原子轨道的空间取向自旋量子数课件.ppt

1、Chapter 1 物质结构 元素周期律1.1 原子结构 原子核外电子排布核外电子排布核外电子排布1第一层第一层 第二层第二层 第三层第三层 第四层第四层 第五层第五层 第六层第六层 第七层第七层 K L M N O P Q 在含有多个电子的原子里，在含有多个电子的原子里，电子的能量并不相同。能量低电子的能量并不相同。能量低的电子通常在离核近的区域运的电子通常在离核近的区域运动，能量高的电子通常在离和动，能量高的电子通常在离和核远的区域运动。核远的区域运动。 通常用电子层来表示这种离通常用电子层来表示这种离核远近的不同区域。核远近的不同区域。能量逐渐升高能量逐渐升高核外电子排布规律核外电子排布

2、规律规律规律1: 1: 各电子层最多可容纳的电子数为各电子层最多可容纳的电子数为 2n2n2 2（n n表示电子层序数）表示电子层序数）；规律规律2 2：原子核外电子排布时，最外层不原子核外电子排布时，最外层不 超过超过8 8个电子，次外层不超过个电子，次外层不超过1818 个，倒数第三层不超过个，倒数第三层不超过3232个。个。电子层电子层 K L M N O容纳最多电子数容纳最多电子数 2 8 18 32 50 核外电子运动的波粒二象性核外电子运动的波粒二象性2光的波粒二象性光的波粒二象性光的波动性光的波动性: : 光在传播过程中会产生干涉、光在传播过程中会产生干涉、 衍射等现象，具有波的

3、特性衍射等现象，具有波的特性；光的粒子性：光的粒子性：光在与实物作用时，表现出光在与实物作用时，表现出粒子的特性。粒子的特性。 光既具有波动性，又具有粒子性，为说明光的光既具有波动性，又具有粒子性，为说明光的一切行为，只能说光具有一切行为，只能说光具有波粒二象性波粒二象性。电子的波粒二象性电子的波粒二象性 19231923年德布罗依（年德布罗依（de Broglie）在光的波粒二象性的启发下，大胆在光的波粒二象性的启发下，大胆预言了电子也具有波粒二象性，并预言了电子也具有波粒二象性，并推导出德布罗依关系式：推导出德布罗依关系式：=h/P=h/mv h:普朗克常数，普朗克常数，6.62610-3

4、4Js德布罗意德布罗意L. de Broglie法国物理学家法国物理学家获获1929年年Nobel物理奖物理奖Heisenberg测不准原理测不准原理具有波粒二象性的微具有波粒二象性的微观粒子，不能同时测观粒子，不能同时测准其位置和速度（动准其位置和速度（动量）。如果微粒的运量）。如果微粒的运动位置测得愈准确，动位置测得愈准确，则相应的速度愈不易则相应的速度愈不易测准，反之亦然。测准，反之亦然。海森堡海森堡Werner Carl Heisenberg1902-1972德国物理学家德国物理学家获获1932年年Nobel物理奖物理奖22hhxPxm v 或式中 x 表示位置测不准量，P 表示动量测

5、不准量， h 为普朗克常数 (6.626 10-34Js)， 为圆周率， m 为质量，v 表示速度的测不准量。Heisenberg测不准原理测不准原理电子云的概念电子云的概念 假想将核外一个电子每个瞬间的运动状态，进行摄影。并假想将核外一个电子每个瞬间的运动状态，进行摄影。并将这样数百万张照片重叠，得到如下的统计效果图，形象将这样数百万张照片重叠，得到如下的统计效果图，形象地称为电子云图。地称为电子云图。 电子云没有明确的边界，在离核很远的地方，电子仍有出电子云没有明确的边界，在离核很远的地方，电子仍有出现的可能，但实际上在离核现的可能，但实际上在离核200300pm以外的区域，电子以外的区域

