原子结构无机讲稿.ppt

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1、原子结构无机原子结构无机第一页，讲稿共一百零一页哦l道尔顿原子论l相对原子质量l原子的起源和演化l原子结构的波尔行星模型l氢原子结构的量子力学模型l基态原子电子组态l元素周期系l元素周期性主要内容主要内容第二页，讲稿共一百零一页哦重难点重难点1.氢原子结构的量子力学模型氢原子结构的量子力学模型2.基态原子电子组态基态原子电子组态3.元素周期系元素周期系4.元素周期性元素周期性教学方法教学方法第三页，讲稿共一百零一页哦 1-1 道尔顿原子论化学原子论的创立n化学原子论的内容：每一种化学元素有一种原子；同种原子质量相同，不同种原每一种化学元素有一种原子；同种原子质量相同，不同种原子质量不同；原子不

2、可再分；一种原子不会转变为另一种原子；化子质量不同；原子不可再分；一种原子不会转变为另一种原子；化学反应只是改变了原子的结合方式，使反应前的物质变成反应后的学反应只是改变了原子的结合方式，使反应前的物质变成反应后的物质。物质。第四页，讲稿共一百零一页哦道尔顿原子论 1805年年,道尔顿明确地提道尔顿明确地提出了他的原子论，这个理出了他的原子论，这个理论的要点有：每一种化学元论的要点有：每一种化学元素有一种原子；同种原子质素有一种原子；同种原子质量相同，不同种原子质量不量相同，不同种原子质量不同；原子不可再分同；原子不可再分;一种原子一种原子不会转变为另一种原子不会转变为另一种原子;化学化学反应

3、只是改变了原子的结合反应只是改变了原子的结合方式方式,使反应前的物质变成使反应前的物质变成反应后的物质反应后的物质。第五页，讲稿共一百零一页哦 道尔顿用自己的原子论导出了倍比定律道尔顿用自己的原子论导出了倍比定律若两种元素化合得若两种元素化合得到不止一种化合物，这些化合物中的元素的质量比存在整数倍到不止一种化合物，这些化合物中的元素的质量比存在整数倍的比例关系的比例关系并用实验予以证实并用实验予以证实,例如例如,他用实验证实他用实验证实,碳和氧有碳和氧有2种化种化合物合物一氧化碳和二氧化碳一氧化碳和二氧化碳,其中碳与氧的质量比是其中碳与氧的质量比是4:3和和8:3。尽管道尔顿提出了原子量的概念

4、，却不能正确给出许多元素尽管道尔顿提出了原子量的概念，却不能正确给出许多元素的原子量。道尔顿武断地认为，可以从的原子量。道尔顿武断地认为，可以从“思维经济原则思维经济原则”出发出发，认定水分子由，认定水分子由1个氢原子和个氢原子和1个氧原子构成，因而就定错了氧的原子个氧原子构成，因而就定错了氧的原子量。量。第六页，讲稿共一百零一页哦 道尔顿用来表示原子的符号道尔顿用来表示原子的符号,是最早的元素符号。图中他给出是最早的元素符号。图中他给出的许多分子组成是错误的。这给的许多分子组成是错误的。这给人以历史的教训人以历史的教训要揭示科要揭示科学的真理不能光凭想象，更学的真理不能光凭想象，更不能遵循道

5、尔顿提出的所谓不能遵循道尔顿提出的所谓“思维经济原则思维经济原则”,客观世界客观世界的复杂性不会因为人类或某的复杂性不会因为人类或某个人主观意念的简单化而改个人主观意念的简单化而改变。变。氧氢氮碳磷硫钾钡水一氧化氮 二氧化硫甲烷氢氧化钾碳酸钡第七页，讲稿共一百零一页哦 道尔顿原子论极大地推动了化学的发展，道尔顿原子论极大地推动了化学的发展，在在1818和和1826年年,瑞典化学家贝采里乌斯瑞典化学家贝采里乌斯(C-L.Berzelius 1779-1848)通过大量实验正确地确定通过大量实验正确地确定了当时已知化学元素的原子量，纠正了道尔顿原了当时已知化学元素的原子量，纠正了道尔顿原子量的误值

6、，为化学发展奠定了坚实的实验基础子量的误值，为化学发展奠定了坚实的实验基础（如表）。（如表）。第八页，讲稿共一百零一页哦贝采里乌斯原子量贝采里乌斯原子量(1818(1818和和1826)1826)元元素素道尔顿原道尔顿原子量子量（1810）贝采里乌斯原子量贝采里乌斯原子量（1818）贝采里乌斯贝采里乌斯原子量原子量（1826）现今相对原子现今相对原子质量（质量（1997）O71616.02615.9994Cl35.4135.47035.4527F18.7318.9984032N514.18614.00674S13.032.232.23932.066P962.731.43630.973761C5

