基础化学：第九章 原子结构和元素周期表

1、第九章 原子结构和元素周期表,Chapitre 9 : Structure atomique et priodicit des lments,原子结构主要研究的是核外电子的运动状态。 La structure atomique tude principalement le mouvement dlectron extranuclaire 本章运用量子理论的观点讨论原子结构的特点，阐明元素周期性质的结构本质。,Latome est form dun noyau charg positivement et dun nuage dlectrons charg ngativement.,les car

2、actristiques de structure atomique Les proprits priodiques des lments,la mcanique quantique,本章要求,掌握核外电子排布的规律，能书写一般原子的电子排布式。 掌握原子的电子组态与元素周期表的关系（在周期表中的位置：周期、族、区），能用四个量子数表示核外电子的运动分布图。 熟悉s、p、d原子轨道、电子云角度分布图，熟悉四个量子数的取值规律。,原子结构的认识史 古代哲学： 物质由金、木、水、火、土组成,古希腊： 物质由原子（哲学的概念）和虚空组成,一、氢光谱和氢原子的Bohr模型 Spectre dhydro

3、gne et le modle Bohr datome dhydrogne,第一节 核外电子运动状态及特性 le mouvement et les caractres dlectron extranuclaire,19世纪初，英国科学家Dalton J原子学说 实心小球（真正现代意义的物质结构科学的概念） 优点：质量守恒定律等 缺点：不可分割性，无法解释化学性质,150年前，英国化学家和物理学家M.Faraday制造第一个阴极射线管，发现阴极射线电子的发现。,1897年，Thomson J J：应用磁性弯曲技术证明：阴极射线是带负电的微粒电子，提出原子结构模型：“葡萄干布丁” modle du

4、 pain aux raisins,1909年，英国物理学家Rutherford E：粒子穿过金箔时，部分粒子发生散射，提出 “原子有核” 模型 modle nuclaire 。,结果，绝大多数a粒子几乎毫无障碍地穿过金箔，只有极少数的a粒子发生大角度散射，甚至反射。 原子核的存在,“原子有核” 模型的缺陷：高速运行的电子不停地发射辐射，电子堕入核内，“原子毁灭” 。 连续地辐射应得到连续光谱。矛盾,经典物理力学遇到困难,量子力学：研究微观世界粒子（电子）运动的规律。,Bohr NHD（量子力学鼻祖）理论：经典量子力学,Bohr, Niels Henrik David (1885-1962),

5、 physicien danois,Le modle propose que les lectrons qui gravitent autour du noyau sont situs sur des niveaux dnergie. Bohr a identifi sept niveaux dnergie autour du noyau. De plus chaque niveau dnergie ne peut contenir quun nombre maximum dlectron. Ce modle contribua normment aux dveloppements ultri

6、eurs de la physique atomique thorique. Cest ce modle qui est encore en vigueur.,Le modle atomique de Bohr :,Bohr 假定： 1 核外电子处于不同的能量状态（能级） 2 电子从一个能级跃迁到另一个能级地能量差等于吸收或辐射光子的能量,Bohr理论成功解释了原子的线状光谱和原子的稳定性 La thorie de Bohr a bien expliqu le spectre de raies de latome et la stabilit de latome,Lide de Bohr, v

7、ers 1913, a alors t la suivante: si la lumire est mise avec des longueurs donde prcises, cest que les changements dnergie de latome ne sont pas quelconques mais au contraire bien dfinis, comme sil y avait des niveaux dnergie dans latome. Lnergie est dite alors quantifie.La perte dnergie en passant d

8、un niveau suprieur un niveau infrieur doit alors correspondre lnergie dun rayonnement de longueur donde dtermine.,理论要点 Points essentiels de la thorie,原子中的电子沿着固定轨道（能级）绕核运动 ，电子在这些轨道上运动时具有一定的能量(定态 tat stationnaire),这能量只能取某些由量子化条件决定的正整数: n=1 基态 tat fondamental n1 激发态 tat excit 跃迁时吸收或辐射能量 特点：能量量子化 不连续光谱,

9、H原子能级,E2-E1 = h,h = 6.626x10-34 J.s (constante de Planck),光子的频率 = c/,1、 de Broglie L的假设,二、电子的波粒二象性（现代量子力学）,20世纪初，光具有波粒二象性(dualit onde particule),1924年法国物理学家德布罗意 提出了电子等微观粒子 (原子、质子、中子) 具有波粒二象性假设。提出了“物质波”公式:,把微观粒子的粒子性p (m 、)和波动性统一起来 粒子性：所有的化学反应（电子得失） proprit corpusculaire : gain ou perte des lectrons d

10、ans la raction chimique,1927年，戴维森和革尔麦通过电子的衍射实验证明了德布罗意假设-微观粒子的波动性,由该实验计算出的电子波的波长与de Broglie关系式计算出的波长一致,同年，Thomson也用实验证明德布罗意假设,波动性：proprit ondulatoire : phnomne de diffraction dlectron, onde de probabilit,如何理解电子的波动性？,电子衍射统计结果,衍射强度大的地方出现的机会多，衍射强度小的地方出现的机会少，即呈概率分布，所以电子波是概率波（反映电子在空间个区域出现的概率大小）。,宏观物体：,位置和

11、速度,轨道,微观粒子的运动遵循什么规律呢？,xpxh/4,不确定原理,此式表明，要同时测准一个微观粒子的位置和动量是不可能的,三、不确定原理 Le principe dincertitude,1927海森堡(Heisenberg)提出的著名的不确定/测不准原理,x, px,1、微观粒子运动并无确定的运动轨道，玻尔理论的电子轨道根本不存在。 2、它并不意味着微观粒子运动无规律可言，只是说它不符合经典力学的规律，应该用量子力学来描述微观粒子的运动(概率波)。,意义：,式中: 称为波函数 (fonction donde); E为原子的总能量; V为原子核对电子的吸引能; m为电子的质量; h为普朗克

