《無機(jī)化學(xué)》教學(xué)第八章原子結(jié)構(gòu)課件

1、8.1 原子結(jié)構(gòu)的Bohr理論8.2 微觀粒子運(yùn)動(dòng)的基本特征8.3 氫原子的量子力學(xué)描述第八章 原子結(jié)構(gòu)8.4 多電子原子結(jié)構(gòu) 8.5 元素周期律 8.6 元素性質(zhì)的周期性 8.1 原子結(jié)構(gòu)的Bohr理論8.2 微觀粒子運(yùn)動(dòng)的基本1.根據(jù)氫原子光譜和Bohr理論了解微觀粒子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，量子化、 波粒二 象性和測不準(zhǔn)原理；本章教學(xué)要求 4.掌握核外電子排布三原則，能熟練寫出常見元素的電子構(gòu)型； 3.了解屏蔽效應(yīng).鉆穿效應(yīng)和Slater規(guī)則，近似能級圖等基本概 念， 理解 能級分裂和能級交錯(cuò)現(xiàn)象； 2根據(jù)Schrodinger方程和量子數(shù)的概念了解氫原子結(jié)構(gòu)和核 外電子運(yùn)動(dòng)的特征，掌握波函數(shù)和原子

2、軌道，四個(gè)量子數(shù)， 概率密度和電子云，徑向分布，角度分布等概念； 5.掌握原子結(jié)構(gòu)與元素周期系的關(guān)系，原子的電子層結(jié)構(gòu)與周 期、族 的劃分，原子電子層結(jié)構(gòu)與元素的分區(qū)； 6掌握有效核電荷、原子半徑、電離勢、電子親和能和電負(fù)性 等基本概念和周期性變化規(guī)律，以及它們的變化規(guī)律與原 子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。1.根據(jù)氫原子光譜和Bohr理論了解微觀粒子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，量子8.1.1 歷史的回顧8.1 原子結(jié)構(gòu)的Bohr理論8.1.3 Bohr原子結(jié)構(gòu)理論8.1.2 氫原子光譜8.1.1 歷史的回顧8.1 原子結(jié)構(gòu)的Bohr理論81. 道爾頓原子論 原子是化學(xué)上最重要、使用最頻繁的術(shù)語之一, 原是希臘語中意為“不可再

3、分”意思. 隨著科學(xué)的發(fā)展, 道爾頓(Dalton J)于1805年提出了第一個(gè)現(xiàn)代原子論, 但他接受了“不可再分”的概念. 8.1.1 歷史的回顧1. 道爾頓原子論 原子是化學(xué)上最重要、使用最頻繁 道爾頓原子論要點(diǎn)：每一種化學(xué)元素的最小單元是原子；同種元素的原子質(zhì)量相同，不同種元素由不同種原子組成，原子質(zhì)量也不相同；原子是不可再分的。化學(xué)反應(yīng)不改變原子，只是改變了原子的結(jié)合方式。 道爾頓原子論要點(diǎn)：2. 電子的發(fā)現(xiàn)J.J. Thomson 1856-19401897年J.J. Thomson(英國物理學(xué)家)經(jīng)真空管放電實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電子.提出原子的葡萄干布丁模型.1909年R.A. Millika

4、n(美國物理學(xué)家)經(jīng)油滴實(shí)驗(yàn)測出電子電量1.60210-19C.得到電子的質(zhì)量9.10910-28g.2. 電子的發(fā)現(xiàn)J.J. Thomson 1856-19403. Rutherford 的原子結(jié)構(gòu)模型 Rutherford 根據(jù) 粒子散射實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)立了關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的 “太陽-行星模型 ”. 其要點(diǎn)是： 1. 所有原子都有一個(gè)核即原子核(nucleus)； 2. 核的體積只占整個(gè)原子體積極小的一部分； 3. 原子的正電荷和絕大部分質(zhì)量集中在核上； 4. 電子像行星繞著太陽那樣繞核運(yùn)動(dòng). Rutherfords experiment on particle bombardment of meta

5、l foil3. Rutherford 的原子結(jié)構(gòu)模型 Rut 在對粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋上, 新模型的成功是顯而易見的, 至少要點(diǎn)中的前三點(diǎn)是如此. 問題出在第4點(diǎn), 盡管盧瑟夫正確地認(rèn)識到核外電子必須處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài), 但將電子與核的關(guān)系比作行星與太陽的關(guān)系, 卻是一幅令人生疑的圖像. 根據(jù)當(dāng)時(shí)的物理學(xué)概念, 帶電微粒在力場中運(yùn)動(dòng)時(shí)總要產(chǎn)生電磁輻射并逐漸失去能量, 運(yùn)動(dòng)著的電子軌道會(huì)越來越小, 最終將與原子核相撞并導(dǎo)致原子毀滅. 由于原子毀滅的事實(shí)從未發(fā)生, 將經(jīng)典物理學(xué)概念推到前所未有的尷尬境地. An unsatisfactory atomic modelRutherford模型的成功與存

6、在的問題 在對粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋上, 新模型的成功1. 光和電磁輻射8.1.2 氫原子光譜紅 橙 黃 綠 青 藍(lán) 紫1. 光和電磁輻射8.1.2 氫原子光譜紅 光譜-通過棱鏡的色散作用將光速中不同波長的光分開，這種不同波長的光將按照它們的波長的長短或頻率的大小排列開來，這種排列叫做光譜。 光譜-通過棱鏡的色散作用將光速中不同波長的光分開，這2. 氫原子光譜HHHH2. 氫原子光譜HHHH自然界的連續(xù)光譜實(shí)驗(yàn)室的連續(xù)光譜自然界的連續(xù)光譜實(shí)驗(yàn)室的連續(xù)光譜 不連續(xù)光譜，即線狀光譜 其頻率具有一定的規(guī)律n = 3,4,5,6式中 2，n，3.2891015各代表什么意義？經(jīng)驗(yàn)公式： （1885年）

