1、工程化学电子教案工程化学电子教案生物工程系化学教研室生物工程系化学教研室 童志平童志平 2019 2019 年年 5 5 月月第五章物质结构基础第五章物质结构基础内容提要内容提要 本章主要讨论核外电子运动和排布的一般规本章主要讨论核外电子运动和排布的一般规律，以及周期系与原子结构的关系；并介绍有律，以及周期系与原子结构的关系；并介绍有关原子和分子结构理论、晶体结构以及表面张关原子和分子结构理论、晶体结构以及表面张力的基础知识。力的基础知识。目的要求为：目的要求为：（1 1）了解原子核外电子运动状态的基本特征、原子了解原子核外电子运动状态的基本特征、原子轨道、电子云等基本概念，了解轨道、电子云等
2、基本概念，了解s s、p p、d d波函数和电子波函数和电子云的角度分布示意图。云的角度分布示意图。（2 2）掌握四个量子数的意义和取值规则，掌握原子掌握四个量子数的意义和取值规则，掌握原子核外电子排布的原理和一般规律及其与长式周期表的核外电子排布的原理和一般规律及其与长式周期表的关系。了解元素的某些性质的一般递变规律。关系。了解元素的某些性质的一般递变规律。（3 3）掌握化学键的基本概念、基本类型、共价键的掌握化学键的基本概念、基本类型、共价键的形成条件和本质、现代价键理论的基本要点，了解共形成条件和本质、现代价键理论的基本要点，了解共价键的键参数及其应用。价键的键参数及其应用。（4 4）掌
3、握杂化轨道理论的要点和掌握杂化轨道理论的要点和spsp、spsp2 2、spsp3 3杂杂化所组成分子的几何构型。化所组成分子的几何构型。（5 5）了解分子间作用力和氢键对物质某些性质的了解分子间作用力和氢键对物质某些性质的影响。影响。（6 6）在理解化学键、分子间作用力（以及氢键）在理解化学键、分子间作用力（以及氢键）的本质和特性的基础上，了解晶体结构和表面张力的本质和特性的基础上，了解晶体结构和表面张力及其对物质性质的影响。及其对物质性质的影响。5.1 5.1 原子结构的近代理论原子结构的近代理论 1.1.氢原子光谱与玻尔理论氢原子光谱与玻尔理论 氢光谱在可见光区（氢光谱在可见光区（400
4、0nm-7000nm4000nm-7000nm）有四条）有四条比较明显的谱线，其波长分别是比较明显的谱线，其波长分别是410.2nm410.2nm、434.1nm434.1nm、486.1nm486.1nm、656.5nm656.5nm。玻尔理论主要有以下两点：玻尔理论主要有以下两点：（1 1）电子在核外只能沿着某些特定的而不是任意）电子在核外只能沿着某些特定的而不是任意的圆形轨道运动。在这些轨道上运动的电子不放的圆形轨道运动。在这些轨道上运动的电子不放出也不吸收能量。出也不吸收能量。（2 2）原子中的电子由一个轨道（能量为）原子中的电子由一个轨道（能量为EnEn2 2）跃）跃迁到另一个轨道（
5、能量为迁到另一个轨道（能量为EnEn1 1）时，才会放出或吸）时，才会放出或吸收能量，若能量以光辐射的形式出现，其频率由收能量，若能量以光辐射的形式出现，其频率由两个轨道的能级差值决定：两个轨道的能级差值决定：h h=En=En2 2EnEn1 1h h是普朗克常数，其数值为是普朗克常数，其数值为6.636.631010-34-34JsJs。2.2.微观粒子运动的波粒二象性和统计规律微观粒子运动的波粒二象性和统计规律 光的干涉和衍射现象表明光具有波动性，光电光的干涉和衍射现象表明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性。效应说明光具有粒子性。19241924年德布罗依受光的波年德布罗依受光的波粒
6、二象性的启发，提出了电子运动具有波动性，其粒二象性的启发，提出了电子运动具有波动性，其它微观粒子也具有波粒二象性的假设。他指出它微观粒子也具有波粒二象性的假设。他指出“对对于光，其波动性发现在先，粒子性发现在后，对于于光，其波动性发现在先，粒子性发现在后，对于实物粒子是否颠倒过来了，即粒子性发现在先而波实物粒子是否颠倒过来了，即粒子性发现在先而波动性发现在后呢？动性发现在后呢？”3.薛定鄂方程薛定鄂方程 薛定鄂是奥地利理论物理学家，波动力学的创始人。薛定鄂1887年8月12日生于维也纳。19061910年，在维也纳大学物理系学习，1910年获得博士学位。0)VE(hm8zyx22222222(
