工程材料基础-原子结构

第二章原子结构与原子间结合键2.1原子结构2.2原子序数和原子质量2.3原子的电子层结构2.4原子的结合键2.1原子结构原子组成：原子核和核外电子,原子核内又有质子和中子。原子电荷：质子带正电荷，中子不带电荷，因此原子核带正电荷，通过静电吸引，将带负电荷的电子束缚在其周围。每个质子和电子所带的电荷q均为1.602×10-19库仑。因为原子中质子和电子的数目相等，所以从整体看，原子是电中性的。原子尺寸：直径约为10-10m，但原子核直径很小，仅为约10-14m，其外部均为电子所包围。续上页原子质量：原子的质量大部分集中在原子核内。一个质子具有1.673×10-24g质量，中子略重于质子，质量为1.675×10-24g，而一个电子的质量只有9.109×10-28g，仅为质子质量的1/1836。表2-1质子、中子和电子的质量与电荷粒子质量，g粒子电荷，库仑质子中子电子1.673×10-241.675×10-249.109×10-28+1.602×10-190-1.602×10-192.2原子序数和原子质量2．2．1原子序数元素的原子序数等于原子核中的质子数或核外电子数。每种元素均与一定的原子序数相对应，如铁的原子序数为26，其原子核有26个质子和26个核外电子。2．2．2核素与同位素核素：原子核中具有一定质子数和一定中子数的原子。一种碳原子的原子核中有6个质子和6个中子，它的质量数是12，这种碳原子称碳-12核素，写为12C核素；另一种碳原子的原子核里有6个质子和7个中子，质量数为13，称碳-13核素，可写为13C核素。多核素元素与单核素元素。同位素：质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子互称为同位素；即多核素元素中的不同核素互称为同位素。12C和13C是碳的同位素。稳定同位素与放射性同位素。2.2.3原子质量与相对原子质量1.原子质量指某核素一个原子的质量。由于原子的绝对质量很小,常以12C一个原子质量的1/12作单位，称为“原子质量单位”，用“u”表示（1u=1.66×10-24g），因此12C的原子质量也就等于12u。续上页元素原子的原子质量：元素的平均原子质量与核素12C原子质量的1/12之比。所谓元素的平均原子质量，是对一种元素含有多种天然同位素而说的，平均原子质量可由这些同位素的原子质量和丰度（指某同位素在所属的天然元素中所占的原子百分数）来计算。元素的原子质量用符号Ar(E)表示，E代表某元素，如氧的原子质量等于16.00，可表示为Ar(O)=16.00。它表示1个氧原子的平均质量是核素12C原子质量1/12的16.00倍。可见，元素的原子质量只是一种相对的比值。它的单位为一。例题2-1：自然界的氢元素有两种同位素，实验测得1H的原子质量为1.007825u，丰度为99.985%，2H的原子质量为2.0140u，丰度为0.015%，试计算氢元素的平均原子质量和相对原子质量。解：氢元素的平均原子质量为：1.007825u×99.985%+2.0140u×0.015%=1.0079u根据元素的相对原子质量的定义，氢的相对原子质量为：r121121.0079uH1.0079CuA112H的平均原子质量()＝＝＝的原子质量122.相对原子质量元素的相对原子质量：1mol某种元素的平均质量与1mol12C核素原子质量1/12之比，也是该元素6.023×1023个原子（阿伏伽德罗数NA）的质量，其单位为g/mol。各元素的相对原子质量均示于表2-2元素周期表中元素符号的下方。例题2-2：(1)根据铜的相对原子质量，试求1个铜原子的质量。(2)1克铜中有多少铜原子？解:(1)铜的相对原子质量为63.54g/mol，因63.54g铜有6.023×1023个原子,因此,一个铜原子的质量为:63.54g/mol/6.023×1023个原子/mol=1.05×10-22g/原子(2)1克铜的原子数：6.023×1023个原子/mol/63.54g/mol=9.48×1021个原子/g2.3原子的电子层结构2．