结构化学2

结构化学基础第2章第2章：化学键化学键是两个或多个原子之间形成的一种连接，通过原子之间的电子重新分布来形成。

2.1共价键共价键是原子之间通过共享电子形成的化学键。

共享的电子对位于形成共价键的两个原子的价层。

共价键分为纯共价键和极性共价键。

2.1.1纯共价键在纯共价键中，两个原子之间的电子完全共享，没有电荷转移。

纯共价键通常形成于同种元素之间，如氧气中的氧气分子（O2）。

2.1.2极性共价键极性共价键中，电子不完全共享，而是倾向于一个原子。

这导致部分正电荷在一个原子周围，部分负电荷在另一个原子周围。

最常见的极性共价键是形成在非金属和金属之间的键。

2.2离子键离子键是由正离子和负离子之间的电荷吸引力形成的化学键。

在离子键中，一个或多个电子从一个原子转移到另一个原子，形成正离子和负离子。

通常情况下，离子键形成于金属和非金属之间。

2.3金属键金属键是金属原子之间形成的一种化学键。

金属键的特点是金属原子间存在自由流动的电子，这些电子负责将金属原子连接在一起。

由于电子的自由流动，金属具有高导电性和高热传导性。

2.4非共价键非共价键不涉及电子的共享或转移，而是由分子之间的吸引力或相互作用形成。

2.4.1氢键氢键是通过氢原子与高电负性原子（如氮、氧和氟）的非共价相互作用形成的键。

氢键较弱，但在许多生物分子（如蛋白质和DNA）中具有重要的功能。

2.4.2范德华力范德华力是非极性分子之间的瞬时相互吸引力。

这种相互作用是由于分子内的电子云在其中一瞬间不对称分布，而导致周围分子的电子云发生变化。

范德华力较弱，但在大量分子之间的积累下可以产生显著影响。

2.4.3电荷转移相互作用电荷转移相互作用是带正电荷的分子与带负电荷或部分负电荷的分子之间的相互吸引力。

这种相互作用在分子中往往建立了高度充电的极性键。

2.5其他重要概念2.5.1结合能结合能是形成化学键时释放或吸收的能量。

共价键的结合能取决于共享电子的强度，离子键的结合能取决于相互作用的离子之间的电荷和距离。

《结构化学》第四章习题4001I3和I6不是独立的对称元素，因为I3=，I6=。

4002判断：既不存在C n轴，又不存在h时，S n轴必不存在。

---------------------------- ( )4003判断：在任何情况下，2ˆS=Eˆ。

----------------------------n( )4004判断：分子的对称元素仅7种，即，i及轴次为1，2，3，4，6的旋转轴和反轴。

---------------------------- ( )下面说法正确的是：---------------------------- ( )(A) 分子中各类对称元素的完全集合构成分子的对称群(B) 同一种分子必然同属于一个点群，不同种分子必然属于不同的点群(C) 分子中有S n轴，则此分子必然同时存在C n轴和h面(D) 镜面d一定也是镜面v4006下面说法正确的是：---------------------------- ( ) (A) 如构成分子的各类原子均是成双出现的，则此分子必有对称中心(B) 分子中若有C4，又有i，则必有(C) 凡是平面型分子必然属于C s群(D) 在任何情况下，2ˆS=Eˆn对称元素C2与h组合，得到___________________；C n次轴与垂直它的C2组合，得到______________。

4009如果图形中有对称元素S6，那么该图形中必然包含：---------------------------- ( )(A) C6，h (B) C3，h (C) C3，i (D) C6，i4010判断：因为映轴是旋转轴与垂直于轴的面组合所得到的对称元素，所以S n点群分子中必有对称元素h和C n。

---------------------------- ( )4011给出下列点群所具有的全部对称元素：(1) C2h (2) C3v (3) S4 (4) D2 (5) C3i4012假定 CuCl 43-原来属于 T d 点群，四个 Cl 原子的编号如下图所示。

