对《结构化学》中微观粒子的引入、状态函数等难点的讲述进行探讨,对原子基态光谱项的图示法、分子对称性等内容进行介绍,对形成化学键的要素、简单小分子的化学键的描述作了分析

林梦海

顾勇冰

Xiamen University Institutional Repository

第５０卷　增刊２０１１年９月厦 门 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉａｍｅｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）Ｖｏｌ．５０　Ｓｕｐ．Ｓｅｐ．２０１１　　　　收稿日期：２０１１－０５－０９　　＊通信作者：ｌｉｎｍｈ＠ｘｍｕ．ｅｄｕ．ｃｎ从原子结构到简单小分子———《结构化学》教学体会之一顾勇冰１，林梦海２＊（１．浙江丽水师范学院化学系，浙江 丽水３２３０００；２．厦门大学化学化工学院，福建 厦门３６１００５）摘要：对《结构化学》中微观粒子的引入、状态函数等难点的讲述进行探 讨，对 原 子 基 态 光 谱 项 的 图 示 法、分 子 对 称 性 等内容进行介绍，对形成化学键的要素、简单小分子的化学键的描述作了分析．关键词：结构化学；微观粒子；基态光谱项；化学键中图分类号：Ｏ　６４．１　　　　　文献标志码：Ｂ　　　　　文章编号：０４３８－０４７９（２０１１）Ｓ－０１６９－０３　　化学过程无非要涉及到合成、分离、检测等几个方面．合成是最 有 创 造 力 的 一 环，无 论 是 传 统 的 合 成 方法，或是近来开发的激光、电磁等极端手段，不断产生出各种新的化合物．然而，化学反应错综复杂，除了主反应外，还伴有多种副反应，只有通过分离才能得到纯净的产物．接下来要用检测手段（包括光、电、磁等各种物理手段），了 解 新 物 质 的 结 构、性 能 等．例 如 用Ｘ光衍射测定晶 体 结 构，用 红 外、拉 曼 光 谱 气 态 分 子 的 键长、键角……，《结构化学》这门课就是介绍检测获得的原子、分子、晶体的结构．１　原子结构《结构化学》课程首先讲述的原子结构可分为两部分，一是单电子原子，另一个是多电子原子．首先要引入电子是微观粒子的概念，对于长期接触宏观世界的学生来说，这是个难点．在这一部分，首先要让学生建立宏观与微观的巨大差异：我们日常接触的一小勺盐粒或糖粒包含了１０２３的氯化钠分子或糖分子；化学实验中使用的５０ｍＬ烧杯所盛溶液，甚至酸碱滴定的一滴溶液也有 天 文 数 字 的 分 子．微 观 粒 子 包 括 电 子、质子、中子、光子等全同粒子，首先是光子的性质被研究．早在１７世纪，对光的本性有牛顿的微粒说与惠更斯的波动说，由于 光 的 衍 射 与 干 涉 现 象，波 动 说 一 度 占 上风．２０世纪爱因斯坦解释光电效应时，提出光子说，即光子具有波 粒 二 象 性．不 久，博 士 生 德 布 罗 意 提 出 假设：适合光子的波粒二象性也适合其他微粒，并很快被实验所证实．世界上顶尖的物理学家明白：以前宏观世界的物理公式需要重新讨论，要建立一个专门研究微观世界的物理学说———量子力学．在讲述量子力学基础时，更注重介绍新学科建立的过程，使学生了解如何从细微的实验现象中，认识事物的本质，从而总结出规律．１．１　单电子原子化学过程主要涉及电子在原子核间的运动，因此对微观粒子，我们主要关注电子．电子是既没有明确的外形、又没有确定轨道的全同粒子．我们只能用状态波函数ψ来描述它们的运动．对于这些内容，学生往往感到很难理解．我们就告诉学生，其实我们早就用１ｓ，２ｐ等轨道来标记电子了，这些轨道就是它们的状态波函数．它们的数学形式虽然复杂（是解Ｓｃｈｒǒｄｉｎｇｅｒ方程的结果），但几何图形我们很熟悉：１ｓ是一个带正号的圆球，２ｐ由两个符号相反的圆球组成……状态波函数的平方，即电子在空间出现的概率，就是我们常说的电子云．我们用学生熟悉的内容，去帮助他们理解量子力学基础中的艰涩内容．氢原子是单电子原子，一个电子绕原子核运动．同样情况的还有 Ｈｅ＋ 和Ｌｉ　２＋ 等类氢离子．