基础化学专业知识讲座市公开课获奖课件

1、第十一章 原子结构 Rutherford “太阳-行星模型 ”要点： 1. 所有原子都有一个核即原子核(nucleus)； 2. 核体积只占整个原子体积极小一部分； 3. 原子正电荷和绝大部分质量集中在核上； 4. 电子像行星绕着太阳那样绕核运动。11.1原子玻尔模型一、典型物理学不足 在对粒子散射试验结果解释上, 新模型成功是显而易见, 至少要点中前三点是如此。第1页第1页 依据当初物理学概念, 带电微粒在力场中运动时总要产生电磁辐射并逐步失去能量, 运动着电子轨道会越来越小, 最后将与原子核相撞并造成原子毁灭。由于原子毁灭事实从未发生, 将典型物理学概念推到前所未有尴尬境地。 会不会？！1

2、. Plank 公式19, 普朗克 (Plank M) 提出著名普朗克方程：E = hv式中h叫普朗克常量(Planck constant), 其值为6.62610-34 Js。 普朗克认为, 物体只能按hv整数倍(比如1hv, 2hv, 3hv等)一份一份地吸取或释出光能, 而不也许是0.5 hv, 1.6 hv, 2.3 hv等任何非整数倍。即所谓能量量子化概念。 普朗克提出了当初物理学界一个全新概念, 但它只涉及光作用于物体时能量传递过程(即吸取或释出)。第2页第2页 爱因斯坦认为, 入射光本身能量也按普朗克方程量子化, 并将这一份份数值为1hv能量叫光子(photons), 一束光线就

3、是一束光子流. 频率一定光子其能量都相同, 光强弱只表明光子多少, 而与每个光子能量无关。 爱因斯坦对光电效应成功解释最后使光微粒性为人们所接受。2.光电效应 19, 爱因斯坦(Einstein A)成功地将能量量子化概念扩展到光本身,解释了光电效应(photoelectric effect) 。3.原子光谱 第3页第3页二、氢原子玻尔模型爱因斯坦光子学说 普朗克量子化学说 氢原子光谱试验 卢瑟福有核模型Bohr在基础上，建立了Bohr理论1.玻尔原子模型建立2.玻尔理论 玻尔模型认为, 电子只能在若干圆形固定轨道上绕核运动。它们是符合一定条件轨道：电子轨道角动量L只能等于h/(2)整数倍：

4、从距核最近一条轨道算起, n值分别等于1, 2, 3, 4, 5, 6, 7。依据假定条件算得 n = 1 时允许轨道半径为 53 pm, 这就是著名玻尔半径。（1）关于固定轨道概念p2hnmvrL=第4页第4页 原子只能处于上述条件所限定几种能态。定态： 所有这些允许能态之统称。电子只能在有拟定半径和能量定态轨道上运动, 且不辐射能量。基态： n 值为 1 定态。通常电子保持在能量最低这一基态。基态是能量最低即最稳定状态。 指除基态以外其余定态. 各激发态能量随 n 值增大而增高。电子只有从外部吸取足够能量时才干到达激发态。激发态:（2）关于轨道能量量子化概念（3）关于能量吸取和发射 玻尔模

5、型认为, 只有当电子从较高能态(E2)向较低能态(E1)跃迁时, 原子才干以光子形式放出能量, 光子能量大小决定于跃迁所涉及两条轨道间能量差：E = E2 E1 = h 第5页第5页 E: 轨道能量：光频率 h: Planck常量hEEEEh1212-=-=nn3.玻尔理论成功之处 计算氢原子电离能 解释了 H 及 He+、Li2+、B3+ 原子光谱波型 H H H H计算值 /nm 656.2 486.1 434.0 410.1试验值 /nm 656.3 486.1 434.1 410.2 阐明了原子稳定性 对其它发光现象（如射线形成）也能解释第6页第6页4.玻尔理论不足之处 不能解释氢原子

