2023-2024学年高二下学期化学人教版（2019）选择性必修2 学科理解下的物质结构教学 课件

杭州第二中学 学科理解下的 物质结构教学 学 科 理 解 课堂呈现 01 关于对称性 对称性为梁 应用性为柱 可视化为阶 结构化为基 对称 均匀 熵大 洪特规则 基态原子中，填入简并轨道的电子总是先单独分占，且自旋平行 N原子： 2s22p3 当p轨道电子分占3个简并轨道时： 当p轨道电子分占2个简并轨道时: 原子轨道 1个对称中心、9个镜面、3个C4轴、4个C3轴 1个对称中心、3个镜面、3个C2轴 全满、半满、全空就是原子轨道对称性最好的状态 Cu 3d94s2 3d104s1 2个 11个 对称分布电子数 原子轨道 Mn2+：3d5 分子结构 BeCl2 BF3 VSEPR 直线形 正三角形 1个对称中心、n个镜面、1个Cn轴、n个C2轴 折线形 2个镜面、1个C2轴 三角锥型 3个镜面、1个C3轴 4个镜面、1个C3轴 CH4 正四面体 正方形 6个镜面、4个C3轴、 3个C2轴 5个镜面、1个C4轴 晶体结构 晶胞：构成晶体的基本单元 晶胞无隙并置形成晶体 五种无隙并置多面体 为什么选择平行六面体作为习得晶胞？ 立方体的对称性 (4)9个镜面 晶体结构 NaCl晶胞 为什么不选用绿色的部分作为晶胞？ 晶体结构 关于原子轨道 02 1887年，赫兹发现光电效应——光有粒子性 1900年，普朗克提出著名的普朗克方程：E = hv，提出了能量量子化概念 1905年，爱因斯坦成功地将能量量子化概念扩展到光，解释了光电效应 1913年，玻尔根据普朗克量子论和爱因斯坦光子说基础上提出了原子结构理论 1924年，德布罗依提出了物质波，推测电子具有波动性 1926年，薛定谔提出著名的薛定谔方程 1927年，海森堡提出测不准原理，彻底否定玻尔关于氢原子的线性轨道的部分 1927年，戴维森和伽玛用 Ni 晶体进行电子衍射实验，证实电子也具有波动性 大量理论及实践证明，具有波粒二象性的电子，无法确定某一具体时刻的运动状态，但是其运动具有统计学规律。 电子的运动状态由薛定谔方程求解所得的波函数ψ描述， |ψ|2则是电子在核外空间出现的概率密度。 基于概率密度分布，得到了目前的s、p、d、f等轨道的具象化呈现。 3d ？ 4s 问题1： 波之间会形成相互干涉，意味着填充了电子的轨道和轨道之间有相互影响。 在氢原子的单电子里，3d＜4s 在多电子原子中，波之间的相互影响非常复杂。 1930+鲍林 根据光谱测定的结果，得出相应元素的电子填充的具体轨道。 再根据各元素的电子填充的具体轨道，统计归纳后得到了如下能级组。 构造原理到底怎么来的？ 在算力不够的年代 1962年科顿——在鲍林、赫茨伯格、考兹曼研究的基础上进一步完善能级组 ◆各种同名轨道的能量随原子序数增大而下降。 ◆从Sc 开始, 第4周期元素的 3d轨道能级低于4s。这说明, 不但是Mn原子,其余 3d 过渡金属被氧化时,4s 轨道都先于3d 轨道失去电子。 同名原子轨道的能量是否一样？ 问题2： 吴国庆： 无论是基态电中性原子还是正离子的电子组态, 仍然可以归结为能量最低原理 原子的能量取决于两个因素：原子核对电子的吸引力和电子之间的排斥力。这是两个相反的因素,经常是其中一个居主导地位，另一个居次要地位。当原子核对电子的吸引力居主导地位时,电子填入主量子数较低的轨道会使整个原子的能量较低；当斥力占主导的时候，则填入主量子数较高的轨道。 Ca Ti2+ 特征排布 4s2 3d2 核电荷 20 22 主导 电子排斥 核引力 Sc3+ Sc2+ Sc+ Sc 3d04s0 3d1 3d14s1 3d14s2 1960+徐光宪 中性原子轨道的能量E= n+0.7l 阳离子原子轨道能量E= n+0.4l 核外电子的运动状态，由能层、能级、电子云的空间伸展方向、电子的自旋状态决定。