第四章 物质结构简介详解
物质结构概要
物质结构概要
物质结构概要
近代以来的物理学研究发现，物质是由不同层次的微粒构成的，形成了一个阶梯系列。
二三百年前，人们发现物质由分子及原子组成。
到19世纪末，在科学实验基础上，科学家认识到原子由原子核和核外电子构成。
原子很小，直径约亿分之一厘米。
原子核大约是原子的10万分之一，电子则更小，大约是原子的亿分之一。
再进一步，人们发现原子核又是由质子和中子组成的。
到此，曾有人以为找到了构成物质的最小“砖块”。
然而，不久人们就发现了这种认识的局限性。
通过对宇宙射线的观察分析和高能加速器的实验，又发现了比上述微粒更小、更基本的大批新粒子，如介子、中微子、反粒子以及组成质子、中子的夸克等，达到几百种之多。
其中，大部分在自然界中并不存在，而是在高能束流的轰击下才产生出来的。
中子结构示意图。
从中可见到中子内部有三个夸克。
微观粒子之间存在不同的相互作用。
根据这些相互作用力的特点，可把几百种粒子分为强子、轻子和传播子三类。
强子是指参与强相互作用的那些粒子，包括质子。
中子、π介子等。
强子有其内部结构，由夸克组成。
夸克有上、下、奇、粲、底、顶6类，每类有3种，共18种。
2019年，科学家用高能物理实验证实了顶夸克存在的预言，这是近年来关于物质结构研究的一项重大进展。
轻子与强作用无关，只参与弱力、电磁力和引力相互作用，如
取得了“精确测量τ轻子质量”这一高水平理论研究成果，而且，在对撞机的研制过程中，还带动了一大批高技术的发展。
化学知识点总结物质结构
化学知识点总结物质结构一、物质结构的概念物质结构是指构成物质的基本单位以及它们之间的排列方式。
物质结构的研究是化学领域的重要内容，它对于解决物质的性质和变化规律有着重要的意义。
根据物质的构成和排列方式的不同，可以将物质结构划分为原子结构、分子结构和晶体结构等几个方面。
二、原子结构1. 原子的组成原子是物质的基本单位，由质子、中子和电子组成。
质子和中子构成了原子的核，而电子则绕核轨道运动。
2. 原子的排列方式原子的排列方式决定了物质的性质，不同元素的原子排列方式也是不同的。
例如，金属元素的原子一般是紧密排列的，而非金属元素的原子一般是松散排列的。
3. 原子结构的研究方法X射线衍射、高分辨透射电子显微镜等是研究原子结构的常用方法，通过这些方法可以观察到原子的排列方式和结构特征。
三、分子结构1. 分子的组成分子是由两个或者多个原子通过共价键连接而成的物质单位。
分子的组成决定了物质的种类和性质。
2. 分子的排列方式分子的排列方式会影响物质的性质，例如固体、液体和气体等状态的物质，分子的排列方式不同，性质也会有所区别。
3. 分子结构的研究方法红外光谱、核磁共振等是研究分子结构的常用方法，通过这些方法可以了解到分子的组成和排列方式。
四、晶体结构1. 晶体的组成晶体是由高度有序排列的原子、分子或者离子构成的固体物质。
晶体的组成决定了晶体的性质和外观。
2. 晶体的排列方式晶体的排列方式有规则的、有序的排列，而无晶体则是无规则的排列。
晶体的排列方式对其性质有着重要的影响。
3. 晶体结构的研究方法X射线衍射、电子显微镜等是研究晶体结构的常用方法，通过这些方法可以观察到晶体的结构和特征。
五、物质结构的应用1. 新材料的研发对物质结构的深入研究可以为新材料的研发提供重要的参考。
例如，了解材料的原子、分子或者晶体结构可以为新材料的设计和合成提供理论依据。
2. 化学反应的控制了解物质的结构可以为化学反应的控制提供帮助，可以通过调节物质的结构来控制化学反应的进行方向和速率。
第四章原子结构简介
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【例如】n＝3， l＝0，1，2 l 可以有三个取值。也就是说，第三电子层有
三个亚层，分别是：3s、3p、3d。 同一层中（n相同），l 越大，则轨道的能量越高。
E3s E3p E3d
另外，l 不同的原子轨道，形状不一样。
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角量子数与电子亚层、轨道形状的对应关系
角量子数 亚层符号 轨道形状
鲍林原子轨道能级图★
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30
E4s E4p E4d E4f