6、光谱在磁场中分裂 不能解释氢原子光谱精细结构 不能解释多电子原子光谱Why？11.2. 原子量子力学模型一、微观粒子波粒二象性1.光波粒二象性电磁波是通过空间传播能量。可见光只但是是电磁波一个 。 光干涉、衍射等现象阐明光有波动性；光电效应、原子光谱阐明光含有粒子性。光含有这两重性质，称为光波粒二象性。第7页第7页2.物质波德布罗依假设：电子等实物粒子也含有波动性，这种波称为德布罗依波或物质波。【例11-1】分别计算一个质量为0.025公斤，运动速度为300米/秒子弹和一个质量为9.110-31公斤，运动速度为1.5106米/秒电子波长。 子弹波长： 解：电子波长： 可见宏观物体波长极短以致无

7、法测量，因此宏观物体波长就难以觉察，主要表现为粒性，服从典型力学运动规律。只有像电子、原子等质量极小微粒才含有与X射线数量级相近波长,才符合德布罗依公式。第8页第8页二、微观粒子测不准关系海森堡不拟定原理 ：不也许同时测得电子准确位置和准确动量 主要暗示不也许存在 Rutherford 和 Bohr 模型中行星绕太阳那样电子轨道。 含有波粒二象性电子,不再遵守典型力学规律,它们运动没有拟定轨道,只有一定空间概率分布。实物微粒波是概率波三、波函数和薛定谔方程1.量子力学基本假设： (1)由于核外电子含有波粒二象性，因此电子运动状态可用波函数描述。 (2)描述电子运动状态波函数必须服从薛定谔方程。

8、(3)电子在核外某一区域出现几率用几率密度来描述：第9页第9页 为电子在核外出现几率密度，形象地把它称作电子云或电子云密度2.薛定谔方程与波函数 求解薛定谔方程, 就是求得波函数和能量 E ; 解得不是详细数值, 而是包括三个常数 (n, l, m)和三个变量(r,)函数式 n, l, m (r,) ; 有合理解函数式叫做波函数(Wave functions)。波函数 = 薛定谔方程合理解 = 原子轨道 四、原子核外电子运动状态 1. 原子轨道 波函数也叫原子轨道(或原子轨函)，原子轨道是波函数图形表示，它代表电子在原子轨道所辖区域出现几率达90%以上。第10页第10页2. 电子云电子在核外出

9、现几率密度大小疏密表示，电子出现几率密度大区域用密集小点来表示；电子出现几率密度小区域用稀疏小点来表示，这样绘成 图形称为电子云。因此电子云是几率密度图形表示(1)几率：电子在空间某一区域出现机会称为几率。比如，在氢原子中，电子在l等于0球体内出现机会是90%，因此在该球体内出现几率为0.9。(2)几率密度：电子在核外某处单位体积内出现几率称为该处几率密度。 这就是波函数绝对值平方2物理意义。3. 四个量子数（1）主量子数 n (principal quantum number) 与电子能量相关，对于氢原子，电子能量唯一决定于n 拟定电子出现概率最大处离核距离第11页第11页 不同n 值，对应

10、于不同电子壳层 . K L M N O. 与角动量相关，对于多电子原子, l 也与E 相关 l 取值 0，1，2，3n-1(亚层） s, p, d, f. l 决定了角度函数形状（2） 角量子数l (angular momentum quantum umber)nl1234（亚层0000s111p22d3f )第12页第12页 与角动量取向相关，取向是量子化 m可取 0，1, 2l 取值决定了角度函数空间取向 n,l 值相同轨道互为等价轨道（3） 磁量子数m ( magnetic quantum number)Lm轨道数 0(s) 1(p) 2(d) 3(f) 0 1 0 1 2 1 0 1

11、2 3 2 1 0 1 2 31357s 轨道(l = 0, m = 0 ) : m 一种取值, 空间一个取向, 一条 s 轨道第13页第13页 p 轨道(l = 1, m = +1, 0, -1) m 三种取值, 三种取向, 三条等价(简并) p 轨道d 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(简并) d 轨道第14页第14页 f 轨道 ( l = 3, m = +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3 ) : m 七种取值, 空间七种取向, 七条等价(简并) f 轨道本课程不要求记住f轨道：详细形状（4） 自