7、.412.512.2512.0107H10.9911.00794As42150.5275.32974.92160Pt100194.4194.753195.078第九页，讲稿共一百零一页哦元素、原子序数和元素符号元素、原子序数和元素符号 具有一定核电荷数（等于核内质子数）的原子称为一种（化学）元素。按（化学）元素的核电荷数进行排序，所得序号叫做原子序数。每一种元素有一个用拉丁字母表达的元素符号。在不同场合，元素符号可以代表一种元素，或者该元素的一个原子，也可代表该元素的1摩尔原子。第十页，讲稿共一百零一页哦核素、同位素和同位素丰度核素、同位素和同位素丰度核素核素具有一定质子数和一定中子数的原子（

8、的总称具有一定质子数和一定中子数的原子（的总称）。）。元素元素具有一定质子数的原子（的总称）。具有一定质子数的原子（的总称）。同位素同位素质子数相同中子数不同的原子（的总称）。质子数相同中子数不同的原子（的总称）。同量异位素同量异位素核子数相同而质子数和中子数不同的原子核子数相同而质子数和中子数不同的原子（的总称）。（的总称）。同中素同中素具有一定中子数的原子（的总称）。具有一定中子数的原子（的总称）。第十一页，讲稿共一百零一页哦稳定核素稳定核素放射性核素放射性核素单核素元素单核素元素多核素元素多核素元素第十二页，讲稿共一百零一页哦通常用元素符号左上下角添加数字作为核素符号.核素符号左下角的数

9、字是该核素的原子核里的质子数，左上角的数字称为该核素的质量数，即核内质子数与中子数之和。具有相同核电荷数、不同中子数的核素属于同一种元素，在元素周期表里占据同一个位置，互称同位素。第十三页，讲稿共一百零一页哦 某元素的各种天然同位素的分数组成（原子百分比）称为同位素丰度。例如，氧的同位素丰度为：f（16O）=99.76%,f（17O）=0.04%f,（18O）=0.20%,而单核素元素，如氟，同位素丰度为f（19F）=100%。有些元素的同位素丰度随取样样本不同而涨落，通常所说的同位素丰度是指从地壳（包括岩石、水和大气）为取样范围的多样本平均值。若取样范围扩大，需特别注明。第十四页，讲稿共一百

10、零一页哦原子的质量原子的质量以原子质量单位u为单位的某核素一个原子的质量称为该核素的原子质量。1u等于核素12C的原子质量的1/12。有的资料用amu或mu作为原子质量单位的符号，在高分子化学中则经常把原子质量的单位称为“道尔顿”（小写字首的dalton）。1u等于多少?可着取决于对核素12C的一个原子的质量的测定。最近的数据是：1u=1.660566（9）10-24 g核素的质量与12C的原子质量1/12之比称为核素的相对原子质量。核素的相对原子质量在数值上等于核素的原子质量，量纲为一。第十五页，讲稿共一百零一页哦元素的相对原子质量（原子量）元素的相对原子质量（原子量）元素的相对原子质量（长

11、期以来称为原子量）。根据国际原子量与同位素丰度委员会1979年的定义，原子量是指一种元素的1摩尔质量对核素12C的1摩尔质量的1/12的比值。这个定义表明：元素的相对原子质量（原子量）是纯数。单核素元素的相对原子质量（原子量）等于该元素的核素的相对原子质量。多核素元素的相对原子质量（原子量）等于该元素的天然同位素相对原子质量的 加权平均值。第十六页，讲稿共一百零一页哦加权平均值就是几个数值分别乘上一个权值再加和起来。对于元素的相对原子质量（原子量），这个权值就是同位素丰度。用Ar 代表多核素元素的相对原子质量，则：Ar=fiMr,i 式中：f i 同位素丰度；Mr,i同位素相对原子质量 第十七

12、页，讲稿共一百零一页哦 宇宙之初宇宙之初 氢燃烧、氦燃烧、碳燃烧氢燃烧、氦燃烧、碳燃烧 过程、过程、e过程过程 重元素的诞生重元素的诞生 宇宙大爆炸理论的是非宇宙大爆炸理论的是非第十八页，讲稿共一百零一页哦氢原子光谱氢原子光谱 光谱仪可以测量物质发射或吸收的光的波长，拍摄各种光谱图。光谱图就像“指纹”辨人一样，可以辨别形成光谱的元素。人们用光谱分析发现了许多元素,如铯、铷、氦、镓、铟等十几种。然而，直到本世纪初，人们只知道物质在高温或电激励下会发光，却不知道发光机理；人们知道每种元素有特定的光谱，却不知道为什么不同元素有不同光谱。第十九页，讲稿共一百零一页哦氢、氦、锂、钠、钡、汞、氖的发射光谱

