普化7物质结构ppt课件.ppt

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1、第 7 章 原子结构 Atomic Structure 7.1 核外电子的运动状态与原子模型 7.1.1 氢原子光谱和玻尔的原子模型 本节要求了解以下知识： （1）连续光谱、线状光谱（原子光谱）， 原子光谱与原子结构的 关系； （2）玻尔原子模型 要点，该理论成功之处 和缺陷； 7.1.2 原子的量子力学模型 1 微观粒子的波粒二象性 （1）光的波粒二象性 20世纪初，人们发现光具有波粒二象 性。并得到了实验验证： 波动性 光的干涉、衍射 微粒性 光电效应 （2）电子的波粒二象性 1924年，德布罗意提出：微观粒子 （如电子、原子等）也具有波粒二象性。 这个假说随后也得到了实验验证： 微粒性

2、阴极射线的 有关实验 波动性 电子衍射实验 2 测不准原理 1927年，海森堡提出了测不准原理。该原理的 数学表达式如下： PX X h 这个关系式表明，不可能设计 出一种实验方法，可以在准确 测定物体的位置的同时，又能 准确地测定该物体的速度。 测不准原理的存在，说明 微观粒子的运动不服从经典力 学规律，而是遵循量子力学所 描述的运动规律。 3 微观粒子运动的统计性 量子力学认为，原子中个别电子运动的轨 道是无法确定的，即没有确定的轨道。但原子中 电子在原子核外的分布是有规律的： 核外空间某些区域电子出现的概率较大，而 另一些区域电子出现的概率较小。也就是说，电 子运动的规律具有统计性。 个

3、别电子的运动大量电子的运动 7.1.3 量子力学原子模型 1 波函数与原子轨道 1926年，薛定谔根据波粒 二象性的概念，提出了一个描述 微观粒子运动的基本方程式 薛定谔方程。 求解薛定谔方程得到的波函数 表示微观粒子运 动的某个定态，与 对应的能量值即为该定态时微观 粒子所对应的能级。 如对于氢原子，解得： 也称原子轨道（或原子轨函），亦即波函数的 空间图象为原子轨道，原子轨道的数学表达式就是 波函数。 2 几率密度 电子云 （2.1）几率密度 电子在原子核外空间某处单位体积内出现的概 率，称为几率密度 ，它与电子波 在该处的强度 的绝对值的平方成正比。 实际上，电子在核外出现的几率密度可直

4、接 用2 表示。 （2.2）电子云 用小黑点的疏密程度 来表示电子在核外出现的 概率密度分布所得的空间 图象称为电子云。 通常，电子云也 是的2 同义词。 1s 电子云 3 波函数的空间图像 为处理问题方便， 将波函数（x，y，z） 改用球极坐标，得： （x，y，z） = （r，） 并进一步改为： (x，y，z)= （r，） = R(r)Y(，) 其中： R(r) 与电子离核的距离有关，称为 原子轨道的径向分布函数； Y(，) 称为原子轨道的 角度分布函数； 1）角度分布图 （1）原子轨道 角度分布图 将波函数 的 角度部分（Y）作 图，所得的图象就 称为原子轨道的角 度分布图。 （2）电子云

5、 角度分布图 将2 的角 度部分Y2 随,作 图，所得的图像就 称为电子云的角度 分布图。 电子云的角度分布图与相应的原子轨道的角度 分布图基本相似，但有两点不同： 原子轨道有“+”、“-”号，而电子云均为 正值（不标出）； 电子云比原子轨道略“瘦”一些（除s轨道）。 2） 径向分布图 电子云的径向分布图反映电子在核外空间出现的 概率与离核远近的关系。 径向分布函数在讨论原子轨道能级的高低 、屏蔽效应和钻穿效应等方面有重要的应用。 7.1.4 四个量子数 在处理原子核外电子的运动状态时，引入了四 个量子数，这是量子力学的必然结果。 这四个量子数是：主量子数 n、副量子数 l 、 磁量子数 m

6、和自旋量子数 mS。 1 主量子数 n 主量子数 n 决定电子层能级高低和核外电子运 动离核的远近。 n 的取值为：1，2，3，（正整数） n 值越大，电子层离核的平均距离越远，能级越高。 n 值与电子层符号有如下对应关系： n 值1234567 电子层 KLMN OPQ 2 副量子数 l l 又称角量子数，它决定核外电子的运动状态（即原子轨道 的形状）和能量。 l 的取值受 n 的限制： l = 0，1，2，n-1。 l 也表示电子亚层，每一个l 值表示一个亚层，它与亚层符 号有如下对应关系： l 值0123 亚 层spdf 轨道形状球形哑铃花瓣复杂图形 l 值越大，原子轨道越复杂，能量越高

7、。 S 轨道 Px轨道 PY轨道 PZ轨道 dXY轨道 dXZ轨道 dYZ轨道 轨道 轨道 f 轨道 3 磁量子数 m m决定原子轨道的空间伸展方向。 m的取值 l 受限制，m可取： 0， 1， 2， l 即：- l m + l 每一个m值表示具有某种空间方向的一 个原子轨道或电子云。 一个亚层中，m有几个取值，该亚层就只能有 几个不同伸展方向的能级相同的原子轨道或电子云 。 亚 层spd f m 值0-1, 0, 1-2, -1, 0, 1,2-3,-2, -1, 0, 1, 2, 3 轨道数1357 在没有外加磁场的情况下，同一亚层的原子轨 道 ( n, l 相同 ) 能量是相等，这些轨道