7、氫原子光譜特征：里德堡常量 不連續(xù)光譜，即線狀光譜n = 3,4,5,6式中 2，nn = 3 紅（H）n = 4 青（H ）n = 5 藍(lán)紫 （ H ）n = 6 紫（H ）Balmer 線系n = 3 紅（H）Balmer 線系原子能級Balmer線系原子能級Balmer線系 (1) 電子不斷發(fā)射能量，自身能量會(huì)不斷減少，電子運(yùn)動(dòng)的軌道半徑也將逐漸縮小，電子很快就會(huì)落在原子核上，即有核原子模型所表示的原子是一個(gè)不穩(wěn)定的體系。 (2) 電子自身能量逐漸減少，電子繞核旋轉(zhuǎn)的頻率也要逐漸地改變。根據(jù)經(jīng)典電磁理論，輻射電磁波的頻率將隨著旋轉(zhuǎn)頻率的改變而逐漸變化，因而原子發(fā)射的光譜應(yīng)是連續(xù)光譜。 根

8、據(jù)經(jīng)典電磁理論，可導(dǎo)致兩種結(jié)果： (1) 電子不斷發(fā)射能量，自身能量會(huì)不斷減少，電子運(yùn)動(dòng)的軌 氫原子核內(nèi)只有一個(gè)質(zhì)子，核外只有一個(gè)電子，它是最簡單的原子.在氫原子內(nèi)，這個(gè)電子核外是怎樣運(yùn)動(dòng)的？這個(gè)問題表面看來似乎不太復(fù)雜，但卻長期使許多科學(xué)家既神往又困擾，經(jīng)歷了一個(gè)生動(dòng)而又曲折的探索過程.愛因斯坦的光子學(xué)說普朗克的量子化學(xué)說氫原子的光譜實(shí)驗(yàn)盧瑟福的有核模型1913年，28歲的Bohr在的基礎(chǔ)上，建立了Bohr理論.波粒二象性 氫原子核內(nèi)只有一個(gè)質(zhì)子，核外只有一個(gè)電子，它是最簡單三點(diǎn)假設(shè)： 核外電子只能在有確定半徑和能量的軌道上運(yùn)動(dòng)(穩(wěn)定軌道)，且不輻射能量； 通常，電子處在離核最近的軌道上，能

9、量最低基態(tài)；原子獲得能量后，電子被激發(fā)到高能量軌道上，原子處于激發(fā)態(tài)； 從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)釋放光能，光的頻率取決于軌道間的能量差。E：軌道能量h：Planck常數(shù)8.1.3 Bohr原子結(jié)構(gòu)理論三點(diǎn)假設(shè)：E：軌道能量8.1.3 Bohr原子結(jié)構(gòu)理論RH：Rydberg常數(shù)，其值 為2.17910-18J。RH：Rydberg常數(shù)，其值無機(jī)化學(xué)教學(xué)PPT第八章-原子結(jié)構(gòu) 借助于氫原子光譜的能量關(guān)系式可定出氫原子各能級的能量： 借助于氫原子光譜的能量關(guān)系式可定出氫原子各能級的能量 計(jì)算氫原子的電離能波爾理論的成功之處 解釋了 H 及 He+、Li2+、B3+ 類氫離子的原子光譜Wave type H

10、 H H HCalculated value/nm 656.2 486.1 434.0 410.1Experimental value/nm 656.3 486.1 434.1 410.2 說明了原子的穩(wěn)定性 對其他發(fā)光現(xiàn)象（如光的形成）也能解釋 不能解釋氫原子光譜在磁場中的分裂波爾理論的不足之處 不能解釋氫原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu) 不能解釋多電子原子的光譜 計(jì)算氫原子的電離能波爾理論的成功之處 解釋了 H 及 不足之處:無法解釋氫光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)。在精密的分光鏡下觀察氫光譜，發(fā)現(xiàn)每一條譜線均分裂為幾條波長相差甚微的譜線。在磁場內(nèi)，各譜線還可以分裂為幾條譜線。2.不能解釋多電子原子、分子或固體的光譜。

11、 不足之處:無法解釋氫光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)。在精密的分光鏡下觀察氫光原因: 雖然引用了普朗克的量子化概念，但它畢竟還屬于舊量子論的范疇。在經(jīng)典力學(xué)連續(xù)性概念的基礎(chǔ)上，加上了一些人為的量子化條件。如玻爾理論在討論氫原子中電子運(yùn)動(dòng)的圓周軌道和計(jì)算軌道半徑時(shí)，都是以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)的。原因: 雖然引用了普朗克的量子化概念，但它畢竟還8. 2 微觀粒子運(yùn)動(dòng)的基本特征1927年，Davissson和Germer應(yīng)用Ni晶體進(jìn)行電子衍射實(shí)驗(yàn)，證實(shí)電子具有波動(dòng)性。8.2.1微觀粒子的波粒二象性“過去，對光過分強(qiáng)調(diào)波性而忽視它的粒性；現(xiàn)在對電子是否存在另一種傾向，即過分強(qiáng)調(diào)它的粒性而忽視它的波性.”（1923年）德布

