無機及分析化學(xué)第二章原子結(jié)構(gòu)

無機及分析化學(xué)第二章原子結(jié)構(gòu)第一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三§2-1原子核外電子運動狀態(tài)§2-2原子核外電子的排布和元素周期系§2-3元素某些性質(zhì)和原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系第二章原子結(jié)構(gòu)與元素周期律第二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三§2-1原子核外電子運動狀態(tài)

一、

氫原子光譜和玻爾理論二、微觀粒子的運動特性三、測不準原理四、核外電子運動狀態(tài)的近代描述第三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三化學(xué)變化中，原子核不發(fā)生變化。研究原子結(jié)構(gòu)，主要是研究核外電子的運動狀態(tài)。§2-1原子核外電子運動狀態(tài)第四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三一、

氫原子光譜和玻爾理論1.氫原子光譜在可見區(qū)（400-760nm)可得到四條比較明顯的譜線

在所有的光譜中，最簡單的就是氫原子的發(fā)射光譜。氫原子光譜的產(chǎn)生第五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三氫原子光譜特征:①不連續(xù)的,線狀的.②有規(guī)律.n=3紅（Hα）n=4藍綠（Hβ）n=5藍紫（Hγ）n=6紫（Hδ）1885年，瑞士物理學(xué)家巴爾麥（Balmer)發(fā)現(xiàn)，上述四條譜線符合公式：一、

氫原子光譜和玻爾理論1.氫原子光譜第六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三n=1n=2n=3n=4n=5第七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三n1=1n2=2、3、4‥‥‥紫外光區(qū)譜線頻率，賴曼線系（Lyman系）n1=2n2=3、4、5‥‥‥可見光區(qū)譜線頻率，巴爾麥線系（Balmer系）n1=3n2=4、5、6‥‥‥紅外光區(qū)譜線頻率，帕邢線系（Paschen系）n1n2

為正整數(shù),n2>n1

。

Rydberg常數(shù)1913年，瑞典物理學(xué)家里德堡提出適合所有氫光譜的通式一、

氫原子光譜和玻爾理論1.氫原子光譜第八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三

然而，直到本世紀初，人們只知道物質(zhì)在高溫或電激發(fā)下會發(fā)光，卻不知道發(fā)光機理；人們知道每種元素有特定的光譜，卻不知道為什么不同元素有不同光譜。（從上到下）氫、氦、鋰、鈉、鋇、汞、氖的發(fā)射光譜第九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三Figure1:Inclassicaltheory:1.atomsconstructedarenotstable;2.theelectronwouldquicklyspiralintothenucleus.3.Itisn’tthelinespectraofatoms據(jù)經(jīng)典力學(xué)，電子在原子核的正電場里運行，應(yīng)不斷地釋放能量，最后掉入原子核。如果這樣，原子就會毀滅，客觀世界就不復(fù)存在。經(jīng)典電磁理論與氫原子光譜的矛盾第十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三1氫原子光譜

原子光譜是線狀的而不是人們所想象的帶狀的，說明能量的釋放是不連續(xù)的這與傳統(tǒng)的電磁理論沖突。這種沖突直到普朗克提出了能量量子化的概念后才得到解決。一、

氫原子光譜和玻爾理論第十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三2普朗克能量量子化概念

物理學(xué)家普朗克在研究黑體輻射現(xiàn)象（受到加熱的黑色物體例如：石墨等會輻射出電磁波）時，提出了量子化的概念。

他認為帶電振子的能量不是無限連續(xù)的，它應(yīng)是某個最小能量變化單位h（光量子）的整數(shù)倍數(shù)，稱之為光量子的整數(shù)倍數(shù)，其中為普朗克常數(shù)。普朗克的理論促使人們對原子中的電子所發(fā)出的光波重新思考。第十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三2普朗克能量量子化概念黑體輻射試驗數(shù)據(jù)模擬第十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三在普朗克能量量子化理論的啟發(fā)下，根據(jù)氫原子光譜是線狀光譜的事實，丹麥數(shù)學(xué)家玻爾提出了他所設(shè)想的氫原子模型。一、

氫原子光譜和玻爾理論3.玻爾理論的核心內(nèi)容（1913年，丹麥物理學(xué)家）第十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三3.玻爾理論的核心內(nèi)容（1913年，丹麥物理學(xué)家）a.