1.简要说明原子轨道量子数及它们的取值范围解：原子轨道有主量子数 n ，角量子数|，磁量子数m 与自旋量子数s ,对类氢原子（单电子原子）来2说，原子轨道能级只与主量子数n 相关E Z R 。

对多电子原子，能级除了与n 相关，还要考虑电子n间相互作用。

角量子数|决定轨道角动量大小，磁量子数 m 表示角动量在磁场方向（z 方向）分量的大小,自旋量子数s 则表示轨道自旋角动量大小。

1n 取值为 1、2、3••…;| = 0、1、2、••…、n - 1; m = 0、±1 ±2 ……±l 取值只有一。

22.在直角坐标系下，Li 2+的Schr?dinger 方程为 ______________________ 。

解：由于Li 2+属于单电子原子，在采取 “-O'近似假定后，体系的动能只包括电子的动能，则体系的动量z 分量的平均值为多少(2)由于 |M I "J l(l1), l 1=1， l 2=1， l 3=1，又,210 ,211和 31 1 都是归一化的,2 h 2 h C 2 ■ l2 l 2 1 ——C3 ■ l3 l 3 1 o 2 2 2 ------------ h 2 ------------ hc 2 11 1 ——c 3 11 1 ——2 2 2h 222故C i 2 M iC 2 M1c ； M 2 C 3 M 3 能算符：T?h 2 8 2m2;体系的势能算符：\?Ze 2 3e 2 故Li 2+的 Schr?dinger 方程为:h 22式中:22 ____x 2y 23.对氢原子,C 1210的。

那么波函数所描述状态的（4 0r3e 22r = ( x 2+ y 2+ z 2F 2z 2C 2211C 331 能量平均值为多少（ 1，其中4 0r211和 31 1都是归一化2）角动量出现在 ..2h 2的概率是多少，角动解：由波函数C 1210C 2211C 3 31 1 得：n 1=2, h=1,m 1=0; n 2=2, b=1,m 2=1;出=3,l 3=1,m 3=-1;（1）由于2210, 211 和 31 1都是归一化的，且单电子原子E 13.6―（eV ）故E■i C 1 E12 2 C 2 E2C 3 E32 C 11 2 113.6 =eV 22 cf 13.6 peV22113.6 ?eV13.6 2 4 C1c ； eV 13.99c j eV 2 ---------------- hC 1 ■. l1 l 1 12c ： J1 1 1 — 2则角动量为、、2h2出现的概率为: 1h,m1=0,m2=1,m3=-1;又210, 211和311都是归一化的,故M z' CMih2c|m22 c 2 * 2G 0 C2 1 C32 h°3 m3h1 -22 2C2 C34.已知类氢离子He+的某一状态波函数为:321 222re-2r2a。

