氢原子结构的近代概念.pptx

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1、物质结构微观结构宏观结构结构与性能的关系几何结构电子结构分子中原子结合原子的排布方式晶体中粒子结合电子层结构分子中化学键分子间作用力目的：1、理解化学反应的本质；2、发现、合成、提取所需要的物质。第1页/共24页项目 5-1 氢原子结构的近代概念1 物质结构的发展历史 宇宙万物是由哪些基本物质构成的呢?人类从上古时代起就开始了关于物质结构的探讨。“一尺之棰,日取其半,万世不竭”庄子第2页/共24页 1897年，汤姆逊（Thomson）发现了电子的存在。1913年波尔提出了核外电子分层排布的波尔理论。直到20世纪30年代，以微观粒子波粒二象性为基础发展起来的量子力学，才建立了比较符合微观世界实际

2、的物质结构近代理论。1911年，卢瑟福（Rutherford）根据粒子衍射现象提出了“含核的原子模型”，确立了原子核存在的依据。第3页/共24页2 氢原子结构日光通过棱镜分光，可得到红、橙、黄、绿、青、蓝、紫连续变化的谱带。aa第4页/共24页装有低压高纯H2(g)的放电管所发出的光,通过棱镜分光后，在可见光区波长范围内，可以观察到不连续的条带谱线。第5页/共24页氢原子中的电子在原子核周围有氢原子中的电子在原子核周围有确定半径和能量确定半径和能量的圆形轨道中运动。电子在这些轨道上运动不吸收能量或放出能量。在轨道上运动的电子处于“稳定状态”定态定态。在轨道上运行的在轨道上运行的电子具有一定的动

3、量电子具有一定的动量。原子内电子可以处于不同的定态，能量最能量最低低的定态称为基态，能量较高基态，能量较高的定态称为激发态激发态。波尔原子结构模型(1913)第6页/共24页3 微观粒子的波粒二象性光的波粒二象性：德布罗意关系式：所有的基本粒子或量子不仅可以部分地以粒子的术语来描述，也可以部分地用波的术语来描述。第7页/共24页 1927年，美国物理学家戴维逊（Davissn,C.J.）和盖末（Germer,L.H.)通过电子衍射实验证实了德布罗意的假设。electron diffraction电子衍射实验证实了德布罗依的假设P 99 图5-1第8页/共24页4 波函数和量子数薛定谔波动方程（

4、1926，奥地利）：描述微观粒子运动状态的基本方程m电子质量 h普朗克常数E体系总能量 V电子的势能x、y、z 电子的空间坐标(x、y、z)波函数，是描述微观粒子（如原子波函数，是描述微观粒子（如原子核外电子）运动状态的数学表达式。核外电子）运动状态的数学表达式。方程体现了微观粒子的粒子性(m和E)和波动性()。第9页/共24页电子运动状态的完全描述和四个量子数电子运动状态的完全描述和四个量子数 1）主量子数）主量子数 n 意义：意义：描述电子离核的远近描述电子离核的远近,决定电子层的划分决定电子层的划分 决定电子能量高低的主要因素决定电子能量高低的主要因素 n=1 2 3 4 5 -2）角量

5、子数 l 意义：描述同一电子层中不同能量状态的分层电子亚层 表示原子轨道或电子云的形状 l=0 1 2 3 4-（n-1）s p d f g3）磁量子数 m意义：描述原子轨道或电子云在空间的伸展方向 m=0 1 2 3-4）自旋量子数 ms意义：表征电子的自旋状态 第10页/共24页主量子数主量子数n角量子数角量子数l磁量子数磁量子数m轨道空间轨道空间取向数取向数电子层中电子层中总轨道数总轨道数ms电子容量电子容量(2n2)电子层电子层数数原子轨道原子轨道或电子云或电子云形状形状亚层中原子轨亚层中原子轨道的数目道的数目自旋自旋状态状态K1s00112L2s00148p10、13M3s00191

6、8p10、13d20、1、25N4s0011632p10、13d20、1、25f30、1、2、37P 100 表 5-1第11页/共24页5 电子云的概念 测不准原理：测不准原理：对于核外电子，我们对于核外电子，我们无法无法准确计算准确计算出它在某一时刻的位置，也不能描绘出它的运动轨出它在某一时刻的位置，也不能描绘出它的运动轨迹。因此，在描绘核外电子运动时，只能指出它在迹。因此，在描绘核外电子运动时，只能指出它在原子核外空间各处出现机会（或称概率）的大小原子核外空间各处出现机会（或称概率）的大小。与宏观物体运动状态不同 氢原子电子云示意图 犹如笼罩在原子核周围的一层带电云雾，形象地称为“电子云

7、”第12页/共24页（1）电子层 处于不同电子层的电子，离核的远近也不同。层处于不同电子层的电子，离核的远近也不同。层数越大，离核越远，能量越高。通常用数越大，离核越远，能量越高。通常用n=1、2、3、4 等数值来表示电子层离核的远近。等数值来表示电子层离核的远近。n=1，表示离核最近的电子层，其中的电子能量最低。表示离核最近的电子层，其中的电子能量最低。n=2，表示第二电子层，电子能量稍高。表示第二电子层，电子能量稍高。n=3，表示，表示 第三电子层，电子能量更高一些第三电子层，电子能量更高一些。6 核外电子的运动状态核外电子的运动状态四个方面描述四个方面描述第13页/共24页（2）电子亚层