12、羅意8. 2 微觀粒子運(yùn)動(dòng)的基本特征1927年，Davisss 1924年，Louis de Broglie認(rèn)為：質(zhì)量為 m ，運(yùn)動(dòng)速度為的粒子，相應(yīng)的波長為： = h/p = h/mv ，h = 6.62610-34Js，Plank常量。波粒二象性是微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征。 KVDMP實(shí)驗(yàn)原理 1924年，Louis de Broglie認(rèn)(b)(a)電子通過Al箔(a)和石墨(b)的衍射(b)(a)電子通過Al箔(a)和石墨(b)的衍射 玻爾以波的微粒性（即能量量子化概念）為基礎(chǔ)建立了他的氫原子模型.波粒二象性對化學(xué)的重要性在于： 薛定鱷等則以微粒的波動(dòng)性為基礎(chǔ)建立起原子的波動(dòng)力學(xué)模型. 玻爾

13、以波的微粒性（即能量量子化概念）為基礎(chǔ)建立了他的8.2.2 不確定原理與微觀粒子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律 1927年, 海森堡測不準(zhǔn)原理x為粒子的位置的不準(zhǔn)量，P為粒子的動(dòng)量的不準(zhǔn)量 .測不準(zhǔn)關(guān)系式的含義是：我們用位置和動(dòng)量兩個(gè)物理量來描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)時(shí)，只能達(dá)到一定的近似程度。 重要暗示不可能存在 Rutherford 和 Bohr 模型中行星繞太陽那樣的電子軌道Heisenberg W8.2.2 不確定原理與微觀粒子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律1927年,一些粒子的de Broglie波長和直徑 實(shí)物粒子沒有波動(dòng)性是因?yàn)樗鼈兊?de Broglie波長太小。粒子質(zhì)量kg速度ms-1波長m直徑m波動(dòng)性1V加速的電

14、子9.10910-315.931051.2310-810-15顯著100V加速電子9.10910-315.931061.2310-910-15顯著分子3.3410-272.421038.2010-1110-10不顯著子彈10-21036.6310-3510-2沒有一些粒子的de Broglie波長和直徑粒子質(zhì)量速度波長直徑8.3.1 Schrdinger方程與波函數(shù)8.3 氫原子的量子力學(xué)描述Schrodinger E8.3.1 Schrdinger方程與波函數(shù)8.3 氫1. 直角坐標(biāo)( x,y,z)與球坐標(biāo)(r,)的轉(zhuǎn)換 222zyxr+=cosrz=qsinsinry=qcossinrx=

15、q()()q, , rzyx ()()q,YrR=1. 直角坐標(biāo)( x,y,z)與球坐標(biāo)(r,)的轉(zhuǎn)換 2. 解常微分方程，引入三個(gè)量子數(shù) 解Schrdinger方程可以得到E和，這種二階偏微分方程的解很多，只有符合一定條件的解才是核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)合理的解。 的合格條件：單值；連續(xù)；有限；歸一(平方可積)。 這樣，該方程的合理解 就包括了n，l，m三個(gè)參數(shù)和x，y，z三個(gè)變量。記為 n,l,m(x,y,z)。這里n，l，m為量子數(shù)。 2. 解常微分方程，引入三個(gè)量子數(shù) 解Schr 例如:氫原子的基態(tài)，即n = 1，l = 0，m = 0 的條件下，電子處于 1s 原子軌道的狀態(tài)下，解波函數(shù)的徑

16、向部分和角度部分的常微分方程得：a0 = 52.9pm, 稱為Bohr半徑 例如:氫原子的基態(tài)，即n = 1，l =氫原子的某些波函數(shù)nlmRn,l (r)Yl,m(, )n,l,m(r, )100200210氫原子的某些波函數(shù)nlmRn,l (r)Yl,m(, ) 量子力學(xué)中，原子的單電子波函數(shù)n,l,m 稱為原子軌道函數(shù)，簡稱波函數(shù)。這里引用“軌道”一詞，只是借用經(jīng)典力學(xué)中的術(shù)語，它不是Bohr原子模型中的固定軌道，而是指原子核外電子的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如： 1,0,02,0,01s1s軌道2s2s軌道2,1,02pz軌道 量子力學(xué)中，原子的單電子波函數(shù)n,l1.總能量2.波函數(shù)()0/304

17、1,arear -=pq()()(), YrRr=qjq角度部分：()41,Y=pq()0/3012arearR-=徑向部分：氫原子的基態(tài)1.總能量2.波函數(shù)()0/3041,arear -=p無機(jī)化學(xué)教學(xué)PPT第八章-原子結(jié)構(gòu)是一種球形對稱分布角度部分是一種球形對稱分布角度部分波函數(shù)和原子軌道 波函數(shù)是量子力學(xué)中描述核外電子在空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)式，一定的波函數(shù)表示一種電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，量子力學(xué)中常借用經(jīng)典力學(xué)中描述物體運(yùn)動(dòng)的“軌道”的概念，把波函數(shù)叫做原子軌道。 原子軌道和宏觀物體的運(yùn)動(dòng)軌道是根本不同的，它只是代表原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)函數(shù)，代表原子核外電子的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 波函數(shù)和原子

