无机化学第五章 原子结构ppt课件.ppt
第五章 原子结构,一、玻尔原子模型,二、原子的量子力学模型,三、核外电子的排布,四、元素某些性质的周期性和原子结 构的关系,1.氢原子光谱,一.玻尔原子模型,1.氢原子光谱,H,H,H,H,一.玻尔原子模型,氢放电管,狭缝,棱镜,不连续光谱,氢原子光谱特征：,当 n1=2,经验公式：,算出的 分别等于氢原子光谱中上述4条谱线的频率,频率具有一定的规律,线状光谱,n2=3、4、5、6时,三点假设：,Bohr(丹麦物理学家),(1)量子化的轨道和原子定态的观点,能量最低的定态基态,能量较高的定态激发态,2.玻尔( Bohr )的氢原子模型,(2)轨道能级的概念,n量子数，,n大，,电子运动时所处的能量状态,1、2、3n 正整数,电子所在的轨道和能级,轨道离核越远，,能量越高。,(3)激发态原子发光的原因,E = En2 - En1= h,电子发生跃迁,类氢离子也有此性质,普朗克常数(6.62610-34 Js),He+、Li2+,二.原子的量子力学模型,1.核外电子运动的波、粒二象性,光有两象性,粒子性,波动性,波、粒二象性,E = h,p = mv,1924年，德布罗依提出假设：,电子等微观粒子具有波、粒二象性,de Broglie 关系式,微观粒子, 实物粒子，,指光子、电子、质子、中子 等一些基本粒子。,波长符合下式：,照相底片,(实验) =(假设),说明电子的运动与宏观物体的运动不同,电子衍射实验,海森堡(Heisenberg)测不准原理,数学表示式：,px h, p的不准量,x x的不准量,海森堡,2.核外电子运动状态的描述,薛定谔,1926年,薛定谔(Schrdinger)方程,1)Schrdinger方程与量子数,O,= Rn、l (r)Y(, ) l、m, (x、y、z),径向分布,角度分布,一个方程,两个未知变量,无穷多组解,满足n、l、m取值规律的解,合理解,量子数,（、E）,量子力学用来描述核外电子运动状 态的一些数字,主量子数(n),角量子数(l),磁量子数(m),组合方式一定，,组合方式改变，,波函数的形式一定；,波函数的形式改变。,= n、l、 m(r, , ),波函数,(1)主量子数(n),电子,决定原子中电子能量的一个主要因素,n的取值：,核,（电子层数）,也可用 ： K L M N,1 2 3 4 n 正整数,大写拉丁字母表示,(2)角量子数( l ),代表波函数的角度函数形状，,l的取值：,可用 s p d f 表示,n主量子数所取的最大值,每一个 l 值代表原子轨道的一种形状。,（受n的限制）,0 1 2 3 n- 1 ，,共n个值,决定原子中电子能量的一个次要因素。,原子轨道,空间图象,代表原子轨道的形状,l = 0，,l = 1，,l = 2，,l = 3，,球形轨道(s),哑铃形轨道(p),花瓣形轨道(d),球形，,用s表示；,哑铃形，,用p表示；,花瓣形，,用d表示；,较复杂，,用f 表示。,(3)磁量子数(m),原子轨道在空间的伸展方向；,m的取值：,一种伸展方向,共2l+1个值,一条原子轨道,0 +1 +2 +3 +l，,m值决定了角度函数的空间取向,n = 1,l = 0,m = 0,球形轨道,只有一种伸展方向,一条轨道，,1s轨道,1s电子,n = 2,l = 0,l = 1,m = -1,m = 0,m = +1,有三种伸展方向,Px轨道,Py轨道,Pz轨道,三条p轨道，,2p轨道；,n=2，有四条轨道。,m = 0,2s轨道,2s电子,2px、2py、2pz,2p电子，,n = 3,l = 0,m = 0,3s轨道,3s电子,l = 1,m = -1,m = 0,m = +1,有三种伸展方向,3p轨道,l = 2,m = -2,m = -1,m = 0,m = +2,m = +1,有五种伸展方向,轨道上的电子称为3d电子,第三电子层一共有9条原子轨道,3p电子,Spd 原 子轨道的角度分布剖面图,n = 4,l = 0 ，,l = 1，,m = -1、0、+1,三条4p轨道,l = 2，,五条4d轨道,l = 3，,七条4f 轨道,m = -2、-1、0、+1、+2,m = -3、-2、-1、0、+1、+2、+3,m = 0,一条4s轨道,注意：,n是决定轨道能级的主要量子数,一条原子轨道的特征要由三个量子数来确定,l是决定轨道形状的量子数,m是决定轨道伸展方向的量子数,(4)自旋量子数(ms),描述核外电子自旋运动的状态,表示两种不同的自旋方向,ms：,（ 和）,、,同一轨道上可以有自旋方向不同的两个电子,成对电子 电子对,能量相同,核外电子的运动状态用四个量子数来描述,(1)总能量,(2)波函数,角度部分：,径向部分：,2)氢原子的基态,n = 1， l = 0， m = 0,径向部分,Bohr半径,是一种球形对称分布,角度部分,n = 1， l = 0， m = 0,(3)波函数的物理意义,波函数()：,无明显的、直观的物理意义；,描述核外电子运动状态的数学表示式,用统计的方法统计电子在核外空间某一个区 域出现机会的多少,2：,概率密度。