3．1核外电子的运动状态原子中核外电子的运动状态（或分布情况），要用四个量子数加以描述。这四个量子数是：１．主量子数n２．角量子数l３．磁量子数m４．自旋量子数ms1．主量子数nn是描述核外电子的能量和电子离核平均距离的参数，是决定电子能量大小的主要量子数。n值越大，电子离核的距离越远，电子的能量愈高。n可取零以外的正整数，即n=1,2,3…。每一个n值代表一个电子层或主能级层（主层），在光谱学上常用拉丁字母表示电子层：主量子数n1234567KLMNOPQ2．角量子数ll用于描述原子轨道或电子云的形状，并在多电子原子中和主量子数n一起决定电子的能量，故又称为副量子数。n确定后，角量子数l可取0到n-1，即l=0，1，2…（n-1）。如n=1,l只能取0；n=2，l可取0和1两个值。角量子数l0123spdfl=0表示球形的s原子轨道或电子云；l=1表示哑铃形的p原子轨道或电子云；l=2表示花瓣形的d原子轨道或电子云，等等。图2-1是s、p和d原子轨道的平面图。，同一电子层中的l数值越大，该电子亚层的能级越高，如在第三电子层有s、p和d等3个电子亚层，其中3d的能级高于3p的能级，3p的能级又高于3s的能级。图2-1s、p和d原子轨道的平面图3．磁量子数mm决定原子轨道在磁场中分裂，在空间伸展的方向。其取值受角量子数l的限制，当l一定，m可取0，±1，±2，…，±l，共有（2l+1）个数值，即原子轨道或电子云可以沿着（2l+1）个不同方向伸展，常用符号○或□表示。l=0时，m=0，原子轨道或电子云只有一个伸展方向；l=1时，m=-1、0、+1，有3个数值，p原子轨道或电子x，y和z三个方向伸展。l=2时，m=0,±1，±2，有5个数值，即d原子轨道或电5个不同伸展方向的轨道。。l相同，m不同的原子轨道，即形状相同，空间取向不同的原子轨道，其能量是相同的。4．自旋量子数ms，还可自旋。用于描述电子自旋方向的量子数称为自旋量子数，用符号ms表示。自旋方向只有顺时针和逆时针两种,故ms=，通常用符号↑、↓表示。自旋量子数ms对电子所处的能量没有影响。杂运动状态，即四个量子数可以确定某一电子在原子核外某一电子层的电子亚层中的运动，它的电子云或原子轨道在空间的某一方向伸展，且本身有一定的自旋方向。这样可以近似地把这四个量子数看成是电子在空间位置的坐标。122.3.2多电子原子轨道的能级能量E6pOOO5dOOOO4fOOOOOOO6sO5pOOO4dOOOOO5sO4pOOO3dOOOOO4sO3pOOO3sO2pOOO2sOlsO能级组6(6s4f5d6p)5(5s4d5p)4(4s3d4p)3(3s3p)2(2s2p)1(ls)图2-2原子轨道近似能级图美国化学家鲍林（Pauling）根据光谱实验结果，总结出多电子原子中原子轨道能量高低，并排列给出近似能级图，见左图（1）能级图是按能量的高低顺序，而不是按原子轨道距核的远近排列的。图中将能量相近的轨道划为一组（即虚线方框内的轨道），称为能级组。共有7个能级组，它的能量依1、2、3、…能级组的顺序逐次增高。（2）在近似能级图中，每个小圆圈表示一个原子轨道，如第二能级组中有四个小圆圈，它代表有四个原子轨道。（3）角量子数l相同的能级，其能量由主量子数n决定，n越大，能量越高，如：s亚层的能量顺序是：E1sE2sE3s……p亚层的能量顺序是：E2pE3pE4p……能级图说明（一）能级图说明（二）（4）主量子数n相同，而角量子数l不同的能级，其能量随l的增大而升高，如：EnsEnpEndEnf（5）同一能级组中，可能出现不同电子层的能级。如第5能级组中，除属于第5电子层的5s和5p能级外，还有第4电子层的4d。表明当主量子数n和角量子数l同时变化时，可能出现主量子数较大的原子轨道的能量，反而比主量子数较小的某些原子轨道的能量低，这种现象称为“能级交错”例如：E4sE3d，E6sE4fE5d等等。