无机化学原子结构市公开课金奖市赛课一等奖课件

1、8.1 原子结构Bohr理论8.2 微观粒子运动基本特征8.3 氢原子结构 量子力学描述第八章 原子结构8.4 多电子原子结构8.5 元素周期表8.6 元素性质周期性第二篇 物质结构基础第1页8.1.1 历史回顾8.1.3 Bohr原子结构理论8.1.2 氢原子光谱8.1 原子结构Bohr理论第2页8.1.1 历史回顾 Dalton原子学说 (18) Thomson“西瓜式”模型 (19) Rutherford核式模型 (19)Bohr电子分层排布模型 (19)量子力学模型(1926年)第3页1.光和电磁辐射8.1.2 氢原子光谱红 橙 黄 绿 青 蓝 紫第4页2.氢原子光谱 用如图所表示试验

2、装置，能够得到氢线状光谱，这是最简单一个原子光谱。第5页HHHH 氢原子光谱特点是在可见区有四条比较显著谱线，通惯用 H，H，H，H 来表示，见下列图 。第6页 不连续光谱，即线状光谱 其频率含有一定规律n= 3,4,5,6式中 2，n，3.2891015各代表什么意义？经验公式：氢原子光谱特征：第7页8.1.3 Bohr原子结构理论Plank量子论(19)：微观领域能量不连续。Einstein光子论(19)：光子能量与光频率成正比 h 光子能量 光频率 hPlanck常量， h =6.62610-34Js第8页Bohr理论(三点假设)： 核外电子只能在有确定半径和能量轨道上运动,且不辐射能量

3、； 通常，电子处于离核最近轨道上，能量最低基态；原子取得能量后，电子被激发到高能量轨道上，原子处于激发态； 从激发态回到基态释放光能，光频率取决于轨道间能量差。E：轨道能量第9页原子能级第10页第11页n = 3 红（H）n = 4 青（H ）n = 5 蓝紫（ H ）n = 6 紫（H ）Balmer线系其它线系第12页式中： RH 为Rydberg常数，其值：能级间能量差RH = 2.17910-18J第13页氢原子各能级能量： 第14页 玻尔理论对于代表氢原子线状光谱规律性 Rydberg 公式经验公式解释，是令人满意。 玻尔理论极其成功地解释了氢原子光谱，但它原子模型依然有着不足。玻尔

4、理论即使引用了 Planck 量子论，但在计算氢原子轨道半径时，仍是以经典力学为基础，所以它不能正确反应微粒运动规律，所以它为以后发展起来量子力学和量子化学所取代势所必定。 第15页8.2.1 微观粒子波粒二象性8.2.2 不确定原理与微观粒子 运动统计规律8.2 微观粒子运动基本特征第16页1924年，de Broglie关系式 1927年，Davisson和Germer应用Ni晶体进行电子衍射试验，证实电子含有波动性。E=h , p =h/ 8.2.1 微观粒子波粒二象性第17页8.2.2 不确定原理与微观粒子 运动统计规律1927年，Heisenberg不确定原理x微观粒子位置测量偏差p

5、微观粒子动量偏差微观粒子运动不遵照经典力学规律。 x v h / 2m第18页 不过对于 m = 0.01 kg 宏观物体，比如子弹， h/2m 数量级为 10-32。假设位置测量偏差 x 到达 10-9 m，这个精度完全满足要求，其速度测量偏差 v 尚能够到达 10-23 ms-1。这个偏差已经小到在宏观上无法觉察程度了。 对于电子来说，其 m = 9.11 10-31 kg, h/2m 数量级为104。原子半径数量级为 1010 m 左右，所以核外电子位置测量偏差 x 不能大于 10-12 m，这时其速度测量偏差 v 一定大于 108 ms-1。这个偏差过大，已靠近光速，根本无法接收。第1

