高中化学笔记加竞赛全集.docx
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1、高中化学笔记加竞赛全集The Note of High School Chemistry Competition(个人资料 翻印必究)(Personal Information, Reproduction of the Note Will Be Prosecuted) 唐琳杰This Noteis theProperty oftheTeSLI高中化学笔记加竞赛全集TeSLI21 原子构造2.2.1 原子构造理论的初期开展1人们对原子构造的相识“原子的概念古希腊思想家德谟克利特首先提出;近代原子学说1803年,英国化学家道尔顿提出。其要点1一切化学元素都是由不能再分割的微粒原子组成的;2原子是保
2、持元素化学性质的最小单元;3两种或多种元素的原子结合而成化合物的分子,分子是保持化合物化学性质的最小单位。2原子的组成 1电子的发觉:1879年,英国科学家克鲁克斯总结了对阴极射线的探讨;1897年英国物理学家汤姆森确认阴极射线是带有负电荷的微观粒子电子,并测定了电子的电荷及质量之比108Cg-1,并证明这种粒子存在于任何物质中。1909年美国物理学家密立根Robert A. Millikan测定了电子的电量为10-19C,从而计算出一个电子的质量等于10-28g,约为氢原子质量的1/1840。 2元素的自然放射性原子是电中性的,电子带负电,那么原子中必定含有带正电荷的组成部分,且正电荷总量=
3、电子所带的负电荷总电量。放射性元素衰变是放出射线,带正电,说明原子中含有带正电荷的微粒。3原子含核模型的提出1911年,卢瑟福Renest Rutherford,英国物理学家散射试验,提出含核原子模型:原子的质量几乎全部集中再带有正电荷的微粒原子核上,核的直径只有原子直径的万分之一,带负电的电子象地球围绕太阳运转一样围围着原子核高速运转。4原子构造的进一步相识:发觉中子,不带电荷,确立近代原子构造模型。3氢原子光谱和玻尔(Bohr)理论氢原子的线状光谱(如右图)经典理论不能说明。1913年,丹麦物理学家玻尔(Bohr)提出三点假设:1电子不是在随意轨道上绕核运动,而是在一些符合确定条件的轨道上
4、运动。这些轨道的角动量P必需等于的整数倍,也就是说,轨道是“量子化的。2电子在离核越远的轨道上运动,其能量越大。所以,在正常状况下,原子中的各电子总是尽可能的处在离核最近的轨道上,这时原子的能量最低,即处于基态。当原子从外界获得能量时,电子可以被激发到激发态。3由于激发态的电子不稳定,可以跃迁到离核较近的轨道上,在跃迁的同时会以光的形式释放出能量。玻尔理论的胜利点:1)提出了量子的概念;2)胜利地说明了氢原子光谱的试验结果;3)用于计算氢原子的电离能。玻尔理论的局限性:1)无法说明氢原子光谱的精细构造;2)不能说明多电子原子、分子或固体的光谱。氢原子光谱电子在不同的电子层间发生跃迁2.1.2
5、核外电子运动的特征1 微观粒子的波粒二象性1光的波粒二象性:1粒子性光电效应;波动性光的衍射、干预等现象。根据普朗克Planck的量子论和爱因斯坦(A. Einstein)的光子学说,光的能量及频率之间存在如下关系 h : 普朗克常数10-34 Js结合质能联络定律Emc2,可以推出能量E和动量P:表征粒子性;频率 和波长:表征波动性。2微观粒子的波粒二象性德布罗意波:德布罗意L.de Broglie,法国物理学家1924 年提出实物粒子也具有波粒二象性的假说,存在着如下关系: 这种波叫作物质波,亦称为德布罗意波。并于1927年由戴维逊和革末的电子衍射试验得到证明 微观世界如何相识考虑微观粒子