12、常数; x、y、z为电子的空间坐标.,第二节 氢原子结构的量子力学解释 Latome dhydrogne selon la mcanique quantique,方程一个合理的解，对应一个电子的运动状态，形象化称为原子轨道(orbitale atomique)。,Equation de Schrdinger,的意义,2 (carr de la fonction donde)的物理意义： 电子在核外空间某点(r,)单位体积内出现的概率。 2 概率密度 densit de probabilit 电子云(nuage lectronique),12,22,32,12 22 32,黑色深的地方概率密度大

13、，浅的地方概率密度小,合理的解 表示核外电子的一个确定的运动状态（定态），且具有一个确定的能量与其相对应。 A chaque fonction donde correspond une nergie (En) 是原子轨道（orbitale atomique ） Bohr理论中的原子轨道（行星式轨道） 怎么样才算合理？,直角坐标转换成球坐标 (x, y, z)= (r, ),一、量子数 les Nombres quantiques,合理的解n，l，m(r,), (r, ),主量子数,角量子数,磁量子数,La rsolution de lquation de Schrdinger pour un

14、lectron situ dans un espace tridimensionnel implique ncessairement trois nombres entiers, les nombres quantiques n, l et m. 合理的波函数必须满足一些整数条件，否则将为零， 2也为零，即空间没有电子出现。,1、主量子数(nombre quantique principal) n： 取值：1，2，3 n，nombres entiers positifs。 物理意义： Le nombre quantique principal quantifie lnergie et la t

15、aille de lorbitale. （1）决定电子离核的远近，即电子层数 （2）决定电子能量高低的主要因素。 单电子原子、离子(H He+ Li2+ )：唯一因素。 多电子原子：主要因素（多电子原子存在静电排斥，能量还取决于 l） 。,n 也称为电子层 couche lectronique,2、角动量量子数 l nombre quantique secondaire (ou azimutal ou orbital) 取值：0、1、2、3 (n 1)，可取n个数值。 光谱符号：l = 0：s 球形 l = 1：p 双球形（哑铃形） l = 2：d 花瓣形 l = 3：f 物理意义： 1.决定

16、原子轨道的形状，又称为电子亚层 sous-couche。 2.多电子原子：决定能量的次要因素。 对多电子原子：EnsEnpEndEnf 。 对氢原子：Ens = Enp = End = Enf,3、磁量子数(nombre quantique magntique) m：取值：0、1、2，l。 共有（2l+1）个数值。 物理意义：决定原子轨道在空间的伸展方向（轨道数目），与电子的能量无关。 m est li lorientation des orbitales appartenant une mme sous-couche (mme nergie) s 轨道 (l = 0) ：1个 p 轨道 (l

17、 = 1) : 3个等价轨道(px py pz) d 轨道 (l = 2) ：5个等价轨道（dx2-y2 dxy dxz dyz dz2） f 轨道 (l = 3) ：7个等价轨道 等价轨道orbitale quivalente或简并轨道： n,l相同，m不同的各原子轨道，能量相等。,主量子数 n 角量子数 l 磁量子数 m 原子轨道 同一电子层的轨道数(n2),1 0 0 1s 1,n =1、2、 l = 0、1、 （n-1） m =0，1， l,n, l, m,2 0 1 0 0 1 2s 2pz 2px ,2py 4,n =1、2、 l = 0、1、 （n-1） m =0，1， l,主量

18、子数 n 角量子数 l 磁量子数 m 原子轨道 同一电子层的轨道数(n2),n, l, m,n l m n2,3 0 1 2 0 0 1 0 1 2 3s 3pz 3px 3dz2 3dxz 3dxy 3py 3dyz 3dx2-y2 9,n =1、2、 l = 0、1、 （n-1） m =0，1， l,n, l, m,n,l,m三个量子数决定一个原子轨道 如：1，0，0或写成1s,为何没有1p, 2d, 3f轨道,自旋角动量量子数(nombre quantique de spin ) s: 不是通过解薛定谔方程得来的，所以与n、l、m无关。 取值：+1/2和-1/2 或用和表示 物理意义：电

19、子自旋运动方向（两种）。 平行自旋 spin parallle 反平行自旋 spin antiparallle,上述三个量子数的合理组合决定了一个原子轨道, 但要描述电子的运动状态还需要有第四个量子数。,一个原子轨道最多容纳两个自旋相反的电子,电子的自旋 Le Spin de llectron,两个量子数决定一个能级 主量子数（n）、角动量量子数（l）多电子原子 三个量子数决定一个原子轨道 合理的原子轨道受三个量子数限制： 主量子数（n）、角动量量子数（l）和磁量子数（m） 四个量子数决定一个电子的运动状态 核外电子的运动状态受四个量子数限制： 主量子数（n）、角动量量子数（l）和磁量子数（m

20、）自旋量子数（s）,1. 假定某一电子有下列成套量子数（n,l,m,s），其中不可能存在的是（ ） A. 3,2,2,1/2 B. 3,1,-1,1/2 C. 1,0,0,-1/2 D. 2,-1,0,1/2 E. 1,0,0,1/2 2. 在多电子原子中，决定电子能量的量子数为 （ ） A. n B. n,l C. n,l,m D. l E. n,l,m,s 3. 在单电子原子中，决定电子能量的量子数为 （ ） A. n B. n,l C. n,l,m D. l E. n,l,m, s,D,B,A,fonction donde radiale 径向波函数,fonction donde azimutale 角度波函数, (r,)=Rn，l(r) Yl，m(，),二、原子轨