这种情况只要考 虑 电 子 与 原 子 核 间 的 相 互 作 用．从 解 氢 原 子 的Ｓｃｈｒǒｄｉｎｇｅｒ方程，我们 得 到 了 主 量 子 数、角 量 子 数 和磁量子数，不同取值得到不同的原子轨道图形．而对类氢离子，体系能量Ｅ只与主量子数ｎ有关：Ｅ＝－ＲＺ２ｎ２·１７０　 · 厦门大学学报（自然科学版） ２０１１年（Ｒ＝１３．６ｅＶ，里德堡常量）．１．２　多电子原子与原子光谱多电子原子除了核外电子排布和电离能两个知识点外，还有一个重要内容———原子光谱项．由于电子同时进行空间轨道运动与自旋运动，原子光谱项由轨道角动量Ｌ与自旋角动量Ｓ偶合而成．其中又分等价电子组态与非等价电子组态两种情况．非等价电子组态光谱项的推导较容易，只需将Ｌ，Ｓ偶合起来，Ｌ和Ｓ各种组合都可存在，即可求出所有可能的光谱项．处在同一主量子数、角量子数的电子称为 等 价 电 子，受Ｐａｕｌｉ不相容原理限制，微观状态大大减少，光谱项推算难度也加大．在本科教学中，只列表推导较简单的ｎｐ２，ｎｐ３组态，较复杂的留在研究生课程中介绍．对于一般的多电子原子，只需要知道基态光谱项．我们教学生用图示法掌握这一内容．轨道运动矢量先向下（ｐ电子垂直ｍｌ＝１，ｄ电子垂直ｍｌ＝２，斜向ｍｌ＝１），再水平方向（对ｍｌ 贡献为０），然后矢量向上（ｐ电子垂 直ｍｌ＝ －１，ｄ电 子 垂 直ｍｌ＝ －２，斜 向ｍｌ＝－１），将所有的分矢量加和为总轨道矢量Ｌ．自旋矢量先向上，半满 后 再 填 自 旋 向 下，净 结 果 为 总 自 旋 矢 量Ｓ．总角动量Ｊ，根据Ｌ，Ｓ的箭头方向，方向相同Ｊ＝Ｌ＋Ｓ，方向相反Ｊ＝｜Ｌ－Ｓ｜．这样可以很方便地得到基态光谱项．２　对称性与点群对称性的讲述是《结构化学》中的又一重点，学生掌握好了，会提高整门课的掌握水平，同时也提高学生空间想象能力．对称性是自然界的一种现象，数学中有一分支“群论”专门研究它．在分子结构内容讲述中涉及对称点群、晶体结构内容涉及空间群．这部分讲述从日常生活的物品说起，寻找对称性；然后才介绍一个个点群，每个点群 都 列 举 多 种 分 子 的 实 例，如Ｄ３ｈ点 群，不仅介绍平面三角形的ＢＦ３，还介绍三角双锥的 ＰＣｌ５和三棱柱的 Ｔｉ６Ｃｌ６，找出主量子化轴Ｃ３ 及垂直Ｃ３ 的３个Ｃ２ 轴，水平平面、垂面……，接下来安排一次模型实习课．《结构化学》教学组有一套木块模型，由数百个四面体、长方体、立方体、八面体木块组成，每个木块的部分角被削 掉，形 成 不 同 的 对 称 性．学 生 经 过 眼 看 手摸，寻找对称轴、对称面、对称心，熟悉了点群，拓宽了空间思维能力．接下来的教学是如何从具体分子寻找点群．经过一系列的教学活动，逐步深入，学生学出了兴趣，自己找分子练习，打下了坚实的对称性基础．３　简单小分子３．１　化学键形成的三要素：对称性匹配、能量相近、轨道最大重叠　　这部分结合原子轨道图形、对称性知识，使学生建立清晰的 化 学 键 图 像：无 论 是ｓ—ｓ，ｓ—ｐ或ｐ—ｐ重叠形成的σ键，还是ｐ—ｐ，ｄ—ｄ或ｐ—ｄ轨道重叠形成的π键，首先要满足对称性匹配、轨道有效重叠；其次有几个原子轨道，就必须组合出几个分子轨道．σ成键轨道是心对称图形，σ反键轨道则是反对称图形；相反，π成键轨道是对两原子轨道中心连线中点反对称，π反键轨道则是对称的．σ、π、δ这些分子轨道也有对应的量子数，分 别 为０，±１，±２，因 此σ轨 道 是 单 个 出现，π、δ轨道都是成对出现．形成化学键要求能量相近，源于不同原子的原子轨道能量相差很大．例如，Ｈ与Ｆ原子靠近，要形成化学键，Ｈ的１ｓ轨道能量为－１３．６ｅＶ，而Ｆ的１ｓ轨道能量低至－６９６．３２ｅＶ，２ｓ能量为－４０．１２ｅＶ ，２ｐ轨道能量－１８．６３ｅＶ．因 此，Ｆ的１ｓ轨 道 只 能 作 为 内 层轨道，一个２ｐ轨道与 Ｈ 的１ｓ轨道形成σ键，剩 余 的２ｐ、２ｓ电子均形成非键轨道（孤对电子）．成键要求轨道最大重叠，因此有原子轨道杂化．轨道杂化只是ｓ、ｐ或是ｓ、ｐ、ｄ轨道间能量平均化，杂化前后总能量守恒，而不会降低；原子轨道形成分子轨道必然能量降低，而反键轨道则能量升高，二者也保持能量守恒．