集中在两个原子的键轴区域 (2)多重键按一个键考虑 (3)孤电子对比较肥大 (4)电负性 据此提出判断几何构型的规则: 1. 使价电子对斥力小价电子对等距排布在同一球面上,形成规则多面体m + n个顶点的对应的构型这里m为配体数,n孤电子对数 2. 键型的作用 3.中心原子A与配体无论形成单键还是双键三键,按一个键区计算原子间的互斥作用.这样双键区有4个电子,三键区有6个电子。 C=O双键对C-Cl单键的斥力大于C-Cl单键之间的斥力,导致键角的不同. 4．孤电子对占据较大的位置 §5.2 杂化轨道理论 5.2.1.实验基础 CH 4 正四面体键角109.28° 中心C原子： 1 1 1 1 2 22 2 2 2 2 2 z y x p p p s p s 5.2.2.杂化轨道理论 1. 定义： 所谓“杂化”即单中心原子轨道的线性组合。 2. 基本假定： 在形成分子的过程中，原子中能级相近的几个原子轨道可以相互混合，从而产生新的原子轨道，称这种新的原子轨道为杂化轨道，这个过程为“杂化”。 3. 数学表述： i ki n i k c φφ∑==1 ?? ?==n k n i ...... 2,1...... 2,1 形成杂化轨道过程和AO 组合成MO 一样，也符合轨道数目守恒。 4. 成键能力： 经计算表明，原子轨道经杂化以后增加了成键能力，使体系更加稳定。 5.2.3.杂化轨道的三条基本原则 1． 杂化轨道的归一性 1 =? τφφd k k k φ为实函数，得出， ∑==+++n i ki kn k k c c c c 1 ...2 222 2 1 例如： 3 sp 杂化轨道： pz k py k px k s k k c c c c 2423221φφφφφ+++= （k=1……4） 124232221=+++k k k k c c c c 2． 单位轨道贡献 每个参加杂化的原子轨道，在所有新的n 个杂化轨道中该轨道成分之和必为一个单位。即 ∑==+++n k ki ni i i c c c c 1 (2) 22221 例如： 3 sp 杂化轨道： 124232221=+++i i i i c c c c 若杂化中 n c c c ni i i 1 (2) 2221= ===, 为等性杂化； 第二节原子结构与元素地性质 第三课时 【学习目标】 1.能说出元素电负性地涵义，能应用元素地电负性说明元素地某些性质 2.能根据元素地电负性资料，解释元素地“对角线”规则，列举实例予以说明 3.能从物质结构决定性质地视角解释一些化学现象，预测物质地有关性质 4.进一步认识物质结构与性质之间地关系，提高分析问题和解决问题地能力 【学习过程】 【课前预习】 1. 叫键合电子；我们用电负性描述. 2.电负性地大小可以作为判断元素金属性和非金属性强弱地尺度. 地电负性一般小于1.8，地电负性一般大于1.8，而位于非金属三角区边界地“类金属”地电负性则在1.8左右，他们既有性又 有性. 【知识梳理】 【复习】1.什么是电离能？它与元素地金属性、非金属性有什么关系？ 2.同周期元素、同主族元素地电离能变化有什么规律？ (3)电负性： 【思考与交流】1. 什么是电负性？电负性地大小体现了什么性质？阅读教材p20页表同周期元素、同主族元素电负性如何变化规律？如何理解这些规律？根据电负性大小，判断氧地非金属性与氯地非金属性哪个强？ 【科学探究】 1.根据数据制作地第三周期元素地电负性变化图，请用类似地方法制作IA、VIIA元素 地电负性变化图. 2.电负性地周期性变化示例 【归纳与总结】 1. 金属元素越容易失电子，对键合电子地吸引能力越，电负性越小，其金属性越；非金属元素越容易得电子，对键合电子地吸引能力 越，电负性越，其非金属性越强；故可以用电负性来度量金属性与非金属性地强弱.周期表从左到右，元素地电负性逐渐变；周期表从上到下，元素地电负性逐渐变. 2. 同周期元素从左往右，电负性逐渐增，表明金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增.同主族元素从上往下，电负性逐渐减，表明元素地金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强. 