大学化学课件与习题答案、模拟题第四章.ppt
《大学化学课件与习题答案、模拟题第四章.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《大学化学课件与习题答案、模拟题第四章.ppt(71页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、第四章 原子结构和元素周期系 前几章主要从宏观方面阐述物质变化的基本规律 本章主要探讨物质的微观结构,了解物质变化的根本原因近代研究结果表明,原子由原子核和绕核高速运动的电子组成,而原子核又由质子、中子等组成物质的一些物理性质特别是化学性质主要决定于电子在原子核外的运动状态本章首先讨论电子在原子核外的运动特征及其描述方法,然后再根据原子结构的知识讨论元素周期系 2/5/2023第一节 核外电子的运动状态一、电子运动的特征1、吸收和放出能量是量子化的 原子光谱是一条条分立的线条,表明电子具有的能量是一份一份的、不连续的,称之为能量量子化。红 绿 蓝 紫紫700 600 500 400 波长/nm
2、 氢原子光谱示意图2/5/2023400 500 600 700nm 氢氦锂钠钡汞氖部分元素的真实原子光谱2/5/2023式中:微粒波的波长;h普朗克常数;m微粒质量;v微观粒子运动的速度 2、电子具有波粒二象性 光既具有波动性(干涉、衍射)又具有粒子性(光电效应),这称为光的波粒二象性。1924年,德布罗依受光的波粒二象性的启发,假设微观粒子也具有波粒二象性,并导出了著名的德布罗依关系式:只要波长大于粒子尺寸,即表现出波动性。2/5/2023 1927年美国的戴维逊和英国的汤姆逊实验证实电子确能衍射。电子枪光栅屏幕电子衍射示意图 电子衍射证实了德布罗意假设的正确性。即电子的运动也具有波动性,
3、或者说电子也具有波粒二象性。2/5/2023 电子绕核旋转时速度极高,而运动空间又非常狭小,因而不能同时准确测出某一瞬间某个电子的位置和速度,这就是著名的海森堡海森堡测不准原理测不准原理。但是,通过上图所示的实验可以发现,对于一个电子的衍射,确实不能确定它将落在何处,但对于电子流,却可以确定他们在屏幕上某区域出现的几率大小。因此,可用(只能用)电子在核外某区域出现几率的大小来描述电子运动的特征。或者说电子运动具有几率分布的性质或符合统计性规律。3电子出现的统计性2/5/2023二、电子运动状态的描述为了描述核外电子的运动状态,先后有多位科学家提出了不同的原子模型,如 1911年卢瑟福提出了含核
4、原子模型电子绕核旋转与行星绕太阳运动一样,但带电粒子辐射能量后速度衰减,最后毁灭;1913年波尔提出了波尔原子模型(假设电子运动符合牛顿方程但不辐射能量),给出了定态轨道、轨道能级和能量量子化等概念,成功地解释了氢原子光谱。但玻尔理论不能解释多电子原子的光谱。2/5/2023薛定谔方程是一种二阶偏微分方程,其形式为:式中:x、y、z为空间坐标;为电子波的波函数;E为电子的总能量;V为电子的势能;m为电子的质量;h为普朗克常数。1926年,奥地利物理学家薛定谔根据电子具有波粒二象性这一特征,提出了描述微观粒子运动的基本方程薛定谔方程,奠定了现代量子力学的基础。2/5/2023 式中的是薛定谔方程
5、的解,是描述电子运动的数学函数式。只要能找出电子势能的表达式,该方程就可以精确求解,但目前为止只有氢原子的薛定谔方程可以精确求解,多电子原子的薛定谔方程只能近似地求解。解此方程需要很多的数学知识,情况非常复杂,在这里只简要介绍解此方程的思路和解的结果。2/5/20231、波函数的求解和三个量子数、波函数的求解和三个量子数 为求解方便,需将直角坐标变换为球坐标,参见下图。空间某点P的直角坐标与球坐标的对应关系为:x=rsincon;y=rsinsin;z=rcos 于是,直角坐标描述的波函数(x,y,z)转化为球坐标描述的波函数(r,)。zPryx球坐标示意图2/5/2023 数学上,可以通过分