18、軌道 波函數(shù)是量子力學(xué)中描述核外3. 波函數(shù)的物理意義 2 ：原子核外出現(xiàn)電子的概率密度。 電子云是電子出現(xiàn)概率密度的形象化描述。3. 波函數(shù)的物理意義 2 ：原子核外出現(xiàn)電子的概率密度。8.3.2 四個(gè)量子數(shù) 主量子數(shù) n 磁量子數(shù) m 自旋量子數(shù) ms 角量子數(shù)n=1, 2, 3,8.3.2 四個(gè)量子數(shù) 主量子數(shù) n 與電子能量有關(guān)，對于氫原子，電子能量唯一決定于n；不同的n值，對應(yīng)于不同的電子層：1. 主量子數(shù) (n) ：K L M N O電子運(yùn)動(dòng)的有效體積或原子軌道的大小。 與電子能量有關(guān)，對于氫原子，電子能量唯一決定于n；不同的n2. 角量子數(shù) (l)（原子軌道角動(dòng)量） ： l 的取

19、值 0，1，2，3n1 對應(yīng)著 s, p, d, f. (亞層) 表示原子軌道或電子云的形狀。 角量子數(shù)由主量子數(shù)決定。 l01234 光譜學(xué)符號spdfg2. 角量子數(shù) (l)（原子軌道角動(dòng)量） ：l01234 光n電子層數(shù)l分層（亞層）110 1s (能級)22012s2p330123s3p3d4401234s4p4d4fn電子層數(shù)l分層（亞層）110 1s ( 多電子原子中，電子的能量取決于主量 子數(shù) n 和角量子數(shù) l 。對于單電子體系的氫原子或類氫離子來 說，各種狀態(tài)的電子的能量只與 n 有關(guān)。 當(dāng) n 不同、l 相同時(shí)，其能量關(guān)系為:E1s E2s E3s E4s 而當(dāng) n 相同、

20、l 不同時(shí)，其能量關(guān)系為Ens = Enp = End = Enf 多電子原子中，電子的能量取決于主量 對于單電子體系的氫原b. 對于多電子原子 主量子數(shù) n 相同時(shí)，角量子數(shù) l 越大能量越高。例如E4s E4p E4d E4f 有的還出現(xiàn)能級交錯(cuò)!b. 對于多電子原子 主量子數(shù) n 相同時(shí)，3. 磁量子數(shù) (m) （軌道角動(dòng)量在磁場方向分 量）： m 可取 0，1, 2l ； 對于給定的 l ，有 2l +1 個(gè) m 取值。 m 決定角動(dòng)量在空間的給定方向上的 分量的大小，即決定原子軌道或電子云 在空間的伸展方向。 磁量子數(shù) m 與能量無關(guān)。 m 值相同的軌道互為等價(jià)軌道（簡并軌 道）.3

21、. 磁量子數(shù) (m) （軌道角動(dòng)量在磁場方向分 m 決 n, l, m 一定，軌道也確定 0 1 2 3 軌道 s p d f 例如: n =2， l =0， m =0， 2s n =3， l =1， m =0， 3pz n =3， l =2， m =0， 3dz2思考題： “”和“”來表示。 當(dāng)n為3時(shí), l ,m 分別可以取何值？軌道的名稱怎樣?4.自旋量子數(shù) ( ms )ms =1 / 2 n, l, m 一定，軌道也確定 4. 自旋量子數(shù) ms 描述電子繞自軸旋轉(zhuǎn)的狀態(tài) 自旋運(yùn)動(dòng)使電子具有類似于微磁體的行為 ms 取值+1/2和-1/2，分別用和表示 想象中的電子自旋 兩種可能的自旋方

22、向: 正向(+1/2)和反向(-1/2) 產(chǎn)生方向相反的磁場 相反自旋的一對電子, 磁場相互抵消. Electron spin visualizedMagnetic fieldscreenSmall clearance spaceSilver atomic raykiln 4. 自旋量子數(shù) ms 描述電子繞自軸旋轉(zhuǎn)的狀態(tài) 8.3.3 概率密度和電子云1電子云的概念 用統(tǒng)計(jì)的方法來判斷電子在核外空間某一區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)機(jī)會(huì)的多少，在數(shù)學(xué)上稱為概率。在小黑點(diǎn)圖中，密密麻麻的小黑點(diǎn)像一團(tuán)帶負(fù)電的云，把原子核包圍起來，如同天空中的云霧一樣。所以人們就形象化地稱它為電子云。 8.3.3 概率密度和電子云1電子

23、云的概念 2概率密度和電子云單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率則稱為概率密度。 電子在核外某區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的概率()等于概率密度2與該區(qū)域總體積(d)的乘積。 2概率密度和電子云單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率則稱為概率密度。 電3概率密度分布的幾種表示法 1s態(tài)等概率密度面 1s態(tài)界面圖 1s態(tài)徑向概率密度圖3概率密度分布的幾種表示法 1s態(tài)等概率密度面1.徑向分布函數(shù)D(r)：空間微體積試問D(r)與2 的圖形有何區(qū)別?8.3.3 原子軌道與電子云的空間圖像1.徑向分布函數(shù)D(r)：空間微體積試問D(r)與2 的圖之一: 電子云徑向密度分布曲線 (藍(lán)色曲線) 縱坐標(biāo): R2 離核越近, 電子出現(xiàn)的概率密 度(單位體積內(nèi)