为了判断多电子原子中n和l同时变化时，轨道能量的高低，除了从鲍林的近似能级图中查看外，我国化学家徐光宪在总结了光谱实验数据后，归纳出（n+0.7l）的规则，（n+0.7l）值愈大，能量就愈高。例题2-3：试比较6s、6p、4f和5d轨道的能量高低。解：6s轨道：n=6,l=0，（n+0.7l）=6+0.7×0=66p轨道：n=6,l=1，（n+0.7l）=6+0.7×1=6.74f轨道：n=4,l=3，（n+0.7l）=4+0.7×3=6.15d轨道：n=5,l=2，（n+0.7l）=5+0.7×2=6.4所以，E6sE4fE5dE6p2．3．3原子的电子层结构1．核外电子的排布规律（1）泡里（Pauli）不相容原理在同一原子中，不可能有运动状态（亦即四个量子数）完全相同的两个电子存在。这一原理也可表达为：在同一原子轨道中最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。泡里不相容原理实际上是对原子核外电子层上可容纳的电子数目作了限制。各电子层容纳的最多电子数是：(下页)n=1(K层)l=0(ls)m=01个轨道ms=可容纳2个电子n=2(L层)l=0(2s)l=1(2p)m=0-1m=0+14个轨道可容纳8个电子n=3(M层)l=0(3s)l=1(3p)l=2(3d)m=0-1m=0+1-2-1m=0+1+29个轨道可容纳18个电子所以12022(21)2(21)22nlnlnn12各层可容纳的最多电子数为2n2个，这原理又称为电子层最大容量原理。（2）能量最低原理核外电子总是优先占据能量最低的轨道，然后才依次进入能级较高的原子轨道，使整个原子体系处于最低的能量状态。图2-3。图2-3原子轨道近似能级顺序图电子进入各能级的先后次序为：1s;2s;2p;3s,3p;4s;3d,4p;5s,4d,5p;6s,4f,5d,6p;7s,5f,……。图中这一顺序用圆圈内“（）”中的阿拉伯数字表示。（3）洪特（Hund）规则电子在同一亚层能量相同的等价轨道上排布时，总是尽可能分占不同的轨道，并且自旋方向相同。例如2p亚层有3个轨道，若有2个电子进入2p，则各占一个轨道且自旋平行，可写成，而不是或。2．原子的电子层结构电子在核外的排布情况称为电子层结构。通常表示电子层结构有两种方法。（1）原子轨道式这种表示方式是用一个小方格或小圆圈代表一个原子轨道，在方格或圆圈下面注明该轨道的能级，方格或圆圈内用箭头表示电子的自旋方向。如：7N8O1s2s2p1s2s2p（2）电子排布式它是在亚层符号的左边注明电子层数，在亚层符号的右上角用阿拉伯数字表示所排列的电子数。如4p3：4表示电子层数n=4，是第4电子层的轨道；p代表亚层的符号即l=1，表示属p轨道；3表示在此亚层上的电子数目。根据这些原则，我们可以将原子序数为14的硅元素的原子核外电子排布式列为：1s22s22p63s23p2。有时为了简化，常将内层电子构型用“原子实”来代替。所谓“原子实”是指原子中的内层电子结构与某一稀有气体元素的电子层结构相同的部分，用该稀有气体的元素符号加方括号来表示。如Ne(氖)、Ar(氩)和Kr(氪)的电子层结构分别为1s22s22p6、1s22s22p63s23p6和1s22s22p63s23p63d104s24p6，因此：14Si1s22s22p63s23p2可表示为：［Ne］3s23p233As1s22s22p63s23p63d104s24p3可表示为：［Ar］3d104s24p351Sb1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p3可表示为：［Kr］4d105s25p32．3．4原子的电子层结构与元素周期律、周期表元素周期律的内容是：元素的性质随着原子序数（核电荷数）的递增而呈周期性地变化。原子结构的研究证明：随着核电荷数的递增各元素原子的外电子层结构呈周期性地重复排列。因此，原子核外电子排布的周期性变化正是元素性质周期性变化的本质原因。元素周期表则是各