第四章 双原子分子的振动和转动
§4-1 分子光谱简介
1.带状光谱
原子光谱是线状光谱 原子的能量是量子化的(只能是某些特定值) 当电子从一个能级跃迁到另一个能级， 吸收或发射的光的频率也只能是某些特定值
ΔE = hv
反映在光谱上是一些分立的谱线
v
氢原子光谱的赖曼线系(紫外光范围)
1.带状光谱
(1) 分子光谱是带状光谱 分子内部运动总能量 电子的能量 E电子 纯电子能量 电子的动能 电子-电子的排斥能 电子-核的吸引能 核间排斥能 核的振动能 E振动 分子转动能 E转动
E总 = E电子 + E 振动 + E 转动
1.带状光谱
? 每个电子运动状态对应着一个电子能级 电子能级间隔约为1-20eV ? 每个电子运动状态下，核有不同振动状态 振动能级间隔0.05-1eV。 ? 每个振动状态下，分子有不同的转动状态 转动能级间隔10-4-10-2eV。
1.带状光谱
双原子分子的电子-振动-转动能级示意图
E
E电子
E电子 + E 振动
E电子 + E 振动 + E 转动
1.带状光谱
分子的能级非常靠近， 能级跃迁产生的谱线密集， 在低分辨率的仪器下，不能将谱线分开 分子光谱表现为“连续性”的谱带。 若在高分辨的仪器下观察，仍是分立的谱线
1.带状光谱
(2) 分子光谱的光谱区域 分子吸收或发射光辐射时: ? 单纯改变转动状态是可以的，产生纯转动光谱 位于微波和远红外区 ? 振动状态变化时，往往伴随着转动状态的变化，产生振动-转动光谱 位于红外区 ? 电子状态变化时，往往伴随着振动、转动状态的变化，产生电子光谱 位于近红外、可见或紫外区
2.双原子分子核运动的处理
根据波恩-奥本海默近似：电子和核的运动分开处理 处理电子运动时，假设核是固定不动的
? + V )Ψ = U ( R )Ψ (H el NN el el ? : 纯的电子哈密顿算符 H el VNN : 核间排斥能 Ψel : 电子运动的波函数
U ( R ) : 电子能量，与核间距R有关
核间距 R ＝平衡核间距 Re 时 电子能量 U(Re) 称为：(平衡)电子能量
2.双原子分子核运动的处理
在某一个特定的电子状态下，进一步将核的运动考虑进来 总的分子哈密顿算符为
? H 总
? － h2 2 － h2 2 ? ? + U ( R) =? ? ? ? ? a b ? 2m ? 2 m a b ? ?
(核的动能项 + 特定电子状态下的电子能量)
上式可重新理解为是一个两粒子体系的哈密顿算符 两个粒子：质量为ma和mb ，距离为R，相互作用的势能为U(R)
2.双原子分子核运动的处理
对于该两粒子体系，粒子的运动可分为两部分： 整体的平动 能量是常数，可不考虑 内部的相对运动 (质心保持固定下的两粒子的振动和转动) 2 － h ? =? H ? 2 + U ( R) ma mb 2μ 折合质量 μ =
ma + mb
可理解为：一个质量为μ的假想粒子，在势场U(R)中运动 和类氢原子问题的处理方式相同
2.双原子分子核运动的处理
双原子分子的薛定谔方程： ? － ? h2 2 ? + U ( R)? Ψ总 = E总 Ψ总 ?? ? 2μ ? 分离变量法：Ψ总
= Ψel ΨN
（ΨN：核运动的波函数）
? － ? h2 2 ? + U ( R)? (Ψel ΨN ) = E总 (Ψel ΨN ) ?? ? 2μ ?
哈密顿算符只与核的坐标有关，因此Ψel可看作常数，消去 关于核的运动方程
? － ? h2 2 ? + U ( R ) ? ΨN = E 总 ΨN ?? ? 2μ ?
第四章 双原子分子的振动和转动
§4-2 双原子分子的转动光谱
1.刚性转子模型
(1) 刚性转子模型 假设： ① 将两个原子都看作体积可以忽略不计的质点 ② 转动过程中，核间距保持不变，R=Re
a
Re
刚性转子
b
假想粒子的转动
1.刚性转子模型
(2) 转动能级
? － ? h2 2 ? + U ( R )? ΨN = E总 ΨN (核的运动方程 ) ?? ? 2μ ?
核间距 Re 不变
U ( R) = U ( Re )
纯转动 (转动波函数只与角度有关)
ΨN = Y (θ , φ ) E总 = E电子 + E 转动 = U ( Re ) + E 转动
? － ? h2 2 ? + U ( Re )?Y (θ , φ ) = [U ( Re ) + E 转动 ]Y (θ , φ ) ?? ? 2μ ?