6、，电子出现的概率可以忽略不计。出现的概率可以忽略不计。核外电子运动的运动状态核外电子运动的运动状态2四四个个量量子子数数 主量子数主量子数n 1，2，3，4 角量子数角量子数l 0，1，2，3，(n-1)，共，共 n 个取值个取值 磁量子数磁量子数m 0， 1， 2， l，共共2l+1个取值个取值 自旋量子数自旋量子数ms 核外电子运动状态的描述核外电子运动状态的描述主量子数主量子数 n取值取值 1, 2, 3, 4, n 为正整数为正整数(自然数自然数) 能量量子化能量量子化光谱学上用光谱学上用 K , L , M , N , 表示表示意义意义 ： 表示电子离核平均距离远近及电子能量高低的量

7、表示电子离核平均距离远近及电子能量高低的量子数。子数。n= 1表示第一层表示第一层(K层层)，能量最低，离，能量最低，离核最核最近。近。n的数值大，电子距离原子核远，则具有较高的数值大，电子距离原子核远，则具有较高的能量。的能量。主量子数主量子数n1234567电子层电子层一一二二三三四四五五六六七七符号符号KLMNOPQ主量子数主量子数 n角量子数角量子数 l用来描述核外电子运动所处原子轨道（或电子云）用来描述核外电子运动所处原子轨道（或电子云）形状的，也是决定电子能量的次要因素。形状的，也是决定电子能量的次要因素。 对于确定对于确定的主量子数的主量子数 n ，角量子数，角量子数 l 可以为

8、可以为 0, 1, 2, 3, 4, ( n-1 )， 共共 n 个取值，个取值，光谱学光谱学上依次用上依次用 s , p , d , f , g , 表示表示 。意义意义 角量子数角量子数 l 决定原子轨道的形状决定原子轨道的形状 l 0 1 2 3 4 符号符号 s p d f g 角量子数角量子数 ln = 4 时：时：l = 0 表示表示 s 轨道，能量最低，形状为球形，即轨道，能量最低，形状为球形，即4s 轨道；轨道；l = 1 表示表示 p 轨道，形状为哑铃形，轨道，形状为哑铃形，4p 轨道；轨道；l = 2 表示表示 d 轨道，形状为花瓣形，轨道，形状为花瓣形，4d 轨道；轨道；

9、l = 3 表示表示 f 轨道，能量最高，形状复杂轨道，能量最高，形状复杂, 4f 轨道轨道磁量子数磁量子数 m描述原子轨道（或电子云）在空间伸展方向的量描述原子轨道（或电子云）在空间伸展方向的量子数。子数。 M取值：取值：0, 1, 2, 3, l，共有（，共有（2l+1）个）个数值数值意义意义 m 决定原子轨道的空间取向决定原子轨道的空间取向Eg. 若若l=3，则，则m=0, 1, 2, 3 共共7个值。个值。磁量子数磁量子数 m当当l=0时，时，m=0，即，即s亚层只有一个伸展方向；亚层只有一个伸展方向；当当l=1时，时，m=-1,0,+1，即，即p亚层有亚层有3个伸展方向，个伸展方向，

10、 分别沿直角坐标系的分别沿直角坐标系的x,y,z轴方向伸展，依次称为轴方向伸展，依次称为 px,py,pz;当当l=1时，时，m=-2，-1，0，+1，-1，-2，即，即d亚层有亚层有5 个伸展方向，依次称为个伸展方向，依次称为dxy，dyz，dxz，d x2y2，dz2;依此类推，轨道依此类推，轨道f亚层有亚层有7个伸展方向。个伸展方向。原子轨道的空间取向原子轨道的空间取向sxzpxxzpyxypzxzdxyxydyzyzdxzxzdx2-y2xydz2xz自旋量子数自旋量子数 ms描述电子自旋方式的量子数，描述电子自旋方式的量子数，用用 ms 表表。ms称为自旋量子数，取值只有两个，称为自

11、旋量子数，取值只有两个，+ 和和 。电子的自旋方式只有两种，通常。电子的自旋方式只有两种，通常用用 “ ” 和和 “ ”表示表示顺时针、逆时针顺时针、逆时针。填充允许的量子数填充允许的量子数n =2 l =( ) m =1 ms=+1/2n =2 l =1 m =( ) ms=+1/2n =3 l =0 m =( ) ms=+1/2n =( ) l =2 m =0 ms=+1/2n =2 l =( ) m = -1 ms=+1/2n =4 l =( ) m =0 ms=+1/2n = 4 l = 2 m =( ) ms= 1/2 1 0,1 0 3 1 0 0, 1, 2n = 2, l =