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从鲍林近似能级图可以看出，各轨道能级次序如下：
1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s<4f< 5d<6p<7s<5f<6d<7p
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能量相同的轨道称为简并轨道（或等价轨道）， 如：3px、3py、3pz 互相称为等价轨道。
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l＝2，m＝-2，-1，0，+1，+2 五个取值，说明d 轨道在空间有5个不同取向 的原子轨道：
dz2 、dxy 、dxz 、dx2 y2 、d yz
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根据n、l、m三个量子数的取值范围，可以 确定每个电子层中原子轨道的数目。
理奖 量子概念是1900年普朗克首先提出的，到今天已经一百多年 了。期间，经过玻尔、德布罗意、玻恩、海森柏、薛定谔、 狄拉克、爱因斯坦等许多物理大师的创新努力，到20世纪30 年代,初步建立了一套完整的量子力学理论
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§4-1 氢原子光谱和玻尔理论
无机与分析化学 第四章 物质结构简介
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 13 .6 核较近、能量最低的轨道上运动，这时原子处于基态。 n En = （ev） rn = a0﹒n2
【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 R ( 1 1 ), ( n 3, 4, 5,...)
22 n2
式中R为里德堡常数。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。
r
d d 4 r dr
2 2 2
r
4 r 2
只考虑径向部分，则 d 4 r R dr 2 2 D(r ) 4 r R 令 D(r):径向分布函数，表示电子在离核为r的单位厚度（d r = 1）球 形薄壳中出现的概率。 作D(r)－ r图（p.99 图4－10，图4－11），即为电子云（几率）径 向分布图。
物质结构简介ppt课件
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第四章 物质结构简介
共价单键一般是 键， 共价双键是一个 键、一个 键， 共价三键是一个 键、两个 键。
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第四章 物质结构简介
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第四章 物质结构简介
价键理论简明的阐述了共价键的本质和具有 方向性、饱和性等特点。
价键理论的缺陷：不能解释CH4等的形成及分 子空间构型。
为了解释多原子分子的空间构型，鲍林于 1931年在价键理论的基础上，提出了杂化轨道理 论，补充和发展了价键理论。
价键结合； 电负性相等或相近的金属元素以金属
键结合。
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第四章 物质结构简介
化学键 分子内部结构
离子键 共价键 金属键
分子的性质
物质的性质
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第四章 物质结构简介
二、离子键 1. 离子键的形成 nNa－ne- →n Na+ nCl + ne- →n Cl-
nNaCl
电负性大的非金属原子与电负性小的金属 原子相遇时，原子得失电子形成正、负离子， 通过静电引力而形成的化学键，叫离子键。
1926年， 奥地利物理学家薛定谔提出了描述 微观粒子运动的波动方程，即薛定谔方程，从而 建立了近代量子力学。
基本假设: 任何微观粒子系统的运动状态都可以用一个
波函数来描述，微观粒子在空间某点出现的概 率密度可用2表示。