6、离变量的方法将波函数分为两部分或三部分:(r,)=R(r)Y(,)或 (r,)=R(r)()()式中:R(r)称为波函数的径向部分;Y(,)称为波函数的角度部分。只要将R(r)、()、()分别解出后即可得到的具体表达式。R(r)有许多个,其具体表达式与自然数n(n=1,2,3)有关,即当n=1时有一个R(r)表达式,当n=2时又有一个R(r)表达式,2/5/2023 同理,()的具体表达式与l(l=0,1,2,n-1,共n个)有关,()的具体表达式与m(m=0,1,2,l,共2l+1个)有关。当n、l、m都有确定值时,R(r)、()、()都有确定的数学表达式,即(r,)有确定的的数学表达式。n
7、、l、m分别称为主量子数、角量子数和磁量子数。注意,l的取值受n的限制,m的取值受l的限制。如n取2时,l只能取0和1,当l取0时,m只能取0,当l取1时,m只能取0,1。否则,解出的波函数在数学上没有意义。2/5/2023 对于氢原子,所有的原子轨道或波函数都有确定的数学函数式,如表4.1所示。轨道 (r,)R(r)Y(,)1s2s2pz2px2/5/2023合理的波函数有数学意义但没有物理意义。波函数的平方有明确的物理意义,它表示电子在核外单位体积内出现的几率大小。可以将波函数近似理解为电子在核外空间出现的范围。习惯上将波函数称为原子轨道,所谓的原子轨道并不是电子运动的轨迹,它只代表电子的
8、某种运动状态。为便于理解,我们可以将核外的原子轨道理解成一层一层的,每一层都有若干个轨道。2、波函数和原子轨道、波函数和原子轨道2/5/2023 n=1时称为第一层,用符号K表示;n=2时称为第二层,用符号L表示;以下依次为M、N、O、P、Q层。l=0时表示一种轨道,用符号s表示,即s轨道;l=1时,表示第二种轨道,用符号p表示,即p轨道;以下依次为d、f、g、h轨道。m可取值的数目表示某种轨道的简并数目,即能量相等的轨道的数目。2/5/2023 如n=1时l只能取0,m也只能取0,意味着第一层(K层)只有一个s亚层,s亚层只有一个s轨道;n=2 时l可取0和1,当l取1时m又可取0、+1、-
9、1,因此第二层有s和p两个亚层,其中p亚层又有三个轨道,即第二层有两种共4个轨道。其它层轨道的种类和数目参见书上表4.2。2/5/2023 要在三维空间画出原子轨道的图像是非常困难的,一般将它们分为径向部分和角度部分分别作图;径向分布图是将波函数的径向部分R(r)对r作图(略);角度分布图是将波函数的角度部分Y(,)对、作图。角度分布图可以了解波函数的形状及在空间的伸展方向。3、原子轨道的角度分布图、原子轨道的角度分布图2/5/2023波函数的角度分布图2/5/2023 从角度分布图可见,一个原子的多个(种)原子轨道在空间是相互重叠的。2/5/2023 电子云角度分布图的形状与原子轨道相似,但
10、“瘦”、无正负号,表示电子在核外各处出现机率。电子云角度分布图2/5/20232/5/20234、量子数的物理意义、量子数的物理意义 主量子数n的大小表示电子离核平均距离的远近,也表示电子所处能级的高低;角量子数l的大小决定了轨道的形状,如l=0的轨道为球形,l=1的轨道为双球形在多电子原子中,它也部分决定轨道的能级。磁量子数m的大小决定了轨道在空间的伸展方向。如n=2,l=1时,表示2p轨道,m取值+1,-1,0,表示3个2p轨道分别沿着x,y,z轴方向伸展。2/5/2023 n,l,m三个量子数即可确切描述某一轨道的能级、形状和空间伸展方向。考虑到电子的自旋方向,人为引进第四个量子数,即自
11、旋量子数ms。ms=+1/2表示一种自旋方向,以符号“”表示,ms=-1/2表示另一种自旋方向,以符号“”表示。四个量子数可以确切地描述某个电子的运动状态!如(2,1,0,+1/2)表示电子以正自旋方式在2p轨道上运动。2/5/2023本节总结 电子运动的三个特征:波粒二象性、能量量子化和统计性;电子运动的状态只能通过薛定谔方程来描述;三个量子数n、l、m都有合理值时,确定一个原子轨道;四个量子数n、l、m、ms都有合理值时,确定一个电子的运动状态;原子轨道一层一层地分布在原子核周围,每一层又有不同种类若个个轨道,尽管轨道有重叠,但性质不同。2/5/2023 当原子受到高温或电火花的作用时,电
