[理学]物质结构基本原理 第二版 习题详解下 郭用猷 张冬菊 刘艳华编著.doc
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1、第六章 价键理论习题6.1将海特勒伦敦处理所得波函数归一化。6.2试写出一个在,方向上的等性杂化轨道。6.3已知sp3杂化的3个轨道是试用正交归一化条件求.6.4若令一个杂化轨道指向轴的正方向,另外两个在平面内,求的三个杂化轨道。6.5臭氧为V型分子,键角为,试求中心原子的成键杂化轨道。以对称轴C2轴为对称轴,分子平面为XOZ平面。6.6 H2O中两个成键的sp3杂化轨道的s成分为0.20,求两个未成键的sp3杂化轨道的s成分和p成分。6.7实验测得乙烯()分子中,分子处于平面,轴位于轴上。试计算原子杂化轨道的系数。6.8说明、离子的立体构型和成键情况。6.9在气态时通常生成二聚体,试说明其成
2、键情况和立体构型。6.10实验测得氟代甲烷的键角为 分子试计算上述三个分子中碳原子用于生成键和键的杂化轨道的成分。6.11为什么有两种同分异构体,而只有一种?6.12为什么存在,和,而不存在和?6.13为何,两种分子的沸点较低?6.14和的几何构型有何差异,说明理由。6.15是离子型化合物,熔融能导电,试说明成键情况和立体构型。题解6.1将海特勒伦敦处理所得波函数归一化。解:因为和都是归一化的,且,所以有6.2试写出一个在,方向上的等性杂化轨道。解: 该杂化轨道的方向为此方向上的杂化轨道为6.3已知sp3杂化的3个轨道是试用正交归一化条件求解:由,得由,得又得,6.4若令一个杂化轨道指向轴的正
3、方向,另外两个在平面内,求等性的三个杂化轨道。解:3个杂化轨道的方向分别为,杂化,杂化轨道表达式为:3个方向分别为,的杂化轨道为6.5臭氧为V型分子,键角为,试求中心原子的成键杂化轨道。以对称轴C2轴为对称轴,分子平面为XOZ平面。解:由得:取对称轴C2为z轴,分子平面为xoz平面,则与z轴夹角,与x轴夹角。的方向余弦为,0,的方向余弦为,0,6.6 H2O中两个成键的sp3杂化轨道的s成分为0.20,求两个未成键的sp3杂化轨道的s成分和p成分。解:s成分p成分1-0.30.76.7实验测得乙烯()分子中,分子处于平面,轴位于轴上。试计算原子杂化轨道的系数。解:乙烯分子中,原子采用杂化,形成
4、三个杂化轨道,其中有两个杂化轨道与氢原子的轨道形成键,其键角为。根据键角公式,得,余下一个杂化轨道与另外原子的杂化轨道成键,其,已知轴和轴平行,所以这个杂化轨道的方向为,其杂化轨道为另两个杂化轨道与它的夹角均为,其方向分别为,对应的杂化轨道为6.8说明、离子的立体构型和成键情况。解:离子和分子的电子数目相等。分子是正四面体结构,根据等电子原理,离子也应是正四面体结构。原子采用杂化,四个杂化轨道分别与四个氢原子的轨道形成键。同理,、和分子的电子数目相等,故也是正四面体结构。和分别采用杂化,四个杂化轨道分别与的轨道形成键。6.9在气态时通常生成二聚体,试说明其成键情况和立体构型。解:的价电子层结构
5、为,它是一个缺电子原子,在形成二聚体分子时,采用不等性杂化,其中2个杂化轨道分别与2个形成2个键。另外还生成2个双电子三中心键,每个双电子三中心键是由2个的2个杂化轨道和1个电子以及的1个轨道和1个电子形成。其结构为:6.10实验测得氟代甲烷的键角为 分子试计算上述三个分子中碳原子用于生成键和键的杂化轨道的成分。解:由键角公式得(1)中碳原子用于生成键的杂化轨道的成分:0.2550.273(2)中碳原子用于生成键的杂化轨道的成分:0.272用于生成键的杂化轨道的成分:0.239(3)中碳原子用于生成键的杂化轨道的成分:0.2446.11为什么有两种同分异构体,而只有一种?解:因为分子中为双键,
