A第一章原子结构全解.ppt

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1、无机及分析化学无机及分析化学（第三版）（第三版）武汉大学无机及分析化学编写组 编著武汉大学出版社 授课教师 肖正辉 第一篇第一篇 无机化学部分无机化学部分绪论绪论l化学是自然科学的一门重要学科。研究范围很广，包括若干 学术分支，而且各分支之间的学习内容互相交叉渗透。当代，人们不可以避开化学的众多基础知识，去单独地进行某一门专业化学的研究。l为了便于系统地学习和掌握各门专业化学的理论知识，人们在大学化学的教学过程中，设立了基础化学。目的是让同学们在深入学习各自的专科化学之前，先奠定一些必备的化学基础知识。四大基础化学：四大基础化学：l无机化学l有机化学l物理化学l分析化学（结构化学）一、一、无机

2、化学无机化学研究的对象研究的对象l 无机化学是化学领域中发展最早的一个分支。从广义上说，可以引用莫勒莫勒（Moeller）定义：“除去碳氢化合物和其大多数衍生物外，除去碳氢化合物和其大多数衍生物外，无机化无机化学学是对所有元素和它的化合物的性质、反应进行是对所有元素和它的化合物的性质、反应进行实验研究和理论解释。实验研究和理论解释。”l但对于简单的含碳化合物，如：二氧化碳、碳酸盐、氰化物等，还是属于无机化学研究的对象。可见，专科无机化学研究的领域 是多么地广泛。二、基础二、基础无机化学无机化学学习的内容学习的内容 （包括（包括普通化学普通化学、工程化学工程化学等）等）l物理化学部分（化学热力学

3、、化学动力学）l结构化学部分（原子结构、分子结构）l化学反应部分（酸碱、沉淀、配位和氧化还原反应）l元素及其化合物的性质（简介）本教材删略了物理化学部分的两章，其中本课程涉及到的必备知识，我们将在适当的时候给与补充。三、如何学习无机化学三、如何学习无机化学l注重基础知识的学习和掌握l课堂抓住重难点，课后系统学习该掌握的内容l注意大学和中学学习方法的差异l 第一章第一章 原子结构与元素周期律原子结构与元素周期律本章学习要点本章学习要点：l原子核外电子运动有何特征？l多电子原子中核外电子有什么分布规律？l如何理解元素周期律？1-1 量子概念的提出量子概念的提出 及波尔的氢原子模型及波尔的氢原子模型

4、一、物质结构的概念和发展史一、物质结构的概念和发展史 物质结构物质结构：本课程主要讨论原子结构和分子结构：本课程主要讨论原子结构和分子结构1、波义尔（英）的、波义尔（英）的“元素元素”概念概念（1661年年 怀疑派化学家怀疑派化学家）2、拉瓦锡（法）的化学革命、拉瓦锡（法）的化学革命 （贝歇尔和施塔尔）（贝歇尔和施塔尔）（1777年年 燃烧概念燃烧概念；1778-1780年年 化学纲要化学纲要）3、道尔顿（英）的原子论、道尔顿（英）的原子论 （1803年引入化学元素原子量概念；年引入化学元素原子量概念；1808年年 化学哲学新体系化学哲学新体系4、阿佛加德罗（意）的分子论、阿佛加德罗（意）的分

5、子论（1811年）年）5、门捷列夫（俄）的元素周期律、门捷列夫（俄）的元素周期律（1869元素属性和原子量元素属性和原子量）二、十九世纪末物理学的三大发现二、十九世纪末物理学的三大发现 （牛顿创立经典力学体系；牛顿创立经典力学体系；迈尔、焦耳、波尔兹曼等发现能量迈尔、焦耳、波尔兹曼等发现能量守恒和转化定律，以及热力学和统计力学理论体系；守恒和转化定律，以及热力学和统计力学理论体系；法拉第、法拉第、麦克斯维尔等创立经典电磁学理论体系；统称当时物理学三大麦克斯维尔等创立经典电磁学理论体系；统称当时物理学三大支柱）支柱）1、X射线的发现射线的发现 1895年年12月月28日，伦琴（德）日，伦琴（德）

6、一种新的射线一种新的射线初步报告初步报告2、放射性的发现、放射性的发现 1896年，贝克勒尔（法），贝克勒尔射线年，贝克勒尔（法），贝克勒尔射线3、电子的发现、电子的发现 1897年年4月月30日，日，J.J.汤姆逊（英），公布汤姆逊（英），公布“电子电子”的发现；的发现；1911年，他的学生，卢瑟福，提出了年，他的学生，卢瑟福，提出了“原子有核行星模型。原子有核行星模型。”三、经典物理学的三大危机三、经典物理学的三大危机1、黑体辐射、黑体辐射 当加热黑色物体当加热黑色物体(black body)时，能发射各种波长的电磁波，如果认时，能发射各种波长的电磁波，如果认为该波是带电粒子做机械运动发出

