第七章物质结构基础（The Basis of Substance Structure）学习要求1．理解原子核外电子运动的特性；了解波函数表达的意义；掌握四个量子数的符号和表示的意义及其取值规律；掌握原子轨道和电子云的角度分布图。

2．掌握核外电子排布原则及方法；掌握常见元素的电子结构式；理解核外电子排布和元素周期系之间的关系；了解有效核电荷、电离能、电子亲合能、电负性、原子半径的概念。

3．理解化学键的本质、离子键与共价键的特征及它们的区别；理解键参数的意义；掌握O2和F2的分子轨道，理解成键轨道、反键轨道、键、键的概念以及杂化轨道、等性杂化、不等性杂化的概念；掌握价层电子对互斥理论。

4．了解金属键理论；理解分子间作用力的特征与性质；理解氢键的形成及对物性的影响；了解常见晶体类型、晶格结点间作用力及物性；了解离子晶体晶格能、离子极化作用对物性的影响。

在物质世界中，种类繁多的物质，其性质各不相同。

物质在不同条件下表现出来的各种性质，不论是物理性质还是化学性质，都与它们的结构有关。

在第二章，我们主要从宏观(大量分子、原子的聚集体)角度讨论了化学变化中质量、能量变化的关系，解释了为什么有的反应能自发进行而有的则不行。

而从微观的角度上看，化学变化的实质是物质的化学组成、结构发生了变化。

在化学变化中，原子核并不发生变化，而只是核外电子运动状态发生了改变。

因此要深入理解化学反应中的能量变化，阐明化学反应的本质，了解物质的结构与性质的关系，预测新物质的合成等，首先必须了解原子结构，特别是原子的电子层结构的知识以及分子结构与晶体结构的有关知识。

本章将简要介绍有关物质结构的基础知识。

核外电子的运动状态原子的组成自然界中的物体，无论是宏观的天体还是微观的分子，无论是有生命的有机体还是无生命的无机体，都是由化学元素组成的。

到上个世纪40年代，人们已发现了自然界存在的全部92种化学元素，加上用粒子加速器人工制造的化学元素，到二十世纪末总数已达111种。

物质由分子组成，分子由原子组成，原子是否还能继续分割电子、X射线、放射性现象的发现，证明了原子是可以进一步分割的。

人们对原子结构的认识，也证明了物质是无限可分的辩证唯物主义观点。

1911年卢瑟福通过粒子的散射实验提出了含核原子模型（称卢瑟福模型）：原子是由带负电荷的电子与带正电荷的原子核组成。

原子是电中性的。

原子核也具有复杂的结构，它由带正电荷的质子和不带电荷的中子组成。

电子、质子、中子等称为基本粒子。

原子很小，基本粒子更小，但是它们都有确定的质量与电荷，如表7-1所示。

表7-1 一些基本粒子的性质基本粒子 符号 m /kg m /u ① Q /C Q /e ②质子 p 1027 + 1019 +1 中子 n 1027 0 0 电子e103110191电子质量相对于中子、质子要小得多，如果忽略不计，原子相对质量的整数部分就等于质子相对质量(取整数)与中子相对质量(取整数)之和，这个数值叫做质量数，用符号A 表示，中子数用符号N 表示，质子数用符号Z 表示，则：质量数(A ) = 质子数(Z ) + 中子数(N )核电荷数由质子数决定：核电荷数 = 质子数 = 核外电子数归纳起来，用符号X AZ 表示一个质量数为A ，质子数为Z 的原子，那么构成原子的粒子间的关系为()()()⎪⎩⎪⎨⎧⎩⎨⎧-----m 10~ m 10~10 m)10X)(~(15141610个核外电子个中子个质子原子核原子Z Z A Z AZ原子、原子核和电子都很小，括号内的数据是它们的直径。

具有一定数目的质子和中子的原子称为核素，即具有一定的原子核的元素。

具有相同质子数的同一类原子总称为元素。

同一元素的不同核素互称同位素。

例如氢元素有H 11(氕)、H 21(氘)、H 31(氚)3种同位素，氘、氚是制造氢弹的材料。

元素铀(U)有U 23492、U 23592、U 23892三种同位素，U 23592是制造原子弹的材料和核反应堆的燃料。

微观粒子(电子)的运动特征与宏观物体相比，分子、原子、电子等物质称为微观粒子。

微观粒子的运动规律有别于宏观物体，有其自身特有的运动特征和规律，即波粒二象性，体现在量子化及统计性。

1． 微观粒子的波粒二象性光的波粒二象性 关于光的本质，是波还是微粒的问题，在1718世纪一直争论不休。

光的干涉、衍射现象表现出光的波动性，而光压、光电效应则表现出光的粒子性，说明光既具有波的性质又具有微粒的性质，称为光的波粒二象性(wave-particle dualism)。

根据爱因斯坦①u 为原子质量单位， u = 1027 kg 。

②e 为元电荷，一个质子所带的电荷。

提出的质能联系定律：E = mc2 (7-1)式中c为光速c=108ms–1。

光子具有运动质量，光子的能量与光波的频率成正比：E = h (7-2)式中比例常数h现在称普朗克常量，h = 1034Js。

结合(7-1)、(7-2)两式及c = (7-3)光的波粒二象性可表示为：mc=E/c= h/cp =h /(7-4)其中p为光子的动量。

德布罗依波1924年法国物理学家德布罗依Broglia)在光的波粒二象性启发下，大胆假设微观离子的波粒二象性是一种具有普遍意义的现象。

它认为不仅光具有波粒二象性，所有微观离子，如电子、原子等实物粒子也具有波粒二象性，并预言高速运动的微观离子（如电子等）其波长为= h/p =h/mv (7-5)式中m是粒子的质量，v是粒子的运动速度，p是粒子的动量。

