原子结构和元素周期律(最终版)课件.ppt

1、 氢原子的核外电子在氢原子的核外电子在各种可能的量子化轨道上运各种可能的量子化轨道上运动时所具有的能量为：动时所具有的能量为：.4,3,2,1,2nnREHn.4,3,2,1,2nnREHnmhph 例例9-19-1(1)(1)电子在电子在1V1V电压下的速度为电压下的速度为5.95.910105 5m ms s-1-1,电子的质量电子的质量m m=9.1=9.11010-31-31kg,kg,h h为为6.626 6.626 1010-34-34 J Js,s,电子波的波长是多少？电子波的波长是多少？(2)(2)质量质量1.01.01010-8-8kgkg的沙粒以的沙粒以1.01.01010

2、-2-2m ms s-1-1的的速度运动速度运动,波长是多少？波长是多少？解：解：(1)1J=1kg(1)1J=1kgm m2 2s s-2-2,h h=6.626=6.6261010-34-34 kgkgm m2 2s s-1-1根据德布罗意关系式根据德布罗意关系式mvh 1531123410951019106266 sm.kg.smkg.pmm1200101210 超过了质量数量级超过了质量数量级(2)m.sm.kg.smkg.241281234106610011001106266 远不在一个数量级远不在一个数量级 它同机械波、电它同机械波、电磁波等的物理意义截磁波等的物理意义截然不同。然

3、不同。2 2薛定鄂方程在数学上有很多解，但并非每薛定鄂方程在数学上有很多解，但并非每个解都是合理的，为了取得合理解，在求个解都是合理的，为了取得合理解，在求解过程中必需引进三个参数解过程中必需引进三个参数 n、l、m，这三个参数统称为这三个参数统称为量子数量子数,当这三个量子当这三个量子数的取值和组合一定时，就有了一个确定数的取值和组合一定时，就有了一个确定的波函数的波函数n、l、m(r,)。1.主量子数主量子数(principal quantum number)n n=1,2,3 非零的任意正整数非零的任意正整数n 又称为又称为电子层数（电子层数（electron shell number）

4、光谱学上：光谱学上：K、L、M、N、O、P、Q n 越小越小,电子出现概率最大的区域离核越电子出现概率最大的区域离核越近近,能量越低。能量越低。n 越大，电子出现概率最大的区域离核越越大，电子出现概率最大的区域离核越远远,能量越高。能量越高。J.nZEn182210182 例如：例如：l=1时时,m=0,1,说明说明p轨道在空间轨道在空间有三种不同的伸展方向。有三种不同的伸展方向。n、l 相同，相同，m不同的原子轨道不同的原子轨道(能级能级)能量能量相同，称为相同，称为简并轨道简并轨道(或等价轨道或等价轨道)。角量子数角量子数 磁量子数取值磁量子数取值 轨道伸展方向轨道伸展方向 l=1(p)m

5、=0、+1、-1 px、py、pz 三种三种 l=2(d)m=0、1、2 dz2、dxz、dyz、dx2-y2、dxy 五种五种l=0(s)m=0 S 一种一种 n l m 轨道轨道 形状形状 数目数目(n2)波函数波函数 n=1 l=0 0 1s 球形球形 1 1,0,0 l=0 0 2s 球形球形 2,0,0 n=2 4 2,1,0、l=1 0,1 2p 哑铃形哑铃形 2,1,+1、2,1,-1 l=0 0 3s 球形球形 3,0,0n=3 l=1 0,1 3p 哑铃形哑铃形 3,1,0、3,1,-1 3,1,+1、3,2,0 l=2 0,1,2 3d 梅花瓣形梅花瓣形 3,2,-1、3,