1.刚性转子模型
? － h2 2 ? ? ?Y (θ , φ ) = E 转动Y (θ , φ ) ?? ? 2μ ?
代入拉普拉斯算符的球极坐标表达式
2 ? 1 ? 2? ? ? 2 2 M ?Y (θ , φ ) = E 转动Y (θ , φ ) ? 2+ Re ?R Re－ 2 μ ? ?R h ?
转动波函数 Y (θ , φ ) 与核间距 R 无关，对 R 求导时候等于 0
－ h2 ? ? 2
?2 M Y (θ , φ ) = E 转动Y (θ , φ ) 2 2μRe
1.刚性转子模型
? 2的本征值为 l ( l + 1)－ M h2，这里用量子数 J 替换 l
J ( J + 1)－ h2 Y (θ , φ ) = E 转动Y (θ , φ ) 2 2 μRe
－ J ( J + 1) h2 E 转动＝ 2 2 μRe 定义转动惯量 J=0,1,2,…
2 I = μRe
J ( J + 1)－ h2 E 转动＝ 2I
J=0,1,2,…
2.转动光谱
(1) 转动能级的跃迁选律 刚性转子从一个转动能级 (J) 跃迁到另外一个转动能级 (J’) 时， 满足如下的跃迁选律 ①对于非极性分子，没有转动能级的跃迁 ②对于极性分子，ΔJ = J’－J = ±1 只有相邻转动能级之间的跃迁才是允许的 如: 0→1，1→2
2.转动光谱
(2) 转动光谱 发生转动跃迁时 (J ?? J+1) 能量的变化
ΔE = E 转动 ( J + 1) ? E 转动 ( J )
= [( J + 1)( J + 2) ? J ( J + 1)] 2I 2 － h = 2( J + 1) 2I h2 = 2( J + 1) 2 8π I
－ h2
2.转动光谱
谱线的波数
1 ΔE h ~ v= = ＝2( J + 1) 2 hc λ 8π Ic
定义转动常数
B=
h 8π 2 Ic
单位：cm-1
~ = 2( J + 1) B v
单位：cm-1
第一条谱线(J = 0)的波数: 2B 相邻两条谱线的间隔 : 2B
2.转动光谱
E转动
双原子分子的转动能级
双原子分子的转动光谱
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。
原子结构分子结构 一、是非题 1．所谓原子轨道就是指一定的电子云。 2．价电子层排布为ns1的元素都是碱金属元素。 3．当主量子数为4时，共有4s、4p、4d、4f四个轨道。 4．第一过渡系(即第四周期)元素的原子填充电子时是先填充3d轨道后填充4s 轨道，所以失去电子时也是按这个次序先失去3d电子。 5．原子在基态时没有未成对电子，就肯定不能形成共价键。 6．由于CO2、H2O、H2S、CH4分子中都含有极性键，因此都是极性分子。 7．形成离子晶体的化合物中不可能有共价键。 8．全由共价键结合形成的化合物只能形成分子晶体。 9．在CCl4、CHCl3和CH2Cl2分子中，碳原子都是采用sp3杂化，因此这些分子都呈正四面体。 10．色散力只存在于非极性分子之间。 二、选择题 1. 在氢原子中，对r=53pm处的正确描述是() A．该处1s电子云最大B．r是1s径向分布函数的平均值 C．该处的H原子Bohr半径D．该处是1s电子云介面 2. 3s电子的径向分布图有()。 A．3个峰B．2个峰C．4个峰D．1个峰 3. 在电子云示意图中，小黑点是( ) A．其疏密表示电子出现的几率密度的大小B．表示电子在该处出现 C．其疏密表示电子出现的几率的大小D．表示电子 4. N，O，P，S原子中，第一电子亲合能最大的是( ) A．N B．O C．P D．S 5. O、S、As三种元素比较，正确的是() A．电负性O＞S＞As , 原子半径O＜S＜As B．电负性O＜S＜As , 原子半径O＜S＜As C．电负性O＜S＜As , 原子半径O＞S＞As D．电负性O＞S＞As , 原子半径O＞S＞As
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
第四章原子结构和分子结构 第一节原子结构 自然界的物质种类繁多，性质各异。不同物质在性质上的差异是由于物质内部结构不同而引起的。在化学反应中，原子核不变，起变化的只是核外电子。要了解物质的性质及其变化规律，有必要先了解原子结构，特别是核外电子的运动状态。 一、核外电子运动的特征 我们知道，地球沿着固定轨道围绕太阳运动，地球的卫星（月球或人造卫星）也以固定的轨道绕地球运转。这些宏观物体运动的共同规律是有固定的轨道，人们可以在任何时间内同时准确地测出它们的运动速度和所在位置。电子是一种极微小的粒子，质量为9.1×10-31 kg，在核外的运动速度快（接近光速）。因此电子的运动和宏观物体的运动不同。和光一样，电子的运动具有微粒性和波动性的双重性质。对于质量为m，运动速度为v的电子，其动量为：P=mv 其相应的波长为： λ=h/P=h/mv （4-1） 式（4-1）中，左边是电子的波长λ，它表明电子波动性的特征，右边是电子的动量P （或mv），它表明电子的微粒性特征，两者通过普朗克常数h联系起来。 实验证明，对于具有波动性的微粒来说，不能同时准确地确定它在空间的位置和动量（运动速度）。也就是说电子的位置测得愈准时，它的动量（运动速度）就愈测不准，反之亦然。但是用统计的方法，可以知道电子在原子中某一区域内出现的几率。 图4-1氢原子五次瞬间照像
