原子结构医科大学化学.ppt

习题,1，2，3，4，7，9，11，12，13,第八章 原子结构和元素周期律,第八章 原子结构和元素周期律,atomic structure,第一节 氢原子光谱和波尔理论,第二节 微观粒子特征,第三节 氢原子结构,第四节 多电子原子结构,第五节 元素周期表,第六节 元素性质的周期性,第一节 氢原子光谱和波尔理论,一、氢原子光谱 二、波尔（Bohr）理论,思考：1.为什么原子不会自我毁灭？2.为什么原子光谱是线状的？,可见光的连续光谱。,氢原子光谱及实验示意图,1913 年，丹麦青年物理学家 Bohr 提出了新的原子结构模型。其要点如下：,（3）只有当电子在能量不同的轨道之间跃迁时，原子才会吸收或放出能量.,二、波尔（Bohr）理论,（1）电子只能在某些特定的圆形轨道上绕核运动。,（2）电子在不同轨道上运动时，其能量是不同的。原子轨道的能量是量子化的。,Bohr的原子轨道,第二节 微观粒子的特征,一、微观粒子的波粒二象性 二、不确定原理,思考：1.怎样证明电子有波动性？2.不确定原理认为什么是不确定的？,一、波粒二象性,（wave-particle duality)1924 年，法国青年物理学家 de Broglie大胆地提出电子也具有波粒二象性的假说。,1927年，美国物理学家Davisson和Germer用电子束代替X射线做晶体衍射实验，得到了与X射线衍射图象相似的衍射环纹图，确认了电子具有波动性。,（a）X射线的衍射图,（b）电子衍射图,Heisenberg 认为：在一个量子力学系统中 不可能同时准确地测定粒子的位置和动量角动量和角度时间和能量,二、不确定原理,p h,第三节 氢原子结构,一、Schrdinger方程及其解二、四个量子数三、氢原子波函数和概率密度的图形,思考：1.薛定谔方程的未知数是什么？2.四个量子数分别表述什么？3.波函数和概率密度的角分布图有何差异？,第三节 氢原子结构,一、Schrdinger方程及其解二、四个量子数三、氢原子波函数和概率密度的图形,对应用 K，L，M，N，O，P，Q 表示。,（一）主量子数,主量子数 n-电子出现概率最大的区域距原子核的平均距离,n 的取值为 1，2，3.,-电子能量高低的主要因素,当 n 1，2，3，4，5，6，7 时,分别称为 一，二，三，四，五，六，七 电子层,n 增大，电子能量增大。,（二）角量子数,当 li 0，1，2，3 时，称为 s，p，d，f 亚层。,角动量量子数 li-原子轨道的形状 在多电子原子中，-n 和 li 共同决定了电子的能量。当 n 相同时，随 li 的增大，亚层的能量增大。,li的取值受 n 的制约，可取0，1，2.n1。,s 轨道（球形）,p 轨道（哑铃形）,（三）磁量子数,同理，d 亚层有5 个轨道，f 亚层有7 个轨道。,mi 的取值受li 的制约，mi0,1,2 li，有2 li+1 种取向。,磁量子数 mi 确定-原子轨道在空间的伸展方向,当 li 0 时，mi只能取0，s 亚层只有1个轨道；,当 li 1 时，mi可取 1，0，1，p 亚层有3 个轨道。,p 轨道（三个方向）,s 轨道（一个方向）,n 和 l 相同，但 m 不同的各原子轨道的能量相同，称为简并轨道或等价轨道。,电子层、电子亚层、原子轨道与量子数之间的关系。,14916,（四）自旋量子数（ms）,综上所述；n，l，m 三个量子数可以确定一个原子轨道，而n，l，m，ms 四个量子数可以确定电子的运动状态。,ms 用于描述电子的自旋方向。,ms 的取值为+1/2 和-1/2，常用箭号 和 表示电子的两种自旋方式。,练习：1.选择题：下列量子数组合中，错误组合为（）(A)2，0，0，-1/2(B)2，-1，1，1/2(C)3，2，0，+1/2(D)4，3，2，-1/2,2.写出 n 4，l 0，m 0 的轨道名称,答：轨道名称为 4 s,答：错误组合为 B,练习：说明3s1、2p代表的意义并写出对应的量子数。,解：3s1代表第3电子层s轨道一个电子的运动状态，对应的量子数为：n=3，li=0，mi=0，si=1/2或-1/2。