7、1)(1)四个量子数及含义四个量子数及含义 主量子数n n是决定原子轨道能级的主要因素，简称主（能层）或电子层。n的数值可以取从1开始的正整数。n的数值越大，电子的能量越高，电子离核距离越远。在光谱学上另用一套拉丁字母表示电子层，其对应关系为：主量子数 n 1 2 3 4 5 6 电 子 层 K L M N O P角量子数角量子数l l 角量子数角量子数l l是反映原子轨道形状的参数，它是反映原子轨道形状的参数，它的取值受主量子数的取值受主量子数n n的限制，可取的限制，可取0,1,2,0,1,2,到的正整数。亚层也常用光谱符号来表示，角量到的正整数。亚层也常用光谱符号来表示，角量子数与相应的
8、亚层符号及原子轨道的形状如下：子数与相应的亚层符号及原子轨道的形状如下：角量子数角量子数l l 0 1 2 30 1 2 3 亚层符号亚层符号 s p d f s p d f 原子轨道形状原子轨道形状 球形球形 哑铃形哑铃形梅花辩形梅花辩形磁量子数磁量子数m m 磁量子数量是用来描述原子轨道在空间伸展磁量子数量是用来描述原子轨道在空间伸展方向的参数。方向的参数。m m的取值受的取值受l l的制约，可取从所有整的制约，可取从所有整数值（包括数值（包括O O），共可取（），共可取（2 2l l+1+1）数值。一个亚）数值。一个亚层有几个允许的磁量子数，就有几个不同方向的层有几个允许的磁量子数，就有
9、几个不同方向的轨道，称为简并轨道或等价轨道。例如：轨道，称为简并轨道或等价轨道。例如：s s亚层，亚层，m m=0=0只有一个取值，表示只有一个取值，表示s s亚层只有一个亚层只有一个s s轨道。轨道。l l=1(=1(p p亚层亚层)，m m可取可取1 1，0 0，+1+1，表示，表示p p亚层亚层可有三个空间取向不同的轨道，即可有三个空间取向不同的轨道，即p px x、p py y、p pz z轨轨道道。自旋量子数自旋量子数m ms s 除描述原子轨道特征的三个量子数除描述原子轨道特征的三个量子数n n、l l、m m 外，还引入第四个量子数即自旋量子数外，还引入第四个量子数即自旋量子数m
10、 ms s，用来描述电子运动的自旋方向。根据量子力用来描述电子运动的自旋方向。根据量子力学的计算规定，学的计算规定，m ms s只可能取两个值，即和，通只可能取两个值，即和，通常用向上和向下的箭头（常用向上和向下的箭头（“”“”“”）来表）来表示。两个电子处于示。两个电子处于 (2)(2)原子轨道的角布分布图原子轨道的角布分布图 每个原子轨道都有一个相应的波函数每个原子轨道都有一个相应的波函数。既既可以用直角坐标表示为可以用直角坐标表示为（x x,y y,z z），又可以变换为），又可以变换为球极坐标表示为球极坐标表示为（r r,），后者便于薛定谔方），后者便于薛定谔方程的求解。经坐标变换后，
11、程的求解。经坐标变换后，就成了自变量就成了自变量r r,的函数，再经过数学上的变数分离法的处理，的函数，再经过数学上的变数分离法的处理，可变可变为：为：式中式中R R（r r）代表径向部分，只有一个变量）代表径向部分，只有一个变量r r，即，即半径；半径；Y Y（，）包括两个角度的变量）包括两个角度的变量，表示原，表示原子轨道的角度部分。子轨道的角度部分。),()(),(YrRr 所有的所有的p pz z轨道波函数的角度部分为：轨道波函数的角度部分为：若以球坐标按作图，可得两个相切于原点的若以球坐标按作图，可得两个相切于原点的球面即为球面即为p pz z轨道的角度分布图。另外两个轨道的角度分布
