廣西師範大學結構化學基礎習題答案周公度第4版

2021-03-03 23:54:00 字數 4476 閱讀 8211

【1.15】已知在一維勢箱中粒子的歸一化波函式為

式中是勢箱的長度,是粒子的座標,求粒子的能量,以及座標、動量的平均值。

解:(1)將能量算符直接作用於波函式,所得常數即為粒子的能量:

即:(2)由於無本徵值,只能求粒子座標的平均值:

(3)由於無本徵值。按下式計算px的平均值:

【1.20】若在下一離子中運動的電子可用一維勢箱近似表示其運動特徵:

估計這一勢箱的長度,根據能級公式估算電子躍遷時所吸收的光的波長,並與實驗值510.0比較。

解:該離子共有10個電子,當離子處於基態時,這些電子填充在能級最低的前5個型分子軌道上。離子受到光的照射,電子將從低能級躍遷到高能級,躍遷所需要的最低能量即第5和第6兩個分子軌道的的能級差。

此能級差對應於棘手光譜的最大波長。應用一維勢箱粒子的能級表示式即可求出該波長:

實驗值為510.0nm,計算值與實驗值的相對誤差為-0.67%。

【2.9】已知氫原子的,試回答下列問題:

(a)原子軌道能e=?

(b)軌道角動量|m|=?軌道磁矩|μ|=?

(c)軌道角動量m和z軸的夾角是多少度?

(d)列出計算電子離核平均距離的公式(不算出具體的數值)。

(e)節面的個數、位置和形狀怎麼樣?

(f)概率密度極大值的位置在何處?

(g)畫出徑向分布示意圖。

解:(a)原子的軌道能:

(b)軌道角動量:

軌道磁矩:

(c)軌道角動量和z軸的夾角:

, (d)電子離核的平均距離的表示式為:

(e)令,得:

r=0,r=∞,θ=900

節面或節點通常不包括r=0和r=∞,故的節面只有乙個,即xy平面(當然,座標原點也包含在xy平面內)。亦可直接令函式的角度部分,求得θ=900。

(f)機率密度為:

由式可見,若r相同,則當θ=00或θ=1800時ρ最大(亦可令,θ=00或θ=1800),以表示,即:

將對r微分並使之為0,有:

解之得:r=2a0(r=0和r=∞捨去)

又因:所以,當θ=00或θ=1800,r=2a0時,有極大值。此極大值為:

(g)根據此式列出d-r資料表:

按表中資料作出d-r圖如下:

【2.14】寫出li2+離子的schrdinger方程,說明該方程中各符號及各項的意義,寫出li2+離子1s態的波函式並計算或回答:

(a)1s電子徑向分布最大值離核的距離;

(b)1s電子離核的平均距離;

(c)1s電子機率密度最大處離核的距離;

(d)比較li2+離子的2s和2p態能量的高低;

(e)li原子的第一電高能(按slater遮蔽常數算有效核電荷)。

解:li2+離子的schrdinger方程為:

方程中,μ和r分別代表li2+的約化質量和電子到核的距離;▽2,ψ和e分別是laplace算符、狀態函式及該狀態的能量,h和ε0分別是planck常數和真空電容率。方括號內為總能量算符,其中第一項為動能算符。第二項為勢能算符(即勢能函式)。

li2+子1s態的波函式為:

(a)又1s電子徑向分布最大值在距核處。

(b)(c)因為隨著r的增大而單調下降,所以不能用令一階導數為0的方法求其最大值離核的距離。分析的表示式可見,r=0時最大,因而也最大。但實際上r不能為0(電子不可能落到原於核上),因此更確切的說法是r趨近於0時1s電子的機率密度最大。

(d)li2+為單電子「原子」,組態的能量只與主量子數有關,所以2s和2p態簡併,即e2s=e2p。

(e)li原子的基組態為(1s)2(2s)1。對2s電子來說,1s電子為其相鄰內一組電子,σ=0.85。因而:

根據koopmann定理,li原子的第一電離能為:

i1=-e2s=5.75ev

【2.17】用slater法計算be原子的第一到第四電離能,將計算結果與be的常見氧化態聯絡起來.

解:原子或離子 be(g)→ be+(g)→ be2+(g)→be3+(g)→be4+(g)

組態根據原子電離能的定義式,用slater法計算be原子的各級電離能如下:

計算結果表明:;和相近(差為),和相近(差為62.7ev),而和相差很大(差為136.8ev)。所以,be原子較易失去2s電子而在化合物中顯正2價。

【2.22】基態ni原子的可能的電子組態為:(a)[ar]3d84s2; (b)[ar]3d94s1,由光譜實驗確定其能量最低的光譜支項為3f4。試判斷它是哪種組態。

解:分別求出a,b兩種電子組態能量最低的光譜支項,與實驗結果對照,即可確定正確的電子組態。

組態a:。因此,能量最低的光譜支項為,與光譜實驗結果相同。

組態b:。因此,能量最低的光譜支項為,與光譜實驗結果不同。

所以,基態ni原子的電子組態為。

【3.3】分子基態的電子組態為,其激發態有

,,試比較,,三者能級的高低次序,說明理由,能量最低的激發態是順磁性還是反磁性?