【思考】对角线规则：某些主族元素与右下方地主族元素地有些性质相似，被称为对角线原则.请查阅电负性表给出相应地解释？ 3. 在元素周期表中，某些主族元素与右下方地主族元素地性质有些相似，被称为“对角线规则”.查阅资料，比较锂和镁在空气中燃烧地产物，铍和铝地氢氧化物地酸碱性以及硼和硅地含氧酸酸性地强弱，说明对角线规则，并用这些元素地电负性解释对角线规则. 4. 对角线规则 【典题解悟】 例题1.下列有关电负性地说法中正确地是（） A.主族元素地电负性越大，元素原子地第一电离能一定越大. B.在元素周期表中，元素电负性从左到右越来越大 C.金属元素电负性一定小于非金属元素电负性. D.在形成化合物时，电负性越小地元素越容易显示正价 解析：电负性地变化规律： （1）同一周期，从左到右，元素电负性递增. （2）同一主族，自上而下，元素电负性递减.（3）副族元素地电负性变化趋势和主族类似.主族元素原子地电离能、电负性变化趋势基本相同，但电离能有特例，如电负性：O ＞N，但第一电离能：N＞O，A错误.B、C选项没有考虑过渡元素地情况. 答案：D 例2.能够证明电子在核外是分层排布地事实是（） A、电负性 B、电离能 C、电子亲和能 D、电势能 【当堂检测】 1. 电负性地大小也可以作为判断金属性和非金属性强弱地尺度下列关于电负性地变化规律正确地 是（） 化学选修3第二章-分子结构与性质--教案 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN 第二章分子结构与性质 教材分析 本章比较系统的介绍了分子的结构和性质，内容比较丰富。首先，在第一章有关电子云和原子轨道的基础上，介绍了共价键的主要类型σ键和π键，以及键参数——键能、键长、键角；接着，在共价键概念的基础上，介绍了分子的立体结构，并根据价层电子对互斥模型和杂化轨道理论对简单共价分子结构的多样性和复杂性进行了解释。最后介绍了极性分子和非极性分子、分子间作用力、氢键等概念，以及它们对物质性质的影响，并从分子结构的角度说明了“相似相溶”规则、无机含氧酸分子的酸性等。 化学2已介绍了共价键的概念，并用电子式的方式描述了原子间形成共价键的过程。本章第一节“共价键”是在化学2已有知识的基础上，运用的第一章学过的电子云和原子轨道的概念进一步认识和理解共价键，通过电子云图象的方式很形象、生动的引出了共价键的主要类型σ键和π键，以及它们的差别，并用一个“科学探究”让学生自主的进一步认识σ键和π键。 在第二节“分子的立体结构”中，首先按分子中所含的原子数直间给出了三原子、四原子和五原子分子的立体结构，并配有立体结构模型图。为什么这些分子具有如此的立体结构呢？教科书在本节安排了“价层电子对互斥模型”和“杂化轨道理论”来判断简单分子和离子的立体结构。在介绍这两个理论时要求比较低，文字叙述比较简洁并配有图示。还设计了“思考与交流”、“科学探究”等内容让学生自主去理解和运用这两个理论。 在第三节分子的性质中，介绍了六个问题，即分子的极性、分子间作用力及其对物质性质的影响、氢键及其对物质性质的影响、溶解性、手性和无机含氧酸分子的酸性。除分子的手性外，对其它五个问题进行的阐述都运用了前面的已有知识，如根据共价键的概念介绍了键的极性和分子的极性；根据化学键、分子的极性等概念介绍了范德华力的特点及其对物质性质的影响；根据电负性的概念介绍了氢键的特点及其对物质性质的影响；根据极性分子与非非极性分子的概念介绍了“相似相溶”规则；根据分子中电子的偏移解释了无机含氧酸分子的酸性强弱等；对于手性教科书通过图示简单介绍了手性分子的概念以及手性分子在生命科学和生产手性药物方面的应用 第二章分子结构与性质 第一节共价键 第一课时 教学目标： 1．复习化学键的概念，能用电子式表示常见物质的离子键或共价键的形成过程。 2．知道共价键的主要类型δ键和π键。 分子结构与性质 知识网络： 一、化学键 相邻的两个或多个原子之间强烈的相互作用，通常叫做化学键。例如：水的结构式为 ， H －O 之间存在着强烈的相互作用，而H 、H 之间相互作用非常弱，没有形成化学键。 化学键类型： 1．