第五章：原子結(jié)構(gòu)

第五章：原子結(jié)構(gòu)第1頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三1.氫原子光譜一.玻爾原子模型第2頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三1.氫原子光譜HαHβHγHδ一.玻爾原子模型氫放電管狹縫棱鏡第3頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三不連續(xù)光譜,氫原子光譜特征：當(dāng)n1=2經(jīng)驗公式：算出的分別等于氫原子光譜中上述4條譜線的頻率頻率具有一定的規(guī)律線狀光譜n2=3、4、5、6時第4頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三三點假設(shè)：Bohr(丹麥物理學(xué)家)(1)量子化的軌道和原子定態(tài)的觀點能量最低的定態(tài)——基態(tài)能量較高的定態(tài)——激發(fā)態(tài)

2.玻爾(Bohr)的氫原子模型第5頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三(2)軌道能級的概念n—量子數(shù)，n→大，電子運動時所處的能量狀態(tài)1、2、3……n

正整數(shù)電子所在的軌道和能級軌道離核越遠，能量越高。第6頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三(3)激發(fā)態(tài)原子發(fā)光的原因△E=En2-En1=hν電子發(fā)生躍遷類氫離子也有此性質(zhì)普朗克常數(shù)(6.626×10-34J·s)He+、Li2+第7頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三二.原子的量子力學(xué)模型1.核外電子運動的波、粒二象性光有兩象性粒子性波動性波、粒二象性E=hνp=mvλ第8頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三1924年，德布羅依提出假設(shè)：電子等微觀粒子具有波、粒二象性deBroglie關(guān)系式

微觀粒子——實物粒子，指光子、電子、質(zhì)子、中子……等一些基本粒子。波長符合下式：第9頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三電子發(fā)生器··Ni晶體照相底片λ(實驗)=λ(假設(shè))說明電子的運動與宏觀物體的運動不同電子衍射實驗第10頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三海森堡(Heisenberg)測不準(zhǔn)原理數(shù)學(xué)表示式：△p·△x≥h△p—p的不準(zhǔn)量△x—x的不準(zhǔn)量海森堡第11頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三2.核外電子運動狀態(tài)的描述薛定諤1926年薛定諤(Schr?dinger)方程1)Schr?dinger方程與量子數(shù)第12頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三zφθxyp·zxyP′rO第13頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三=Rn、l(r)·Y(θ,φ)l、m

(x、y、z)徑向分布角度分布一個方程兩個未知變量無窮多組解滿足n、l、m取值規(guī)律的解合理解量子數(shù)（Ψ、E）量子力學(xué)用來描述核外電子運動狀態(tài)的一些數(shù)字主量子數(shù)(n)角量子數(shù)(l)磁量子數(shù)(m)組合方式一定，組合方式改變，波函數(shù)的形式一定；波函數(shù)的形式改變。=n、l、

m(r,,)波函數(shù)第14頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三(1)主量子數(shù)(n)電子平均距離決定原子中電子能量的一個主要因素n的取值：核（電子層數(shù)）也可用：KLMN1234……

n

正整數(shù)大寫拉丁字母表示n

大遠電子核n

小近電子核EeEe第15頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三(2)角量子數(shù)(l)代表波函數(shù)ψ的角度函數(shù)形狀，l的取值：可用spdf表示n——主量子數(shù)所取的最大值每一個

l

值代表原子軌道的一種形狀。（受n的限制）0123……

n-1，共n個值決定原子中電子能量的一個次要因素。原子軌道空間圖象代表原子軌道的形狀第16頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三l=0，l=1，l=2，l=3，球形軌道(s)啞鈴形軌道(p)花瓣形軌道(d)球形，用s表示；啞鈴形，用p表示；花瓣形，用d表示；較復(fù)雜，用f表示。第17頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三(3)磁量子數(shù)(m)原子軌道在空間的伸展方向；m的取值：一種伸展方向共2l+1個值一條原子軌道0+1+2+3……