6、不能自由旋转(因双键中轨道叠加有方向性),故有顺式和反式两种异构体,它们的结构式如下 顺 反两种异构体中,原子都用杂化轨道成键,分子呈平面形。顺式为,反式为。在分子中,原子用杂化轨道成键,分子呈直线形,因此无异构体。6.12为什么存在,和,而不存在和?解:,原子是第二周期原子,其价层只有只有,轨道,即只有4个价轨道,所以它们最多只能生成4个共价键。所以存在和,不存在和。原子是第三周期原子,其电子层结构为:,具有,和轨道,共有9个价轨道,所以它能生成多于4的共价键。因此分子存在。6.13为何,两种分子的沸点较低?解:,中,和均采用杂化,四个杂化轨道分别与四个氯原子的轨道形成键,两种分子呈正四面体
7、构型,为非极性分子,所以其沸点较低。6.14和的几何构型有何差异,说明理由。解:在分子中的外层电子结构为,它采用不等性的杂化,其中三个相同的杂化轨道与原子的3个轨道形成键,另一个不相同的杂化轨道上有一对孤对电子。故分子呈三棱锥型结构,属。在分子中硼的外层电子结构是,原子采用杂化,3个杂化轨道分别和的3个轨道形成键。故分子呈正三角形,属。6.15是离子型化合物,熔融能导电,试说明成键情况和立体构型。解:的核外电子排布为。采用杂化,形成的四个杂化轨道与四个氢原子的轨道形成键。所以为正四面体构型。答案6.16.26.36.46.56.6 0.3, 0.76.76.8、是正四面体结构。、和分别采用杂化
8、,四个杂化轨道分别与或的轨道形成键。6.9其结构为:6.10:0.2550.273;:0.272, 0.239;:0.2446.11略6.12略6.13略6.14,三棱锥型结构;,正三角形。6.15采用杂化,形成的四个杂化轨道与四个氢原子的轨道形成键。所以为正四面体构型。第七章习题7.1 分别求出在正八面体强场和弱场中d4和d8组态的CFSE.7.2 试分别求出正四面体强场和弱场中,和组态的稳定化能。7.3 在正四面体场中,哪些组态在强、弱场中的CFSE相同?7.4 d8组态在正八面体强、弱场中有无姜泰勒形变?7.5 d5组态在正八面体强、弱场中有无姜泰勒形变?7.6 d3组态在正八面体场中分
9、裂为哪几个强场组态?每一组态含有多少个微观状态?7.7 d4组态在正四面体场中分裂为哪几个强场组态?每一组态含有多少个微观状态?7.8和可以生成配位化合物,试说明其成键情况。7.9试用价键理论和晶体场理论解释下列分子的磁性:(1),是正方形,反磁性;(2)正四面体形,顺磁性。7.10对于电子组态为的正八面体过渡金属离子配合物,考虑到电子成对能P,试计算(1)分别处在高、低自旋基态时的能量;(2)当高、低自旋构型具有相同能量时,电子成对能和晶体场分裂能的关系。7.11化学式为的一类晶体统称为尖晶石,如MgAl2O4、NiAl2O4等。其中氧离子为立方密堆积(详见第九章)。金属离子占据O所围成的正