12、图。另外两个P P轨轨道做道做P Px x和和P Py y轨道，形状与轨道，形状与P Pz z相同，只是空间的相同，只是空间的取向不同，和极大值分别沿取向不同，和极大值分别沿x x轴和轴和y y轴方向。轴方向。cos43Yzp5.2 5.2 多电子原子结构和元素周期系多电子原子结构和元素周期系 除氢原子外，其它元素的原子，核外都不是一除氢原子外，其它元素的原子，核外都不是一个电子，这些原子统称为多电子原子。个电子，这些原子统称为多电子原子。1.1.多电子原子能级多电子原子能级 （1 1）角量子数）角量子数l l相同时，主量子数相同时，主量子数n n 越大，原子越大，原子轨道的能量越高，即：轨道
13、的能量越高，即：sssEEE321 (2 (2）主量子数）主量子数n n 相同时，相同时，l l越大，原子轨道的越大，原子轨道的能量越高，即能量越高，即 EnpEnpEns能量最低原理能量最低原理 能量最低原理最指在不违背保理不相能量最低原理最指在不违背保理不相容原理的条件下，电子在原子轨道上排布容原理的条件下，电子在原子轨道上排布将尽可能优先占据能级较低的轨道，以便将尽可能优先占据能级较低的轨道，以便原子体系能量处于最低。原子所处的最低原子体系能量处于最低。原子所处的最低能量状态称为原子的基态。能量状态称为原子的基态。（3 3）当）当n n和和l l都不同并且都不同并且n n 3 3时，发生
14、能级交错现象：时，发生能级交错现象：EnpdnEfnEEns)1()2(2.核外电子排布核外电子排布 (1)(1)核外电子排布原则核外电子排布原则 保里（保里（PauliPauli）不相容原理）不相容原理 保里不相容原理是指在同一原子中不可能有四保里不相容原理是指在同一原子中不可能有四个量子数完全相同的两个电子存在，也就是说在同个量子数完全相同的两个电子存在，也就是说在同一原子中不可能有运动状态完全相同的电子。按此一原子中不可能有运动状态完全相同的电子。按此推论，每一个轨道只能容纳两个自旋方向相反的电推论，每一个轨道只能容纳两个自旋方向相反的电子。子。洪特（洪特（HundHund）规则）规则
15、洪特规则是指在等价轨道（洪特规则是指在等价轨道（n n,l l均相同轨道）均相同轨道）上，电子将尽量单独单据不同的轨道，而且保持上，电子将尽量单独单据不同的轨道，而且保持自旋方向相同。当等价轨道全充满、半充满和全自旋方向相同。当等价轨道全充满、半充满和全空时，原子体系的能量较低，这种原子结构是比空时，原子体系的能量较低，这种原子结构是比较稳定的。较稳定的。(2)(2)核外电子排布核外电子排布 电子结构式电子结构式 它根据能量最低原理和保里不相容原理，应它根据能量最低原理和保里不相容原理，应用近似能级图，用主量子数和亚层符号一起表示用近似能级图，用主量子数和亚层符号一起表示一个能级，能级中的电子
16、数用右上角的数字表示，一个能级，能级中的电子数用右上角的数字表示，它是表示核外电子排布最常用的方法。例如它是表示核外电子排布最常用的方法。例如2222号号元素钛（元素钛（TiTi）原子的电子排丰式为：）原子的电子排丰式为：2262622d3s4p3s3p2s2s1 电子排布式虽然能清楚地表示核外电子在各电子排布式虽然能清楚地表示核外电子在各亚层中的填充情况，但无法表示电子占据原子轨亚层中的填充情况，但无法表示电子占据原子轨道的情况，为体现供特规则，这时要使用轨道表道的情况，为体现供特规则，这时要使用轨道表示式。示式。量子数表示量子数表示 量子数表示法从轨道图着手，列出完整的一套量子数表示法从轨
17、道图着手，列出完整的一套四个量子数表示核外电子排布。例如四个量子数表示核外电子排布。例如B B、C C、N N原子，原子，它们前四个电子的相应量子数均为：它们前四个电子的相应量子数均为：)21,0,0,1()21,0,0,1()21,0,0,2()21,0,0,2(3.3.原子的电子层结构和元素周期系原子的电子层结构和元素周期系(1)(1)元素的金属性和非金属性与元素的电负性元素的金属性和非金属性与元素的电负性(2)(2)电离能电离能 电离能表示元素原子丢失电子的能力。元素的电离能表示元素原子丢失电子的能力。元素的一个基态气态原子失去一个电子成为气态一价正一个基态气态原子失去一个电子成为气态一