+l，m值決定了ψ角度函數(shù)的空間取向第18頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三n=1+S軌道l=0m=0球形軌道只有一種伸展方向一條軌道，1s軌道1s電子第19頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三n=2l=0l=1m=-1m=0m=+1有三種伸展方向Px軌道Py軌道Pz軌道三條p軌道，2p軌道；n=2，有四條軌道。-+x+-zy+-m=02s軌道2s電子2px、2py、2pz2p電子，第20頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三n=3l=0m=03s軌道3s電子l=1m=-1m=0m=+1有三種伸展方向3p軌道l=2m=-2m=-1m=0m=+2m=+1有五種伸展方向軌道上的電子稱為3d電子第三電子層一共有9條原子軌道3p電子第21頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三第22頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三+zxYs+-yxYpyzx+-Ypzz+-xYpx++--yxYdxyYdxz++--zx++--zyYdyzYdx2-y2x++--yYdz2++zx--Spd原子軌道的角度分布剖面圖第23頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三n=4l=0，l=1，m=-1、0、+1三條4p軌道l=2，五條4d軌道l=3，七條4f軌道m(xù)=-2、-1、0、+1、+2m=-3、-2、-1、0、+1、+2、+3m=0一條4s軌道第24頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三注意：n是決定軌道能級的主要量子數(shù)一條原子軌道的特征要由三個量子數(shù)來確定l是決定軌道形狀的量子數(shù)m是決定軌道伸展方向的量子數(shù)第25頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三(4)自旋量子數(shù)(ms)描述核外電子自旋運動的狀態(tài)表示兩種不同的自旋方向ms：（↓

和↑）、同一軌道上可以有自旋方向不同的兩個電子成對電子電子對能量相同核外電子的運動狀態(tài)用四個量子數(shù)來描述第26頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三(1)總能量(2)波函數(shù)()0/301,,arearΨ-=pφq()()(),,,

YrRrΨ=φqjq角度部分：()41,Y=pφq徑向部分：2)氫原子的基態(tài)n=1，l=0，m=0第27頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三徑向部分Bohr半徑第28頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三是一種球形對稱分布角度部分n=1，l=0，m=0+S軌道第29頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三(3)波函數(shù)的物理意義波函數(shù)(ψ)：無明顯的、直觀的物理意義；描述核外電子運動狀態(tài)的數(shù)學(xué)表示式用統(tǒng)計的方法統(tǒng)計電子在核外空間某一個區(qū)域出現(xiàn)機會的多少ψ2：——概率密度。概率=機會電子在原子核外空間某處單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率第30頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三·(1)·(2)·(3)·(4)·(5)·······(6)第31頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三電子云:電子出現(xiàn)概率密度大的區(qū)域電子出現(xiàn)概率密度的形象化描述電子云是ψ2的具體圖象

電子出現(xiàn)概率密度小的區(qū)域第32頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三原子軌道與電子云角度分布的兩點區(qū)別

zzzzzzxxxxxxxyyyyys原子軌道電子云有+、-號無+、-號肥胖瘦第33頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三1s的ψ2—r圖及電子云1s電子云的界面圖.界面內(nèi)電子出現(xiàn)的概率為90%界面圖外發(fā)現(xiàn)電子的概率可忽略ψ2相等的各點連接起來所得的空間曲面等概率密度面界面電子云的界面圖第34頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三徑向分布函數(shù)D(r)R(r)~r作圖D(r)~

r作圖OrD(r)1sD(r)與R(r)不同極大值的位置不同R(r)—近核處D(r)—玻爾半徑（二種形式）第35頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三(1)2s態(tài)：3)氫原子的激發(fā)態(tài)n=2,l=0,m=0第36頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三節(jié)面峰數(shù)=n－l(a)2s的ψ2—r圖及電子云(b)2sD(r)~

r圖第37頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三2s3srD

(r)n——大，極大值峰——多最高峰值離核越遠l——小，極大值峰——多第一個峰離核越近l相同n相同r3s3p3dD

(r)第38頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三(2)2p態(tài)：n,l,m 軌道ψ(r,θ,φ) R(r)Y(θ,φ)2,1,0 2pz2,1,±12px2pyn=2,l=1,m=+1,0,-1第39頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三+－30°60°θ第40頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三三、核外電子的分布1.多電子原子軌道的能級三個概念屏蔽效應(yīng)二張圖Lpauling的原子軌道近似能級圖Cotton原子軌道能級和原子序數(shù)的關(guān)系圖鉆穿效應(yīng)能級交錯第41頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三只受到原子核的吸引受到原子核的吸引，氫原子中的電子：多電子原子中的電子：受到其它電子的排斥。內(nèi)層→外層外層之間結(jié)果：原子核外層電子吸引力減弱第42頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三—