24、的概率)越大. (這種曲線酷似波函數(shù)分布曲 線) 之一: 電子云徑向密度分布曲線之二: 電子云徑向分布曲線 (橙色曲線) 縱坐標(biāo): 4r 2 R 2 4r2R2曲線是4r 2曲線和R 2曲線 的合成曲線. 曲線在 r =53 pm 處出現(xiàn)極大值, 表 明電子在距核53 pm 的單位厚度球 殼內(nèi)出現(xiàn)的概率最大. 波動(dòng)力學(xué)模型得到的半徑恰好等于 氫原子的玻爾半徑.之二: 電子云徑向分布曲線 以D(r)為縱坐標(biāo)，r 為橫坐標(biāo)作圖，可得各種狀態(tài)的電子的概率的徑向分布圖. 對于徑向分布函數(shù)及其圖像，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： 以D(r)為縱坐標(biāo)，r 為橫坐標(biāo)作圖，可得各氫原子的各種狀態(tài)的徑向分布圖N峰=n-l1s

25、2s3s2p3p3d氫原子的各種狀態(tài)的徑向分布圖N峰=n-l1s2s3s2p3p發(fā)現(xiàn)電子的概率，而D(r)是指在半徑為r的單位厚度球殼內(nèi)發(fā)現(xiàn)電子的概率。 (1) D(r)r代表在半徑r和r + r的兩個(gè)球面夾層內(nèi)發(fā)現(xiàn)電子的概率。D(r)與 的物理意義不同， 為概率密度，指在核外空間某點(diǎn)附近單位體積內(nèi)22(2) 從圖可知，在1s的徑向分布圖中，當(dāng)r = a0 / Z = 5310-12m (對H而言，Z=1)時(shí)，曲線有一個(gè)高峰，即D(r)有一個(gè)極大值。 (3) 從上圖中我們還看到，ns比np多一個(gè)離核較近的峰，np比nd多一個(gè)離核較近的峰，同理nd又比nf多一個(gè)離核較近的峰。(n-l ) 應(yīng)注意

26、以下三點(diǎn)：發(fā)現(xiàn)電子的概率，而D(r)是指在半徑為r的單位厚度球殼內(nèi)發(fā)現(xiàn) 2s態(tài)： n = 2, l = 0, m = 0氫原子的激發(fā)態(tài) 2s態(tài)： n = 2, l = 0, m = 0氫原節(jié)面峰數(shù) = n l節(jié)面峰數(shù) = n l 2p態(tài)：n = 2 , l = 1 , m = +1, 0, -12角度分布 2p態(tài)：n = 2 , l = 1 , m = +1, +3060+3060無機(jī)化學(xué)教學(xué)PPT第八章-原子結(jié)構(gòu)原子軌道和電子云的角度分布圖：xyxyyzyzxzxz原子軌道和電子云的角度分布圖：xyxyyzyzxzxz原子軌道和電子云的角度分布圖：z2z2x2-y2x2-y2原子軌道和電子云

27、的角度分布圖：z2z2x2-y2x2-y23. 3d態(tài)：n=3, l=2, m= 0,3. 3d態(tài)：n=3, l=2, m= 0, f 軌道 ( l = 3, m = +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3 ) : m 七種取值, 空間七種取向, 七條等價(jià)(簡并) f 軌道. f 軌道 ( l = 3, m = +3, +2, +1,主要區(qū)別有兩點(diǎn)： 電子云的角度分布圖比原子軌道的 角度分布圖要瘦一些。 原子軌道角度分布圖上有正、負(fù)號 之分，而電子云角度分布圖上均為 正值。 2的空間分布，它綜合考慮了徑向分布和角度分布。 主要區(qū)別有兩點(diǎn)： 電子云的角度分布圖比原子軌道的 2的空間分

28、布，它綜合考慮了徑向分布和角度分布。 應(yīng)該指出，原子軌道的角度分布圖和電子云的角度分布圖，都只是反映波函數(shù)的角度部分，而不是原子軌道和電子云的實(shí)際形狀。把電子云角度分布圖當(dāng)做電子云的實(shí)際形狀是不合適的。電子云的實(shí)際形狀雖與角度分布圖有關(guān)，但又是不相同的。電子云的空間分布圖是 2的空間分布，它綜合考慮了徑向分布和角度分布。 2的空間分布，它綜合考慮了徑向分布和角度分布。 2的空間分布，它綜合考慮了徑向分布和角度分布。 小結(jié)：量子數(shù)與電子云的關(guān)系 n：決定電子云的大小 l：描述電子云的形狀 m：描述電子云的伸展方向 小結(jié)：量子數(shù)與電子云的關(guān)系 n：決定電子云的大小 l：描述電1核外電子的運(yùn)動(dòng)能量是

29、不連續(xù)的，是量子化的。分為不同的能級，電子的空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由n,l,m三個(gè)量子數(shù)確定，第四個(gè)量子數(shù)ms確定其自旋狀態(tài)，所以核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)應(yīng)由四個(gè)量子數(shù)確定。2核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有波粒二象性和不確定原理，需要用波函數(shù)來描述。一定的波函數(shù)表示了一定的軌道。 小結(jié)1核外電子的運(yùn)動(dòng)能量是不連續(xù)的，是量子化的。分為不同的能級3波函數(shù)、原子軌道和電子云的區(qū)別和聯(lián)系波函數(shù)用來描述電子的一定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)n,l,m，可以從波函數(shù)得到電子的一切可能的物理量，包括空間出現(xiàn)的概率密度2，能量和其它可觀察物理量的平均值(離核的距離)等。原子軌道指原子中電子的可能空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，原子軌道可以用波函數(shù)來描述。原子軌道實(shí)際上是一個(gè)