18、价正离子所需的能量称为该元素的第一电离能，记为离子所需的能量称为该元素的第一电离能，记为I I1 1。若进一步失去电子，则还有第二、第三电能，若进一步失去电子，则还有第二、第三电能，I I2 2、I I3 3、，且，且I I3 3 I I2 2 I I1 1。通常将第一电离能简称为电。通常将第一电离能简称为电离能（离能（I I），单位），单位kJmolkJmol-1-1。电离能的大小可由原。电离能的大小可由原子光谱数据精确测出。子光谱数据精确测出。(3)(3)电子亲和能电子亲和能 元素的原子结合电子的难易可用电子亲元素的原子结合电子的难易可用电子亲和能来定量地量度。当一个基态气态原子获和能来定
19、量地量度。当一个基态气态原子获得一个电子成为得一个电子成为-1-1价气态离子时所放出的能价气态离子时所放出的能量称为该元素的电子亲和能，即第一电子亲量称为该元素的电子亲和能，即第一电子亲和能，一般用和能，一般用Y Y1 1表示。与电离能的定义类似，表示。与电离能的定义类似，元素也有第二电了亲和能元素也有第二电了亲和能Y Y2 2，第三电子亲和，第三电子亲和能能Y Y3 3。5.3 5.3 化学键与分子和晶体结构化学键与分子和晶体结构 除稀有气体外，其它物质均由一种或几种元除稀有气体外，其它物质均由一种或几种元素的原子以一定的方式结合成分子或晶体而存在。素的原子以一定的方式结合成分子或晶体而存在
20、。分子是体现物质化学性质的最小单位。分子的性分子是体现物质化学性质的最小单位。分子的性质取决于原子之间的化学键和分子的结构。质取决于原子之间的化学键和分子的结构。1.1.化学键化学键 分子中原子（或离子）之间强烈的相互作用力分子中原子（或离子）之间强烈的相互作用力称为化学键。化学键大致可分为离子键、共价键和称为化学键。化学键大致可分为离子键、共价键和金属键三种基本娄型。离子键和金属键一般存在于金属键三种基本娄型。离子键和金属键一般存在于晶体中，而共价键存在于分子中（某些晶体也存晶体中，而共价键存在于分子中（某些晶体也存在）。由于中学化学对离子键，共价键（包括配位在）。由于中学化学对离子键，共价
21、键（包括配位键）、金属键已有初步介绍，现重点介绍关于共价键）、金属键已有初步介绍，现重点介绍关于共价键的现代价键理论和分子轨道理论。键的现代价键理论和分子轨道理论。（1 1）现代价键理论的基本要点）现代价键理论的基本要点 两个原子接近时，自旋方向相反的未两个原子接近时，自旋方向相反的未成对电子相互配对，外层原子轨道彼此重叠，成对电子相互配对，外层原子轨道彼此重叠，使核间电子云密度较大，体系能量降低，形使核间电子云密度较大，体系能量降低，形成稳定的共价键。成稳定的共价键。一个原子有几个未成对电子，只能和几一个原子有几个未成对电子，只能和几个自旋方向相反的单电子配对成键，这就是共价个自旋方向相反的
22、单电子配对成键，这就是共价键键“饱和性饱和性”。例如。例如H H原子有一个未成对电子，原子有一个未成对电子，故两个故两个H H原子能生成原子能生成H H2 2分子，分子，H H原子间的化学键称原子间的化学键称为共价单键；为共价单键；N N的外层电子构型，有三个未成对的外层电子构型，有三个未成对电子，彼此只能以共价叁键结合成电子，彼此只能以共价叁键结合成N N2 2分子。分子。成键电子的原子轨道重叠越多，电子在成键电子的原子轨道重叠越多，电子在两核间的几率密度越大，则形成的共价键越两核间的几率密度越大，则形成的共价键越牢固，这叫做最大重叠原理。根据这个原理，牢固，这叫做最大重叠原理。根据这个原理
23、，共价键的形成尽可能采取电子云密度最大的共价键的形成尽可能采取电子云密度最大的方向，从而解释了共价键的方向性。原子轨方向，从而解释了共价键的方向性。原子轨道重叠时，还必须考虑描述原子轨道的正负道重叠时，还必须考虑描述原子轨道的正负号，只有同号轨道才能实行有效的重叠。号，只有同号轨道才能实行有效的重叠。（2 2）共价键的键参数）共价键的键参数 用来表征共价键特性的物理量称为共价用来表征共价键特性的物理量称为共价键叁数，通常指键长、键角、键能和键矩等。键叁数，通常指键长、键角、键能和键矩等。键参数可用于预测共价型分子的构型和形状，键参数可用于预测共价型分子的构型和形状，解释分子的基本性质如热稳定性