三种化学键的比较： ※ 配位键：配位键属于共价键，它是由一方提供孤对电子，另一方提供空轨道所形成的共价 键，例如：NH 4+的形成 在NH 4+中，虽然有一个N －H 键形成过程与其它3个N －H 键形成过程不同，但是一旦 形成之后，4个共价键就完全相同。 键长、键能决定共价键的强弱和分子的稳定性：原子半径越小，键长越短，键能越大，分子越稳定。例如HF、HCl、HBr、HI分子中： X原子半径：F 分子结构与性质 一、共价键 1.本质：原子间形成共用电子对 分类{非极性共价键：两个相同的非金属元素的原子间形成的共价键 极性共价键：两个不相同的非金属元素的原子间形成的共价键 、HCl的形成 思考：用电子式表示H 2 共价键特征： ①饱和性：每个原子形成共价键的数目是确定的 ②方向性：原子轨道沿一定方向重叠使成键的原子轨道最大程度地重叠 2.σ键和π键 ①σ键--原子轨道沿着连线方向以“头碰头”方式重叠形成的共价键 特点：以形成化学键的两个原子核的连线为轴旋转，σ键电子云的图形不变 电子云描述氢原子形成氢分子的过程（s-s σ键） ②π键--原子轨道沿着连线方向以“肩并肩”方式重叠形成的共价键 特点：（1）电子云为镜像，即是每个π键的电子云由两块组成，分别位于由两个原子核构成的平面的两侧 （2）不稳定,容易断裂 p-p π键的形成 N 2 分子中的N≡N 思考：分析CH 3CH 3 、CH 2 =CH 2 、CH≡CH、CO 2 分子中键的类别和个数 3.键参数--键能、键长与键角 ①键能：气态基态原子形成1 mol化学键释放的最低能量 键能越大，即形成化学键时放出的能量越多，化学键越稳定 应用--计算化学反应的反应热ΔH=反应物键能总和-生成物键能总和 ②键长：形成共价键的两个原子之间的核间距 键长是衡量共价稳定性的另一个参数 规律：键长越短，一般键能越大，共价键越稳定 一般地，形成的共价键的键能越大，键长越短，共价键越稳定，含有该键的分子越稳定，化学性质越稳定 ③键角：两个共价键之间的夹角 键角是描述分子立体结构的重要参数，分子的许多性质与键角有关 思考：N 2、O 2 、F 2 跟H 2 的反应能力依次增强，从键能的角度如何理解 4.等电子原理 等电子体：原子总数相同、价电子（最外层电子）总数相同的分子如N 2 和CO 是等电子体，但N 2和C 2 H 4 不是等电子体 等电子体原理：原子总数、价电子总数相同的分子具有相似的化学键特征，它们的物理性质是相近的。例如N 2 和CO的熔沸点、溶解性、分子解离能等都非常接近 5.用质谱测定分子的结构 原理：不同质核比的粒子在磁场中运动轨迹不同 eg：1.下列物质中能证明某化合物中一定有离子键的是（） A.可溶于水 B.熔点较高 C.水溶液能导电 D.熔融状态能导电 2.下列关于化学键的叙述中，正确的是（） A.离子化合物可以含共价键 B.共价化合物可能含离子键 C.离子化合物中只含离子键 D.只有活泼金属与活泼非金属间才能形成离子键 第五章多原子分子的结构与性质 Chapter 5. The Structure and Property of Polyatomic Molecules 5.1 非金属元素的结构化学: 8-N 法则5.2 非共轭分子几何构型与VSEPR 规则5.3 共轭分子与SHMO 法5.3.1 丁二烯离域大π键的SHMO 处理5.3.2 直链和单环共轭体系本征值的图解法5.4 饱和分子的非定域轨道与定域轨道5.5 缺电子分子的结构5.5.1 缺电子原子化合物的三种类型 5.5.2 硼烷中的多中心键 5.5.3 金属烷基化合物中的多中心键 C o n t e n t s 第五章目录 5.6 分子轨道对称守恒原理5. 6.1 前线轨道理论5.6.2 相关图理论5.7 一些新型多原子分子5. 