30、函數(shù)。電子云是電子在核外空間出現(xiàn)概率密度分布的形象化描述。 3波函數(shù)、原子軌道和電子云的區(qū)別和聯(lián)系8.4.1 多電子原子軌道能級 8.4 多電子原子結(jié)構(gòu)8.4.2 核外電子排布8.4.1 多電子原子軌道能級 8.4 多電子原子結(jié)軌道：與氫原子類似，其電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 可描述為1s, 2s, 2px, 2py, 2pz, 3s能量：與氫原子不同, 能量不僅與 n有關(guān), 也與 l 有關(guān); 在外加場的作用下, 還 與m有關(guān)。8.2.1 多電子原子軌道能級軌道：與氫原子類似，其電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)8.2.1 多電子原子1. Pauling近似能級圖Pauling,L.C.(1901-1994)1. Pauling

31、近似能級圖Pauling,L.C.(19多電子原子的近似能級圖有如下幾個(gè)特點(diǎn)： (1) 近似能級圖是按原子軌道的能量高低排列的，而不是按原子軌道離核遠(yuǎn)近順序排列的。圖中，能量相近的能級劃為一組，稱為能級組. (2) 在近似能級圖中，每個(gè)小圓圈代表一個(gè)原子軌道。p分層中有三個(gè)圓圈，表示此分層中有三個(gè)原子軌道。在量子力學(xué)中，把能量相同的狀態(tài)叫做簡并狀態(tài)。由于三個(gè)p軌道能量相同，所以三個(gè)p軌道是簡并軌道，也叫等價(jià)軌道。 多電子原子的近似能級圖有如下幾個(gè)特點(diǎn)： (1) 近似能級圖(3) 角量子數(shù) l 相同的能級，其能量次序由主量子數(shù)n決定，n越大能量越高。例如E2p E3p E4p E5p(4) 主量

32、子數(shù)n相同，角量子數(shù) l 不同的能級，其能量隨 l 的增大而升高發(fā)生能級分裂現(xiàn)象。例如：E4s E4p E4d E4f(5) 主量子數(shù)n和角量子數(shù) l 同時(shí)變動(dòng)時(shí)，從圖中看出，能級的能量次序是比較復(fù)雜的。例如： E4s E3d E4p ; E5s E5p E5d ; E6s E4f E5d E5p 這種現(xiàn)象稱為能級交錯(cuò)。 (3) 角量子數(shù) l 相同的能級，其能量次序由主量子數(shù)n決定2. Cotton原子軌道能級圖 n 相同的氫原子軌道的簡并性。原子軌道的能量隨原子序數(shù)的增大而降低。隨著原子序數(shù)的增大，原子軌道產(chǎn)生能級交錯(cuò)現(xiàn)象。2. Cotton原子軌道能級圖 n 相同的氫原子軌道的簡并3d與4

33、s的關(guān)系：Z=118, E3dE4sZ=1920, E3dE4sZ21, E3dE4s為什么？3d與4s的關(guān)系：為什么？3. 屏蔽效應(yīng)+2e-e-He+2e-He+2-e-假想He由核外電子云抵消一些核電荷的作用。屏蔽效應(yīng)：為屏蔽常數(shù)，可用 Slater 經(jīng)驗(yàn)規(guī)則算得。Z= Z*，Z* 有效核電荷數(shù)3. 屏蔽效應(yīng)+2e-e-He+2e-He+2-e-假想H 由于其他電子對某一電子的排斥作用而抵消了一部分核電荷，從而使有效核電荷降低，削弱了核電荷對該電子的吸引，這種作用稱為屏蔽作用或屏蔽效應(yīng)。斯萊脫(Slater) 規(guī)則: 將原子中的電子分成如下幾組：(1s)；(2s,2p)；(3s,3p)；(

34、3d)；(4s,4p)； (4d)；(4f)；(5s,5p)余類推。 (1) 位于被屏蔽電子右邊的各組，對被屏蔽電子的= 0，可以近似地認(rèn)為，外層電子對內(nèi)層電子沒有屏蔽作用。 由于其他電子對某一電子的排斥作用而抵消了一部(2) 1s軌道上的2個(gè)電子之間的= 0.30，其 他各組內(nèi)電子之間的= 0.35。 (3) 被屏蔽的電子為ns或np時(shí)，則主量子 數(shù)為(n-1)的各電子對它們的= 0.85， 而主量子數(shù)小于(n - 2)的各電子對它們 的= 1.00。 (4) 被屏蔽的電子為nd或nf時(shí)，則位于它左 邊各組電子對它的屏蔽常數(shù)= 1.00。 (2) 1s軌道上的2個(gè)電子之間的= 0.30，其

35、(3)例 1 計(jì)算鋁原子中其他電子對一個(gè)3p電 子的值。解： 鋁原子的電子排布情況為 1s2;2s2;2p6;3s2;3p1按斯萊脫規(guī)則分組：(1s)2; (2s,2p)8；(3s,3p)3。例2 計(jì)算鈧原子中一個(gè)3s電子和一個(gè) 3d電子各自的能量。解： 鈧原子的核外電子分組情況為 (1s)2； (2s,2p)8 ；(3s3p)8 ；(3d)1；(4s,4p)2例 1 計(jì)算鋁原子中其他電子對一個(gè)3p電例2 例 l 計(jì)算鋁原子中其他電子對一個(gè)3p電 子的值。解： 鋁原子的電子排布情況為 1s2;2s2;2p6;3s2;3p1按斯萊脫規(guī)則分組：(1s)2; (2s,2p)8；(3s,3p)3。=

