安徽理工大学 第1章 物质结构基础习题
一、思考题
1. 试述下列各名词的意义
（1）量子化 （2）物质波 （3）波函数 （4）原子轨道 （5）几率密度 （6）量子数 （7）电子云 2. 原子中的能级主要由哪些量子数来确定？
答案：原子轨道能量的高低(也称能级)主要由主量子数n和角量子数l决定。当l相同时,n越大,原子轨道能量E越高,例如E1s 答案：(1)主量子数（n） 它代表核外电子距核的远近和原子轨道能量大小。 n取值:任意正整数n=1，2，3，…… n=1为第一电子层或称K层，距核最近，n=2为第二电子层或称L层，余类推。 离核近，电子的能量较低，离核远则电子能量较高。因此主量子数n对于确定电子的能量具有决定性的作用。 (2)角量子数（l） 决定原子轨道（或电子云）的形状,表示每一主层中不同的亚层。l取值:小于n的非负整数l=0，1，2，……（n-1） l=0 时，原子轨道（或电子云）是球形对称的，称为s轨道（或s电子云）。 l=1 时，原子轨道（或电子云）是纺棰形（或哑铃形）分布，称为p轨道。l=2 时，原子轨道（或电子云）呈花瓣形分布，称为d轨道（或d电子云）。 l=3 时，原子轨道（或电子云）形状复杂，称为f轨道（或f电子云）。 l代表电子所在的亚层 , 角量子数l： 0 1 2 3 - - - - 电子亚层符号： s p d f - - - - 对多电子原子来讲,电子的能量由n、l决定。 (3)磁量子数（m） 同一电子层中某一特定形状的原子轨道可以在空间有不同的伸展方向，从而得到若干空间取向不同而能量相同的原子轨道，称为等价轨道。m决定原子轨道（或电子云）的空间伸展方向。 m取值：绝对值不大于l的所有值 m=0，±1，±2……±l 有（2 l+1）个取值 l=0 时，m有一个取值，即m=0，s轨道球形对称，在空间只有一个取值，轨道无方向性。 l=1 时，m有三个取值，即m= 0，±1，分别代表在空间沿x，y，z三个相互垂直的伸展方向上的三个p轨道 ，通常它们具有完全相同的能量。 l=2 时，m=0，±1，±2，表明d轨道在空间有五个伸展方向。 l=3 时，m有七个取值，m= 0，±1，±2，±3，f轨道在空间有七个伸展方向。 (4)自旋量子数（ms） 自旋运动的量子数用ms表示。它只有 12 和?12两个取值， 分别代表电子顺时针和逆时针的两个自旋方向，表示为“↓”和“↑”。 ms代表电子运动的“自旋”方向。 注意：一组n，l，m值，便确定了核外电子的一个空间运动状态（即原子轨道），包括轨道的大小、形状和空间取向。 一组n，l，m，ms值，描述一个电子的运动方式。 1 安徽理工大学 第1章 物质结构基础习题4. 基态原子的核外电子排布应遵循哪些规律？ 答案：1）能量最低原理：电子在原子轨道上的分布，总是尽先排布在能量最低的轨道中，然后依次排布在能量较高的轨道中，以便使整个原子的能量处于最低状态。 2）保利不相容原理：每一个原子轨道中最多只能容纳两个电子，而且这两个电子的自旋方向必须相反。 3）洪特规则：洪特规则是电子在等价轨道上的排布规律。 在简并轨道中，若电子不止一个，则它们尽可能分占不同的轨道，且自旋平行。这实际上也是能量最低原理的应用。因为这种情况下电子成对时的能量高于不成对时的能量。 5. s轨道、p轨道、d轨道分别对应的l值为多少？ 6. s，2s，2s各代表什么意义？指出4s、3d、5p各能级相应的量子数及轨道数。 答案： s：原子轨道符号，表示l=0，m=0的轨道的运动状态，其角度分布图为球形。2s：表示第二电子层中的s原子轨道，即n=2，l=0，m=0的轨道运动状态。2s：表示第二电子层s原子轨道中的1个电子，即n=2，l=0，m=0，ms= 121 1 或?12的电子运动状态。 7. n =2时，电子有哪些可能的空间运动状态？ 答案：核外电子运动的可能状态数 主量符 子 状态数 角量子 数 各轨道 各电子层 原子轨道符号 磁量子数m 轨道空间取向数 电子层中总轨道数 ms 数 号 n 1 K 2 L 0 0 1 1s 2s 2p 0 0 -1 0 +1 1 1 3 1 4 2 2 6 2 8 8. l =2的轨道，空间伸展方向有几种？答案：5种；m=0，±1，±2 9. p轨道角度分布图和p电子云角度分布图形的区别是什么？ 答案：将角度波函数Y（θ，?）