13、（从上到下）氢、氦、锂、钠、钡、汞、氖的发射光谱（从上到下）第二十页，讲稿共一百零一页哦氢光谱是所有元素的光谱中最简单的光谱。在可见光区，它的光谱只由几根分立的线状谱线组成,其波长和代号如下所示：谱线 H H H H H 编号(n)1 2 3 4 5波长/nm 656.279 486.133 434.048 410.175 397.009 不难发现，从红到紫,谱线的波长间隔越来越小。5的谱线密得用肉眼几乎难以区分。1883年，瑞士的巴尔麦（J.J.Balmer 1825-1898）发现，谱线波长()与编号(n)之间存在如下经验方程：3646 00422.nn第二十一页，讲稿共一百零一页哦 里德

14、堡(J.R.Rydberg 1854-1919)把巴尔麦的经验方程改写成如下的形式：22121ncRc常数后人称为里德堡常数，其数值为1.09677107m-1。氢的红外光谱和紫外光谱的谱线也符合里德堡方程，只需将1/22改为1/n12,n1=1,2,3,4;而把后一个n改写成n2=n1+1,n1+2,即可。当1=2时,所得到的是可见光谱的谱线,称为巴尔麦系,当n1=3,得到氢的红外光谱,称为帕逊系,当n1=1,得到的是氢的紫外光谱,称为来曼系。第二十二页，讲稿共一百零一页哦玻尔理论玻尔理论1、行星模型2、定态假设3、量子化条件Lnhn21 2 3 4 5,4、跃迁规则J101792218n.

15、E22211811101792nn.E2221151110289.3nn第二十三页，讲稿共一百零一页哦 当当n=1时能量最低，此时能量为时能量最低，此时能量为2.17910-18J,此时此时对应的半径为对应的半径为52.9pm,称为玻尔半径称为玻尔半径。第二十四页，讲稿共一百零一页哦行星轨道和行星模型是玻尔未彻底抛弃经典物理学的必然结果，用玻尔的方法计算比氢原子稍复杂的氦原子的光谱便有非常大的误差。新量子力学新量子力学证明了电子在核外的所谓“行星轨道”是根本不存在的。玻尔理论合理的是：核外电子处于定态时有确定的能量；原子光谱源自核外电子的能量变化。这一真理为后来的量子力学所继承。玻尔理论的基本

16、科学思想方法玻尔理论的基本科学思想方法是，承认原子体系能够稳定而长期存在的客观事实，大胆地假定光谱的来源是核外电子的能量变化，用类比的科学方法，形成核外电子的行星模型，提出量子化条件和跃迁规则等革命性的概念。第二十五页，讲稿共一百零一页哦1-5-1 波粒二象性波粒二象性物理学家们把光的粒子说和光的波动说统一起来，提出光的波粒二象性光的波粒二象性，认为光兼具粒子性和波动性两重性。光的强度：I=h=2/4第二十六页，讲稿共一百零一页哦上式等号的成立意味着：上式等号的成立意味着：I=h=2/4(1)在光的频率在光的频率 一定时，光子的密度一定时，光子的密度()与光的振幅的平方与光的振幅的平方(Y Y

17、2 2)成正比：成正比：Y Y2 2这就是说，光的强度大，则光子的密度大，光波的振幅也大这就是说，光的强度大，则光子的密度大，光波的振幅也大。(2)光子的动量光子的动量(P=mc，E=mc2其中其中m是光子的质量，是光子的质量，c是光速是光速)与与光的波长光的波长()成反比：成反比：P=mc=E/c=h/c=h/或或 =h/P动量是粒子的特性，波长是波的特性，因而上式就是光的波粒二动量是粒子的特性，波长是波的特性，因而上式就是光的波粒二象性的数学表达式，这表明，光既是连续的波又是不连续的粒子象性的数学表达式，这表明，光既是连续的波又是不连续的粒子流。流。第二十七页，讲稿共一百零一页哦1-5-2

18、 德布罗意关系式德布罗意关系式 1927年,年轻的法国博士生德布罗意（de Broglie 1892-1987）在他的博士论文中大胆地假定：所有的实物所有的实物粒子都具有跟光一样的波粒二象性，粒子都具有跟光一样的波粒二象性，引起科学界的轰动。这就是说，表明光的波粒二象性的关系式不仅是光的特性，而且是所有像电子、质子、中子、原子等实物粒子的特性。这就赋予这个关系式以新的内涵，后来称为德布罗意关系式：德布罗意关系式：=h/P=h/mv按德布罗意关系式计算的各种实物粒子的质量、速度和波长。第二十八页，讲稿共一百零一页哦实物颗粒的质量、速度与波长的关系实物实物质量质量m/kg速度速度v/(m.s-1)

19、波长波长/pm1V电压加速的电子电压加速的电子9.110-315.91051200100V电压加速的电子电压加速的电子9.110-315.91061201000V电压加速的电子电压加速的电子9.110-311.91073710000V电压加速的电电压加速的电子子9.110-315.910712He原子（原子（300K）6.610-271.410372Xe原子（原子（300K）2.310-252.410212垒球垒球2.010-1301.110-22枪弹枪弹1.010-21.01036.610-23第二十九页，讲稿共一百零一页哦 计算表明，宏观物体的波长太短，根本无法测量，也无法察觉，因此我们对

