化学工业出版社：高等学校教材《简明结构化学学习指导》书籍PDF电子版（附习题及解答，第二版，共九章，编：夏树伟、夏少武）.pdf_大学文库

第二版前言《简明结构化学教程（第三版）》于2011年12月由化学工业出版社出版。由于修订的内容较多，对相应配套的《简明结构化学学习指导（附习题及解答）》也进行了修订，作为该 “习题解答”的第二版出版。本书修订内容包括以下两部分： (1)因为对《简明结构化学教程（第三版）》各章的习题重新选订，有关习题进行了增减，所以相应的“习题解答”的第二版也进行了修改与补充。 (2)对“习题解答”（第一版）中“基本内容”进行了修改与补充。由于对《简明结构化学教程（第三版）》中一些章节的内容进行了修订，要求“习题解答”中“基本内容”部分随之而改变，且对有的内容做了深入一步的说明，目的是加深读者对概念、原理的理解。现将主要修改的内容陈述如下：第一章，对于改变量子力学基本假设内容的原因做了初步说明第二章，较深人地介绍了单电子近似及光谱项引入的原因。第三章，强调了对称性的重要性，对某些习题进行了修订。第四章，对空间波函数平方的物理意义，用氢分子离子沿键轴的电子概率密度分布来解释第五章，对价键理论与分子轨道理论进行了比较。第六章，介绍了硼烷与三中心双电子键概念，并配有习题。第七章，简述铁磁性、反铁磁性与亚铁磁性，次级键等内容，并配有习题。第八章，增加了光电子能谱一节，并配有习题。第九章，重新编写了晶棱指标、固体能带理论、杂质半导体，增加了习题。希望新版的《简明结构化学学习指导（附习题及解答）》有助于读者对《结构化学》的学习和理解，有助于提高解题能力与分析问题的能力。感谢化学工业出版社及编辑对本书再版所给予的支持与帮助夏树伟夏少武 2013年2月于青岛仅限读者PB18030910本人使用，阅毕请删除，不要传播

第一版前言本书是高等学校教材《简明结构化学教程》的配套教材。《简明结构化学教程》一书于1995年由化学工业出版社出版，并于2001年发行了第二版。刚出版此书时曾想编写《习题详解》，后来也陆续收到读者来信，希望出版《简明结构化学学习指导（附习题及解答）》，现已将此书编好，由化学工业出版社出版，以飨读者。结构化学是以微观粒子的运动规律为基础来研究原子、分子和晶体结构以及结构与性能之间关系的一门基础科学。对于这门课程的学习，学生普遍认为难学、难懂、难做习题。为了帮助学生抓住重点，克服难点，能在较短时间内比较深刻地理解结构化学的基本概念、基本原理与基本方法，特编此书。全书共分九章：量子力学基础知识，原子结构与性质，分子的对称性，分子轨道理论，价键理论，配合物的化学键理论，分子的物理性质及弱化学键，分子光谱，晶体结构。本书每章包括以下内容： 1,本章要点、重要概念。目的是让读者明确本章的中心内容和主要概念。抓住这些骨干来理解相关的知识，进而关联成“线”、成“面”，有助于记忆。 2.基本内容。将这一章的主要内容用简练的语言清楚地表达出来，有些基本概念、原理的阐述甚至比原书更明确、更清晰。 3.习题解答。本章习题的详细解答，注意有效数字和单位换算。 4.补充习题解答。为了更深人学习，理解本章内容，也为了研究生入学考试的需要又增加了“补充习题解答”，包括填空题、选择题、问答题和计算题四部分。这些内容大部分选自“考研”试题，仅供读者参考为使本书快速出版，教务处和化学院领导对本书的编写给予了鼓励和支持，研究生孙雅丽、徐香帮助完成本书的电脑打字工作，在此向他们表示衷心的感谢。本书编写时间较仓促，且限于我们的水平，难免有错误不当之处，恳请读者批评指正。夏树伟夏少武 2004年于青岛仅限读者PB18030910本人使用，阅毕请删除，不要传播

