大學(xué)本科無(wú)機(jī)化學(xué)第八原子結(jié)構(gòu)課件

1、第八章 原子結(jié)構(gòu)8.1 氫原子結(jié)構(gòu)8.2 多電子原子結(jié)構(gòu)8.3 元素周期律人類對(duì)原子的認(rèn)識(shí) 19世紀(jì)英國(guó)科學(xué)家Dalton提出了原子學(xué)說(shuō)物質(zhì)由原子組成，并不可再分。同一種元素的原子質(zhì)量、形狀和性質(zhì)完全相同，不同元素的原子則不相同。 以后人類通過(guò)大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明：原子由原子核和核外電子組成，原子核帶正電荷，并位于原子中心，電子帶負(fù)電，在原子核周圍空間高速運(yùn)動(dòng)。整個(gè)原子是電中性的。 原子很小，原子核更小。原子核是由質(zhì)子（正電荷）和中子組成。元素：具有同質(zhì)子數(shù)的同一類原子總稱為元素。同位素：質(zhì)子數(shù)相同，而中子數(shù)不同的互為同位素，如8.1 氫原子結(jié)構(gòu)氫原子光譜與Bohr理論電子的波粒二象性Schrd

2、inger方程與量子數(shù)氫原子的基態(tài)氫原子的激發(fā)態(tài)氫原子光譜氫原子光譜特征:不連續(xù)的,線狀的. 有規(guī)律n= 3,4,5,6n = 3 紅（H）n = 4 青（H ）n = 5 藍(lán)紫 （ H ）n = 6 紫（H ）Balmer線系原子能級(jí)RH: Rydberg常數(shù)二、電子的波粒二象性1924年：Louis de Broglie認(rèn)為： 質(zhì)量為 m ,運(yùn)動(dòng)速度為v 的粒子,相應(yīng)的波長(zhǎng)為： 1927年，Davisson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。三、Schrdinger方程與量子數(shù)1 Schrdinger方程直角坐標(biāo)( x,y,z)與球坐標(biāo) 的轉(zhuǎn)換 ()()jq,

3、, rzyx a、主量子數(shù)n, n為1，2，3，4等正整數(shù)。n無(wú)窮大時(shí)，能量為零，基態(tài)時(shí), n=1, 能量最低（負(fù)值），n越大，能級(jí)越高。直觀可以認(rèn)為n為原子外電子排列的層數(shù)。E -1/n2b、角量子數(shù)l, l為0，1，2，.n-1正整數(shù)，共有n個(gè)，它表示原子軌道（或波函數(shù)）的角度分布，即電子云的形狀。例如，當(dāng)l = 0, 1, 2, 3 時(shí)，原子軌道分別用s, p, d, f 表示。當(dāng)n 相同時(shí)，不同l 的原子軌道稱為亞層。l 越大，能量越高。例如，主量子數(shù)n = 2 時(shí)，l 可以為 0，1，即原子軌道可以有2s, 2p, 兩個(gè)亞層，2p 電子的能量高于2s。 s軌道 p軌道 d軌道 c、磁

4、量子數(shù)ml, 表示原子軌道在空間的取向，數(shù)值可以是0，1，2，l，對(duì)于某個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以有2l+1個(gè)磁量子數(shù)。例如l1，ml 可以為 0，1三個(gè)不同的取向，用px, py, pz表示。 l2, ml 可以為 0，1 , 2, 五個(gè)不同的取向，用dxy, dyz, dxz, dx2-y2, dz2表示d、自旋量子數(shù)ms，電子本身作自旋運(yùn)動(dòng)。電子自旋有順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向，因此，自旋量子數(shù)為1/2。 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 =2, l =1, m =0, 2pz m=1 2px m= -1 2py