20、宏观物体不必考察其波动性，而对高速运动着的质量很小的微观物体，如核外电子，就要考察其波动性。这一关系式被戴维森和革尔麦的电子衍射实验所证实。第三十页，讲稿共一百零一页哦1-5-3 海森堡不确定原理海森堡不确定原理量子力学论证了，不能用描述宏观物体运动的量子力学论证了，不能用描述宏观物体运动的“轨迹轨迹”概念来概念来描述微观物体的运动。描述微观物体的运动。所谓所谓“轨迹轨迹”，就意味着运动中的物体在每一确定的时，就意味着运动中的物体在每一确定的时刻就有一确定的位置。微观粒子不同于宏观物体刻就有一确定的位置。微观粒子不同于宏观物体,它们的运动它们的运动是无轨迹的，即在一确定的时间没有一确定的位置。

21、是无轨迹的，即在一确定的时间没有一确定的位置。这一点可以用海森堡不确定原理来说明：对于一个物体的动量这一点可以用海森堡不确定原理来说明：对于一个物体的动量(mv)的测量的偏差的测量的偏差(mv)和对该物体的位置和对该物体的位置(x)的测量偏差的测量偏差(x)的乘的乘积处于普朗克常数的数量级积处于普朗克常数的数量级,即：即：(x)(mv)h/4 5.27310-35kgm2s-1第三十一页，讲稿共一百零一页哦对于氢原子的基态电子，玻尔理论得出结论是：氢原子核外电子对于氢原子的基态电子，玻尔理论得出结论是：氢原子核外电子的玻尔半径是的玻尔半径是52.9pm;它的运动速度为它的运动速度为2.1810

22、7m/s,相当于光速相当于光速(3108m/s)的的7。已知电子的质量为。已知电子的质量为9.110-31kg,假设我们对电假设我们对电子速度的测量准确量子速度的测量准确量 v=104m/s时，即：时，即：(mv)=9.110-31104kgm/s =9.110-27kgm/s这样这样,电子的运动坐标的测量偏差就会大到电子的运动坐标的测量偏差就会大到:x=5.27310-35kgm2s-19.110-27kgm/s =579510-12m=5795 pm这就是说，这个电子在相当于玻尔半径的约这就是说，这个电子在相当于玻尔半径的约110倍倍(5795/52.9)的内的内外空间里都可以找到外空间里

23、都可以找到,则必须打破轨迹的束缚：宏观则必须打破轨迹的束缚：宏观确定时间确定时间确定位置确定位置轨迹。轨迹。第三十二页，讲稿共一百零一页哦一.波函数和四个量子数1.波函数和薛定谔方程（E-V）222x2y2z2h282m表示微观粒子运动状态的波函数x，y，z确定微观粒子位置的三维坐标V电子的势能；E电子的总能量；(E-V)为电子的动能薛定谔方程的物理意义：方程的每个合理的解，就是表示电子运动的某一稳定状态。与这个解相应的常数E就是电子在这一稳定态下的总能量。要得到这个方程的合理解就必须引入三个量子数。用波函数来表示微观粒子在三维空间运动规律的式子称为薛定谔方程用波函数来表示微观粒子在三维空间运

24、动规律的式子称为薛定谔方程1-5-4 氢原子的量子力学模型氢原子的量子力学模型第三十三页，讲稿共一百零一页哦主量子数主量子数(n(n，与能层对应，与能层对应)取值范围：n1,2,3,（只能是正整数）物理意义：描述电子运动的范围，即通常所说的电子层（能层），决定电子能量的高低。在氢原子中，电子能量为：13.6n2E-eV(n=时 E=0)通常n1,2,3,.的电子层常用符号K，L，M，.表示。角量子数角量子数(l(l，与能级对应，与能级对应)取值范围：l0,1,2,3,.n-1物理意义：表示电子轨道的形状和在多电子原子中和主量子数一起决定电子的能量。它的取值受n的限制。当l0,1,2,3,.时的

25、各亚层，相应用符号s,p,d,f,.等表示。第三十四页，讲稿共一百零一页哦取值范围取值范围：m0,1,2,3,.l物理意义物理意义：表示电子轨道在空间的伸展方向当指明了电子运动的三个量子数n,l,m,电子的空间运动状态即电子运动的轨道也就确定了，所以说，波函数波函数 n,l,mn,l,m和原子轨道是同义和原子轨道是同义词词当n2，l=0时，m的取值只能是m=0，所表示的原子轨道是当n2，l=1时，m的取值可以是-1、0、+1，表示有三个简并(能量相同的)原子轨道:2,0,0 称S轨道 符号：2sS轨道的形状呈球形对称 2,1,0；2,1,-1；2,1,1。称为P轨道符号为：2Px，2Py，2P