6、9页 微观粒子波动性与粒子行为统计性规律联络在一起，表现为： 微观粒子波动性是大量微粒运动表现出来性质，即是含有统计意义概率波。第20页 这种统计结果表明，对于微观粒子运动，即使不能同时准确地测出单个粒子位置和动量，但它在空间某个区域内出现机会多与少，却是符合统计性规律。 从电子衍射环纹看，明纹就是电子出现机会多区域，而暗纹就是电子出现机会少区域。所以说电子运动能够用统计性规律去进行研究。第21页 要研究电子出现空间区域，则要去寻找一个函数，用该函数图象与这个空间区域建立联络。这种函数就是微观粒子运动波函数 。 1926 年奥地利物理学家 E. Schrdinger 建立了著名微观粒子波动方程

7、，即 Schrdinger 方程。描述微观粒子运动状态波函数 ，就是解 Schrodinger 方程求出。 第22页8.3.2 量子数8.3 氢原子结构量子力学描述8.3.3 概率密度与电子云8.3.4 原子轨道与电子云 空间图像8.3.1 Schrodinger方程与波函数第23页8.3.1 Schrodinger方程与波函数 Schrdinger 方程是一个二阶偏微分方程 第24页 代数方程解是一个数；微分方程解是一组函数；对于 Schrdinger 方程，偏微分方程来说，它解将是一系列多变量波函数 详细函数表示式。而和这些波函数图象相关空间区域，与所描述粒子出现几率亲密相关。 第25页

8、r 表示空间一点 P 到球心距离，取值范围 0 ； 表示 OP 与 z 轴夹角，取值范围 0 2 ； 表示 OP 在 xOy 平面内投影 OP与 x 轴夹角，取值范围 0 。 第26页球坐标(r, )与直角坐标系关系 222zyxr+=cosrz=qsinsinry=qcossinrx=q坐标变换第27页第28页 式中 R ( r ) 称为波函数 径向部分，Y ( ， ) 称为波函数角度部分。 （621）波函数 是一个三变数 r， 和三参数 n，l，m 函数。(r, ) = R(r)Y(, )第29页 对应于一组合理 n，l，m 取值，则有一个确定波函数 ( r， ) n,l,m 波函数 是量

9、子力学中用以描述核外电子运动状态函数，波函数 叫做原子轨道（orbital）。 波函数所表示原子轨道代表核外电子一个运动状态，是表示电子运动状态一个函数。它和经典力学中轨道 (orbit) 意义不一样，它没有物体在运动中走过轨迹含义。上面提到 1,0,0 就是我们熟悉 1s 轨道，也表示为 1s， 2,0,0 就是 2s 轨道，即 2s，2,1,0 就是2pz 轨道，即2pz 。第30页 对应于一组合理 n，l，m 取值则有一个确定波函数 ( r， ) n，l，m 其中 n，l，m 称为量子数，因为它们决定着一个波函数所描述电子及其所在原子轨道一些物理量量子化情况。如电子能量、角动量，原子轨道

10、离原子核远近、原子轨道形状和它在空间取向等，就能够由量子数 n，l，m 来说明。8.3.2 量子数第31页1. 主量子数 n n =1, 2, 3, 4, 5, 6 正整数对应 K, L, M, N, O, P 电子层与电子能量相关，对于氢原子而言，电子能量唯一决定于n。n愈大，电子离核平均距离愈远，能量愈高。第32页 l = 0，1，2，3, 4,(n1)对应着 s, p, d, f, g. 电子亚层 l 受 n 限制：n=1，l=0；1s亚层。n=2，l=0,1；2s, 2p亚层。n=3，l=0,1,2；3s, 3p, 3d亚层。n=4，l=0,1,2,3；4s, 4p, 4d, 4f亚层

11、。2. 角量子数 l第33页角量子数 l 决定原子轨道形状。比如 n = 4 时，l 有 4 种取值0、1、2 和 3，它们分别代表核外第四层4种形状不一样原子轨道 l = 0 表示 s 轨道，形状为球形，即 4s 轨道； l = 1 表示 p 轨道，形状为哑铃形，即 4p 轨道； l = 2 表示 d 轨道，形状为花瓣形，即4d 轨道； l = 3 表示 f 轨道，形状更复杂，即 4f 轨道。 在第四层上，共有 4 种不一样形状轨道。在 n 相同同层中不一样形状轨道称为亚层，也叫分层。就是说核外第四层有 4 个亚层或分层。角量子数 l 不一样取值代表同一电子层中含有不一样状态亚层或分层。第3