12、旋量子数 ms (spin quantum number) 描述电子绕自轴旋转状态 自旋运动使电子含有类似于微磁体行为 ms 取值+1/2和-1/2，分别用和表示第15页第15页 0 1 2 3轨道 s p d f比如: n =2, l =0, m =0, 2s n =3, l =1, m =0, 3pz n =3, l =2, m =0, 3dz2n lm ms核外电子运动轨道运动自旋运动与一套量子数相相应（自然也有1个能量Ei)n, l, m 一定, 轨道也拟定【例11-2】假定有下列电子各套量子数，指出哪几种不也许存在3, 2,2,1/2 b. 3,0,1,1/2 c. 2,2,2,2d

13、. 1,0,0,0 e. 2,1,0,1/2 f. 2,0,2,1/2解：b，c，d，e，f 都不也许存在第16页第16页解： 【例11-3】写出电子构型为1s22s22p5原子中各电子全套量子数 20 00 0 21 10 0 21 11 1 2 1 1 n 1 1 l 0 0m 0 0ms写出Al原子中三个外层电子3s23p1全套量子数课堂作业五、波函数和电子云空间图形1. 径向分布图解薛定谔方程可得下列波函数R（r）函数是径向r函数，为波函数径向部分， Y（，）函数是和角函数，为波函数角度部分。 原子轨道径向分布图是波函数 R ( r ) 在任意给定方向（、一定）上随 r 改变所作图为波

14、函数径向分布图，它表示波函数R ( r )随离核距离r改变关系。下图为电子云径向分布图第17页第17页D（r）=4r2R2(r)。这里所指是ns电子径向分布函数，对其它运动状态电子，D（r）=r2R2(r)。 径向分布函数图与量子数n和l相关，径向分布函数图中有（n-l）个波峰，即电子出现几率大，有（n-l）个波谷（D(r)为零点，不包括原点），即电子出现几率小。2. 角度分布图原子轨道和电子云角度分布为别为Y（，）和Y2（，）。它们是电子出现几率随，改变而改变函数，与离核距离r无关，与量子数l相关。用Y（，）和Y2（，）作图就得到原子轨道和电子云角度分布图。第18页第18页电子云角度分布图与

15、原子轨道角度分布图相同，它们之间主要区别有：由于Y1，因此Y2一定小于Y，因而电子云角度分布图要比原子轨道角度分布图“瘦”些；b)原子轨道角度分布图有正有负，而电子云角度分布图都是正值，这是由于Y2总是正值。第19页第19页11.3多电子结构和元素周期律一、屏蔽效应和钻穿效应1. 屏蔽效应在多电子原子中，一个电子受其它电子排斥而能量升高，这种能量效应，称为 “ 屏蔽效应 ” 。 为屏蔽常数,它代表由于电子间斥力而使原核电荷减少部分。 2. 钻穿效应外层电子进入原子内部空间现象叫原子轨道钻穿作用或称钻穿效应。 钻穿效应存在不但能引起轨道能级分裂，并且还能造成能级交错。 第20页第20页 轨道钻穿

16、能力通常有下列顺序:nsnpndn f，造成能级按 E(ns)E(np)E(nd)E(nf)顺序分裂。 假如能级分裂程度很大, 就也许造成与临近电子层中亚层能级发生交错。二、鲍林近似能级图 n 值相同时,轨道能级则由 l 值决定, 叫能级分裂； l 值相同时, 轨道能级只由 n 值决定, 例: E(1s) E(2s) E(3s) E(4s ) n和l都不同时出现更为 复杂情况, 主量子数 小能级可能高于主量 子数大能级, 即所谓 能级交织。能级交织 现象出现于第四能级组 开始各能级组中。第21页第21页三、多电子原子核外电子排布规律 依据原子光谱试验和量子力学理论, 基态原子核外电子排布服从结