12、子就从n=1的能级即最低能级(基态)跃迁到n1的能级即较高的能级(激发态),由于电子在较高能级不稳定,又要回落到基态,此时就要释放出能量,并且通常以光的形式释放,因此在谱图上可以得到一条条分立的谱线。近代原子结构理论对氢原子光谱的解释:2/5/2023第二节 多电子原子中电子的 分布和元素周期系 多电子原子中,由于电子之间的相互排斥,致使电子的势能不能精确描述,因此薛定谔方程不能精确求解,但可以近似求解。求解结果表明,多电子原子和氢原子类似,也可用四个量子数来描述核外电子的运动状态。2/5/2023 与氢原子结构所不同的是,电子所处能级的高低不仅与主量子数有关,而且还与角量子数有关。即同一电子
13、层中,l越大轨道能级越高。这样,同层中的能级将发生分裂,并且可能与其它能级发生能级交错现象。多电子原子中电子的分布已被原子光谱实验精确测定,结果表明量子力学对多电子原子结构的描述是正确的。2/5/2023一、多电子原子中电子的分布 和核外电子分布式 一个原子中不可能有四个量子数完全相同的两个电子。即每一轨道最多容纳两个电子。多电子原子中电子的分布遵循泡利不相容原理、能量最低原理、洪特规则和全充满半充满规律。1、泡利泡利(Pauli)不相容原理)不相容原理2/5/2023 如10Ne原子核外10个电子占有的四个量子数分别为:(1,0,0,+1/2)(1s)、(1,0,0,-1/2)(1s)(2,
14、0,0,+1/2)(2s)、(2,0,0,-1/2)(2s)(2,1,0,+1/2)(2p)、(2,1,0,-1/2)(2p)(2,1,1,+1/2)(2p)、(2,1,1,-1/2)(2p)(2,1,-1,+1/2)(2p)、(2,1,-1,-1/2)(2p)因此,第一层最多可容纳2个电子,第二层最多8个,第三层最多18个,第四层最多32个2/5/20232、能量最低原理、能量最低原理 在不违背泡利不相容原理的前提下,电子尽可能占据能量最低的轨道。轨道能级高低可用鲍林近似能级图来表示,见右。电子填充的顺序为:1s2s2p3s3p4s3d4p 鲍林近似能级图7s 7p6s 6p 6d5s 5p
15、 5d 5f4s 4p 4d 4f3s 3p 3d2s 2p1s2/5/2023 根据前述两条规则可以写出多数原子的核外电子分布式:如 1H:1s1;3Li:1s22s1;7N:1s22s22p3;19K:1s22s22p63s23p64s1;26Fe:1s22s22p63s23p63d64s2;35Br:1s22s22p63s23p63d104s24p5 核外电子分布式就是用符号表示电子在核外各轨道上的分布。尽管3d轨道的能量比4s高,但在写核外电子分布式时,仍按主量子数的顺序排列。2/5/2023 电子尽可能多占能量相同的轨道并且自旋平行。如前述N的核外电子分布式中,3个2p电子分占3个2
16、p轨道且自选平行:;O的2p轨道表示式为:;或 2px22py12pz1Fe的3d轨道表示式为:。3、洪特洪特规则规则2/5/20234、全充满半充满规律、全充满半充满规律 d、f等轨道在全充满或半充满时结构稳定。为满足该规律,有时从能量较低的轨道借来一个电子,以达到全充满或半充满的稳定结构。如:24Cr:1s22s22p63s23p63d54s1;29Cu:1s22s22p63s23p63d104s1注:部分元素不遵守此规律。根据前述4个规则,并注意几个特殊元素,所有元素原子的核外电子分布式皆可写出。2/5/2023 由于原子在形成化学键时,主要是外层(也称价层)电子起作用,因此经常书写外层
17、电子分布式,书写外层电子分布式应注意以下几点:(1)对于主族和零族元素只写最外层ns(np);(2)对于过渡元素应写(n-1)d ns,因为(n-1)d 往往参与成键;(3)对于镧系和锕系应写(n-2)f(n-1)d ns。如:19K:4s1;33As:4s24p3;26Fe:3d64s2;29Cu:3d104s1;30Zn:3d104s2。所有元素原子的外层电子分布式列于书后所附的元素周期表中。外层电子分布式外层电子分布式2/5/2023 原子失去电子形成正离子时,总是先失去最外层电子,此时次外层变成了外层,而负离子则电子层不变。如Li+:1s2;Cl:3s23p6;Ca2+:3s23p6;
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 大学化学 课件 习题 答案 模拟 第四
限制150内