A130-基础化学-第9章-原子结构-梅俊

主讲：梅俊范围：9-10章Tel:22896322原子结构和元素周期律第九章AtomicStructure&PeriodicLawofElements物质分子原子化学键晶体堆积原子核核外电子■物质的化学变化一般只涉及核外电子运动状态的改变■原子结构主要是研究核外电子运动的状态及其排布规律第一节量子力学基础及核外电子运动特性希腊语“原子”—“不可分割”-粒子散射实验:RutherfordE“有核”原子模型:-粒子：He+核外电子有怎样的状态呢？一、氢光谱和氢原子的Bohr模型“古原子说”十九世纪初，道尔顿“近代原子学说”十九世纪末，电子和放射性的发现-原子结构大门才打开。■1904年：ThomsonJJ原子“枣糕模型”①原子都是不能再分的粒子；②同种元素的原子的各种性质和质量都相同；③原子是微小的实心球体近代化学之父、英国科学家约翰·道尔顿提出了世界上第一个原子1803年实心球体①电子是平均的分布在整个原子上的，就如同散布在一个均匀的正电荷的海洋之中，它们的负电荷与那些正电荷相互抵消。②在受到激发时，电子会离开原子，产生阴极射线。1897年发现电子，否定了道尔顿“实心球模型”1904年汤姆逊枣糕模型◆获1906年诺贝尔物理学奖(经典电磁学为理论基础)：①原子的大部分体积是空的②在原子的中心有一个很小的原子核③原子的全部正电荷在原子核内，且几乎全部质量均集中在原子核内部。带负电的电子在核空间进行绕核运动汤姆生的学生卢瑟福完成的α粒子轰击金箔实验（散射实验），否认了……1911年卢瑟福行星模型电子不是随意占据在原子核的周围，而是在固定的层面上运动，当电子从一个层面跃迁到另一个层面时，原子便吸收或释放能量为解释氢原子线状光谱这一事实，玻尔提出了核外电子分层排布的原子结构模型1913年波尔模型波粒二象性测不准原理（1927海森堡）电子绕核运动形成一个带负电荷的云团电子云模型连续光谱：白光通过棱镜分光得到没有明显分界线的光谱。1885年BalmerJ是发现可见光区谱线的波长有简单的规律。原子得到能量会发出单色光，经过棱镜分光得到线状光谱。1913年BohrN借助Planck量子理论，很好地解释了氢原子光谱，建立了氢原子模型，提出了Bohr理论：1、能级假说：定态：电子在轨道上运动时，不吸收也不辐射能量。能级：轨道上电子有特定的能量值。E=-RHn2RH=2.1810-18Jn=1,2,3···+量子化轨道定态能量具有确定值基态激发态能量最低n=1n=2n=3E=-2.18×10-18JE=-RHn2RH=2.1810-18Jn=1,2,3···主量子数氢原子基态n=1能量氢原子第一激发态n=2能量E=-(2.18×10-18)/4J2、能级间的跃迁电子由一定态跃迁到另一定态时要吸收或放出能量跃迁：电子的能量由一个能级改变到另一个能级。+基态(n1)激发态(n2)+基态(n1)激发态(n2)吸收能量+△E=En2-En1=h基态(n1)激发态(n2)吸收能量+△E=En1-En2=h基态(n1)激发态(n2)放出能量△E=En1-En2=h=c/E=-RHn2-△E=RHn12RHn22-=h=hc/■Bohr理论的成功之处：运用了量子化的观点，可解释氢原子光谱。■Bohr理论的不足之处：没有完全摆脱经典力学的束缚，无法解释多电子原子光谱。（微观粒子的运动规律需用量子力学处理）二、电子的波粒二象性■1905年爱因斯坦(Einstein)为了解释光电效应提出，光子论学说确立了光具有波粒二象性。光具有波的性质，能量：E=h光具有粒子的性质，动量：p=mcEinstein方程式E=mc2mc2=hmc=h/c=h/=h/mc联系光的波动性和粒子性的关系式■1924年年仅27岁德布罗意（deBroglie)提出电子等微粒具有波粒二象性的假设。