华南师大《无机化学》

1、第第 1 章章 原子结构和原子结构和 元素周期表元素周期表Chapter 1 Atomic Structureand Periodic Table of Elements 1.1.了解原子核外电子运动的基本特征、原子能级、波了解原子核外电子运动的基本特征、原子能级、波粒二象性、原子轨道（波函数）和电子云概念。粒二象性、原子轨道（波函数）和电子云概念。2 2. .了解四个量子数对核外电子运动状态的描述，掌了解四个量子数对核外电子运动状态的描述，掌 握四个量子数的物理意义、取值范围。握四个量子数的物理意义、取值范围。3 3. .熟悉熟悉 s s、p p、d d 原子轨道的形状和方向。原子轨道的形状

2、和方向。 4 4. .理解原子结构的近似能级图，掌握原子核外电子理解原子结构的近似能级图，掌握原子核外电子 排布的一般规则和排布的一般规则和 s s、p p、d d、f f 区元素的原子结区元素的原子结 构特点。构特点。5 5. .能从原子的电子层结构了解元素性质、原子半径、能从原子的电子层结构了解元素性质、原子半径、 电离能、电子亲合能和电负性的周期性变化。电离能、电子亲合能和电负性的周期性变化。本章教学要求本章教学要求1-1 道尔顿原子论道尔顿原子论1-2 相对原子质量相对原子质量( (原子量原子量) )1-3 原子的起源和演化原子的起源和演化1-4 原子结构的原子结构的玻尔行星玻尔行星模

3、型模型1-5 核外电子运动的量子力学模型核外电子运动的量子力学模型1-6 基态原子的核外电子排布基态原子的核外电子排布1-7 元素周期表元素周期表1-8 元素周期性元素周期性 本章教学内容本章教学内容原子结构理论的发展简史原子结构理论的发展简史 l古代希腊的原子理论古代希腊的原子理论 l道尔顿道尔顿(J. Dalton) (J. Dalton) 的原子理论的原子理论- - 1919世纪初世纪初 l卢瑟福卢瑟福(E.Rutherford)(E.Rutherford)的行星式原子的行星式原子模型模型-19-19世纪末世纪末l近代原子结构理论近代原子结构理论-氢原子光谱氢原子光谱1-1 道尔顿原子论

4、道尔顿原子论 古希腊原子论古希腊原子论 Democritus(460-370 B.C)内容内容: : 宇宙由虚空和原子构成；宇宙由虚空和原子构成； 每一种物质由一种原子构成；每一种物质由一种原子构成； 原子是物质最小的、不可再分的、永原子是物质最小的、不可再分的、永存不变的微粒。存不变的微粒。 l道尔顿道尔顿(J. Dalton) (J. Dalton) 的原子理论的原子理论 - 19 - 19世纪初世纪初 道尔顿原子论要点：道尔顿原子论要点： 每一种化学元素有一种原子；同种原每一种化学元素有一种原子；同种原子质量相同，不同种原子质量不同；原子质量相同，不同种原子质量不同；原子不可再分；一种原

5、子不会转变为另一子不可再分；一种原子不会转变为另一种原子；化学反应只是改变了原子的结种原子；化学反应只是改变了原子的结合方式，使反应前的物质变成反应后的合方式，使反应前的物质变成反应后的物质。物质。 道尔顿原子论的试验基础是对化学物道尔顿原子论的试验基础是对化学物质的定量测定。质的定量测定。18世纪中叶，一系列定量定律的发现：世纪中叶，一系列定量定律的发现：1785年年 拉瓦锡拉瓦锡质量守恒定律；质量守恒定律；1797年年 李希特李希特当量定律；当量定律；1799年年 普鲁斯特普鲁斯特定比定律；定比定律；1805年年 道尔顿道尔顿倍比定律。倍比定律。道尔顿原子论的重要贡献：道尔顿原子论的重要贡

6、献： 道尔顿提出了原子量的概念，道尔顿提出了原子量的概念，并用实验测定了一些元素的相对原子并用实验测定了一些元素的相对原子质量。质量。 道尔顿用符号来表示原子道尔顿用符号来表示原子, ,是最是最早的元素符号。图早的元素符号。图1-21-2中他给出的许多分中他给出的许多分子组成是错误的。这给人以历史的教子组成是错误的。这给人以历史的教训训要揭示科学的真理不能光凭想象，要揭示科学的真理不能光凭想象，更不能遵循道尔顿提出的所谓更不能遵循道尔顿提出的所谓“思维经思维经济原则济原则”, ,客观世界的复杂性不会因为人客观世界的复杂性不会因为人类或某个人主观意念的简单化而改变。类或某个人主观意念的简单化而改

7、变。 为贝采里乌斯原子量和元素符为贝采里乌斯原子量和元素符号奠定了坚实的基础，极大地推动了化号奠定了坚实的基础，极大地推动了化学的发展。学的发展。贝采里乌斯原子量贝采里乌斯原子量(1818(1818和和1826)1826)元元素素道尔顿原子量道尔顿原子量（1810）贝采里乌斯原子贝采里乌斯原子量（量（1818）贝采里乌斯原子贝采里乌斯原子量（量（1826）当今相对原子质当今相对原子质量（量（1997）O71616.02615.9994Cl35.4135.47035.4527F18.7318.9984032N514.18614.00674S13.032.232.23932.066P962.731

