結構化學 習題答案 1-10章習題及答案.doc
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第一章 思考題和習題 1 什么是物質波和它的統(tǒng)計解釋? 2 如何理解合格波函數(shù)的基本條件? 3 如何理解態(tài)疊加原理? 4 測不準原理的根源是什么? 5 鋁的逸出功是4.2eV,用2000的光照射時,問(a)產生的光電子動能是多少?(b)與其相聯(lián)系的德布羅依波波長是多少?(c)如果電子位置不確定量與德布羅依波波長相當,其動量不確定量如何? 6 波函數(shù)e-x(0≤x≤)是否是合格波函數(shù),它歸一化了嗎?如未歸一化,求歸一化常數(shù)。 7 一個量子數(shù)為n,寬度為l的一維勢箱中的粒子,①在0~1/4 區(qū)域內的幾率是多少?②n取何值時幾率最大?③當n→∞時,這個幾率的極限是多少? 8 函數(shù)是不是一維勢箱中粒子的可能狀態(tài)?如果是,其能量有無確定值?如果有,是多少?如果能量沒有確定值,其平均值是多少? 9 在算符,, exp, 中,那些是線性算符? 10 下列函數(shù), 那些是的本征函數(shù)? 并求出相應的本征值。 (a) eimx (b) sinx (c) x2+ y2 (d) (a-x)e-x 11 有算符 求。 參考答案 1 象電子等實物粒子具有波動性被稱作物質波。物質波的波動性是和微粒行為的統(tǒng)計性聯(lián)系在一起的。對大量粒子而言,衍射強度(即波的強度)大的地方,粒子出現(xiàn)的數(shù)目就多,而衍射強度小的地方,粒子出現(xiàn)的數(shù)目就少。對一個粒子而言,通過晶體到達底片的位置不能準確預測。若將相同速度的粒子,在相同的條件下重復多次相同的實驗,一定會在衍射強度大的地方出現(xiàn)的機會多,在衍射強度小的地方出現(xiàn)的機會少。因此按照波恩物質波的統(tǒng)計解釋,對于單個粒子,代表粒子的幾率密度,在時刻t,空間q點附近體積元內粒子的幾率應為;在整個空間找到一個粒子的幾率應為 。表示波函數(shù)具有歸一性。 2 合格波函數(shù)的基本條件是單值,連續(xù)和平方可積。由于波函數(shù)代表概率密度的物理意義,所以就要求描述微觀粒子運動狀態(tài)的波函數(shù)首先必須是單值的,因為只有當波函數(shù)ψ在空間每一點只有一個值時,才能保證概率密度的單值性;至于連續(xù)的要求是由于粒子運動狀態(tài)要符合Schrdinger方程,該方程是二階方程,就要求波函數(shù)具有連續(xù)性的特點;平方可積的是因為在整個空間中發(fā)現(xiàn)粒子的概率一定是100%,所以積分必為一個有限數(shù)。 3 在經典理論中,一個波可由若干個波疊加組成。這個合成的波含有原來若干波的各種成份(如各種不同的波長和頻率)。而在量子力學中,按波函數(shù)的統(tǒng)計解釋,態(tài)疊加原理有更深刻的含義。某一物理量Q的對應不同本征值的本征態(tài)的疊加,使粒子部分地處于Q1狀態(tài),部分地處于Q2態(tài),……。各種態(tài)都有自己的權重(即成份)。這就導致了在態(tài)疊加下測量結果的不確定性。但量子力學可以計算出測量的平均值。 4 根源就在于微觀粒子的波粒二象性。 5 (a) J (b) m (c) Kg m s-1 6 沒有歸一化,歸一化因子為 7 (1) (2) (3) 8 根據(jù)態(tài)疊加原理,是一維勢箱中粒子一個可能狀態(tài)。能量無確定值。平均值為 9 和 是線性算符. 10 (a) 和 (b) 是的本征函數(shù),其相應的本征值分別為-m2和-1。