结构化学实习及实验 (综合试题) 阿布力孜·伊米提 编 新疆大学化学化工学院 物理化学教研室
结构化学实习及实验 （综合试题） 阿布力孜·伊米提 编 新疆大学化学化工学院 物理化学教研室
目 录 第一部分、结构化学实习 实习一、原子轨道空间分布图的描绘 实习二、分子的立体构型和分子性质 萘分子的0法处 实习四、点阵与品胞 实习五、等径圆球的堆积 实习六、离子晶体的结构 第二部分，结构化学实验 实验一磁化率的测定 实验二偶极矩的测定 附录 表1-1 S引基本单位 表1-2常用的S1导出单位 表1.3 一些物理和化学的基本常数 表14 单位换算表 表1-7 几种化合物的磁化率 表1-8 液体的分子偶极矩即、介电常数ε与极化度 表1-11水的密度 表1-33水在不同温度下的折射率、粘度和介电常数 表1-3425℃下某些液体的折射率
目 录 第一部分、结构化学实习 实习一、原子轨道空间分布图的描绘 实习二、分子的立体构型和分子性质 实习三、萘分子的 HMO 法处理 实习四、点阵与晶胞 实习五、等径圆球的堆积 实习六、离子晶体的结构 第二部分，结构化学实验 实验一 磁化率的测定 实验二 偶极矩的测定 附录 表 1-1 SI 基本单位 表 1-2 常用的 SI 导出单位 表 1-3 一些物理和化学的基本常数 表 1-4 单位换算表 表 1-7 几种化合物的磁化率 表 1-8 液体的分子偶极矩μ 、介电常数ε 与极化度 表 1-11 水的密度 表 1-33 水在不同温度下的折射率、粘度和介电常数 表 1-34 25℃下某些液体的折射率
第一部分，结构化学实习 实习一、原子轨道空间分布图的描绘 一.目的 通过计算和绘制平的空间分布图并讨论它的各种性质，加深对原子 结构的理解，为进一步学习化学键理论打下基础。 二.作平-r图 解氢原子Srodinger方程，可得原子轨道的数学表达式 g-2a收ma0 (1) 1.取a为r的单位， 可2高作为平单位，则-可简化为 42p,=re2cos日 (2) 按式(2)计算下表所规定的r,0值时的平值 Ψ00.51.01.52 [3 4 6 7 8 9 0° 15 30° 45o 60° 2.根据上表所列数据，对每个日值作r的关系曲线（以平2z为纵坐标，r为横 坐标)。 五条曲线画在同一张坐标纸上，得Ψ「图 三。作平空间分布图 1.根据所画的Ψ2mr图，读出下表所需的数据，对应于每个日，平2值应读出 两个r值
第一部分，结构化学实习 实习一、原子轨道空间分布图的描绘 一. 目的 通过计算和绘制 2Pz 的空间分布图并讨论它的各种性质，加深对原子 结构的理解，为进一步学习化学键理论打下基础。 二. 作 - r 图 解氢原子 Srodinger 方程，可得原子轨道的数学表达式 （1） 1. 取 a0 为 r 的单位， 作为 单位，则 可简化为 （2） 按式（2）计算下表所规定的 r, θ 值时的 2Pz值。 θ r=0 0.5 1.0 1.5 2 3 4 5 6 7 8 9 0° 15° 30° 45° 60° 2.根据上表所列数据，对每个 值作 -r 的关系曲线（以 2Pz 为纵坐标，r 为横 坐标）。 五条曲线画在同一张坐标纸上，得 2Pz –r 图 三。作 空间分布图 1. 根据所画的 2Pz –r 图，读出下表所需的数据，对应于每个 ， 2Pz值应读出 两个 r 值