7、的，其能量应由振幅来决定，在频为该波是带电粒子做机械运动发出的，其能量应由振幅来决定，在频率维，应该是连续变化的。其实不然。率维，应该是连续变化的。其实不然。2、光电效应、光电效应 1902年，勒纳德（德）用各种频率的光照射钠汞合金，发现只有频率年，勒纳德（德）用各种频率的光照射钠汞合金，发现只有频率高于一定下限的光，才能放逐出电子。而且，被逐出的电子的运动速高于一定下限的光，才能放逐出电子。而且，被逐出的电子的运动速度只同光的频率有关，而同光的强度无关。度只同光的频率有关，而同光的强度无关。3、氢原子光谱、氢原子光谱 如果将装有高纯、低压氢气的放电管所发出的光，通过棱镜分光，在如果将装有高纯

8、、低压氢气的放电管所发出的光，通过棱镜分光，在屏幕上可见光区内得到不连续的红（屏幕上可见光区内得到不连续的红（656.3nm）、绿蓝（）、绿蓝（486.1nm）紫（紫（434.0nm）（）（410.2nm）等特征谱线。）等特征谱线。l光和连续光谱光和连续光谱(m)红红 橙橙 黄黄 绿绿 青青 蓝蓝 紫紫l氢原子光谱氢原子光谱四、量子概念的提出与发展四、量子概念的提出与发展1 1、普朗克（、普朗克（PlanckPlanck）提出能量子假说）提出能量子假说19001900年年1212月月2424日（量子诞生日），普朗克（德）向德国物理学会宣读日（量子诞生日），普朗克（德）向德国物理学会宣读关于正常

9、光谱能量分布定律的理论关于正常光谱能量分布定律的理论之论文。提出一个划时代的、革命之论文。提出一个划时代的、革命性的大胆假设：性的大胆假设：“物体在发射和吸收辐射时，能量不是连续的变化的，而物体在发射和吸收辐射时，能量不是连续的变化的，而是以一定数量值的整数，跳跃式地变化的。是以一定数量值的整数，跳跃式地变化的。”也就是说，在辐射的发射和也就是说，在辐射的发射和吸收过程中，能量不是无限可分的，而是有一个最小的单元。该不可分的吸收过程中，能量不是无限可分的，而是有一个最小的单元。该不可分的最小单元最小单元 ，普朗克称之为，普朗克称之为 “能量子能量子”或或“量子量子”。用。用“”表示之。表示之。

10、=h（普朗克普朗克常数常数 h =6.62610-34 Js；为辐射射频率率）辐射的总能量为：辐射的总能量为：E =n =n h（n 为正整正整数数，）普朗克提出的量子概念是近代物理学中最重要的概念之一。他第一次普朗克提出的量子概念是近代物理学中最重要的概念之一。他第一次把能量不连续的思想引入物理学，指出光能与频率关系，使物理学遇到的把能量不连续的思想引入物理学，指出光能与频率关系，使物理学遇到的许多疑难问题迎刃而解。许多疑难问题迎刃而解。在量子力学引导下，微观粒子学迅速发展为在量子力学引导下，微观粒子学迅速发展为 20 世纪物理学的主流。世纪物理学的主流。但在当时，普朗克的量子概念却遇到了百

11、般的冷遇和抵触但在当时，普朗克的量子概念却遇到了百般的冷遇和抵触 （1911 1914 1915）2、爱因斯坦（德）提出光量子假说、爱因斯坦（德）提出光量子假说 正当普朗克的量子论受到百般冷遇时，爱因斯坦是第一个支持、正当普朗克的量子论受到百般冷遇时，爱因斯坦是第一个支持、贯彻并努加以发展量子概念的人。贯彻并努加以发展量子概念的人。1905年年3月，在月，在关于光的产关于光的产生和转化的推测性观点生和转化的推测性观点一文中，他提出了一文中，他提出了“光量子光量子”（后被路（后被路易斯命名为易斯命名为“光子光子”）的假说。他认为：）的假说。他认为：“一束光是由具有粒子一束光是由具有粒子特征的光子

12、所组成的，每一个光子的能量与光的频率成正比。特征的光子所组成的，每一个光子的能量与光的频率成正比。”光子的能量为：光子的能量为：=mc=mc2 2=h=h 动量为：动量为：p=mc=hp=mc=h/c=h/c=h/在金属晶体中，电子受到整个晶体场的束缚，光子撞击激发出在金属晶体中，电子受到整个晶体场的束缚，光子撞击激发出电子，需要克服电子受电场束缚的最小能量（脱出功电子，需要克服电子受电场束缚的最小能量（脱出功），只有当），只有当光的频率大于一定值，光子的运动能量光的频率大于一定值，光子的运动能量 h h 时，才能激发出时，才能激发出电子，剩余的能量则转化为电子的运动能量，反应为场外运动速度。