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第四章 物质结构简介
薛定谔方程：
2 2 2 8 2 m (E V ) 0
概率密度用电子云表示。
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第四章 物质结构简介
2．电子云
1s电子云
2s电子云
2p电子云
小黑点稠密的区域表示电子出现在该 区域的概率密度大。
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第四章 物质结构简介
物质的结构和性质知识点总结
物质的结构和性质知识点总结物质的结构和性质是化学学科中的重要内容，对于理解化学反应、物质的特性以及各种现象都有着关键的作用。
以下将对这方面的知识点进行详细的总结。
一、原子结构1、原子的组成原子由原子核和核外电子组成。
原子核又由质子和中子构成。
质子带正电荷，中子不带电，电子带负电荷。
原子中质子数等于电子数，因此原子整体呈电中性。
2、质子数和原子序数质子数决定了元素的种类，也称为原子序数。
不同元素的原子具有不同的质子数。
3、质量数质量数等于质子数与中子数之和。
通过质量数和质子数可以计算出中子数。
4、核外电子的排布核外电子按照一定的规律分层排布。
遵循能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则。
第一层最多容纳 2 个电子，第二层最多容纳 8 个电子，依次类推。
二、元素周期表1、周期周期是指具有相同电子层数的元素按照原子序数递增的顺序排列的横行。
周期数等于电子层数。
2、族族是指具有相似化学性质的元素按照纵行排列。
主族元素的族序数等于最外层电子数。
3、元素周期表的分区根据元素的电子构型和性质，周期表可以分为 s 区、p 区、d 区和 f 区。
4、元素周期律随着原子序数的递增，元素的性质呈现周期性的变化，包括原子半径、化合价、金属性和非金属性等。
三、化学键1、离子键离子键是由阴阳离子之间通过静电作用形成的化学键。
通常在活泼金属与活泼非金属之间形成。
2、共价键共价键是原子之间通过共用电子对形成的化学键。
分为极性共价键和非极性共价键。
3、金属键金属键存在于金属晶体中，是由金属阳离子和自由电子之间的强烈相互作用形成。
四、分子结构1、共价键的参数包括键长、键能和键角。
键长越短，键能越大，化学键越稳定。
键角决定了分子的空间构型。
2、分子的极性分子的极性取决于分子的空间构型和键的极性。
如果分子的正电荷中心和负电荷中心重合，则为非极性分子，否则为极性分子。
3、杂化轨道理论用于解释分子的空间构型。
常见的杂化类型有 sp、sp²、sp³等。
物质结构的概念初中物理
物质结构的概念初中物理物质结构是指物质构成的基本单位和它们之间的排列方式。
在初中物理中，我们主要学习了物质的三种状态：固体、液体和气体。
物质结构对于物质的性质、行为以及与其他物质的相互作用都具有重要影响。
首先，我们来了解一下固体的物质结构。
固体是由密集排列的分子、原子或离子组成的物质。
在固体中，分子、原子或离子之间存在着强烈的相互作用力，使得它们呈紧密有序的排列状态。
这种排列使得固体拥有一定的形状和体积，并且具有固定的熔点和沸点。
一般来说，固体的分子、原子或离子间距离较短，分子、原子或离子的振动范围也较小。
液体的物质结构与固体有所不同。
液体是由分子或原子组成的物质，分子或原子之间的相互作用力比较弱，但仍存在。
液体的分子或原子之间距离较固体大，而且分子或原子之间的位置是不断变化的。
这种无规则、无序的运动使得液体没有固定的形状，但有一定的体积。
液体的熔点和沸点通常比固体低，而且液体可以通过改变温度或压力来改变体积。
最后，我们来讨论气体的物质结构。
气体是由分子组成的物质，分子之间的相互作用力非常弱，几乎可以忽略不计。
气体的分子之间距离较大，它们在空间中自由运动，并且具有高度的无序性。
这种无序的运动使得气体没有固定的形状和体积，可以充满容器的所有空间。
气体的熔点和沸点通常较低，且易受温度和压力的影响。
除了以上三种状态的物质结构外，我们还需要了解一些其他的物质结构，比如离子晶体和分子晶体等。
离子晶体是由正负离子通过离子键结合而成，具有固定的几何结构和高熔点。
分子晶体是由分子通过弱的分子间相互作用力结合而成，具有相对较低的熔点。
总之，物质结构是指物质构成的基本单位和它们之间的排列方式。
