普通高中教科书·化学选择性必修2 物质结构与性质.pdf

主编：麻生明 陈 寅本册主编：王韻华编写人员：（以姓氏笔画为序）王程杰 朱万森 刘瑞婷 李锋云陆晨刚 陈雪莹责任编辑：胡恺岩美术设计：诸梦婷普通高中教科书化学选择性必修 2物质结构与性质上海市中小学（幼儿园）课程改革委员会组织编写出 版 上海世纪出版（集团）有限公司上海科学技术出版社（上海市钦州南路 71 号邮政编码 200235）发 行上海新华书店印 刷当纳利（上海）信息技术有限公司版 次2021 年 3 月第 1 版印 次2021 年 3 月第 1 次开 本890 毫米 1240 毫米1/16印 张6.5字 数144 千字书 号ISBN 9787547853009/G1038定 价8.40 元版权所有未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分违者必究如发现印装质量问题或对内容有意见建议，请与本社联系。电话：02164848025，邮箱：全国物价举报电话：12315 声明按照中华人民共和国著作权法第二十三条有关规定，我们已尽量寻找原作者支付报酬。原作者如有关于支付报酬事宜可及时与出版社联系。1.1 氢原子结构模型 31.2 多电子原子核外电子的排布 121.3 元素周期律 17本章复习 262.1共价分子的空间结构 312.2分子结构与物质的性质 452.3配位化合物和超分子 56本章复习 653.1金属晶体 713.2离子晶体 803.3共价晶体和分子晶体 85本章复习 94目 录第 1 章原子结构与性质1第 2 章分子结构与性质 29第 3 章晶体结构与性质 69 化学词汇中英文对照表 98学生必做实验索引 98元素周期表 99附录 981第1章1 科学家们锲而不舍地努力，揭示了原子结构的奥秘，知道了原子核外电子的排布决定元素在周期表中的位置。原子结构与性质第 7 章氢原子结构模型多电子原子核外电子的排布元素周期律1.11.21.32原子（atom）”一词是从希腊语转化而来，原意为不可切分的。直到 20 世纪初，科学家们才发现原子其实具有复杂的内部结构。原子由原子核和绕核运动的电子构成，原子核由带正电的质子和电中性的中子构成。原子的质子数决定了该原子属于哪一种元素，而中子数则决定了该原子是此元素的哪一种核素。这一章将介绍原子核外电子的运动规律、电子的运动与宏观物体运动的区别，以及科学家是怎样描述原子核外电子运动状态的。通过学习，我们将更深入地了解原子核外电子的运动特点，认识原子核外电子的排布与元素性质之间的关系，并从本质上理解元素的原子半径、电离能、电负性等基本性质的周期性变化规律。“氢原子结构模型31.1身边的有机化合物第 7 章1.1氢原子结构模型科学家是通过研究原子光谱来了解原子核外电子运动状态的。光谱就是通过棱镜或光栅的分光作用，将一束复色光分解成各种波长的单色光，按照波长或频率大小顺序排列起来形成的图案。得到的图案如果是一条连续的亮带，就是连续光谱图 1.1（a）；得到的图案如果是不连续的亮线，就是线光谱。各元素原子的线光谱就叫做原子光谱图 1.1（b）（c）。氢原子光谱和玻尔原子结构模型原子是肉眼和一般仪器都看不到的微粒，科学家们是根据可观察、可测量的宏观实验事实，经过分析和推理，建立原子结构的模型。如果出现新的实验事实无法得到解释，那么原来提出的原子结构模型就会被修正，甚至被推翻。从道尔顿原子论到原子结构的葡萄干面包模型，再进一步发展为原子结构的有核模型，科学家们对原子结构模型的探索，经历了一个不断深化和逐渐完善的过程。那么，原子中的电子在核外又是如何运动的呢？科学家从最简单的、只有一个电子的氢原子着手，来研究原子核外电子的运动规律。了解有关原子核外电子运动模型的历史发展过程 知道电子运动的能量状态具有量子化的特征 知道电子的运动状态可通过原子轨道和电子云模型来描述 知道原子光谱分析学 习 聚 焦知 识 回 放 卢瑟福的 粒子散射实验 原子结构有核模型 原子核外电子排布原子光谱是由原子中电子运动状态发生变化时释放或吸收的能量形成的，与原子中电子的能量状态有最直接的关系。