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第9章 晶体化学基础 主要内容 原子结构和周期表 原子和离子半径 密堆积原理 配位数和配位多面体 化学键和晶格类型 原子结构 原子是由运动着的粒子组成的复杂的微观体系 它由带正电的原子核和绕核运动的带负电的电子(e)组成 原子核＝质子(p) ＋中子(n) 粒子 符号 质量(克) 电荷量(静电单位) 质子 p 1.673×10-24 + 4.803×10-10 中子 n 1.675×10-24 0 电子 e 9.109×10-28 - 4.803×10-10 Bohr (1913) 原子模型 根据Bohr模型和牛顿运动学定律, 电子总能量为: Bohr (1913) 原子模型 实物粒子运动所表现粒子性与波动性? 电子的粒子性与波动性 以一定速度运动的电子，不服从牛顿力学 利用量子力学－薛定谔(Schroedinger)方程描述波动性 电子运动的波动性 量子力学的假设运动的电子可用一个坐标函数Ψ(x,y,z), 即波函数来描述。此波函数没有明显的物理意义, 但波函数的平方|Ψ(x,y,z,t)|2则表示在某坐标处单位体积内找到粒子的几率, 即电子在空间分布的几率密度与之成正比 运动的电子，其波函数服从Schroedinger方程 x, y, z为坐标, m为电子质量, E为体系的总能量, V为电子的势能 量子数和轨道 主量子数 n (= 1, 2, 3, …) 决定体系能量，也表示电子运动时所占据的有效体积。通常用大写字母K、L、M、N等主层符号来表示其轨道 角量子数 l (= 0, 1, 2…, (n-1)) 决定体系的角动量和电子云形状，同时也标志着轨道的分层数(亚层轨道)，一般用小写字母s、p、d、f等来表示 磁量子数 m (= 0, ? l, ? 2, ? 3, ..., ? l) 决定电子云的方向和轨道角动量在磁场方向的分量 自旋量子数 s (= ? 1/2) 它主量子数 n (= 1, 2, 3, …) 标志着电子的自旋方向相反的运动状态 原子能级 原子能级 能级主要取决于主量子数n 如果主量子数相同, 则轨道能级决定于角量子数l 当n = 3以后，由于屏蔽效应，使得能量次序有颠倒的现象 核外电子在各个轨道排布遵循的规则 能量最低原理 保利(Pouli)不相容原理 洪德(Hund)规则 原子能级 主层 电子数 亚层 最内层 K (n = 1) 2e s L (n = 2) 8e s, p M (n = 3) 18e s, p, d 外 层 N (n = 4) 32e s, p, d, f (generally higher E) 原子能级 量子化的能级 原子的电子构型 原子轨道轮廓 s 轨道电子云 （1s, 2s and 3s orbitals） p 轨道电子云 2 p orbitals d 轨道电子云（d orbitals） The Periodic Table Elements are classified as: 碱金属、碱土金属、过渡金属、稀土、非金属、卤素、惰性气体 Metals: lose e- and ? cations Nonmetals: gain e- and ? anions Metalloids intermediate (B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po..) Elements are classified as: 按纵行分为9个族: 除零族(惰性气体)和VIII族外，I至VII族又分主(A)和副(B)族 最外层电子数: IA为1(ns1); VIIA为7(ns2 np5); IB(铜族)和IIB(锌族) 最外层电子数分别为1和2; IIIB至VIIB的族号等于最外层s电子数加上次外层d电子数; VIII族和零族另当别论。 化学键 键 bond 原子(离子、分子)之间的维系力，称为键 维系力是化学结合力，则为化学键 典型的化学键 离子键 共价键 金属键 分子键 化学键 正负离子之间的静电相互作用力 无方向性: 离子视为球体、密堆积、对称高 无饱和性: 不良电导体 键强大(~800 kJ/mol): 高熔点、高硬度 一般电负性差 2, 较大 用静电理论解释 化学键 化学键 键能：气态原子A、B生成气态分子AB所释放的能量 A + B ? AB 单位：kJ/mol (+值为释放的能量) 典型的共价键及其键能、键长 共价键 H－H O＝O Cl－Cl C－C C＝C C＝C 键能 432 400 240