8、.43630.973761C5.412.512.2512.0107H10.9911.00794As42150.5275.32974.92160Pt100194.4194.753195.0781-2 相对相对原子质量（原子量）原子质量（原子量）1-2-1 元素、原子序数和元素符号元素、原子序数和元素符号1-2-2 核素、同位素和同位素丰度核素、同位素和同位素丰度1-2-3 原子的质量原子的质量1-2-4 元素的相对原子质量元素的相对原子质量 （原子量）（原子量）1-2-1 元素、原子序数和元素符号元素、原子序数和元素符号元素：元素： 具有一定核电荷数（等于核内质子具有一定核电荷数（等于核内质子数

9、）的原子称为一种（化学）元素。数）的原子称为一种（化学）元素。原子序数：原子序数： 按（化学）元素的核电荷数进行排按（化学）元素的核电荷数进行排序，所得序号叫做原子序数。序，所得序号叫做原子序数。元素符号：元素符号： 每一种元素有一个用拉丁字母表达的每一种元素有一个用拉丁字母表达的元素符号。在不同场合，元素符号可以元素符号。在不同场合，元素符号可以代表一种元素，或者该元素的一个原子，代表一种元素，或者该元素的一个原子，也可代表该元素的也可代表该元素的1摩尔原子。摩尔原子。1-2-2 核素、同位素和同位素丰度核素、同位素和同位素丰度核素：核素：具有一定质子数和一定中子数具有一定质子数和一定中子数

10、 的原的原 子（的总称）。子（的总称）。元素：元素：具有一定质子数的原子（的总具有一定质子数的原子（的总 称）。称）。同位素：同位素：质子数相同中子数不同的原质子数相同中子数不同的原 子（的总称）。子（的总称）。同量异位素：同量异位素：核子数相同而质子数和中核子数相同而质子数和中 子数不同的原子（的总子数不同的原子（的总 称）。称）。同中素：同中素：具有一定中子数的原子（的总具有一定中子数的原子（的总 称）。称）。稳定核素稳定核素不稳定核素不稳定核素核素核素自然界的元素自然界的元素单核素元素单核素元素多核素元素多核素元素 已知的核素超过已知的核素超过20002000种。种。 有两类核素：一类是

11、有两类核素：一类是稳定核素稳定核素，它，它们的原子核是稳定的；另一类是们的原子核是稳定的；另一类是放射放射性核素性核素，它们的原子核不稳定，会自，它们的原子核不稳定，会自发释放出某写亚原子微粒（发释放出某写亚原子微粒（、等）等）而转变为另一种核素。而转变为另一种核素。 在自然界，有的元素只有一种稳定在自然界，有的元素只有一种稳定核素（不计人造放射性同位素），称核素（不计人造放射性同位素），称为为单核素元素单核素元素，有的元素有几种稳定，有的元素有几种稳定核素（半衰期特别长的天然放射性同核素（半衰期特别长的天然放射性同位素也常称作稳定核素），称为位素也常称作稳定核素），称为多核多核素元素素元素。

12、 通常用元素符号左上下角添加数字通常用元素符号左上下角添加数字作为核素符号。核素符号左下角的数字作为核素符号。核素符号左下角的数字是该核素的原子核里的质子数，左上角是该核素的原子核里的质子数，左上角的数字称为该核素的质量数，即核内质的数字称为该核素的质量数，即核内质子数与中子数之和。如子数与中子数之和。如HO11168, 具有相同核电荷数、不同中子数的核具有相同核电荷数、不同中子数的核素属于同一种元素，在元素周期表里占素属于同一种元素，在元素周期表里占据同一个位置，互称同位素。如：据同一个位置，互称同位素。如：HHHOOO312111188178168,;, 某元素的各种天然同位素的分数某元素

13、的各种天然同位素的分数组成（原子百分比）称为同位素丰度。组成（原子百分比）称为同位素丰度。例如，氧的同位素丰度为：例如，氧的同位素丰度为：f f（16O）=99.76%，f（17O）=0.04%f,（18O）=0.20%； 某而单核素元素，如氟，同位素丰某而单核素元素，如氟，同位素丰度为：度为：f f（1919F F）=100%=100%。 有些元素的同位素丰度随取样样有些元素的同位素丰度随取样样本不同而涨落，通常所说的同位素丰本不同而涨落，通常所说的同位素丰度是指从地壳（包括岩石、水和大气）度是指从地壳（包括岩石、水和大气）为取样范围的多样本平均值。若取样为取样范围的多样本平均值。若取样范围

14、扩大，需特别注明。范围扩大，需特别注明。 1-2-3原子的质量原子的质量 以原子质量单位以原子质量单位u u为单位的某核素为单位的某核素一个原子的质量称为该核素的原子质量。一个原子的质量称为该核素的原子质量。1u1u等于核素等于核素1212C C的原子质量的的原子质量的1/121/12。有的。有的资料用资料用amuamu或或mumu作为原子质量单位的符作为原子质量单位的符号，在高分子化学中则经常把原子质量号，在高分子化学中则经常把原子质量的单位称为的单位称为“道尔顿道尔顿”（小写字首的（小写字首的daltondalton）。）。 1u等于多少等于多少?取决于对核素取决于对核素12C的的一个原子

15、的质量的测定。最近的数一个原子的质量的测定。最近的数据是：据是： 1u=1.660566（9）10-24 g 核素的质量与核素的质量与12C的原子质量的原子质量1/12之比称为核素的相对原子质量。核之比称为核素的相对原子质量。核素的相对原子质量在数值上等于核素的相对原子质量在数值上等于核素的原子质量，量纲为一。素的原子质量，量纲为一。1-2-4元素的相对原子质量（原子量）元素的相对原子质量（原子量） 元素的相对原子质量（长期以来称元素的相对原子质量（长期以来称为原子量）。根据国际原子量与同位素为原子量）。根据国际原子量与同位素丰度委员会丰度委员会19791979年的定义，年的定义，原子量原子量