RΨ= 0.20.30.40.50.60.7 0.10 0° 15 30 45 60° 2.在直角坐标纸上选取横坐标为X轴，纵坐标为Z轴，原点为原子核位置：从原 点出发 按上表中0值作辐射线，根据表中所列的，0和V的数据，标出各个 Ψ值相同的坐标位置，画出各条Ψ的等值线并标明Ψ值。 3.将0值从90扩充至180。，标明Ψ的正负号。 cos(90°-a)=sin cos(27-a)=-sina c0180°.a)=-cosa cos(360°.a)=c0sa 作图：(1)以x为横坐标，z为纵坐标： (2)画出角度辅助线： (3)将各角度的Y值标记于图中： (4)用平滑曲线将各点联结起来，标出正、负号，即得Pz状态角度分布图。 4求出|川最大的坐标位置及该点的数值，并在图上标明 解：对氢原子 三讨论 (1)从上述平面用图形出发，讨论平的空间分布图形。 (从图形对X轴，Y轴，Z轴和XY平面的对称性，节面以及图形的大小（以0.1 为界面)等方面进行讨论。 (2)与Ψ2z等值线图形对比，讨论平2Pz的等值线图形。 (3)与平2P,图形对比，讨论平2和平2n的空间分布图
2.在直角坐标纸上选取横坐标为 X 轴，纵坐标为 Z 轴，原点为原子核位置；从原 点出发，按上表中 值作辐射线，根据表中所列的 r， 和 的数据，标出各个 值相同的坐标位置，画出各条 的等值线并标明 值。 3.将 值从 90扩充至 180 ，标明 的正负号。 cos(90 - α) sinα cos(180 - α) -cosα cos(270- α) -sinα cos(360 - α) cosα 作图：（1）以 x 为横坐标，z 为纵坐标； （2）画出角度辅助线； （3）将各角度的 Y 值标记于图中； （4）用平滑曲线将各点联结起来，标出正、负号,即得 Pz 状态角度分布图。 4.求出 最大的坐标位置及该点的数值，并在图上标明 解：对氢原子 三.讨论 （1）从上述平面用图形出发，讨论 2Pz的空间分布图形。 （从图形对 X 轴，Y 轴，Z 轴和 XY 平面的对称性，节面以及图形的大小（以||=0.1 为界面）等方面进行讨论。 (2)与 2Pz等值线图形对比，讨论 2Pz的等值线图形。 （3）与 2Pz图形对比，讨论 2Px 和 2Py的空间分布图。 R = 0.10 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0° 15° 30° 45° 60°
实习二、分子的立体构型和分子性质 一目的： 分子的立体构型是从分子中原子排布的几何关系描述分子的结构，对了解分子的 性质具有重要意义。 本实习通过仔细观察分子模型，掌握分子的空间结构，加深对分子构型和分子性 质的了解 二.内容 1请搭出立方体，八面体和正四面体模型。 2.验证八面体的六个顶点相当于立方体的六个面心： 四面体的四个顶点相当于立方体八个顶点中上下交错的两个对顶角。 3.验证八面体中对称元素有3C4,4C3,6C2,9o,i 验证四面体中有4C3,3S4(与3C2同向)6o,无i 4.钴络合物是六配位八面体向，试论证[Co(NHCH,CH2NH2)2C1只能有三种异 构体，其中有两种是旋光异构体，并指出这些异构体中存在的对称元素 5.从分子模型了解其对称性并填写表中内容 (1) 分子 对称元素点群 偶极矩 旋光性 HC=C=CKH C=C=CKO Cpc-c-cH CC=C=CKC
实习二、分子的立体构型和分子性质 一.目的： 分子的立体构型是从分子中原子排布的几何关系描述分子的结构，对了解分子的 性质具有重要意义。 本实习通过仔细观察分子模型，掌握分子的空间结构，加深对分子构型和分子性 质的了解。 二.内容 1.请搭出立方体，八面体和正四面体模型。 2.验证八面体的六个顶点相当于立方体的六个面心； 四面体的四个顶点相当于立方体八个顶点中上下交错的两个对顶角。 3.验证八面体中对称元素有 3C4，4C3，6C2，9σh , i 验证四面体中有 4C3，3S4 （与 3C2 同向）6σ，无 i 4.钴络合物是六配位八面体向，试论证[Co(NH2CH2CH2NH2)2Cl2] +只能有三种异 构体，其中有两种是旋光异构体，并指出这些异构体中存在的对称元素 5.从分子模型了解其对称性并填写表中内容 （1） 分子 对称元素 点群 偶极矩 旋光性