,2p代表第2电子层的p能级，对应的量子数为：n=2，li=1，mi=(0、-1、+1)，用n,l,m表示为2,1,-1、2,1,0、2,1,1(或2px、2py、2pz),第三节 氢原子结构,一、Schrdinger方程及其解二、四个量子数三、氢原子波函数和概率密度的图形,Schrdinger 方程1926年，奥地利著名的物理学家Schrdinger 首先提出了描述电子运动状态的波动方程，称为Schrdinger方程：,x、y、z：电子在空间的坐标。m：电子的质量 E：电子的总能量,波函数 描述 电子在原子核外空间的运动状态每一个波函数就表示电子的一种运动状态通常把波函数称为原子轨道。(atomic orbital),Schrdinger方程合理的解波函数（wave function）,（x,y,z）,R(r)：径向函数,Y(,)：角函数,：电子的波函数，是Schrdinger方程的解。,（x,y,z）,第三节 氢原子结构,一、Schrdinger方程及其解二、四个量子数三、氢原子波函数和概率密度的图形,波函数的平方 表示电子在核外空间某处的概率密度。(probability density),以小黑点的疏密表示概率密度分布的图形称为电子云。(electron cloud),概率=概率密度微单位体积(probability),（一）氢原子基态电子云图形,1 s 电子云示意图,1s 电子云图 等概率密度图 电子云界面图,薄球壳夹层示意图,（二）氢原子电子出现概率的径向分布图形,r,dV,dr,D(r)径向分布函数,氢原子的径向分布图,（三）氢原子的波函数和 概率密度的角度分布图形,随、变化的图形。,1、氢原子波函数的角分布图,氢原子波函数的角分布图,2.氢原子的电子云的角分布图 与波函数相似，概率密度也可分解为两个函数的乘积：,氢原子电子云的角分布图,波函数的角分布图与电子云的角分布图比较相似，但有以下两点区别：（1）除 s 轨道外，波函数的角分布图有正、负号之分，而电子云的角分布图都是正值。（2）电子云的角分布图比波函数的角分布图要“瘦”一些。,第八章 原子结构和元素周期律,atomic structure,第一节 氢原子光谱和波尔理论,第二节 微观粒子特征,第三节 氢原子结构,第四节 多电子原子结构,第五节 元素周期表,第六节 元素性质的周期性,第四节 多电子原子结构,一、屏蔽效应和钻穿效应二、Pauling 近似能级图三、基态原子核外电子排布,一、屏蔽效应,E(1s)E(2s)E(3s)E(2p)E(3p)E(4p)E(3d)E(4d)E(5d),E(ns)E(np)E(nd)E(nf),其他电子（内层）对某个指定电子的排斥作用抵消原子核的部分吸引作用,当n，li 都不同时,某些原子轨道发生的能级交错。4s 轨道的能量低于 3d 轨道,是钻穿效应造成的。,一、钻穿效应,根据电子出现概率的径向分布，外层电子有可能突破作用主量子数的限制，出现在更靠近原子核的空间,第三节 多电子原子结构,一、屏蔽效应和钻穿效应二、Pauling 近似能级图三、基态原子核外电子排布,Pauling 原子轨道的近似能级图,徐光宪经验公式E=n+0.7 l,根据徐光宪能级分组规则得到的能级组划分次序，与 Pauling 近似能级图是一致的。,徐光宪的能级分组规则,第三节 多电子原子结构,一、屏蔽效应和钻穿效应二、Pauling 近似能级图三、基态原子核外电子排布,原子核外电子的排布规律,（1）Pauli不相容原理(Pauli exclusion principle)：在一个原子中，不可能存在四个量子数完全相同的两个电子。,（2）能量最低原理：在不违背Pauli不相容原理的前提下，核外电子总是尽先排布在能量最低的轨道上。,（3）Hund规则(Hunds rule)：电子在简并轨道上排布时，总是先以自旋相同的方式分占尽可能多的轨道。,如7N 原子核外电子排布为：1s22s22px12py12pz1,注意（1）：书写电子排布式时，应一律按电子层的顺序写。