無機(jī)與分析化學(xué)第五章課件

第五章原子結(jié)構(gòu)

5.1氫原子光譜和玻爾理論5.2核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述5.3核外電子排布和元素周期系5.4元素性質(zhì)的周期性第五章原子結(jié)構(gòu)

11.光和電磁輻射5.1氫原子光譜與Bohr理論紅橙黃綠青藍(lán)

紫1.光和電磁輻射5.1氫原子光譜與Bohr理論紅22.氫原子光譜HαHβHγHδ2.氫原子光譜HαHβHγHδ3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，3.289×1015各代表什么意義？經(jīng)驗(yàn)公式：氫原子光譜特征：不連續(xù)光譜,即線狀光譜n=3,4,5,6式中2，n，43.Bohr理論

三點(diǎn)假設(shè)：①核外電子只能在有確定半徑和能量的軌道上運(yùn)動(dòng),且不輻射能量；②通常，電子處在離核最近的軌道上，能量最低——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)；③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)3.Bohr理論E：軌道能量5n=3紅（Hα）n=4青（Hβ）n=5藍(lán)紫（Hγ）n=6紫（Hδ）Balmer線系n=3紅（Hα）Balmer線系6原子能級(jí)Balmer線系原子能級(jí)Balmer線系7RH：Rydberg常數(shù)，其值為2.179×10-18J。RH：Rydberg常數(shù)，其值8無機(jī)與分析化學(xué)第五章課件9借助于氫原子光譜的能量關(guān)系式可定出氫原子各能級(jí)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(jí)的能量101924年，LouisdeBroglie認(rèn)為：質(zhì)量為m，運(yùn)動(dòng)速度為υ的粒子，相應(yīng)的波長(zhǎng)為：5.2核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述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。λ=h/mυ=h/p，h=6.626×10-34J·s，Plank常量。1924年，LouisdeBroglie認(rèn)111.Schr?dinger方程5.2.1Schr?dinger方程與量子數(shù)1.Schr?dinger方程5.2.1Schr?di12直角坐標(biāo)(x,y,z)與球坐標(biāo)(r,θ,φ)的轉(zhuǎn)換

222zyxr++=cosrz=qsinsinry=φqcossinrx=φq()()φq,,

,,

rΨzyxΨ()()φq,YrR=直角坐標(biāo)(x,y,z)與球坐標(biāo)(r,θ,φ)的轉(zhuǎn)換222132.四個(gè)量子數(shù)①主量子數(shù)n

③磁量子數(shù)m

④自旋量子數(shù)ms②角量子數(shù)n=1,2,3,……2.四個(gè)量子數(shù)①主量子數(shù)n③磁量14與電子能量有關(guān)，對(duì)于氫原子，電子能量唯一決定于n；不同的n值，對(duì)應(yīng)于不同的電子層：主量子數(shù)n：１２３４５…KLMNO…與電子能量有關(guān)，對(duì)于氫原子，電子能量唯一決定于n；不同的n值15角量子數(shù)l：

l的取值0，1，2，3……n－1對(duì)應(yīng)著s,p,d,f…...(亞層)

l決定了ψ的角度函數(shù)的形狀。磁量子數(shù)m：m可取0，±1,±2……±l；

其值決定了ψ角度函數(shù)的空間取向。角量子數(shù)l：磁量子數(shù)m：16n,l,m一定，軌道也確定

0123…軌道spdf…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：當(dāng)n為3時(shí),l,m分別可以取何值？軌道的名稱怎樣?n,l,m一定，軌道也確定17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)。5.2.3多電子原子軌道能級(jí)軌道：與氫原子類似，其電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)5.2.3多電子原子181.Pauling近似能級(jí)圖1.Pauling近似能級(jí)圖19無機(jī)與分析化學(xué)第五章課件202.Cotton原子軌道能級(jí)圖n相同的氫原子軌道的簡(jiǎn)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(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象。2.Cotton原子軌道能級(jí)圖n相同的氫原子軌道的簡(jiǎn)并性213.屏蔽效應(yīng)+2e-e-He+2e-He+2-σe-假想He由核外電子云抵消一些核電荷的作用。屏蔽效應(yīng)：σ為屏蔽常數(shù)，可用Slater經(jīng)驗(yàn)規(guī)則算得。Z－σ=Z*，Z*——有效核電荷數(shù)3.屏蔽效應(yīng)+2e-e-He+2e-He+2-σe-假想He22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3d與4s軌道的徑向分布圖4.鉆穿效應(yīng)進(jìn)入原子內(nèi)部空間，受到核的較強(qiáng)的吸引作用。2s,223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(jí)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。5.3核外電子排布和元素周期系核外電子分布三規(guī)則：最低能量原理Pauli不相容原理24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=26Fe：1s22s22p63s23p63d64s2N：1s22s22p3原子芯半滿全滿規(guī)則：Z=26Fe：1s22s2255.3.1原子的電子層結(jié)構(gòu)和元素周期系5.3.1原子的電子層結(jié)構(gòu)和元素周期系26