(2) 分子 对称元素点群 偶极矩 旋光性 C02 H20 H02 BF3 NH3 CH4 SF6 环船式 椅式 三讨论（判断下列结论是否正确） 1甲烷有对称中心。 2C-C=C日和-6对移性不同. 3.有旋光性的分子没有对称性。 4.即有旋光性又有偶极矩的分子属于C。点群
（2） 三.讨论（判断下列结论是否正确） 1.甲烷有对称中心。 2. 和 对称性不同。 3.有旋光性的分子没有对称性。 4.即有旋光性又有偶极矩的分子属于 Cn点群。 分子 对称元素 点群 偶极矩 旋光性 CO2 H2O H2O2 BF3 NH3 CH4 SF6 环 己 烷 船式 椅式
实习三、萘分子的M0法处理 1.画出萘分子的结构，对各碳原子及其pz轨道编号，由原子轨道(4O)线性组合得出 分子轨道(MO) 0 Ψ=ΣCiΦi 2.写出Huckel行列式 x100000010 1x10000000 01x1000000 001x000001 =0 0000x10001 00001￥1000 000001x100 0000001x10 10000001x1 000110001x 3.解得Xi=±2.303、±1.618、±1.303、±1.00、±0.618 求出能量，并画出能级分布图排布π电子 4.求出离域能
实习三、萘分子的 HMO 法处理 1.画出萘分子的结构,对各碳原子及其pz轨道编号,由原子轨道(AO)线性组合得出 分子轨道(MO) 2.写出 Hückel 行列式 3.解得 Xi=±2.303、±1.618、±1.303、±1.00、±0.618 求出能量 Ei,并画出能级分布图排布 电子 4.求出离域能
5.已解出分子轨道为 平=0.301(,+D+D++0.231(2+D+6+D,H0.461,+p1o） 平-0.263(d+,-jH0.425(+g- 平3=0.400（④1-①4-①5+Ds+0.174④2-①3-④6+p)+0.347(④g-①10） 平4-0.408（④2+D3+D6+D）-0.408(④g+Φ10） 平=0.425(D1-D4+D5-D+0.263D2-D3+D6-D) 平6-0.425（④1+4-D5-)-0.263④2+3-D6-④7 -0.408(① D3-①6+D0.408(g-D10） 平g-0.400(④1+①4+①s+D8-0.174④2+D3+D6+Φ7小-0.347（④g+01o） 平y=0.263(④1-①4+D5-①s0.425(④2-④3+D6-D) 平10-0.301（①1-Φ4-①5+Dg-0.231(①2-①D3-①6+D)-0.461(①g-D10 6.计算电荷密度、键级和自由价 1.电荷密度 2.健级 3.自由价 7.作分子图 8.画出最高占据轨道HOMO和最低空轨道LUMO 9.讨论萘分子在化学反应时，a和B位的活性及与HOMO和LUMO的关系：
5.已解出分子轨道为 1=0.301(Φ1+Φ4+Φ5+Φ8)+0.231(Φ2+Φ3+Φ6+Φ7)+0.461(Φ9+Φ10) 2=0.263(Φ1+Φ4-Φ5-Φ8)+0.425(Φ2+Φ3-Φ6-Φ7) 3=0.400(Φ1-Φ4-Φ5+Φ8)+0.174(Φ2-Φ3-Φ6+Φ7)+0.347(Φ9-Φ10) 4=0.408 (Φ2+Φ3+Φ6+Φ7)- 0.408 (Φ9+Φ10) 5=0.425(Φ1-Φ4+Φ5-Φ8)+0.263(Φ2-Φ3+Φ6-Φ7) 6=0.425(Φ1+Φ4-Φ5-Φ8)-0.263(Φ2+Φ3-Φ6-Φ7) 7=0.408 (Φ2-Φ3-Φ6+Φ7)- 0.408 (Φ9-Φ10) 8=0.400(Φ1+Φ4+Φ5+Φ8)-0.174(Φ2+Φ3+Φ6+Φ7)-0.347(Φ9+Φ10) 9=0.263(Φ1-Φ4+Φ5-Φ8)-0.425(Φ2-Φ3+Φ6-Φ7) 10=0.301(Φ1-Φ4-Φ5+Φ8)-0.231(Φ2-Φ3-Φ6+Φ7)-0.461(Φ9-Φ10) 6.