无机与分析化学第四章物质结构简介

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1、第四章物质结构简介物质的性质由其结构决定，而物质由分子组成，分子由原子组成，因此，分子结构和原子结构是物质结构的基本内容。§4—1原子结构一、玻尔理论1.氢原子光谱近代原子结构理论的研究和确立都是从氢原子光谱开始的：一只装有低压H2的放电管，通过高压电流，氢原子被激发后所发出的光经过分光镜。在可见、紫外、红外光区可得到一系列按波长次序排列的不连续的线状光谱，即氢原子光谱。（如下图）。而日光通过分光镜得到连续的带状光谱。【特征】①不连续的线状光谱：从红外区到紫外区呈现多条具有特征波长的谱线②从长波到短波，Hα至Hε等谱线间的距离越来越小（n越来越大）表现出明显的规律性。频率式中R为里德堡

2、常数。而且某一瞬间一个氢原子只能放出一条谱线，许多氢原子才能放出不同的谱线。为什么氢原子光谱是不连续的线状光谱？按照麦克斯威的电磁理论，绕核运动的电子应不停地连续地辐射电磁波，得到连续光谱；由于电磁波的辐射，电子的能量将逐渐减小，最终会落到带正电的核上。可事实上，原子稳定的存在着。为解决这一问题，1913年，年轻的丹麦物理学家玻尔，吸收了量子论的思想，建立了玻尔原子模型，即玻尔理论。2.玻尔理论1）.电子只能在符合一定条件的轨道（能量不随时间而变）上运动，不吸收也不放出能量（解释原子的稳定性）。2）.不同的轨道有不同的能量，轨道的能量是量子化的，电子的能量也是量子化的。所谓量子化，即不

3、连续。（“连续”和“不连续”是看量的变化有没有一个最小单位，如长度、时间没有最小单位，量的变化是连续的，电量的最小单位是一个电子的电量，电量的变化是不连续的。）在一定的轨道上电子具有一定的能量电子运动时所处的能量状态称为能级。电子尽可能在距核较近、能量最低的轨道上运动，这时原子处于基态。En=（ev）rn=a0﹒n23）电子只有在不同轨道之间跃迁时吸收和放出能量。基态从激发态回到基态释放光能，形成原子光谱中的谱线，谱线频率和能量的关系为：△E=E2－E1=h〖玻尔理论评述〗玻尔理论在经典力学中人为地引入了量子化条件，成功地解释了原子的稳定性和氢原子的线状光谱，同时提出了能级的概念。但对

4、多电子原子光谱无法解释，对氢原子的精细光谱也无法解释。更不能用于研究化学键的形成。这说明微观粒子的运动有它自己的运动特征和规律，不符合经典力学规律。二、原子的量子力学模型1.微观粒子的波粒二象性1）.德布罗意波①.1905年，爱因斯坦提出“光子学说”，成功解释了光电效应,只有当光的频率超过某一临界频率，电子才能发射光电效应说明:光不仅有波动性（衍射、干涉等,有波动特征,可用λ或ν描述）而且有粒子性（可用动量描述）,具有波粒二象性②.1924年,法国物理学家德布罗意预言：假如光有二象性,那么微观粒子在某些情况下,也能呈现波动性。他指出,具有质量m、运动速度v的粒子,相应的波长λ可以由下式

5、求出：引〗由上式可以计算出电子的波长,一个me=9.11×10-31㎏，其速度v=106m﹒s-1，则这一数值与晶体中原子间隔有近似的数量级,由于晶体可以使χ光发生衍射,因此可以设想能用测定χ射线衍射的实验来得到电子的衍射图样,以此证明电子的波动性。③.1927年,戴维森和革尔麦用已知能量的电子在晶体上的衍射实验证明了德布罗意的预言。用一束电子经过金属箔时,得到与χ射线相象的衍射图样2).测不准原理经典力学中，人们能同时准确测定宏观粒子的位置和动量（或速度），例如人造卫星、炮弹发射等，但不可能同时准确测定微观粒子的位置和动量（或速度）。1927年，海森堡提出了测不准关系：—位置不准量，

6、—动量不准量由上式可以看出：①.位置测得越准，则动量或速度测得越不准，反之亦然。②.粒子质量（m）越大，则和越小，即粒子的位置和速度的准确度就越大，所以宏观物体能够同时准确测定位置和速度。或2.核外电子运动的近代描述1）.薛定谔方程1926年,奥地利物理学家薛定谔,根据波粒二象性的概念,提出了描述微观粒子运动状态的方程式,称为薛定谔方程,这个二阶偏微分方程如下：式中：E—总能量V—势能,表示原子核对电子的吸引能m—电子的质量Ψ—波函数，h—普朗克常数，x,y,z—空间坐标解方程可求得Ψ和E.。将直角坐标变换为球坐标，用变分法解得波函数的一般形式：Ψn,l,m（r，θ，φ）=Rn，l（r

7、）﹒Yl，,m（θ，φ）其中，R（r）是波函数的径向部分，叫径向波函数，它只随电子离核的距离r而变化，含有n,l两个量子数；Y（θ，φ）是波函数的角度部分，叫角度波函数，它随角度（θ，φ）变化，含有l,m两个量子数。2）.波函数和原子轨道波函数：是薛定谔方程的解，是描述核外电子空间运动状态的数学函数式，它是空间坐标的函数。电子在核外运动，有一系列的空间运动状态，一个波函数表示电子的一种运动状态，每一个特定状态就有一个相应的波函数和相应的能量E。