16、是指是指一种元素的一种元素的1 1摩尔质量对核素摩尔质量对核素1212C C的的1 1摩尔摩尔质量的质量的1/121/12的比值。这个定义表明：的比值。这个定义表明：元素的相对原子质量（原子量）是纯元素的相对原子质量（原子量）是纯数。数。 单核素元素的相对原子质量（原单核素元素的相对原子质量（原子量）等于该元素的核素的相对原子子量）等于该元素的核素的相对原子质量。质量。 多核素元素的相对原子质量（原多核素元素的相对原子质量（原子量）等于该元素的天然同位素相对子量）等于该元素的天然同位素相对原子质量的原子质量的加权平均值加权平均值。加权平均值加权平均值 加权平均值就是几个数值分别乘加权平均值就是

17、几个数值分别乘上一个权值再加和起来。对于元素的上一个权值再加和起来。对于元素的相对原子质量（原子量），这个权值相对原子质量（原子量），这个权值就是同位素丰度。就是同位素丰度。加权平均值加权平均值用用Ar代表多核素元素的相对原子质代表多核素元素的相对原子质量，则：量，则： Ar=fiMr,i 式中：式中： fi 同位素丰度；同位素丰度； Mr,i同位素相对原子质量同位素相对原子质量l 国际原子量和同位素丰度委员会每国际原子量和同位素丰度委员会每两年公布一次最新的原子量。两年公布一次最新的原子量。l 我国化学家，中国科学院院士张青我国化学家，中国科学院院士张青莲先生是测定原子量的专家。至今，莲先生

18、是测定原子量的专家。至今，IUPAC的国际原子量委员会先后采纳的国际原子量委员会先后采纳了了7个由张青莲先生的研究组提供的相个由张青莲先生的研究组提供的相对原子质量数据。对原子质量数据。1-3 原子的起源和演化原子的起源和演化l1 宇宙之初宇宙之初l2 氢燃烧、氦燃烧、碳燃烧氢燃烧、氦燃烧、碳燃烧l3 过程、过程、e过程过程l4 重元素的诞生重元素的诞生l5 宇宙大爆炸理论的是非宇宙大爆炸理论的是非1-4 原子结构的波尔行星模型原子结构的波尔行星模型1-4-1 氢原子光谱氢原子光谱1-4-2 玻尔理论玻尔理论1-4-1 氢原子光谱氢原子光谱 “光谱光谱” (spectrum)一词是牛顿根一词是

19、牛顿根据太阳光通过三棱镜后得到红、橙、黄、据太阳光通过三棱镜后得到红、橙、黄、绿、青、蓝、紫而提出的。绿、青、蓝、紫而提出的。自然界的自然界的连续光谱连续光谱实验室的实验室的连续光谱连续光谱红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 到到1859年，德国海德堡大学的年，德国海德堡大学的基尔基尔霍夫霍夫和和本生本生发发明了光谱仪，奠定了光谱明了光谱仪，奠定了光谱学的基础。学的基础。 光谱仪可以测量物质发射或吸收的光谱仪可以测量物质发射或吸收的光的波长，拍摄各种光谱图。光谱图就光的波长，拍摄各种光谱图。光谱图就像像“指纹指纹”辨人一样，可以辨别形成光辨人一样，可以辨别形成光谱的元素。谱的元素。HHeLiNaBaH

20、gNe 然而，直到本世纪初，人们只知道物质在高然而，直到本世纪初，人们只知道物质在高温或电激励下会发光，却不知道发光机理；人温或电激励下会发光，却不知道发光机理；人们知道每种元素有特定的光谱，却不知道为什们知道每种元素有特定的光谱，却不知道为什么不同元素有不同光谱。么不同元素有不同光谱。氢原子光谱氢原子光谱 氢光谱在可见范围内有四根比较明显氢光谱在可见范围内有四根比较明显的谱线：一条红、一条青、一条蓝、一的谱线：一条红、一条青、一条蓝、一条紫，通常用条紫，通常用H 、H、H 、H来表来表示，它们的波长依次为示，它们的波长依次为656.2、486.1、434.0、410.2nm 。氢原子光谱的特

21、征氢原子光谱的特征： 不连续光谱，即线状光谱；不连续光谱，即线状光谱； 从从Ha-H频率有明显的规律性。频率有明显的规律性。 1883年年J.J.Balmer发现谱线的频率发现谱线的频率服从如下服从如下 经验公式：经验公式：3646 00422.nn后来，里德堡后来，里德堡(J.R.Rydberg 1854-1919)把巴尔麦的经验方程改写成如下的形式：把巴尔麦的经验方程改写成如下的形式：)121(122nRH巴尔麦经验公式 RH为里德为里德堡堡常量常量, 实验确定为实验确定为1.096 77107 m-1 。The allowed values for n in above equation

22、Namen1n2Lyman seriesBalmer seriesPaschen seriesBrackett seriesPfund series123452,3,4,3,4,5,4,5,6,5,6,7,6,7,8,对于氢原子的可见区的四条谱线：对于氢原子的可见区的四条谱线：ln = 3 红红 （H）ln = 4 青青 （H ）ln = 5 蓝紫蓝紫 （ H ）ln = 6 紫紫 （H ）爱因斯坦的光子学说爱因斯坦的光子学说普朗克的量子化学普朗克的量子化学氢原子的光谱实验氢原子的光谱实验卢瑟福的有核模型卢瑟福的有核模型1913年，年，28岁的岁的Bohr在在的基础上，建立了的基础上，建立了B