36、0.352 + 0.858 + 1.002 = 9.50 例 l 計(jì)算鋁原子中其他電子對一個(gè)3p電= 0.例2 計(jì)算鈧原子中一個(gè)3s電子和一個(gè) 3d 電子各自的能量。解： 鈧原子的核外電子分組情況為(1s)2； (2s,2p)8 ；(3s3p)8 ；(3d)1；(4s,4p)23s電子的= 0.357 + 0.858 +1.002 = 11.253d電子的= 1.0018 = 18.00例2 計(jì)算鈧原子中一個(gè)3s電子和一個(gè) 結(jié)論：同一周期有效核電荷Z*隨原子序數(shù)的增大而增大.HHe1s11.7LiBe BCNOFNe1s2.703.704.705.706.707.708.709.702s2p1

37、.301.952.603.253.904.555.205.85NaMgAlSiPSClAr1s10.7011.7012.7013.7014.7015.7016.7017.702s2p6.857.858.859.8510.8511.8512.8513.853s3p2.202.853.504.154.805.456.106.75結(jié)論：HHe1s11.7LiBe BCNOFNe1s2.70無機(jī)化學(xué)教學(xué)PPT第八章-原子結(jié)構(gòu) 電子進(jìn)入原子內(nèi)部空間，受到核的較強(qiáng)的吸引作用。2s,2p軌道的徑向分布圖4. 鉆穿效應(yīng) 電子進(jìn)入原子內(nèi)部空間，受到核的較強(qiáng)的吸引作用。2峰的數(shù)目：n - l, 節(jié)面(谷)的數(shù)目:

38、 n-l-1軌道nl峰n-l節(jié)面n-l-11s10102s20212p21103s30323p31213d32104s4043峰的數(shù)目：n - l, 軌道nl峰n-l節(jié)面n-l-11s1 外層電子鉆到內(nèi)層空間而靠近原子核的現(xiàn)象，通常稱為鉆穿作用。 由于電子的鉆穿作用的不同而使它的能量發(fā)生變化的現(xiàn)象，通常稱為鉆穿效應(yīng)。 外層電子鉆到內(nèi)層空間而靠近原子核的現(xiàn)象，通常8Z20：4s對K，L內(nèi)層原子芯鉆穿大， E4sE3d Z21 ：4s對原子芯鉆穿效應(yīng)相對變小， E4sE3d3d和4s對1s2s2p原子芯的鉆穿3d和4s對1s2s2p3s3p原子芯的鉆穿8Z20：4s對K，L內(nèi)層原子芯鉆穿大， 3d

39、和4s對1在多電子原子中，屏蔽和被屏蔽是相互的。對那些在原子核附近出現(xiàn)概率大的電子，躲避其它電子的屏蔽能力較強(qiáng)，受到核的吸引力大，能量較低。這種進(jìn)入原子內(nèi)部空間的作用稱為鉆穿效應(yīng)。由于 l 不同的電子，概率的徑向分布不同，電子鉆到核附近的概率較大的電子受到核的吸引力大，因而能量可能較低。當(dāng)n相同，l 不同時(shí)，l 越小，在核附近的小峰越多，躲避其它電子的屏蔽作用越大，能量有可能較低。 在多電子原子中，屏蔽和被屏蔽是相互的。對那些在原子核附近出現(xiàn)鉆穿效應(yīng)可用來解釋能級交錯(cuò)問題，4s軌道比3d離核的平均距離較大(n較大)，能量應(yīng)該較高。但4s有三個(gè)小峰比3d離核近，所以對K、Ca原子，4s鉆穿效應(yīng)大

40、，能量低于3d。注意：屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)是從不同的著眼點(diǎn)來考慮電子的屏蔽和被屏蔽問題。屏蔽效應(yīng)考慮的是其它電子對所選定電子的屏蔽能力；而鉆穿效應(yīng)是所選定電子回避其它電子屏蔽能力。本質(zhì)上兩者是一種能量。 鉆穿效應(yīng)可用來解釋能級交錯(cuò)問題，4s軌道比3d離核的平均距離1. 核外電子分布三規(guī)則： 最低能量原理 電子在核外排列應(yīng)盡先分布在低能級軌道上, 使整個(gè)原子系統(tǒng)能量最 低。 Pauli不相容原理 每個(gè)原子軌道中最多容納兩個(gè)自旋方式相反的電子。 Hund 規(guī)則 在 n 和 l 相同的軌道上分布的電子,將盡可能分占 m 值不同的軌道, 且自旋平行。8.4.2 核外電子排布1. 核外電子分布三規(guī)則： 最

41、低能量原理 Pauli不相半滿全滿規(guī)則： 當(dāng)軌道處于全滿、半滿時(shí)，原子較穩(wěn)定。Z = 26 Fe：1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 N：1s2 2s2 2p3原子實(shí)半滿全滿規(guī)則：Z = 26 Fe：1s2 2s2 幫助記憶圖幫助記憶圖Z=11，Na：1s22s22p63s1或Ne 3s1 ，Z=20，Ca：1s22s22p63s23p64s2或Ar 4s2 ，Z=50，Sn： Kr 4d105s2 5p2，Z=56，Ba： Xe 6s2 。價(jià)電子：例如：Sn的價(jià)電子排布式為： 5s2 5p2 。Z=11，Na：1s22s22p63s1或Ne 3s1 2基態(tài)原子的核外電子排

42、布 核外電子排布的三原則，只是一般規(guī)律。隨著原子序數(shù)的增大、核外電子數(shù)目的增多以及原子中電子之間相互作用的復(fù)雜化，核外電子排布的例外現(xiàn)象要多些。因此對于某一具體元素的原子的電子排布情況，要以光譜實(shí)驗(yàn)的結(jié)果為準(zhǔn)。2基態(tài)原子的核外電子排布 核外電子排布的三原則 基態(tài)原子的電子組態(tài)：小結(jié)Atom Energy level order Spectrum experimental order 24 Cr 42 Mo 29 Cu 47 Ag 79 Au Ar 3d 4 4s 2 Kr 4d 4 5s 2 Ar 3d 9 4s 2 Kr 4d 9 5s 2 Xe 4f 145d 9 6s 2 Ar 3d 5