24、等。解释分子的基本性质如热稳定性等。键长键长 分子内成键两原子间的距离称为键长。通常，分子内成键两原子间的距离称为键长。通常，键能越大，键长越短，共价键越牢固。键能越大，键长越短，共价键越牢固。键角键角 共价分子中成键原子核连线（键轴）之间的共价分子中成键原子核连线（键轴）之间的夹角称为键角。分子的空间构型与键长和键角有夹角称为键角。分子的空间构型与键长和键角有关，双原子分子总是直线型的，多原子分子中因关，双原子分子总是直线型的，多原子分子中因其原子在空间的排布不同，各化学键之间的夹角其原子在空间的排布不同，各化学键之间的夹角便不同，分子的空间构型呈不同的几何形状。因便不同，分子的空间构型呈不
25、同的几何形状。因此，键角是表征分子的几何构型的重要键参数。此，键角是表征分子的几何构型的重要键参数。键能键能 共价键的强度可用键能来衡量。一般说来键共价键的强度可用键能来衡量。一般说来键能越大，相应的共价键越牢固。键能规定为：在能越大，相应的共价键越牢固。键能规定为：在298.15K298.15K和和101.325kPa101.325kPa时，将基态双原子分子时，将基态双原子分子ABAB解解离为基态离为基态A A、B B原子时的键离解能（原子时的键离解能（D D），称为双原），称为双原子分子子分子ABAB的键能（的键能（E E）；对于多原子分子，可取键）；对于多原子分子，可取键解离能的平均值为
26、键能。例如：解离能的平均值为键能。例如：键矩键矩 当两相同原子以共价键结合时，成键电子当两相同原子以共价键结合时，成键电子云的中心恰在原子核的中间，共用电子对的电云的中心恰在原子核的中间，共用电子对的电荷分别是对称的，这种键称为非极性共价键。荷分别是对称的，这种键称为非极性共价键。如如H H2 2、N N2 2、C C1 12 2中的共价键。当不同元素的原子中的共价键。当不同元素的原子构成共价键时，由于两个原子吸引电子的能力构成共价键时，由于两个原子吸引电子的能力不同，成键电子云将偏向吸引电子能力较大的不同，成键电子云将偏向吸引电子能力较大的一方，使得两个原子中的一端部分地显正电，一方，使得两
27、个原子中的一端部分地显正电，另一端部分地显负电，这种键称为极性共价键。另一端部分地显负电，这种键称为极性共价键。如如HCHC1 1、H H2 2S S、H H2 2O O中的共价键。中的共价键。(2)(2)分子轨道理论分子轨道理论 价键理论能很好地说明共价键的本质和价键理论能很好地说明共价键的本质和特性，但它不能解释某些分子的结构和性质。特性，但它不能解释某些分子的结构和性质。例如，它只能定性地而不能定量地解释键的例如，它只能定性地而不能定量地解释键的稳定性，也不能解释稳定性，也不能解释O O2 2分子的顺磁性以及分子的顺磁性以及H H2 2+、HeHe2 2+、O O2 2+的形成等问题。这
28、些问题的深入研究，的形成等问题。这些问题的深入研究，应运而生了分子轨道理论。应运而生了分子轨道理论。分子轨道理论的要点分子轨道理论的要点 分子中电子的运动遍及整个分子范围，每分子中电子的运动遍及整个分子范围，每个电子的运动状态都可以用一种状态函数个电子的运动状态都可以用一种状态函数 来描来描述，述，叫做分子轨道。为分子中电子在空间各处叫做分子轨道。为分子中电子在空间各处出现的几率密度或电子云。出现的几率密度或电子云。分子轨道由能量相近的不同原子轨道线性分子轨道由能量相近的不同原子轨道线性组合而成。组合而成。n n个原子轨道经线性组合后产生个原子轨道经线性组合后产生n n个分个分子轨道时，能级低