23、ohr理论理论1-4-2 玻尔理论玻尔理论Bohr 理论理论的主要内容的主要内容1、行星模型、行星模型 假定氢原子核外电子是处在一定的假定氢原子核外电子是处在一定的线性轨道上绕核运行的，正如太阳系线性轨道上绕核运行的，正如太阳系的行星绕太阳运行一样。的行星绕太阳运行一样。 这是一种这是一种“类比类比”的科学思维方的科学思维方法。因此，玻尔的氢原子模型形象地法。因此，玻尔的氢原子模型形象地称为称为行星模型行星模型。2、定态假设、定态假设假定氢原子的核外电子在轨道上运假定氢原子的核外电子在轨道上运行时具有一定的、不变的能量，不会释行时具有一定的、不变的能量，不会释放能量，这种状态被称为放能量，这种

24、状态被称为定态定态。能量最低的定态能量最低的定态叫做叫做基态基态；能量高；能量高于基态的定态叫做于基态的定态叫做激发态激发态。据经典力学，电子在原子核的正电场据经典力学，电子在原子核的正电场里运行，应不断地释放能量，最后掉入里运行，应不断地释放能量，最后掉入原子核。如果这样，原子就会毁灭，客原子核。如果这样，原子就会毁灭，客观世界就不复存在。观世界就不复存在。因此，定态假设为解释原子能够稳因此，定态假设为解释原子能够稳定存在所必需。定存在所必需。玻尔从核外电子的能量玻尔从核外电子的能量的角度提出的定态、基态、激发态的概的角度提出的定态、基态、激发态的概念至今仍然是说明核外电子运动状态的念至今仍

25、然是说明核外电子运动状态的基础。基础。3、量子化条件、量子化条件 玻尔假定，氢原子核外电子的轨道玻尔假定，氢原子核外电子的轨道不是连续的，而是分立的，在轨道上运不是连续的，而是分立的，在轨道上运行的电子具有一定的角动量（行的电子具有一定的角动量（L=mvr，其中其中m电子质量电子质量，v电子线速度电子线速度，r电子电子线性轨道的半径），只能按下式取值：线性轨道的半径），只能按下式取值：L nhn212345, , , , , n叫做量子数叫做量子数(quantum number), 取取1,2,3,等正整数。轨道角动量的量子化等正整数。轨道角动量的量子化意味着轨道半径受量子化条件的制约意味着轨

26、道半径受量子化条件的制约, 图图中示出的这些固定轨道中示出的这些固定轨道, 从距核最近的一从距核最近的一条轨道算起条轨道算起, n值分别等于值分别等于1,2,3,4,5,6,7。根据假定条件算得根据假定条件算得 n = 1 时允许轨道的半时允许轨道的半径为径为 53 pm, 这就是著名的玻尔半径。这就是著名的玻尔半径。4、跃迁规则、跃迁规则电子吸收光子就会跃迁到能量较高电子吸收光子就会跃迁到能量较高的激发态，反过来，激发态的电子会的激发态，反过来，激发态的电子会放出光子，返回基态或能量较低的激放出光子，返回基态或能量较低的激发态；光子的能量为跃迁前后两个能发态；光子的能量为跃迁前后两个能级的能

27、量之差，这就是级的能量之差，这就是跃迁规则跃迁规则。 可以用下式来计算任一能级的能量可以用下式来计算任一能级的能量及从一个能级跃迁到另一个能级时放出及从一个能级跃迁到另一个能级时放出光子的能量：光子的能量：J101792218n.E22211811101792nn.El解释了解释了 H 及及 He+、Li2+、B3+ 的原子光的原子光谱；谱；l对其他发光现象（如光的形成）也对其他发光现象（如光的形成）也能解释；能解释；l说明了原子的稳定性；说明了原子的稳定性；l计算氢原子的电离能。计算氢原子的电离能。玻尔理论的成功之处：玻尔理论的成功之处：玻尔理论的不足之处：玻尔理论的不足之处：l不能解释氢原

28、子光谱的精细结构；不能解释氢原子光谱的精细结构；l不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂；不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂；l不能解释多电子原子的光谱。不能解释多电子原子的光谱。1-5 氢原子结构（核外电子运氢原子结构（核外电子运 动）的量子力学模型动）的量子力学模型1-5-1 波粒二象性波粒二象性 1-5-2 德布罗意关系式德布罗意关系式1-5-3 海森堡不确定原理海森堡不确定原理1-5-4 氢原子的量子力学模型氢原子的量子力学模型1-5-1 波粒二象性波粒二象性 l波的微粒性波的微粒性Plank 的的 量子论量子论Einstein 的光子学说的光子学说电子微粒性的实验电子微粒性的实验光子的动量：

29、光子的动量：hmcP 动量是粒子的特性，波长是波的特动量是粒子的特性，波长是波的特性，因而上式就是性，因而上式就是光的波粒二象性光的波粒二象性的数的数学表达式，这表明，光既是连续的波又学表达式，这表明，光既是连续的波又是不连续的粒子流。是不连续的粒子流。1-5-2 德布罗意关系式德布罗意关系式 1927年年,年轻的法国博士生德布罗年轻的法国博士生德布罗意（意（de Broglie 1892-1987）在他的博）在他的博士论文中大胆地假定：士论文中大胆地假定：所有的实物粒所有的实物粒子都具有跟光一样的波粒二象性子都具有跟光一样的波粒二象性，引，引起科学界的轰动。起科学界的轰动。 这就是说，表明光