8、和电子云的形状 即使在同一电子层中的电子，能量也稍有差别，即使在同一电子层中的电子，能量也稍有差别，电子云的形状也不相同。每一个电子层，又可以分作电子云的形状也不相同。每一个电子层，又可以分作几个几个电子亚层电子亚层，分别用，分别用s、p、d、f等符号来表示。等符号来表示。第一电子层第一电子层中只包含一个亚层，即中只包含一个亚层，即s亚层；亚层；第二电子层第二电子层或中包含两个亚层，即或中包含两个亚层，即s和和p亚层；亚层；第三电子层第三电子层中包含有三个电子亚层，即中包含有三个电子亚层，即s、p、d亚亚层；层；第四电子层第四电子层中包含四个电子亚层，即中包含四个电子亚层，即s、p、d、f亚亚

9、层。层。第14页/共24页 为了表示不同电子层的亚层，把亚层所属的电为了表示不同电子层的亚层，把亚层所属的电子层的层数标在亚层符号之前，如子层的层数标在亚层符号之前，如1s、2p、3d、4f等。不同亚层的电子云形状也不相同，等。不同亚层的电子云形状也不相同，s电子云是球电子云是球形，形，p电子云是纺锤形，电子云是纺锤形，d电子云为花瓣形，电子云为花瓣形，f电子云电子云形状更复杂形状更复杂。p p电子云形状电子云形状第15页/共24页（3）电子云的伸展方向 电子云不仅形状不同，而且同属一种形状的电子云在空间的伸展方向也不同。s电子云是球形对称的，在空间各个方向上伸展的程度相同。p电子云在空间有三

10、种伸展方向，f电子云在空间有五种伸展方向。p p电子云在空间的三种伸展方向电子云在空间的三种伸展方向第16页/共24页电子层数与轨道数的关系电子层数与轨道数的关系电子层电子层(n)亚层亚层轨道数轨道数n=1s1=12n=2s、p1+3=4=22n=3s、p、d1+3+5=9=32n=4s、p、d、f1+3+5+7=16=42轨道数轨道数=电子层数电子层数2 第17页/共24页 电子亚层轨道数s1p3d5f7电子层轨道轨道个数n=11s122s2p433s3p3d944s4p4d4f16第18页/共24页 综上所述，电子在综上所述，电子在原子核外的运动状态原子核外的运动状态是相当复杂的，是相当复

11、杂的，必须通过它所处的必须通过它所处的电子层电子层、电子亚层电子亚层、电子云的空间伸展方电子云的空间伸展方向向和和自旋状态四个方面来描述自旋状态四个方面来描述。前三个方面跟电子在核外空。前三个方面跟电子在核外空间的位置有关，体现了电子在核外空间的运动状态，确定了间的位置有关，体现了电子在核外空间的运动状态，确定了电子的轨道。因此，当我们要说明一个电子的运动状态时，电子的轨道。因此，当我们要说明一个电子的运动状态时，必须同时指明它处于什么轨道和哪一种自旋状态。必须同时指明它处于什么轨道和哪一种自旋状态。（4）电子的自旋 电子不仅在核外空间不停地运动，而且还作自旋运动。电电子不仅在核外空间不停地运

12、动，而且还作自旋运动。电子自旋有两种状态，相当于子自旋有两种状态，相当于顺时针和逆时针两种方向顺时针和逆时针两种方向。常用向。常用向上箭头上箭头“”和向下箭头和向下箭头“”来表示不同的自旋状态。来表示不同的自旋状态。第19页/共24页 （1）鲍利（鲍利（Pauli)不相容原理不相容原理：每个原子轨道中，：每个原子轨道中，最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。或者说，在同最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。或者说，在同一个原子中，不可能有两个电子处于完全相同的状态。一个原子中，不可能有两个电子处于完全相同的状态。基态：原子中电子处于最低能量的状态。7 原子核外电子的排布原子核外电子的排布基态电子分

13、布的原则：基态电子分布的原则：（2）能量最低原理能量最低原理：核外运动着的电子总是尽可核外运动着的电子总是尽可能的处于能量最低的状态。即电子首先填充能量最能的处于能量最低的状态。即电子首先填充能量最低的轨道，然后依次进入能量较高的轨道。低的轨道，然后依次进入能量较高的轨道。第20页/共24页C原子有6个电子，其电子排布式为:1s22s22p2而不是：而不是：也不是：也不是：（3）洪特）洪特(Hund)规则规则：在等价轨道（能量相同的原：在等价轨道（能量相同的原子轨道）上分布的电子，将尽可能分占不同的轨道，子轨道）上分布的电子，将尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相同。且自旋方向相同。第21页/共24页钾原子(Z Z=19)=19)的基态电子排布式为:19k 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1(或 Ar4s1）29Cu的电子排布式可简写成：Cu3d104s1 26Fe的电子排布可简写成：Fe3d64s2 内层已填充满至稀有气体元素电子层结构的部分内层已填充满至稀有气体元素电子层结构的部分用稀有气体元素符号加方括号表示，称为用稀有气体元素符号加方括号表示，称为原子实。原子实。原子实第22页/共24页作业：p126页思考题 第2题第23页/共24页感谢您的欣赏第24页/共24页