12、1, m = 0n = 2, l = 2, m = -1n = 3, l = 0, m = 0n = 3, l = 1, m = 1n = 2, l = 0, m = -1n = 2, l = 3, m = 2 合理 l = 1 合理 合理 m = 0或l=1 l=0,1; m=0, 1 或n3请找出不合理的量子数请找出不合理的量子数填表填表7351轨道个数3120角量子数5432主量子数存在存在存在不存在存在是否存在5f4p3d2d2s电子组态近似能级图近似能级图 近似能级图是按原子轨道的能量高低顺序近似能级图是按原子轨道的能量高低顺序排列的，能量相近的划为一组，成为能级排列的，能量相近的划

13、为一组，成为能级组，共七个能级组。组，共七个能级组。 能级组的存在，是周期表中化学元素可划分为能级组的存在，是周期表中化学元素可划分为各个周期及每个周期应有元素数目的根本原因。各个周期及每个周期应有元素数目的根本原因。 对于对于4、5、6、7能级组，在一个能级中包含不能级组，在一个能级中包含不同电子层的能级现象称为能级交错同电子层的能级现象称为能级交错多电子原子中的能级图多电子原子中的能级图能级交错现象l l 相同，相同，n 越大，能量越高越大，能量越高 Eg. E1sE2sE3sE4s; E2pE3pE4pE5p.l n 相同，相同，l 越大，能量越高越大，能量越高 同一主层中各亚层能级产生

14、差别的现象叫做同一主层中各亚层能级产生差别的现象叫做能能级分裂级分裂. Eg. E2sE2p; EnsEnp L M N （1）同一轨道组的电子之间）同一轨道组的电子之间=0.35,1s组为组为0.30； （2）被屏蔽电子为）被屏蔽电子为ns，np时，时，(n-1)轨道组的每个轨道组的每个电子的电子的=0.85，小于，小于(n-1)轨道组的每个电子的轨道组的每个电子的=1.00，被屏蔽电子为，被屏蔽电子为nd,nf时位于它左边的各轨时位于它左边的各轨道组的每个电子的道组的每个电子的=1.00。屏蔽效应屏蔽效应 在原子核附近出现的概率较大的电子，可更多地在原子核附近出现的概率较大的电子，可更多地

15、避免其余电子的屏蔽，受到核的较强的吸引而更避免其余电子的屏蔽，受到核的较强的吸引而更靠近核，这种进入原子内部空间的作用叫做靠近核，这种进入原子内部空间的作用叫做钻穿钻穿效应。效应。 与屏蔽效应相反，外层电子有钻穿效应。外层角与屏蔽效应相反，外层电子有钻穿效应。外层角量子数小的能级上的电子，如量子数小的能级上的电子，如4s电子能钻到近核电子能钻到近核内层空间运动，这样它受到其他电子的屏蔽作用内层空间运动，这样它受到其他电子的屏蔽作用就小，受核引力就强，因而电子能量降低，造成就小，受核引力就强，因而电子能量降低，造成E（4s）E(3d) 。 钻穿能力：钻穿能力： ns np nd nf 能级分裂结

16、果：能级分裂结果： Ens Enp End 3p 3d核核外外电电子子排排布布原原理理能量最低原理能量最低原理泡利不相容原理泡利不相容原理洪特规则洪特规则能量最低原理能量最低原理按照近似能级图，核外电子总是尽先排布在按照近似能级图，核外电子总是尽先排布在能量最低的轨道上，当能量最低的轨道排满能量最低的轨道上，当能量最低的轨道排满后，电子才依次排布在能量较高的轨道上。后，电子才依次排布在能量较高的轨道上。电子先填充能量低的轨道，后填充能量高的电子先填充能量低的轨道，后填充能量高的轨道。尽可能保持体系的能量最低。轨道。尽可能保持体系的能量最低。E1s E2s E3s E4sE3s E3p E3d能