30、的波粒二象性这就是说，表明光的波粒二象性的关系式的关系式不仅是光的特性，而且是所不仅是光的特性，而且是所有像电子、质子、中子、原子等有像电子、质子、中子、原子等实物实物粒子的特性。这就赋予这个关系式以粒子的特性。这就赋予这个关系式以新的内涵，后来称为新的内涵，后来称为德布罗意关系式：德布罗意关系式： =h/P=h/mv 1927年，年，Davissson和和Germer应用应用Ni晶体进行电子衍射实验，证晶体进行电子衍射实验，证实电子具有波动性。实电子具有波动性。1-5-3 海森堡不确定原理海森堡不确定原理 微观粒子不同于宏观物体，它们的微观粒子不同于宏观物体，它们的运动无轨迹可言，即在一确定

31、的时间运动无轨迹可言，即在一确定的时间没有一确定的位置。没有一确定的位置。 对于一个物体的动量对于一个物体的动量(mv)的测量的的测量的偏差偏差( mv)和对该物体的位置和对该物体的位置(x)的测量的测量偏差偏差( x)的乘积处于普朗克常数的数量的乘积处于普朗克常数的数量级。即：级。即：x p h/(4)海森堡不确定原理：海森堡不确定原理： 对于一个物体的动量对于一个物体的动量(mv)的测量的测量的偏差的偏差( mv)和对该物体的位置和对该物体的位置(x)的测的测量偏差量偏差( x)的乘积处于普朗克常数的数的乘积处于普朗克常数的数量级。即：量级。即： x p h/(4)例：氢原子核外电子的玻尔

32、半径是例：氢原子核外电子的玻尔半径是52.9pm;它的运动速度为它的运动速度为2.18107m/s,相当于光速相当于光速(3108m/s)的的7。已知电。已知电子的质量为子的质量为9.110-31kg，假设我们对，假设我们对电子速度的测量准确量电子速度的测量准确量 v=104m/s时，时，即：即：( mv)=9.110-31104kgm/s =9.110-27kgm/s这样这样,电子的运动坐标的测量偏差就会电子的运动坐标的测量偏差就会大到大到: x=5.27310-35kgm2s-1/9.110-27kgm/s =579510-12m= 5795 pm这就是说，这个电子在相当于玻尔半这就是说，

33、这个电子在相当于玻尔半径的约径的约110倍倍(5795/52.9)的内外空间里都的内外空间里都可以找到。可以找到。 具有波粒二象性的电子，已不再遵具有波粒二象性的电子，已不再遵守经典力学规律，它们的运动没有确定守经典力学规律，它们的运动没有确定的轨道，只有一定的空间几率分布，即的轨道，只有一定的空间几率分布，即电子的波动性与其微粒行为的统计性规电子的波动性与其微粒行为的统计性规律相联系。因此律相联系。因此, 实物的微粒波是实物的微粒波是概率概率波波, 性质上不同于光波的一种波。波动性质上不同于光波的一种波。波动力学的轨道概念与电子在核外空间出现力学的轨道概念与电子在核外空间出现机会最多的区域相

34、联系。机会最多的区域相联系。1-5-4 氢原子的量子力学模型氢原子的量子力学模型 量子力学量子力学( 波动力学波动力学)模型是迄今模型是迄今最成功的原子结构模型最成功的原子结构模型, 它是它是1920年以年以海森堡海森堡(W .Heisenberg 1901-1976)和薛和薛定谔定谔（E.Schrdinger 1887-1961）为代为代表的科学家们通过数学方法处理原子表的科学家们通过数学方法处理原子中电子的波动性而建立起来的。中电子的波动性而建立起来的。 该模型不但能够预言氢的发射光谱该模型不但能够预言氢的发射光谱(包括玻尔模型无法解释的谱线包括玻尔模型无法解释的谱线), 而且而且也适用于

35、多电子原子也适用于多电子原子, 从而更合理地说从而更合理地说明核外电子的排布方式。明核外电子的排布方式。VEhmzyx222222228Schrdinger方程方程：空间直角坐标zyx,常数：Planckh：势能V：能量E波函数： ：质量m1. 波函数和四个量子数波函数和四个量子数 方程中既包含体现微粒性的物理量方程中既包含体现微粒性的物理量 m , ,也包含体现波动性的物理量也包含体现波动性的物理量 ； 求解薛定谔方程求解薛定谔方程, , 就是求得波函数和就是求得波函数和 能量能量E E； 解得的解得的 不是具体的数值，而是包括不是具体的数值，而是包括 三个常数三个常数(n, l, m)和三

36、个变量和三个变量 (r,)的函数式的函数式n,l,m (r,) ； 数学上可以解得许多个数学上可以解得许多个 n, l, m (r,)， 但其物理意义并非都合理；但其物理意义并非都合理； 为了得到合理解为了得到合理解, , 三个常数项只能按一三个常数项只能按一 定规则取值，这样就得到定规则取值，这样就得到n, l, m三个量三个量 子数。子数。 有合理解的函数式叫做波函数有合理解的函数式叫做波函数(Wave functions)，它们以它们以n, l, m 的合的合理取值为前提。理取值为前提。波函数波函数 = 薛定谔方程的合理解薛定谔方程的合理解 = 原子轨道原子轨道 四个量子数四个量子数 主

37、量子数主量子数 n )1,.(2, 1 ,0nl 磁量子数磁量子数 m 自旋量子数自旋量子数 ms,21smllm.,0,.21sm 角量子数角量子数n=1, 2, 3,（1）主量子数）主量子数 n 与电子能量有关。与电子能量有关。 n越大，电子运动越大，电子运动 离核的平均距离越远，能量越高；离核的平均距离越远，能量越高； 确定电子出现几率最大处离核的距离；确定电子出现几率最大处离核的距离；对于氢原子，电子能量唯一决定于对于氢原子，电子能量唯一决定于n：J10179. 2218nE取值：，取值：， 正整数。正整数。不同的不同的n值，对应于不同的电子层：值，对应于不同的电子层：n： 1 2 3