12、4页m = 0，1, 2， 3 l ； m决定原子轨道在核外空间取向。l=0， m =0，s轨道为球形，只一个取向；l=1， m =0,1，代表pz , px和py3个轨道；l=2， m =0,1, 2，代表d亚层有5个取向轨道：3. 磁量子数m第35页磁量子数 m ，普通与原子轨道能量无关。所以三种不一样取向 p 轨道，其能量相等。我们说沿 x 轴、沿 y轴和沿 z 轴分布三种 p 轨道能量简并，或者说 p 轨道是三重简并，或者说 p 轨道重简度为 3。 l = 2时，m 有五种取值 0、1、1、2、和2，表示形状为花瓣形 d 轨道，在核外空间中有五种不一样分布方向。这五种 d 轨道能量简并

13、。l = 3f 轨道，在空间有七种不一样取向。形状更复杂，f 轨道重简度为 7。第36页n主层l亚层m原子轨道1K01s01s2L012s2p00,12s2pz,2px,2py3M0123s3p3d00,10,1, 23s3pz,3px,3py4N01234s4p4d4f00,10,1, 20,1, 2, 34s4pz,4px,4py第37页4. 自旋量子数 ms电子自旋现象试验装置第38页原子单电子波函数，又称原子轨道波函数，比如：n=1，l=0，m=0即1s轨道；2s 轨道；2pz 轨道；轨道；第39页0/301area-=p其中，()41,Y=pq()0/3012arearR-=氢原子基

14、态：n=1，l=0，m=0式中，a0=52.9pm，称为Bohr半径。第40页第41页球形对称。角度部分第42页1 电子云图含有波粒二象性电子并不象宏观物体那样，沿着固定轨道运动。我们不可能同时准确地测定核外某电子在某一瞬间所处位置和运动速度，不过我们能用统计方法去讨论该电子在核外空间某一区域内出现机会多少。8.3.3 概率密度与电子云第43页我们称电子在核外空间某个区域内出现机会叫做几率。 电子衍射试验中，衍射环纹亮环处电子出现机会多，即几率大，而暗环处电子出现机会较少，即几率较小。在空间某单位体积内出现几率则称为几率密度。所以电子在核外空间某区域内出现几率等于几率密度与该区域总体积乘积，当

15、然这只有在几率密度相等前提下才成立。第44页电子运动状态由波函数 ( r， ) 描述，波函数 ( r， ) 没有明确物理意义，但 ( r， )2物理意义却十分明确。它表示空间一点P（r，）处单位体积内电子出现几率，即该点处几率密度，由此进而能够知道电子在某个区域内出现几率。第45页对于原子核外一个电子运动，比如氢1s电子，我们还能够用下列图 所表示电子云图，以统计性规律描述电子经常出现区域，这是核外一个球形空间。小黑点密集地方电子出现几率密度大，在那样区域里电子出现几率则大。由此可见，电子云就是几率密度形象化图示，也能够说电子云图是2 图象。 图 65 氢原子 1s 电子云图第46页处于不一样

16、运动状态电子，它们波函数各不相同，其2也当然各不相同。表示2图象，即电子云图当然也不一样。下列图 给出了各种状态电子云分布形状。电子云轮廓图第47页电子云轮廓图从图中看出，s 电子云是球形；p 电子云沿着某一坐标轴方向上呈无柄哑铃形状，共有三种不一样取向；d 电子云形状似花瓣，它在核外空间中有五种不一样取向。第48页第49页 1s电子云等密度面图。 数字表示曲面上概率密度。 1s电子云界面图。 界面内电子概率90%。2 几率密度分布其它表示法第50页径向几率密度图 以几率密度2 为纵坐标，半径 r为横坐标作图。曲线表明1s电子几率密度2 随半径 r增大而减小。1s 态径向几率密度图第51页节面