10、四面体空隙的称为正常尖晶石型;占据O所围成的正八面体空隙的称为反尖晶石型。试从晶体场稳定化能说明晶体是什么结构(为结构)?7.12计算化合物和的磁矩。7.13画出配合离子的分子轨道能级图,指出配位离子形成前后电子的排布,并在能级图上标明分裂能位置。7.14已知的,;,试(1)说明这两个离子的电子排布情况;(2)计算离子的磁矩(用表示)。7.15试阐述银盐溶液分离烷烃和烯烃混合物的基本原理。7.16为什么羰基配合物中心原子可以是零价(例如),甚至是负价(例如)?7.17试用分子轨道理论说明卤素离子、和的配位场的强弱次序及其原因。7.18为什么过渡金属元素的化合物大多有颜色?7.19硅胶干燥剂中常
11、加入(蓝色),吸水后变为红色,试用配位场理论解释之。7.20说明是否符合18个电子规则。7.21 求B5H11可能有的结构。7.22 给出图中所示硼烷的分子式和结构(styx)。图习题7.227.23给出图中所示硼烷的分子式和结构(styx)。图习题7.237.24 预测硼烷B10H16可能有哪几种异构体。题解7.1 分别求出在正八面体强场和弱场中d4和d8组态的CFSE.解:d4组态的强场组态是 CFSE4Dq416Dq d4组态的弱场组态是 CFSE4Dq36Dq6Dqd8组态在强、弱场中的组态均为,其CFSE相同,均为 CFSE4Dq66Dq212Dq7.2分别求出正四面体强场和弱场中,
12、和组态的稳定化能。解:正四面体中,强场时:组态,组态,组态,弱场时:组态,组态,组态,7.3 在正四面体场中,哪些组态在强、弱场中的CFSE相同?解:d1d3,d9d10.如d2和d9在强场和弱场中的电子排布完全相同。 d2 d97.4 d8组态在正八面体强、弱场中有无姜泰勒形变?解:均没有。d8组态在正八面体强、弱场中的电子排布均为没有简并能级。7.5 d5组态在正八面体强、弱场中有无姜泰勒形变?解:强、弱场中的电子排布分别为强场(低自旋) 弱场(高自旋)故知在强场(低自旋)中有,在弱场(高自旋)中没有。7.6 d3组态在正八面体场中分裂为哪几个强场组态?每一组态含有多少个微观状态?解:有和
13、共4个强场组态,其微观状态数分别为;7.7 d4组态在正四面体场中分裂为哪几个强场组态?每一组态含有多少个微观状态?答:有共5个强场组态,其微观状态数分别为7.8和可以生成配位化合物,试说明其成键情况。解:在分子中的外层电子结构为,它采用不等性的杂化,其中三个相同的杂化轨道与原子的轨道形成键,另一个不相同的杂化轨道上有一对孤对电子。故分子呈三角锥型结构。实验测得它的键角是。在分子中硼的外层电子结构是,原子采用杂化,3个杂化轨道分别和的3个轨道形成键。故分子呈正三角形。因为在分子中有空的轨道,与分子中的孤对电子可形成配键而生成配位化合物,但在配合物中,原子采用杂化,所以和成配合物后,分子呈顶点相
14、连的双三角锥构型。7.9试用价键理论和晶体场理论解释下列分子的磁性:(1),是正方形,反磁性;(2)正四面体形,顺磁性。解:价键理论的解释:(1),为正方形,中心离子中8个电子挤到4个轨道上,空出一个轨道作杂化,然后与4个配位体形成4个共价配键,成为正方形络合物。成单电子数为0,反磁性。(2)正四面体形,采用了杂化,有2个成单电子,所以为顺磁性。晶体场解释:(1),为正方形,形成正方形场,中心离子为组态,其电子在分裂后的轨道上按能级高低填充,即,由于轨道能级太高,没有电子填充,未成对电子数为0,为反磁性。(2)为正四面体场,中心离子的8个电子在分裂后的轨道上按能级高低填充,即,有2个成单电子,