(7-5)式即为有名的德布罗依关系式，虽然它形式上与(7-4)式爱因斯坦的关系式相同，但必须指出，将波粒二象性的概念从光子应用于微观离子，当时还是一个全新的假设。

这种实物微粒所具有的波称为德布罗依波（也叫物质波）。

三年后，即1927年，德布罗依的大胆假设即为戴维逊(Davisson C J)和盖革(Geiger H)的电子衍射实验所证实。

图7-1是电子衍射实验的示意图，他们发现，当经过电位差加速的电子束入射到镍单晶上，观察散射电子束的强度和散射角的关系，结果得到完全类似于单色光通过小圆孔那样的衍射图像。

从实验所得的衍射图，可以计算电子波的波长，结果表明动量p 与波长之间的关系完全符合德布罗依关系式(7-5)式，说明德布罗依的关系式是正确的。

电子衍射实验表明：一个动量为p能量为E的微观粒子，在运动时表现为一个波长为=h/mv、频率为v = E/h的沿微粒运动方向传播的波(物质波)。

因此，电子等实物粒子也具有波粒二象性。

图7-1 电子衍射实验示意图例7-1 电子的质量为1031kg，当在电位差为1V的电场中运动速度达6105ms1时，其波长为多少解：根据(7-5)式m1021.1s m 106.00kg 1011.9s m kg 10626.6915311234ee -----⨯=⋅⨯⨯⨯⋅⋅⨯=⋅=v m h λ①该电子波长与X 射线的波长相当，能从实验测定。

实验进一步证明，不仅电子，其他如质子、中子、原子等一切微观离子均具有波动性，都符合(7-5)式的关系。

由此可见，波粒二象性是微观离子运动的特征。

因而描述微观粒子的运动不能用经典的牛顿力学，而必须用描述微观世界的量子力学。

2． 量子化氢原子光谱 太阳或白炽灯发出的白光，通过三角棱镜的分光作用，可分出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等波长的光谱，这种光谱叫连续光谱(continuous spectrum)。

而象气体原子（离子）受激发后则产生不同种类的光线，这种光经过三角棱镜分光后，得到分立的、彼此间隔的线状光谱(line spectrum)，或称原子光谱(atomic spectrum)。

相对于连续光谱，原子光谱为不连续光谱(uncontinuous spectrum)。

任何原子被激发后都能产生原子光谱，光谱中每条谱线表征光的相应波长和频率。

不同的原子有各自不同的特征光谱。

氢原子光谱是最简单的原子光谱。

例如氢原子光谱中从红外区到紫外区，呈现多条具有特征频率的谱线。

1913年，瑞典物理学家里德堡仔细测定了氢原子光谱可见光区各谱线的频率，找出了能概括谱线之间普遍关系的公式，里德堡公式：= R ⎪⎭⎫⎝⎛-222111n n (7-6) (7-6)式中n 1、n 2为正整数，且n 2 > n 1，R = 1015s 1，称里德堡常量。

在可见光区②（波长 = 400700nm ）有4条颜色不同的亮线，见图7-2。

当把n 1 = 2 ，n 2 = 3、4、5、6，分别代入(7-6)式，可算出可见光区4条谱线的频率。

如n 2 = 3时，① 1J=1kgm 2s 2②氢原子光谱有紫外区的莱曼(Lyman)系，可见光区的巴尔末(Balmer)系，近红外的帕邢(Paschen)系和远红外的布拉开(Brackett)和普丰德(Pfund)系，按发现者的姓氏命名。

图7-2 氢原子光谱红 绿 蓝 紫H H H H/109m /1015s 1= 1015⎪⎪⎭⎫⎝⎛-223121 s 1 = 1015 s 1 νλc=8191512.99810m s 656 10m = 656nm 0.45710s ---⨯⋅⋅==⨯⨯(H 线) 当n 1 = 1，n 2 1 或n 1 = 3，n 2 3时，可分别求得氢原子在紫外区和红外区的谱线的频率。

量子化 氢原子光谱为何符合里德堡公式显然氢原子光谱与氢原子的电子运动状态之间存在着内在的联系。

1913年丹麦物理学家玻尔在他的原子模型（称玻尔模型）中指出： 氢原子中，电子可处于多种稳定的能量状态(这些状态叫定态)，每一种可能存在的定态，其能量大小必须满足218110179.2n E n -⨯-=J ①(7-7) 式中负号表示核对电子的吸引，n 为任意正整数1，2，3…，n = 1即氢原子处于能量最低的状态(称基态)，其余为激发态。

n 值愈大，表示电子离核愈远，能量就愈高。

n = 时，意即电子不再受原子核产生的势场的吸引，离核而去，这一过程叫电离。

n 值的大小表示氢原子的能级高低。

电子处于定态时的原子并不辐射能量，电子由一种定态(能级)跃迁到另一种定态(能级)，在此过程中以电磁波的形式放出或吸收辐射能(h )，辐射能的频率取决于两定态能级之间的能量之差：E = h (7-8)由高能态跃迁到低能态(E 0)则放出辐射能，反之，则吸收辐射能。

氢原子能级与氢原子光谱之间关系见图7-3。

玻尔还求得氢原子基态时电子离核距离 r = pm ，通常称为玻尔半径，以a o 表示。

由上所述及图7-3可知，原子中电子的能量状态不是任意的，而是有一定条件的，它具有微小而分立的能量单位——量子(quantum)(h )。

也就是说，物质吸收或放出能量就象物质微①玻尔模型中把完全脱离原子核的电子的能量定为零，即E =0J 。