17、数=n11s2s第52页空间微体积（单位厚度球壳中几率4r2 2）D ( r ) 是 r函数，D(r)称为径向分布函数。第53页1s态 最大值出现在近核处，1s态D(r)最大值出现在52.9pm处。 若以 D ( r ) 为纵坐标，对横坐标 r 作图，可得各种状态电子径向几率分布图。第54页氢原子各种状态径向分布图N峰=nl1s2s3s2p3p3dN节 nl1 第55页当电子径向几率分布曲线几率峰数目大于 1时，在几个峰中总有一个几率最大主峰，且主量子数 n相同电子，如 2s 和 2p，其几率最大主峰离核远近相同，比 1s 几率峰离核远些。 3s、3p和3d，其几率最大主峰离核远近也相同，比

18、2s 和 2p 几率峰离核又远些。4s、4p、4d 和 4f 径向几率分布曲线主峰离核将更远 所以，从径向分布意义上核外电子可看作是按层分布。第56页几率峰与几率峰之间，曲线与坐标轴相切处，表示一个球面。在这个球面上电子出现几率为零，我们称这个球面为节面。因为节面出现在几率峰与几率峰之间，若用N 节表示节面数目，则N节 nl1 第57页氢原子1s态 和径向分布图径向几率密度图 第58页8.3.4 原子轨道与电子云空间图像第59页10.8660.50-0.5-1 A0.866A0.5A0-0.5A-A 第60页第61页 原子轨道和电子云角度分布图：第62页原子轨道和电子云角度分布图：第63页原子

19、轨道和电子云角度分布图：第64页当原子角度分布图和径向分布图相乘积就得到原子轨道真实图像第65页电子云实际形状第66页小结： n：决定电子云大小 l：决定电子云形状 m：决定电子云伸展方向 一个原子轨道可由n,l,m 3个量子数确定。 一个电子运动状态必须用n,l,m,ms 4个量子数描述。第67页8.4.1 多电子原子轨道能级8.4.2 核外电子排布8.4 多电子原子结构第68页1.Pauling近似能级图8.4.1 多电子原子轨道能级第69页 E1s E2s E3s E4s Ens Enp End Enf “能级分裂” E4s E3d E4p “能级交织”。 l 相同能级能量随 n 增大而

20、升高。 n 相同能级能量随 l 增大而升高。 值得注意是，除第一能级组只有一个能级外，其余各能级组均从 ns 能级开始到 np 能级结束。第70页 徐光宪能级高低近似标准： n + 0.7l 比如：第四能级组 4s 3d 4pn + 0.7l 4.0 4.4 4.7 第六能级组 6s 4f 5d 6pn + 0.7l 6.0 6.1 6.4 6.7第71页2.Cotton原子轨道能级图 n 相同氢原子轨道简并性。原子轨道能量随原子序数增大而降低。伴随原子序数增大，原子轨道产生能级交织现象。第72页3.屏蔽效应+2e-e-He+2e-He+2-e-假想He由核外电子云抵消一些核电荷作用。屏蔽效应

21、：为屏蔽常数，可用 Slater 经验规则算得。Z= Z*，Z* 有效核电荷数第73页有效核电荷Z* H He1s 1 1.70 Li Be B C N O F Ne1s 2.70 3.70 4.70 5.70 6.70 7.70 8.70 9.702s,2p 1.30 1.95 2.60 3.25 3.90 4.55 5.20 5.85 Na Mg Al Si P S Cl Ar1s 10.70 11.70 12.70 13.70 14.70 15.70 16.70 17.702s,2p 6.85 7.85 8.85 9.85 10.85 11.85 12.85 13.853s,3p 2.2

22、0 2.85 3.50 4.15 4.80 5.45 6.10 6.75第74页 电子进入原子内部空间，受到核较强吸引作用。4.钻穿效应n相同时，l愈小电子，钻穿效应愈显著：nsnpndnf，EnsEnpEnd Enf 。钠原子电子云径向分布图第75页8Z20：4s对K，L内层原子芯钻穿大， E4sE3d Z21 ：4s对原子芯钻穿效应相对变小， E4sE3d3d和4s对1s2s2p原子芯钻穿3d和4s对1s2s2p3s3p原子芯钻穿第76页1. 基态原子核外电子排布标准 最低能量原理 电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道上, 使整个原子系统能量最 低。 Pauli不相容原理 每个原子轨道中最