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。元素周期表(長(zhǎng)表)：周期號(hào)數(shù)等于電子層數(shù)。各周期元素的數(shù)目等于相應(yīng)能級(jí)組中原子軌道所能容納的電子總數(shù)。主族元素的族號(hào)數(shù)等于原子最外層電子數(shù)。元素周期律：元素以及由它形成的單質(zhì)和化合物的27s區(qū)—ns1－2p區(qū)—ns2np1－6d區(qū)—(n－1)d1－10ns1－2(Pd無s電子)f區(qū)—(n－2)f1－14(n－1)d0－2ns2結(jié)構(gòu)分區(qū)：s區(qū)—ns1－2p區(qū)—ns228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135726101428182n2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)n1234電子層KLMN角量子數(shù)l0123電子亞層spdf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1291.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：從左到右，Z*顯著增加。長(zhǎng)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。5。4元素性質(zhì)的周期性1.有效核電荷Z*元素原子序數(shù)增加時(shí)，原子的30無機(jī)與分析化學(xué)第五章課件312.原子半徑（r）共價(jià)半徑vanderWaals半徑主族元素：從左到右r減??；從上到下r增大。過渡元素：從左到右r緩慢減小；

從上到下r略有增大。金屬半徑2.原子半徑（r）共價(jià)半徑32主族元素主族元素33

元素的原子半徑變化趨勢(shì)元素的原子半徑變化趨勢(shì)34鑭系元素從左到右，原子半徑減小幅度更小，這是由于新增加的電子填入外數(shù)第三層上，對(duì)外層電子的屏蔽效應(yīng)更大，外層電子所受到的Z*增加的影響更小。鑭系元素從鑭到鐿整個(gè)系列的原子半徑減小不明顯的現(xiàn)象稱為鑭系收縮。鑭系元素從左到右，原子半徑減小幅度更小，這是353.電離能基態(tài)氣體原子失去電子成為帶一個(gè)正電荷的氣態(tài)正離子所需要的能量稱為第一電離能，用I

1表示。由+1價(jià)氣態(tài)正離子失去電子成為帶+2價(jià)氣態(tài)正離子所需要的能量稱為第二電離能，用I

2表示。E+(g)E

2+(g)+e-I

2E(g)

E+(g)+e-I

1例如：3.電離能基態(tài)氣體原子失去電子成為帶一個(gè)正電36無機(jī)與分析化學(xué)第五章課件37N、P、As、Sb、Be、Mg電離能較大——半滿，全滿。同一主族：從上到下，最外層電子數(shù)相同；Z*增加不多，r增大為主要因素，核對(duì)外層電子引力依次減弱，電子易失去，I依次變小。同一周期：主族元素從ⅠA到鹵素，Z*增大，r減小，I增大。其中ⅠA的I1最小，稀有氣體的I1最大；長(zhǎng)周期中部(過渡元素)，電子依次加到次外層，Z*增加不多，r減小緩慢，I略有增加。N、P、As、Sb、Be、Mg電離能較大—384.電子親和能

元素的氣態(tài)原子在基態(tài)時(shí)獲得一個(gè)電子成為一價(jià)氣態(tài)負(fù)離子所放出的能量稱為電子親和能。當(dāng)負(fù)一價(jià)離子再獲得電子時(shí)要克服負(fù)電荷之間的排斥力，因此要吸收能量。O

(g)

+e-O-(g)A1

=-140.0kJ.mol-1O-(g)

+e-

O2-(g)A2

=844.2kJ.mol-1電子親和能的大小變化的周期性規(guī)律如下圖：例如：4.電子親和能元素的氣態(tài)原子在基態(tài)時(shí)獲39無機(jī)與分析化學(xué)第五章課件40

