化学原理原子结构的量子理论.ppt

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1、关于化学原理原子结构的量子理论现在学习的是第1页，共50页Planck的量子假说（的量子假说（1900）：）： 物质吸收或发射的能量是不连续的，只能 是某一能量最小单位的倍数。这种能量的最 小单位称为能量子，或量子量子，即能量是量子 化的。 每一个量子的能量与相应电磁波（光波）的 频率成正比： hh = 6.62610-34 J.s-1 Planck常数现在学习的是第2页，共50页Einstein的光量子假说（的光量子假说（1905） 当光束和物质相互作用时，其能量不是连续分布的，而是集中在一些称为光子（photon)(或光量子）的粒子上。光子的能量正比于光的频率 hh : Planck常数

2、Einstein 主要由于光电效应方面的工作而在1921年获诺贝尔物理奖现在学习的是第3页，共50页原子核外的电子只能在符合 一定条件的、 特定的(有确 定的半径和能量）轨道上运 动。电子在这些轨道上运动时处于稳定状态， 即不吸收能量也不释放能量。这些轨道称为 定态轨道定态轨道(2) 电子运动的轨道离核越远，能量越高。当 电子处在能量最低的状态时，称为基基 态态。 当原子从外界获得能量时，电子可由离核 较近的轨道跃迁到离核较远的能量较高的 轨道上，这种状态称为激发态激发态。Bohr 的原子结构模型的原子结构模型(1913)现在学习的是第4页，共50页(3) 当电子由一个高能量的轨道向低能量的轨

3、 道跃迁时，可以光辐射的方式发射其能量。 所发射的光量子的能量大小决定于两个轨 道之间的能量差 12hEEEE2 : 高能量轨道的能量E1 : 低能量轨道的能量： 辐射光的频率现在学习的是第5页，共50页 波尔的原子结构模型成功地解释了氢原子的光谱，但无法解释多电子原子的光谱，也无法解释氢原子光谱的精细结构现在学习的是第6页，共50页(1) 德布罗意假设和物质波德布罗意假设和物质波: 1924 年，年仅32岁的法国理论物理学家De Broglie 在光的波-粒二象性的启发下，大胆假设： 所有的实物的微观粒子，如电子、原子、所有的实物的微观粒子，如电子、原子、分子等和光子一样，也具有波粒二象性。

4、分子等和光子一样，也具有波粒二象性。 mvh： 波长 m : 粒子的质量v : 粒子运动的速度德布罗意波（物质波）德布罗意波（物质波）微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性现在学习的是第7页，共50页(2) 测不准原理（测不准原理（uncertainty principle) 1927年，德国科学家海森伯格（Heisenberg）经过严格的推导证明：测不准原理测不准原理 微观粒子的空间位置和运动速率是不能被同时准确确定的。结论：结论： 核外电子运动的轨道是不确定不确定的现在学习的是第8页，共50页 只有当粒子的能量E取某些特殊的值时，薛定谔方程才能求得满足上述条件的解；微观粒子的能量是微观粒

5、子的能量是量子化量子化的的 微观粒子能够允许具有的能量称为能级能级 微观粒子的能量是不连续的现在学习的是第9页，共50页小结：小结：（1）物质的微观粒子具有波-粒二重性 （2）微观粒子的能量是量子化的现在学习的是第10页，共50页1.2 核外电子运动状态核外电子运动状态现在学习的是第11页，共50页电子云的图形表示：电子云图 电子云界面图(电子出现几率电子出现几率95%的区域）的区域） 电子云等密度面图 核外电子在空间分布的几率密度的形象表示称为电子云电子云( Electron cloud )现在学习的是第12页，共50页(1) 主量子数( n ) ( Principle quantum nu

6、mber) 主量子数主量子数n 和电子与原子核的平均距离平均距离有关。n 越大，电子与原子核的平均距离越远。 n只能取正整数， n = 1, 2, 3, 单电子原子中电子的能量只取决于n值描述电子运动的量子数描述电子运动的量子数现在学习的是第13页，共50页n 值越大，电子运动轨道离核越远，能量越高(当电子与核相距无限远，即电子与核无相互引力作用时，电子的能量定为零值） 在一个原子内，具有相同主量子数的电子几乎在同样的空间内运动，可以看作是构成一“层”，称为电子层。n = 1， 2， 3，的电子层也称为K, L, M ,N, O, P, Q, 层。现在学习的是第14页，共50页(2) 轨道角动

7、量量子数 ( l ) (Orbital angular momentum quantum number) 轨道角动量量子数轨道角动量量子数l 与电子运动角动量的大小有关，也决定了电子云在空间角度的分布的情况，即与电子云的形状电子云的形状有关。 l 的取值为： l = 0, 1, 2, 3, ，（n-1) l 的值常用英文小写字母代替：l : 0 1 2 3 4代号： s p d f g现在学习的是第15页，共50页 在多电子原子中，当n值相同，而 l 值不同时，电子的能量也稍有不同，可以看作是形成了“亚层”。亚层的符号： 1s 2s, 2p 3s, 3p, 3d 4s, 4p, 4d, 4f现