核外電子在繞核的穩(wěn)定的軌道上運動。在此軌道上運動的電子不放出能量，也不吸收能量?；卮鹆嗽涌梢苑€(wěn)定存在的問題。

在一定的軌道上運動的電子具有一定的能量。Bohr根據(jù)自己的假設(shè)，推導(dǎo)出了氫原子核外軌道的能量公式：

(n=1,2,3…的正整數(shù))量子化條件或第十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三氫原子處于基態(tài)時，電子在n=1的軌道上運動，能量最低：E1=-2.17910-18J其半徑r=52.9pm,稱為Bohr半徑。由于n取正整數(shù)，故原子中電子能量的變化是不連續(xù)的，是一級一級分開的。n取不同的值，對應(yīng)不同的En,稱為電子的能級。第十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三C電子只有在不同的軌道之間發(fā)生躍遷時才會有能量的吸收和放出。當電子從高能級軌道躍遷到低能級軌道時，會以光能的形式放出能量：與實驗得出的公式一致。

E:軌道的能量ν：光的頻率

h:Planck常數(shù)通過理論計算得到的波長與實驗值驚人的吻合，誤差小于千分之一。第十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三#

Bohr理論小結(jié)(1)核外電子只能在有確定半徑和能量的軌道上運動,且不輻射能量;(2)通常保持能量最低基態(tài)(3)獲能量激發(fā)激發(fā)態(tài)(4)從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)釋放光能

局限性：仍沿用經(jīng)典的力學(xué)概念，把核外電子的運動看作是行星繞太陽運動。第十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三3玻爾理論玻爾理論的優(yōu)點：（1）成功引入量子理論，打破了經(jīng)典理論的束縛。（2）成功解釋了氫原子光譜線狀的事實。（3）利用理論計算出的一些數(shù)據(jù)，如電離能、原子半徑等與實驗結(jié)果相符。第十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三3玻爾理論

（1）仍沒有完全脫離經(jīng)典理論的影響。（2）對多電子原子的解釋不正確。（3）對氫原子光譜的精細結(jié)構(gòu)無法解釋。人們對原子結(jié)構(gòu)的認識又陷入了困境。玻爾理論的不足：

第二十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三二、微觀粒子的運動特性波粒二象性

光具有波粒二象性既具有波動性，又具有粒子性。

德布羅意大膽預(yù)言：一些微小的粒子(如電子、中子、質(zhì)子等)也具有波粒二象性，其波長為=h/m，他計算電子表現(xiàn)波動性的波長為0.728nm第二十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三電子的衍射實驗：證明電子具有波粒二象性。問題：為什么宏觀物體不具有波粒二象性？如：1克運動速度為300米/秒的子彈表現(xiàn)波動性時波長約為10-26nm(公式：=h/m)波粒二象性是微觀粒子的基本屬性之一。第二十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三X-raydiffractedelectrondiffracted第二十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三微觀粒子的位置與動量之間存在著測不準關(guān)系：即x·p≈hh為普朗克常數(shù)：6.62610-34J.s

x和p分別為位置不確定量和動量不確定量根據(jù)測不準原理，粒子位置的測量準確度越高，其動量的準確度就會愈差，反之亦然。三、測不準原理（德國物理學(xué)家海森保提出）第二十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三對于宏觀物體，如質(zhì)量為1克的物體，其x=10-6m（已相當準確），其速度的不準確度為10-25m.s-1，這遠遠小于其運動速度，完全可以忽略.表明測不準原理對于宏觀物體實際上起不了作用。對于原子，其尺寸大小的數(shù)量級為10-10m，則其位置的合理準確度至少要達到x=10-11m，根據(jù)測不準原理電子速度的不準確度為6106m.s-1，這已與電子的本身速度相當確定電子位置的同時，其速度就測不準，要同時測準其位置和速度是不可能的表明電子運動的軌道已不復(fù)存在。第二十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三宏觀物體微觀粒子{服從經(jīng)典力學(xué)具有確定的運動軌道分界線測不準原理物質(zhì)服從量子力學(xué)沒有確定的運動軌道測不準原理否定了玻爾理論中核外電子運動有固定軌道的觀點。第二十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三奧地利物理家E.Schr?dinger四核外電子運動狀態(tài)的近代描述第二十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三(一)波函數(shù)與原子軌道微觀粒子運動所遵循的基本方程1.薛定諤方程Seq的解：(1)電子每一種可能的運動狀態(tài)所對應(yīng)的波函數(shù)ψ(2)該運動狀態(tài)(ψ)所對應(yīng)的總能量E.第二十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三波函數(shù)的物理意義：波函數(shù)ψ

表示核外電子的一種可能的運動狀態(tài)。3.原子軌道一個波函數(shù)代表電子的一種空間運動狀態(tài)，其空間圖形可以形象的理解為電子運動的空間范圍稱為一個原子軌道。第二十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三1）直角坐標(x,y,z)與球坐標的轉(zhuǎn)換4.求解波函數(shù)過程中需要的條件波函數(shù)徑向部分波函數(shù)角度部分第三十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三y