及几率密度的角度都分Y2（θ，?）随方位角θ、?的变化作图，就得到原子轨道及电子云的角度分布图。但后者图形比前者要瘦些，且无正负区域之分，而原子轨道角度分布图有正负区域之分。 10. 用原子轨道符号表示下列各套量子数。 （1）n =2，l = 1，m = －1 （2）n = 4，l = 0，m = 0 （3）n =5，l =2，m = 0 11. 为什么任何原子的最外层上最多只能有8个电子？次外层最多只能有18个电子？ 答案：这是由原子核外电子排列的所遵循的能量最低原理决定的。在各层中，离原子核远，电子的能量越大，电子都首先排满能量低的运行轨道，这样排列到最外层时，能量最低的轨道只有八个，如果电子 2 安徽理工大学 第1章 物质结构基础习题多于八个，还有比此能量要求低的轨道（同一层也因轨道不同而能量不同）可以排布电子。因此，就造成了最外层电子最多只能有八个 12. 指出下列各元素的基态原子的电子排布式的写法违背了什么原理并予以改正。 （1）Be 1s22p2 （2）B 1s22s3 （3）N 1s22s22px22py1 答案：（1）违背了能量最低原理，应改正为1s22s2； （2）违背了泡利不相容原理，应改正为1s2s2p； （3）违背了洪特规则，应改正为1s2s2 13. 现行的周期表中有几个区？每一个区包括哪几个族？各区的外层电子构型有何特征？ 14. 什么叫共价键的饱和性和方向性？为什么共价键具有饱和性和方向性，而离子键无饱和性和方向性？ 答案：从价键理论的要点可知，自旋方向相反的电子配对以后就不再与另一个原子中的未成对电子配对了，这就是共价键的饱和性。而根据轨道的最大重叠原理，除了球形的s轨道之外，d、p轨道的最大值总是沿重叠最多的方向取向，因而决定了共价键的方向性。 15. 共价键的轨道重叠方式有哪几种？答案：1）肩并肩；2）头碰头 16. 举例说明什么是σ键，什么是π键？它们有哪些不同？ 答案：σ键是“杂化轨道理论”和“分子轨道理论”中的一种化学键名字，就像“共价键”，“离子键”一样，只不过含义更为复杂，更为精确，涉及到一些微观电子云方面的知识。如果你只是在读高中，那 2 2 2 2 1 px2pypz111。 么是不用了解这种化学键的吧。 σ键属于“共价键”，成键两原子的价电子云沿键轴方向重叠而成键。也就是所谓的“头碰头”的成键方式。就像在灯光下，左右手各握一个拳头“相对”，它们的影子就像是价电子云的形态，这两个影子相互重叠形成的一个“大的电子云”，即形成共价键（共享电子）。一般的“单键”都属于这种σ键，比如C-H, O-H, N-H, C-C, C-Cl等等。 π键。也是共价键，成键两原子的价电子云平行或者侧面重叠而成键，也就是所谓的“肩并肩”的成键方式。相当于两个“拳头”相平行，然后再重叠形成“大的电子云”。双键，三键中都有这种键（当然也有σ键），比如C=C, O=C, C=N等等。 17. 价键理论和分子轨道理论的基本要点是什么？ 18. s、p原子轨道主要形成哪几种类型的杂化轨道？中心原子利用上述杂化轨道成键时，其分子构型如 何？ 19. 实验测定BF3为平面三角形，而[BF4]－为正四面体形。试用杂化轨道的概念说明在BF3和[BF4]－中硼 的杂化轨道类型有何不同？ 20. 试用分子轨道表示式写出O2的电子构型。 21. 分子间力有几种？各种力产生的原因是什么？试举例说明极性分子之间、极性分子和非极性分子之 间以及非极性分子之间的分子间力。在大多数分子中以哪一种分子间力为主？ 答案：1）取向力：极性分子的固有偶极子之间异极相吸，同极相斥，使分子间发生定向排列。 这种固有偶极子之间的静电引力称为取向力。显然，取向力发生在极性分子之间。 3 + 安徽理工大学 第1章 物质结构基础习题 2）诱导力：极性分子的固有偶极子可使非极性分子电子云变形，产生诱导偶极子。固有偶极子 和诱导偶极子之间的吸引力称为诱导力。 诱导力既存在于极性分子与非极性分子之间，也存在于极性分子之间。 3）色散力：由于分子中的电子不断运动，核不停地振动，分子中的正、负电荷重心不断发生瞬 间相互位移，产生瞬间仍极。由于瞬间偶极而产生的分子间的吸引力称为色散力。 色散力存在于各种分子之间，并且一般分子间的作用力是以色散力为主。 22. 何为极性分子和非极性分子？