普通化学复习资料
3.1物质的结构与物质的状态
3.1.1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,不能用经典的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Ψ来描述核外电子的运动状态,以代替经典力学中的原子轨道概念。
(1)波函数Ψ(原子轨道):用空间坐标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Ψ,称为一个原子轨道。
(2)概率密度(几率密度):Ψ2表示微观粒子在空间某位置单位体积内出现的概率即概率密度。
(3)电子云:用黑点疏密的程度描述原子核外电子出现的概率密度(Ψ2)分布规律的图形。黑点较密的地方,表示电子出现的概率密度较大,单位体积内电子出现的机会较多。
(4)四个量子数:波函数Ψ由n.l.m三个量子数决定,三个量子数取值相互制约:
1)主量子数n的物理意义:
n的取值:n=1,2,3,4……∞,
意义:表示核外的电子层数并确定电子到核的平均距离;确定单电子原子的电子运动的能量。
n = 1,2,3,4, ……∞,对应于电子层K,L,M,N, ···具有相同n值的原子轨道称为处于同一电子层。
2)角量子数ι:
ι的取值:受n的限制,ι= 0,1,2……n-1 (n个)。
意义:表示亚层,确定原子轨道的形状;对于多电子原子,与n共同确定原子轨道的能量。…
ι的取值: 1 , 2 , 3 , 4
电子亚层:s, p, d, f……
轨道形状:球形纺锤形梅花形复杂
图3-1
3)磁量子数m:
m的取值:受ι的限制,m=0 ,±1,±2……±ι(2ι+1个) 。
意义:确定原子轨道的空间取向。
ι=0,m=0,s轨道空间取向为1;
ι=1, m=0 ,±1,p轨道空间取向为3;
ι=2, m=0 ,±1,±2 , d轨道空间取向为5;
……
n ,ι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:
……
一个原子轨道是指n 、ι、m 三种量子数都具有一定数
值时的一个波函数Ψ(n,ι,m ),例如Ψ(1,0,0)代表基态氢原子的波函数。
n 、ι、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 、ι、m 的取值与波函数:
n=1(1个), ι=0,m=0, Ψ(1,0,0)
n=2(4个), ι={(2,1,-1)(2,1,1),(2,1,0),(2,0,0),,1,00,,
10ψψψψ±==m m n=3(9个), ι={)2,2,3(),2,2,3()1,2,3()1,2,3()0,2,3()1,1,3(),1,1,3(),0,1,3()
0,0,3(2,1,01,00,,
,210-ψψ-ψψψ-ψψψψ±±=±==m m m n=4(16个)
……
波函数Ψ数目=n 2
在一个确定的原子轨道下,电子自身还有两种不同的运动
状态,这由m S 确定.
4)自旋量子数m s :
m s 的取值:m s ={2121
-+
意义: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。
这样n 、ι、m 、m S 四个量子数确定电子的一个完整的运动状态,以Ψ(n,ι,m, m S )表示。
例:Ψ(1,0,0,+21),Ψ(1,0,0,-21) ,Ψ(2,1,1,+2
1) ,Ψ(2,1,1, -2
1) 等等。
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.
因为同一个轨道的电子,n 、ι、m 三个量子数已相同,第四个量子数m s ={2121-+
必不相同 由此可得出:一个原子轨道中最多能容纳自旋方向相反的两个电子。表示为:
根据每层有n 2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 n 2。
(2)最低能量原理:电子总是尽先占据能量最低的轨道。
电子依据轨道近似能级图由低到高依次排布。轨道近
似能级图为:
7s……
6s 4f 5d 6p
5s 4d 5p
4s 3d 4p
3s 3p
2s 2p
1s
(3)洪特规则:在n 和ι值都相同的等价轨道中,电子总是尽可能分占各个轨道且自旋平行。 如2p 3:
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: p 6或d 10或f 14
半充满: p 3或d 5或f 7
↑
↑ ↑
全空: p0或d0或f0
例如, 24Cr 1S22S22P63S23P63d54S1, 半充满比较稳定。
Cu 1S22S22P63S23P63d104S1, 全充满比较稳定。
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(4)核外电子分布式:
原子的核外原子的离子的核外离子的
电子分布式外层电子分布式电子分布式外层电子分布式
(价电子构型)
1s22s22p63s1 3s1 Na
11
Na+:1s22s22p62s22p6
S
161s22s22p63s23p4 3s23p4 S2-:1s22s22p63s23p63s23p6
Fe
261s22s22p63s23p63d64S23d64s2 Fe3+:1s22s22p63s23p63d5 3s23p63d5
Cr 1S22S22P63S23P63d54S13d54S124Cr3 24
+:1S22S22P63S23P63d3 3S23P63d3
Cu 1S22S22P63S23P63d104S13d104S1 29Cu2 29
+:1S22S22P63S23P63d9 3S23P63d9
根据电子的排布,还可判断出轨道中未成对电子的数目。例:根据Fe原子的价电子构型3d64s2 ,判断其轨道图中,未配对的电子数。
3d 6 4s 2
可见未成对电子数为 4。
(3)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:
N ≡N ,O=C=O ,Cl-Cl ,H —Cl
3.1.4气体定律
1.理想气体状态方程 PV = nRT
式中 P: 压力, Pa;( 1 atm = 1.01×105 Pa ; 1 atm = 760毫米汞柱)
V: 体积, m 3;(1 m 3 =103L)
T: 绝对温度, K ;
n: 摩尔数, mol;
R: 气体常数, R =8.314JK -1mol -1
注意:若压力单位为“kPa ”,体积单位对应使用升“L ”.
⑴当n 一定时,P 、V 、T 变则有 22
2111T V P T V P ↑ ↑ ↑ ↑ ↑↑↓
⑵n,T 一定时,P 1V 1=P 2V 2
⑶n,P 一定时,211
2T V T V =
⑷T ,P 一定时,21
21
V V n n = ⑸PV =RT M m ,ρ=V m ,
P =RT M ρ
,M =P
RT PV mRT ρ= 式中
m: 质量 ,克;
M: 摩尔质量, g/mol ;
ρ:气体密度,g/ m 3;
实际气体在高温低压下,接近理想气体。
例1:已知在1.0×105Pa ,27O C 时,0.6克的某气体占0.5升,试求此气体的分子量.
解: m=0.6g ,T =273+27=300K ,V=0.5升=0.5×10-3 m 3, 据理想气体状态方程M =mol g PV mRT /93.2910
5.0100.1300314.8
6.035=?????=- 例2.已知10 O C 时,水的蒸汽压为1.227kPa,在10 O C 、101。3 kPa 下,于水面上收集到1.5L 某气体,则该气体的物质量为多少mol?
解:)(1038.6)
10273(314.85.1)227.133.101(2mol RT PV n -?=+??-== 2.分压定律
⑴分压:气体混合物中每一种气体的压力,等于该气体单独占有与混合气体相同体积时所产生的压力。