同一周期：從左到右，Z*增大，r減小，最外層電子數(shù)依次增多，趨向于結(jié)合電子形成8電子結(jié)構(gòu)，A的負(fù)值增大。鹵素的A呈現(xiàn)最大負(fù)值，ⅡA為正值，稀有氣體的A為最大正值。

同一主族：從上到下，規(guī)律不很明顯，大部分的A負(fù)值變小。特例：A(N)為正值，是p區(qū)元素中除稀有氣體外唯一的正值。A的最大負(fù)值不出現(xiàn)在F原子而是Cl原子。同一周期：從左到右，Z*增大，r減小，最41原子在分子中吸引電子的能力稱為元素的電負(fù)性，用表示。電負(fù)性標(biāo)度不同，數(shù)據(jù)不同，但在周期系中變化規(guī)律是一致的。電負(fù)性可以綜合衡量各種元素的金屬性和非金屬性。同一周期從左到右電負(fù)性依次增大；同一主族從上到下電負(fù)性依次變小，F(xiàn)元素為3.98，非金屬性最強(qiáng)。電負(fù)性的標(biāo)度有多種，常見的有Mulliken標(biāo)度(

)，Pauling標(biāo)度()和Allred-Rochow標(biāo)度()。

5.電負(fù)性原子在分子中吸引電子的能力稱為元素的電負(fù)性，42電負(fù)性()變化電負(fù)性()變化43第五章原子結(jié)構(gòu)

5.1氫原子光譜和玻爾理論5.2核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述5.3核外電子排布和元素周期系5.4元素性質(zhì)的周期性第五章原子結(jié)構(gòu)

441.光和電磁輻射5.1氫原子光譜與Bohr理論紅橙黃綠青藍(lán)

紫1.光和電磁輻射5.1氫原子光譜與Bohr理論紅452.氫原子光譜HαHβHγHδ2.氫原子光譜HαHβHγHδ46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，3.289×1015各代表什么意義？經(jīng)驗(yàn)公式：氫原子光譜特征：不連續(xù)光譜,即線狀光譜n=3,4,5,6式中2，n，473.Bohr理論

三點(diǎn)假設(shè)：①核外電子只能在有確定半徑和能量的軌道上運(yùn)動(dòng),且不輻射能量；②通常，電子處在離核最近的軌道上，能量最低——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)；③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)3.Bohr理論E：軌道能量48n=3紅（Hα）n=4青（Hβ）n=5藍(lán)紫（Hγ）n=6紫（Hδ）Balmer線系n=3紅（Hα）Balmer線系49原子能級(jí)Balmer線系原子能級(jí)Balmer線系50RH：Rydberg常數(shù)，其值為2.179×10-18J。RH：Rydberg常數(shù)，其值51無機(jī)與分析化學(xué)第五章課件52借助于氫原子光譜的能量關(guān)系式可定出氫原子各能級(jí)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(jí)的能量531924年，LouisdeBroglie認(rèn)為：質(zhì)量為m，運(yùn)動(dòng)速度為υ的粒子，相應(yīng)的波長(zhǎng)為：5.2核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述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。λ=h/mυ=h/p，h=6.626×10-34J·s，Plank常量。1924年，LouisdeBroglie認(rèn)541.Schr?dinger方程5.2.1Schr?dinger方程與量子數(shù)1.Schr?dinger方程5.2.1Schr?di55直角坐標(biāo)(x,y,z)與球坐標(biāo)(r,θ,φ)的轉(zhuǎn)換

222zyxr++=cosrz=qsinsinry=φqcossinrx=φq()()φq,,

,,

rΨzyxΨ()()φq,YrR=直角坐標(biāo)(x,y,z)與球坐標(biāo)(r,θ,φ)的轉(zhuǎn)換222562.四個(gè)量子數(shù)①主量子數(shù)n