３．２　同核和异核双原子分子这部分要求学生在掌握同核双原子分子的分子轨道法表达基础上，用等电子原理写出异核双原子分子的分子轨道．３．３　简单小分子《结构化学》这门课，最基本的任务就是培养学生分析所遇到分子的化学键，从而了解该物质的性能．世界上的分子千千万万，每日还以几十至上百个速度在递增．为了减少学生的畏难情绪，介绍分子化学键从常见简单小分子开始．例如水分 子，中 心 氧 原 子 作ｓｐ３ 杂 化，与２个 Ｈ形成σ键，剩余４个价电子形成２个孤对电子，分子为Ｖ形．类似的分 子 有 Ｈ２Ｓ等．又 如ＳＯ２，硫 原 子 作ｓｐ２杂化，与氧原子形成σ键外，２个价电子形成，１个孤对电子，还 余２个 价 电 子，氧 原 子 也 作ｓｐ２ 杂 化，形 成１增刊 顾勇冰等：从原子结构到简单小分子 ·１７１　 ·个σ键、２个孤对电子外，还剩１个价电子，３个原子形成Π４３ 的大π键．Ｏ３ 的成键情况与它类似．将分子归类介绍，也方便学生掌握．在分析化学键时，要把分子中每个原子的价电子安排好．例如ＣＯ２ 分子Ｃ、Ｏ都作ｓｐ杂化，相互形成σ键外，Ｃ余２个价电子，Ｏ余３个价电子，共形成２个Π４３ 的 大 π键．与 ＣＯ２ 情 况 类 似 的 还 有 ＣＳ２，Ｎ２Ｏ，ＮＯ＋２ ，Ｎ－３ 等体系．同时还要分清电子结构与分子结构的差异．例 如ＸｅＦ４ 分 子，Ｘｅ有８个 价 电 子，作ｓｐ３ｄ２杂化，与４个Ｆ形成σ键外，还有４个电子形成２个孤对电子．这样Ｘｅ原子周围有６个电子对，形成八面体的电子结构，但电子与原子核的质量相差几千倍，我们最后的分子结构是以Ｘｅ与Ｆ形成的四边形结构．复杂分子的化学键及晶体结构的讲述，将另文讨论．４　结　论本文对《结构化学》课程前半部分的难点———“量子力学基础”、“原 子 光 谱 项”等 章 节 小 结 了 讲 述 的 体会，对课程的教学基础“对称性与点群”的教学方法与手段进行了介绍，还对课程的重点“简单小分子结构”进行了小结．其余部分有待后文继续探讨．参考文献：［１］　Ａｔｋｉｎｓ　Ｐ　Ｗ．Ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ［Ｍ］．７ｔｈ　ｅｄ．Ｌｏｎｄｏｎ：ＯｘｆｏｒｄＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ，２００２．［２］　Ｓｌａｔｅｒ　Ｊ　Ｃ．Ｑｕａｎｔｕｍ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ａｔｏｍｉｃ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｍ］．ＮｅｗＹｏｒｋ：ＭｃＧｒａｗ－Ｈｉｌ，Ｐｒｅｓｓ，１９６０．［３］　Ｃｏｔｔｏｎ　Ｆ　Ａ．群论 在 化 学 中 的 应 用［Ｍ］．刘 春 万，等 译．北京：科学出版社，１９７５．［４］　Ｐａｕｌｉｎｇ　Ｌ．化 学 键 的 本 质［Ｍ］．卢 嘉 锡，等 译．上 海：上 海科学技术出版社，１９６６．

从原子结构到简单小分子——《结构化学》教学体会之一

http://dspace.xmu.edu.cn/bitstream/handle/2288/106468/%e4%bb%8e%e5%8e%9f%e5%ad%90%e7%bb%93%e6%9e%84%e5%88%b0%e7%ae%80%e5%8d%95%e5%b0%8f%e5%88%86%e5%ad%90%e2%80%94%e2%80%94%e3%80%8a%e7%bb%93%e6%9e%84%e5%8c%96%e5%ad%a6%e3%80%8b%e6%95%99%e5%ad%a6%e4%bd%93%e4%bc%9a%e4%b9%8b%e4%b8%80.pdf?sequence=1&isAllowed=y

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