分子的极性与化学键的极性有何联系？ 23. 分子间力的大小对物质的物理性质有何影响？ 24. 什么叫做氢键？哪些分子间易形成氢键？形成氢键对物质的性质有哪些影响？ 答案：当H原子与电负性很大、半径很小的原子X以共价键结合为分子时，由于成键电子强烈地偏向X原子，使H原子几乎成为“赤裸”的质子而具有较大的正电荷场强。 1、氢键形成条件： （1）分子中必须有一个电负性大的原子与氢原子形成强极性键； （2）必须有另一个电负性大、原子半径小、带有孤对电子并带有较多负电荷的原子（如F、 O、N等），以便与带有较多正电荷的氢原子形成氢键。 2、类型：（1）分子内氢键 （2）分子间氢键 3、对物质性质的影响： （1）对物质熔、沸点的影响：分子间氢键的形成使物质的熔、沸点升高；分子内氢键的形成使物质的熔、沸点降低。 （2）对物质溶解度的影响：在极性溶剂中，如果溶质分子与溶剂分子间能形成氢键，则溶质的溶解度增大。分子内氢键的形成使物质在极性溶剂（如水）中的溶解度减小。 氢键的形成对物质的密度、分子构型和酸碱性也有影响。 25. 氢键与化学键有何区别？与一般分子间力有何区别？ 26. 下列各化合物中分子间有氢键的有哪几种？C2H6，NH3，C2H5OH，H3BO3，CH4。 27. 写出下列物质的晶体类型：SO2，SiC，HF，KCl，MgO。 28. 晶体有几种类型？确定晶体类型的主要因素是什么？各种类型晶体的性质有何不同？ 29. 根据下列物质的性质，判断它们是属于何种类型的晶体。 （1） CaCO3晶体的硬度高，在1173K时尚未熔融就已分解。 （2） B的硬度极高，熔点为2573K，导电性很差。 （3） SnCl4熔点为240K，沸点为387K 30. 要使BaF2，F2，Ba，Si晶体熔融，需分别克服何种作用力？ 答案：BaF2属离子晶体，熔融时需克服静电引力。 F2属双原子分子晶体，熔融时需克服分子间的色散力。 Ba属金属晶体，熔融时需克服金属键力。 Si属原子晶体，熔融时需克服非极性共价键力。 4 安徽理工大学 第1章 物质结构基础习题 二、是非题（对的在括号内填“√”号，错的填“×”号） 1. 当原子中电子从高能级跃迁到低能级时，两能级间的能量相差越大，则辐射出的电磁波的波长越长。 (× ) 2. 波函数ψ是描述微观粒子运动的数学函数式。 （ √ ） 3. ψ是核外电子运动的轨迹 （ × ） 4. 电子具有波粒二象性，就是说它一会是粒子，一会是波动。 （ ） 5. 微观粒子的特性主要是波、粒二象性。 （ √ ） 6. 2p有三个轨道，可以容纳3个电子。 （√ ） 7. 1s轨道上只可容纳1个电子。 （ ） 8. n =1时，l可取0和1。 （ ） 9. 主量子数n=3时，有3s，3p，3d，3f等四种原子轨道。 （ ） 10. 一组n，l，m组合确定一个波函数。 （√ ） 11. 一组n，l，m，ms组合可表述核外电子一种运动状态。 （√ ） 12. 是py轨道在xy平面的角度分布示意图。 （√ ） 13. 电子云图中黑点越密之处表示那里的电子越多。 （ ） 14. 氢原子中原子轨道的能量由主量子数n来决定。 （√ ） 15. d区元素外层电子构型是ns1~2。 （ ） 16. 电负性越大的元素的原子越容易获得电子。 （ √ ） 17. 同周期元素从左至右原子半径减小。 （ ） 18. 共价键的重叠类型有σ键π键两种。 （ √ ） 19. NH3和BF3都是4原子分子，所以二者空间构型相同。 （ ） 20. He2的分子轨道表示式为 （σ 1s)2 （σ 1s *2 )。 （√ ） 21. 配合物中配体数不一定等于配位数 （√ ） 22. 色散力只存在于非极性分子之间，取向力只存在于极性分子之间。 （ ） 23. 色散力是主要的分子间力。 （√ ） 24. μ= 0的分子中的化学键一定是非极性键。 （ ） 25. 分子中的化学键为极性键，则分子为极性分子。 （ ） 26. 非极性分子内的化学键一定是非极性键。 （ ） 27. van der Waals 力属于一种较弱的化学键。 （ ） 28. 一般晶格能越大的离子晶体，熔点越高，硬度也越大。 （√ ） 29. 凡有规则外形者都必定是晶体。 （ ） 30. 同一周期主族和副族元素的单质的晶体类型从左至右由金属晶体到原子晶体，再到分子晶体呈规律性 5