38、 4 5 电子层符号：电子层符号： K L M N O 取值：取值： ， ， n-1表示电子云的形状，即原子轨道的形表示电子云的形状，即原子轨道的形状。状。l 值：值： 轨道符号：轨道符号： s p d f 轨道形状：球形轨道形状：球形 亚铃形亚铃形 花瓣型花瓣型（2）角量子数）角量子数l ：l 也表示电子所在的亚层。也表示电子所在的亚层。在多电子原子中在多电子原子中l与与n共同决定电子共同决定电子运动的能量。运动的能量。nl10(1s)20(2s)1(2p)30(3s)1(3p)2(3d)40(4s)1(4p)2(4d)3(4f)（3）磁量子数）磁量子数m： 取值：取值： -l0+l表示电子

39、云即原子轨道在空间的表示电子云即原子轨道在空间的不同伸展方向。不同伸展方向。例：例：l =p轨道轨道m：-，0，+表示表示p轨道在空间有三个伸展方轨道在空间有三个伸展方向：向：px、py、pz l=2 d轨道轨道 m：-2 ，-1， 0， +1，+2 表示表示d轨道在空间有个伸展方向：轨道在空间有个伸展方向：dxy、dxz、dyz、dx2-y2、dz2n 和和l相同相同的轨道的轨道能量相同，这些轨道能量相同，这些轨道称为称为简并轨道或等价轨道简并轨道或等价轨道。 p轨道有轨道有3个个简并轨道。简并轨道。 d轨道有轨道有个个简并轨道。简并轨道。思考题：思考题： 当当n为为3时时, l ,m 分别

40、可以取何值？分别可以取何值？轨道的名称怎样轨道的名称怎样?n=3 l =0l =1l =2m=0m=-1,0,+1 m=-2,-1,0,+1,+2s 轨道轨道p 轨道轨道d 轨道轨道（4 4）自旋量子数）自旋量子数ms：ms=1/2 表示电子运动的自旋方向。自旋只有表示电子运动的自旋方向。自旋只有两个方向：顺时针、逆时针。即同一轨两个方向：顺时针、逆时针。即同一轨道只能容纳两个自旋相反的电子。道只能容纳两个自旋相反的电子。自旋向上自旋向上：12自旋向下：自旋向下：12自旋量子数自旋量子数 ms的实验测定：的实验测定：2. 核外电子的可能运动状态核外电子的可能运动状态核外电子运动核外电子运动轨道

41、运动轨道运动自旋运动自旋运动n lm ms与一套量子数相对应（自然也有与一套量子数相对应（自然也有1个能量个能量Ei)能层能层能级能级轨道数轨道数可能空间可能空间运动状态运动状态可能运动可能运动状态数状态数第一能层第一能层（K）1s112第二能层第二能层（L）2s、2p1+3=41+3=42+6=8第三能层第三能层（M）3s、3p、3d1+3+5=91+3+5=92+6+10=18第四能层第四能层（N）4s、4p、4d、4f1+3+5+7=161+3+5+7=162+6+10+14=32第五能层第五能层（O）5s、5p 1+3+=25 1+3+=25 2+6+=50第第n能层能层1+3+=n2

42、1+3+=n22n2思考题：思考题： 第二层中的第二层中的8个电子你可以分别用四个电子你可以分别用四个量子数表示它们的运动状态吗？个量子数表示它们的运动状态吗？电子编号电子编号nlmms1200+ + 2200- - 321-1+ + 421-1- - 5210+ + 6210- - 721+1+ + 821+1- - 思考题：思考题： 1. 对对3s电子来说电子来说,下列表示法中正下列表示法中正确的一组量子数是确的一组量子数是( )?A (3,0,0,+1/2) B (3,0,1,+ 1/2)C (3,1,1,+1/2) D (3,1,0,+1/2)A 2. 下列电子的量子数合理的是下列电子

43、的量子数合理的是( )? A (4,3,0, +1/2) B (4,3,4+1/2) C (4,2,3, +1/2) D (4,1,4, +1/2)A 3. 波函数的角度分布图波函数的角度分布图直角坐标直角坐标( x,y,z)与球坐标与球坐标(r,)的转换的转换 222zyxrcosrz qsinsinry qcossinrxqq, , rzyx q,YrR变量分离变量分离坐标变换坐标变换将将Schrdinger方程变量分离：方程变量分离：R n, l (r) n, l, m ( r, , q q, , f f ) =Y l,m ( q q, , f f )径向波函数径向波函数角度波函数角度波

44、函数+xyzzx+zx_y+_spxpypz+_xzy+_xz+y+_z+ydxydxzdyzddxy22-z2波函数角度分布图波函数角度分布图 波函数的角度部分图波函数的角度部分图Yl,m(q,fq,f 与主量子数与主量子数无关，如：无关，如：1s,2s,3s其角度分布图都是完全其角度分布图都是完全相同的球面。相同的球面。 Yl,m(q,fq,f)的球极坐标图是从原点引出方向的球极坐标图是从原点引出方向为为(q,fq,f)的直线，长度取的直线，长度取Y的绝对值，所有这的绝对值，所有这些直线的端点联系起来的空间构成一曲面，些直线的端点联系起来的空间构成一曲面，曲面内根据曲面内根据Y的正负标记正