图4-2若干张氢原子瞬间照片叠印 电子在原子核外空间各区域出现的几率是不同的。在一定时间内，在某些地方电子出现的几率较大。而在另一些地方出现的几率较小。对于氢原子来说，核外只有一个电子。为了在一瞬间找到电子在氢原子核外的确切位置，假定我们用高速照相机先给某个氢原子拍五张照片，得到图4-1所示的五种图象，⊕代表原子核，小黑点表示电子。如果给这个氢原子照几万张照片，叠加这些照片（图4-2）进行分析，发现原子核外的一个电子在核外空间各处都有出现的可能，但在各处出现的几率不同。如果用小黑点的疏密来表示电子在核外各处的几率密度（单位体积中出现的几率）大小，黑点密的地方，是电子出现几率密度大的地方；疏的地方，是电子出现几率密度小的地方，如图4-3所示。像这样用小黑点的疏密形象地描述电子在原子核外空间的几率密度分布图象叫做电子云。所以电子云是电子在核外运动具有统计性的一种形象表示法。 图4-3氢原子的电子云图4-4氢原子电子云界面图 从图4-3中可见，氢原子的电子云是球形的，离核越近的地方其电子云密度越大。但是由于离原子核越近，球壳的总体积越小，因此在这一区域内黑点的总数并不多。而是在半径为53pm 附近的球壳中电子出现的几率最大，这是氢原子最稳定状态。为了方便，通常用电子云的界面表示原子中电子云的分布情况。所谓界面，是指电子在这个界面内出现的几率很大（95%以上），而在界面外出现的几率很小（5%以下）。 二、核外电子的运动状态 电子在原子中的运动状态，可n，l，m，ms四个量子数来描述。 （一）主量子数n
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
1.5 双原子的势能曲线 （1.3.1）式是在Born-oppenbeimer 近似下双原子分子中电子的运动方程，其中)(R U 为势能面. 对双原子分子来说，势能面仅是核间距R 的函数，因此在双原子分子情形下，势能面简化为势能曲线. 氢分子是最简单的双原子分子，本节将以它为例讨论双原子分子势能曲线的一般特征. 1.5.1 Heitler-London 方法 以a 和b 分别标记两个氢原子，并同时分别标记它们的s 1轨道，1和2分别标记两个电子，如图1.3所示. 图1.3 氢分子的坐标 电子运动的Hamilton 算符为 R r r r r r H b b a a 11111121211221212221++----?-?-= （1.5.1） 定义 2111112a h r =-?- , 2222 112b h r =-?- （1.5.2） 则有 1221121111a b H h h r r r R =+- -++ （1.5.3） Schrodinger 方程为 ψ=ψE H （1.5.4） 1h 和2h 分别表示电子1和2各自单独在a 核和b 核的势场中运动，即它们分别是
两个孤立氢原子的Hamilton 量. 当用微扰法处理时，可将（1.5.3）式的后四项作为微扰. 当两个核相距无穷远时，由图1.3可以看出，（1.5.3）式可简化为 012H h h =+ （1.5.5） 这时，氢分子的Hamilton 量是两个氢原子的Hamilton 量的直接和，因此（1.5.5）式的解是两个氢原子波函数的直接积. 假定氢原子波函数取1s 轨道,暂时不考虑自旋，由于电子的不可分辨性，这样的直接积有两个，即 )2()1(b a (1.5.6) 和 )1()2(b a (1.5.7) 式中 ai r a e i s i a -==π1)(1)( , bi r b e i s i b -==π 1)(1)( （1.5.8） （1.5.6）和（1.5.7）式是简并的，称为交换简并，氢分子的零级近似波函数应该是二者的线性组合. 有两种组合方法，一种是对称组合，即将两式相加，另一种是反对称组合，即将两式相减. 进一步考虑自旋，电子为费米子，应满足Pauli 原理，即波函数对两个电子的交换是反对称的. 如果空间函数取作对称的，则自旋函数必须是反对称的，这样的反对称自旋函数只有一个，因此总波函数也只有一个，称为单重态，记作ψ1，即 )]1()2()2()1([21 )]1()2()2()1([1βαβα-+=ψb a b a N （1.5.9） 式中，N 为空间波函数的归一因子， )(i α和)(i β分别为电子i 的自旋波函数，)(i α仅在21=i s 处有值，其他处皆为0，而)(i β仅在2 1-=i s 处有值，i s 为i 电子的自旋值，并且有 ?=1)(2i ds i α， ?=1)(2i ds i β， ?=0)()(i ds i i βα （1.5.10） 如果空间函数是反对称的，则自旋函数必须是对称的. 对称的自旋函数可以有三个，它们共同构成一个三重态，用ψ3表示, 即