7.1 固体碳的新形态——球烯5.7.2 新型主体分子——杯芳烃类化合物5.7.3 具有分形结构的树状大分子 C o n t e n t s 8-N法则 稀有气体 卤素 氧族 氮族 碳族 B VSEPR规则成键电子对BP 孤电子对LP BeCl 2 SnCl 2 BF 3CCl 4 PCl 3 SCl 2 PCl 5 SCl 4 BrF 3 ICl 2 - PF 6 - IF 5 ICl 4 - NO 2 - NO 2 NO 2 + CaF 2 SrF 2 BaF 2 SHMO法 电荷密度 键级 自由价 分子图 环戊二烯负离子 环丁二烯 肽键 对称匹配线性组合 群轨道 正则轨道(CMO) 定域轨道(LMO) 缺电子分子 硼烷 多中心键 桥键 3c-2e硼桥键 3c-2e硼键 5c-6e硼键 金属烷基化合物 B 5 H 9 (LiCH 3 ) 4 Be(CH 3 ) 2 MgAl 2 (CH 3 ) 8 Al 2 (CH 3 ) 6 轨道对称守恒原理 第一章原子结构与性质 第一节原子结构 【知识点梳理】 1、原子的诞生： 现代大爆炸理论认为：宇宙大爆炸诞生了大量的氢、少量的氦、以及极少量的锂。如今，宇宙中最丰富的元素是氢、其次是氦。地球上的元素大多数是金属，非金属仅22种。 2、能层、能级 （1）能层 ①原子核外的电子是分层排布的。根据电子的能级差异，可将核外电子分成不同的能层。 ②每一能层最多能容纳的电子数不同：最多容纳的电子数为2n2个。 ③离核越近的能层具有的能量越低。 能层序数 1 2 3 4 5 能层符号 能级符号 轨道数 电子数 离核远近由近————————→远 能量高低由低————————→高 （2）能级 在多电子的原子中，同一能层的电子，能量也可以不同。不同能量的电子分成不同的能级。 规律：①每个能层所包含的能级数等于该能层的序数n，且能级总是从s能级开始，如：第一能层只有1个能级1s，第二能层有2个能级2s和2p，第三能层有3个能级3s、3p、3d，第四能层有4个能级4s、4p、4d和4f，依此类推。 ②不同能层上的符号相同的能级中最多所能容纳的电子数相同，即每个能级中最多所能容纳的电子数只与能级有关，而与能层无关。如s能级上最多容纳2个电子，无论是1s还是2s；p能级上最多容纳6个电子，无论是2p还是3p、4p能级。 ③在每一个能层（n）中，能级符号的排列顺序依次是ns、np、nd、nf…… ④按s、p、d、f……顺序排列的各能级最多可容纳的电子数分别是1、3、5、7……的两倍，即分别是2、6、10、14…… 原子轨道 轨道形状 轨道数 最多电子数 （1）基态原子与激发态原子 ①基态原子为能量最低的原子。基态原子的电子吸收能量后，电子会跃迁到较高能级，变成激发态原子。 ②基态原子与激发态原子相互转化与能量转化关系： 分子结构与性质专题训练及答案 非选择题(本题包括7小题,共100分) 1.(14分)(2018南充模拟)可以由下列反应合成三聚氰胺:CaO+3C CaC2+ CO↑,CaC2+N2CaCN2+C,CaCN2+2H2O NH2CN+Ca(OH)2,NH2CN与水反应生成尿素 [CO(NH2)2],尿素合成三聚氰胺。 (1)写出与Ca在同一周期且最外层电子数相同、内层排满电子的基态原子的电子排布式:________;CaCN2中阴离子为C错误！未找到引用源。,与C错误！未找到引用源。互为等电子体的分子有N2O和________(填化学式),由此可以推知C错误！未找到引用源。的空间构型为________。 (2)三聚氰胺()俗称“蛋白精”。动物摄入三聚氰胺和三聚氰酸 ()后,三聚氰酸与三聚氰胺分子相互之间通过________结合,在肾脏内易形成结石。 (3)CaO晶胞如图所示,CaO晶体中Ca2+的配位数为________,Ca2+采取的堆积方式为________,O2-处于Ca2+堆积形成的空隙中;CaO晶体和NaCl晶体的晶格能分别为3 401 kJ·mol-1、786 kJ·mol-1。导致两者晶格能差异的主要原因是 ________________。 (4)配位化合物K3[Fe(CN)n]遇亚铁离子会产生蓝色沉淀,因此可用于检验亚铁离子,已知铁原子的最外层电子数和配体提供电子数之和为14,求n=________。 【解析】(1)与Ca在同一周期且最外层电子数相同、内层排满电子的基态原子是锌,根据构造原理,基态的锌原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s2或[Ar]3d104s2;与C错误！未找到引用源。互为等电子体的分子有N2O和CO2;等电子体具有相同的价电子数、原子总数,结构相似,二氧化碳分子是直线形,所以C错误！未找到引用源。离子的空间构型是直线形。 (2)三聚氰酸与三聚氰胺分子相互之间能形成氢键,所以是通过分子间氢键结合,在肾脏内易形成结石。 (3)以钙离子为中心,沿X、Y、Z三轴进行切割,结合图片知,钙离子的配位数是6,Ca2+采取的堆积方式为面心立方最密堆积,O2-处于Ca2+堆积形成的八面体空隙中;晶格能大小与离子带电量成正比,CaO晶体中Ca2+、O2-的带电量大于NaCl晶体中Na+、Cl-的带电量,导致的氧化钙晶格能大于氯化钠的晶格能。 (4)CN-是常见的配位体,在配位化合物K3[Fe(CN)n]中每个配体可以提供2个电子,而铁原子最外层有2个电子,根据铁原子的最外层电子数和配体提供电子数之和为14,可得2+2n=14,所以n=6。 答案:(1)1s22s22p63s23p63d104s2或[Ar]3d104s2CO2直线形(2)氢键(3)6 面心立方最密堆积CaO晶体中Ca2+、O2-的带电量大于NaCl晶体中Na+、Cl-的带电量(4)6 2.(14分)(2018·汉中模拟)X、Y、Z、W为原子序数递增的短周期主族元素,R为过渡元素。Y的最高价氧化物对应的水化物是强酸,Z元素基态原子中有2个未成对电子,基态W原子的价层电子排布式为n s n-1n p n-1,X与W为同主族元素。基态的R原子M能层全充满,核外有且仅有1个未成对电子。请回答下列问题: (1)基态R原子的核外价层电子排布式为________。 (2)X、Y、Z三种元素的第一电离能由大到小的顺序为________(填“元素符号”)。 结构化学 Structural Chemistry 第二章 原子的结构和性质 Chapter 2 The structure and properties of atoms 主讲人：张 强 教授 E-mail: zhangq@https://www.wendangku.net/doc/1e1672267.html, 内蒙古师范大学化学与环境科学学院 授课专业 ● 化学专业 ● 材料物理与化学专业 第二章原子的结构和性质 1. 教学目的 掌握单电子原子Schr?dinger 方程的建立，了解其求解过程，掌握所产生量子数的物理意义和波函数、电子云的图像。由此结论推广至多电子原子，了解多电子原子的轨道近似和中心力场近似处理方法及核外电子排布的依据，理解原子结构与元素周期律性质之间的关系，了解角动量的偶合及原子光谱项的意义。2．学时安排 12学时 3．教学主题 2.1 薛定谔方程 2.1.1 类氢离子的薛定谔方程 2.1.2 变数分离 2.1.3 解Φ方程 2.1.4 Θ方程的解 2.1.5 R方程的解 2.2 类氢离子波函数及轨道能级 2.2.1 量子数的物理意义（一） 2.2.2 量子数的物理意义（二） 2.2.3 波函数与径向分布函数 2.3 多电子原子结构 2.3.1 中心力场近似和自洽场近似 2.3.2 电离能和电子亲和能 2.4 原子光谱项 2.4.1 原子光谱项定义 2.4.2 原子光谱项的推导 2.4.3 组态的能级分裂 2.4.4 基态光谱项 4. 重点和难点 重点：（1）．量子数的物理意义；（2）．波函数和电子云的图形；（3）．多电子原子的结构. 难点：（1）．单电子原子Schr?dinger方程的求解；（2）.原子光谱项的推导. 5．作业 （1）自编打印习题：第一部分《量子力学基础和原子结构》习题31～44。 （2）自编辅助练习题（见打印的《结构化学》课程复习参考第一部分：11～21题）。 第二章分子结构与性质 教材分析 本章比较系统的介绍了分子的结构和性质，内容比较丰富。首先，在第一章有关电子云和原子轨道的基础上，介绍了共价键的主要类型σ键和π键，以及键参数——键能、键长、键角；接着，在共价键概念的基础上，介绍了分子的立体结构，并根据价层电子对互斥模型和杂化轨道理论对简单共价分子结构的多样性和复杂性进行了解释。最后介绍了极性分子和非极性分子、分子间作用力、氢键等概念，以及它们对物质性质的影响，并从分子结构的角度说明了“相似相溶”规则、无机含氧酸分子的酸性等。 化学2已介绍了共价键的概念，并用电子式的方式描述了原子间形成共价键的过程。