2019年无机化学大学课件第一章原子结构和元素周期律.ppt

第一章原子结构和元素周期律•本章共计6学时。•教学基本要求：•1.从氢原子光谱了解能级、原子核外•电子运动的近代概念；•2.掌握四个量子数对核外电子运动的描述；•3.熟悉s、p、d原子轨道和电子云的形状及伸展方向；•4.重点掌握周期系内各元素原子的核外电子排布及其电子层结构的特征，并结合原子参数熟悉元素性质周期性的变化规律。图1道尔顿原子模型§1.1原子的含核模型1.“枣糕模型”：1903年W.汤姆生(1824~1907)提出，原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球内，电子则镶在球里，原子受到激发后，电子振动，产生光谱。图2汤姆生原子模型2.1911~1912年间英国物理学家C.威尔逊(1869~1959)在自己设计的“威尔逊云室”中研究a粒子在除去微尘的湿空气中的运动轨迹，发现：大多数a粒子沿直线运动，个别粒子在某点突然改变方向，沿与原射线成一定角度的方向前进；3.1911年卢瑟福、盖革及马斯登用闪烁记数法使a粒子通过金箔进行了实验，得到了同样的现象，由此卢瑟福得出结论：原子由带正电的很重的核和周围绕核运动的电子组成，原子核与电子层比较起来非常小，即所谓“太阳系模型”。图3卢瑟福原子模型图4α粒子的散射实验1、绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进。2、少数α粒子发生了较大角度的偏转。3、极少数α粒子偏转角度超过900，有的甚至被弹回，偏角几乎达1800。结果分析：•1、电子不可能使α粒子产生大角度的散射。•2、汤姆生模型也不可能产生大角度偏转。•3、1m厚的金箔包含有10-6/10-10=104个原子层。•4、大角度（几乎1800）偏转，说明α粒子受到了很大的库仑力的作用。1、电子的作用可以忽略。2、由于核很小，故绝大多数a粒子接近它的机会很少。3、只有当a粒子与核接近时，才会产生大角度的偏转。5.1913年丹麦物理学家玻尔在卢瑟福原子模型的基础上，引用了普朗克的量子论、爱因斯坦的“光子说”方程，提出了玻尔原子结构理论。图5玻尔的原子模型1.1.2玻尔的原子模型1.卢瑟福的原子含核模型的缺陷：(1)电子静止；(2)辐射能量。2.连续光谱：如太阳光经棱镜后形成的彼此连续的光谱；彩虹13.线状光谱：原子受带电粒子的撞击（或加高温）直接发出特定波长的明线光谱称为发射光谱，即由许多分立的谱线组成，又称线状光谱。4.原子光谱：这些光谱线就构成了原子光谱。如:Na,l=589nm5.氢原子光谱：特征谱线！氢谱6.玻尔的三个基本假设：(1)定态轨道理论：原子中的电子不能任意地绕核旋转，而只能在一些符合一定条件的轨道上运动，即电子不放出能量，轨道为稳定轨道，此状态称基态；(2)轨道能级的概念：电子运动的轨道不同能量就不同，离核越远能量越高；电子尽可能处于离核较近(低能量)的轨道；电子运动所处的能量状态称为能级，电子所处轨道的能量是量子化的(不连续的)；2hnmvrpFigure6Theemissionspectrumofatomichydrogen.紫外区可见光区红外区HeHdHgHbHa图7氢原子光谱656.3486.1434.0397.0410.2nm/l(3)能量变化的量子化：电子从高能级(E2)的激发态回到低能级(E1)时，以光子的形式释放能量，其频率取决于两轨道间的能量差：△E=E2–E1=hn氢原子：与光谱实验结果一致；§1.2原子的量子力学模型1.2.1微观粒子的波粒二象性波动性：光的干涉、衍射；光粒子性：光电效应；m、v、1.德布罗依波：1924年德布罗依大胆地推测—波粒二象性并非光所独有，一切运动着的实物粒子(电子、中子等)均具有。121312molKJnEnlnhE、、221mvE波动性：电子衍射；(演示)实物粒子粒子性：m、v、—德布罗依公式2.