13、电子，剩余的能量则转化为电子的运动能量，反应为场外运动速度。到此，爱因斯坦运用普朗克的量子理论，成功地解释了新的光电效到此，爱因斯坦运用普朗克的量子理论，成功地解释了新的光电效应。应。19091909年，爱因斯坦进一步提出年，爱因斯坦进一步提出：“理论物理学发展的下一阶段，理论物理学发展的下一阶段，将会出现关于光的新理论。该理论将会把光的波动性与光的微粒学将会出现关于光的新理论。该理论将会把光的波动性与光的微粒学说统一起来。说统一起来。”这就是著名的这就是著名的“光的波粒二象性！光的波粒二象性！”3、里德堡常数、里德堡常数 1885年，巴尔末（年，巴尔末（Balmer瑞士）研究氢原子光谱，得经

14、验公式：瑞士）研究氢原子光谱，得经验公式：1913年，里德堡（年，里德堡（Rydberg 瑞典瑞典)提出了概括氢原子光谱中各谱提出了概括氢原子光谱中各谱线间普遍联系的经验公式：线间普遍联系的经验公式：n1 n2（皆为正整数）（皆为正整数）Balmer线系 五、玻尔（五、玻尔（Bohr）的氢原子模型）的氢原子模型 玻尔（玻尔（18851962），丹麦物理学家，），丹麦物理学家，20世世纪世界一流科学家。原子结构理论之父。纪世界一流科学家。原子结构理论之父。出生于哥本哈根教授家庭，出生于哥本哈根教授家庭，1911年博士毕业年博士毕业在曼彻斯特跟随卢瑟福从事原子结构研究在曼彻斯特跟随卢瑟福从事原子结

15、构研究，对，对“原子有核行星模型原子有核行星模型”评价：评价：“这个模型可以把原子这个模型可以把原子的化学性质和放射性截然区分开来。的化学性质和放射性截然区分开来。”他把卢瑟福他把卢瑟福的模型、巴尔末的模型、巴尔末里德堡的经验公式以及普朗克里德堡的经验公式以及普朗克爱因斯坦的量子论结合起来进行综合研究，爱因斯坦的量子论结合起来进行综合研究，于于1913年，正式提出年，正式提出玻尔氢原子模型：玻尔氢原子模型：1、定态轨道概念、定态轨道概念 原子核外原子核外电子只能在电子只能在有确定半径和能量的有确定半径和能量的若干圆形的特定轨道上绕核若干圆形的特定轨道上绕核运动运动“定态轨道定态轨道”，此时电子

16、，此时电子处于稳定状态处于稳定状态处于稳定状态处于稳定状态“定态定态定态定态”，电子在定态轨，电子在定态轨，电子在定态轨，电子在定态轨道运动时，既道运动时，既道运动时，既道运动时，既不吸收也不辐射能量不吸收也不辐射能量不吸收也不辐射能量不吸收也不辐射能量。2 2、轨道能级的概念、轨道能级的概念、轨道能级的概念、轨道能级的概念电子在不同的定态轨道上运动时，其运动能量不同。离核越远的电子在不同的定态轨道上运动时，其运动能量不同。离核越远的电子，运动能量越大。轨道的这些不同的能量状态称为电子，运动能量越大。轨道的这些不同的能量状态称为“能级能级”。其中，电子处于自己能量最低的状态，叫其中，电子处于自

17、己能量最低的状态，叫“基态基态”。3 3、原子线状光谱的产生、原子线状光谱的产生、原子线状光谱的产生、原子线状光谱的产生当当原子原子受到电弧、火花、光电等外界能量激发时，其核外电子受到电弧、火花、光电等外界能量激发时，其核外电子获得获得能量，电子能量，电子就会从基态跃迁到与其能量相应的就会从基态跃迁到与其能量相应的“激发态激发态”。即能量。即能量相对较高的状态。相对较高的状态。激发态很不稳定，电子会自发地从激发激发态很不稳定，电子会自发地从激发态返回基态或较低的能级，同时以辐射光的形式释放出态返回基态或较低的能级，同时以辐射光的形式释放出多余的能量。其能量的大小取决于基态（或过渡态）与多余的能

18、量。其能量的大小取决于基态（或过渡态）与激发态的能量差（激发态的能量差（E）。）。E=EE=E2 2-E-E1 1 =h=h原子核外各定态轨道之间的能量之差是不连续的，只是一个个确定原子核外各定态轨道之间的能量之差是不连续的，只是一个个确定的数值。因此，激发态原子辐射的光也只能是单频率的一条条线状的数值。因此，激发态原子辐射的光也只能是单频率的一条条线状的谱线。的谱线。121.6nm102.6nm97.25nm94.98nm93.78nm93.14nm656.5nm486.1nm434.1nm410.2nm397.2nm1234567E/10-19J-21.79-1.36-2.42-5.45-