第一章原子结构与性质 课标要求 1.了解原子核外电子的能级分布，能用电子排布式表示常见元素的（1~36号）原子核外电子的排布。了解原子核外电子的运动状态。 2.了解元素电离能的含义，并能用以说明元素的某种性质 3.了解原子核外电子在一定条件下会发生跃迁，了解其简单应用。 4.了解电负性的概念，知道元素的性质与电负性的关系。 要点精讲 一.原子结构 1.能级与能层 2.原子轨道 3.原子核外电子排布规律 ⑴构造原理：随着核电荷数递增，大多数元素的电中性基态原子的电子按右图顺序填入核外电子运动轨道（能级），叫做构造原理。
能级交错：由构造原理可知，电子先进入4s 轨道，后进入3d 轨道，这种现象叫能级交错。 说明：构造原理并不是说4s 能级比3d 能级能量低（实际上4s 能级比3d 能级能量高），而是指这样顺序填充电子可以使整个原子的能量最低。也就是说，整个原子的能量不能机械地看做是各电子所处轨道的能量之和。 （2）能量最低原理 现代物质结构理论证实，原子的电子排布遵循构造原理能使整个原子的能量处于最低状态，简称能量最低原理。 构造原理和能量最低原理是从整体角度考虑原子的能量高低，而不局限于某个能级。 （3）泡利（不相容）原理：基态多电子原子中，不可能同时存在4个量子数完全相同的电子。换言之，一个轨道里最多只能容纳两个电子，且电旋方向相反（用“↑↓”表示），这个原理称为泡利（Pauli ）原理。 （4）洪特规则：当电子排布在同一能级的不同轨道（能量相同）时，总是优先单独占据一个轨道，而且自旋方向相同，这个规则叫洪特（Hund ）规则。比如，p3的轨道式为 或，而不是。 洪特规则特例：当p 、d 、f 轨道填充的电子数为全空、半充满或全充满时，原子处于较稳定的状态。即p0、d0、f0、p3、d5、f7、p6、d10、f14时，是较稳定状态。 前36号元素中，全空状态的有4Be 2s22p0、12Mg 3s23p0、20Ca 4s23d0；半充满状态的有：7N 2s22p3、15P 3s23p3、24Cr 3d54s1、25Mn 3d54s2、33As 4s24p3；全充满状态的有10Ne 2s22p6、18Ar 3s23p6、29Cu 3d104s1、30Zn 3d104s2、36Kr 4s24p6。 4. 基态原子核外电子排布的表示方法 (1)电子排布式 ①用数字在能级符号的右上角表明该能级上排布的电子数，这就是电子排布式，例如K ：1s22s22p63s23p64s1。 ②为了避免电子排布式书写过于繁琐，把内层电子达到稀有气体元素原子结构的部分以↑↓ ↑ ↓ ↓ ↓ ↑ ↑ ↑
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
分子和原子及原子的结构知识点总结 知识点一分子 1、分子是构成物质的一种微粒，表示的是一种微观概念，大部分物质是由分子构成的。（有些物质直接由原子构成） 2、分子的定义：分子是保持物质化学性质的最小（一种）微粒。 3、分子的性质 ①分子很小：质量和体积都很小，肉眼是无法看到的 ②分子总是在不断的运动着：温度升高运动速度加快。 ③分子间有间隔：一般来说气体分子间的间隔大，固体、液体分子间的间隔较小，因此气体可以压缩。 ④同种物质的分子性质相同，不同种物质的分子性质不同。 ⑤分子由原子构成，不同种物质的分子，原子构成不同，可分三种情形： a、构成分子的原子种类不同： b、构成分子的原子种类相同，但个数不同： c、构成分子的原子种类、个数都相同，但排列顺序不同（高中学习） 4、分子理论的应用： （1）用分子观点解释物理变化和化学变化。 物理变化：没有新分子生成的变化 由分子构成的物质 化学变化：分子本身发生变化，有新分子生成的变化。 （2）用分子观点解释混合物和纯净物： 混合物：由不同种分子构成的物质。纯净物：由同种分子构成的物质。 知识点二原子 1、定义：原子是化学变化中的最小粒子（用化学方法不能再分） 2、原子的性质 （1）原子的体积和质量都很小。（2）原子在不断的运动（3）原子间有一定的间隔
