第八章原子结构和元素周期系-沈阳药科大学精品课程建设

沈阳药科大学《无机化学》教案第八章原子结构第一节玻尔的氢原子模型课时安排：2学时一、教学目的了解氢原子光谱、玻尔氢原子模型、微观粒子的波粒二象性和测不准原理等基本概念。二、教学重点和难点1．教学重点电子的波粒二象性、氢原子光谱、Bohr理论。海森堡的不确定原理和SchrÖdinger方程。2．教学难点海森堡的不确定原理和SchrÖdinger方程。三、教学方法与手段1．教学方法采用学生提前预习和启发式教学，向学生推荐参考书及期刊等方式，开阔学生的视野，激发学生的学习热情。2．教学手段采用录像播放的方法。四、教学内容（一）玻尔的氢原子模型1．玻尔模型建立的基础氢原子光谱特征:不连续光谱,即线状光谱；其频率具有一定的规律。Bohr理论的三点假设；①核外电子只能在有确定半径和能量的轨道上运动,且不辐射能量；②通常，电子处在离核最近的轨道上，能量最低——基态；原子获得能量后，电子被激发到高能量轨道上，原子处于激发态。③从激发态回到基态释放光能，光的频率取决于轨道间的能量差。玻尔理论的不足之处：不能解释氢原子光谱的精细结构；不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂；不能解释多电子原子的光谱。（二）原子的量子力学模型1．微观粒子的波粒二象性波粒二象性（或二重性）（duality）是量子力学的基础，是理解核外电子运动状态的关键。德布罗意物质波海森堡(W.Heisenberg)不确定原理（uncertaintyprinciple）是指同时准确地知道微观粒子的位置和动量是不可能的。即说明具有波动性的粒子没有确定的轨道原理。2．核外电子运动状态的近代描述量子力学的基本方程—Schrödinger方程0)(822222222VEhmzyx式中Ψ称为波函数，E是系统中电子的总能量，V是体系电子的总势能，m是电子的质量,（E-V）是电子的动能。直角坐标(x,y,z)与球坐标(r,θ,φ)的转换Ψ（r，，）=Rn,l（r）·Yl,m（，）薛定谔方程为量子力学中描述核外电子在空间运动状态的方程，则它的解波函数Ψ是描述核外电子运动状态的函数。五、课后思考题或作业微观粒子运动具有哪些特点？电子的波动性是通过什么实验得到证实的？六、教学参考资料1.王国清主编。无机化学第2版（第八章第三节、第四节）。北京：中国医药科技出版社，2008年2.张天蓝主编。无机化学第5版。北京：人民卫生出版社，2007年3.宋天佑，程鹏，王杏乔．无机化学．北京：高等教育出版社，2004年4.武汉大学，吉林大学等．无机化学．第3版．北京：高等教育出版社，2001年第二节原子的量子力学模型课时安排：2学时一、教学目的了解核外电子运动的特征和现代量子力学描述核外电子运动状态的基本方法。了解简并轨道、原子轨道的角度分布图、电子云的角度分布图、径向分布图。掌握波函数、原子轨道和电子云的概念。掌握四个量子数的物理意义和基本取值。二、教学重点和难点1．教学重点四个量子数的物理意义和基本取值；波函数、原子轨道和电子云的概念及角度分布图。2．教学难点原子轨道和电子云的原子轨道和电子云的概念及角度分布图。三、教学方法与手段1．教学方法采用学生提前预习和启发式教学，向学生推荐参考书及期刊等方式，开阔学生的视野，激发学生的学习热情。2．教学手段采用多媒体课件与板书相结合的教学手段，以多媒体教学为主。四、教学内容（一）核外电子运动状态的描述四个量子数1．主量子数nn=1,2,3…正整数。决定电子出现概率最大处离核的距离和轨道能量的高低，与电子能量有关,n越大，电子能量越大。2．角量子数l又称副量子数，代表了轨道的形状。l的取值0，1，2，3……n－1对于多电子原子,l与n共同决定电子的能量；对于给定的n，l越大，轨道能量越高。3．磁量子数m表示轨道在空间的伸展方向。取值受l的限制，对给定的l值，m=0,1,2,3，……，l,共计（2l＋1）个值，即2l＋1种伸展方向。l相同，m不同的几个原子轨道,能量是等同的,这样的轨道称为等价轨道简并轨道。4．自旋量子数ms表示电子在空间的自旋方向。其方向有两个：顺时针方向和逆时针方向。用自旋量子数21sm和21sm表示。对于这种自旋方向，也常用“”和“”表示。（二）波函数和电子云的有关图形1．波函数（原子轨道）角度分布图（图8-1）图8-1s、p、d波函数（原子轨道）角度分布图2．波函数的物理意义Ψ是描述核外电子运动状态的函数。它的物理意义可以通过|Ψ|2来理解,|Ψ|2代表微粒在空间某点出现的概率密度。电子云是电子出现概率密度的形象化描述。3．波函数平方（电子云）的角度分布图（图8-2）图8-2电子云的角度分布图电子云的角度分布图和相应的原子轨道的角度分布图是相似的，它们之间主要区别有两点：①由于Y＜l，因此Y2一定小于Y，因而电子云的角度分布图要比原子轨道角度分布图“瘦”些；②原子轨道角度分布图有正、负之分，而电子云角度分布图全部为正，这是由于Y平方后，总是正值。