19、0.872-0.605-0.4450氢原子轨道能级示意图氢原子轨道能级示意图nl关于玻尔理论的讨论关于玻尔理论的讨论 玻尔的原子结构理论，突破了经典物理学理论的束缚，它是通玻尔的原子结构理论，突破了经典物理学理论的束缚，它是通向物质结构新理论的重要台阶，是量子理论发展的一个里程碑。向物质结构新理论的重要台阶，是量子理论发展的一个里程碑。1、玻尔理论的成功之处、玻尔理论的成功之处 解释了解释了 H H 及及 HeHe+、LiLi2+2+、BeBe3+3+的原子光谱；的原子光谱；说明了原子的稳定性；说明了原子的稳定性；对其他发光现象（如射线的形成）也能解释；对其他发光现象（如射线的形成）也能解释；

20、计算氢原子的电离能。计算氢原子的电离能。2、玻尔理论的不足之处、玻尔理论的不足之处1 1、玻尔理论违背了经典的物理学理论；、玻尔理论违背了经典的物理学理论；2 2、玻尔理论又没有从根本上抛弃经典的物理学理论。、玻尔理论又没有从根本上抛弃经典的物理学理论。因此，玻尔的原子结构理论并不是一个统一、完整的理论体系。因此，玻尔的原子结构理论并不是一个统一、完整的理论体系。它是经典科学理论和现代量子力学理论的它是经典科学理论和现代量子力学理论的“混合物混合物”。1-2 原子核外电子的运动状态原子核外电子的运动状态一、微观粒子的波粒二象性一、微观粒子的波粒二象性1、德布罗意（、德布罗意（Lonis De

21、BrogileDe Brogile）波长波长 1924年，他在博士论文年，他在博士论文关于量子理论的研究关于量子理论的研究中，提出一个大中，提出一个大胆假设：胆假设：“包括电子在内的一切实物粒子，只要能在空间自由运动，包括电子在内的一切实物粒子，只要能在空间自由运动，都具有波动性都具有波动性”。粒子运动能量粒子运动能量（E）和动量和动量（p）与相应的波长与相应的波长和频率之间有如下关系：和频率之间有如下关系：v：物体运动速度；：物体运动速度；即为即为De BrogileDe Brogile波长波长波长波长2 2、电子束的衍射现象、电子束的衍射现象、电子束的衍射现象、电子束的衍射现象192719

22、27年初，戴维逊（年初，戴维逊（DavisssonDavissson美）美）和和革末（革末（GermerGermer）应用应用 NiNi晶体进行电子衍射实验，晶体进行电子衍射实验，即让一束电子穿过即让一束电子穿过镍箔后，投射到感光荧屏上，得到了一系列明暗交镍箔后，投射到感光荧屏上，得到了一系列明暗交替的同心圆图案。类似于光的衍射环，替的同心圆图案。类似于光的衍射环，证实电子具证实电子具有有与光相似的与光相似的波动性。波动性。19271927年年5 5月，月，G.PG.P汤姆逊（英）使电子束分别穿过汤姆逊（英）使电子束分别穿过1010-8-8 m m 厚的厚的铜、银、锡等金属箔，都产生了类似的衍

23、射现象。铜、银、锡等金属箔，都产生了类似的衍射现象。3 3、微观粒子波动性的讨论、微观粒子波动性的讨论、微观粒子波动性的讨论、微观粒子波动性的讨论 （1 1）、）、）、）、微观粒子的波动性，仅仅是统计学意义上的概念，它微观粒子的波动性，仅仅是统计学意义上的概念，它微观粒子的波动性，仅仅是统计学意义上的概念，它微观粒子的波动性，仅仅是统计学意义上的概念，它绝不是通常意义上的波动，如：水波、声波等！单个电子的绝不是通常意义上的波动，如：水波、声波等！单个电子的绝不是通常意义上的波动，如：水波、声波等！单个电子的绝不是通常意义上的波动，如：水波、声波等！单个电子的 运运运运动行为人类尚未可知。动行为

24、人类尚未可知。动行为人类尚未可知。动行为人类尚未可知。（2 2）、承认）、承认）、承认）、承认“波粒二象性波粒二象性波粒二象性波粒二象性”不代表人类就真的掌握了光的本不代表人类就真的掌握了光的本不代表人类就真的掌握了光的本不代表人类就真的掌握了光的本质。质。质。质。二、量子力学的创立二、量子力学的创立1、海森伯（、海森伯（W.Heisenberg）创立矩阵力学创立矩阵力学 1925年年7月，月，关于一些运动学和力学关系的量子论的重关于一些运动学和力学关系的量子论的重新解释新解释、关于量子力学关于量子力学。2 2、薛定谔（、薛定谔（、薛定谔（、薛定谔（SchrSchr dinger)dinger