,概率 = 机会,电子在原子核外空间某处单位体积内出现的 概率,电子云:,电子出现概率密度大的区域,电子出现概率密度的形象化 描述,电子云是2的具体图象,电子出现概率密度小的区域,原子轨道与电子云角度分布的两点区别,原子轨道,电子云,有+、-号,无+、-号,肥胖,瘦,1s的2r图及电子云,1s电子云的界面图,界面内电子出现的概率为90%,界面图外发现电 子的概率可忽略,2相等的各点连 接起来所得的空间 曲面,等概率密度面,界面,电子云的界面图,径向分布函数D(r),R(r) r 作图,D(r) r 作图,D(r)与R(r)不同,极大值的位置不同,R(r)近核处,D(r)玻尔半径,（二种形式）,(1) 2s态：,3)氢原子的激发态,n=2, l=0, m=0,(a)2s的2 r 图及电子云,(b) 2s D(r) r图,n大，,极大值峰多,最高峰值离核越远,l小，,极大值峰多,第一个峰离核越近,l 相同,n相同,(2) 2p态：,n,l,m轨道 (r, , ) R(r) Y(, ),2,1,0 2pz,2,1,1,2px,2py,n =2 , l =1 , m = +1,0,-1,三、核外电子的分布,1.多电子原子轨道的能级,三个概念,屏蔽效应,二张图,L pauling的原子轨道近似能级图,Cotton原子轨道能级和原子序数的关系图,钻穿效应,能级交错,只受到原子核的吸引,受到原子核的吸引，,氢原子中的电子：,多电子原子中的电子：,受到其它电子的排斥。,内层外层,外层之间,结果：,原子核,外层电子,吸引力,减 弱,（屏蔽系数）,Z- 有效核电荷,屏蔽效应：,在多电子原子中，,核电荷对某个电子 的吸引力，,因其它电子对该电子的排斥 而被削弱的作用。,屏蔽效应大小的规律：,(1),外层电子对内层电子没有屏蔽作用,(可忽略不计),(2),n相同，l不同,电子之间的屏蔽效应：,原子轨道能级顺序：,nsnpndnf,EnsEnpEndEnf,电子之间的屏蔽效应：,(3),原子轨道能级顺序,1s2s3s4s,或 2p3p4p5p,E1sE2sE3sE4s ,或 E2pE3pE4pE5p ,n不同，l相同,钻穿效应：,电子进入原子内 部空间，受到核的较 强的吸引作用,(4) n、l都不同,2s,2p轨道的径向分布图,如：E4sE3dE4p,E6sE4fE5dE6p,能级交错,(钻穿效应造成的),3d 与 4s轨道的径向分布图,用E=n+0.7l 解释：,E6s = 6 + 0.70 = 6,E4f = 4+ 0.73 = 6.1,E5d = 5 + 0.72 = 6.4,E6p = 6 + 0.71 = 6.7,E6sE4fE5dE6p,每一方框：,能级组的划分：,E = n + 0.7l,鲍林(L Pauling) 近似能级图,能级组(周期),E6s = 6 + 0.70 = 6,E4f = 4+ 0.73 = 6.1,E5d = 5 + 0.72 = 6.4,E6p = 6 + 0.71 = 6.7,E6sE4fE5dE6p,n、l相同，,主要解决电子的填充顺序问题,鲍林(L Pauling) 近似能级图,简并轨道,m不同，,能量相等的轨道。,(等价轨道)：,核外电子向原子轨道填充的顺序：,1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,原子轨道能级与原子序数关系图(Cotton),主要解决电子 丢失的顺序问题,1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 6s 6p,电子丢失顺序：,柯顿,2.基态原子中电子分布规律,1）泡利(Pauli)不相容原理,2）能量最低原理,(3 2 2 ),(3 2 2 ),3）洪特(Hund)规则,如：3p3,3p5,全充满,p6d10f14,半充满,p3d5f7,全 空,p0d0f 0,电子,分布最稳定,洪特规则特例：,核外电子填入轨道的顺序,1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p,核外电子排布顺序,1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 6s 6p,auling近似能级顺序,Cotton近似能级顺序,19K：,1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,4s,6,1,26Fe：,29Cu：,36Kr：,24Cr：,47Ag：,4s,2,3d,6,正确排法：,4s,2,3d,9,正确排法：,4p,6,4s,2,3d,4,正确排法：,3d,10,4s,2,4p,6,5s,2,4d,9,正确排法：,3.