=h/mv=h/pdeBroglie关系式粒子性物理量（p,m,v)波动性物理量（)Planck常数（h)=6.626×10-34J·s=─=─-phhmvdeBroglie关系式=─=─-phhmv电子运动的速度：1/2mv2=eV由加速电场的电压V决定当加速电场的电压V=1000V时计算的电子运动的波长=39pm,波长的数量级和X射线相近，用普通光栅无法检验出它的波动性。■1927年戴维思(Davisson)和革末(Germer)借鉴X衍射实验;得到了电子衍射图，证实了deBroglie假设。电子衍射图的意义■电子具有波动性波峰+波峰=明纹波峰+波谷=暗纹■电子波是概率波明纹波强度大电子出现概率大暗纹波强度小电子出现概率小[例9-1]（1）在1V电压下，电子的运动速度为5.9×105m·s-1，电子的质量为9.1×10-31kg，试计算电子波的波长。解：解：λ=─-hmv[例9-1]（1）在1V电压下，电子的运动速度为5.9×105m·s-1，电子的质量为9.1×10-31kg，试计算电子波的波长。解：λ=─-hmv=────────────6.626×10-349.1×10-31×5.9×105[例9-1]（1）在1V电压下，电子的运动速度为5.9×105m·s-1，电子的质量为9.1×10-31kg，试计算电子波的波长。解：λ=─-hmv=────────────6.626×10-349.1×10-31×5.9×105=1.2×10-9(m)[例9-1]（1）在1V电压下，电子的运动速度为5.9×105m·s-1，电子的质量为9.1×10-31kg，试计算电子波的波长。=1200pm[例9-1]（2）质量为1.0×10-8kg的沙粒以1.0×10-2m·s-1的速度运动,波长是多少？[例9-1]（2）质量为1.0×10-8kg的沙粒以1.0×10-2m·s-1的速度运动,波长是多少？解：λ=─-hmv───────────6.626×10-341.0×10-8×1.0×10-2=6.6×10-24(m)=说明:物质的质量愈大,波长愈小λ=─-hmvdeBroglie关系式●电子λ=1.2×10-9(m)●沙粒λ=6.6×10-24(m)◆宏观物体的波长，小到难以测量，以致其波动性难以察觉，仅表现出◆微观世界粒子质量小，其波长不可忽略而表现出=1200pm粒子性波动性三、测不准原理■宏观物体运动状态可同时准确测定运动坐标和动量有确定的运动轨道■微观粒子运动状态无法同时准确测定运动坐标和动量没有确定的运动轨道Heisenberg测不准关系式△x·△px≥h/4π△x为x方向坐标的测不准量△px为x方向的动量测不准量意义：具有波动性的粒子没有确定运动轨道，只能用其在空间某一微区域可能出现的几率大小来描述它的运动状态。[例9-2]电子在原子核附近运动的速度约为6106m·s-1,原子半径约10-10m。若速度误差为±1%，电子的位置误差x有多大？△x≥h/4mv=解：v=6106m·s-10.01=6104m·s-16.62610-34kg·m2·s-149.110-31kg6104m·s-1=110-9mx比原子半径大10倍，无精确的位置。[例9-3]①.子弹（质量为0.01kg，速度1000m·s-1)、②.尘埃（质量为10-9kg，速度10m·s-1)、③.作布朗运动的花粉（质量为10-13kg，速度1m·s-1)。若速度误差为±1%，判断在确定这些质点位置时，测不准原理是否有实际意义？解：①.子弹（质量为0.01kg，速度1000m·s-1)△x≥h/4mv=解：v=1000m·s-10.01=10m·s-16.62610-34kg·m2·s-140.01kg10m·s-1=5.2710-34m②.尘埃（质量为10-9kg，速度10m·s-1)△x≥h/4mv=解：v=10m·s-10.01=0.1m·s-16.62610-34kg·m2·s-1410-9kg0.1m·s-1=5.2710-25m③.