物质结构基础3143

物质世界五光十色、千变万化归根结底由物质的组成、结构决定研究物质世界，就是研究物质的组成、结构、性质及其变化规律。宏观物质的性质、变化规律缘由于微观物质。化学研究什么？宏观物质亚微观结构分子原子基本粒子物理化学物理化学主要是研究化合物的组成、结构、性质如果某一物理量的变化是不连续的，而是以某一最小单位作跳跃式的增减，这一物理量就是量子化的，其最小单位就称这一物理量的量子(quantum)。量子：1.微观粒子的运动特征（1）量子性如宏观物体所带的电荷量从Q增加到Q+dQ，QdQ，但dQ所包含的电子个数却是很大的(例如1库仑的电荷量为6.241018个电子的电量)从宏观上QQ+dQ可以认为是连续变化的。一、原子结构在微观领域里，一个微观粒子如果是一个离子，所带电荷只有一个或几个电子，从而离子所带电荷的变化，如A-A2-A3-，就不能认为是连续变化的，而是跳跃式的变化。氢原子核外电子所处的能级是不连续的，即电子所具有的能量是量子化的。当电子从一个能级跃迁到另一个能级上是时，粒子能量的改变是跳跃的。概率密度：单位体积的概率。概率波：电子运动在空间出现的概率可以由波的强度表现出来，因此电子及其微观粒子波（物质波），又称概率波。（2）微观粒子运动的统计性光的波粒二象性波动性：干涉，衍射。粒子性：光的性质可以用动量来描述。P:动量入：波长h：普朗克常数6.62610-34J·shP2.波函数微观粒子的波粒二象性1924年法国物理学家德布罗意提出电子等微粒也具有波粒二象性，并预言其波长入和质量m存在关系式：h：普朗克常数v：微观粒子的速度hmv电子衍射示意图定向电子射线晶片光栅衍射图象1927年德布罗意的假设被电子衍射实验证实。电子的衍射图电子的波动性是电子许多行为的统计结果。∵电子的一次行为并不能确定其出现的具体位置。概率波短时间长时间1926年，奥地利物理学家薛定谔（Schrödinger）提出了微观粒子运动的波动方程，即薛定谔方程：其中，为波动函数，是空间坐标x、y、z的函数。E为核外电子总能量，V为核外电子的势能，h为普朗克常数，m为电子的质量。2222222280mEVxyzh+（）（）变换为球面坐标：x=rsinθcosφy=rsinθsinφz=rcosθr2=x2+y2+z2球面坐标变换rsinzxy•P(x,y,z)z=rcosθx=rsinθcosφy=rsinθsinφφθr2222222sin1)(sinsin1)(1rrrrrr0)(822VEhm在整个求解过程中，需要引入三个参数，n、l和m。结果可以得到一个含有三个参数和三个变量的函数=n,l,m(r,,)由于上述参数的取值是非连续的,故被称为量子数。当n、l和m的值确定时，波函数(原子轨道)便可确定。即：每一个由一组量子数确定的波函数表示电子的一种运动状态。n的取值为非零正整数，l的取值为0到(n–1)之间的整数，而m的取值为0到±l之间的整数。,rR),,(ln,θzyxml,Yml,n,ψ波函数是描述核外电子运动状态的函数，也称为原子轨道。原子轨道与经典力学的轨道是完全不同的两个概念。之所以这样叫，只是沿用了“轨道”这个名称而已。波函数角度部分Y(θ,φ)在三维坐标上的图像称为原子轨道的角度分布，图像中的正、负号是函数值的符号。1.氢原子的1s轨道：角度部分为，是一个与角度无关的常数，其图像是一个半径为的球面。2.氢原子的2pz轨道：角度部分为，只与θ角度有关，由于θ是r与z轴的夹角，其图像是一个沿z轴分布的互切双球面。在z轴正向，函数值大于0，z轴反向，函数值小于0。cosπ4/3π4/1π4/13.电子云（ElectronCloud）=“原子轨道”∵波函数ψn,l,m(x,y,z),rR),,(ln,θzyxml,Yml,n,ψ∴原子轨道｛径向分布图角度分布图｝意义：描述电子在原子核外可能出现的空间区域图借用物理学中光波及其光密度等概念，可得到：ψ2—反映电子在空间某位置上单位体积内出现的概率大小，即概率密度。