无机化学第五章 原子结构ppt课件.ppt

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1、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

2、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

3、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、

4、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

5、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

6、,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

7、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

8、,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(

9、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

10、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

11、,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(

12、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

13、 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,

14、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

15、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

16、,= 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

17、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

18、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-

19、(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”

20、；,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,