第一章原子结构与元素周期系

1第一章原子结构与元素周期系第一篇物质结构基础2教学要求1.要求建立定态、激发态、量子数和电子跃迁4个概念.2.初步理解量子力学对核外电子运动状态的描述方法——处于定态的核外电子在核外空间的概率密度分布（即电子云）；初步理解核外电子的运动状态——能层、能级、轨道和自旋以及4个量子数；同时要掌握核外电子可能状态数的推算。3.掌握确定基态原子电子组态的构造原理，在给定原子序数时能写出基态原子的电子组态，特别是价电子层构型；4.掌握电离能、电子亲和能和电负性3个基本参数的物理意义及其周期性变化规律.31－1道尔顿原子论文艺复兴时代的巨匠列奥那多·达·芬奇（1452－1519）曾说过：“爱好实验而没有科学知识的人，就像船上没有舵和指南针的舵手一样，他永远不知道船将驶向何处。实践永远应当建立在正确理论的基础上。”4面对丰富多彩的客观物质世界，自然哲学家对物质之源提出许多臆测：古希腊哲学家德谟克利特（Democritus，约460－370BC）猜测：宇宙由虚空和原子构成；每一种物质由一种原子构成；原子是物质最小的、不可再分的、永存不变的微粒。517-18世纪，许多著名科学家如笛卡儿（1596－1650）、波意耳(1627-1691)、罗蒙诺索夫（1711－1765）、牛顿（1642－1729）、拉瓦锡（1743－1794）等都在科学实践的基础上深信物质微粒的存在。特别是波意耳，第一次给出了化学元素的操作性定义——化学元素是用物理方法不能再分解的最基本的物质组分，并进而提出，化学相互作用是通过最小微粒进行的，一切元素都是由这样的最小微粒组成的。61732年，尤拉（1707－1783）更明确提出，自然界存在多少种原子，就存在多少种元素。但是，当时的人们并没有能力确切无误地辨别什么是元素什么不是元素，因而也就不能确切地知道究竟有多少种原子。1785年法国化学家拉瓦锡发现了质量守恒定律，即化学反应发生了物质组成的变化，但反应前后物质的总质量不变。71797年里希特（1762－1807）发现了当量定律，认识到酸、碱、盐之间的反应存在被后人称为当量的确定的定量比例关系。1799年法国化学家普鲁斯特（1754－1826）发现定比定律，来源不同的同一种物质中元素的组成是不变的。819世纪初（1805年），英国人道尔顿（1766－1844）把元素和原子两个概念真正联系在一起，创立了化学原子论。其实验基础是对化学物质的定量测定。其要点有：★每一种化学元素有一种原子；★同种原子质量相同，不同种原子质量不同；★原子不可再分；★一种原子不会转变为另一种原子；★化学反应只是改变了原子的结合方式，使反应前的物质变成反应后的物质。9尽管道尔顿提出了原子量的概念，却不能正确给出许多元素的原子量。因为，确定原子量不能单凭化合物的元素组成（质量比），还应知道被道尔顿称为“复合原子”的“分子”中各种原子的个数。然而，瑕不掩瑜，道尔顿原子论极大地推动了化学的发展。101818年和1826年，瑞典化学家贝采里乌斯（1779－1848），通过大量实验正确地确定了当时已知化学元素的原子量，纠正了道尔顿原子量的错误，为化学发展奠定了坚实的实验基础，同时还创造性发展了一套表达物质化学组成和反应的符号体系，使用拉丁字母表达元素符号，一直沿用至今。11元素（element）：具有一定核电荷数（等于核内质子数）的原子称为一种化学元素。原子序数(atomicnumber)：按化学元素的核电荷数进行排序，所得序号即原子序数。它不仅代表元素在周期系中的位置，而且还有一定的物理意义，它代表着原子的某种特征。元素符号(symbolofelement)：每一种元素有一个用拉丁字母表达，即元素符号。1-2相对原子质量（原子量）12核素(nuclide)：具有一定质子数和中子数的原子的总称。包括稳定核素（单核素元素和多核素元素）和放射性核素两类。核素符号:（symbolofnuclide）用元素符号左上下角添加数字作为核素符号。