29、于原子轨道的称为成键分子轨子轨道时，能级低于原子轨道的称为成键分子轨道，高于原子轨道的称为反键分子轨道。道，高于原子轨道的称为反键分子轨道。由原子轨道组合成分子轨道时，必须由原子轨道组合成分子轨道时，必须满足能级高低相近、轨道最大重叠和对称性匹满足能级高低相近、轨道最大重叠和对称性匹配三条件。配三条件。分子中的电子逐个填入分子轨道时，分子中的电子逐个填入分子轨道时，同样遵循能量最低原理、保里不相容原理和洪同样遵循能量最低原理、保里不相容原理和洪特规则。特规则。2.2.共价分子的空间构型共价分子的空间构型 (1)(1)分子的极性分子的极性 分子的极性是由化学键的极性引起的。由共价分子的极性是由化
30、学键的极性引起的。由共价键构成的分子都有带正电荷和负电荷两部份。正如键构成的分子都有带正电荷和负电荷两部份。正如任何物体有重心一样，我们可以设想正负电荷各集任何物体有重心一样，我们可以设想正负电荷各集中于一点，即每种电荷都有一个中于一点，即每种电荷都有一个“电荷中心电荷中心”。如。如果正、负电荷中心重合的分子叫非极性分子，不重果正、负电荷中心重合的分子叫非极性分子，不重合的叫极性分子合的叫极性分子 (2)(2)分子的空间构型与杂化分子轨道理论分子的空间构型与杂化分子轨道理论 杂化轨道理论基本要点杂化轨道理论基本要点 原子轨道在成键过程中，由于原子间的相原子轨道在成键过程中，由于原子间的相互影响
31、，同一原子中能量相近的各个原子轨道可互影响，同一原子中能量相近的各个原子轨道可以以“混合混合”起来重新组成成键能力更强的新轨道，起来重新组成成键能力更强的新轨道，这一过程称为轨道的杂化，所形成的新轨道叫杂这一过程称为轨道的杂化，所形成的新轨道叫杂化轨道。化轨道。同一原子中能级相近的同一原子中能级相近的n n个原子轨道，杂个原子轨道，杂化后只能形成化后只能形成n n个杂化轨道。个杂化轨道。杂化轨道成键时，要满足化学键杂化轨道成键时，要满足化学键间最小排斥原理。从而使不同杂化轨道间间最小排斥原理。从而使不同杂化轨道间的尖角不同，分子的空间构型也不同。例的尖角不同，分子的空间构型也不同。例如，对如，
32、对spsp3 3杂化来说，当键角为杂化来说，当键角为109109 2828 时时排斥能最小，所以排斥能最小，所以spsp3 3杂化轨道成键时所形杂化轨道成键时所形成的分子呈正四面体形。成的分子呈正四面体形。杂化轨道类型杂化轨道类型 sp sp杂化与杂化与HgClHgCl2 2分子构型分子构型 实验测知实验测知HgClHgCl2 2分子是一直线型分子。键角分子是一直线型分子。键角为为180180，两个，两个Hg-C1Hg-C1键的键长、键能均相等。键的键长、键能均相等。COCO2 2分子也是直线型分子，其中心原子分子也是直线型分子，其中心原子C C也采用也采用spsp杂化轨道与两个杂化轨道与两个
33、O O原子形成互相垂直的原子形成互相垂直的2 2个个 键，键，同时同时C C原子上剩下的两个互相垂直的原子上剩下的两个互相垂直的p p轨道与两个轨道与两个O O原子所剩下的单电子原子所剩下的单电子p p轨道形成轨道形成2 2个个 键。此外键。此外BeClBeCl2 2分子中分子中BeBe原子也采用原子也采用spsp杂化与两个杂化与两个C1C1原子原子结合在一直线上。结合在一直线上。sp sp2 2杂化与杂化与BFBF3 3分子构型分子构型 B B原子基态外层电子构型为原子基态外层电子构型为2s2s2 22p2p1 1，在形，在形成成BFBF3 3分子时，有分子时，有1 1个个s s电子激发到电
34、子激发到2p2p轨道，形轨道，形成三个未成对电子，同时，成三个未成对电子，同时，B B原子的一个原子的一个2s2s轨轨道和道和2 2个个2p2p轨道杂化，对称地分布在轨道杂化，对称地分布在B B原子周原子周围，互成围，互成120120 角，三个角，三个spsp2 2杂化轨道各与一个杂化轨道各与一个F F原子成键，形成平面正三角形的原子成键，形成平面正三角形的BFBF3 3分子。分子。sp sp3 3等性杂化与等性杂化与CHCH4 4分子结构分子结构 四个四个spsp3 3杂化轨道各与一个杂化轨道各与一个H H原子的原子的1s1s轨道轨道重叠成重叠成4 4个个sp-ssp-s键，形成正四面体的键