测不准原理：mvpmvhl2hpx图8薛定谔电子云模型1.2.2原子核外电子的近代描述1.薛定锷方程：0)(822222222VEhmzyx薛定谔方程描述的是一个质量为m的粒子在三维空间运动的时候，当它处于位能为V(x,y,z)的力场中时，每一个定态均可用满足这个方程合理解的波函数来描述，与每一个相应的常数E就是粒子处在该定态时的总能量。Figure9phericalpolarcoordinates(r,θ,φ)andCartesianaxes(x,y,z).zprq0yfxp’•解薛定谔方程时，为了方便起见，将直角坐标x,y,z变换成球极坐标r,q,f，这样(x,y,z)就变成了(r,q,f)=R(r)Q(q)F(f)，将与角度有关的函数合并为Y(q,f)，则(r,q,f)=R(r)Y(q,f)，R(r)只与电子离核远近有关，称为波函数的径向部分，可画出径向分布图，Y(q,f)只与两个角度有关，称为波函数的角度部分，可画出角度分布图。222zyxrrCoszSinrSinyCosrSinxqqqqqqq,,,,,YrRrrRrFQ将(r,q,f)=R(r)Q(q)F(f)代入薛定谔方程，得到三个只含一个自变量的常微分方程：•n=1,2……,7(N)•l=0,1,2,…,(n-1),n个值•m=0,±1,…,±l,(2l+1)值薛定谔方程有非常多的解，为了使所求的解具有特定的物理意义需要有边界条件的限制，为此引入三个参数n,l,m，量子力学中称为量子数。用一组量子数(n,l,m)解薛定谔方程，便可得到一个波函数的数学函数式。因此，波函数可用一组量子数(n,l,m)来描述它。而每一组量子数所确定的波函数就表示电子的一种运动状态。在量子力学中，把三个量子数都有确定值的波函数称为一条原子轨道。如:n=1,l=0,m=0所描述的波函数100称为1s原子轨道。bVEhmrdrdRrdrdR222281nqbqqqqQQ2SinddSinddSinnFF221dd2.波函数和原子轨道波函数()：是描述电子运动状态的数学函数式，用(r,q,f)表示；原子轨道：波函数的图象称为原子轨道。但必须注意：这里的原子轨道的含义不同于宏观物体的运动轨道（如铁轨），它是指电子云的分布情况或电子的一种空间运动状态，换句话说，将一定空间取向的电子云，看作是一个原子轨道。例如s电子云为球形，只有一条轨道(各方向取向相同)；p电子云为哑铃形，有三个取向(px,py,pz)，因此有三条轨道；而d电子云有五条轨道；f电子云有七条轨道。角度分布：Y(q,f)原子轨道径向分布：R(r)图10原子核外电子出现的几率图11原子核外电子出现几率的统计结果Figure12Threerepresentationsoftheelectronprobabilityfora1sorbital.Figure13Electronprobabilityfora2sorbital.3.四个量子数(n、l、m、ms)：物理意义、取值范围及相互关系•解薛定谔方程必须先确定三个量子数，即n,l,m；除此之外，由于电子还要作自旋运动，因此需引入描述电子自旋特征的第四个量子数ms——自旋量子数。•这些量子数对所描述的电子的能量、原子轨道或电子云的形状和空间伸展方向以及多电子原子核外电子的排布是非常重要的，或者说，四个量子数确定了，核外电子的运动状态就确定了。•(1)主量子数(n)(principlequantumnumber)•它是用来描述原子中电子出现概率最大区域离核远近的参数，或者说，它是确定电子层数的。n的取值为：1，2，3，4…n等正整数，表示电子层数。光谱学上常用K，L，M，N…表示电子层数。•意义：n是决定电子层能量高低的主要因素，n=1表示离核最近，能量最低的第一电子层；n=2表示离核次近的能量次低的第二电子层，依此类推。能量越低，受核束缚越大，能量越低。(2)角量子数(l)或副量子数(azimuthalquantumnumber)电子绕核运动时，不仅具有一定的能量，而且也具有一定的角动量P，它的大小与原子轨道或电子云的形状有密切的关系。