而能层(电子层)和能级(电子亚层)分别用量子数n和l来表示。 (1) 主量子数n（能层） (2)角量子数l(能级） 能层 K L M N …… n 1 2 3 4 …… 能级 s p d f …… l 0 1 2 3 …… 能级 原子 离子 3d 3+0.7*2=4.4 3+0.4*2=3.8 4s 4+0.7*0=4 4+0.4*0=4 当然，简单化的规律目前还无法回答所有问题 如：V（3d34s2） 失去1个电子 3d4，而非3d34s1 近年来,量子化学家已经能够无须任何经验参数的定量计算(从头算)来确定每增加一个电子引起整个原子能量的变化。 1924年双线——在高能级的“正旋”电子，跃迁至同一低能级时，产生双线，说明在低能级的电子有2种状态（自旋相反） 光谱与自旋 问题3： 跃迁——可能在同一位置 Na的吸收光谱 自旋量子数 ms (spin quantum number) ◆ 描述电子绕自轴旋转的状态 ◆ 自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为 ◆ ms 取值+1/2和-1/2，分别用↑和↓表示 磁场 屏幕 窄缝 银原子流 炉 1925年乌伦贝尔和歌德西密特根据实验得出自旋角动量沿外磁场分量 关于共价键 03 SO42-中S和O是单键还是双键 问题4： 氧p轨道上的孤电子对可以进入硫的d轨道中，形成d-p π键。 中心原子的3d是空置的，而端基原子（一般是氧原子或者氟原子等电负性很大的原子）则有填满的p轨道，电子就会被强行推入空轨道，和成键时第三周期元素给出电子形成共价键的方向相反，故也称之为反馈π键 四个氧原子是否有区别呢？ SO42-共振式 不仅是硫酸根，其他的如CO32-、NO3-、BF3、PO43-等分子、离子均有共振式。 问题5： 大π键 C6H6 π66 由三个或三个以上的原子形成的π键 (1)所有参与离城π键的原子都必须在同一平面内，sp或sp2杂化; (2)所有参与离域键的原子都必须提供1或2个相互平行的p轨道; (3)根据泡利不相容原理，参与离城π键的P轨道上的电子数必须小于2倍的P轨道数。 按电子的排斥力，那么氧原子之间应该形成三键，其中两个π23 键 但这违背泡利不相容原理——即一个轨道中只能容纳2个自旋相反的电子。 1916年，路易斯提出了共价键的共用电子对理论，并给出了路易斯结构式 1930年，鲍林提出杂化轨道理论 1932年，洪特将共价键分为σ键、π键、δ键三种 1932年，马利肯提出分子轨道理论 穆利肯、洪特、休克尔修正了分子轨道理论，促进价键理论向定 量化、广义化、通用性方向发展 1940年，亨利·希吉维克和托马斯·坡维尔提出价层电子对互斥理论 1950年，克莱蒙斯·罗瑟恩在哈里特方程的基础上进一步提出将方程中的分 子轨道用组成分子的原子轨道线性展开，得到了RHF方程 1951年，福井谦一提出前线轨道理论 1965年，伍德沃德与霍夫曼参照福井谦一的前线轨道理论，提出了分子轨道对称守恒原理。 分子轨道 经过量子力学计算的分子轨道理论显然是比传统价键理论更精确的方法，其理论要点有 1、分子中的电子不属于某个原子轨道，而属于整个分子；  2、分子轨道由原子轨道线性组合而成，分子轨道数目等于组成分子轨道的原子轨道数目，其中些轨道能量降低，成为“成键轨道”另一些能量升高，成为“反键轨道”，还有一些能量不变，称“非键轨道”  3、原子轨道在线性组合时，遵守“对称性匹配原则”、“能量相近原则”、“最大重叠原则”； 4、电子在分子轨道中排布时，遵守“能量最低原理”、“泡利不相容原理”、洪特规则”； 目前，随着计算能力的发展， 在量子力学基础上通过计算所得的分子轨道理论已经可以实现解释、预测。 谢谢大家聆听！ www.aliyun.com - Media Transcoding www.aliyun.com - Media Transcoding $$