45、号或负号。并称的正负标记正号或负号。并称它为原子轨道的它为原子轨道的角度部分图角度部分图。R(r)波函数波函数径向分布图径向分布图 ： ( (以以氢原子的氢原子的1 1s s, 2, 2s s, 3, 3s s 轨道轨道为例为例) ) 取不同的取不同的r值值, 代入波函数式中进行代入波函数式中进行计算计算, 以计算结果对以计算结果对r作图。例如作图。例如, 氢原氢原子子1s轨道的轨道的 R(r) = 2e-r 曲线怎样绘得曲线怎样绘得 ? ?曲线含义曲线含义: :离核越近离核越近, , 这些这些 s 轨道的轨道的R值越大。值越大。4. 电子云电子云 2 (r,) = R 2 (r) Y 2 (

46、,) 2可以反映电子在空间某位置上单可以反映电子在空间某位置上单位体积内出现的概率大小，即位体积内出现的概率大小，即概率密度概率密度。 以黑点的疏密表示概率密度分布的以黑点的疏密表示概率密度分布的图形叫做电子云。图形叫做电子云。综合了角度部分和径向部分综合了角度部分和径向部分1s轨道2s轨道2px轨道电子云图：电子云图：xyzzxzxyspxpypzxzyxzyzydxydxzdyzddxy22-z2_电子云角度分布图电子云角度分布图3s3d3p2s2p1s氢原子核外电子的氢原子核外电子的D函数图象函数图象D=4 r2R：离核离核r “无限薄球壳无限薄球壳”里电里电子出现的几率。子出现的几率。

47、1-6 基态原子电子组态基态原子电子组态 （电子排布）（电子排布）1-6-1 构造原理构造原理1-6-2 基态原子电子组态（电子排布基态原子电子组态（电子排布）1-6-1 构造原理构造原理1. 多电子原子的能级多电子原子的能级 根据光谱实验结果有一下三条规律：根据光谱实验结果有一下三条规律：（1）n 值相同时值相同时，角量子数，角量子数 l 越大，越大，轨轨 道能级道能级越高。越高。 例例：E(ns) E(np) E(nd) E(nf )（2）l 值相同时值相同时，主量子数，主量子数 n 越大，越大，轨轨 道能级道能级越高。越高。 例例： E(1s) E(2s) E(3s) E(4s )（3）

48、n和和 l 都不同时有时出现能级交错。都不同时有时出现能级交错。 能级交错现象出现于第四能级组开始能级交错现象出现于第四能级组开始的各能级组中。的各能级组中。 例：例： E(4s) E(3d) E(5s) E(4d) E(6s) E(4f ) E(5d)Pauling近似能级图近似能级图2. 构造原理（电子填充三原则）构造原理（电子填充三原则）（1）能量最低原理）能量最低原理 基态原子是处于最低能量状态的原基态原子是处于最低能量状态的原子。子。 电子在核外排布时，应尽先分布在电子在核外排布时，应尽先分布在低能级轨道上低能级轨道上, 使整个原子系统能量最使整个原子系统能量最 低。低。（2）Pau

49、li不相容原理不相容原理 基态多电子原子中不可能同时存在基态多电子原子中不可能同时存在4个量子数完全相同的电子。个量子数完全相同的电子。 或，在一个轨道里最多只能容纳或，在一个轨道里最多只能容纳2个电子，它们的自旋方向相反。个电子，它们的自旋方向相反。（3）Hund 规则规则 在在 n 和和 l 相同的轨道上分布的电子，相同的轨道上分布的电子，将尽可能分占将尽可能分占 m 值不同的轨道，且自值不同的轨道，且自旋平行。旋平行。即：即：基态多电子原子的电子基态多电子原子的电子在等价（简在等价（简并）轨道上排布时，则尽量以自旋相并）轨道上排布时，则尽量以自旋相同（平行）分占等价轨道。同（平行）分占等

50、价轨道。 例：例： C原子，共有个电子，可能的排原子，共有个电子，可能的排布为：布为：C：1s2 2s2 2p2 X XX XN：1s2 2s2 2p3 1s 2s 2p构造原理构造原理 随核电荷数递增，大多数元素的随核电荷数递增，大多数元素的电中性基态原子的电子按如下顺序填电中性基态原子的电子按如下顺序填入核外电子运动轨道，叫做入核外电子运动轨道，叫做构造原理。构造原理。1 1s s2 2s s2 2p p3 3s s3 3p p3 3d d4 4s s4 4p p4 4d d4 4f f5 5s s5 5p p5 5d d5 5f f5 5g g6 6s s6 6p p6 6d d7 7s

51、 s构造原理(Pauling近似能近似能级图顺序级图顺序)随核电荷数递增，电子每一次从填入随核电荷数递增，电子每一次从填入ns能能级开始到填满级开始到填满np能级，建立一个周期，于是能级，建立一个周期，于是有：有： 周期周期: ns开始开始np结束结束 同周期元素的数目同周期元素的数目 第一周期：第一周期：1s2 第二周期：第二周期：2s，2p8 第三周期：第三周期：3s，3p8 第四周期：第四周期：4s，3d，4p 18 第五周期：第五周期：5s，4d，5p 18 第六周期：第六周期：6s，4f，5d，6p 32 第七周期：第七周期：7s，5f，5d，. ? 1-6-2 基态原子电子组态（电

52、子排布）基态原子电子组态（电子排布） 原子的电子组态原子的电子组态(又称电子构型又称电子构型)是是一种标示形式，这种形式能反映出该一种标示形式，这种形式能反映出该原子中所有电子占据的亚层轨道。原子中所有电子占据的亚层轨道。例：例：氩原子氩原子( (Z=18)Z=18)的基态电子组态标示为：的基态电子组态标示为： Ar 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6表：基态电中性原子的电子组态表：基态电中性原子的电子组态1 氢氢H 1s12 氦氦He 1s23 锂锂Li He 2s14 铍铍Be He 2s25 硼硼B He 2s22p16 碳碳C He 2s22p27 氮氮N He 2s22p38 氧