《结构化学》教案教案：结构化学教学目标：1.理解分子结构的基本概念和原子结构的基本组成。

2.掌握常见分子结构的命名规则。

3.熟悉有机化合物的结构特点和它们在生命活动中的重要性。

4.学会运用结构化学的知识分析有机化合物的性质和反应。

教学内容：第一节概念和基本组成1.分子的概念和组成：原子核、电子和化学键。

2.分子结构的表示方法：分子式、结构式和杂化。

第二节分子结构的命名1.烃类的命名：直链烷烃、支链烷烃和环烷烃。

2.功能团的命名：醇、醛、酮、酸、酯等。

3.多官能团的命名：醇醚、酮醛等。

第三节有机化合物的结构特点和生物活性1.范德华力和分子间相互作用。

2.极性分子和非极性分子。

3.有机化合物的官能团和生物活性。

第四节结构化学的应用1.化合物的相对分子质量和摩尔质量。

2.化合物的摩尔比和分子式计算。

3.分子结构和性质之间的关系。

4.化学反应的机理研究。

教学重点：1.分子结构的基本概念和组成。

2.常见有机化合物的命名规则。

3.结构化学在有机化学中的应用。

教学难点：1.复杂有机化合物的命名规则。

2.结构化学在化学反应机理研究中的应用。

教学方法：1.讲授结合举例：通过分子模型、分子式和结构式的展示，帮助学生理解分子结构的概念和组成。

2.课堂讨论：引导学生思考分子结构与性质之间的关系，鼓励学生提出问题和解决问题。

3.实验探究：通过合成有机化合物、测定它们的物理性质和反应活性，让学生实际操作和观察有机化合物的结构特点。

教学资源：1.教科书和教案资料。

2.分子模型和实验仪器。

3.化学实验教材和化学反应原理。

教学评估：1.学生课堂表现和参与度评估。

2.平时作业和小组讨论的成果评估。

3.实验报告和总结的评估。

教学拓展：1.分子模型的制作和应用。

2.有机化合物的定性和定量分析方法。

3.结构化学在材料科学和药物设计中的应用。

教学延伸：1.学习有机化学反应机理。

2.学习有机合成和药物合成的实践技巧。

3.深入了解有机化合物的合成、性质和应用。

第二章 原子结构和性质教学目的：通过H 原子薛定谔方程的求解，了解原子结构中量子数的来源，类氢离子波函数的图形及其物理意义。

掌握多电子原子的原子轨道能级等，推导原子基态光谱项。

教学重点：1.类氢离子波函数量子数的物理意义。

2.掌握多电子原子的原子轨道能级、电离能的求解。

3.推导等价、非等价电子的原子光谱项，掌握基态原子谱项的快速推算法。

第一节 单电子原子的薛定谔方程及其解引言：前面介绍了量子力学的概念，建立了量子力学的基础，下面我们要讨论原子结构的核心问题，即原子中电子的运动状态，其中最简单的体系就是原子核外只有一个电子的体系，也叫单电子原子结构，如氢原子和类氢离子（H ，Li 2+，He +，Be 3+……）。

一．建立单电子原子的Schrodinger 方程r Ze mh M h H e N 022********ˆπεππ-∇-∇-= 假设在研究电子运动时核固定不动，r Ze mh H 0222248ˆπεπ-∇-= 为了解题方便通常将x,y ,z 变量变换成极坐标变量r ，θ，φ由图可得如下关系：⎪⎭⎪⎬⎫⋅=⋅⋅=⋅⋅=θφθφθcos sin sin cos sin r z r y r x得极坐标形式的Schrodinger 方程：048sin 1sin sin 110222222222=⎪⎪⎭⎫⎝⎛++∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂ψπεπφψθθψθθθψr Ze E h m r r r r r r二、单电子Schrodinger 方程的一般解。

1. 变数分离法把含三个变量的微分方程化为三个各含一个变量的常微分方程来求解。

令()()r R r =φθψ,,Θ（θ）Φ（φ）()()φθ,,Y r R =代入薛定鄂方程，经过数学变换得三个方程：R(r)方程 ()()k E r hm r h mZe r r R r r r R =++⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂⋅2222022821πεπ Θ方程22sin )(sin )(sin m k =+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂Θ∂⋅∂∂⋅Θθθθθθθθ Φ方程222)()(1m =∂Φ∂⋅Φ-φφφ 2. Φ方程的解Φ方程整理得：0222=Φ+Φm a a φ这是一个常系数2阶齐次线性方程，它的特征方程为022=+m p i m p ±=微分方程的两个特解为φim Ae m =Φ m m ±= A 由归一化求得： π21=A ∴φπim e m 21=Φ 这是解的复数形式，由于Φ是循环坐标所以()()πφφ2+Φ=Φm m 于是πφπφφ2)2(im im im im e e e e ⋅==+ 即12=πim e由欧拉公式12sin 2cos 2=+=m i m e im πππ故m 的取值必须为： 2,1,0±±=m 即取值是量子化的称为磁量子数。