l的取值为：0，1，2，3…(n-1)。如：当n=2时，l=0,1两个值。意义：它表示原子轨道（电子云）的形状，角量子数l与多电子原子中电子的能量有关，即多电子原子中，电子的能量取决于主量子数n和角量子数l。角量子数l表示同一电子层中具有不同状态的亚层。l的每一个数值表示一个亚层，按光谱学上的习惯，常用下列符号来表示：l01234光谱符号s亚层p亚层d亚层f亚层g亚层电子云形状球形哑铃形花瓣形复杂形图形……l=0l=2l=1图14角量子数的不同取值•(3)磁量子数(m)(magneticquantumnumber)•线状光谱在外加强磁场的作用下能发生分裂的实验表明，电子绕核运动的角动量P，其分量也是量子化的，分量大小与磁量子数m有关。•m的取值为：0，1，2，3…l(共有2l+1个值)。•意义：m决定角动量在空间给定方向上的分量大小，即决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向。如下表所示，l不同时，电子云的空间伸展方向也不同。lm空间运动状态数(伸展方向)(轨道)00s轨道一种s1+10–1p轨道三种px,py,pz2+2+10–1-2d轨道五种dxy,dyz,dxz,dz2,dx2-y23+3+2+10–1–2-3f轨道七种……xyzzY2pxY2pxyzyY2pxyzm=0,±1图15l=1时磁量子数的不同取值2d3zxyz22d3yxxyzxyd3xyzxzd3xyzyzd3xyzm=0,±1,±2图16l=2时磁量子数的不同取值由于空间伸展方向的不同，使亚层中出现不同的轨道，如p亚层有三条轨道，这三条轨道能量完全相同，只是空间伸展方向不同，这样的轨道称为等价轨道(equivalentorbital)或简并轨道(degenerateorbital)，l相同的五条d轨道或七条f轨道都是等价轨道。(4)自旋量子数(ms)(spinquantumnumber)•1921年斯脱恩(OttoStern)和日勒契(WalterGerlach)将原子束通过一不均匀磁场，原子束一分为二，偏向两边，证实了原子中未成对电子的自旋方向不同。1925年乌仑贝克(Uhlenbeck)和哥德希密特(Goudsmit)提出了电子自旋的假设，他们认为电子除绕核作高速运动之外，还有自身旋转运动，称为自旋(类似地球围绕太阳运动外，本身自转)见P16图1-2-11。•为了描述电子的运动状态，必须考虑电子的自旋运动，为此引入第四个量子数——自旋量子数ms。Figure18Electronspinvisualized.根据量子力学计算，ms值只能取和，即顺时针旋转和逆时针旋转两种，可分别用箭头“”和“”表示。综上所述，有了四个量子数，就可以确定电子在原子核外的运动状态，根据四个量子数数值间的关系，则可以计算出各电子层中可能有的运动状态数。小结：三个量子数n,l,m可以确定一个空间运动状态，即一条原子轨道；而四个量子数则可以全面确定电子的运动状态。每种类型的原子轨道数目等于磁量子数即(2l+1)个。在每一条原子轨道上，电子可以取两种相反的运动“”，而各电子层中可能有的状态数，K层为2个，L层为8个，M层为18个，N层为32个，可以归纳起来得出：各电子层可能有的状态数等于主量子数平方的2倍,即状态数=2n2，每层轨道数为n2个。见表1.1。以上这些结论对于我们用原子结构知识来讨论原子的电子层结构类型和周期表是非常有用的。2121表1.1电子层，电子亚层，原子轨道，运动状态与量子数之间的关系电子层主量子数n符号1K2L3M…n…电子能亚级层副量子数l亚层数符号011s0,122s2p0,1,233s3p3d0,1,2…(n-1)nnsnpndnf…原子波轨函道数磁量子数m层轨道数符号011s00,±142s2px2py2pz00,±10,±1,±293s3px3py3pz3dxy3dyz