26、zP轨道的形状呈8字形对称第三十五页，讲稿共一百零一页哦自旋量子数不是由氢原子波动方程解出，而是根据氢原子光谱的精细结构实验而引入的。因为电子在简并轨道中运动时，如果在磁场的作用下，也会发生能量的微小变化，致使线状光谱在磁砀中发生分裂取值范围取值范围：+，-1221通常用符号“”或“”表示物理意义物理意义：表示电子在原子轨道中运动时的自旋方向。在一个原子中，不可能存在四个量子数完全相同的电子，因此电子的运动状态可以用四个量子数来描述(n,l,m,ms)第三十六页，讲稿共一百零一页哦第三十七页，讲稿共一百零一页哦描述在三维空间运动的波函数可用球坐标来表示为(r，)，为了描述方便，可以利用变量分离

27、的方法又可将其表示为：（r，）R(r)Y(，)R(r)称为波函数的径向部分，也称径向波函数。描述电子运动随半径变化分布的波函数。Y(，)称为波函数的角度部分，也称角度波函数。描述电子运动随角度变化分布的波函数。r通过波函数的径向分布图和角度分布图，可以直观形象地说明原子的化学性质。第三十八页，讲稿共一百零一页哦波函数的角度分布图波函数的角度分布图(见P38)只与角量子数有关，如2p轨道图形和3p或4p轨道图形是一样的，图形的形状与正负号都是根据解薛定谔方程式所得波函数的具体式子得出的。l=0时，称s轨道，为球形，符号为正。l=1时，称p轨道，有三个简并轨道，分别称为px,py,pz轨道，轨道图

28、形为两个对顶的“球壳”，其中坐标轴方向一边为正，另一边为负。l=2(称d轨道)时，有五个简并轨道，轨道形状和符号见 图1-7(page 38)，其他角量子数的图形复杂，原子轨道角度分布图用于讨论分子轨道的形成。+S轨道第三十九页，讲稿共一百零一页哦第四十页，讲稿共一百零一页哦第四十一页，讲稿共一百零一页哦径向波函数R(r)在任意角度随r变化的图形与主量子数有关，也与角量子数有关（见下页），其特点是：角量子数相同的角量子数相同的R(r)R(r)图随主量图随主量子数子数n n的增大而波数增多的增大而波数增多，如1s(2p,3d)只取正值，2s(3p,4d)从正值变到负值，3s(4p,5d)从正值到

29、负值又到正值。第四十二页，讲稿共一百零一页哦 为了形象化地表示出电子的概率密度分布，可以将其看作为为了形象化地表示出电子的概率密度分布，可以将其看作为带负电荷的电子云。带负电荷的电子云。电子出现概率密度大的地方，电子云浓密一些，电子出现概率密电子出现概率密度大的地方，电子云浓密一些，电子出现概率密度小的地方，电子云稀薄一些。度小的地方，电子云稀薄一些。因此，电子云的正确意义并不是电子真的象云那样分散，不再因此，电子云的正确意义并不是电子真的象云那样分散，不再是一个粒子，而只是电子行为统计结果的一种形象表示。是一个粒子，而只是电子行为统计结果的一种形象表示。电子云图象中每一个小黑点表示电子出现在

30、核外空间中的一次电子云图象中每一个小黑点表示电子出现在核外空间中的一次概概率，率，概概率密度越大，电子云图象中的小黑点越密。率密度越大，电子云图象中的小黑点越密。三、电子云三、电子云 正如光波一样，光的强度与振幅的平方正如光波一样，光的强度与振幅的平方 2成正比，而光的强度成正比，而光的强度是由光子密度决定的，所以说光子的密度与振幅的平方成正比，波函数是由光子密度决定的，所以说光子的密度与振幅的平方成正比，波函数的平方代表了光的密度。电子的波函数的平方代表了光的密度。电子的波函数 2的物理意义是代表电子的的物理意义是代表电子的概率密度。概率密度。第四十三页，讲稿共一百零一页哦1、电子云的角度部

31、分图示将角度波函数Y的绝对值的平方Y2作图，就是电子云的角度分布图，它与角度波函数图形状相似但瘦些，电子云角度分布图没有正负号，见图1-5(page34)第四十四页，讲稿共一百零一页哦2、电子云的径向部分图示、电子云的径向部分图示前面我们介绍的R函数的图象不重要。但以R函数为基础得到的D函数图象很重要。D=4r2R。D函数的物理意义是离核r“无限薄球壳”里电子出现的概率（概率等于概率密度乘体积，这里的体积就是极薄球壳的体积）。D值越大表明在这个球壳里电子出现的概率越大。因而D函数可以称为概（“球面”是“无限薄球壳”的形象语言）。氢原子的电子处于1s,2s,2p,3s,3p,3d等轨道的第四十五