计算电荷密度、键级和自由价 1.电荷密度 2.健级 3.自由价 7.作分子图 8.画出最高占据轨道 HOMO 和最低空轨道 LUMO 9.讨论萘分子在化学反应时，α 和 β 位的活性及与 HOMO 和 LUMO 的关系：
实习四、点阵与晶胞 一目的 ()通过从模型和图象抽象出直线点阵，平面点阵和空间点阵来理解点阵和点 阵结构的对应关系，点阵点和结构基元的对应关系，并搞清楚复单位和素单位等概 (2)通过晶体结构的具体模型学握决定晶体所属晶系，晶胞的点阵型式和原子 在晶胞中的位置， (3)通过写出理想晶体外形的晶面指标和平面点阵组的晶面指标，加深对晶面 指标的理解 一内 1直线点阵 请用点阵表示下列原子排列的周期性，说明每一个点阵点所代表的 内容 周期性结构ooooooooooo○ 点阵 周期性结构 00 点阵 周期性结构o0o0o0o0o0o0o0o0o0o0o00 点阵 2.平面点阵请从下列平面点阵结构中抽出对应的点阵并选用最适合的点阵单 位，说明结构基元 b) a)石墨层 00000000000 00000 00000000000 00000 0o00000o000 00000 0o000000000 00000
实习四、点阵与晶胞 一.目的 (1)通过从模型和图象抽象出直线点阵,平面点阵和空间点阵来理解点阵和点 阵结构的对应关系,点阵点和结构基元的对应关系,并搞清楚复单位和素单位等概 念. (2)通过晶体结构的具体模型掌握决定晶体所属晶系,晶胞的点阵型式和原子 在晶胞中的位置. (3)通过写出理想晶体外形的晶面指标和平面点阵组的晶面指标,加深对晶面 指标的理解. 二.内容 1.直线点阵 请用点阵表示下列原子排列的周期性,说明每一个点阵点所代表的 内容. 周期性结构 ○○○○○○○○○○○○ 点阵 周期性结构 ○○ ○○ ○○ ○○ ○○ ○○ 点阵 周期性结构 ○0○0○0○0○0○0○0○0○0○0○0○ 点阵 2.平面点阵 请从下列平面点阵结构中抽出对应的点阵并选用最适合的点阵单 位,说明结构基元. b) a) 石墨层
c.NaCI(100)晶面 00000000000 00000000000 00000000000 0000000000 00000000000 00000000000 00o00000o00 3空间点阵画出下列晶体的晶胞和空间点阵型式，说明结构基元 a.NaCI型晶体结构 b.CsCI型晶体的点阵 c.Mn(立方简单) dNa(K Cr Mo W Li)(立方体心) e.金刚石 4.根据晶体结构模型填写下表 NaCI CsCI a-Fe 金刚石金属Mg 特征堆成元 晶系 点阵形式 点阵点数 结构基元 原子的分数 坐标
c. NaCl(100)晶面 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 0 ○ 3.空间点阵 画出下列晶体的晶胞和空间点阵型式,说明结构基元 a. NaCl 型晶体结构 b. CsCl 型晶体的点阵 c. Mn (立方简单) d. Na（ K Cr Mo W Li）(立方体心) e. 金刚石 4.根据晶体结构模型填写下表 NaCI CsCI a-Fe 金刚石 金属 Mg 特征堆成元 素 晶系 点阵形式 点阵点数 结构基元 原子的分数 坐标