Na •
+
• Cl • • ••
••
=
Na+
+
•• – • Cl • • • ••
=
+Cl – Na
22
离子晶体－NaCl
23
共价键理论
1916年，路易斯
(Lewis，美国化学家)
提出了共价学说
若两个原子各有一个未成对电子，且自旋相反，则 电子所在的轨道可以相互重叠形成共价键，若有几 个未成对电子，则能形成几个共价键。形成共价键 后，配对的电子归两核共同所有，称为共用电子对。
14
描述轨道的三个量子数
1．主量子数(n)
n = 1，2，3，4，…，用K，L，M，N，…表示。n 代表了 轨道离原子核的平均距离，同时也是决定轨道能量高低的 重要因素。
2．角量子数(l)
l = 0，1，2，3，……n–1，用s，p，d，f，…表示。角量 子数l表示在主量子数相同时，轨道在能量和形状上的差 异。一个轨道的主量子数和角量子数确定以后，其能量也 随之确定。
原子是由原子核(带正电的质子 和不带电的中子)和绕核运动的 带负电的电子组成的
12
薛定谔方程
1926年，薛定谔
(Shrödinger，奥地利物理学家)
发表了著名的薛定谔方程 ∂ 2ψ ∂ 2ψ ∂ 2ψ 8π 2 m + 2 + 2 = − 2 ( E − V )ψ 2 h ∂x ∂y ∂z
该方程可以用来描述包括电子在内的任何具有波粒二象性的 微观粒子。 薛定谔方程的建立，开创了一个新的物理学领域：量子力学。
物理学
分析力学 电动力学 统计力学 量子力学
13
氢原子轨道
• 将氢原子核外电子的各种参数代入薛定谔方程， 并将直角坐标转换成球面坐标，然后进行求解， 就可得到描述氢原子中电子运动规律的波函数。 • 量子力学把描述电子运动规律的波函数叫做原 子轨道函数，简称原子轨道(Atomic Orbital)。 • 每个原子轨道对应着一定的能级。 • 原子轨道用量子数描述。 • 原子轨道可以用图示法表示，每个轨道有一定 的形状。
35
一些化学键的偶极矩
化学键 H－C H－N H－O H－F H－Cl H－Br H－I 偶极矩(D) 0.4 1.3 1.5 1.7 1.1 0.8 0.4 化学键 C－C C－N C－O C－F C－Cl C－Br C－I 偶极矩(D) 0 0.2 0.7 1.6 1.5 1.4 1.2
二氯甲烷 (2个异构体)
H Cl C H
9
Cl
1874年，范霍夫
(Van’t Hoff，1852-1911，荷兰化学家)
提出了正四面体结构理论 当碳原子分别和4个原子结合时，它的4价是等 同的，并指向以碳原子为中心的正四面体的四 个顶角 范 霍 夫 结 构 理 论
10
立体结构与平面结构的关系
H
沿平面H-C-Cl观察
6
结构式：用来表示化合物分子结构的式子
同分异构和异构体
具有相同分子式C2H6O的两个化合物为：
同分异构现象(Berzelius-isomerism) 分子式相同而结构不同因而是不同化合物的现象 异构体(Isomer) 分子式相同而结构不同的化合物
7
CH3NO2的3个异构体
CH3 N O
+
O
硝基甲烷(Nitromethane)， 沸点为101°C，赛车燃 料。
CH3
O
O
N
O
亚硝酸甲酯(Methyl nitrite)， 沸点为−12°C，吸入后能 引起血管扩张。 氨基甲酸(Carbamic acid)， 合成尿素的中间体，极不 不稳定，不易分离。
8
H2N
C OH
平面结构的缺陷
H H C H
甲烷 (1个异构体)
H
H
H
C H
Cl
氯甲烷 (1个异构体)
H H C Cl Cl
27
共价键的类型和特点
[H]1s1
[F]2s22px12py22pz2
波函数在最大值处重叠：共价键的方向性 一个轨道只能和其它轨道重叠一次：共价键的饱和性
28
共价键的类型和特点
[N]2s22px12py12pz1
一个元素的化合价就是未成对的价电子的数目
29
共价键的键角
F Be
180° 二氟化铍
+ NH4
OCN
加热
CH4N2O
尿素 (Urea)
2
氰酸铵 (Ammonium cyanate)
有机化合物和有机化学
尿素的人工合成，是有机化学发展过程中的一个里 程碑（被认为是现代有机化学的开始），它突破了 有机物和无机物之间的绝对界限，动摇了生命力论 的基础。 1845年，科尔贝（Kolbe，1818-1884，维勒的学生） 由CS2合成了醋酸，生命力论被彻底推翻。 有机物就是含有碳元素的化合物。有机化学就是碳 化合物的化学。
19
几个典型元素的电子构型
原子序数 元素 1 6 7 8 9 10 轨道 H C N O F Ne ↑ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ 电子构型 1s1 1s22s22p2 1s22s22p3 1s22s22p4 1s22s22p5