如168O，左下角的数字8是该核素的原子核里的质子数；左上角的数字16称为该核素的质量数，即核内质子数与中子数之和。13同位素(isotope)：质子数相同中子数不同的原子的总称。3517Cl和3717Cl；168O,178O和188O同量异位素(isobar)：核子数（质量数）相同而质子数和中子数不同的原子的总称。6529Cu和6530Zn；3616S和3618Ar同中素(isotone)：具有一定中子数的原子的总称。同位素丰度(isotopicabundance)：某元素的各种天然同位素的分数组成（原子百分比）。14原子的质量质子的静止质量1.6726491×10-24g中子的静止质量1.6749547×10-24g电子的静止质量9.109537×10-28g一个原子的质量不等于构成它的质子和中子的简单加和。15存在一个差值，叫做质量亏损，等于核子结合成原子核释放出来的能量——结合能。不同数量的核子结合成原子核释放出来的结合能与核子的数量不成比例，产生了比结合能的概念，是某原子核的结合能除以其核子数，相当于平均分摊到该原子核每个核子的结合能。比结合能越大，表明原子核越稳定。16原子质量：以原子质量单位u为单位的某核素一个原子的质量称为该核素的原子质量。1u等于核素12C的原子质量的1/12。1u=1.6605669×10-24g核素的相对原子质量:核素的质量与12C原子质量的1/12之比称为核素的相对原子质量。数值上等于核素的原子质量，量纲为一。17元素的相对原子质量（原子量）：指一种元素的1摩尔质量对核素12C的1摩尔质量的1/12的比值。原子量是纯数。单核素元素的原子量等于该元素的核素的相对原子质量。多核素元素的原子量等于该元素的天然同位素相对原子质量的加权平均值。18即Ar=ΣfiMr,i式中：Ar代表多核素元素的相对原子质量；fi同位素丰度；Mr,i同位素相对原子质量元素的原子量的数据取决于两个因素，一是各种核素的原子量的测量准确性，另一是某元素的同位素丰度的测量准确性。191－3原子的起源和演化（自学）1.宇宙之初2.氢燃烧、氦燃烧、碳燃烧3.α过程、e过程4.重元素的诞生5.宇宙大爆炸理论的是非201－4原子结构的玻尔行星模型1-4-1氢原子光谱焰火——热致发光；霓虹灯——电致发光。牛顿——1666年，棱镜，光谱。1859年，德国海德堡大学的基尔霍夫和本生发明了光谱仪，奠定了光谱学的基础。21氢、氦、锂、钠、钡、汞、氖的发射光谱（从上到下）2223自然界的连续光谱实验室的连续光谱氢光谱是所有元素的光谱中最简单的光谱。氢原子光谱.swf24在可见光区有五条明线,从红到紫，谱线HαHβHγHδHε编号/n12345波长/nm656.279486.133434.048410.175397.009屏幕25)11(12221nnRH400.364622nn里德堡（1854－1919）把巴尔麦的经验方程改写成如下的形式：RH为里德堡常数，其数值为1.09677×107m-11883年，瑞士物理学家巴尔麦(1825-1898)猜想到这些谱线的波长之间存在某种数学关系，经过反复尝试，发现谱线波长(λ)与编号(n)之间存在如下方程：26其中n为正整数，且n1n2，n2＝n1+1，n1+2，…。实际上，所有原子的发射光谱都是线状的。当n1＝1时，得到氢的紫外光谱，称为莱曼系；当n1＝2时，所得到的是可见光谱，称为巴尔麦系；当n1＝3时，得到氢的红外光谱，称为帕邢系；氢原子核内只有一个质子，核外只有一个电子，它是最简单的原子.在氢原子内，这个电子核外是怎样运动的？这个问题表面看来似乎不太复杂，但却长期使许多科学家既神往又困扰，经历了一个生动而又曲折的探索过程.271-4-2玻尔理论1913年，28岁的丹麦物理学家玻尔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带核模型的基础上，建立了Bohr理论281905年，美Einstein应用量子理论解释光电效应。