（4）同种物质的原子性质相同，不同种物质的原子性质不同。 3、化学变化的实质：在化学变化中，分子分解成原子，原子重新组合成新的分子。 注意：化学变化前后分子的种类一定改变，数目可能改变，原子的种类和数目一定不变。 注意：分子一定比原子大吗？答：不一定！ 金属单质（如：Fe 、Cu 、Al、Hg ） 5、由原子直接构成的物质非金属固态单质（如：C、P、S、Si ） 稀有气体（氦、氖、氩、氪、氙、氡） 6、原子的构成： 带正电荷) 体积很小,约占原子体积的几千亿分之一 中子 (不带电) 原子 带负电荷) ———在核外一个相对很大的空间内做高速运动 在原子中，核电荷数= 质子数 = 核外电子数，原子核居于原子的中心，在原子中占的体积很小，但所占质量很大，电子绕着原子核作高速运动。 7、原子的分类：以核电荷数（质子数）为标准可分为100多类原子及100种元素。 8、相对原子质量： 由于原子的实际质量很小，使用起来很不方便，所以才有原子的相对质量。 国际上以碳12原子（原子核内有 6 个质子和 6 个中子）的质量的 1/12 作为标准，其它原子的质量跟它比较所得的值，就是这种原子的相对原子质量。用公式可表示为： 相对原子质量 某元素一个原子的质量一个碳原子质量的 12112 / 由此可见，相对原子质量是一个比值，不是原子的实际质量。相对原子量≈质子数+ 种子数 知识点三核外电子排布： 1、电子层：电子在原子核外一定的区域内运动，这些区域称为电子层，电子的这种分层运动的现象叫做核外 电子的分层排布。核外电子的分层排布是因为电子的能量各不相同，能量高的电子在离核远的区域运动，
转动、振动很清楚的介绍见此书: Spectra Of Atoms And Molecules (Peter Bernat) 约化质量：B A B A M M M M +=μ 平衡键长：r e 或R e 解离能：ZPE 0e +=D D （勿与下文D e 搞混，含义完全不同） 双原子分子振动能量 Fundamental （基频）的频率ν一般不按照频率来给出，而是通过ωe =h ν转换成能量后以cm -1为单位给出。 ++-=≡+??? ??++??? ??+-??? ? ?+=y x E y x E e e e vib e 3 e 2e vib 814121)0(ZPE 212121)(ωωωωυωυωυυ υ：振动量子数 e ω：vibrational constant – first term x e ω：vibrational constant – second term y e ω：vibrational constant – third term 双原子分子转动能量 term distortion al centrifigu 22rot ...)1()1()(++-+=J DJ J BJ J E J ：转动量子数 B ：Rotational constant (cm -1)。平衡键长时的值是B e D ：Centrifigual distortion constant (cm -1)，比B 小几个数量级。有时也用D J 或D ele 表示。平衡键长时的值是D e ，可通过Kratzer 关系得到2 e 3e e /4ωB D = 选律：?J =±1 对于多原子体系的振动问题，还要引入额外一个量子数K ，是J 在分子主轴上的投影。
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
原子结构和分子结构复习题 一、单项选择题 （）1、下列各套量子数合理的是 （a）3. 1. 2. + （b）3. 2. 1. –（c）2. 0. 0. 0. （d）2. 2. 1. ( ) 2、BBr3分子的空间构型为 (a) 平面三角形(b) 三角锥形(c) V形(d) 正四面体。) 7\ 收集22 （）3、下列物质中，不能形成氢键的是 （a）H2O (b) HF (c) C2H5OH (d) HBr ( ) 4、下列分子中，中心原子采取sp3杂化的是 (a) PCl3 (b) NCl3 (c) CCl4 (d) BeCl2 （）5、苯和CCl4分子间存在的作用力是哪种类型？ (a ) 色散力（b）取向力（c）诱导力（d）氢键 （）6、下列元素第一电离能最大的是 （a）Be （b）B （c）N （d）O （）7、下列分子中，含有极性键的非极性分子是 （a）P4 （b）SO2 （c）HCl （d）NH3 （）8、电子云的形状由哪个量子数来确定？ （a）主量子数（b）角量子数（c）磁量子数（d）自旋量子数 ( ) 9、下列关于氧分子的叙述正确的是 （a）氧分子中只有σ键（b）氧分子中只有π键 （c）氧分子的键级是3 （d）氧分子中有单电子 ( ) 10、与CO32–互为等电子体的是 （a）SO3 （b）O3 （c）SO42–、（d）CO2 二、填空题 1、第24号元素原子的核外电子排布式为________________________， 该元素位于周期表中________周期，________族，________区； 其符号和名称分别为________ 、________ 。 