=kx+b

二維空間,1個自變量+1個函數(shù),兩個變量z=ax+y+c三維空間,2個自變量+1個函數(shù),三個變量(r,,)or(x,y,z)屬于四維空間,3個變量+1個函數(shù), 無法用立體圖形畫出來,所以只好從不同的片面去認識這一問題,把波函數(shù)分為徑向部分和角度部分,分別來討論.2)徑向分布和角度分布第三十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三3）波函數(shù)的合理解的條件一般函數(shù)式

f(x)=ax+b波函數(shù)常數(shù)（又叫參數(shù)）a,b變數(shù)x,f(x)參數(shù)：n,l,m變量：x,y,z只有n,l,m取值合理ψ才有意義，每一組確定的n,l,m便相應(yīng)地確定了一個合理的解，此解表示電子運動的一種狀態(tài)。在量子力學(xué)中把n.l.m都具有一定數(shù)值的一個波函數(shù)稱為一個原子軌道。第三十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三下面直接給出一些解的形式:只有r是變量,為球形1s2s2pz從以上三個式子中可見,波函數(shù)被分為兩項,即為徑向部分R和角度部分Y.在此,并不要求我們?nèi)ソ庋Χㄖ@方程,只要了解薛定諤方程的形式以及其特殊的解即可.波函數(shù)的下標1,0,0;2,0,0;2,1,0

所對應(yīng)的1s,2s,2pz是什么?意義如何??第三十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三(二)確定核外電子運動狀態(tài)的四個量子數(shù)

-核外電子的“名片”(1)主量子數(shù)n(2)角量子數(shù)l

(3)磁量子數(shù)m

(4)自旋量子數(shù)

msn=1,2,3,……正整數(shù)波函數(shù)的下標1,0,0;2,0,0;

2,1,0

所對應(yīng)的是n,l,m,稱為量子數(shù).一個確定的原子軌道一個電子的運動狀態(tài)第三十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三1.主量子數(shù)（n）層數(shù)n=1n=2n=3n=4n=5n=6n=7…符號KLMNOPQ…取值：非零正整數(shù)物理意義：①

決定電子運動的能量及離核平均距離。②不同的n值，對應(yīng)于不同的電子層。n—描述電子層能級高低次序和離核遠近的參數(shù)單電子原子:四個量子數(shù)第三十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三取值受主量子數(shù)n的限制2.角量子數(shù)（

l）取值及物理意義取值:

l的取值

0，1，2，3……(n－1)

常用符號：

s,p,d,f…...（亞層）

物理意義n=1，l=0

1sn=2，l=0，1，

2s，2pn=3，l=0，1，2

3s，3p，3dn=4，l=0，1，2，3

4s，4p，4d，4f任何一個電子層所包含的電子亞層數(shù)=該電子層的層數(shù)n。①

l

表示同一層中具有不同狀態(tài)的分層或稱亞層。四個量子數(shù)第三十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三如s(l=0)軌道是球形的,而p(l=1)軌道呈啞鈴形,d(l=2)軌道呈花瓣形.

②

l

決定了ψ的角度函數(shù)的形狀。描述原子軌道或電子云的形狀.2.角量子數(shù)（

l）四個量子數(shù)第三十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三2.角量子數(shù)（

l）③對于多電子原子,l還同能量有關(guān)。n和l都相同的電子具有相同的能量,構(gòu)成一個能級(又稱亞層)。常用符號nl表示,如3s，2p，3d，5f等。單電子原子:多電子原子:如對H原子:（l相同時n↑則E↑）對多電子原子:（n相同時l↑則E↑）單電子原子中電子的能量由

n

決定。多電子原子中電子的能量由

n和l

共同決定。四個量子數(shù)第三十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三3.磁量子數(shù)（m）①表示原子軌道或電子云在空間的伸展方向(或取向),每一個磁量子數(shù)代表一個伸展方向。物理意義及取值：磁量子數(shù)m

取值受角量子數(shù)l的限制。

m有（2

l1）個數(shù)值。②取值要求：m=0，1，2…

l四個量子數(shù)第三十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三l012m00，+1，-10，+1，-1，+2，-2原子軌道符號軌道數(shù)量sp(pz，px，py)dm與E無關(guān),同一亞層中原子軌道能量相等（3個p軌道，5個d軌道，7個f軌道），稱簡并軌道或等價軌道。315l、m的取值關(guān)系四個量子數(shù)第四十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三例題.推算n=3

的原子軌道數(shù)目,并分別用三個量子數(shù)n,l,m

加以描述.解:n=3,

則

l=0,1,2

n=3l=0,

1,

2m=0;

-1,0,+1

-2,-1,0,+1,+2軌道數(shù)目:

1+3

+5

=9(條),分別為:n3333

33333 l0111

22222 m0-10+1-2-10+1+2

在第n個電子層上，有n2個軌道。第四十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三n,l,m

表明了:(1)軌道的大小(電子層的數(shù)目,電子距離核的遠近),軌道能量高低;(2)軌道的形狀;(3)軌道在空間分布的方向.因而,利用三個量子數(shù)即可將一個原子軌道描述出來.四個量子數(shù)第四十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三四個量子數(shù)自旋量子數(shù)不是由解波動方程得到的，而是由實驗發(fā)現(xiàn)的。1921年斯脫恩和日勒契做了讓電子束通過不對稱磁場的實驗，發(fā)現(xiàn)通過磁場后原子束分裂為兩組。這一實驗結(jié)果可以說明電子有自旋運動。4.自旋磁量子數(shù)ms

第四十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三表示電子的自旋方向。

ms取值：+1/2或-1/2。分別用“”和“”表示。物理意義及取值：4.自旋磁量子數(shù)ms

第四十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三小結(jié)：

n,l,m和ms四個量子數(shù)共同決定一個電子的運動狀態(tài),而且是唯一的運動狀態(tài)。n,l,m確定電子的空間運動狀態(tài)（原子軌道）ms確定電子的自旋運動狀態(tài)確定電子的運動狀態(tài)第四十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三n、l、m、ms的取值關(guān)系主量子數(shù)（n）1234副量子數(shù)（l）

磁量子數(shù)（m）亞層軌道數(shù)（2l+1）各電子層軌道數(shù)各電子層最多容納的運動狀態(tài)數(shù)001201010±134012010±130±1±259180123010±130±1±250±1±2±3716328n212n2第四十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三結(jié)論：同一原子中，不可能有運動狀態(tài)完全相同的電子存在，即同一原子中各個電子的四個量子數(shù)不可能完全相同。⑴一個軌道中只能容納2個自旋相反的電子；⑵各電子層的軌道數(shù)=n2⑶各電子層電子的最大容量=2n2四個量子數(shù)小結(jié)page8:6T,9T第四十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三三、波函數(shù)和電子云圖形波函數(shù)徑向部分角度部分||2的物理意義:原子核外發(fā)現(xiàn)電子的概率密度。概率密度：電子在原子核外空間某處單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率。電子云第四十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三電子云：用小黑點的疏密來描述電子在核外空間各處的幾率密度分布所得到的空間圖象稱為電子云。--幾率密度│ψ│2的空間圖象是電子云包含電子出現(xiàn)幾率的90%或95%那個電子云等密度面來表示電子云的形狀叫電子云的界面圖?！る娮釉平缑鎴D電子云等密度面圖第四十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三例1：

氫原子的基態(tài)(1s態(tài)）1總能量2波函數(shù)（一）波函數(shù)第五十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三氫原子波函數(shù)的徑向分布圖（1s)氫原子的基態(tài)(1s態(tài))徑向波函數(shù)圖R(r)-r第五十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三是一種球形對稱分布氫原子的基態(tài)(1s態(tài))角度部分第五十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三例2：氫原子的激發(fā)態(tài),2p態(tài):n=2,l=1,m=+1,0,-1第五十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三第五十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三波函數(shù)角度分布圖:將的角度部分Y(θφ)隨角度(θφ)的變化做圖,可以得到原子軌道的角度分布圖,這種圖形對研究原子間的成鍵作用很有用.(p14-15)第五十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三波函數(shù)的角度分布圖與主量子數(shù)無關(guān)。

Y(,)

有“+”

“-”，不要誤解為正電荷負電荷第五十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三1.電子云角度分布圖||2的角度部分∣Y(,)∣2電子云的角度分布圖：對電子云的角度部分Y2(,)隨角度(,)的變化作圖，這圖形稱電子云的角度分布圖。（二）電子云第五十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三電子云角度分布剖面圖第五十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三2P狀態(tài)下的電子云角度分布圖1.電子云角度分布圖（二）電子云第五十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三角度分布圖

狀態(tài)下的電子云3d1.電子云角度分布圖（二）電子云第六十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三角度分布圖

狀態(tài)下的電子云4f第六十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三有兩點相似：（1）形狀相似：s電子：球形；p電子：紡錘形；d電子：梅花形；其它的復(fù)雜，不易給出．