第一章量子力学基础知识结构化学是研究原子、分子和晶体的微观结构，阐述分子和晶体的成因化学键研究结构与性能的关系；以及测定分子和晶体结构的实验方法的学科。量子力学是关于微观粒子运动规律的理论，是深人探讨物质结构及其性能关系的理论基础，因此化学中所遇到的原子、分子结构问题则需要依据量子力学基本原理。一、本章要点 ①量子力学的实验基础：黑体辐射，光电效应。 ②实物粒子的基本特征是波粒二象性，其波动性被称为德布罗意(de Broglie)波，它是统计性的概率波。 ③不确定关系根源于微观粒子的波粒二象性，它揭示一条重要的物理规律，粒子在客观上不能同时有确定的位置和动量。 ④实物粒子的状态、运动规律、力学量等，构成了量子力学的物理基础，归纳出五个基本假设：波函数、算符、薛定谔(Schrodinger)方程、平均值假设、泡利(Pauli))原理 ⑤应用薛定谔方程处理简单体系一维无限深势阱，求解波函数与能量。二、重要概念波粒二象性，德布罗意波，波函数，概率密度，概率波，力学量算符，算符的本征值与本征函数，能量量子化，零点能，离域效应，节点，正交归三、基本内容 1.量子力学实验基础 (1)黑体辐射实验与能量量子化1900年普朗克提出，黑体发射或吸收能量只能是能量最小单位E。=v的整数倍，这种能量不连续变化，被称作能量量子化。 (2)光电效应实验与光量子（光子）学说 1905年爱因斯坦提出光子学说，认为光由许多微粒组成，这种微粒称为光量子（光子)，对于频率为y的光子，每个光子的能量为E=h,式中h为普朗克常量。光的波动性已被人们普遍接受，光电效应的实验结果又促使人们重新认识光的粒子性：即光具有波粒二象性。在光的波粒二象性的启发下，提出实物粒子具有波粒二象性的假设。 2.波粒二象性微观粒子包括静止质量不为零的实物粒子如电子、原子、分子等，也包括静止质量为零的粒子如光子。两者都具有波粒二象性粒子性与波动性。波粒二象性是微观粒子的基本特征。 (1)德布罗意波假设实物粒子的粒子性表现为粒子具有一定的质量、动量、电荷等仅限读者PB18030910本人使用，阅毕请删除，不要传播