2、写出N2+ 的分子轨道电子排布式________________________、 其键级为________、在磁性上表现为________。 3、HCl和SO2分子之间存在的范德华力有、、。 4、某元素－2价阴离子在最外层n＝４，l＝０的轨道上有２个电子； n=４，l＝１的轨道上有6个电子，该元素的名称为________； 其原子的价电子构型为_______ 5、分子轨道是由线性组合而成的，这种组合必须符合的三个原则是、、。 6、卤化氢中，HF 的沸点最高，原因是。 7、某电子处在3d 轨道，其轨道量子数n为______，l为______，m可能是_________。 8、按分子轨道理论，O2分子中最高能量的电子所处的分子轨道是、 O2分子中有个未成对的电子，在磁性上表现为。 三、简要回答下列问题 1. 说明原子序数为12、16、25 的元素原子中，4s和3d轨道哪个能量高？ 2. 比较CH3CH2OH和CH3OCH3的熔沸点的高低，并说明原因。
第四章分子结构测定方法 一、填空题 1、刚性转体模型： 2、双原子分子转动光谱的选择定则 3、双原子分子转动能级公式 4、双原子分子振动能级公式 5、分子H2,HCl,CO2,H2O,C2H6, CH4, CH3Cl,N2中不显示红外吸收的分子是： 二、选择题 1、红外光谱(IR)由分子内部何种能量跃迁引起 （A）转动（B）电子-振动 （C）振动（D）振动-转动 2、用刚性转子模型处理双原子分子转动光谱，F列结论有错的是（A） 相邻转动能级差为2B(J+1) （B） 相邻谱线距离为2B （C） 第二条谱线频率为4B （D） 最低转动能量为2B 3、运用刚性转子模型处理异核双原子分纯转动光谱，一般需知几条谱线位置) ν可计算其核间距 (J （A） 5 （B）2 （C）3 （D）4 4、巳知一双原子分于的转动常数B(波数单位)，纯转动光谱中第三条谱线的波长为
（A ）B 41 （B ）B 4 3 （C ）B 61 （D ）4B 5、已测得两个同位素的转动光谱ν分别为和,若已知1a 2a 1μ，则2μ为 （A ）1221)(μa a （B ）12112)(μa a （C ）112)(μa a （D ）12 1(μa a 6、HCN 分子的转动、振动自由度分子为 （A ）3，6 （B ）5，4 （C ）2，4 （D ）2，7 三、简答题 1、 分子光谱的结构为什么比原子光谱复杂得多？ 2、 何谓分子的转动光谱，振动光谱及电子光谱，其频率在什么波 段范围？ 3、 何谓双原子分子的刚性转子模型？何谓转动光谱选律？ 4、 何谓双原子分子的谐振子模型？何谓振动光谱选律？ 四、计算题 1、 已知HI 的纯转动光谱每两条谱线间隔为13.10cm -1,试求其键 长？ 2、 已知CO 的键长为112.82pm ，试求12C 16O 的纯转动光谱中相当于 最前面的四种跃迁的谱线的波数。 3、 已知卤化氢的振动光谱的基频分别为 1 H 19F 4141.3 cm -1 1H 35Cl 2988.9cm -11H 81Br 2649.7cm -1 1H 127I 2309.5cm -1试求它们的键的力常数和零点振动能。
第五章 多原子分子结构与性质习题解答 070601306 何梅华 070601307游梅芳 070601308 陈风芳 070601309黄丽娜 070601310 郑海霞 070601311 黄秀娟 070601312 尤丽君 1.以CH 4为例，讨论定域分子轨道和离域分子轨道间的区别和联系。 答：杂化轨道理论将CH 4分子中的C 原子进行了sp 杂化，每个杂化轨道和1个H 原子的1s 杂化形成一个定域分子轨道，在此成键轨道中的一对电子形成定域键C-H ，四个C-H 键轨道能量等同。离域分子轨道处理CH 4分子所得的能级图说明4个轨道能量高低不同。定域分子和离域分子两种模型是等价的，只是反应的物理图像有所区别。 2．试讨论杂化轨道构成三原则。 解：若以{i φ}表示某原子参加杂化的原子轨道集合，k Φ为杂化轨道，则： ∑=Φn i i k cki φ i =1，2，3，…，n （1） （1） 杂化轨道要满足归一化条件 杂化轨道是一种原子轨道，它描述了处于价态原子中单电子的可能状态。归一化的数学表达式为： 1)(2 2 2===Φ∑?∑?ki c d cki d n i n i i k τφτ （2） 上面的计算用到了同一原子中原子轨道间满足正交、归一的条件。ki c 为i φ在第k 个杂化轨道中的组合系数，而2ki c 表示i φ在k Φ中的成分。 当把k Φ轨道中s 轨道的成分记为k α、p 轨道的成分记为k β时，就有 2 ks k c =α （3） 2 22kz ky kx k c c c ++=β （4） （2）参加杂化的轨道贡献之和为1 参加杂化的i φ轨道是归一化的，杂化后的在新形成的所有杂化轨道里的成分之和——即i φ电子“分散”到各杂化轨道中的概率之和应为1。故有