（2）原子軌道和電子云角度分布形狀與電子所處的電子層無關(guān)．有兩點區(qū)別：(1)原子軌道角度分布圖有正負號之分，而電子云角度分布圖都是正值。因Y值平方后總是正值。(2)電子云角度分布圖比原子軌道角度分布圖要”瘦”些。因為Y值小于1,Y2值將變得更小.兩組圖形(電子云和原子軌道角度分布圖)之比較第六十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三2.電子云的徑向分布函數(shù)D(r)指電子在原子核外距離為r的一薄層球殼中出現(xiàn)的概率隨半徑r變化時的分布情況.只考慮徑向部分:在半徑dr的球殼內(nèi)電子出現(xiàn)的幾率.則有幾率為:W=|R|2dV=|R|2

x

4r2

xdr單位厚度球殼內(nèi)幾率

=W/dr=|R|2

x

4r2

xdr/dr=4r2

x|R|2=D(r)D(r)即為電子云的徑向分布函數(shù)(單位厚度球殼內(nèi)電子出現(xiàn)的幾率.)球殼薄層dr第六十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三用D(r)對r作圖,考察單位球殼內(nèi)的幾率D(r)隨r的變化:注意:離中心近的幾率大,但半徑小;離中心遠的幾率小,但半徑大,所以徑向函數(shù)不是單調(diào)的(即不單調(diào)上升或單調(diào)下降,有極限值).第六十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三D(r)ra0=53pmH原子的半徑,1sD(r)r截面,2sD(r)r2p2s軌道與1s軌道相比，在最大幾率密度分布方向上出現(xiàn)幾率密度為零的1個節(jié)面，表明2s軌道的電子云分布較1s松散，體現(xiàn)了核外電子運動的波動性特征。第六十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三氫原子各種狀態(tài)的電子云徑向分布圖(1)電子云徑向分布圖中峰的數(shù)目為(n—l)。第六十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三（2）l越小,峰越多，在核附近出現(xiàn)的機會越大。第六十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三

結(jié)論：⑴、電子云的角度分布圖表示了電子在空間不同角度出現(xiàn)的概率密度的大小。從角度的側(cè)面反映了電子概率密度分布的方向性；

⑵、電子云的徑向分布圖表示電子在整個空間出現(xiàn)的概率隨半徑變化的情況．從而反映了核外電子概率分布的層次性和穿透性。從徑向分布的意義上核外電子可看作是按層分布的。第六十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三3.電子云的總體空間分布圖象

將│ψ│2的徑向部分R2與角度部分Y2結(jié)合起來，就可得到完整的電子云│ψ│2的空間分布圖。第六十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三

計算機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使得我們可以方便地得到電子云的三維圖形，使我們對電子云有一個更為清楚的認識。1s,2s,3s電子云內(nèi)部結(jié)構(gòu)視圖3.電子云的總體空間分布圖象第七十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三2p,3p,4p電子云結(jié)構(gòu)視圖4p電子云內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面視圖3.電子云的總體空間分布圖象4p軌道與2p軌道相比，在最大幾率密度分布方向上出現(xiàn)幾率密度為零的2個節(jié)面，表明4p軌道的電子云分布較2p松散(對核電荷的屏蔽較2p差一些)，同時也體現(xiàn)了核外電子運動的波動性特征。第七十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三3dxy電子云結(jié)構(gòu)視圖3.電子云的總體空間分布圖象4dxy電子云結(jié)構(gòu)視圖Homework:p27-4T第七十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三§2-2原子核外電子的排布和元素周期系多電子原子軌道的能級原子核外電子排布原子的電子層結(jié)構(gòu)與元素周期系第七十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三一、多電子原子軌道的能級n和l都相同的電子能量相同，該能量稱一個能級A.對于氫原子（單電子原子）B.對于多電子原子電子不僅受到原子核的吸引，還受到其它電子的排斥作用。這種排斥作用相當于削弱了原子核對外層電子的吸引作用。1.電子的能量和能級第七十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三屏蔽效應(yīng):在原子中,其它電子對某電子的遮擋作用.如:He+

離子,He+(+2)e-1核與電子的作用為:+2對-1若為He原子:He(+2)e-1e-1核與其中一個電子的作用為:+1.7對-1,(由于電子間的作用,抵消掉0.3單位的正電荷)再如:Li原子Li2ee+3最外層的一個電子受內(nèi)層兩個電子的排斥.1）屏蔽效應(yīng)第七十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三+2e-e-He+2e-He+2-σe-假想He+2換個角度考慮:將研究電子之外的原子其余部分,均視為原子核,則將復(fù)雜的多原子體系簡化為單電子體系:Z*為有效核電荷,且Z*=Z-說明:相當于內(nèi)層電子抵消或中和掉部分正電荷,使被討論的電子受核的吸引下降,離核更遠,能量更高,即為內(nèi)層電子對外層電子的屏蔽作用.屏蔽效應(yīng)越大,受屏蔽的電子的能量越高,是電子遠離核的作用.第七十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三對于運動狀態(tài)不同的電子,或n相同,l不同的原子軌道,有:

EnfEndEnpEns不同電子所受的屏蔽作用不同.其大小與角量子數(shù)l有關(guān):l

大的電子,受屏蔽大,能量高;l小的電子,受屏蔽小,能量升高的幅度小.第七十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三2）鉆穿效應(yīng)意義:

電子鉆入內(nèi)部,靠近核的作用(使自身能量下降)可以從徑向分布函數(shù)圖加以解釋:D(r)r3sD(r)r3pD(r)r3d可以看出:l

大的，屏蔽效應(yīng)大，鉆穿效應(yīng)小,遠離核,能量升高.相反:l

小的，屏蔽效應(yīng)小，鉆穿效應(yīng)大,靠近核,能量下降.

總之,屏蔽效應(yīng)使電子的能量上升,鉆穿效應(yīng)使電子能量下降.第七十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三

l

相同,n不同的電子n,屏蔽效應(yīng),鉆穿效應(yīng)E

即能級順序為：1s2s3s4s···；2p3p4p···；3d4d5d···

n相同,l不同的電子l

,屏蔽效應(yīng),鉆穿效應(yīng)E

即能級順序為：2s2p；3s3p3d；

···

···問題：n和l都不同的電子，如3d和4s，其能級順序如何？對于多電子原子第七十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三同理：E5sE4d

E6sE4fE5d可由徑向分布圖用鉆穿效應(yīng)解釋:D(r)r3d4s屏蔽效應(yīng)：4s3d鉆穿效應(yīng)：3d<4sE4sE3d3)能級交錯規(guī)律：EnsE(n-1)dn≥4

EnsE(n-2)fE(n-1)dn≥6第八十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三2.多電子原子軌道的能級徐光憲規(guī)則：(n+0.7l)值的高低即為多電子原子軌道能級的高低。e.g4sn+0.7l=43dn+0.7l=4.4E4s<E3d第八十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三3.原子軌道近似能級圖美國著名結(jié)構(gòu)化學(xué)家Pauling(鮑林),經(jīng)過計算,將能量相近的原子組合,形成能級組.按這種方法,他將整個原子軌道劃分成7個能級組:--鮑林近似能級圖能級組

說明1.能級組與周期對應(yīng)；2.此能級圖只反映了同一原子內(nèi)各原子軌道的能級高低順序。第八十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三特點：⑴位置的高低表示能量的高低：能級組間能量差大，能級組內(nèi)能量差?、坪啿④壍滥芰肯嗤?個p，5個d，7個f）⑶l相同，n越大能量越高。例：E2P<E3P<E4P⑷n相同，l越大能量越高。例：E4s<E4p<E4d<E4f

⑸n和l同時變動時，發(fā)生能級交錯

Ens<E(n-2)f<E(n-1)d<EnpE6s<E4f<E5d<E6p鮑林近似能級圖第八十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三多電子原子的能級順序第八十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三說明:能級：每一個亞層為一個能級，即n,l之一不同者。能級組：能量相近的能級。即（n+0.7l)整數(shù)部分相同的，為一個能級組。3）電子層≠能級組nn+0.7l#

記住近似能級圖是進行核外電子排布的關(guān)鍵。5）能級組的劃分是導(dǎo)致周期表中化學(xué)元素劃分為周期的原因。周期數(shù)=能級組數(shù)鮑林近似能級圖第八十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三（二）

科頓（F.A.Cotton)軌道能級圖提出了能級下降幅度與原子序數(shù)之間的關(guān)系。(因為:Z上升,核電荷增加,對核外運動電子的引力增加,使之靠近核,能量下降.考慮Z與各軌道能量的關(guān)系,是pauling近似能級圖無法解決的.基礎(chǔ)是光譜實驗.5第八十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三二、核外電子的排布原理和電子排布1.能量最低原理：原子核外電子在原子軌道上的排布總是盡可能使體系的能量處于最低狀態(tài).也就是說，電子首先填充1s軌道，然后依次填充能量高的軌道。2.泡利不相容原理：在同一個原子中不可能有兩個運動狀態(tài)完全相同的電子。(解決了每層可容納電子的數(shù)量問題）第八十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三3.洪特規(guī)則：電子在能量相同的軌道（也稱等價軌道或簡并軌道）上填充時，總是盡可能以成單和自旋相同的方式分占不同的軌道。這個規(guī)律又叫最多軌道原則。N原子的核外電子排布為：1s2s2pO原子的核外電子排布為：1s2s2p軌道表示式N:第八十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三1)電子填充是按近似能級圖自能量低向能量高的軌道排布的,但書寫電子結(jié)構(gòu)式時,要把同一主層(n相同)的軌道寫在一起,