例如，氢原子光谱在可见光区有 4 条明亮的谱线，它们的波长分别为：410.1 nm、434.1 nm、486.1 nm、656.3 nm 图 1.1可见光区内白光的连续光谱和汞、锶的原子光谱（a）白光的连续光谱（b）汞的原子光谱（c）锶的原子光谱/nm400400400450450450500500500550550550600600600650650650700700700750 nm750 nm750 nm原子结构与性质第 1 章4（图 1.2）。氢原子光谱为什么是线光谱？氢原子在可见光区的这些谱线，与氢原子核外电子运动的能量变化之间有什么关系？图 1.2氢原子在可见光区的线光谱1913 年，丹麦物理学家玻尔（N.Bohr,18851962）在普朗克量子论、爱因斯坦光子学说和卢瑟福原子结构有核模型的基础上，对核外电子的运动做了重要假设，建立了玻尔原子结构模型，并解释了氢原子光谱。玻尔原子结构模型的主要观点如下：（1）原子中的电子只能在某些确定半径的圆周轨道上绕原子核运动。电子在这些轨道上绕核运动时既不吸收能量也不辐射能量，这些轨道称为定态轨道。（2）在不同定态轨道上运动的电子具有不同的能量（E），而且能量是量子化的，即轨道能量是“一份一份”地增加或减少的。轨道能量与 n 值有关。n 的取值为正整数 1、2、3、，n 值越小，电子离核越近，能量就越低；反之能量就越高。一般把原子能量最低的电子状态称为基态。对氢原子而言，当核外的一个电子处于 n=1 的轨道时能量最低，这个状态称为氢原子的基态；当这个电子跃迁至 n1 的轨道上运动时，这些状态称为氢原子的激发态。（3）电子在不同能量的两个轨道之间发生跃迁时，才会辐射或吸收能量。如果电子从高能量的轨道跃迁回到低能量轨道，就会以光的形式释放出这些能量，光辐射的波长（）与两个轨道的能量差（E）有关。400410.1 434.1486.1656.3H450500550棱镜氢气放电管照相底板狭缝600650700750 nm氢原子结构模型51.1由于轨道的能量是不连续的，因此不同轨道之间的能量差是不连续的，导致光辐射的波长也是不连续的。氢原子光谱在可见光区中的 4 条谱线，就是电子分别从 n=3，4，5，6 的轨道跃迁回到 n=2 的轨道时释放的能量所形成的。光辐射的波长和电子跃迁时吸收或释放的能量E有关，E=E2 E1=hc（h=6.626 1034 Js，为普朗克常数；c=2.997 924 58108 ms1，为真空中光速）。请指出氢原子中电子分别从 n=5 和 n=2 的轨道跃迁到基态时，哪种光辐射的波长更长。氢原子光谱和里德伯公式1885 年，在玻尔原子结构模型提出之前，瑞士科学家巴尔末（J.J.Balmer,18251898）基于数据而非理论，发现了氢原子在可见光区 4 条谱线的波长可以用一个简单的公式来归纳：=B（n2n2 4）上式叫做巴尔末公式，是一个经验公式，式中的 n=3，4，5，6，B=364.56 nm。1890 年，瑞典科学家里德伯（J.R.Rydberg，18541919）发现了描述碱金属和氢原子光谱的通用公式，把描述氢原子光谱的巴尔末公式改写为：=RH（1122n2）v=1式中v 为波数，是的倒数；n 是大于 2 的正整数；RH为里德伯常数，等于 1.096 776107 m1。随着玻尔原子结构模型的建立，光谱学家推导出了描述氢原子光谱的通用公式：=RH（11n22n12）v=1式中的 n1和 n2分别表示核外电子发生跃迁的两个轨道的量子数，其中 n1 n2。化学史话想一想原子结构与性质第 1 章6每当夜幕降临，华灯初上，五颜六色的灯光就把城市装扮得五彩缤纷。请联系氢原子光谱的成因，说明这些美丽的光是怎样产生的。图 1.4华灯初上的上海陆家嘴夜景图 1.3 列出了氢原子核外电子在不同轨道之间跃迁所产生的部分光谱系列。