11 附錄1 物理常數(shù)表和能量單位換算表 1 一些物理常數(shù) 名稱 符號 數(shù)值 電子質量 me 9.1095310-31kg 質子質量 Mp 1.6726510-27kg 電子電荷 e -1.6021910-19C 真空光速 c 2.997955108m/s Planck常數(shù) h 6.6261810-34Js Avogadro常數(shù) N 6.022051023mol-1 Boltzmann常數(shù) k 1.3806610-23J/K 2 能量單位換算表 Units Hartree kcal/mole eV cm-1 kJ/mole 1Hartree(a.u.) 1.00000E+00 6.27510E+02 2.721138E+01 2.1947463137E+05 2.62550E+03 1kcal/mole 1.59360E-03 1.00000E+00 4.33641E-02 3.49755E+02 4.18400E+00 1eV 3.67493E-02 2.30605E+01 1.00000E+00 8.065541E+03 9.64853E+01 1cm-1 4.55634E-06 2.85914E-03 1.23984E-04 1.00000E+00 1.19627E-02 1kJ/mole 3.80880E-04 2.39006E-01 1.03643E-02 8.35935E+01 1.00000E+00 其中,1 kcal = 4.184 J,E是以10為底的指數(shù)。 第二章習題 2.1 簡要說明原子軌道量子數(shù)及它們的取值范圍? 2.2 在直角坐標系下,Li2+ 的Schrdinger 方程為________________ 。 2.3 , 其中都是歸一化的。試回答下列問題: (a) 波函數(shù)所描述狀態(tài)的能量平均值? (b) 角動量出現(xiàn)在的概率?(c) 角動量 z 分量的平均值? 2.4 已知類氫離子 He+的某一狀態(tài)波函數(shù)為:y= (a)此狀態(tài)的能量E=? (b)此狀態(tài)的角動量的平方值? (c)此狀態(tài)角動量在 z 方向的分量? (d)此狀態(tài)的 n, l, m 值分別為何值? e)此狀態(tài)角度分布的節(jié)面數(shù)? 2.5 求出Li2+ 1s態(tài)電子的下列數(shù)據(jù): (a) 電子概率密度最大處離核距離? (b) 電子離核的平均距離? (c) 單位厚度球殼中出現(xiàn)電子概率最大處離核的距離 ? (d) 比較2s和2p能級的高低? (e) 電離能? () 2.6 已知 H 原子的 試計算:(a) 原子軌道能 E 值 (b) 軌道角動量絕對值│M│; (c) 軌道角動量和 z 軸夾角的度數(shù)。 2.7 一個電子主量子數(shù)為 4,這個電子的 l, m, ms 等量子數(shù)可取什么值?這個電子共有多少種可能的狀態(tài)? 2.8 碳原子 1s22s22p2組態(tài)共有 1S0,3P0,3P1,3P2,1D2等光譜支項,試寫出每項中微觀能態(tài)數(shù)目及按照 Hund 規(guī)則排列出能級高低次序。 2.9 求下列譜項的各支項,及相應于各支項的狀態(tài)數(shù): 2P; 3P; 3D; 2D; 1D 2.10 給出 1s, 2p 和 3d 電子軌道角動量的大小及其波函數(shù)的徑向和角度部分的節(jié)面數(shù)。 2.11 已知Li2+處于,根據(jù)節(jié)面規(guī)律判斷,n,為多少?并求該狀態(tài)的能量。 2.12 下面各種情況最多能填入多少電子: (a) 主量子數(shù)為n的殼層;(b) 量子數(shù)為n和l的支殼層;(c) 一個原子軌道;(d) 一個自旋軌道。 2.13 某元素的原子基組態(tài)可能是s2d3,也可能是s1d4 ,實確定其能量最低的光譜支項為6D1/2,請確定其組態(tài)。 2.14 H原子中的歸一化波函數(shù)所描述的狀態(tài)的能量、角動量和角動量的 z 軸分量的平均值各為多少?是H原子的歸一化波函數(shù)。 2.15 已知He+處于 態(tài),式中。試回答下列問題: (a) 能量E=?(b) 軌道角動量┃M┃=? (c) 軌道角動量與z軸夾角是多少度?