17、构原理(building up principle)。即核外电子排布三原则1. 泡利不相容原理 同一原子中不能存在运动状态完全相同电子, 或者说同一原子中不能存在四个量子数完全相同电子。比如, 一原子中电子A和电子B三个量子数n, l, m已相同, ms就必须不同。量子数n l m ms电子A 2 1 0电子B 2 1 0由泡利不相容原理并结合三个轨道量子数之间关系, 能够推知各电子层和电子亚层最大容量。每一亚层可容纳电子数为2（2+1） 第22页第22页 n l 轨道数 亚层最大容量 电子层最大容量 1 0 1个s 2 22 0 1个s 2 8 2 5个d 103 0 1个s 2 18 1

18、3个p 6 1 3个p 64 0 1个s 2 32 1 3个p 6 2 5个d 10 4 7个f 142. 能量最低原理 电子总是优先占据可供占据能量最低轨道, 占满能量较低依据顺序图, 电子填入轨道时遵循下列顺序：1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p 铬(Z = 24)之前原子严格遵守这一顺序, 钒(Z = 23)之后原子有时出现例外。轨道后才进入能量较高轨道。第23页第23页能级组电子填充顺序为ns (n-2)f (n-1)d np3. 洪特规则 电子分布到等价轨道时, 总是尽也许先以相同自旋状态分占轨道。即在 n

19、和 l 相同轨道上分布电子, 将尽可得分布在 m 值不同轨道上, 且自旋相同。第24页第24页原子实表示：1s2He; 1s22s22p6 Ne; 1s22s22p63s23p6 Ar 1s22s22p63s23p64s23d104p6 Kr24Cr: 按以上三规则,电子排布为Ar4s23d4,而试验结果是Ar4s13d5,因此洪特规则还包括另一个内容：等价轨道全满，半满或全空时体系比较稳定。原子 能级排列序列 光谱试验序列 Cr Mo Cu Ag Au Ar 3d 4 4s 2 Kr 4d 4 5s 2 Ar 3d 9 4s 2 Kr 4d 9 5s 2 Xe 4f 145d 9 6s 2

20、Ar 3d 5 4s 1 Kr 4d 5 5s 1 Ar 3d 10 4s 1 Kr 4d 10 5s 1 Xe 4f 14 5d10 6s 1 第25页第25页【例11-4】写出下列原子序数元素核外电子排布式Kr 4d105s25p5Xe 4f145d106s26p2Ar 3d74s253：82：27:【例11-5】最外层只有一个电子，它次外层角量子数为2亚层内电子全充斥，满足此条件元素有（）。 (A)1种；(B)2种；(C)3种；(D)4种。【例11-6】某元素原子序数小于36，其原子失去三个价电子后，量子数l=2亚层刚好半充斥。该元素是（）。(A)Cr；(B)Mn；(C)Fe；(D)As

21、。四、原子核外电子排布与元素周期律1. 元素周期与能级组 元素周期划分就是原子核外电子能级划分，每一周期所能容纳元素总数等于相应能级组中原子轨道所能容纳电子总数。 原子最外层电子结构随原子序数增长呈周期性改变，即原子最外层电子总是由ns1改变到ns2np6（第一周期除外），也就是说每一周期元素原子最外层上电子数总是由1增长8，元素性质周期性改变正是元素原子电子层结构周期性结果。第26页第26页周期相应能级组原子轨道轨道数最大电子容量元素个数原子序数一11s12212二22s,2p488310三33s,3p4881118四44s,3d,4p918181936五55s,4d,5p918183754六66s,4f,5d,6p1632325586七77s,5f,6d,7p16未充斥未充斥87111能参与成键电子称为价电子，价电子所处电子层称为价电子层。价电子都填充在最高能级组。价电子排布称为价电子构型，依据元素原子价电子构型，对元素周期表进行族和区划分。2. 价电子结构与能级组3. 价电子结构与族元素周期表列称为族，共18个列，分为16族。1985年国际纯正与应用化学联合会(IUPAC)提议分为18族，即18族标法 。第27页第27页（1）主族 列数12131415161718族数12345678符号AAAAAAAA价电子构型ns1ns2ns2np1ns2np2ns2np3