原子结构和元素周期表

整理文档很辛苦,赏杯茶钱您下走!

免费阅读已结束,点击下载阅读编辑剩下 ...

阅读已结束,您可以下载文档离线阅读编辑

资源描述

上页下页目录返回第2章原子结构和元素周期表上页下页目录返回2.初步了解原子核外电子运动的近代概念、原子能级、波粒二象性、原子轨道和电子云概念。2.了解四个量子数对核外电子运动状态的描述,掌握四个量子数的物理意义、取值范围。3.熟悉s、p、d原子轨道的形状和方向。4.理解原子结构近似能级图,掌握原子核外电子排布的一般规则和s、p、d、f区元素的原子结构特点。4.会从原子的电子层结构了解元素性质,熟悉原子半径、电离能、电子亲和能和电负性的周期性变化。本章教学要求上页下页目录返回2.1原子结构理论及发展2.1.2玻尔模型2.1.1经典物理学概念面临的窘境上页下页目录返回2.1.1经典物理学概念面临的窘境Rutherford卢瑟福的“太阳-行星模型”的要点:1.所有原子都有一个核即原子核(nucleus);2.核的体积只占整个原子体积极小的一部分;3.原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上;4.电子像行星绕着太阳那样绕核运动,并向外辐射能量。上页下页目录返回上页下页目录返回上页下页目录返回2.1.2玻尔模型上页下页目录返回爱因斯坦的光子学说普朗克的量子化学说氢原子的光谱实验卢瑟福的有核模型Bohr在的基础上,建立了Bohr理论Bohr模型的建立BohrmodelBohr模型的建立Bohrmodel波粒二象性Bohr模型的建立Bohr’smodelBohr模型的建立Bohr’smodel上页下页目录返回上页下页目录返回上页下页目录返回上页下页目录返回上页下页目录返回原子只能处于限定的几个能态。指除基态以外的其余定态.各激发态的能量随n值增大而增高。电子只有从外部吸收足够能量时才能到达激发态。定态(stationarystates):所有这些允许能态之统称。电子只能在有确定半径和能量的定态轨道上运动,且不辐射能量。基态(groundstate):n值为1的定态。通常电子保持在能量最低的这一基态。基态是能量最低即最稳定的状态。激发态(excitedstates):★关于轨道、能量量子化的概念上页下页目录返回上页下页目录返回上页下页目录返回上页下页目录返回上页下页目录返回上页下页目录返回上页下页目录返回上页下页目录返回●不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂●不能解释氢原子光谱的精细结构●不能解释多电子原子的光谱Bohr理论的不足之处Bohr’smodelBohr理论的不足之处Bohr’smodel氢原子光谱的特征:①不连续的、线状的;②是很有规律的。上页下页目录返回2.2.1不确定原理和波动力学的轨道Uncertaintyprincipleandorbitalonthewavemechanicalmodel2.2原子结构的波动力学模型Thewavemechanicalmodelofatomicstructure2.2.2描述电子运动状态的四个量子数Fourquantumnummersdefiningthemovementstateofelectron上页下页目录返回2.2.1不确定原理和波动力学的轨道概念●重要暗示——不可能存在Rutherford和Bohr模型中行星绕太阳那样的电子轨道。●具有波粒二象性的电子,不再遵守经典力学规律,它们的运动没有确定的轨道,只有一定的空间概率分布。实物的微粒波是概率波。●海森堡的不确定原理(Heisenberg’suncertaintyprinciple)不可能同时测得电子的精确位置和精确动量!)/(4hpx上页下页目录返回H原子的1s电子云1s等概率率密度面1s界面图上页下页目录返回上页下页目录返回H+HH-DHe波尔以波的微粒性(即能量量子化概念)为基础建立了氢原子模型。薛定谔等则以微粒波动性为基础建立起原子的波动力学模型。波粒二象性对化学的重要性在于:波粒二象性对化学的重要性在于:上页下页目录返回上页下页目录返回上页下页目录返回上页下页目录返回H原子的1s电子云1s等概率率密度面1s界面图电子云:电子在核外出现几率密度的大小的疏密的表示,电子出现几率密度大的区域用密集的小点来表示;电子出现几率密度小的区域用稀疏的小点来表示,这样绘成的图形称为电子云。所以电子云是几率密度的图形表示上页下页目录返回(1)主量子数n(principalquantumnumber)2.2.3描述电子运动状态的四个量子数J10179.2218nE◆与电子能量有关,对于氢原子,电子能量唯一决定于n◆确定电子出现概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……..KLMNO……..上页下页目录返回◆与角动量有关,对于多电子原子,l也与E有关◆l的取值0,1,2,3……n-1(亚层)s,p,d,f…...◆l决定了ψ的角度函数的形状(2)角量子数l(angularmomentumquantumumber)nl1234(亚层0000s111p22d3f)上页下页目录返回p电子云s电子云上页下页目录返回d电子云上页下页目录返回◆与角动量的取向有关,取向是量子化的◆m可取0,±1,±2……±l◆取值决定了ψ角度函数的空间取向◆m值相同的轨道互为等价轨道(3)磁量子数m(magneticquantumnumber)Lm轨道数0(s)1(p)2(d)3(f)0+10-1+2+10-1-2+3+2+10-1-2-31357上页下页目录返回s轨道(l=0,m=0):m一种取值,空间一种取向,一条s轨道p轨道(l=1,m=+1,0,-1)m三种取值,三种取向,三条等价(简并)p轨道上页下页目录返回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轨道上页下页目录返回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轨道本课程不要求记住f轨道具体形状!