43、 4s 1 Kr 4d 5 5s 1 Ar 3d 10 4s 1 Kr 4d 10 5s 1 Xe 4f 14 5d10 6s 1 記住一些重要的例外, 它們與亞層半滿狀態(tài)和亞層全滿狀態(tài)的相對穩(wěn)定性有關(guān). 表中給出幾個(gè)常見的例子. 根據(jù)鮑林圖中給出的能級順序，運(yùn)用建造原理寫出基態(tài)原子的電子組態(tài)，是本章最重要的教學(xué)和學(xué)習(xí)目的之一.電子實(shí)價(jià)電子層和價(jià)層電子 基態(tài)原子的電子組態(tài)：小結(jié)Atom Energy level8.5.1 元素的周期8.5 元素周期表8.3.4 原子的電子層結(jié)構(gòu) 與周期的關(guān)系 8.5.2 元素的族8.5.3 元素的分區(qū)8.5.1 元素的周期8.5 元素周期表8.3. 原子的電子

44、層結(jié)構(gòu)和元素周期系 原子的電子層結(jié)構(gòu)和元素周期系 元素周期律：元素以及由它形成的單質(zhì)和化合物的性質(zhì)，隨著元素的原子序數(shù)(核電荷數(shù))的依次遞增，呈現(xiàn)周期性的變化。 元素周期律：元素以及由它形成的單質(zhì)和化合物的8.5.1 元素的周期周期數(shù)=Pauling能級組的序數(shù)=電子層數(shù)。各周期元素的數(shù)目等于相應(yīng)能級組中原子軌道所能容納的電子總數(shù)。周期特點(diǎn)能級組對應(yīng)的能級原子軌道數(shù)元素種類數(shù)一特短周期11s12二短周期22s2p48三短周期33s3p48四長周期44s3d4p918五長周期55s4d5p918六特長周期66s4f5d6p1632七不完全周期77s5f6d7p16328.5.1 元素的周期周期數(shù)

45、=Pauling能級組的序數(shù)=電8.5.2 元素的族主族元素的族數(shù)=原子最外層的電子 數(shù)，(ns+np)=主族元素的最高氧化值。副族元素的族數(shù)=(n-1)d+ns(族除外)。 主族元素及其化合物的性質(zhì)非常相似的 原因是最外層電子數(shù)相同。 8.5.2 元素的族主族元素的族數(shù)=原子最外層的電子 第1，2，13，14，15，16和17列為主族， 即: IA, IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA。 主族：族序數(shù)=價(jià)電子總數(shù) 稀有氣體(He除外)8e為VIIIA,常稱為零族， 第37，11和12列為副族。 即, IIIB, IVB, VB, VIB, VIIB, IB和IIB。

46、前5個(gè)副族的價(jià)電子數(shù)=族序數(shù)。 IB, IIB根據(jù)ns軌道上電子數(shù)劃分。 第8,9,10列元素稱為族，價(jià)電子排布 （n-1)d6-8ns2。 第1，2，13，14，15，16和17列為主族，s 區(qū)ns1-2 p 區(qū)ns2np1-6d 區(qū)(n1)d1-10ns1-2 (Pd無 s 電子)f 區(qū)(n2)f1-14(n1)d02ns28.5.3 元素的分區(qū)s 區(qū)ns1-2 p 區(qū)ns2s 區(qū)ns12 p 區(qū)ns2np16d 區(qū)(n1)d110ns12 (Pd無 s 電子)f 區(qū)(n2)f114(n1)d02ns2結(jié)構(gòu)分區(qū)：s 區(qū)ns12 p 區(qū)ns2量子數(shù)，電子層，電子亞層之間的關(guān)系每個(gè)亞層中軌道數(shù)

47、目1 3 5 72 6 10 142 8 18 2n2每個(gè)亞層最多容納電子數(shù)每個(gè)電子層最多 容納的電子數(shù)主量子數(shù) n 1 2 3 4電子層 K L M N角量子數(shù) l 0 1 2 3電子亞層 s p d f量子數(shù)，電子層，電子亞層之間的關(guān)系每個(gè)亞層中軌道數(shù)目1 8.6.1 原子半徑金屬半徑 van der Waals 半徑 主族元素：從左到右 r 減小； 從上到下 r 增大。過渡元素：從左到右r 緩慢減??； 從上到下r略有增大。 共價(jià)半徑r8.6.1 原子半徑金屬半徑 van der Waals 半 有效核電荷 Z* 元素原子序數(shù)增加時(shí)，原子的有效核電荷Z*呈現(xiàn)周期性的變化。同一周期： 短周期

48、：從左到右，Z*顯著增加。 長周期：從左到右，前半部分有Z*增加 不多，后半部分顯著增加。同一族：從上到下，Z*增加，但不顯著。 有效核電荷 Z* 元素原子序數(shù)增 H He37 122 Li Be B C N O F Ne 152 111 88 77 70 66 64 160 Na Mg Al Si P S Cl Ar186 160 143 117 110 104 99 191 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr227 197 161 145 132 125 124 124 125 125 128 133 122 122 121 117 114 198 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe248 215 181 160 143 136 136 1