25、)创立波动力学创立波动力学 19261926年，年，1 16 6月连续发表月连续发表4 4篇论文，题目同为篇论文，题目同为作为本征值问题作为本征值问题的量子化研究的量子化研究，他接受量子论思想和波粒二象性的概念，他接受量子论思想和波粒二象性的概念，将光学方程和力学方程进行类比，总结出了用以描述微观将光学方程和力学方程进行类比，总结出了用以描述微观粒子（电子）运动特征的力学方程式粒子（电子）运动特征的力学方程式薛定谔方程式薛定谔方程式。波函数波函数E体系的总能量体系的总能量V体系的势能体系的势能h普朗克常数普朗克常数m微粒的质量微粒的质量x、y、z微粒的空间坐标微粒的空间坐标 三、海森伯提出测不

26、准原理三、海森伯提出测不准原理 海森伯，大数学家玻恩的学生，物理学家、哲学海森伯，大数学家玻恩的学生，物理学家、哲学家、社会活动家。家、社会活动家。20世纪著名的创新思想家。世纪著名的创新思想家。1927年到哥本哈根大学，同保利、狄拉克等一大年到哥本哈根大学，同保利、狄拉克等一大批著名学者一起跟随玻尔研究原子结构。批著名学者一起跟随玻尔研究原子结构。海森堡指出：海森堡指出：对微观粒子，不能同时准确测出它在某一瞬间的运动对微观粒子，不能同时准确测出它在某一瞬间的运动速率（或动量）和位置。速率（或动量）和位置。海森堡的测不准原理海森堡的测不准原理 1927年年3月，月，关于量子论的运动学和力学的直

27、觉内容关于量子论的运动学和力学的直觉内容一文，提出一文，提出“测不准关系测不准关系”：X*P=h E*t=hX*P=h E*t=h电子的运动遵循电子的运动遵循海森堡海森堡的测不准原理，即它的的测不准原理，即它的某个坐标被确定的愈准某个坐标被确定的愈准确，则相应的动量的确确，则相应的动量的确定愈不准确，反之亦然。定愈不准确，反之亦然。具有波粒二象性的电子，具有波粒二象性的电子，不再遵守经典力学，它不再遵守经典力学，它们的运动没有确定的轨们的运动没有确定的轨道，只有一定的空间概道，只有一定的空间概率分布。率分布。四、核外电子运动状态的近代描述（四、核外电子运动状态的近代描述（难点难点）1、波函数和

28、原子轨道、波函数和原子轨道vv 求解薛定谔方程求解薛定谔方程求解薛定谔方程求解薛定谔方程,就是求得波函数就是求得波函数就是求得波函数就是求得波函数 的数学表达式的数学表达式的数学表达式的数学表达式和和和和相对相对相对相对能量能量能量能量 E E E E ;vv 解得的解得的解得的解得的 不是具体的数值不是具体的数值不是具体的数值不是具体的数值,而是包括三个常数而是包括三个常数而是包括三个常数而是包括三个常数(n n n n,l l l l,m m m m)和和和和vv 三个变量三个变量三个变量三个变量(r r r r,)的函数式的函数式的函数式的函数式n n n n,l ml ml ml m

29、(r r r r,)，在三维可画图在三维可画图在三维可画图在三维可画图 ;vv 有合理解的函数式叫做有合理解的函数式叫做有合理解的函数式叫做有合理解的函数式叫做 波函数波函数波函数波函数 (Wave functionsWave functionsWave functionsWave functions)波函数波函数 =薛定谔方程的合理解薛定谔方程的合理解 =原子轨道原子轨道 波函数波函数(x,y,z)(x,y,z)是描述原子核外电子运动状态的数学函数式，由于电子是描述原子核外电子运动状态的数学函数式，由于电子运动具有统计学意义上的运动具有统计学意义上的“波动性波动性”，所以才称之为，所以才称之

30、为“波函数波函数”。又由于又由于它是人们在寻求它是人们在寻求“原子轨道原子轨道”的过程中演化出来的，所以的过程中演化出来的，所以人们习惯把波函人们习惯把波函数称作为原子轨道。数称作为原子轨道。但但它不是原子核外电子运行的轨道。它不是原子核外电子运行的轨道。它就类似于它就类似于（x-ax-a）2 2+（y-by-b）2 2+（z-cz-c）2 2-r-r2 2=0=0 这样的数学函数式。这样的数学函数式。2、波函数的径向分布和角度分布、波函数的径向分布和角度分布 由于电子是在以原子核为中心的球形范围内运动的，为了由于电子是在以原子核为中心的球形范围内运动的，为了求求解薛定谔方程之方便，人们将直角

31、坐标系解薛定谔方程之方便，人们将直角坐标系(x,y,z)(x,y,z)转化为球面标转化为球面标系（系（r,r,），并进行），并进行变量分离变量分离。(x,y,z(x,y,z)=(r,(r,)=R(r)*)=R(r)*Y(Y(,)x=r sinx=r sin cos cosy=r siny=r sin sin sinz=r cosz=r cosr r=径向波函数径向波函数径向波函数径向波函数角度波函数角度波函数角度波函数角度波函数决定曲面的几何图形决定曲面的几何图形决定曲面的大小决定曲面的大小Y(Y(,)：R(r)R(r)：将波函数的角度分布将波函数的角度分布 Y(Y(,)部分随部分随(,),)