1 / 2 2 双原子分子结构 一、填空题（在题中空格处填上正确答案） 3101、描述分子中 _______________ 空间运动状态的波函数称为分子轨道。 3102、在极性分子 AB 中的一个分子轨道上运动的电子，在 A 原子的φA 原子轨道上出 现的概率为80%， B 原子的φB 原子轨道上出现的概率为20%， 则该分子轨道波函数 。 3103、设φA 和φB 分别是两个不同原子 A 和 B 的原子轨道， 其对应的原子轨道能量为 E A 和E B ，如果两者满足________ ， ____________ ， ______ 原则可线性组合 成分子轨道 = c A φA + c B φB 。对于成键轨道， 如果E A ______ E B ，则 c A ______ c B 。 (注：后二个空只需填 "=" ， ">" 或 "等比较符号 ) 3104、试以 z 轴为键轴， 说明下列各对原子轨道间能否有效地组成分子轨道，若可能， 则填写是什么类型的分子轨道。 2d z -2d z d yz -d yz d xz -d xz d xy - d xy 3105、判断下列轨道间沿z 轴方向能否成键。如能成键， 则在相应位置上填上分子轨道 的名称。 p x p z d xy d xz p x p z d xy d xz 3106、AB 为异核双原子分子，若φA yz d 与φB y p 可形成π型分子轨道，那么分子的键轴为 ____轴。 3107、若双原子分子 AB 的键轴是z 轴，则φA 的 d yz 与φB 的 p y 可形成________型分子 轨道。
3108、以z轴为键轴，按对称性匹配原则，下列原子轨道对间能否组成分子轨道？若能，写出是什么类型分子轨道，若不能，写出"不能"，空白者按未答处理。 ，_______________，磁性________________。 3110、在z方向上能与d xy轨道成键的角量子数l≤2 的原子轨道是____________ ，形成的分子轨道是_________轨道。 3111、在x方向上能与d xy轨道成键的角量子数l≤2 的原子轨道是______ _______ 。3112、用分子轨道表示方法写出下列分子基态时价层的电子组态： N2：_____________________________ ， O2：_____________________________ 。 3113、O2的分子轨道的电子组态(基态) ，磁性。 C2的分子轨道的电子组态(基态) ，磁性。3114、C2+的分子轨道为_________________，键级___________________； HCl 的分子轨道为________________，键级___________________ 。 3115、按照简单分子轨道理论： (1) HF 分子基组态电子排布为___________________________， 键级_______________，磁性________________。 (2) O2-离子基组态电子排布为_____________________________， 键级_______________，磁性________________。 3116、Cl2分子的HOMO 是_______________，LUMO 是_________________。3117、CN-的价电子组态，键级。3118、OF，OF+，OF-三个分子中，键级顺序为________________。 3119、比较下列各对分子和离子的键能大小： N2，N2+( ) O2，O2+( ) OF，OF-( ) CF，CF+( ) Cl2，Cl2+( ) 3120、HBr 分子基态价层轨道上的电子排布是_________________________ 。 2 / 22
第一章原子结构与性质 一.原子结构 1、能级与能层 电子云：用小黑点的疏密来描述电子在原子核外空间出现的机会大小所得的图形叫电子云图.离核越近，电子出现的机会大，电子云密度越大；离核越远，电子出现的机会小，电子云密度越小. 电子层（能层）：根据电子的能量差异和主要运动区域的不同，核外电子分别处于不同的电子层.原子由里向外对应的电子层符号分别为K、L、M、N、O、P、Q. 原子轨道（能级即亚层）：处于同一电子层的原子核外电子，也可以在不同类型的原子轨道上运动，分别用s、p、d、f表示不同形状的轨道，s轨道呈球形、p轨道呈哑铃形 # 2、原子轨道 3、原子核外电子排布规律 （1）构造原理：随着核电荷数递增，大多数元素的电中性基态原子的电子按下图顺序填入核外电子运动轨道（能级），叫做构造原理。 原子核外电子的运动特征可以用电子层、原子轨道(亚层)和自旋方向来进行描述.