8、在学习的是第16页，共50页 (3) 磁量子数 m (magnetic quantum number)磁量子数磁量子数 m 反映了原子轨道在空间的方向空间的方向m 的允许取值为: m = 0， 1， 2， 3， ， l 一个波函数（原子轨道）的值由n, l, m三个量子数决定，记作n,l,m 。 例如： 2，1，0 代表n = 2， l =1， m = 0的电子轨道现在学习的是第17页，共50页 (4) 自旋角动量量子数 ms (spin angular momentum number) 自旋角动量量子数自旋角动量量子数ms 反映了电子的两种不同的自旋状态自旋状态。 m = 1/2 通常也用箭

9、头和表示现在学习的是第18页，共50页核外电子可能的轨道核外电子可能的轨道 n 1 2 3 电子层符号 K L M l 0 0 1 0 1 2 电子亚层符号 1s 2s 2p 3s 3p 3d m 0 0 0 0 0 0 1 1 1 2电子层轨道数 1 4 9现在学习的是第19页，共50页电子云角度分布图 现在学习的是第20页，共50页dx2-y2dz2现在学习的是第21页，共50页对核外电子运动的量子力学描述小结：对核外电子运动的量子力学描述小结： 原子中核外电子的运动具有波-粒二象性。 核外电子运动没有确定的运动轨道， 核外电子的能量是量子化的。单电子原子 中电子的能量仅由n决定，多电子原

10、子中 电子的能量由n、l 二者决定现在学习的是第22页，共50页 核外电子的运动状态由4个量子数决定： 主量子数主量子数 n 决定了电子与核的平均距离， 取值为：1， 2， 3， 角动量量子数角动量量子数 l 决定了电子运动在空间 的角度分布（即电子云的形状），取值 为：0，1， 2， ， （n-1) 磁量子数 m 反映了原子轨道在空间的不 同取向，取值为：m = 0, 1， 2， l 。 自旋角动量量子数自旋角动量量子数 mS 反映了电子的两种 不同的自旋运动状态，取值为+1/2 或-1/2现在学习的是第23页，共50页1.3 多电子原子的电子结构多电子原子的电子结构1. 多电子原子轨道的能

11、量多电子原子轨道的能量 多电子原子的波动方程无法精确求解，只能求近似解。 多电子原子中，电子不仅受原子核的作用，还要受其它电子的作用，因此各原子轨道能量的大小（能级的高低）不仅与主量子数n 有关，还与角动量量子数 l 有关。现在学习的是第24页，共50页 原子轨道能级图原子轨道能级图 (L.C.Pauling)1s2s3s4s5s6s2p3p4p5p6p3d4d5d4fE现在学习的是第25页，共50页能级分裂：能级分裂： 主量子数 n 相同而角动量量子数 l 不同着，其能量有微小的差别，l 值越大，能量也越大，这种现象称为能级分裂。能级分裂。能级交错：能级交错： 主量子数与角动量量子数均不同的

12、能级，其排列次序比较复杂，称为能级交错能级交错。现在学习的是第26页，共50页屏蔽效应：屏蔽效应：+-+- rr核外其它电子的电子云对核电荷引力的抵消作用称为屏蔽效应屏蔽效应。现在学习的是第27页，共50页钻穿效应：钻穿效应： 对于n相同而 l 不同的轨道上的电子，由于电子云的径向分布不同，电子出现在核附近而减小其它电子的屏蔽作用的能力不同，而使其能量不同的现象称为钻穿效钻穿效应。应。当n 相同时，电子钻入内层的能力为： ns np nd nf能量： Enf End Enp Ens 现在学习的是第28页，共50页2. 核外电子排布的一般规则核外电子排布的一般规则 能量最低原理：能量最低原理：

13、多电子原子在基态时，核外电子总是 尽可能地先占据能量最低的轨道。 泡利不相容原理（泡利不相容原理（Pauli exclusion principle)： 在同一原子中不可能有两个电子的四 个量子数完全相同。 (每一种量子态的电子只能有一个，即 在同一原子轨道上最多只能容纳自旋方向 相反的两个电子）。 各电子层中电子的最大容量是2n2个。现在学习的是第29页，共50页核外电子可能的轨道核外电子可能的轨道 n 1 2 3 电子层符号 K L M l 0 0 1 0 1 2 电子亚层符号 1s 2s 2p 3s 3p 3d m 0 0 0 0 0 0 1 1 1 2电子层轨道数 1 4 9可容纳电子

14、数 2 8 18现在学习的是第30页，共50页 洪特规则洪特规则 ( Hunds rule)： 电子在能量相同的轨道上排布时，总 是尽可能地以自旋相同的方式分占不同的 轨道，因为这样的排布方式总能量最低。例：C原子的电子排布1s2s2pC (1s22s22p2 )现在学习的是第31页，共50页3. 多电子原子的电子结构和元素周期律多电子原子的电子结构和元素周期律现在学习的是第32页，共50页每一个能级组对应于周期表中的一个周期 (周期的序数与能级组中s轨道的主量子数 相同)(2) 凡是最后一个电子填入ns或np轨道的都是 主族元素，其价电子的总数等于其族数。例： 元素 S ,原子序数16 核外