图 1.3轨道跃迁与氢原子光谱系列的关系想一想红外系列（n1=3）紫外系列（n1=1）可见系列（n1=2）n=1n=2n=3n=4n=5n=6氢原子结构模型71.1玻尔原子结构模型不仅成功解释了氢原子光谱，也能够对核外只有一个电子的离子（如 He+、Li2+等）光谱做出很好的解释，但不能解释多电子原子的光谱。科学家研究发现，微观粒子既有波动性又有粒子性，它的运动速度和空间位置无法同时准确测量，描述宏观物体运动的经典力学方法不适用于描述微观粒子的运动。自 20 世纪 20 年代起，科学家用原子轨道和电子云模型来描述电子在原子核外空间运动的状态。下面我们来介绍氢原子结构模型中的几个重要概念。1.原子轨道当电子处于不同的运动状态时具有的能量是不同的。通过有关的理论计算，可以得到氢原子核外电子运动的各种状态和相对应的能量。人们沿用了玻尔原子结构模型中“轨道”的概念，把氢原子中电子的一个空间运动状态称为一个原子轨道。需要注意的是，此处轨道的含义与玻尔原子结构模型中轨道的含义完全不同，它既不是圆周轨道，也不是其他经典意义上的固定轨迹。由于描述电子运动状态用的都是一些复杂的函数，所以常用图像的方式在三维空间坐标系中表示出来。电子运动的空间离核的远近是不同的。人们用 n 表示电子层数，n 相同的原子轨道称为一个电子层，n 的取值为正整数 1、2、3、4、5、6、7。一个电子层也叫做一个能层，和 n=1，2，3，4，5，6，7，的电子层相对应的能层符号分别用 K、L、M、N、O、P、Q表示。n=1 时，K 层的电子离核最近，电子运动状态的能量最低；n 越大，表示电子离核越远，电子运动状态的能量越高。n 相同的原子轨道，轨道的图像形状可以不同，人们分别用 s、p、d、f表示不同形状的原子轨道。例如，s轨道是呈球形的，p 轨道是呈哑铃形的。不同形状的原子轨道可能有不同的能量，因此同一能层中的原子轨道，还可以分成不同的能级，如 ns、np、nd、nf 等能级。第一能层只有 1s 一个能级，第二能层有 2s、2p 两个能级，第三能层有 3s、3p、3d 三个能级。氢原子的结构模型原子结构与性质第 1 章8同一能级的原子轨道在三维空间坐标系中还可以有不同的伸展方向。s 轨道只有一种空间取向，所以 ns 只有一个原子轨道图 1.5（a）。p 轨道分别沿着 x 轴、y 轴、z 轴有三个不同的伸展方向，所以 np 有 px、py、pz 三个原子轨道图1.5（b）。d 轨道有五个伸展方向，则 nd 有五个原子轨道。f 轨道有七个伸展方向，则 nf 有七个原子轨道。人们将表示电子层的 n 值和表示原子轨道形状的 s、p、d、f 结合起来表示原子轨道，如 1s、2s、2p（2px、2py、2pz）等。此外，原子核外电子还存在一种被称为“自旋”的运动状态。处于同一原子轨道的电子有两种不同的自旋状态，通常用向上箭头“”和向下箭头“”表示。当然，电子“自旋”并非真像地球绕轴自旋一样，它只是表示电子两种不同的自旋状态。图 1.5原子轨道的空间伸展方向电子自旋的提出1921 年，德国物理学家施特恩（O.Stern，1888 1969）和格拉赫（W.Gerlach，1889 1979）发现一束气态银原子束通过狭缝，再通过抽成真空的不均匀磁场后会发生分裂，一半原子向上偏转，一半原子向下偏转。这个结果说明原子在磁场中不能任意取向，首次证实了原子在磁场中取向量子化的事实。1925 年，荷兰物理学家乌伦贝克（G.Uhlenbeck，1900 1988）和古德斯密特（S.A.Goudsmit，1902 1978）提出电子自旋的假设，从而解释了施特恩格拉赫实验的结果。化学史话（a）s 轨道zzzzyyyyxxxx（b）p 轨道+氢原子结构模型91.1图 1.7氢原子的能级图图 1.6银原子束在不均匀磁场中的分裂原子中的能级按能量由低到高、由下往上排列的示意图叫做原子的能级图，图 1.7 是氢原子的能级图。在只有一个电子的氢原子中，原子轨道的能量仅与 n 值有关，因此 n 相同的原子轨道处于同一个能级