6、运动的统计规律。2 测不准原理 海森堡,奥地利物理学家1927 年提出了测不准原理,同时精确测定一个微粒的动量和位置是不行能的:, 或式中为粒子的位置的不准量,为粒子的动量的不准量,为粒子速度的不准量。 1对于宏观物体子弹,m=0.01kg ,v=1000ms1。假设=104 m,那么 可以忽视不计宏观物体的速度和位置可以同时精确测定! 2对于微观粒子电子,10-11 m,10-31kg ,那么大于电子的速度106ms-1。所以,电子等微观粒子速度和位置不行以同时精确测定。 核外电子的运动状态1描绘核外电子运动状态的根本方程薛定谔方程微观粒子具有波粒二象性,其速度和位置不能同时精确测定,如何描
7、绘其运动规律?用统计的方法来描绘和探讨粒子的运动状态和规律,量子力学。1926年,薛定谔Erwin Schrdinger,奥地利物理学家提出了描绘核外电子运动状态的波动方程薛定谔方程:x,y,z:核外电子的空间坐标;E:电子的总能量;V:势能;m:电子的质量;h:普朗克常数;:波函数。2波函数、原子轨道和概率密度1) 薛定谔方程的解波函数是量子力学中描绘核外电子运动状态的数学函数式,及电子的空间坐标有关。2) 波函数的空间图象就是原子轨道;原子轨道的数学表示式就是波函数。3) 波函数描绘了核外电子可能出现的一个空间区域原子轨道,不是经典力学中描绘的某种确定的几何轨迹。4) 没有明确的物理意义,
8、但 |Y|2 表示空间某处单位体积内电子出现的概率概率密度。n,l,m是薛定谔方程有合理解的必要条件,称为量子数。对应于一组合理的n,l,m取值那么有一个确定的波函数n,l,m(x,y,z)。还有一个描绘电子自旋特征的量子数ms。1 主量子数n主量子数:描绘原子中电子出现概率最大区域离核的远近,或者说代表电子层数。取值:1、2、3、 等正整数。n越大,出现概率最大区域离核越远,能量越高。光谱学符号为:n1234567电子层数KLMNOPQ2角量子数l 角量子数:表示原子轨道角动量的大小,原子轨道或电子云的形态,即电子亚层。取值:0、1、2、3、4(n-1) 共n个取值,对应的光谱学符号s、p、
9、d、f、,电子云形态分别为球形、哑铃形、花瓣形等。从能量角度上看,这些分层也常称为能级。3磁量子数m磁量子数:表征原子轨道角动量在外磁场方向上重量的大小,即原子轨道在空间的伸展方向。取值:0,1,2, l,有2l+1个取值。1说明了线状光谱在外加磁场的作用下的分裂现象。2在没有外加磁场状况下,同一亚层的原子轨道,能量是相等的,叫等价轨道或简并轨道。角动量M的空间取向4自旋量子数ms 自旋量子数:代表了自旋角动量在外加磁场方向重量的大小,表示自旋状态。 取值:。一般用“和“表示。 说明了氢光谱的精细构造。 总结:原子中每个电子的运动状态可以用四个量子数来描绘,它们确定之后,那么电子在核外空间的运
10、动状态就确定了。自旋量子数ms有两种取值1概率密度的表示方法(1) 电子云:在以原子核为原点的空间坐标系内,用小黑点密度表示电子出现的概率密度,离核越近,小黑点越密,表示电子在那些位置出现的概率密度大;离核越远,小黑点越稀,表示电子在那些位置出现的概率密度小。(2) 等概率密度面图:将电子在原子核外出现的概率密度相对值大小相等的各点连接起来形成一个曲面叫做等概率密度面。(3) 界面图:界面图是选择一个等密度面,使电子在界面以内出现的总概率为9095% 。a) 1s电子云 b) 1s态等几率密度面图 c) 1s态界面图氢原子1s电子几率密度分布的几种表示方法各种状态的电子云的分布形态:s电子云p
11、x py pzp电子云d电子云电子云的轮廓图y(r,)R(r)Y(,)R(r) 径向分布部分,仅及r (原子轨道半径)有关,及空间取向无关。Y(q,f)角度分布部分,只取决于轨道的空间取向,及轨道半径无关。1径向分布:在半径为r、厚度为r的球壳内发觉电子的概率为4pr2r,将其除以r,得到,以D(r)r作图,可得各种状态的电子的概率的径向分布图。氢原子电子云的径向分布图(2)角度分布Y(q,j)对q,j作图可得原子轨道的角度分布图,对q,j作图可得到电子云的角度分布图。原子轨道角度分布图胖一点,而电子角度分布图瘦一点。这是因为Y1,所以Y2 Y。原子轨道角度分布图有 “、“,符号表示Y(q,j