35、，形成正四面体的CHCH4 4分子。分子。除甲烷外，其它烷烃、除甲烷外，其它烷烃、SiHSiH4 4分子及某些分子及某些离子如离子如SOSO4 42-2-、NHNH4 4+等的中心原子都是以等的中心原子都是以spsp3 3杂杂化轨道成键。化轨道成键。sp sp3 3不等性杂化与不等性杂化与NHNH3 3、H H2 2O O的结构的结构 前面介绍的杂化类型形成的杂化轨道其能量、前面介绍的杂化类型形成的杂化轨道其能量、成分、形状均完全相同，故称为等性杂化。由于成分、形状均完全相同，故称为等性杂化。由于一些分子中，杂化轨道有未参加成键的孤对电子一些分子中，杂化轨道有未参加成键的孤对电子存在，使各杂化
36、轨道的能量、成分不相等，这类存在，使各杂化轨道的能量、成分不相等，这类杂化称为不等性杂化。杂化称为不等性杂化。NHNH3 3分子中的分子中的N N原子利用原子利用1 1个个2s2s轨道和轨道和3 3个个2p2p轨道进行杂化形成轨道进行杂化形成4 4个个spsp3 3杂化轨道，杂化轨道，N N原子上已原子上已成对的两个电子占据一个杂化轨道，剩下的三个成对的两个电子占据一个杂化轨道，剩下的三个未成对电子各占据剩下的三个杂化轨道，分别与未成对电子各占据剩下的三个杂化轨道，分别与3 3个个H H原子的原子的1s1s轨道重叠成键。由于轨道重叠成键。由于N N原子上来的原子上来的孤对电子虽不参加成键，但它
37、对成键电子对的排孤对电子虽不参加成键，但它对成键电子对的排斥作用较大，使得斥作用较大，使得N-HN-H键的夹角被压缩到键的夹角被压缩到107107 1818。所以所以NHNH3 3分子的空间构型为三角锥形。分子的空间构型为三角锥形。与与NHNH3 3分子情况相似，分子情况相似，H H2 2O O分子中分子中O O原子也原子也采用了采用了spsp3 3不等性杂化，形成不等性杂化，形成4 4个个spsp3 3杂化轨道，杂化轨道，由于有两对孤电子对占据两个杂化轨道，故由于有两对孤电子对占据两个杂化轨道，故对成键电子对的排斥作用更大，对成键电子对的排斥作用更大，O-HO-H键的夹键的夹角被压缩到角被压
38、缩到104104 4545，使，使H H2 2O O分子的空间构型分子的空间构型为为“V”V”字形。字形。3.3.晶体结构晶体结构 物质常见的聚集状态有气态、液态和固态物质常见的聚集状态有气态、液态和固态三种。工程中所应用的材料大多是固态物质。三种。工程中所应用的材料大多是固态物质。许多固体物质的微观粒子处于空间（三维）有许多固体物质的微观粒子处于空间（三维）有序状态，或在空间呈周期性有规则地排列状态，序状态，或在空间呈周期性有规则地排列状态，这样的固体物质称为晶休。但是，也有不少固这样的固体物质称为晶休。但是，也有不少固体内部粒子在三维空间的排列是无序的，如沥体内部粒子在三维空间的排列是无序
39、的，如沥青、玻璃、石腊等，这些固态物质称为非晶体。青、玻璃、石腊等，这些固态物质称为非晶体。晶体的基本类型晶体的基本类型 控照晶格点在空间的位置，可分控照晶格点在空间的位置，可分为十四种晶格。按照晶体排列的有序为十四种晶格。按照晶体排列的有序和无序，可分为单晶体和多晶体。但和无序，可分为单晶体和多晶体。但一般所说的晶体类型，是按晶格上微一般所说的晶体类型，是按晶格上微粒的种类及微粒间作用力的类型来分粒的种类及微粒间作用力的类型来分的，主要有下列四种基本类型。的，主要有下列四种基本类型。（1 1）离子晶体）离子晶体 离子晶体的晶格点上交替地排列着正离离子晶体的晶格点上交替地排列着正离子和负离子，
40、其间靠离子键结合起来。由于子和负离子，其间靠离子键结合起来。由于离心键较强，故离子晶体一般具有较高的熔离心键较强，故离子晶体一般具有较高的熔点、沸点和较大的硬度，但延展性差、较脆。点、沸点和较大的硬度，但延展性差、较脆。离子晶体在熔融或在水溶液中都是电的良导离子晶体在熔融或在水溶液中都是电的良导体，但在固体时，大多不导电体，但在固体时，大多不导电 （2 2）原子晶体）原子晶体 晶格点上占据的质点是原子，原子之间以晶格点上占据的质点是原子，原子之间以共价键结合构成的晶体叫做原子晶体。一般半共价键结合构成的晶体叫做原子晶体。一般半径较小，外层电子数较多的原子组成的单质常径较小，外层电子数较多的原子