,而不是 1s22s22p63s23p64s23d2。,例如22Ti，写成 1s22s22p63s23p63d24s2，,注意（2）：作为 Hund 规则的特例，简并轨道在全充满（p6，d10，f14）、半充满（p3，d5，f7）和全空（p0，d0，f0）时是比较稳定的。,例如 24Cr原子核外电子排布式为:1s22s22p63s23p63d54s1，,而不是 1s22s22p63s23p63d44s2；,练习：写出29Cu基态原子的电子排布式。,解：29Cu 原子核外电子排布式为：1s22s22p63s23p63d104s1，而不是1s22s22p63s23p63d94s2。,练习：下列各元素的基态原子的电子排布式，各违背了什么原理？写出正确的电子排布式。5 B 1s22s3 3 Li 1s12s12p1 6 C 1s22s22px2,答：(1)违背了 Pauli 不相容原理，正确的应为 1s22s22p1,(2)违背了能量最低原理，正确的应为 1s22s1,(3)违背了 Hund 规则，正确的应为 1s22s22px12py1,第八章 原子结构和元素周期律,atomic structure,第一节 氢原子光谱和波尔理论,第二节 微观粒子特征,第三节 氢原子结构,第四节 多电子原子结构,第五节 元素周期表,第六节 元素性质的周期性,第八章 原子结构和元素周期律,atomic structure,第一节 微观粒子的特征,第二节 氢原子结构,第三节 多电子原子结构,第四节 元素周期表,第五节 元素性质的周期性,第四节 元素周期表,一、原子的电子层结构和周期,二、原子的电子层结构和族,三、原子的外层电子构型和元素的分区,Pauling 原子轨道的近似能级图,各周期中元素的数目与相应能级组的原子轨道的关系,第四节 元素周期表,一、原子的电子层结构和周期二、原子的电子层结构和族三、原子的外层电子构型和元素的分区,副族元素基态原子的最外电子层有1个或2个电子,主族元素在周期表中的族数等于元素基态原子的最外电子层的电子数；,在同一主族内，最外电子层上的电子数都是相同的,第四节 元素周期表,一、原子的电子层结构和周期二、原子的电子层结构和族三、原子的外层电子构型和元素的分区,0,元素周期表中的周期、族、区,（5）f 区元素：包括镧系和锕系元素，外层电 子构型为,（1）s 区元素：包括IA族元素和A族元素，外层电子构型为。,（2）p 区元素：包括AA族元素和0族元 素，除He元素外，外层电子构型为,（3）d 区元素：d区元素又称过渡元素，包括BB 族元素和 族元素，外层电子构型为,（4）ds 区元素：包括B和B族元素，外层 电子构型为,第六节 元素性质的周期性,一、有效核电荷二、原子半径三、元素的电离能四、元素的电子亲和能五、元素的电负性(electro-negativity),金属元素的电负性一般小于 2.0，非金属元素的电负性一般大于 2.0。,元素的电负性,外语词汇：原子结构 atomic structure 基态 ground state激发态 excited state 波函数 wave function 波粒二象性 wave-particle duality原子轨道 atomic orbital 量子数 quantum number 概率 probability 概率密度 probability density电子云 electron cloud 泡利不相容原理 Pauli exclusion principle洪特规则 Hunds rule电负性 electro-negativity,教学基本要求：1.掌握波函数（原子轨道）、概率、概率密度、电子云等涵义和描述的对象；2.掌握多电子原子轨道近似能级图和核外电子排布的规律；熟练写出常见原子的核外电子排布，并确定它们在周期表中的位置3.掌握周期表中元素的分区及结构特征4.熟悉四个量子数的名称、符号、取值和物理意义5.了解核外电子运动的特殊性波粒二象性6.了解氢原子s，p，d原子轨道的角度分布图形与电子云的径向分布图形7.了解电负性的变化规律,