被屏蔽的電荷（屏蔽系數(shù)）Z-—有效核電荷屏蔽效應(yīng)：在多電子原子中，核電荷對某個電子的吸引力，因其它電子對該電子的排斥而被削弱的作用。屏蔽效應(yīng)大小的規(guī)律：(1)外層電子對內(nèi)層電子沒有屏蔽作用(可忽略不計)(2)n相同，l不同電子之間的屏蔽效應(yīng)：原子軌道能級順序：ns＞np＞nd＞nfEns＜Enp＜End＜Enf第43頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三電子之間的屏蔽效應(yīng)：(3)原子軌道能級順序1s＞2s＞3s＞4s……或2p＞3p＞4p＞5p……E1s＜E2s＜E3s＜E4s……或E2p＜E3p＜E4p＜E5p……n不同，l相同鉆穿效應(yīng)：電子進入原子內(nèi)部空間，受到核的較強的吸引作用(4)n、l都不同2s,2p軌道的徑向分布圖第44頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三如：E4s＜E3d＜E4p

E6s＜E4f＜E5d＜E6p能級交錯(鉆穿效應(yīng)造成的)3d與

4s軌道的徑向分布圖第45頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三每一方框：能級組的劃分：E=n+0.7l鮑林(LPauling)近似能級圖能級組(周期)原子軌道近似能級圖71s2p2s3p3s4s4p3d5s5p4d6543217s6d7p5f6s5d6p4fE6s

=6+0.7×0=6E4f=4+0.7×3=6.1E5d=5+0.7×2=6.4E6p=6+0.7×1=6.7E6s＜E4f＜E5d＜E6p第46頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三n、l相同，主要解決電子的填充順序問題鮑林(LPauling)近似能級圖簡并軌道m(xù)不同，能量相等的軌道。(等價軌道)：原子軌道近似能級圖71s2p2s3p3s4s4p3d5s5p4d6543217s6d7p5f6s5d6p4f第47頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三核外電子向原子軌道填充的順序：1s3s3p1s2s2p3d4p4s5p5s4d5d4f6s6p5f7s7p6dln765432101232s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p······71s2p2s3p3s4s4p3d5s5p4d6543217s6d7p5f6s5d6p4f第48頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三原子軌道能級與原子序數(shù)關(guān)系圖(Cotton)

主要解決電子丟失的順序問題1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d6s6p電子丟失順序：柯頓第49頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三2.基態(tài)原子中電子分布規(guī)律1）泡利(Pauli)不相容原理2）能量最低原理(322)(322)3）洪特(Hund)規(guī)則如：3p33p5全充滿p6d10f14半充滿p3d5f7全空p0d0f0電子分布最穩(wěn)定洪特規(guī)則特例：第50頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三練習(xí)：寫出下列原子的核外電子排布式19K26Fe29Cu36Kr24Cr47Ag核外電子填入軌道的順序1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p核外電子排布順序1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d6s6ppauling近似能級順序Cotton近似能級順序第51頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三19K：1s22s22p63s23p4s6126Fe：29Cu：36Kr：24Cr：47Ag：4s1s22s22p63s23p623d63d64s21s22s22p63s23p63d64s2正確排法：1s22s22p63s23p64s23d93d104s1正確排法：1s22s22p63s23p63d104s11s22s22p63s23p63d104s24p61s22s22p63s23p64s23d43d54s1正確排法：1s22s22p63s23p63d54s11s22s22p63s23p63d104s24p65s24d94d105s1正確排法：1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1第52頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三3.元素周期表與核外電子分布的關(guān)系元素周期律的表現(xiàn)形式周期表1）周期元素性質(zhì)隨著原子序數(shù)遞增呈現(xiàn)周期性變化的規(guī)律2）族3）元素在周期表中的分區(qū)第53頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三1）周期周期數(shù)=電子層數(shù)=最高主量子數(shù)(n值)七個周期1、2、3為短周期4、5、6為長周期第7周期為未完成周期最外層電子數(shù)最多不超過8個次外層電子數(shù)不超過18個原子軌道的能級交錯原因第54頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三2）族主族副族——電子最后填充在s和p軌道上的元素，用A表示，最外層電子數(shù)等于族數(shù)?！娮幼詈筇畛湓赿和f軌道上的元素，用B表示，s1~2，(n-1)d1~10，(n-2)f1~14。7個主族(A)：一個零族(稀有氣體)7個副族(B)：包括ⅠB~ⅦB族第Ⅷ族元素包括3列。周期表：18族Ⅰ~ⅦA族一個第Ⅷ族第55頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三元素所在族數(shù)與外層電子數(shù)的關(guān)系：主族元素族數(shù)ⅠB、ⅡB副族元素族數(shù)第Ⅷ族的三列元素：ⅢB~ⅦB副族元素族數(shù)次外層d電子數(shù)=最外層電子數(shù)=最外層s電子數(shù)=最外層s電子數(shù)