32、页，讲稿共一百零一页哦第四十六页，讲稿共一百零一页哦我们从图中看到，我们从图中看到，D函数图象是峰形的，峰数恰等于相应能级的主函数图象是峰形的，峰数恰等于相应能级的主量子数量子数n和角量子数和角量子数l之差（之差（nl）。）。特别要指出的是，氢原子的特别要指出的是，氢原子的1s电子的电子的D函数图象表明，该电子在函数图象表明，该电子在离核离核52.9pm的球壳内出现的几率是最大的。的球壳内出现的几率是最大的。52.9pm正好是玻尔半径正好是玻尔半径ao这就表明，玻尔理论说这就表明，玻尔理论说1s电子在电子在52.9pm的圆形线性轨道上运行的的圆形线性轨道上运行的结论是对氢原子核外基态电子运动的

33、一种近似描述，而新量子力结论是对氢原子核外基态电子运动的一种近似描述，而新量子力学则说，学则说，1s电子在原子核外任何一个点上都可能出现，只是在离电子在原子核外任何一个点上都可能出现，只是在离核核52.9pm的球壳内（不再是线性轨道）出现的几率最大的球壳内（不再是线性轨道）出现的几率最大第四十七页，讲稿共一百零一页哦s电子是球形的，s电子的电子云图象是球形对称的，不存在取向问题。p、d、f电子则与s电子不同。量子力学的结论是：p电子有电子有3种取向种取向，它们相互垂直（正交），它们相互垂直（正交），分别叫叫px、py和和pz电子。电子。d电子有电子有5种取种取向，分别叫向，分别叫dz2、dx2

34、y2、dxy、dxz和和dyz。f电子有7种取向。换句话说，第一能层只有1个“轨道”1s轨道；第二能层有4个“轨道”2s轨道、2px轨道、2py轨道、2pz轨道；，第n能层有n2个“轨道”。第四十八页，讲稿共一百零一页哦1.1.表征微观粒子某些性质的物理量是不连续的表征微观粒子某些性质的物理量是不连续的 如能量，光子。它只能取某一最小数值的整倍数，这一最小数值称为量子。2.2.微观粒子运动具有波粒二象性微观粒子运动具有波粒二象性 它的位置和动量不能同时准确测量，电子的运动状态是用波函数来描述的，是通过解薛定谔方程得到的，要表示电子的运动状态，必须用到四个量子数（n,l,m,ms）。描述电子运动

35、的每一种空间状态n,l,m，又形象地称为电子的运动轨道。第四十九页，讲稿共一百零一页哦波函数波函数 n,l,mn,l,m 表示电子的运动轨道表示电子的运动轨道 它又称原子轨道,如1s,2Px。波函数可分解为径向波函数和角度函数数，它们的分布图有正负号部分。2表示电子出现的概率密度表示电子出现的概率密度 电子云是用小黑点的浓稀不同来形象表示电子在空间出现的概率密度的大小，电子云也可用径向分布图D(r)-r和角度分布图Y2(，)来表示，它们的图形没有正负号。第五十页，讲稿共一百零一页哦第五十一页，讲稿共一百零一页哦1.构造原理 1）多电子原子的能级除氢(及类氢原子)外的多电子原子中核外电子不止一个

36、，不但存在电子与原子核之间的相互作用，而且还存在电子之间的相互作用。a 屏蔽效应如：锂原子核外的三个电子是1s22s1我们选定任何一个电子，其处在原子核和其余两个电子的共同作用之中，且这三个电子又在不停地运动，因此，要精确地确定其余两个电子对这个电子的作用是很困难的。我们用近似的方法来处理。第五十二页，讲稿共一百零一页哦其余两个电子对所选定的电子的排斥作用作用，认为是它们屏蔽或削弱了原子核对选定电子的吸引作用。这种其余电子对所选定的电子的排斥作用，相当于降低了部分核电荷（）对指定电子的吸引力，称为屏蔽效应。“屏蔽常数”或将原有核电荷抵消的部分。Z-=Z*Z*有效核电荷第五十三页，讲稿共一百零一

37、页哦b 斯莱特规则他由光谱数据，归纳出一套估算屏蔽常数的方法：（1）先将电子按内外次序分组：ns,np一组nd一组nf一组如：1s;2s,2p;3s3p;3d;4s,4p;4d;4f;5s,5p;5d;5f。（2）外组组电子对内组组电子的屏蔽作用=0（3）同一组，=0.35(但但1s，=0.3)（4）对ns,np，(n-1)组的=0.85；更内的各组=1（5）对nd、nf的内组电子=1注：该方法用于n为4的轨道准确性较好，n大于4后较差。这样能量公式为：22*226.13)(6.13neVZneVZE第五十四页，讲稿共一百零一页哦从能量公式中可知E与n有关，但与l有关，因此角量子数也间接地与能