↑↓ ↑↓ ↑↓
↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ 1s 2s
E(N − H) =
( D1 + D2 + D3 ) 3
= 390.5kJ/mol
31
有机化合物常见共价键的键能
共价键 C－C C＝C C≡C C－H C－N 键能(kJ/mol) 347 611 837 414 305 共价键 C－O C－F C－Cl C－Br C－I 键能(kJ/mol) 360 485 339 285 218
3．磁量子数(m)
m = 0，±1，±2，±3，…±l。 磁量子数决定原子轨道在空间的伸展方向。
15
三个量子数之间的关系
n 1 2 l 0 0 1 0 1 2 0 1 2 3 m 0 0 1, 0, –1 0 1, 0, –1 2, 1, 0, –1, –2 0 1, 0, –1 2, 1, 0, –1, –2 3, 2, 1, 0, –1, –2, –3 轨道表示法 轨道数目 轨道总数目 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 1 1 3 1 3 5 1 3 5 7 1 4 8
化学
无机化学 有机化学 物理化学 分析化学 量子化学
3
分子式为C2H6O的两个化合物 两个化合物具有相同的分子式：C2H6O
结构的提出
4
结构的提出
结构：有机物分子中原子排列的顺序和方式 化学键：分子中的原子相互结合在一起的很强的作用力 化合价：不同元素的原子在相互结合时的能力
常见元素的化合价
元素 H, Cl, Br, F O N 化合价 1 2 3 化合物 H2, HCl, Cl2, Br2 H2O, O2 NH3
µ = q×d
q: 偶极电荷所带的电量 d: 正负电荷的距离 µ: 偶极矩， D(1D=3.336×10-30 C·m =10-18 esu·cm)
The debye unit is named in honor of Peter Debye, a Dutch scientist who did important work in many areas of chemistry and physics and was awarded the Nobel Prize in chemistry in 1936.
24
共价键－氢分子的形成
原子可以通过共用电子形成八隅体结构
H
式)
H
H
(凯库勒式)
键轴－参与成键的原子轨道重叠后两原子核的连线
25
共 价 键 的 键 长
键长－键轴的长度(单位：nm或pm)
26
有机化合物常见化学键键长
共价键 C－H C C C－C C＝C C≡C C－N C≡N 键长(nm) 0.109 0.154 0.134 0.120 0.147 0.116 共价键 C－O C O C＝O C－F C－Cl C－Br C－I 键长(nm) 0.143 0.122 0.141 0.176 0.194 0.214
1
生命力论及尿素的合成
1807年，贝采里乌斯(Berzelius，1779-1848，瑞典)创造了 （coined）“有机化学（Organic chemistry）”术语。 1815年，贝采里乌斯提出了生命力论（Vitalism）－有机 物是由于受生命力(Vital force)的影响生成的，而不能由人 工合成。 1828年，维勒(Wöhler，1800-1882，德国，曾在贝采里乌 斯手下工作过)合成了尿素（1799年发现）—当时公认的 有机物：
↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ 1s22s22p6 2px 2py 2pz
20
原子轨道的意义
原子轨道没有明确的物理意义。 原子轨道的平方(|ψ| 2)，代表了原子核外空间某一点 电子出现的几率密度。 由于电子行踪不定地出现在空间各点，仿佛电子是 分散在原子核周围的空间，因此常形象地将电子在 空间出现的几率称做电子云。电子云常用图形表示。 原子轨道有正负之分。 电子云没有正负之分。
H H C Cl
H
沿平面H-C-H观察
C H Cl H C H Cl Cl Cl
Cl
Cl C H
Cl
两个平面结构是同一立体结构在不同角度的投影
11
原子的组成
1897年：汤姆逊(Tomson，英国物理学家)发现了电子 1919年：卢瑟福(Rutherford，英国物理学家)发现了质子 1932年：查德威克(Chadwick，英国物理学家)发现了中子