如:26號 Fe 鐵 填充電子時:1s22s22p63s23p64s23d6

而書寫時應(yīng)為:

1s2

2s22p63s23p63d64s2書寫電子結(jié)構(gòu)式時,要注意:規(guī)則：按能級順序填；按電子層順序?qū)懀。?！第八十九頁，共一百二十五頁，編輯?023年，星期三2)為了方便和突出電子的排布特點，常將內(nèi)層已達到稀有氣體電子結(jié)構(gòu)的部分寫成“原子實”，用稀有氣體元素符號加括號表示。如：

26Fe1s22s22p63s23p63d64s2

[Ar]3d64s2

3d64s2-為價電子層構(gòu)型價電子層-價電子[ns;ns+np;(n-1)d+ns]所在亞層

47Ag:[Kr]

4d105s1第九十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三

電子分布式價電子層構(gòu)型82Pb:[Xe]4f145d106s26p26s26p235Br:[Ar]3d104s24p54s24p5注：原子實外的電子并非全是價層電子價電子的電離順序：np→ns→(n-1)d→(n-2)f價電子的填充順序：ns→(n-2)f→(n-1)d→np第九十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三思考:

24Cr1s22s22p63s23p63d44s2？

29Cu1s22s22p63s23p63d94s2？24Cr1s22s22p63s23p6

3d54s1

29Cu1s22s22p63s23p6

3d104s1電子排布式洪特規(guī)則的特例：等價軌道處于全充滿、半充滿或全空時比較穩(wěn)定。全充滿p6，d10，f14半充滿p3，d5，f7

全空p0，d0，f0第九十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三思考：為什么原子的最外層最多只有8個電子，次外層最多只有18個電子？練習(xí)：寫出50號元素Sn的電子排布式。

Sn1s2

2s22p6

3s23p6

4s23d104p6

5s24d105p2能級組12345

Sn1s2

2s22p6

3s23p63d10

4s24p64d10

5s25p2電子層12345電子數(shù)2818184第九十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三

能級組順序該能級組最后填充時元素數(shù)目最外電子層最多電子數(shù)次外電子層最多電子數(shù)1s1s2（2）

2s2p2s22p6(8)1s2（2）3s3p3s23p6(8)2s22p6(8)4s3d4p4s24p6(8)3s23p63d10(18)5s4d5p5s25p6(8)4s24p64d10(18)6s4f5d6p6s26p6(8)5s25p65d10(18)7s5f6d7p7s27p6(8)6s26p66d10(18)第九十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三思考2：電子排布時先4s，后3d，那它在失去電子時，是先失4s電子還是先失3d電子？規(guī)律：填，按能級順序填；（由低到高）失，按電子層順序失。（由外到內(nèi)）例：寫出Sn2+的電子排布式Sn2+1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s2Sn1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p2第九十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三三、原子的電子層結(jié)構(gòu)和元素周期系7個主族（A），7個副族（B），零族，Ⅷ族第九十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三⑴周期數(shù)=最外電子層的主量子數(shù)=最高能級組所在的組數(shù)。26Fe:[Ar]3d64s2

⑵各周期元素的數(shù)目=相應(yīng)能級組中所能容納的最多電子數(shù)。1.原子的電子層結(jié)構(gòu)與周期的關(guān)系周期能級組能級組內(nèi)各原子軌道元素數(shù)目1Ⅰ1s22Ⅱ2s2p83Ⅲ3s3p84Ⅳ4s3d4p185Ⅴ5s4d5p186Ⅵ6s4f5d6p327Ⅶ7s5f6d7p20未完第九十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三IAIIAIIIBVIIB、VIIIIBIIB0IIIAVIIALa系A(chǔ)c系s區(qū)p區(qū)d區(qū)ds區(qū)f區(qū)ns12ns2np16(n-1)d19ns12(n-1)d10ns12(n-2)f1

14

(n-1)d02ns22.原子的電子層結(jié)構(gòu)與元素的分區(qū)的關(guān)系第九十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三1)s區(qū):ns1~2,包括IAIIA,屬于活潑金屬,為堿金屬和堿土金屬;2)p區(qū):ns2np1~6,包括IIIA~VIIA以及0族元素,為非金屬和少數(shù)金屬;3)d區(qū):(n-1)d1~8ns1~2,包括IIIB~VIIB以及VIII族元素,為過渡金屬;4)ds區(qū):(n-1)d10ns1~2,包括IB~IIB,過渡金屬(d和ds區(qū)金屬合起來,為過渡金屬);5)f區(qū):(n-2)f1~14(n-1)d0~2ns2,包括鑭系和錒系元素,稱為內(nèi)過渡元素或內(nèi)過渡系.2.原子的電子層結(jié)構(gòu)與元素的分區(qū)的關(guān)系第九十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三cf:(ns+np)的電子數(shù)=8,則為0族元素.3.原子的電子層結(jié)構(gòu)與族的關(guān)系⑴主族元素(s區(qū)+p區(qū))：族數(shù)=原子最外電子層的電子數(shù)(ns+np)=該族元素的最高氧化數(shù)（化合價）第一百頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三⑵副族元素:

d區(qū):[(n-1)d+ns]的電子數(shù)=族數(shù);[(n-1)d+ns]的電子數(shù)≥8,則為VIII族元素.ds區(qū):(n-1)d10全充滿,ns中電子數(shù)=族數(shù)

f區(qū):內(nèi)過渡元素,(n-2)f1-14(n-1)d0-2ns2,鑭系:La-Lu,錒系:Ar-lr

Cu[Ar]3d104s13.原子的電子層結(jié)構(gòu)與族的關(guān)系特點：參加反應(yīng)的電子除了最外層的ns電子外，還有次外層的d電子。第一百零一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三§3-3原子結(jié)構(gòu)與元素基本性質(zhì)的關(guān)系1原子半徑(1)共價半徑(2)金屬半徑

(3)vanderWaals半徑金屬半徑

d=2r金共價半徑

d=2r共范德華半徑

d=2r范顯然：r范》

r金>r共第一百零二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三主族元素：從左到右r減小（元素的有效核電荷數(shù)）從上到下r增大（電子層數(shù)增加）副族元素：從左到右r緩慢減?。ǚ容^?。?/p>

從上到下r略有增大變化規(guī)律：副族元素由上而下半徑增大的幅度較小，特別是第五、六周期的同族元素，原子半徑很相近。（原因：鑭系收縮）第一百零三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三鑭系收縮鑭系元素：原子半徑減小更為緩慢。從鑭到镥半徑共減小15pm。原因：因為電子依次填充在倒數(shù)第三層的f軌道上。因而對最外層電子的屏蔽作用更大，使有效核電荷增加速度變得更慢，幾乎相等。鑭系收縮：鑭系元素的原子半徑隨著原子序數(shù)的增加而逐漸縮小的現(xiàn)象稱為鑭系收縮。第一百零四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三主族元素第一百零五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三

元素的原子半徑變化1.原子半徑在同周期及同族中的變化規(guī)律是什么？p242.副族元素原子半徑變化不如主族明顯的原因.p24第一百零六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三1)定義：基態(tài)的氣態(tài)原子失去最外層的一個電子成為氣態(tài)+1價離子所需的能量叫第一電離能.即：M(g)-eM+(g)I1；同理M+(g)-eM2+(g)I2；···I3。電離能可以用來衡量元素原子失去電子傾向的大小:I1↓

氣態(tài)時金屬性。同一元素的電離能：I1

I2

I3···2.電離能(ionizati onpotential)第一百零七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三2）影響因素(1)有效核電荷數(shù)：Z*↑I↑(2)原子半徑：r↑I↓(3)電子層結(jié)構(gòu)：當某些等價軌道具有全滿、半滿、全空的電子層結(jié)構(gòu)時，穩(wěn)定性較高，其I比同周期相鄰元素高。e.g.N,P,Asns2np32.電離能(ionizati onpotential)第一百零八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三（1）主族元素同周期從左到右I1增大（每周期電離能最小的是堿金屬，電離能最大的是稀有元素。）同族從上到下I1減?。?）副族元素

I

1變化不大總趨勢：從左到右

I1

略有增加3)電離能的變化規(guī)律思考：第一電離能最大和最小的元素分別是哪個(0族除外)？第一百零九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三思考：為什么Be和N比其左右的元素的電離能都大？Be2s2；N2p3思考：為什么B和O比其左右的元素的電離能都小？B2s22p1O2s22p4

第一百一十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三主族元素IA,IIA.IIIA電離能變化規(guī)律第一百一十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三一般說來，A1該元素易得電子，非金屬性。基態(tài)的氣態(tài)原子得到一個電子成為氣態(tài)-1價離子時所放出的能量叫第一電子親和能，即：

X(g)+eX-

(g)A1;同理有A2、A3。A的測定較困難，數(shù)據(jù)較少,規(guī)律性差。電子親和能(ElectronAffinity)：第一百一十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期三一般：電子親合能隨原子半徑的減小而增大。原因：半徑減小，核電荷對電子的引力增大?？傏厔荩孩佟⑼恢芷谠兀簭淖蟮接译娮佑H合能逐漸增大。②、同一族的元素：從上到下電