15、电子排布：1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 价电子为 3s2 3p4 或写作 Ne 3s2 3p4现在学习的是第33页，共50页(3) 凡最后一个电子填入(n-1)d或(n-2)f轨道上的 元素都属于副族（过渡元素）。 BB族元素，价电子(最外层和次外层 电子)总数等于其族数； B和B族元素 ，最外层电子数等于族数例： Mn , 原子序数25， 核外电子排布： 1s2 2s22p6 3s23p6 4s23d5 或写成： 1s2 , 2s22p6, 3s23p63d5, 4s2 Ar4s23d5 B族族 Cd , 原子序数48， 电子构型：1s22s22p63s23p64s23d104p6

16、5s24d10 Kr5s24d10B族现在学习的是第34页，共50页(4) 按最后一个电子填充的轨道类型，周期表可 分为下述区域（主族）（主族） （副族）（过渡元素）现在学习的是第35页，共50页4. 元素的基本性质及其周期律元素的基本性质及其周期律(1) 原子和离子半径原子和离子半径原子半径原子半径(Atomic radius)： 相邻同种原子的平均核间距的1/2。根据原子间的作用力，一般可分为三种共价半径共价半径 (covalent radius)： 同种元素的两个电子以共价键 连接时，它们核间距离的1/2称为该原子的共价半径（如H2、O2 )现在学习的是第36页，共50页 范德华半径范德

17、华半径(van der waals Radius) ： 当同种元素的两 个原子只靠范德华力（分子间作用力）相互 吸引时，其核间距的1/2 称为范德华半径（如 He,Ar )。 金属半径金属半径(metallic radius)： 在金属晶格中相邻金属原子核间距离的一半称为原子的金属半径现在学习的是第37页，共50页现在学习的是第38页，共50页离子半径（离子半径（ion radii ): 在离子型晶体中，相邻离子的核间距等于两个离子的半径之和现在学习的是第39页，共50页(2) 电离能电离能电离能电离能 ： 一个基态的气态原子失去1个电子而成为+1价气态离子所需的能量，称为该元素的第一电离能(

18、 I1 )。 从+1价气态离子再失去一个电子成为+2 价气态离子所需的能量称为该元素的第二电 离能( I2 ), 以此类推。 Cu(g) Cu+ + e-I1 = 785 kJ.mol-1 Cu+(g)Cu2+ + e-I2 = 1955 kJ.mol-1现在学习的是第40页，共50页现在学习的是第41页，共50页影响电离能大小的因素：影响电离能大小的因素：与原子的核电荷数、原子半径有关 在同一周期中，自左向右，电子层数相同， 核电荷数增加，半径减小，电离能随之增大。 在同一主族中，从上到下，电子层数增加， 半径增大，电离能也随之减小。 (2) 与电子的构型有关 半充满、全充满的轨道具有较稳定

19、的结构， 因此具有较大的电离能。 元素的第一电离能越小，越易失去电子，元素的第一电离能越小，越易失去电子，该元素的金属性也越强该元素的金属性也越强现在学习的是第42页，共50页(3) 电子亲和能电子亲和能 ( Electron Affinity ) 元素的一个基态的气态原子得到电子生成-1价气态负离子时所放出的能量称为该元素的第一电子电子亲和能亲和能 EeaCl(g) + e- Cl-(g) Eea = 349 kJmol-1O(g) + e- O-(g) Eea = 141 kJmol-1 )()( XEXEEeaX + e-X-现在学习的是第43页，共50页 元素的-1价气态负离子得到电子

20、生成-2价气态负离子时所“放出”的能量称为该元素的第二电子亲和能电子亲和能 Eae，2O- (g) + e- O2-(g) Eea,2 = -780 kJmol-1 第二亲和能，一般为负值(即此过程为吸收能量），因为负离子在得到电子需要吸收能量来克服电子之间的排斥力。X- + e- X 2- )()( 22,XEXEEea现在学习的是第44页，共50页现在学习的是第45页，共50页一般来说，原子半径越小，电子亲和能越大 元素的电子亲和能越大，原子得到电子元素的电子亲和能越大，原子得到电子变成负离子的倾向越大，非金属性也越强。变成负离子的倾向越大，非金属性也越强。现在学习的是第46页，共50页(4 ) 电负性(electronegativity)元素的电负性是指原子在分子中对成键电子吸引力相对相对大小的量度现在学习的是第47页，共50页现在学习的是第48页，共50页同一周期中，从左到右元素的电负性增大同一主族中，从上到下元素的电负性减小副族元素电负性没有明显的变化一般地说，金属元素的电负性在2.0 以下非金属元素的电负性在2.0 以上现在学习的是第49页，共50页感谢大家观看8/23/2022现在学习的是第50页，共50页