(d) 指出該狀態(tài)波函數(shù)的節(jié)面?zhèn)€數(shù)。 2.16 已知He+處于波函數(shù)狀態(tài),計算: (a) E=-R/4出現(xiàn)的概率;(b) M2=2出現(xiàn)的概率;(d) Mz=-出現(xiàn)的概率。 參考答案 2.1 原子軌道有主量子數(shù)n,角量子數(shù),磁量子數(shù)m與子旋量子數(shù)s對類氫原子(單電子原子)來說,原子軌道能級只與主量子數(shù)n相關。 對多電子原子,能級除了與n相關,還要考慮電子間相互作用。角量子數(shù)決定軌道角動量大小,磁量子數(shù)m表示角動量在磁場方向(z方向)分量的大小,自旋量子數(shù)s則表示軌道自旋角動量大小。 n取值為1、2、3……;=0、1、2、……、n-1; m=0、1、2、……l; s取值只有。 2.2 式中: r = ( x2+ y2+ z2)1/2 2.3 (a) (b) 出現(xiàn)在 的概率1 (c) 2.4 (a) -13.6 eV; (b) 0; (c) 0 ;(d) 2,0,0; (e) 0 2.5 (a) 0;(b) a0/ 2 ;(c) a0/ 3 ; (d)相等 ; (e)122.4 eV。 2.6 (a) (-1/4)13.6 = -3.4 eV ; (b) ; (c) 90 2.7 l:0, 1, 2, 3 m:0,1, 2, 3 ms:1/2 總的可能狀態(tài)數(shù):2 ( 1 + 3 + 5 + 7 ) = 32 種 2.8 能級由高到低次序為 : 1S0 1D2 3P2 3P1 3P0 微觀能態(tài)數(shù) 1 5 5 3 1 2.9 2P: 光譜支項為 2P3/2 , 2P1/2,其狀態(tài)數(shù)分別為4和20 。 3P: 光譜支項為 3P2 , 3P1 , 3P0 , 其狀態(tài)數(shù)分別為 5, 3, 1 。 3D: 光譜支項為 3D3 , 3D2 , 3D1 , 其狀態(tài)數(shù)分別為 7, 5, 3 。 2D: 光譜支項為 2D5/2 , 2D3/2, 其狀態(tài)數(shù)分別為 6, 4。 1D: 光譜支項為 1D2 , 其狀態(tài)數(shù)為 5 。 2.10 軌道 角動量 徑向分布節(jié)面數(shù) 角度部分節(jié)面數(shù) n-l-1 l 1s 0 0 0 2p 0 1 3d 0 2 2.11(a)根據(jù)角度函數(shù)部分,xy平面為節(jié)面,=1。 (b)根據(jù)徑向節(jié)面數(shù)為n--1,徑向函數(shù)部分只有當,才有徑節(jié)面,r=2a0為徑節(jié)面,則n--1=1,。 2.12 (a) 2n2; (b) 2(2l+1); (c) 2; (d) 1; 2.13 s2d3 的電子排布為 : m 2 1 0 -1 -2 ∑m=2+1+0=3 L=3 J=L-S=3/2 譜項為4F3/2 s1d4的電子排布為: m 0 2 1 0 -1 -2 ∑m=0+2+1+0-1=2 , L=2 J=| L – S |=1/2 譜項為6D1/2 根據(jù)題意該原子的基組態(tài)為s1d4。 也可用多重態(tài) 2S+1=6, S=5/2 必為s1d4組態(tài)來解。 2.14 考慮到波函數(shù)的正交性和歸一化可得 R 為里德堡常數(shù) (13.6 eV) 2.15 根據(jù)題意 該狀態(tài) n=3,l=2, m=0, He+`, Z=2 (a) E=-13.6(Z2/n2)=-13.6(22/32) eV =-6.042eV (b) (c)=0, 說明角動量與z軸垂直,即夾角為90 (d)總節(jié)面數(shù)=n-1=3-1=2個 其中球節(jié)面數(shù) n-l-1=3-2-1=0個 角節(jié)面數(shù) l=2個 由-1=0 得 1=57.74, 2=125.26 角節(jié)面為兩個與z軸成57.74和125.26的圓錐面。 2.16 (a) 出現(xiàn)的概率,即,Z=2則n=4。 