,rR),,(ln,θzyxml,Yml,n,ψ,rR),,(2ln,22θzyxml,Yml,n,ψ图形概率密度图形概率密度的径向分布图图形概率密度的角度分布图用黑点的疏密表示概率密度的图形—称电子云(electronclouds)图原子轨道(ψ)的角度分布示意图(平面图）1s轨道电子云（ψ2）的角度分布示意图1s电子云区别？有+、-之分无+、-之分2pz轨道图形cos43),(Y22cos43),(Y2pz轨道电子云图形有+、-之分无+、-之分区别3P电子云的径向分布示意图电子云—轨道中云层最密的区域。轨道与电子云的区别：原子轨道—特定能量的电子在核外空间出现最多区域；注意：电子云中一个小黑点绝不代表一个电子,不妨将密密麻麻的小黑点看作某个特定电子在空间运动时留下的“足迹”不是一个科学术语只是一种形象化比喻｛p轨道的三种角度分布图s电子云(球形)+-+--+P电子云的角度分布图d轨道五种角度取向++++-++++++++++----------d电子云角度分布图d电子云角度分布图f电子云的角度分布图原子轨道和和电子云的图象(稍作了解)图1.s、p、d原子轨道的角度分布剖面图图2.s，p，d电子云角度分布剖面图(1)主量子数n(principalquantumnumber):Jn102.179E218◆与电子能量有关；◆确定电子出现几率最大处离核的距离；◆不同的n值，对应于不同的电子壳层１２３４５…….(正整数).KLMNO……..对于H：4.核外电子运动状态的描述(2)角量子数l(angularmomentumquantum):反映波函数(即原子轨道，简称轨道)的形状l=0，1，2，3……(n-1)(亚层)↓↓↓↓↓对应于s，p，d，f（未命名）轨道符号◆取值:◆与角动量有关，对于多电子原子,l也与E有关，l↗，E↗s轨道球形＋p轨道哑铃形＋-d轨道有两种形状＋＋--＋＋--◆l决定了ψ的角度函数的形状Theallowedvaluesforangularmomentumquantumnumber,lnl1234(subshellsymbol0000s111p22d3f亚层数1234ss,ps,p,ds,p,d,f角量子数l的容许值◆与角动量的取向有关，取向是量子化的◆m可取值：0，±1,±2……±l◆m值决定了ψ角度函数的空间取向◆同一n值下l值相同而m值不同的轨道互为等价(简并)轨道（3）磁量子数m(magneticquantumnumber)Theallowedvaluesformagneticquantumnumber,mlm轨道数0(s)1(p)2(d)3(f)0＋10－1＋2＋10－1－2＋3＋2＋10－1－2－31357spdfp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.s轨道(l=0,m=0):m一种取值,空间一种取向,一条s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.++++-++++++++++----------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.nlM轨道数每个电子层最多容纳的电子数10(1s)01120(2s)021(2P)0、-1、+113480(3s)0、1(3P)0、-1、+132(3d)0、-1、-2、+1、[phone](4s)01(4P)0、-1、+12(4d)0、-1、-2、+1、+243(4f)0、-1、-2、-3+1、+2、[phone]、表8-1原子轨道与量子数之间的关系（4）自旋量子数ms(spinquantumnumber)◆描述电子绕自轴旋转的状态◆自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为◆ms取值+1/2和-1/2，分别用↑和↓表示想象中的电子自旋:★两种可能的自旋方向:正向(+1/2)和反向(-1/2)★产生方向相反的磁场★相反自旋的一对电子,磁场相互抵消.ElectronspinvisualizedNSSN精品课件！精品课件！核外电子运动轨道运动自旋运动与一套量子数（n,l,m,ms)及其能级(Ei)相对应描述电子运动状态的方法—四个量子数nlmms取值要合理3,3，1,14,3,-1,21