32、的变的变化作图，所得图化作图，所得图 原子轨道的角度分布图，而图形原子轨道的角度分布图，而图形的空间范围的空间范围（大小），（大小），则由波函数的径向分布则由波函数的径向分布 R(r)R(r)决定。决定。如各电子层的如各电子层的 S S 轨道：轨道：a0=52.9pmBoar半径半径1s1s角度分布角度分布角度分布角度分布再如各电子层的再如各电子层的 P P 轨道：轨道：Y（pZ）=R cosY(pZ)与与无关无关 从从从从0 1800 180计算计算计算计算 Y(pY(pZ Z)值值值值在在在在XOZXOZXOZXOZ平面作平面作平面作平面作Y(pY(pY(pY(pZ Z Z Z)的平面图。

33、的平面图。的平面图。的平面图。再绕再绕再绕再绕OZOZOZOZ轴旋转轴旋转轴旋转轴旋转360360360360XOZ+P PZ Z角度分布角度分布角度分布角度分布虽然已知的元素有一百多种，对应的原虽然已知的元素有一百多种，对应的原子轨道也是五十多个，但是，其归属的子轨道也是五十多个，但是，其归属的波函数的角度分布波函数的角度分布 Y(Y(,)所画出所画出的图形外貌，人类目前已知的却只有四的图形外貌，人类目前已知的却只有四类。即：类。即：s s、p p、d d、f f。采用同样的方法分别可画出采用同样的方法分别可画出采用同样的方法分别可画出采用同样的方法分别可画出（f f 轨道目前还难以绘出）轨

34、道目前还难以绘出）见教材见教材1414页（图页（图1-61-6、1-71-7）y(x,y,z)(x,y,z)在在 三三维空间所绘出的图维空间所绘出的图形，没有明确的物形，没有明确的物理意义。理意义。为了赋予波函数一为了赋予波函数一定的物理意义，人定的物理意义，人们又一次参照了光们又一次参照了光的波粒二象性！的波粒二象性！3 3、概率密度（、概率密度（）和电子云）和电子云如如如如光的粒子学说光的粒子学说光的强度光的强度光的强度光的强度 I I 光的波动学说光的波动学说光的强度光的强度光的强度光的强度 I I 振幅平方振幅平方概率密度：电子在原子核外空间某处单位微体积内出现的概率。概率密度：电子在

35、原子核外空间某处单位微体积内出现的概率。2 f f 光子密度光子密度光子密度光子密度2 概率：电子在原子核外空间某微体积内出现的次数。概率：电子在原子核外空间某微体积内出现的次数。现在再对现在再对 2 2 作作图，如下：图，如下：见教材见教材 16 16 页（图页（图1 19 9）电子云：电子云：电子云：电子云：电子电子在原子核外空间在原子核外空间出现的概率密度（出现的概率密度（）的形象化描述。的形象化描述。在中学常用小黑点的疏密来在中学常用小黑点的疏密来 表示各点概率密度的大小（如图表示各点概率密度的大小（如图a）。）。1s1s1s1s的的的的-r r r r关系曲线与电子云图关系曲线与电子

36、云图关系曲线与电子云图关系曲线与电子云图1s1s1s1s电子云界面图电子云界面图电子云界面图电子云界面图电子云的界面图：电子云的界面图：取某一个等概率密度的曲取某一个等概率密度的曲面作为界面，使该界面内能包面作为界面，使该界面内能包括核外电子运动出现概率的括核外电子运动出现概率的 90%90%或或 95%95%，用这个界面来，用这个界面来表示电子云的形状，叫做电子表示电子云的形状，叫做电子云的界面图（图云的界面图（图b b）。）。4 4 4 4、电子云的角度分布与径向分布、电子云的角度分布与径向分布、电子云的角度分布与径向分布、电子云的角度分布与径向分布(1)(1)、电子云的角度分布图、电子云

37、的角度分布图 （|Y|Y|2 2）对对|Y|Y|2 2作图，即可得作图，即可得作图，即可得作图，即可得电子云的角度分布图，电子云的角度分电子云的角度分布图，电子云的角度分布图类似于波函数的角度分布图布图类似于波函数的角度分布图（p 16 图图19)。但有两点区别：。但有两点区别：vv原子轨道的角度分布有原子轨道的角度分布有原子轨道的角度分布有原子轨道的角度分布有“+”+”+”+”、“-”-”-”-”，而电子云的角度分布图均为正值。，而电子云的角度分布图均为正值。，而电子云的角度分布图均为正值。，而电子云的角度分布图均为正值。vv电子云角度分布图比原子轨道的要电子云角度分布图比原子轨道的要电子云