解:。因為(c)中兩個電子都在反鍵軌道上,與h原子的基態能量相比,約高出。而(a)和(b)中的2個電子分別處在成鍵軌道和反鍵軌道上,和都與h原子的基態能量相近,但(a)中2個電子的自旋相反,(b)中的2個電子的自旋相同,因而稍高於。

能級最低的激發態(b)是順磁性的。

【3.6】據分子軌道理論,指出的鍵比的鍵是強還是弱,為什麼?

解:的鍵比的鍵弱。

原因是:的基態價電子組態為,鍵級為1。比少1個反鍵電子,鍵級為1.5。

【3.10】試用分子軌道理論討論分子的電子結構,說明基態時有幾個不成對電子。

解:在so分子的紫外光電子能譜中觀察到6個峰。它們所對應的分子軌道的歸屬和性質已借助於量子力學半經驗計算(**do)得到指認。

結果表明,so分子的價電子結構與o2分子和s2分子的價電子結構相似。但so是異核雙原子分子,因而其價電子組態可表述為:

其中,和軌道是成鍵軌道,和軌道是反鍵軌道。這些價層分子軌道是由o原子的2s、2p軌道和s原子的3s、**軌道疊加成的。

根據價層分子軌道的性質和電子數,可算出so分子的鍵級為:

在簡併的軌道上各有乙個電子,因而so分子的不成對電子數為2,若忽略軌道運動對磁距的影響,則so分子的磁距為。

【3.14】分子於2023年在星際空間被發現。

(a) 試按分子軌道理論只用原子的軌道和原子的軌道疊加,寫出其電子組態

(b) 在哪個根子軌道中有不成對電子?

(c) 此軌道是由和的原子軌道疊加形成,還是基本上定域於某個原子上?

(d) 已知的第一電離能為,的第一電離能為,它們的差值幾乎和原子與原子的第一電離能的差值相同,為什麼?

(e) 寫出它的基態光譜項。

解:(a)h原子的1s軌道和o原子的軌道滿足對稱性匹配、能級相近(它們的能級都約為-13.6ev)等條件,可疊加形成軌道。oh的基態價電子組態為。

實際上是o原子的,而實際上是o原子的或。因此,oh的基態價電子組態亦可寫為。和是非鍵軌道,oh有兩對半非鍵電子,鍵級為1。

(b)在軌道上有不成對電子。

(c)軌道基本上定域於o原子。

(d)oh和hf的第一電離能分別是電離它們的電子所需要的最小能量,而軌道是非鍵軌道,即電離的電子是由o和f提供的非鍵電子,因此,oh和hf的第一電離能差值與o原子和f原子的第一電離能差值相等。

(e),基態光譜項為:

【3.22】在的基本振動吸收帶的中心處,有波數分別為2925.78、2906.25、2865.09和2843.56的轉動譜線,其倍頻為,請計算:

(a) 非諧性常數;

(b) 力常數;

(c) 鍵長;

(d) 平衡解離能。

解:(a) 在此振---轉光譜中,波數為2925.78和2906.

25的譜線屬r支,波數為2865.09和2843.56的譜線屬p支,在兩支轉動譜線的中心即振動基頻:

已知倍頻為,根據非諧振子模型,得聯立方程如下:

解得:(b) 由,得

(c) 由和得

(d) 由h35cl的振—轉光譜p支=2865.09,2843.56可得

【4.2】寫出分子中的對稱元素。

解:。【4.11】分子的形狀和相似,試指出它的點群。

解:sf6分子呈正八面體構型,屬點群。當其中乙個f原子被cl原子取代後,所得分子sf5cl的形狀與sf6 分子的形狀相似(見圖4.

11),但對稱性降低了。sf5cl分子的點群為。

圖4.11 sf5cl的結構

【5.6】臭氧的鍵角是。若用雜化軌道描述中心氧原子的成鍵軌道,試按鍵角與軌道成分的關係式計算:

(a) 成鍵雜化軌道中係數和值;

(b) 成鍵雜化軌道的每個原子軌道貢獻的百分數。

解:(a))根據雜化軌道的正交、歸一性可得下列聯立方程

解之,得

所以,o3原子的o原子的成鍵雜化軌道為:

成而被孤對電子佔據的雜化軌道為:

孤可見,孤中的s成分比成中的s成分多。

(b)按態疊加原理,雜化軌道中某一原子軌道所佔的成分(即該原子軌道對雜化軌道的貢獻)等於該原子軌道組合係數的平方。因此,和對成的貢獻分別為和,即分別約為0.3108和0.

6892。

【5.7】直線形對稱構型的離子,若成鍵電子只是軌道上的電子(即將電子作為原子實的一部分)。

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