·2 简明结物化学学习指导第二版在1924年德布罗意受到光的波粒二象性启发，提出实物粒子也有波动性，即实物粒子也具有波粒二象性的假设。以后称实物粒子的波动性为德布罗意波。相应的波长入和颜率，分别与动量力、能量E的关系为 (1-1) 式中，动量p=mv,通常<c(c为光速)。式(1-1)就是著名的德布罗意关系式。它概括实物粒子的波粒二象性，等号左边的波长入与颜率y体现了粒子的波动性；等号右边的动量p和能量E体现了粒子特征。两者被普朗克(Planck)常量联系起来。普朗克常量在微粒的波动性与粒子性之间起桥梁作用。 h=6.626×10-4J·s 普朗克常量是微观领域中非常重要的物理常数。 (2)德布罗意波的实验证实l927年由戴维逊(Davisson)和革末(Germer)的电子衍射实验证实了德布罗意假设的正确性。 (3)波函数的统计解释在某一时刻，在空间某点(x,y,z),单一粒子出现的概率为波函数绝对值的平方|(x,y,z,t)2。按着这样的解释，粒子的波动性反映了实物粒子运动的一种统计规律性，因此称德布罗意波是概率波。这种解释是玻恩(Bor)于1926年首次提出来的量子化和波粒二象性是量子力学中最基本的两个概念。 3.不确定关系在经典力学中能够用位置和动量描写物体的运动状态，在某一时刻物体有确定的位置，有确定的动量，二者完全可以同时确定，或者说具有确定的轨道运动。实物粒子由于存在波粒二象性，具有完全不同于宏观物体的性质，粒子的位置和动量不可能同时有确定值，或者说无确定的轨道运动。因此经典力学描述运动状态的方法从根本上不适用了，而是用波函数 (r,t)描写粒子的状态。如果一定要用位置和动量来描述粒子的运动状态，必带来不确定性。若一维运动的位置和动量的不确定度分别用△x和△p:表示，1927年海森堡(Heisen- berg)首先给出它们之间关系为 △x·△p,≥4元 (1-2) 此式称为不确定关系（测不准关系）不确定关系式根源于微观粒子的波粒二象性，它是微观粒子基本特征的反映，它揭示了一条重要的物理规律，粒子在客观上不能同时有确定的位置和动量，所以不能同时准确地测定它们，而不是测量方法和主观能力产生的测量误差。从这个意义上讲，不赞成把式(1-2) 称为“测不准关系式” 不确定关系给出了经典力学的适用范围，普朗克常量h是把经典理论与量子理论划分开来的重要物理常数。若对于任何具体问题，若普朗克常量h可以忽略不计，则△x和△p,可以同时为零，量子力学就不适用了，适用于经典力学。如果不能忽略，它起重要作用，必须用量子力学来阐明粒子的运动规律。因此说，h是区别微观粒子与宏观物体运动规律的重要标志。微观粒子的波粒二象性属性，可以派生出三个重要概念：描述方式的概率特征、力学量常常离散取值的量子化现象、不确定关系，它们构成量子力学的基本特征。 4.量子力学的基本假设量子力学是描述粒子运动规律的基本理论，其基本原理是以假设的方式提出，假设的正仅限读者PB18030910本人使用阅毕请删除不要传

第一章量子力学基础知识 ·3· 确性由它得出的物理结果与实验完全符合而得到证实。假设1 波函数假设对于单一微观粒子体系的运动状态可以用波函数y(x,y,z,t)来完全描写。它是时间t 和粒子坐标x,y,z的函数；单一粒子在某一时刻出现在空间某点的概率为波函数绝对值的平方，即|y(x,y,x,t)2。这一假设可细分为三点内容：①分号前的内容说明微观粒子的状态由波函数表示；②分号后的内容是波函数的统计解释；③由此得出对波函数性质的要求。 (1)概率密度与波函数的性质 ①概率密度如果以dω表示单一粒子在某一时刻t,在小体积dr中的概率，则有 (1-3) 式中，少为中的共轭复数；称为概率密度或某一点的概率。 ②波函数的性质将波函数中乘以常数c(c可以是复数)，中与c中描写同一状态。 (2)波函数的标准条件及波函数的归一化 ①波函数的标准条件要使中°中表示概率密度合理，波函数中必须满足单值、连续、有限，称为波函数标准条件或合格条件。波函数中有限，即平方可积。只有在空间某点波函数的数值是有限的，单一粒子出现在整个空间的概率才可能为1。 ②波函数的归一化按波函数的统计解释，|2dx表示单一粒子在时刻t出现在体积 dx内的概率，因此在全空间出现的概率总和为1，则 J室室1dr=1 (1-4) 满足式(1-4)的波函数中称为归一化波函数，也称中满足归一化条件。如果式(1-4)的积分不等于1，等于有限值，则 lol'dr=k k<oo 可用常数一启桑以、则是邸代入式(1-4) WE'l'dr=kdr=k 可得 [l'12dr=1 所以称中为归一化波函数，求得少的过程称为波函数的归一化。 (3)态叠加原理设中，血，.，中为某一个微观体系的几个状态，即体系可能处于，也可能处于血，.， 4,状态，由这些状态线性叠加所得到的状态中也是该体系的一个状态。 b=c1山1十c,山2十十c.b.=2c,b (1-5) 式中，c1,c,为系数，这就是态叠加原理。仅限读者PB18030910本人使用，阅毕请删除，不要传播