不同的物质结构决定了物质的性质、行为以及与其他物质的相互作用。
通过对物质结构的研究，我们可以更好地理解物质的本质和特性，并且可以应用这些知识来解决实际问题。
在初中物理学习中，我们通常通过实验、观察和推理等方式来了解物质结构的概念和特点，从而进一步学习和探索更深层次的物质结构原理。
物质结构知识点精讲
物质结构知识点精讲在我们生活的这个世界中，物质无处不在。
从我们呼吸的空气，到脚下坚实的大地，从璀璨的宝石到日常使用的各种材料，无一不是由物质构成。
而要深入理解这些物质的性质和行为，就需要探究它们的结构。
物质结构是化学学科中的一个重要领域，它为我们揭示了物质世界的奥秘。
首先，让我们来谈谈原子结构。
原子是构成物质的基本单位，就像乐高积木中的最小块，可以组合成各种各样的东西。
原子由原子核和核外电子组成。
原子核位于原子的中心，包含质子和中子。
质子带正电荷，中子不带电。
而核外电子则围绕着原子核高速运动，它们带负电荷。
质子的数量决定了原子的种类，我们称之为原子序数。
比如，氢原子有 1 个质子，氧原子有 8 个质子。
电子的数量和质子相等时，原子呈电中性。
但在某些情况下，原子会失去或得到电子，从而形成带电荷的离子。
电子在原子核外不是随意分布的，而是按照一定的规律分层排布。
这就好像是一栋多层的大楼，每一层能容纳的人数是有限的。
第一层最多容纳 2 个电子，第二层最多容纳 8 个，第三层最多 18 个，依次类推。
这种分层排布决定了原子的化学性质。
接下来，我们说一说化学键。
当原子们相互结合形成分子或化合物时，它们之间会通过化学键相连。
化学键主要有三种类型：离子键、共价键和金属键。
离子键通常在金属元素和非金属元素之间形成。
比如氯化钠（NaCl），钠原子容易失去一个电子变成带正电的钠离子，氯原子容易得到一个电子变成带负电的氯离子。
钠离子和氯离子通过静电作用相互吸引，形成离子键。
共价键则是由原子之间共用电子对形成的。
比如氢气（H₂），两个氢原子都需要 1 个电子才能达到稳定结构，它们就共用一对电子，形成共价键。
共价键又分为极性共价键和非极性共价键。
在极性共价键中，电子对会偏向电负性较大的原子；而在非极性共价键中，电子对在两个原子间均匀分布。
金属键存在于金属单质中。
金属原子的外层电子可以在整个金属晶体中自由移动，形成所谓的“电子气”，将金属原子紧密地结合在一起。
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➢ 保里 (Pauli)不相容原理
每个原子轨道最多只能容纳两个电子，且自旋方向必须相反。
➢ 能量最低原理 在不违背保里不相容原理的前提下，电子总是尽可能占据能量
最低的原子轨道，然后才依次进入能量较高的原子轨道。
➢ 洪特 (Hund)规则 ①电子在同一亚层的等价轨道上排布时，总是尽可能分占不同的 轨道，并且自旋方向相同。 ②等价轨道全满 (p6 , d10, f14 )、 半充满 (p3, d5, f7)和全空(p0, d0, f0 )，能量最低，原子结构稳定。
多 电 子 原 子 中 轨 道 填 充 顺 序
1、例：写出下列元素的电子排布式：
42 Mo :1s2 2s2 2p63s23p63d104s2 4p6 4d55s1
Kr4d55
1
s
2 4Cr :1 s2 2 s2 2 p63 s23 p63 d5 4 s1
Ar 3
d5
4
1
s
29Cu :1s2 2s2 2p63s23p63d10 4s1
<4>自旋量子数(ms)
自旋量子数不是由氢原子波动方程解出， 而是根据氢原子光谱的精细 结构实验而引入的。因为电子在简并轨道中运动时，如果在磁场的作用 下，也会发生能量的微小变化，致使线状光谱在磁砀中发生分裂
取物值理范意围义：：+表—示—12，电-子—在—原21 子通示轨常道用中符运号动“的↑空”间或自“旋↓方”向表。
d
2)在多电子原子中l和主量子数一起决定电子
轨
的能级。 s＜p＜d＜f＜g…
道
的
两
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
如： 当n=2,l=0 的状态就为2s电子；
种
处在n=2,l=1 的状态为2p电子。
形
状
<3>磁量子数(m)
取值范围：m = 0, ±1, ±2 ……±l
物理意义：表示电子轨道在空间的伸展方向
