无机化学：第九章 原子结构

1、原子结构,原子结构是认识各种物质结构和性质的基础,量子力学揭示了微观世界粒子运动的规律，是人类在化学物质结构的认识史上的一次飞跃,浓缩了全世界1/3智慧的照片,2.1 微观粒子的波粒二象性,2 氢原子的量子力学模型,普朗克的量子论与爱因斯坦的光子学说相结合,应用：光的波动性干涉和衍射 (日光灯) 光的粒子性光电效应,1) 光具有波粒二象性,2) 电子也具有波粒二象性,1924年，de Broglie(1892-1987)提出,物质波,1927年由电子衍射实验证实； 1929年获得诺贝尔物理学奖,电子衍射实验图,微观粒子的特点 能量量子化； 波粒二象性； 电子衍射实验证明了电子的波动性。 3.

2、运动的统计性,图1 氢原子五次瞬间照像,图 2若干张氢原子瞬间照片叠印,像这样用小黑点的疏密形象地描述电子在原子核外空间的概率密度分布图象叫做电子云图,电子云图,S 电子云图,p 电子云图,界面图,2.2 核外电子运动状态描述,一、薛定諤方程电子运动的波动方程式,Erwin Schrodinger 奥地利物理学家,Schrdingers equation,即原子轨道,薛定谔方程式的解为系列解，每个解都有一定的能量E和其相对应，且每个解 都要受到三个常数n，l，m的规定。称n，l，m为量子数,主量子数 n 角量子数 l 磁量子数 m 自旋量子数 ms,1,2,3,4,二、四个量子数,1、主量子数

3、 n 取值： n =1，2，3，； 物理意义： n值的大小表示电子的能量高低。 n值越大表示电子所在的层次离核较远，电子具有的能量也越高,二、四个量子数,2、角量子数 l 取值： l = 0，1，2，n-1； 物理意义： l 表示电子云的形状。 对于l 为 0 1 2 轨道形状 球形 亚铃形 四叶花瓣形 光谱符号 s轨道 p轨道 d轨道,d电子云,l2的状态即为d态,主量子数与角量子数的关系,二、四个量子数,3、磁量子数 m,取值： m =- l，-2，-1，0，1，2， l 物理意义： m 表示电子云在空间的伸展方向 每一个m值代表一个伸展方向、电子轨道或原子轨道 磁量子数与能量无关,二、四

4、个量子数,l = 0, m = 0 m ：一种取值, 空间：一种取向, 轨道:一条 s 轨道,s 轨道,l = 1, m = +1, 0, -1) m 三种取值, 三种取向, 三条等价p 轨道,p 轨道,l = 2, m = +2, +1, 0, -1, -2 m ：五种取值 空间：五种取向 五条等价 d 轨道,d 轨道,n = 1,l = 0,n = 2,l = 0,l = 1,m = 0,m = 0,m = 1,m = -1,m = 0,1条轨道,4条轨道,3、磁量子数 m,二、四个量子数,3、磁量子数 m,n = 3,l = 0,l = 1,l = 2,m = 0,m = 1,m = -

5、1,m = 0,m = 1,m = -1,m = 0,m = 2,m = -2,9条轨道,二、四个量子数,二、四个量子数,4、自旋量子数 ms,取值,二、四个量子数,四个量子数小结,主量子数n决定原子轨道的大小（即电子层）和电子的能量,角量子数l决定原子轨道或电子云形状同时也影响电子的能量,磁量子数m决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向,自旋量子数ms决定电子的自旋状态（或自旋方向,电子的运动状态,二、四个量子数,1. 下列各组量子数哪些是不合理的？为什么？ (1)n =2, l =1, m=0 (2)n=2, l =2, m = 1(3)n =3, l =2, m =0 (4)n =3, l

6、 =1, m =1(5)n =2, l =0, m =-1(6)n =2, l =3, m =2,答：(2) 不合理 n = l 。 m=+1 或 m = -1 (5) 不合理 n =2, l =0, m =0 。(m -1) (6) 不合理 n l , n必大于 l 。 (m2,2. 在下列各组中填入合适的量子数 . (1) n =? , l = 2 , m = 2 , ms = +1/2; (2) n =2 , l = ? , m = 1 , ms = -1/2,3,1,练 习,3 多电子原子的结构,3.1 屏蔽效应与钻穿效应,1、屏蔽效应 把电子之间的排斥相当于部分抵消了核对电子的吸引作

7、用,z= z -,2、钻穿效应,外层电子可能钻到内层出现在离核较近的地方的现象. 钻穿结果降低了其它电子对它的屏蔽作用，起到了增加有效核电荷，降低轨道能量的作用。 E 4s E 3d,3. 徐光宪的能级组,规律：(n0.7l,例：E 4s4 0.70 4.0,E 3d 3 0.7 2 4.4,所以，E 4s E 3d,根据徐光宪公式计算可以明确原子能级由低到高依次为： 1s，(2s，2p)，(3s，3p)，(4s，3d，4p)，(5s，4d，5p)，(6s，4f，5d，6p,多电子原子中电子的填充规律（三条）： （1）能量最低原理 （2）泡利不相容原理 （3）洪特规则,3.2 核外电子排布原理

8、,一）最低能量原理,原则：基态原子核外电子的排布力求使整个原子处于能量最低的稳定状态,二）泡利（Pauli）不相容原理,1. 定义：在同一原子中没有运动状态完全相同的电子。即在每一个原子轨道中，最多只能容纳自旋方向相反的两个电子,2. 可推算出各电子层最多容纳的电子数为2n2个,例：写出下列元素的核外电子结构： 2He ，10 Ne， 14Si 2He 1s2 10 Ne 1s22s22p6 14Si 1s22s22p63s23p2,三) 洪特规则,1. 定义：在等价轨道中，电子尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相同,例: 写出6C的电子排布式,解： 1s22s22p2,1s,2s,2p,2.

9、作为洪特规则 的特例,p0 全空,p3 半满,p6 全满,d 0 f 0 d 5 f 7 d10 f 14,例：写出下列元素的核外电子结构： 24Cr ，29Cu 24Cr， 1s22s22p63s23p63d54s1 Ar 3d54s1 29Cu，1s22s22p63s23p63d104s1 Ar3d104s1,基态元素原子核外电子的排布方式 核外电子结构 11Na 1s2 2s2 2p6 3s1或Ne 3s1 价层电子构型 15P 3s2 3p3,轨道图式 8O 1s2 2s2 2p4 17Cl 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5,4 电子层结构与元素周期表,周期与能级组 族与电子组态

10、 元素在周期表中的分区 分类1：金属与非金属 分类2：生命元素，有毒元素等,常见元素周期表,1. 门捷列夫短式周期表（1869年）； 2. 三角形周期表； 3. 宝塔式（滴水钟式） 周期表； 4. 现在最通用的是维尔纳长式周期表,门捷列夫所制的早期元素周期表,螺旋式元素周期表,三角形周期表,印在杯子上的元素周期表,本章小结,掌握微观粒子和宏观粒子的区别 掌握四个量子数的物理意义和数学取值 掌握基态原子核外电子的排布原则 能熟练写出136号元素的元素符号和电子构型 掌握元素在周期表中周期、分族和分区 自学第五节元素基本性质的周期性 作业:P194-7,10,3. 已知四种元素的原子的外层电子结构分别为：