③磁量子數(shù)m

④自旋量子數(shù)ms②角量子數(shù)n=1,2,3,……2.四個(gè)量子數(shù)①主量子數(shù)n③磁量57與電子能量有關(guān)，對(duì)于氫原子，電子能量唯一決定于n；不同的n值，對(duì)應(yīng)于不同的電子層：主量子數(shù)n：１２３４５…KLMNO…與電子能量有關(guān)，對(duì)于氫原子，電子能量唯一決定于n；不同的n值58角量子數(shù)l：

l的取值0，1，2，3……n－1對(duì)應(yīng)著s,p,d,f…...(亞層)

l決定了ψ的角度函數(shù)的形狀。磁量子數(shù)m：m可取0，±1,±2……±l；

其值決定了ψ角度函數(shù)的空間取向。角量子數(shù)l：磁量子數(shù)m：59n,l,m一定，軌道也確定

0123…軌道spdf…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：當(dāng)n為3時(shí),l,m分別可以取何值？軌道的名稱怎樣?n,l,m一定，軌道也確定60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)。5.2.3多電子原子軌道能級(jí)軌道：與氫原子類似，其電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)5.2.3多電子原子611.Pauling近似能級(jí)圖1.Pauling近似能級(jí)圖62無機(jī)與分析化學(xué)第五章課件632.Cotton原子軌道能級(jí)圖n相同的氫原子軌道的簡(jiǎn)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(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象。2.Cotton原子軌道能級(jí)圖n相同的氫原子軌道的簡(jiǎn)并性643.屏蔽效應(yīng)+2e-e-He+2e-He+2-σe-假想He由核外電子云抵消一些核電荷的作用。屏蔽效應(yīng)：σ為屏蔽常數(shù)，可用Slater經(jīng)驗(yàn)規(guī)則算得。Z－σ=Z*，Z*——有效核電荷數(shù)3.屏蔽效應(yīng)+2e-e-He+2e-He+2-σe-假想He65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3d與4s軌道的徑向分布圖4.鉆穿效應(yīng)進(jìn)入原子內(nèi)部空間，受到核的較強(qiáng)的吸引作用。2s,266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(jí)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。5.3核外電子排布和元素周期系核外電子分布三規(guī)則：最低能量原理Pauli不相容原理67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=26Fe：1s22s22p63s23p63d64s2N：1s22s22p3原子芯半滿全滿規(guī)則：Z=26Fe：1s22s2685.3.1原子的電子層結(jié)構(gòu)和元素周期系5.3.1原子的電子層結(jié)構(gòu)和元素周期系69

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。元素周期表(長(zhǎng)表)：周期號(hào)數(shù)等于電子層數(shù)。各周期元素的數(shù)目等于相應(yīng)能級(jí)組中原子軌道所能容納的電子總數(shù)。主族元素的族號(hào)數(shù)等于原子最外層電子數(shù)。元素周期律：元素以及由它形成的單質(zhì)和化合物的70s區(qū)—ns1－2p區(qū)—ns2np1－6d區(qū)—(n－1)d1－10ns1－2(Pd無s電子)f區(qū)—(n－2)f1－14(n－1)d0－2ns2結(jié)構(gòu)分區(qū)：s區(qū)—ns1－2p區(qū)—ns271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135726101428182n2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)n1234電子層KLMN角量子數(shù)l0123電子亞層spdf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1721.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：從左到右，Z*顯著增加。長(zhǎng)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。5。4元素性質(zhì)的周期性1.有效核電荷Z*元素原子序數(shù)增加時(shí)，原子的73無機(jī)與分析化學(xué)第五章課件742.原子半徑（r）共價(jià)半徑vanderWaals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。金屬半徑2.原子半徑（r）共價(jià)半徑75主族元素主族元素76

元素的原子半徑變化趨勢(shì)元素的原子半徑變化趨勢(shì)77鑭系元素從左到右，原子半徑減小幅度更小，這是由于新增加的電子填入外數(shù)第三層上，對(duì)外層電子的屏蔽效應(yīng)更大，外層電子所受到的Z*增加的影響更小。鑭系元素從鑭到鐿整個(gè)系列的原子半徑減小不明顯的現(xiàn)象稱為鑭系收縮。鑭系元素從左到右，原子半徑減小幅度更小，這是783.電離能基態(tài)氣體原子失去電子成為帶一個(gè)正電荷的氣態(tài)正離子所需要的能量稱為第一電離能，用I

1表示。由+1價(jià)氣態(tài)正離子失去電子成為帶+2價(jià)氣態(tài)正離子所需要的能量稱為第二電離能，用I

2表示。E+(g)E

2+(g)+e-I

2E(g)

E+(g)+