+最外層電子數(shù)+次外層電子數(shù)分別為8，9，10第56頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三同族內(nèi)各原子主量子數(shù)不同注意：價電子元素中能參與成鍵的電子主族：副族：外層電子結(jié)構(gòu)相同化學(xué)性質(zhì)相似ns、np電子ns、(n-1)d、(n-2)f電子第57頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三3）元素的分區(qū)：f區(qū)鑭系錒系S區(qū)ⅡA1234567周期族ⅠAP區(qū)d區(qū)ds區(qū)ⅢBⅣBⅤBⅥBⅦBⅧⅡBⅠBⅢAⅣAⅤAⅥAⅦA

0123456789101112131415161718ns1~2失電子活潑金屬ns2np1~6非金屬稀有氣體(n-1)d1~9ns1~2過渡元素(n-1)d10ns1~2與d區(qū)相似(n-2)f0~14ns2或(n-2)f0~14(n-1)d1~2ns2(57~71)(89~103)內(nèi)過渡元素化學(xué)性質(zhì)非常相似按照原子的外層電子結(jié)構(gòu)金屬兩性元素第58頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三四.元素某些性質(zhì)的周期性和原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系元素性質(zhì)的周期性原子半徑電離能電子親和能電負(fù)性元素的氧化值元素的金屬性和非金屬性第59頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三··1.原子半徑金屬半徑：共價半徑：范德華半徑：··注意金屬半徑比它的共價半徑大10—15%，范德華半徑最大原子核平均距離最外層電子··第60頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三主族元素同一周期：同一族：原子半徑(r)在周期和族中的變化r逐漸↑r逐漸↓265217170175155153142140248215163141141137133217227197122122121117114198186160143117110104991911521118877706664160

1A2A3A4A5A6A7A8A3750HHe

BCNOFLiBeNaKRbCsBaTlCaMgAlGaInSrSiSnPbBiPAsSbSSeTePoAtClBrINeArKrXeRnGe第61頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三原子半徑(r)在周期和族中的變化副族元素同一周期：d區(qū)過渡元素：

3B4B5B6B7B8族1B2B173159143137137134136136144160*Lu161145132125124124125125128133181160143136136133135138141149ScYTiZrHfVNbTaCrMoWMnTcReFeCoNiRuRhPdOsIrPtCuZnAgCdAuHgr略有↓從ⅠB起，r反而↑f區(qū)內(nèi)過渡元素：與d區(qū)相似，r

↓的更小鑭系收縮同一族：r↑較小，第五、六周期，r非常接近。188183183182181180204180178177177176175194第62頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三原子半徑與原子序數(shù)的關(guān)系1020304050607080原子序數(shù)原子半徑/Pm250200150100500HHeLiNeNaKKrRbXeCsRnAr第63頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三注意：稀有氣體原子得失電子都不容易①r→大，核電子，吸引力弱易失電子。②難失電子的原子，不一定容易得到電子。第64頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三2.電離能和電子親和能電離能：電離能越小失去電子的難易(I)結(jié)合電子的難易(Y)能量-ekJ·mol-1越容易失去電子第一電離能(I1)A(g)A+(g)A+(g)-eA2+(g)能量第二電離能(I2)依次類推I1＜I2＜I3……第65頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三第一電離能的周期性變化同一周期主族元素：副族元素左→右，I→大。左→右，I稍有↑，個別變化不規(guī)律。全充滿半充滿I1(ⅡA、ⅤA)＞I1(相鄰元素原子)第66頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三電子親和能(Y)所有元素的第二電子親和能都為正值Y→越小，A(g)+eA-(g)放出能量第一電子親和能一般都為負(fù)值稀有氣體ⅡA族元素正值原子就越容易得到電子。第67頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三同周期：Y→小同族：Y→大全充滿半充滿Y1(ⅡA、ⅤA)＞Y1(相鄰元素原子)第一電子親和能的周期性變化第68頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三3.電負(fù)性()分子中元素原子吸引電子的能力本身沒有單位。F()=4.0計算得到其它元素的電負(fù)性最大的元素是F(4.0)，最小的元素是Cs(0.7)。是一個相對的數(shù)值，第69頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三H2.1LiBe1.01.5BCNOF2.02.53.03.54.0NaMg0.91.2AlSiPSCl1.51.82.12.53.0KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBr0.81.01.31.51.61.61.51.81.91.91.91.61.61.82.02.42.8RbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeI0.81.01.21.41.61.81.92.22.22.21.91.71.71.81.92.12.5CsBaLa-LuHfTaWRcOsIrPtAuHgTlPbBiPoAt0.70.91.0-1.21.31.51.7