23、多容纳两个自旋方式相反电子。 Hund 规则 在 n 和 l 相同轨道上分布电子,将尽可能分占 m 值不一样轨道, 且自旋平行。8.4.2 核外电子排布第77页半满全满规则：C：1s2 2s2 2p2He、Ar原子芯N：He 2s2 2p31s2s2pZ=24Z=29Cu：全满：p6，d10，f14；半满：p3，d5，f7；全空：p0，d0，f0。第78页2. 基态原子核外电子排布 基态原子核外电子在各原子轨道上排布次序：1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,7s,5f,6d,7p出现d轨道时，依照ns,(n-1)d,np次序排布；d,f轨道

24、均出现时，依照ns, (n-2)f,(n-1)d,np次序排布。第79页帮助记忆图第80页Z=11，Na：1s22s22p63s1或Ne 3s1 ，Z=20，Ca：1s22s22p63s23p64s2或Ar 4s2 ，Z=50，Sn： Kr 5s2 5p2，Z=56，Ba： Xe 6s2 。价电子：比如：Sn价电子排布式为： 5s2 5p2 。第81页8.5.1 元素周期8.5.2 元素族8.5 元素周期表8.5.3 元素分区第82页8.5.1 元素周期第83页元素周期表中七个周期分别对应7个能级组周期特点能级组对应能级原子轨道数元素数一二三四五六七特短周期短周期短周期长周期长周期专长周期不完

25、全周期12345671s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p144991616288181832应有32第84页8.5.2 元素族 第1，2，13，14，15，16和17列为主族，即,A,A,A,A,A,A,A。 主族：族序数=价电子总数 稀有气体(He除外)8e为A,通常称为零族， 第37，11和12列为副族。即, B,B,B,B,B,B和B。 前5个副族价电子数=族序数。 B,B依据ns轨道上电子数划分。 第8,9,10列元素称为族，价电子排布（n-1)d6-8ns2。第85页8.5.3 元素分区 元素周期表中价电子排布类似元素集中在一起，分为5个区，并

26、以最终填入电子能级代号作为区号。第86页s 区：ns12 p 区：ns2np16d 区：(n1)d110ns12 (Pd无 s 电子)(ds区： (n1)d10ns12 )f 区：(n2)f014(n1)d02ns2第87页8.6.1 原子半径8.6.2 电离能8.6.3 电子亲和能8.6 元素性质周期性8.6.4 电负性第88页共价半径 van der Waals 半径 主族元素：从左到右 r 减小； 从上到下 r 增大。过渡元素：从左到右r 迟缓减小； 从上到下r略有增大。 金属半径8.6.1 原子半径rrr第89页主族元素半径改变第90页 元素原子半径改变趋势第91页 r改变受两原因制约

27、： 核电荷数增加，引力增强， r变小； 核外电子数增加，斥力增强， r变大； 增加电子不足以完全屏蔽核电荷； 左右，有效核电荷Z*增加， r变小。同一周期：第92页 长周期：电子填入(n-1)d层，屏蔽作用大， Z*增加不多， r减小迟缓。 B,B ：d10构型,屏蔽显著, r略有增大。 镧、锕系：电子填入(n-2)f亚层，屏蔽作用更大， Z*增加更小， r减小更不显著。第93页 镧系收缩：镧系元素从镧(La)到镱(Yb)原子半径依次更迟缓减小事实。第94页同一族： 主族：从上到下，外层电子构型相同， 电子层增加原因占主导，r增加。 副族：第四面期到第五周期， r增大， 第五周期到第六周期， r靠近。第95页 基态气体原子失去电子成为带一个正电荷气态正离子所需要能量称为第一电离能，用 I 1表示。 由+1价气态正离子失去电子成为带+2价气态正离子所需要能量称为第二电离能