17、量最低原理能量最低原理 n=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7电子层电子层 K L M N O P Q在一个原子中，不可能存在一个原子中，不可能存在四个量子数完全相同的在四个量子数完全相同的两个电子。一个原子轨道两个电子。一个原子轨道最多只能容纳两个电子，最多只能容纳两个电子，而且这两个电子的自旋方而且这两个电子的自旋方式必须相反。式必须相反。电子层的最大容量：电子层的最大容量：2n2泡利Wolfgang Pauli1900-1958奥地利裔美国物理学家获1945年Nobel物理奖泡利不相容原理泡利不相容原理“电子在能量相同的轨电子在能量相同的轨道上分布时，总是尽道上分布时，总是尽可能以自

18、旋相同的方可能以自旋相同的方向分占不同的轨道。向分占不同的轨道。”洪特洪特Friderich Hermann Hund1896-1997德国物理学家德国物理学家洪特规则洪特规则电子分布到能量相同电子分布到能量相同的等价（简并，即的等价（简并，即n 相同）轨道时，总是相同）轨道时，总是尽先以自旋相同（自尽先以自旋相同（自旋平行）的方向，单旋平行）的方向，单独占据能量相同的轨独占据能量相同的轨道，即总是以自旋相道，即总是以自旋相同的方式分占尽可能同的方式分占尽可能多的轨道。各轨道保多的轨道。各轨道保持一致，则体系的能持一致，则体系的能量低。量低。洪特规则洪特规则6C：1s22s22p21s2s 2

19、px2py2pz1s2s 2px2py2pz7N：1s22s22p3作为作为 Hund 规则的特例，简并轨道在全充满规则的特例，简并轨道在全充满(p6，d10，f14)、半充满、半充满(p3，d5，f7)和全空和全空(p0，d0，f0)时是比较稳定的。时是比较稳定的。重要的特例重要的特例:洪特规则补充洪特规则补充基态原子的电子排布基态原子的电子排布能级交错现象：电子进入轨道的能级顺序能级交错现象：电子进入轨道的能级顺序1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p电子由最低能量的电子由最低能量的1s轨道依次填入，每个轨道最多轨道依次填入，每个轨道最多只能填入只能填入2个电子。个电

20、子。元素电子填到最后能级组注意元素电子填到最后能级组注意洪特规则特例洪特规则特例主量子数相同的按主量子数相同的按角量子数大小角量子数大小顺序书写顺序书写1s22s22p63s23p63d54s1主量子数整理1s22s22p63s23p64s13d5由洪特规则特例1s22s22p63s23p64s23d4能量最低排布24Cr核外电子排布表达方式Eg.1 分别写出原子序数为分别写出原子序数为13、19、27、33元元素的原子的电子排布式。素的原子的电子排布式。Al: 1s22s22p63s23p1K: 1s22s22p63s23p64s1Co: 1s22s22p63s23p63d74s2As: 1

21、s22s22p63s23p63d104s24p3 Eg.2 以以(1)为例，完成下列为例，完成下列(2)至至(6)题题: (1) Na (z=11) 1s22s22p63s1 (2) _ 1s22s22p63s23p3 (3) Ca (z=20) _ (4) _ (z=24) 3d54s1 (5) _ Ar3d104s1P (z=15)Ar1s22s22p63s23p64s2CrCu (z=29)判断题对于对于Sc来说，下列哪一个电子排布正确：来说，下列哪一个电子排布正确：a. 1s22s22p63s23p64s2b. 1s22s22p63s23p64s23d1c.1s22s22p63s23p63d1d. 1s22s22p63s23p64s3e.以上均不正确以上均不正确 综合题已知某元素在氪前，当此元素的原子失去3个电子后，在它的角量子数为2的轨道内，电子恰为半充满，试推断该元素为何元素？解答氪原子序数36，核外电子排布： Ar3d104s24p6角量子数为2的轨道(l=2): n3，d 轨道最外层电子排布应为：3dx 4sy失去的3个电子可能包括：4s 上的2个电子和3d 上的1个电子失去电子的3d 轨道内电子恰为半充满：中性元素的3d电子数为6则该元素核外电子排布： Ar3d64s2 原子序数为：26该元素为铁 (Fe)。