上页下页目录返回(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↓表示磁场屏幕窄缝银原子流炉上页下页目录返回n,l,m一定,轨道也确定0123……轨道spdf……例如:n=2,l=0,m=0,2sn=3,l=1,m=0,3pzn=3,l=2,m=0,3dz2核外电子运动轨道运动自旋运动与一套量子数相对应(自然也有1个能量Ei)nlmms上页下页目录返回什么是轨道的“节点”和“节面”?Question5Solution对p轨道,电子概率为零的区域是个平面,称之为节面。px轨道的节面是yz平面,py轨道和pz轨道的节面分别是xz平面和xy平面。如2s轨道的两种表示法中,(a)中原子核附近(r=0)电子概率最高,在离核某个距离处下降到零,概率为零的这个点叫节点。上页下页目录返回2.4.1鲍林近似能级图PortrayalofPaulingapproximationenergylevel2.4.2屏蔽和穿钻Shieldingandpenetration上页下页目录返回2.4.1鲍林近似能级图◆n值相同时,轨道能级则由l值决定,叫能级分裂;◆l值相同时,轨道能级只由n值决定,例:E(1s)E(2s)E(3s)E(4s)◆n和l都不同时出现更为复杂的情况,主量子数小的能级可能高于主量子数大的能级,即所谓的能级交错。能级交错现象出现于第四能级组开始的各能级组中。上页下页目录返回上页下页目录返回上页下页目录返回2.4.2屏蔽和穿钻对一个指定的电子而言,它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(1)屏蔽效应(Shieldingeffect)J)(10179.22218nZEe-e-Hee-He+2-σ假想HeHe+移走一个e需8.716×10-18J+2+2e-He移走一个e需3.939×10-18J上页下页目录返回屏蔽参数σ的大小可由Slater规则决定:将原子中的电子分成如下几组:(1s)(2s,2p)(3s,3p)(3d)(4s,4p)(4d)(4f)(5s,5p)…◆位于被屏蔽电子右边的各组,=0◆1轨道上的2个电子间=0.30,n1时,=0.35◆被屏蔽电子为ns或np时,(n-1)层对它=0.85小于(n-1)的=2.00◆被屏蔽电子nd或nf时,左边各组=2.00Z*=Z-σ有效核电荷Z*与屏蔽参数σshieldingparameter上页下页目录返回为什么2s价电子比2p价电子受到较小的屏蔽?Question6Solution2s电子云径向分布曲线除主峰外,还有一个距核更近的小峰.这暗示,部分电子云钻至离核更近的空间,从而部分回避了其他电子的屏蔽.上页下页目录返回◆轨道的钻穿能力通常有如下顺序:nsnpndnf,导致能级按E(ns)E(np)E(nd)E(nf)顺序分裂。指外部电子进入原子内部空间,受到核的较强的吸引作用。(2)钻穿效应◆如果能级分裂的程度很大,就可能导致与临近电子层中的亚层能级发生交错。上页下页目录返回(1)基态原子的电子组态氩原子(Z=18)的基态电子组态标示为:Ar1s22s22p63s23p6钾原子(Z=19)的基态电子组态标示为:K1s22s22p63s23p64s1(或[Ar]4s1)根据原子光谱实验和量子力学理论,基态原子的核外电子排布服从构造原理(buildingupprinciple)。上页下页目录返回(2)构造原理◆最低能量原理(Theprinciplethelowestenergy):电子总是优先占据可供占据的能量最低的轨道,占满能量较低的轨道后才进入能量较高的轨道。根据顺序图,电子填入轨道时遵循下列次序:1s2s2p3s3p4s4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p铬(Z=24)之前的原子严格遵守这一顺序,钒(Z=23)之后的原子有时出现例外。上页下页目录返回◆泡利不相容原理(Pauliexclusionprinciple):同一原子中不能存在运动状态完全相同的电子,或者说同一原子中不能存在四个量子数完全相同的电子。例如,一原子中电子A和电子B的三个量子数n,l,m已相同,ms就必须不同。量子数nlmms电子A210电子B2102121上页下页目录返回怎样推算出各层(shell)和各亚层(subshell)电子的最大容量?Question7Solution由泡利不相容原理并结合三个轨道量子数之间的关系,能够推知各电子层和电子亚层的最大容量。nl轨道数亚层最大容量电子层最大容量101个s22201个s2825个d10301个s21813个p613个p6401个s23213个p625个d1047个f14上页下页目录返回◆洪德规则(Hund’srule):电子分布到等价轨道时,总是尽量先以相同的自旋状态分占轨道。即在n和l相同的轨道上分布电子,将尽可得分布在m值不同的轨道上,且自旋相同。例如Mn原子:未成对电子的存在与否,实际上可通过物质在磁场中的行为确定:含有未成对电子的物质在外磁场中显示顺磁性(paramagnetism),顺磁性是指物体受磁场吸引的性质;不含未成对电子的物质在外磁场中显示反磁性(diamagnetism),反磁性是指物体受磁场排斥的性质。(b)[Ar](a)[Ar]3d4s上页下页目录返回N1s22s22p3上页下页目录返回洪德规则的特例:等价轨道全充满、半充满或全空的状态是比较稳定的。全充满:p6,d10,f14半充满:p3,d5,f7全空:p0,d0,f0上页下页目录返回根据Hund’srule,下列三种排布中哪一种是氮原子的实际电子组态?↓↑↓↑↓↑↑——————————1s2s2px2py2pz↓↑↓↑↑↑↑——————————1s2s2px2py2pz↓↑↓↑↑↓↑——————————1s2s2px2py2pzQuestion8Solution上页下页目录返回22662291223343()sdsspsp误11022626122433(3)sspspsd正确

1 / 82
下载文档,编辑使用

©2015-2020 m.777doc.com 三七文档.

备案号:鲁ICP备2024069028号-1 客服联系 QQ:2149211541

×
保存成功