15、故为顺磁性。7.10对于电子组态为的正八面体过渡金属离子配合物,考虑到电子成对能P,试计算(1)分别处在高、低自旋基态时的能量;(2)当高、低自旋构型具有相同能量时,电子成对能和晶体场分裂能的关系。解:(1)八面体场中,高自旋基态时电子排布为低自旋基态时电子排布为(2)当高、低自旋构型具有相同能量时,则7.11化学式为的一类晶体统称为尖晶石,如MgAl2O4、NiAl2O4等。其中氧离子为立方密堆积(详见第九章)。金属离子占据O所围成的正四面体空隙的称为正常尖晶石型;占据O所围成的正八面体空隙的称为反尖晶石型。试从晶体场稳定化能说明晶体是什么结构(为结构)?解:若填入四面体空隙,其电子排布为此
16、时晶体场稳定化能若填入八面体空隙,其电子排布为此时晶体场稳定化能倾向于填入稳定化能大的空隙中,即填入八面体空隙,所以是反尖晶石型。7.12计算化合物和的磁矩。解:中,为高自旋配合物,电子排布,为低自旋配合物,电子排布7.13画出配合离子的分子轨道能级图,指出配位离子形成前后电子的排布,并在能级图上标明分裂能位置。7.14已知的,;,试(1)说明这两个离子的电子排布情况;(2)计算离子的磁矩(用表示)。解:,电子按强场排布为,电子按弱场排布为7.15试阐述银盐溶液分离烷烃和烯烃混合物的基本原理。解:核外电子排布为,烯烃的电子配位给的空轨道,形成轨道;的电子反馈给烯烃的空轨道,形成键,从而能与烯烃
17、以配键形成稳定化合物。但是不能与烷烃形成配合物。所以将烯烃和烷烃的混合物通过或等溶液,可将烯烃、烷烃分离,这个反应即可用于色谱分析,也可用于工业分离。7.16为什么羰基配合物中心原子可以是零价(例如),甚至是负价(例如)?解:分子轨道理论认为,在这些羰基配合物中,与金属原子形成配键,即将孤对电子给予中心金属原子的空轨道形成配键的同时,的反键空轨道可以接受金属原子轨道上的电子反馈形成反馈键。这样可以减少由于生成配键引起的金属原子上过多的负电荷积累。因此,只要具有能接受电子的空轨道,同时又具有能反馈给轨道的电子,羰基配合物中的过渡金属可以是零价或是负价。7.17试用分子轨道理论说明卤素离子、和的配
18、位场的强弱次序及其原因。解:配位场的强弱次序为:卤素离子分子轨道理论认为配位体能接受中心离子的部分电子组成型分子轨道者,则使值增大。属于这种情况。若配位体给予中心离子部分电子组成型分子轨道者,则使值降低。卤素离子属于这种情况。而不具有以上两种性质,与中心离子组合后的轨道基本上保持原来中心离子的轨道,因此组合后的和轨道之间的能量差与晶体场中的轨道分裂能相近,所以配位场的强弱次序为卤素离子a),求产生谱线a的下能级的J值。8.5求双原子分子绕通过质心且垂直于键轴的转动惯量。8.6的键长是,求其转动光谱前四条谱线的波数。8.7求证按非刚性模型所得转动光谱相邻两条谱线间的距离随着的增大而逐渐缩小。8.
19、8实验测得转动光谱第一条谱线的频率为,求键长。转动光谱第四条谱线的频率是多少?8.9的转动光谱是由一系列间隔为的谱线组成,求键长。8.10 转动光谱几条相邻谱线如下()83.32 104.1 124.7 145.4 165.9 186.2求其转动惯量和键长,并求 转动光谱前4条谱线的波数。8.11 的平衡核间距是,求转动常数和。8.12 已知的,求和的。8.13已知键的弹力常数为,求的振动频率。8.14比较和的力常数。已知和的分别为和。8.15 振动光谱基本光带和第一泛音带带心分别位于和,求其,和。8.16 的前几个振动能级如下():142.8 427.3 710.3 991.8求力常数、零点
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