8、叫等价轨道 或简并轨道。 4 自旋量子数 mS mS表示电子的自旋状态。 取 值： + - 符 号： 表 示：顺时针自旋 逆时针自旋 自旋反平行 “”或“” 自旋平行 “”或“” 7.2 核外电子排布和元素周期表 7.2.3 多电子原子核外电子的排布 多电子原子核外电子排布 基态原子是指能量处于最低状态的原子，其核外 电子分布遵循如下核外电子排布三原则： 泡利不相容原理 能量最低原理 洪特规则 1、泡利不相容原理 在同一原子中，不可能有四个量子数 完全相同的电子存在。 即：每一条轨道内最多只能容纳两个 自旋方向相反的电子。 2、能量最低原理 多电子原子在处于基态时，核外电子 的分布在不违反泡利

9、原理的前提下，总是 尽先分布在能量较低的轨道，以使原子处 于能量最低的状态。 3、洪特规则 原子在同一亚层的等价轨道上分布电子 时，将尽可能单独分布在不同的轨道上，而 且自旋方向相同（或称自旋平行）。 例如，对于氮原子，其轨道表示式为： 7N： 1s 2s 2p 洪特规则特例：对于同一电子亚层，当电子分 布为全充满（p6、d10、f 14）、半充满（p3、d5、f 7 ）或者全空（p0、d0、f 0）时原子结构较稳定。 3d44s2 不稳定 3d54s1 稳定 3d 4s 多电子原子轨道的能级 （1）l 相同，n 不同时：n 越大，能量越高； 例如：E1S E2S E3S 等 （2）n 相同，

10、l 不同时：l 越大，能量越高； 例如：E4S E4p E4d E4f 等 （3） n、l 都不同时： 有时会出现能级交错 现象。例如：在某些元素中， E4s E3d， E5s E4d 1939年，鲍林（L. Pauling）总结出核外电 子的近似能级图（见P.161图7-14）。 Linus Carl Pauling（USA，1901- 1994），won the Nobel Prize in 1954 “for his research into the nature of the chemical bond and and his application to the elucidati

11、on of the structure of complex substances.” 原子轨道能级由低到高的顺序为： 1s；2s，2p；3s，3p；4s，3d，4p；5s，4d，5p， 6s，4f，5d，6p；7s，5f，6d，7p； 基态原子中电子的分布 基态原子的核外电子分布式 按照核外电子分布三原则，就可以写出原子的 核外电子分布式。例如： 1H： 1s1 9F： 1s22s22p5 13Al：1s22s22p63s23p1 22Ti： 1s22s22p63s23p63d24s2 26Fe：1s22s22p63s23p63d64s2 33As：1s22s22p63s23p63d104s

12、24p3 注意：出现能级交错时，电子分布式的书写顺序 为由内层到外层。 24Cr：1s22s22p63s23p63d44s2 错误！违反洪特规则特例 24Cr：1s22s22p63s23p63d54s1 正确 29Cu：1s22s22p63s23p63d94s2 错误！违反洪特规则特例 29Cu：1s22s22p63s23p63d104s1 正确 基态原子的价层电子构型 价电子所在的亚层统称价层。元素的价层电子为： 主族元素：最外层 s 电子 + p 电子 副族元素：次外层 d 电子 + 最外层 s 电子 例如： 33As：1s22s22p63s23p63d104s24p3 其价层电子构型为：

13、4s24p3 24Cr：1s22s22p63s23p63d54s1 其价层电子构型为：3d54s1 简单基态阳离子的电子分布 研究表明，原子的失电子顺序与电子填充顺序 不完全一致： 基态原子填充顺序：ns(n-2)f(n-1)dnp 价电子失电子顺序：npns(n-1)d(n-2)f 或：原子按照三原则填充电子，而按由外到内 的顺序失电子。 例如： Fe2+：1s22s22p63s23p63d6 Fe3+：1s22s22p63s23p63d5 As3+：1s22s22p63s23p63d104s2 7.2.4 原子的电子层结构与元素周期系 1、周期 元素根据核外电子的分层排布分为7个周期。 核

14、外电子分布式中最大的主量子数就是该元素所 在的周期数。 例如： 24Cr：1s22s22p63s23p63d5 4s1 第四周期 9F： 1s22s22p5 第二周期 13Al：1s22s22p63s23p1 第三周期 2、族 根据元素原子最后一个电子填充的亚层轨道 的不同，将元素分为不同的族。 族类类 最后一个电电子 的填充位置 族数与价层电层电 子数 的关系 主族（A ） s 轨道、p 轨道族数 = 最外层 s + p 数 副族（B ） d 轨道 族数 = 最外层 s + 次外层 d 电子数 零族p 轨道8 第8族d 轨道8 10 3、区 根据元素原子价层电子构型的不同，可把元素 分为s、

15、p、d、ds 和 f 五个区。 区原子的价层电子构型包括的元素 sns12A、A族 pns2np16A A族，零族 d (n-1)d 19 ns 12 B B族， 族 ds(n-1)d 19 ns2B、B族 f(n-2)f 014 (n-1)d 02 ns2镧系、锕系元素 例：写出第17、26、29和33号元素的核外电子 分布式，标明价层电子构型，并指出它们在周期表中 的位置（周期、族、区），元素符号和元素名称。 解：17号：1s22s22p63s23p5 第三周期、 A族 p 区、Cl、氯 26号：1s22s22p63s23p63d64s2 第四周期、 族 d 区、Fe、铁 29号：1s22s22p63s23p63d104s1 第四周期、B族 ds 区、Cu、铜 33号：1s22s22p63s23p63d104s24p3 第四周期、A族 p 区、As、砷 7.3 元素基本性质的周期性 本节内容为自学，要求掌握如下知识： （1）元素的原子半径、电离能、电子亲 合能、电负性、氧化数、金属性和非金属性 的周期性变化规律； （2）三种原子半径的意义； （3）电离能、电子亲合能及电负性的概 念。