4．电子云的径向分布图①曲线的极大值数为（n-l）个，比如3s轨道，n=3，l=0，即有三个极大值，D－r曲线上有三个峰；②n相同，l不同，极大值峰数目不同，但l越小，峰越多，最小峰离核越近，主峰（最大峰）离核越远；③l相同，n不相同，n越大，主峰高核越远；不同n的电子，其活动区域不同；④n相同的电子，其活动区域相近，所以核外电子是可以分层，n值表示电子层，l值表示同一电子层内部的亚层。五、课后思考题或作业1.原子轨道、概率密度和电子云三个概念的含义是什么？2.什么叫四个量子数？描述原子中电子运动状态的四个量子数的物理意义各是什么？它们的可能取值是什么？3.原子轨道角度分布图和电子云角度分布图的含义有何不同？它们的图形有何相似和区别？六、教学参考资料1.王国清主编。无机化学第2版（第八章第三节、第四节）。北京：中国医药科技出版社，2008年2.张天蓝主编。无机化学第5版。北京：人民卫生出版社，2007年3.宋天佑，程鹏，王杏乔．无机化学．北京：高等教育出版社，2004年4.武汉大学，吉林大学等．无机化学．第3版．北京：高等教育出版社，2001年第三节原子的电子结构与元素周期系课时安排：2学时一、教学目的了解屏蔽效应和钻穿效应对多电子原子能级的影响。从原子结构与元素周期系的关系了解元素某些基本性质，如原子半径、电离能、电子亲核能的电负性的周期性变化规律。掌握多电子原子核外电子排布的三原则，能熟练的写出元素的原子和简单离子的核外电子排布式和价电子构型。掌握元素的原子核外电子构型与元素周期表的关系（周期、族和区）。二、教学重点和难点1．教学重点多电子原子核外电子排布的三原则，元素的原子和简单离子的核外电子排布式和价电子构型。元素的原子核外电子构型与元素周期表的关系（周期、族和区）。2．教学难点屏蔽效应和钻穿效应对多电子原子能级的影响三、教学方法与手段1．教学方法采用学生提前预习和启发式教学，向学生推荐参考书及期刊等方式，开阔学生的视野，激发学生的学习热情。2．教学手段采用多媒体课件与板书相结合的教学手段，以多媒体教学为主。四、教学内容（一）多电子原子轨道能级1.原子轨道近似能级图图8-3鲍林近似能级图图8-4电子填充顺序2.屏蔽效应一个指定的电子会受到来自内层电子和同层其他电子负电荷的排斥力,这种球壳状负电荷像一个屏蔽罩,部分阻隔了核对该电子的吸引力。3.钻穿效应外层电子可钻入内电子壳层而更靠近原子核，这种电子渗入原子内部空间而更靠近核的本领称为钻穿。由于电子钻穿而引起能量发生变化的现象称为钻穿效应（drillthrougheffect）或穿透效应(penetrationeffect）。钻穿效应的存在不仅能引起轨道能级的分裂,而且还能导致能级的交错。图8－54s和3d的径向分布函数图（二）核外电子排布规则1．能量最低原理2．泡利不相容原理3．洪特规则在同一亚层的各个轨道（等价轨道）上，电子的排布将尽可能分占不同的轨道，并且自旋方向相同。这个规则叫洪特规则（Hund’srule），也称最多等价轨道规则。洪特规则的特例，等价轨道（简并轨道）全充满（p6或d10或f14）,半充满（p3或d5或f7），或全空（p0或d0或f0）状态是比较稳定的。（三）原子的电子结构和元素周期系1.原子的电子结构与元素周期律周期（1）元素所在的周期数等于该元素原子的电子层数，且周期数与各能级组的组数一致。（2）各能级组中轨道所容纳的电子总数与相应周期包含的元素的数目相等。族把原子结构相似的元素排成一竖行称为族。长周期表共分18列，其中，铁、钌、锇、钴、铑、铱、镍、钯、铂三列合成一族，称为第Ⅷ族，其余每一列为一族，共16个族。2.元素在周期表中的分类s区、p区、d区、ds区、f区（四）元素的基本性质的周期性1.原子半径主族元素：从左到右r减小；从上到下r增大。过渡元素：从左到右r缓慢减小；从上到下r略有增大，变化小，镧系收缩。2.原子的电离能图8－6元素第一电离能的呈现周期性变化3.原子的电子亲合能同周期元素，从左到右，元素的电子亲合能逐渐减小。同一周期中以卤素的电子亲合能最小。同一族，从上到下，总的变化趋势是逐渐变小。4.电负性电负性是原子在分子中吸引电子的能力。同一周期内，元素的电负性随原子序数的增加而增大。同一族内，自上而下，电负性逐渐减小。五、课后思考题或作业1.说明屏蔽效应、钻穿效应与原子中电子排布顺序的关系。2.主族元素和副族元素的原子结构各有什么特点？3.氮的价电子构型2s22p3,试用四个量子数分别表明每个电子的运动状态。4.分别写出29、35、42号元素的核外电子排布式、元素符号，并判断它们在周期表中所处的位置。六、教学参考资料1.王国清主编。无机化学第2版（第八章第三节、第四节）。北京：中国医药科技出版社，2008年2.张天蓝主编。无机化学第5版。北京：人民卫生出版社，2007年3.宋天佑，程鹏，王杏乔．无机化学．北京：高等教育出版社，2004年4.武汉大学，吉林大学等．无机化学．第3版．北京：高等教育出版社，2001年