38、角度分布图比原子轨道的要电子云角度分布图比原子轨道的要“瘦瘦瘦瘦”些，些，些，些，|Y|Y|Y|Y|2 2 2 2|Y|1|Y|1|Y|1|Y|1。(2)(2)(2)(2)、电子云的径向分布、电子云的径向分布、电子云的径向分布、电子云的径向分布1s 1s 1s 1s 的电子云的电子云的电子云的电子云径向分布径向分布径向分布径向分布dp=Ddp=D（r r）drdr（p 1p 1 图图1 1)五、四个量子数的概念（五、四个量子数的概念（重点重点）1 1、主量子数（、主量子数（n n）（1 1）、）、n n 可取值：可取值：1 2 3 4 5 6 71 2 3 4 5 6 7 电子层符号：电子层符

39、号：K L M N O P Q （2）、）、n n 物理意义：物理意义：A A、电子层；、电子层；B B、电子运动范围离核远近；、电子运动范围离核远近；C C、主要决定核外电子运动的能量。、主要决定核外电子运动的能量。主量子数是决定电子离核的平均距离和能级高低的主要参数主量子数是决定电子离核的平均距离和能级高低的主要参数。值越小，该电子层离核越近，能级越低值越小，该电子层离核越近，能级越低；离核越远，能量越高。；离核越远，能量越高。4f4d4p4s3d3p3s2p2s1s符号符号321021010ln2 2、角（副）量子数（、角（副）量子数（l）（）、（）、l可取值：可取值：（）（）轨道亚层符

40、号：轨道亚层符号：（l ）（）、每个电子层（）、每个电子层 l可取值的个数：可取值的个数：（）、（）、l的物理意义：的物理意义：决定原子轨道的图形外貌；：决定原子轨道的图形外貌；：部分决定原子轨道的能量。：部分决定原子轨道的能量。同一电子层，同一电子层，l值越小，该电子亚层能级越低值越小，该电子亚层能级越低。例如：。例如：、磁量子数（、磁量子数（）（）、（）、可取值：、可取值：、l（）、（）、每个亚层内，每个亚层内，可取值的个数：可取值的个数：l-2、-1、0、+1、+2-1、0、+0mdxy、dyz、dz2、dxz、dx2-y2py、px、pzs轨道符号轨道符号l（）、（）、的物理意义：的物

41、理意义：决定原子轨道或电子云在空间的：决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向伸展方向；：在没有外加磁场下，同一亚层内的各原子轨道能量在没有外加磁场下，同一亚层内的各原子轨道能量相等相等 等价轨道等价轨道 (简并轨道简并轨道)；：在有外加强磁场存在下，简并轨道能量发生分裂。在有外加强磁场存在下，简并轨道能量发生分裂。、自旋量子数、自旋量子数(m ms s)v 描述电子绕自轴旋转的状态。描述电子绕自轴旋转的状态。v 自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为。自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为。vms 取值取值+1/2和和-1/2，分别用，分别用和和表示表示电子电子自旋运动的方向。自旋运动的方向。电子具

42、有两种微电子具有两种微观状态观状态大小大小相同、符号相反相同、符号相反的磁矩的磁矩（）、（）、m ms s 的可取值：的可取值：+1/2+1/2、-1/2-1/2（不受其他量子数限制不受其他量子数限制）（）、（）、m ms s物理意义：每个原子轨道最多可以容纳两个自旋物理意义：每个原子轨道最多可以容纳两个自旋方向相反的电子。方向相反的电子。、四个量子数的取值要点、四个量子数的取值要点 （）、不连续、量子化；（）、不连续、量子化；（）、相互制约：（）、相互制约：l；l；/。l课堂练习：课堂练习：、四个量子数中，决定原子轨道能量的是哪几个？、四个量子数中，决定原子轨道能量的是哪几个？答：决定原子轨

43、道能量的是答：决定原子轨道能量的是 n 、l；主要决定能量的是；主要决定能量的是 n。2 2、下列波函数合理的是：、下列波函数合理的是：（3,3,13,3,1）（4,-2,14,-2,1）（4,2,04,2,0）（3,2,-23,2,-2）（-3,1,1-3,1,1）（4,-2,-34,-2,-3）（2,1,02,1,0，/）（2,2,-22,2,-2，-2-2）（3,0,-1,-3,0,-1,-/）（2,1,02,1,0，0 0）6、原子核外电子运动的可能状态数、原子核外电子运动的可能状态数nlm轨道数轨道数电子数电子数(2n2)K1s00122L2s0428p10、16M3s009218p

44、10、16d20、1、210N4s0016232p10、16d20、1、210f3-0、1、2、314作业：作业：P44P44 思考思考 第第 4 4、5 5、6 6、7 7题（题（不交不交）；）；习题习题 第第 8 8 题（交）题（交）P20 P20 表表 1 12 21-3 原子核外电子的排布原子核外电子的排布 (重点重点)和元素周期系和元素周期系一、多电子原子的能级一、多电子原子的能级、原子轨道能级（、原子轨道能级（）主要由）主要由 n 决定决定当当 l 相同时，相同时，n 越大，越大，越大越大、原子轨道能级（、原子轨道能级（）次要由）次要由 l 决定决定当当 n 相同时，相同时，l 越