磁量子数m 取值受角量子数的限制。 m = （2l+1 ）或者0, ±1, ±2, ±3…,…l。
m 自旋运动 ms
3…… f……
2s 3pz 3dz2
与一套量子数相对应（自然也有1个能量Ei)
练习
1、写出与轨道量子数 n = 4, l = 2, m = 0 的原子轨道名称。
2、下面那些量子数不合理的？
I. n=2, l=1, m=-1； III. n=2, l=2, m=-1； V. n=2, l=0, m=-1；
➢ 电子云分布图： －－－综合了角度部分和径向部分
ns电子云空 间分布图
氢原子基态Bohr半径处
52.9 pm
氢原子的几种 径向分布图：
❖ 峰表示几率出现大的半径位置 ❖ 峰的个数：n - l ❖ n越大，离核越远；n 相同，平
均距离相近
ns电子云空 间分布图
np电子云空 间分布图
二、核外电子排布
<2>角量子数(l)
取值范围：l＝0,1,2,3,...（n-1）
s 轨道 球形
物理意义：表示电子轨道的形状和在多电子原子中
和主量子数一起决定电子的能量。它的取值受n的限
制。
常用符号： s， p， d, f
l : 0, 1, 2, 3…(n-1)
p 轨道 哑铃形
1)l 对应的能级表示亚层，决定原子轨道形状
例： 7N的核外电子排布式为：1s22s22p3
2s
N:
1s
2p
洪特规则是一个经验规则，后经量子力学证明，电子按洪 特规则排布可以使体系的能量最低。
作为洪特规则的特例，等价轨道在全充满(p6，d10，f14)、 半充满(p3，d5，f7) 、全空(p0，d0，f0)状态下比较稳定。
原子核外电子的排布方法示意图
Schrodinger E
物理意义：描述电子运动的范围，即通常所说的电子层，决定 电子能量的高低。
常用符号：K, L, M, N, O, P, Q
n： 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
1）主量子数确定电子运动的能量。 n值越大电子所具有的能量 越大。
2）电子出现概率最大的离核的平均距离 。
3）代表电子层或能层。在一个原子内，具有相同量子数的电子，几乎在同样 的空间范围运动，故称为主量子数。n相同的电子为一个电子层。
Ar 3
d10
1） m 决定原子轨道在空间的取向。轨道轨道数目。 2）磁量子数与电子能量无关。
当l=0时: m=0,即只有一种运动状态，s轨道一种。
▪ 当l = 1时:
m= 0, 1 -1, 即有三种运动状态，p轨道三种。
▪ 当l=2时， m =-2,-1,0,1,2, 即有五种运动状态, d轨道五种。
当指明了电子运动的三个量子数n,l,m,电子运动的轨道也就确定了，
所以说，波函数n,l,m和原子轨道是同义词
例1 当n＝2，l=0时，m的取值只能是m=0，写出其所表示的 原子轨道
2,0,•0 称S轨道
符号：2s
S轨道的形状呈球形对称
例2 当n＝1，l=1时，m的取值可以是-1、0、+1，表示有三个 简并(能量相同的)•原子轨道:
2,1,•0 ； 2,1,•-1 ；2,1,•1。称为P轨道 符号为：2Px，2Py，2Pz ，P轨道的形状呈8字形对称
第四章 物质结构简介
一、四个量子数 二、核外电子的排布
1、核外电子排布 2、原子核外电子构型与周期表 三、元素周期律 1、元素周期表的划分 2、原子半径、电离能、电负性的周期变化 四、化学键理论与杂化轨道 1、离子键 2、共价键
五、分子间的作用力
一、四个量子数
<1>主量子数(n)
取值范围：n＝1,2,3,… （只能是正整数）
在一个原子中，不可能存在四个量子数完全相同的电子，因此电 子的运动状态可以用四个量子数来描述(n,l,m,ms)
n, l, m 一定, 轨道也确定
0 轨道 s 例如: n =2,
n =3, n =3,
核外电子运动
1
2
p
d
l =0, m =0,
l =1, m =0,
l =2, m =0,
n 轨道运动 l
II. n=3, l=0, m=0； IV. n=2, l=1, m=0； VI. n=2, l=3, m=2.
3、某原子中有5个电子，分别具有如下所列的量子数，其
中对应于能量最高的电子的量子数是 A. n=2,l=1,m=1.m2=-1/2 B. n=2,l=1,m=0,ms=-1/2 C. n=3,l=1,m=1,ms=1/2 D. n=3,l=2,m=-2,ms=-1/2 4、请写出Cl原子的最外层电子的量子数。