53、氧O He 2s22p49 氟氟F He 2s22p510氖氖Ne 1s2 2s22p611钠钠Na Ne 3s112镁镁Mg Ne 3s213铝铝Al Ne 3s23p114硅硅Si Ne 3s23p2 15磷磷P Ne 3s23p3 16硫硫S Ne 3s23p4 17氯氯Cl Ne 3s23p5 18氩氩Ar 1s22s22p63s23p6 19钾钾K Ar 4s120钙钙Ca Ar 4s221钪钪Sc Ar 3d14s222钛钛Ti Ar 3d24s223钒钒V Ar 3d34s224铬铬Cr* Ar 3d54s125锰锰Mn Ar 3d54s226铁铁Fe Ar 3d64s227钴钴

54、Co Ar 3d74s228镍镍Ni Ar 3d84s2不不符符合合构构造造原原理理 价层电子价层电子 价电子层价电子层 “电子仁电子仁”或或“电子实电子实” 周期系中有约周期系中有约20个元素的基态电中个元素的基态电中性原子的电子组态不符合构造原理。性原子的电子组态不符合构造原理。 元素元素 按构造原理的组态按构造原理的组态 实测组态实测组态(24Cr) 1s22s22p63s23p63d44s2 1s22s22p63s23p63d54s1(29Cu) 1s22s22p63s23p63d94s2 1s22s22p63s23p63d104s1半满全满规则：半满全满规则： 当轨道处于全满、半满时

55、，原子当轨道处于全满、半满时，原子轨轨道能量低，体系道能量低，体系较稳定。较稳定。(42Mo) 1s22s22p63s23p63d104s24p64d45s2 1s22s22p63s23p63d104s24p64d55s1 (47Ag) 1s22s22p63s23p63d104s24p64d95s2 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1 (79Au) 1s24s24p64d104f145s25p65d96s2 1s24s24p64d104f145s25p65d106s1 例：例：26号号Fe的电子排布为：的电子排布为：1s22s22p63s23p64s23d6 主量

56、子数整理：主量子数整理：1s22s22p63s23p63d64s2 特别注意填充时和填充后最外层和特别注意填充时和填充后最外层和次外层的能级顺序次外层的能级顺序P44-45表表1-4：基态电组态中性原子的电子基态电组态中性原子的电子1-7 元素周期系元素周期系1-7-1 元素周期律元素周期律1-7-2 元素周期表元素周期表 1-7-1 元素周期律元素周期律元素周期律元素周期律 ： 随核内质子数递增，核外电子呈随核内质子数递增，核外电子呈现周期性排布，元素性质呈现周期性现周期性排布，元素性质呈现周期性递变。递变。1-7-2 元素周期表元素周期表 元素周期表：元素周期表： 自从自从1869年门捷列

57、夫给出第一张元年门捷列夫给出第一张元素周期表的素周期表的100多年以来，至少已经现多年以来，至少已经现700多种不同形式的周期表。人们制周多种不同形式的周期表。人们制周期表的目的是为研究周期性的方便。研期表的目的是为研究周期性的方便。研究对象不同，周期表的形式就会不同。究对象不同，周期表的形式就会不同。维尔纳长式周期表维尔纳长式周期表: : 是由诺贝尔奖得主是由诺贝尔奖得主维尔纳维尔纳（Alfred Werner 1866-1919）首先倡首先倡导的，长式周期表是目前最通用的元导的，长式周期表是目前最通用的元素周期表素周期表。维尔纳长式周期表维尔纳长式周期表1141161181234567钅钅

58、钅 钅喜 波 黑 麦卢 钅 杜钅镧系锕系钫 镭铌 钽银金镉汞铟铊锡铅锑铋碲钋 砹 氡氙 碘镧 铈 镨 钕 钷 钐 铕 钆 铽 镝 钬 铒 铥 镱 镥锕 钍 镤 铀 镎 钚 镅 锔锫 锎 锿 镄锘 铹 钔铷铯锶钡钇 锆铪钼钨锝铼 钌 铑 钯锇 铱 铂氢锂氦铍硼 碳 氮 氧 氟 氖钠 镁铝 硅 磷 硫 氯 氩钾 钙 钪 钛 钒 铬 锰 铁 钴 镍 铜 锌 镓 锗 砷 硒 溴 氪AcThPa UNpPuAmCmBk Cf EsFmMdNoLr Zr NbMo Tc RuRhPdAgCdInSnSbTeI Xe Hf TaW Re OsIrPt AuHgTl PbBiPoAtRnIBIAIIAIIIA

59、 IVAVAVIA VIIAVIIIIIBIIIB IVB VBVIB VIIBRf DbSgBhHsMtUun Uuu UubAc-LrLaCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTm YbLuHHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPClSArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbCsFrSrBaRaYLaLu-123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646

60、5666768697071727374757677787980818283848586878889909192939495969798991001011021031041051061071081091101111125789103-71周期：周期： 维尔纳长式周期表分维尔纳长式周期表分主表和副表主表和副表。主表中的主表中的15行分别是完整的第行分别是完整的第1，2，3，4，5周期，但是，第周期，但是，第6、7行不是完行不是完整的第整的第6、7周期，其中的镧系元素和周期，其中的镧系元素和锕系元素被分离出来，形成主表下方锕系元素被分离出来，形成主表下方的副表。的副表。 族：族： 周期表中的元素每一