45、大，越大，越大越大、当、当 n 和和 l 都不相同时，都不相同时，主要由主要由n 决定，但有决定，但有“能级交错能级交错”A、Ens E(n-1)d 如：如：E4s E3d；E5s E4d；B、Ens E(n-2)f 如：如：E6s E4 f；E7s E5 f；C、Enp E(n-1)如：如：E5p E4 f；E6p E5 f。、鲍林、鲍林（Pauling）的原子轨道近似能级图的原子轨道近似能级图6s5s4s3s2s1s6p5p4p3p2p5d4d3d4f1s2p2s3p3s5p4d5s6p5d4f6s4p3d4s能量，周期能量，周期（P22P22图图 1 11414）仅代表核外电子填充顺序仅

46、代表核外电子填充顺序、柯顿、柯顿 Cotton Cotton 原子轨道能级图原子轨道能级图A A、原子轨道的能量随原子序数原子轨道的能量随原子序数增大而降低；增大而降低；B B、不同不同 l 的原子轨道，其能量的原子轨道，其能量降低的趋势不同，从而出现降低的趋势不同，从而出现“能级交错能级交错”的现象；的现象；C C、原子序数很大时，轨道能量原子序数很大时，轨道能量下降的趋势逐渐接近，能级交下降的趋势逐渐接近，能级交错现象消失；错现象消失；D D、能级交错只在关键的一段；能级交错只在关键的一段；E E、反映出主量子数相同的氢原反映出主量子数相同的氢原子轨道能量的简并性。子轨道能量的简并性。（P

47、24 P24 图图 1 11515）6、屏蔽效应和钻穿效应屏蔽效应和钻穿效应 A、屏蔽效应：屏蔽效应：原子核对某电子的吸引力由于其它电子的排斥作用原子核对某电子的吸引力由于其它电子的排斥作用 而被削弱的现象。而被削弱的现象。主要表现在内层电子对外层电子主要表现在内层电子对外层电子 的屏蔽。的屏蔽。可以帮助理解可以帮助理解柯顿原子轨道能级图。柯顿原子轨道能级图。屏蔽常数屏蔽常数与有效核电荷数（与有效核电荷数（z*=z-）：）：（自学了解）（自学了解）B B、钻穿效应：钻穿效应：外层电子渗入原子内层空间而接近原子核的现象。外层电子渗入原子内层空间而接近原子核的现象。屏蔽效应是其他电子对所述电子的屏

48、蔽作用；而屏蔽效应是其他电子对所述电子的屏蔽作用；而钻穿效应是某钻穿效应是某 所述电子回避其它电子的所述电子回避其它电子的屏蔽作用。屏蔽作用。屏蔽效应和屏蔽效应可以屏蔽效应和屏蔽效应可以 帮助理解能级交错现象。帮助理解能级交错现象。二、核外电子的排布二、核外电子的排布 1 1、泡利（泡利（PauliPauli）不相容原理）不相容原理 在同一原子中不可能存在四个量子数完全相同的电子。在同一原子中不可能存在四个量子数完全相同的电子。意即：每个轨道至多能容纳两个自旋方向相反的电子。意即：每个轨道至多能容纳两个自旋方向相反的电子。2、能量最低原理、能量最低原理 多电子原子处于基态时，多电子原子处于基态

49、时，核外电子的排布，在不违反泡利原理核外电子的排布，在不违反泡利原理 的前提下，优先占据能量较低的轨道，使整个原子系统能量最低。的前提下，优先占据能量较低的轨道，使整个原子系统能量最低。3 3、洪特（、洪特（Hund）规则）规则 A A、在在 n n、l l 相同（相同（m m不同不同）的等价轨道上分布电子时，将尽可能占据）的等价轨道上分布电子时，将尽可能占据m m 值值 不同的轨道，且自旋平行。不同的轨道，且自旋平行。如：如：7 7N N：1s1s2 2 2s 2s2 2 2p2p3 3 B B、等价轨道在电子等价轨道在电子全充满全充满、半充满半充满、和、和全空全空时的状态比较稳定。时的状态

50、比较稳定。如如:2626Fe:Fe:1 1s s2 22 2s s2 22 2p p6 63 3s s2 23 3p p6 63 3d d6 64 4s s2 2；2424FeFe2+2+:1 1s s2 22 2s s2 22 2p p6 63 3s s2 23 3p p6 63 3d d5 54 4s s1 1 4747A Ag g：1 1s s2 2 2 2s s2 2 2 2p p6 6 3s3s2 2 3p3p6 6 3 3d d10 10 4 4s s2 2 4 4p p6 6 4 4d d10 10 5 5s s1 14 4 4 4、原子核外电子分布式、原子核外电子分布式、原子核