5、n =3, l =2, m =0, 3dz2思考題: 當(dāng)n為3時(shí), l ,m,分別可以取何值? 軌道的名稱怎樣?徑向部分是一種球形對(duì)稱分布角度部分徑向分布函數(shù)D(r)空間微體積五、氫原子的激發(fā)態(tài) 1 2s態(tài):n=2, l=0, m=02 2p態(tài):n =2 , l =1 , m = +1,0,-13 3d態(tài):n=3, l=2, m=0,n=3, l=2, m=0n=3, l=2n=3, l=2n=3, l=2n=3, l=2小結(jié):量子數(shù)與電子云的關(guān)系(1) n: 決定電子云的大小(2) l: 描述電子云的形狀(3) m: 描述電子云的伸展方向 8.2 多電子原子結(jié)構(gòu)多電子原子軌道能級(jí)核外電子排布

6、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(chǎng)的作用下, 還 與m有關(guān)一、多電子原子軌道能級(jí)1 Pauling近似能級(jí)圖Cotton原子軌道能級(jí)圖核外電子填充順序電子排布順序：1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 7p63 屏蔽效應(yīng)+2e-e-He+2e-He+2-e-假想He屏蔽效應(yīng):由核外電子云抵消一些核電 荷的作用。的值由Slater規(guī)則確定4 穿鉆效應(yīng) 進(jìn)入原

7、子內(nèi)部空間，受到核的較強(qiáng)的吸引作用。核外電子排布（核外電子排布三原則） (1)最低能量原理 電子在核外排列應(yīng)盡先分布在低能級(jí)軌道上, 使整個(gè)原子系統(tǒng)能量最 低。 (2)Pauli不相容原理 每個(gè)原子軌道中最多容納兩個(gè)自旋式相反的電子。 (3)Hund 規(guī)則 在n和 l相同的軌道上, 分布電子,將盡可能得分布m值不同的軌道, 且自旋相同。Hund特例 當(dāng)軌道處于全滿,半滿.全空時(shí),原子較穩(wěn)定26號(hào)Fe:1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2N:幾個(gè)特殊的元素的核外電子結(jié)構(gòu)：41 Nb:1s22s22p63s23p64s23d104p65s14d444 Ru1s22s22p63s2

8、3p64s23d104p65s14d745 Rh1s22s22p63s23p64s23d104p65s14d846 Pd1s22s22p63s23p64s23d104p65s04d1078 PtXe4f145d96s1原子的電子層結(jié)構(gòu)和元素周期系元素性質(zhì)的周期性8.3元素周期律 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 每個(gè)亞層中 軌道數(shù)目 每個(gè)亞層最多 容納電子數(shù)1 3 5 72 6 10 142 8 18一、原子的電子層結(jié)構(gòu)和元素周期系 元素周期表（1）7個(gè)周期，18族（舊的分法：IVIIIA

9、，IVIIIB族，或主副族）周期數(shù)為n, 即最大的主量子數(shù)（2）按價(jià)電子組態(tài)分為5個(gè)區(qū) s 區(qū) (n-1)s2(n-1)p6 ns1-2 1，2族，即堿金屬，堿土金屬（主族） d 區(qū) (n-1)s2(n-1)p6(n-1)d1-9 ns1-2 38族，過(guò)渡金屬（副族）（ds 區(qū) (n-1)s2(n-1)p6 (n-1)d10 ns1-2 11，12族，銅鋅分組） p 區(qū) (n-1)s2(n-1)p6 ns2np1-6 1318族（主族） f 區(qū) (n-2)f1-14 (n-1)s2(n-1)p6(n-1)d0-2ns2 鑭系，錒系元素二、元素性質(zhì)的周期性1 原子半徑(1) 共價(jià)半徑 (2) 金屬半徑 (3) van der Waals 半徑 主族元素：從左到右 r 減小 從上到下 r 增大過(guò)渡元素：從左到右 r 緩慢減小 從上到下 r略有增大 鑭系收縮 主族元素 元素的原子半徑變化2 電離能E (g) = E+ (g) + e- I 1E+ (g) =E 2+ (g) + e- I 2（1）主族元素同周期 從左到右 I1增大 同族 從上到下 I1減?。?）過(guò)渡元素 I 1變化不大 總趨勢(shì)：從左到右 I1 略有增加 電離能變化3 電子親和能X(g) + e- = X- (g) X- (g) + e- = X 2- (g)