能级交错：由构造原理可知，电子先进入4s 轨道，后进入3d 轨道，这种现象叫能级交错。 ￥ （2）能量最低原理：电子先占据能量低的轨道，再依次进入能量高的轨道. （3）泡利（不相容）原理：一个轨道里最多只能容纳两个电子，且自旋方向相反（用“↑↓”表示），这个原理称为泡利原理。 （4）洪特规则：当电子排布在同一能级的不同轨道（能量相同）时，总是优先单独占据一个轨道，而且自旋方向相同，这个规则叫洪特规则。比如，p3 的轨道式为，而不是。 洪特规则特例：在等价轨道的全充满（p 6、d 10、f 14）、半充满（p 3、d 5、f 7）、全空时(p 0、 d 0、f 0)的状态，具有较低的能量和较大的稳定性.如24Cr [Ar]3d 54s 1、29Cu [Ar]3d 104s 1 。 前36号元素中，全空状态的有4Be 2s22p0、12Mg 3s23p0、20Ca 4s23d0；半充满状态的有：7N 2s22p3、15P 3s23p3、24Cr 3d54s1、25Mn 3d54s2、33As 4s24p3；全充满状态的有10Ne 2s22p6、18Ar 3s23p6、29Cu 3d104s1、30Zn 3d104s2、36Kr 4s24p6。 4、基态原子核外电子排布的表示方法 （1）电子排布式 ①用数字在能级符号的右上角表明该能级上排布的电子数，这就是电子排布式，例如K ：1s22s22p63s23p64s1。 ②为了避免电子排布式书写过于繁琐，把内层电子达到稀有气体元素原子结构的部分以相应稀有气体的元素符号外加方括号表示，例如K ：[Ar]4s1。 、 （2）电子排布图(轨道表示式) 每个方框或圆圈代表一个原子轨道，每个箭头代表一个电子。 如基态硫原子的轨道表示式为 ↑↓ ↑ 、 ↑ ↑ ↑
原子结构和分子结构 原子是由质子、中子等组成的原子核与核外电子所构成的。有与胆汁和化合物的化学性质主要决定与核外电子运动的状态，因此，在化学中研究原子结构主要在于解决核外电子运动的规律。 我们对于核外电子排布，只要掌握一般排布规律，按电子在核外各亚层中分布情况表示即按 ,5,7,6,5,4,6,5,4,5,4,4,3,3,2,2,114221014261026262622f s p d f s p d s p s p s p s s 例如：原子序数为18的Ar 的电子排布为6 262233221p s p s s 。 又如：原子序数为24的Cr 的电子排布为51626223433221d s p s p s s 而不是 42626223433221d s p s p s s 根据光谱实验得到的结果，可归纳为一个规律：等价轨道在全充满、半充满或全空的状态是比较稳定的，也即下列电子结构是比较稳定的： 半充满753f d p 或或; 全充满14106f d p 或或 全 空0 00f d p 或或 几种杂化轨道示意图： 图一：sp 轨道杂化过程示意图(sp 过程.jpg) 图二：sp 杂化轨道及2BeCl 分子的构型示意图(sp.jpg) 图三：2sp 杂化轨道及3BF 分子的构型示意图 图四： 3sp 杂化轨道及 4CH 分子的构型示意图
分子间力（又称范德华力）是指除了原子间较强的作用力之外的在分子之间存在的一种较弱的相互作用力。分子间力可分为色散力、诱导力和取向力三种。 一般来说，分子量越大，分子所含的电子数越多，分子间的色散力越大。 分子的极性强度越大，分子变形性大，分子间距离小，诱导力就大。 分子的极性越强，分子间的取向力越大。 在非极性分子之间只存在色散力；在极性分子和非极性分子间存在着色散力和诱导力；在极性分子之间，存在着色散力、诱导力和取向力。 对于类型相同的分子，其分子间力常随着分子量的增大而变大。分子间力阅读阿，物质的熔点、沸点和硬度就越高。 氢键的强弱与X和Y元素原子的电负性大小及半径有关。X和Y元素的电负性越大，原子半径越小，形成的氢键就越强。 氢键的存在，强烈地影响物质的物理性质，使他们具有较高的熔点、沸点和较低的蒸气压。