本章第一节“共价键”是在化学2已有知识的基础上，运用的第一章学过的电子云和原子轨道的概念进一步认识和理解共价键，通过电子云图象的方式很形象、生动的引出了共价键的主要类型σ键和π键，以及它们的差别，并用一个“科学探究”让学生自主的进一步认识σ键和π键。 在第二节“分子的立体结构”中，首先按分子中所含的原子数直间给出了三原子、四原子和五原子分子的立体结构，并配有立体结构模型图。为什么这些分子具有如此的立体结构呢？教科书在本节安排了“价层电子对互斥模型”和“杂化轨道理论”来判断简单分子和离子的立体结构。在介绍这两个理论时要求比较低，文字叙述比较简洁并配有图示。还设计了“思考与交流”、“科学探究”等内容让学生自主去理解和运用这两个理论。 在第三节分子的性质中，介绍了六个问题，即分子的极性、分子间作用力及其对物质性质的影响、氢键及其对物质性质的影响、溶解性、手性和无机含氧酸分子的酸性。除分子的手性外，对其它五个问题进行的阐述都运用了前面的已有知识，如根据共价键的概念介绍了键的极性和分子的极性；根据化学键、分子的极性等概念介绍了范德华力的特点及其对物质性质的影响；根据电负性的概念介绍了氢键的特点及其对物质性质的影响；根据极性分子与非非极性分子的概念介绍了“相似相溶”规则；根据分子中电子的偏移解释了无机含氧酸分子的酸性强弱等；对于手性教科书通过图示简单介绍了手性分子的概念以及手性分子在生命科学和生产手性药物方面的应用 第二章分子结构与性质 第一节共价键 第一课时 教学目标： 1．复习化学键的概念，能用电子式表示常见物质的离子键或共价键的形成过程。 2．知道共价键的主要类型δ键和π键。 第二章分子结构与性质 一.共价键 1.共价键的本质及特征 共价键的本质是在原子之间形成共用电子对，其特征是具有饱和性和方向性。 2.共价键的类型 ①按成键原子间共用电子对的数目分为单键、双键、三键。 ②按共用电子对是否偏移分为极性键、非极性键。 ③按原子轨道的重叠方式分为σ键和π键，前者的电子云具有轴对称性，后者的电子云具有镜像对称性。 3.键参数 ①键能：气态基态原子形成1 mol化学键释放的最低能量，键能越大，化学键越稳定。 ②键长：形成共价键的两个原子之间的核间距，键长越短，共价键越稳定。 ③键角：在原子数超过2的分子中，两个共价键之间的夹角。 ④键参数对分子性质的影响：键长越短，键能越大，分子越稳定． 4.等电子原理 原子总数相同、价电子总数相同的分子具有相似的化学键特征，它们的许多性质相近。二.分子的立体构型 1．分子构型与杂化轨道理论 杂化轨道的要点： 当原子成键时，原子的价电子轨道相互混杂，形成与原轨道数相等且能量相同的杂化轨道。杂化轨道数不同，轨道间的夹角不同，形成分子的空间形状不同。 2．分子构型与价层电子对互斥模型 价层电子对互斥模型说明的是价层电子对的空间构型，而分子的空间构型指的是成键电子对空间构型，不包括孤对电子。 (1)当中心原子无孤对电子时，两者的构型一致； (2)当中心原子有孤对电子时，两者的构型不一致。 3.配位化合物 （1）配位键与极性键、非极性键的比较 （2）配位化合物 ①定义：金属离子(或原子)与某些分子或离子(称为配体)以配位键结合形成的化合物。 ②组成：如[Ag(NH3)2]OH，中心离子为Ag＋，配体为NH3，配位数为2。 三.分子的性质 1．分子间作用力的比较 2．分子的极性 (1)极性分子：正电中心和负电中心不重合的分子。 (2)非极性分子：正电中心和负电中心重合的分子。 3．溶解性 (1)“相似相溶”规律：非极性溶质一般能溶于非极性溶剂， 极性溶质一般能溶于极性溶剂．若存在氢键，则溶剂和溶质之间的氢键作用力越大，溶解性越好。 (2)“相似相溶”还适用于分子结构的相似性，如乙醇和水互 溶，而戊醇在水中的溶解度明显减小． 4．手性 具有完全相同的组成和原子排列的一对分子，如左手和右手一样互为镜像，在三维空间里不能重叠的现象。 5．无机含氧酸分子的酸性 无机含氧酸可写成(HO)mROn，如果成酸元素R相同，则n值越大，R的正电性越高，使R—O—H 中O的电子向R偏移，在水分子的作用下越易电离出H＋，酸性越强，如HClO＜HClO2＜HClO3＜HClO4第一章《原子结构与性质》全章教案
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