出現(xiàn)的概率為 (b) 概率為 (c) 概率為 習題 1. CO 是一個極性較小的分子還是極性較大的分子?其偶極矩的方向如何?為什么? 2. 下列AB型分子:N2,NO,O2,C2,F(xiàn)2,CN,CO,XeF中,哪幾個是得電子變?yōu)锳B– 后比原來中性分子鍵能大?哪幾個是失電子變?yōu)锳B+ 后比原來中性分子鍵能大? 3. 按分子軌道理論說明Cl2的鍵比Cl2+ 的鍵強還是弱?為什么? 4. 下列分子中,鍵能比其正離子的鍵能小的是____________________ 。鍵能比其負離子的鍵能小的是________________________ 。 O2, NO, CN, C2, F2 5. 比較下列各對分子和離子的鍵能大小: N2, N2+ ( ) O2, O2+ ( ) OF, OF– ( ) CF, CF+ ( ) Cl2, Cl2+ ( ) 6. 寫出O2+,O2,O2– 和O22– 的鍵級、鍵長長短次序及磁性。 7. 按分子軌道理論寫出NF,NF+ 和NF– 基態(tài)時的電子組態(tài),說明它們的鍵級、不成對電子數(shù)和磁性。 8. 判斷 NO 和 CO 哪一個的第一電離能小,原因是什么? 9. HF分子以何種鍵結合?寫出這個鍵的完全波函數(shù)。 10.試用分子軌道理論討論SO分子的電子結構,說明基態(tài)時有幾個不成對電子。 11.下列AB型分子:N2,NO,O2,C2,F(xiàn)2,CN,CO,XeF中,哪幾個是得電子變?yōu)锳B– 后比原來中性分子鍵能大?哪幾個是失電子變?yōu)锳B+ 后比原來中性分子鍵能大? 12.OH分子于1964年在星際空間被發(fā)現(xiàn)。 (a) 試按分子軌道理論只用O原子的2 p軌道和H原子的1 s軌道疊加,寫出其電子組態(tài)。 (b) 在哪個分子軌道中有不成對電子? (c) 此軌道是由O和H的原子軌道疊加形成,還是基本上定域于某個原子上? (d) 已知OH的第一電離能為13.2eV,HF的第一電離能為16.05eV,它們的差值幾乎與O原子和F原子的第一電離能(15.8eV和18.6eV)的差值相同,為什么? (e) 寫出它的基態(tài)光譜項。 13.試寫出在價鍵理論中描述 H2 運動狀態(tài)的、符合 Pauli 原理的波函數(shù),并區(qū)分其單態(tài)和三重態(tài)。 參考答案 1. [答] 是一個極性較小的分子,偶極矩方向由氧原子指向碳原子。 2. [答] 就得電子而言,若得到的電子填充到成鍵分子軌道上,則AB– 比AB鍵能大;若得到的電子填充到反鍵分子軌道上,則AB–比AB鍵能小。就失電子而言,若從反鍵分子軌道上失去電子,則AB+ 比AB鍵能大;若從成鍵分子軌道上失去電子,則AB+ 比AB鍵能小。根據(jù)這些原則和題中各分子的電子組態(tài),就可得出如下結論: 得電子變?yōu)锳B– 后比原中性分子鍵能大者有C2和CN。失電子變?yōu)锳B+ 后比原中性分子鍵能大者有NO,O2,F(xiàn)2和XeF。N2和CO無論得電子變?yōu)樨撾x子(N,CO)還是失電子變?yōu)檎x子(N2+,CO+),鍵能都減小。 3. [答] Cl2的鍵比Cl2+ 的鍵弱。原因是:Cl2的基態(tài)價電子組態(tài)為(σ3s)2(σ3s*)2(σ3pz)2(π3p)4 (π*3p)4,鍵級為1。而Cl2+ 比Cl2少1個反鍵電子,鍵級為1.5。 4. [答] 比 (AB)+ 的鍵能?。篛2, NO, 比 (AB) – 的鍵能?。篊2, CN 5. [答] E N2 ﹥E N2+ E O2+ ﹥E O2 E OF﹥E OF- E CF+﹥E CF E Cl2+﹥E Cl2 6. [答] ——————————————————————-- 分子(或離子) O2+ O2 O2– O22 – 鍵 級 2.5 2 1.5 1 鍵長次序 O2+- 配套講稿:
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