291900年，德国Planck提出量子理论（解释黑体辐射）:E=h301911年，英Rutherford的α散射实验，证实原子核的存在，提出原子带核模型。31玻尔理论要点如下：（1）行星模型假定:氢原子核外电子是处在一定的线性轨道上绕核运行的，正如太阳系的行星绕太阳运动一样。（2）定态假设氢原子的核外电子在轨道上运行时具有一定的、不变的能量，不会释放能量，这种状态被称为定态。能量最低的定态叫做基态；能量高于基态的定态叫做激发态。32（3）量子化条件氢原子核外电子的轨道不是连续的，而是分立的，在轨道上运行的电子具有一定的角动量：2hnmvrLn=1,2,3,4,5…式中m电子质量，υ电子线速度，r电子线性轨道半径，正整数n称为量子数。33（4）跃迁规则电子吸收光子就会跃迁到能量较高的激发态，反过来，激发态的电子会放出光子，返回基态或能量较低的激发态；光子的能量为跃迁前后两个能级的能量之差。)11();11(122212221nnBEnnhcB34玻尔理论的合理“内核”是：核外电子处于定态时有确定的能量；原子光谱源自核外电子的能量变化。玻尔理论的基本科学思想方法是：承认原子体系能够稳定而长期存在的客观事实，大胆地假设光谱的来源是核外电子的能量变化，用类比的科学方法，形成核外电子的行星模型，提出量子化条件和跃迁规则等革命性的概念。35光兼具粒子性和波动性两重性，即光具有波粒二象性。因此有：光的强度I=ρhν=ψ2/(4π)1－5氢原子结构的量子力学模型1-5-1波粒二象性光子的密度光的频率光的振幅(1)当光的频率一定时，ρ∝ψ2;(2)作为粒子的光子的动量(P=mc)与作为波的光的波长(λ)呈反比：P=h/λ光的波粒二象性的数学表达式361-5-2德布罗意关系式1924年，德布罗意在光的波粒二象性的启发下，大胆地提出电子等微观粒子也具有波粒二象性的假设。他认为既然光不仅是一种波，而且具有粒子性，那么微观粒子在一定条件下也可能呈现波的性质。他预言：与质量m，运动速度υ的粒子相应的波长λ为：mνhphλ37——称德布罗意关系式这种实物粒子的波称物质波又称德布罗意波。例如：一个电子m=9.11×10-28gυ=106m.s-1按德布罗意关系式，此电子λ=727pmmνhphλ38此λ值与x-射线的相同。1927年美国物理学家戴维森和革尔麦做了电子在晶体上的衍射实验,证实了德布罗意的预言.电子的波性是大量电子(或少量电子的大量)行为的统计结果。所以，物质波是统计波。x-射线源39书上表1－3实物颗粒的质量、速度与波长的关系计算表明，宏观物体的波长太短，根本无法测量，也无法察觉，因此，对宏观物体不必考虑其波动性，而对高速运动的质量很小的微观物体，就应考察其波动性。40在波粒二象性的基础上，建立了新量子力学，电子、质子、中子等微观粒子的运动规律得以深刻认识。宏观物体具有一定的运动轨迹。所谓轨迹，就意味着运动着的物体在每一确定的时刻便有一确定的位置。微观粒子不同于宏观物体，它们的运动无轨迹可言，这就意味着在一确定的时间没有一定的位置。1-5-3海森堡不确定原理41海森堡（1901－1976）论证了，对于一个物体的动量的测量偏差（Δp）和对物体的运动坐标，即该物体的位置的测量偏差（Δx）的乘积处于普朗克常数(h)的数量级：Δp•Δx≥h/(4π)(Δmv)•(Δx)≥h/(4π)=5.273×10-35kg·m2·s-142氢原子核外电子基态轨道的半径是53pm，运动速度为2.18×107m/s，电子的质量为9.1×10-31kg，根据Δp•Δx≥h/(4π)(Δmv)•(Δx)≥h/(4π)=5.273×10-35kgm2s-1假设对电子速度的测量偏差小到1％，即：Δmv=1%×9.1×10-31×2.18×107=2×10-25kgms-1这样，电子的运动坐标的测量偏差就会大到：Δx=5.273×10-35/2×10-25