41、组成的单质常属原子晶体，主要是第属原子晶体，主要是第IVIV主族元素。此外半径主族元素。此外半径小，性质相似的元素组成的化合物常形成原子小，性质相似的元素组成的化合物常形成原子晶体，晶体，IIIIII、IVIV、V V主族元素所组成的化合物如主族元素所组成的化合物如SiCSiC、B B4 4C C、SiOSiO2 2等都属于原子晶体。等都属于原子晶体。（3 3）分子晶体）分子晶体 凡靠分子间力（有时还有凡靠分子间力（有时还有氢键）结合而成的晶体称为分氢键）结合而成的晶体称为分子晶体。子晶体。大多数共价型的非金属单大多数共价型的非金属单质和化合物如卤素、氧、氢、质和化合物如卤素、氧、氢、卤化氢、
42、氨等在固态时均为分卤化氢、氨等在固态时均为分子晶体。子晶体。（4 4）金属晶体金属晶体 晶格点上排列的粒晶格点上排列的粒子是金属原子或金属离子是金属原子或金属离子，其晶格点间力是金子，其晶格点间力是金属键的晶体叫做金属晶属键的晶体叫做金属晶体。大多数金属元素的体。大多数金属元素的单质和合金都属于金属单质和合金都属于金属晶体。晶体。5.4 5.4 分子间作用力与表面张力分子间作用力与表面张力 1.1.色散力色散力 在前面我们介绍非极性分子时，认为其在前面我们介绍非极性分子时，认为其=0=0，但是由于电子的运动，瞬间电子的位置对，但是由于电子的运动，瞬间电子的位置对原子核是不对称的，也就是说正电荷
43、重心和负原子核是不对称的，也就是说正电荷重心和负电荷重心发生瞬时的不重合，从而有偶极存在，电荷重心发生瞬时的不重合，从而有偶极存在，这种偶极叫做瞬间偶极。当非极性分互靠近时，这种偶极叫做瞬间偶极。当非极性分互靠近时，瞬间偶极之间总是处于异极相吸的状态，这种瞬间偶极之间总是处于异极相吸的状态，这种相互作用叫做色散力。相互作用叫做色散力。（2)2)诱导力诱导力 在极性分子和非极分子之间，由于极性分子在极性分子和非极分子之间，由于极性分子本身的固有偶极所产生的电场对非极性分子发生本身的固有偶极所产生的电场对非极性分子发生影响，使非极性分子的电子云被吸向极性分子偶影响，使非极性分子的电子云被吸向极性分
44、子偶极的正端，结果非极性分子的电子云与原子核发极的正端，结果非极性分子的电子云与原子核发生相对位移，原来重合的正、负电荷中心发生了生相对位移，原来重合的正、负电荷中心发生了分离，从而产生了偶极，这种偶极叫诱导偶极，分离，从而产生了偶极，这种偶极叫诱导偶极，诱导偶极与固有偶极间的作用力叫诱导力。诱导偶极与固有偶极间的作用力叫诱导力。(3)(3)取向力取向力 取向力发生在极性分子和极性分子之间。由取向力发生在极性分子和极性分子之间。由于极性分子中存在固有偶极，当两个极性分子相于极性分子中存在固有偶极，当两个极性分子相互靠近时，偶极将发生相互影响，即同极相斥，互靠近时，偶极将发生相互影响，即同极相斥
45、，异极相吸，使分子发生相对转动，在空间按一定异极相吸，使分子发生相对转动，在空间按一定方向有序排列，这种固有偶极之间的作用力称为方向有序排列，这种固有偶极之间的作用力称为取向力。取向力。2.2.氢键氢键 分子间力对物质在溶剂中的溶解度有一定的分子间力对物质在溶剂中的溶解度有一定的影响。其溶解性遵循影响。其溶解性遵循“相似者相溶相似者相溶”原则，即极原则，即极性溶质易溶于极性溶剂；非极性溶质易溶于非极性溶质易溶于极性溶剂；非极性溶质易溶于非极性溶剂。溶质与溶剂的极性越相近，越易互溶。性溶剂。溶质与溶剂的极性越相近，越易互溶。人们在实验中发现，当氢原子与电负性大的人们在实验中发现，当氢原子与电负性大的原子原子X X形成化合物形成化合物HXHX时，时，H H原子可以吸引另一分子原子可以吸引另一分子中电负性大的原子中电负性大的原子Y Y，生成分子之间的键，生成分子之间的键X-HYX-HY，这种分子间因氢原子而引起的键就叫氢键。这种分子间因氢原子而引起的键就叫氢键。