38、量联系。例：求算基态钾原子的4s和3d电子的能量。(此题从填充电子的次序来看,最后一个电子是填入3d轨道,还是4s轨道)K 1s2 2s2 2p6 3s2 3p63d1 3d=181=18,Z*=19-18=1K 1s2 2s2 2p6 3s2 3p64s1 4s=101+8 0.85=16.8,Z*=2.2eVeVEd51.13)1819(6.13223eVeVEs11.44)8.1619(6.13224第五十五页，讲稿共一百零一页哦c 钻穿效应为什么电子在填充时会发生能级交错现象？这是因4s电子具有比3d电子较大的穿透内层电子而被核吸引的能力（钻穿效应）。可从图中看出4s轨道3d轨道钻得深

39、，可以更好地回避其它电子的屏蔽，所以填充电子时先填充4s电子。注：一旦填充上3d电子后3d电子的能量又比4s能量低，如铜。第五十六页，讲稿共一百零一页哦2）构造原理构造原理大量实验与理论研究表明，如果假定每个电子的运动是独立的，又大量实验与理论研究表明，如果假定每个电子的运动是独立的，又假定所有电子的相互作用力可以集中到原子核上，如同在原子核上添假定所有电子的相互作用力可以集中到原子核上，如同在原子核上添加一份负电荷，那么，氢原子电子运动状态加一份负电荷，那么，氢原子电子运动状态能层、能级、轨道能层、能级、轨道和自旋和自旋的概念可以迁移到多电子原子上描述其电子运动状态的概念可以迁移到多电子原子

40、上描述其电子运动状态，但对基态原子，必须遵循如下原理：，但对基态原子，必须遵循如下原理：第五十七页，讲稿共一百零一页哦 (1)泡利原理基态多电子原子中不可能同时存在4个量子数完全相同的电子。或，在一个轨道里最多只能容纳2个电子，它们的自旋方向相反。(2)洪特规则基态多电子原子中同一能级的轨道能量相等，称为简并轨道；基态多电子原子的电子总是首先自旋平行地、单独地填入简并轨道。例如，2p能级有3个简并轨道，如果2p能级上有3个电子，它们将分别处于2px、2py和2pz轨道，而且自旋平行，如氮原子。如果2p能级有4个电子，其中一个轨道将有1对自旋相反的电子，这对电子处于哪一个2p轨道可认为没有差别。

41、第五十八页，讲稿共一百零一页哦而而不不是是是是按按洪洪特特规规则则的的基基态态电电子子构构型型N N 1 1s s2 2s s2 2p p1 1s s2 2s s2 2p p原子序数为7第五十九页，讲稿共一百零一页哦(3)能量最低原理基态原子是处于最低能量状态的原基态原子是处于最低能量状态的原子。子。能量最低原理认为，基态原子核外电子的排布力求使整个原子的能量处于最低状态。随核电荷数递增，大多数元素的电中性基态原子的电子按如下顺序填入核外电子运动轨道，叫做构造原理。构造原理。第六十页，讲稿共一百零一页哦基基态态原原子子的的核核外外电电子子填填充充顺顺序序图图 IA-IIA IIIA-VIIIA

42、 IIIB-VIIIB La系系 周期周期 IB-IIB Ac系系76543214f1s2s3s4s5s6s7s2p3p4p5p6p7p6d5d4d3d5f第六十一页，讲稿共一百零一页哦随核电荷数递增随核电荷数递增,电子每一次从填入电子每一次从填入ns能级开始到填满能级开始到填满np能级能级,称称为建立一个周期为建立一个周期，于是有：周期:ns开始np结束 同周期元素的数目 第一周期：1s2 第二周期：2s，2p8 第三周期：3s，3p8 第四周期：4s，3d，4p 18 第五周期：5s，4d，5p 18 第六周期：6s，4f，5d，6p 32 第七周期：7s，5f，5d，.?第六十二页，讲稿

43、共一百零一页哦基态原子电子排布基态原子电子排布周期系中有约20个元素的基态电中性原子的电子组态（electron configuration，又叫构型或排布构型或排布)不符合构造原理，常见元素是：元素 按构造原理的组态 实测组态(24Cr)1s22s22p63s23p63d44s2 1s22s22p63s23p63d54s1(29Cu)1s22s22p63s23p63d94s2 1s22s22p63s23p63d104s1(42Mo)1s22s22p63s23p63d104s24p64d45s2 1s22s22p63s23p63d104s24p64d55s1(47Ag)1s22s22p63s2

44、3p63d104s24p64d95s2 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1(79Au)1s24s24p64d104f145s25p65d96s1 1s24s24p64d104f145s25p65d106s1 第六十三页，讲稿共一百零一页哦铬和钼的组态为(n-1)d5ns1,而不是(n-1)d4ns2,这被称为“半满规半满规则则”5个d轨道各有一个电子,且自旋平行。但同族的钨钨却符合构造原理，不符合“半满规则”。不过，某些镧系元素和锕系元素也符合“半满规则”以7个f轨道填满一半的(n-2)f7构型来代替(n-2)f8。因此，总结更多实例，半满规则还是成立。铜银金基态