元素周期表与核外电子分布的关系,元素周期律的表现形式,周期表,1）周期,元素性质随着原子序数递增呈现周期性变化的 规律,2）族,3）元素在周期表中的分区,1）周期,周期数 = 电子层数 = 最高主量子数(n值),七个周期,1、2、3为短周期,4、5、6为长周期,第7周期为未完成周期,最外层电子数最多不超过 8 个,次外层电子数不超过18个,原子轨道的能级交错,原因,2）族,主族,副族,电子最后填充在 s 和 p 轨道上的元素，,用 A表示，,最外层电子数等于族数。,电子最后填充在 d 和 f 轨道上的元素，,用 B 表示，,s12，,(n-1)d110 ，,(n-2)f114。,7个主族(A)：,一个零族(稀有气体),7个副族(B)：,包括BB族,第族元素包括3列。,周期表：,18族,A族,一个第族,元素所在族数与外层电子数的关系：,主族元素族数,B、B副族元素族数,第族的三列元素：,BB副族元素族数,次外层d电子数,= 最外层电子数,= 最外层 s 电子数,= 最外层 s 电子数 +,最外层电子数+次外层电子数,分别为8，9，10,同族内各原子,主量子数不同,注意：,价电子,元素中能参与成键的电子,主族：,副族：,外层电子结构相同,化学性质相似,ns、np 电子,ns、 (n-1)d、(n-2)f电子,3）元素的分区：,ns12,失电子,活 泼 金 属,ns2np16,非金属,稀有气体,(n-1)d19ns12,过渡元素,(n-1)d10ns12,与d 区相 似,(n-2)f 014ns2 或 (n-2)f014(n-1)d12ns2,(5771),(89103),内过渡元素,化学性质非常相似,按照原子的外层电子结构,金 属,两性元素,四.元素某些性质的周期性和原子结构的关系,元素性质的周期性,原子半径,电离能,电子亲和能,电负性,元素的氧化值,元素的金属性和非金属性,1.原子半径,金属半径：,共价半径：,范德华半径：,注意,金属半径比它的共价半径大10 15%，,范德华半径最大,原子核,平均距离,最外层电 子,主族元素,同一周期：,同一族：,原子半径( r )在周期和族中的变化,r 逐渐,r 逐渐,原子半径( r )在周期和族中的变化,副族元素,同一周期：,d 区过渡元素：,r 略有,从B起，r 反而,f 区内过渡元素 ：,与d区相似，,r 的更小,镧系收缩,同一族：,r,较小，,第五、六周期，,r 非常接近。,注意：,稀有气体原子得失电子都不容易,r 大，,核,电子，,吸引力,弱,易失电子。,难失电子的原子，不一定容易得到电子。,2.电离能和电子亲和能,电离能：,电离能越小,失去电子的难易 (I),结合电子的难易 (Y),能量,kJmol-1,越容易失去电子,第一电离能(I1),A(g),A+(g),A+(g),A2+(g),能 量,第二电离能(I2),依次类推,I1I2I3,第一电离能的周期性变化,同一周期,主族元素：,副族元素,左右，,I大。,左右，,I 稍有，,个别变化不规律。,全充满,半充满,I1(A、A)I1(相邻元素原子),电子亲和能( Y ),所有元素的第二电子亲和能都为正值,Y 越小，,A(g),A-(g),放出能量,第一电子亲和能,一般都为负值,稀有气体,A族元素,正值,原子就越容易得到电子。,同周期：,Y小,同族：,Y大,全充满,半充满,Y1(A、A)Y1(相邻元素原子),第一电子亲和能的周期性变化,3.电负性( ),分子中元素原子吸引电子的能力,本身没有单位。,F( ) = 4.0,计算得到其它元素的,电负性最大的元素是F(4.0)，,最小的元素是Cs(0.7)。,是一个相对的数值，,元素的电负性,金属元素 2.0，,小,大,非金属元素 2.0,(非金属性强 ),(金属性强 ),4.元素的氧化值,元素的原子得失或偏移电子的数目,氧化值主要在氧化还原中使用,单质元素原子的氧化值为“0”；,化合物中，,氢的氧化值是“+1”，,氧的氧化值是“-2”；,离子的氧化值是离子所带的电荷数,(酸根离子),元素原子的氧化值可以是分数,同一元素可以有不同的氧化值,0,0,+1 -2,+1 -1,+1 -2,+8/3 -2,+1 +3 -2,-2 +1 -1,+2 +1 -1,元素氧化值的周期性,变价元素中，下划线的较稳定,主族元素(F、O除外)：,最高氧化值,= 族数,非金属元素：,最高氧化值 +|最低氧化值|,= 8,副族元素：,BB，,B和族氧化值变化不规律,B的最高氧化值为+2。,最高氧化值 = 价电子总数,5.元素的金属性和非金属性,化学反应中：,原子,原子,r大,核,吸引力,反之，非金属性强。,阳离子，,元素的金属性强,阴离子，,元素的非金属性强,e价少,核电荷数少,弱,电子,金属性强,元素原子的,I,小,元素原子的,Y 小,大,元素的非金属性强,元素的金属性强,金属性强,主族元素,非金属性强,副族元素递变规律不明显,