花粉（质量为10-13kg，速度1m·s-1)△x≥h/4mv=解：v=1m·s-10.01=0.01m·s-16.62610-34kg·m2·s-1410-13kg0.01m·s-1=5.2710-20m①.子弹：△x≥5.2710-35m②.尘埃:△x≥5.2710-25m③.花粉:△x≥5.2710-20m④.原子中的电子：△x≥110-9m比原子半径大10倍氢原子结构的量子力学解释第二节deBroglie关系式仅适用于无作用力下微观粒子的运动。原子中核外电子要受到原子核和其它电子的作用，核外电子的运动就不适用于deBroglie关系式。1926年，SchrodingerE推导出了在力场作用下微观粒子运动的波动方程。薛定谔（Schrodinger)方程式22x+22y+22z+22h(E-V)=08πmx、y、z─电子在空间的坐标m─电子的质量E─电子的总能量V─电子的势能─电子的波函数粒子性波动性方程式的解求解此方程很复杂。遗憾！■波函数()─描述电子的运动状态，但没有明确的物理意义。■薛定谔方程的解─波函数（）■概率密度——ψ2，代表电子在核外空间某点(r,θ,φ)出现的概率密度。▲概率——ψ2·dv，代表某点周围微单位体积中电子出现的概率。■电子云——ψ2的形象表示，单位体积内黑点数与ψ2值成正比的图形。以2表对(r,,)作图。黑色深的地方表示电子的概率密度大，浅的地方概率密度小。形象化表示电子概率密度的几何图形——电子云。通过解薛定谔方程式得到的每个合理解——波函数，描述原子中一个电子的运动状态，又常称为原子轨道。■电子运动状态用ψ和相应能量E描述。■电子具有波粒二象性,电子波即概率波■一个ψ对应一确定能量值(定态)，电子能量具有量子化特征(不连续的)。■无确定的运动轨道波函数给出了电子运动的全部信息：HHe+Li2+核外只有一个电子可精确求解其Schrodinger方程▲把直角坐标换成球极坐标氢原子结构的量子力学解释一、量子数quantumnumberθφr(r,θ,φ)P(x,y,z)zxyP’直角坐标转换成球极坐标x=rsinθcosφy=rsinθsinφz=rcosθ0一、量子数quantumnumber氢原子结构的量子力学解释r=x2+y2+z2θφr(r,θ,φ)P(x,y,z)zxyP’直角坐标与极坐标的关系x=rsinθcosφy=rsinθsinφz=rcosθ√O一、量子数quantumnumber氢原子结构的量子力学解释HHe+Li2+核外只有一个电子可精确求解其Schrodinger方程◆把直角坐标换成球极坐标◆Schrodinger方程解出氢原子的函数ψn，l，m(r,θ,φ)及其能量(表9—2)一、量子数quantumnumber氢原子结构的量子力学解释一、量子数quantumnumber量子数引入三个取值一定的整数薛定谔方程才有合理的解ψn，l，m(r,θ,φ)代表一个原子轨道nlm（电子的运动状态）氢原子结构的量子力学解释1、三个量子数的取值和物理意义nlm物理意义取值规律决定电子离核的远近和能量的高低(电子层数)1、2、3…n决定原子轨道形状和能量的高低(能级或亚层)0、1、2、3…(n-1)s、p、d、f…决定原子轨道在空间的伸展方向0、±1、±2…±l主量子数轨道角动量量子数磁量子数氢原子结构的量子力学解释2、量子数组合与轨道数nlmψ同层轨道数(n2)能级1001ψ1s(或ψ1、0、0）200ψ2s10ψ2pz*4±1ψ2px,ψ2py12氢原子结构的量子力学解释300ψ3s10ψ3pz*920ψ3dz2*ψ3dxy,ψ3d(x2-y2)nlmψ同层轨道数(n2)能级±1ψ3px,ψ3py±1ψ3dxz,ψ3dyz±23*简并(等价)轨道:能量相同即能级相同2、量子数组合与轨道数氢原子结构的量子力学解释3、自旋角动量量子数（Si)──表示电子自旋方向的量子数氢原子结构的量子力