12、)的角度分布图形的对称性关系,符号一样那么表示对称性一样,符号相反那么表示对称性相反;而电子云角度分布图均为正值。原子轨道的角度分布图电子云的角度分布图原子的电子层构造及元素周期系1. 鲍林近似能级图1对于氢原子或类氢离子(如He 、Li2)原子轨道的能量:l原子轨道的能量E随主量子数n的增大而增大,即E1sE2sE3sE4s;l而主量子数一样的各原子轨道能量一样,即E4sE4pE4dE4f。2多电子原子轨道能级图1939 年,鲍林(Pauling,美国化学家)根据光谱试验的结果,提出了多电子原子中原子轨道的近似能级图,又称鲍林能级图。a) 近似能级图按原子轨道能量上下排列。b) 能量相近的能
13、级合并成一组,称为能级组,共七个能级组,原子轨道的能量依次增大,能级组之间能量相差较大而能级组之内能量相差很小。c)在近似能级轨道中,每个小圆圈代表一个原子轨道。 d)各原子轨道能量的相对上下是原子中电子排布的根本根据。e)原子轨道的能量:l一样时,主量子数n 越大能量越高。原子轨道的近似能级图主量子数n 一样,角量子数l越大能量越高,即发生“能级分裂现象。例如:E4s E4p E4d L M N O P 屏蔽效应使原子轨道能量上升。l 钻穿效应:外层电子钻到内部空间而靠近原子核的现象,通常称为钻穿作用。由于电子的钻穿作用的不同而使它的能量发生变更的现象称为钻穿效应,钻穿效应使原子轨道能量降低
14、。钻穿效应2核外电子排布的三个原那么1泡利不相容原理:一个原子轨道最多只能包容2个自旋相反的电子,即在同一个原子中没有四个量子数完全一样的电子。每个电子层中原子轨道的数目是n2个,因此每个电子层最多所能包容的电子数为2n2个。2能量最低原理:多电子原子在基态时,核外电子总是尽可能分布到能量最低的轨道。 3洪德规那么:也叫等价轨道原理,电子在能量一样的原子轨道上排布时,总是尽可能地以自旋方向一样的形式分占不同的轨道,此时体系能量低、稳定。洪德规那么的特例:等价轨道全充溢(p6, d10, f14) ,半充溢p3, d5, f7和全空 p0 , d0, f0状态比较稳定。例如,氮原子核外有7个电子
15、,核外电子排布为1s22s22px12py12pz1。电子填入轨道次序图氮原子核外电子的排布图3电子构造式NeZ=10:1s22s22p6NaZ=11:1s22s22p63s1KZ=19:1s22s22p63s23p64s1简化写法,用稀有气体表示全充溢的构造,称为原子实。例,CaZ=20:1s22s22p63s23p64s2简写为Ar4s2;CrZ=24:1s22s22p63s23p63d54s1,简写为Ar3d54s1。1每周期的元素数目周期:元素周期表中的行,共分为七个周期,及七个能级组相对应。每个周期的元素数量等于各能级组对应的原子轨道所可以包容的最多电子数。元素周期表中的周期及各周期
16、元素的数目周期能级组能级组内原子轨道所能包容的最多电子数最大元素数目111s 22222s2p88333s3p88444s3d4p1818555s4d5p1818666s4f5d6p3232777s5f6d32322元素在周期表中的位置元素在周期表中所处周期的序数等于该元素原子所具有的电子层数。族:元素周期表中的列,共有7个主族(IAVIIA族)、零族、7个副族(IBVIIB族)和VIII族含3列。元素在周期表中的族数,根本上取决于元素的最外层电子数或价电子数。各主族元素(IAVIIA)、第B、第B副族元素的最外层电子数等于族序数;零族元素最外层电子数为2或8,是全充溢构造;第至第B族元素的族
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