45、原子电子组态为(n-1)d10ns1,而不是(n-1)d9ns2,这被总结为“全满规则全满规则”。考察周期表可发现，第5周期有较多副族元素的电子组态不符合构造原理，多数具有5s1的最外层构型,尤其是钯(4d105s0)，是最特殊的例子。这表明第五周期元素的电子组态比较复杂，难以用简单规则来概括。第六十四页，讲稿共一百零一页哦第五周期过渡金属原子的4d能级和能级和5s能级的轨道能差别较小能级的轨道能差别较小，导致5s1构型比5s2构型的能量更低。第六周期，其过渡金属的电子组态多数遵循构造原理，可归咎为6s能级能量降低、稳定性增大能级能量降低、稳定性增大，与这种现象相关的还有第6周期p区元素的所谓

46、“6s2惰性电子对效应惰性电子对效应”。6s2惰性电子对效应：是因随核电荷增大，电子的速度明显增大，这种效应对6s电子的影响尤为显著，这是由于6s电子相对于5d电子有更强的钻穿效应，受到原子核的有效吸引更大。这种效应致使核外电子向原子核紧缩，整个原子的能量下降。6s2惰性电子对效应对第六周期元素许多性质也有明显影响，如原子半径、过渡后元素的低价稳定性、汞在常温下呈液态等等。第六十五页，讲稿共一百零一页哦实验还表明，当电中性原子失去电子形成正离子时，总是首先失去最外层电子，因此，副族元素基态正离子的电子组态不符合构造原理副族元素基态正离子的电子组态不符合构造原理。我国著名化学家徐光宪将电中性原子

47、和正离子的电子组态的差异总结为：基态电中性原子的电子组态符合基态电中性原子的电子组态符合(n+0.7l)的顺序的顺序,基态正离子的电子组态符合基态正离子的电子组态符合(n+0.4l)的顺序的顺序（n和l分别是主量子数和角量子数）。第六十六页，讲稿共一百零一页哦1 氢氢H 1s12 氦氦He 1s23 锂锂Li He 2s14 铍铍Be He 2s25 硼硼B He 2s22p16 碳碳C He 2s22p27 氮氮N He 2s22p38 氧氧O He 2s22p49 氟氟F He 2s22p510氖氖Ne 1s2 2s22p611钠钠Na Ne 3s112镁镁Mg Ne 3s213铝铝Al

48、Ne 3s23p114硅硅Si Ne 3s23p2 15磷磷P Ne 3s23p3 16硫硫S Ne 3s23p4 17氯氯Cl Ne 3s23p5 18氩氩Ar 1s22s22p63s23p6 19钾钾K Ar 4s120钙钙Ca Ar 4s221钪钪Sc Ar 3d14s222钛钛Ti Ar 3d24s223钒钒V Ar 3d34s224铬铬Cr*Ar 3d54s125锰锰Mn Ar 3d54s226铁铁Fe Ar 3d64s227钴钴Co Ar 3d74s228镍镍Ni Ar 3d84s2表：基态电中性原子的电子组态表：基态电中性原子的电子组态第六十七页，讲稿共一百零一页哦1869年，俄

49、国化学家门捷列夫在总结对比当时已知的60多种元素的性质时发现化学元素之间的本质联系：按原子量递增把化学元素排成序列，元素的性质发生周期性的递变。这就是元素周期律的最早表述。1911年,年轻的英国人莫塞莱在分析元素的特征X射线时发现，门捷列夫化学元素周期系中的原子序数不是人们的主观赋值，而是原子核内的质子数。随后的原子核外电子排布理论则揭示了核外电子的周期性分层结构。因而，元素周期律就是：随核内质子数递增，核外电子呈现周随核内质子数递增，核外电子呈现周期性排布，元素性质呈现周期性递变。期性排布，元素性质呈现周期性递变。第六十八页，讲稿共一百零一页哦元素周期性的内涵极其丰富，具体内容不可穷尽，其中

50、最基元素周期性的内涵极其丰富，具体内容不可穷尽，其中最基本的是：本的是：随原子序数递增，元素周期性地从金属渐变成非金属随原子序数递增，元素周期性地从金属渐变成非金属,以稀有气体结束，又从金属渐变成非金属以稀有气体结束，又从金属渐变成非金属,以稀有气体结束，如以稀有气体结束，如此循环反复此循环反复。自从自从1869年门捷列夫给出第一张元素周期表的年门捷列夫给出第一张元素周期表的100多年以来，至少已多年以来，至少已经出现经出现700多种不同形式的周期表。人们制作周期表的目的是为研究周多种不同形式的周期表。人们制作周期表的目的是为研究周期性的方便。研究对象不同，周期表的形式就会不同。期性的方便。研