6、2,+1 3,2,+2、3,2,-2 21 is 自旋方向相同，叫自旋方向相同，叫平行自旋平行自旋；自旋方向相；自旋方向相反叫反叫反平行自旋反平行自旋。描述一个原子轨道要用三个量子数描述一个原子轨道要用三个量子数（n、l、m），描述一个电子的运动状态要用四个描述一个电子的运动状态要用四个量子数量子数（n、l、m、si）。用来表示核外某一电子运动状态的下列各用来表示核外某一电子运动状态的下列各套量子数套量子数(n,l,m,si)是否合理？是否合理？A.2,0,0,-1/2B.3,1,-1,+1/2 3pz轨道上一个电子轨道上一个电子 顺时针自旋顺时针自旋C.3,2,+2,+1/2D.3,1,+2

7、,-1/2 为作图简单，将波函数分解成为作图简单，将波函数分解成径向波函数径向波函数和和角度波函数，角度波函数，从两个不同侧面观察电子的运从两个不同侧面观察电子的运动状态。动状态。(r，)=Rn，l(r)Yl，m(，)Rn，l(r)称为波函数的径向部分或称为波函数的径向部分或径向波函数径向波函数，它是它是r 的函数，只与的函数，只与 n 和和 l 两个量子数有关。两个量子数有关。Yl，m(，)称为波函数的角度部分或称为波函数的角度部分或角度角度波函数波函数，它是方位角，它是方位角和和的函数，只与的函数，只与l 和和 m 两个量子数有关。两个量子数有关。2820.4 41 1Y Ys sYl,m

8、(,)Yl,m(,)Yl,m(,)如如 pz 轨道的函数：轨道的函数：cos43ZPY求出变量求出变量和函数和函数Ypz的对应值：的对应值：0 30 60 90 120 150 180 Ypz 0.489 0.423 0.244 0 -0.244 -0.423 -0.489说说 明明YsYpyYpxYpzYdxyYdyzYdxzYdz2Ydx2-y2氢原子s、p、d轨道角度波函数形图无节面各有2个节面各有1个节面有2个节面无节面 Y 图中各点只代表图中各点只代表Y 值随值随和和改变而变化改变而变化的情况，并不代表电子离核远近的数值，的情况，并不代表电子离核远近的数值，Y 与与r 无关。无关。Y

9、2的意义的意义：电子云的角度分布函数，表示在空：电子云的角度分布函数，表示在空间不同方位角电子出现的概率密度的变化情况，间不同方位角电子出现的概率密度的变化情况，并不表示电子出现的概率密度与距离的关系，并不表示电子出现的概率密度与距离的关系，因为因为Y与与r无关。无关。D(r)的的意义意义：电子在一个以原子核为中心：电子在一个以原子核为中心,半半径为径为 r，微单位厚度为微单位厚度为dr的同心圆薄球壳夹层的同心圆薄球壳夹层(其体积为其体积为dv)内出现的内出现的概率概率。反映了氢原子核。反映了氢原子核外电子出现的概率与距离外电子出现的概率与距离 r 的关系。的关系。图图9-13 氢原子各种状态

10、的径向分布函数图氢原子各种状态的径向分布函数图1.在基态氢原子在基态氢原子(1s轨道轨道)中电子出现概中电子出现概率的率的极大值在极大值在 r=a0的球面上。的球面上。2.径向分布函数图中的峰数有径向分布函数图中的峰数有(nl)个。个。图图9-13 氢原子各种状态的径向分布函数图氢原子各种状态的径向分布函数图3.l 相同相同,n不同时不同时,主峰距核位置不同。主峰距核位置不同。n越小越小,主峰离核主峰离核越近越近;n越大越大,主峰离核主峰离核越远越远；好像电子；好像电子处于某一处于某一电子层电子层。n=2 l=0 n=1 l=0 n=3 l=0 n=2 l=1 n=3 l=14.n相同相同,l

11、 不同时不同时,第一个峰第一个峰与核的距离不同。与核的距离不同。l 越小越小,第一个峰离核第一个峰离核越近越近;第一个峰第一个峰与核的距与核的距离为离为:ns np nd nf4p4p又可理解为：又可理解为：l 不同的电子不同的电子“钻穿钻穿”到核附近的到核附近的能力不同能力不同，称为，称为钻穿效应，钻穿效应，其大小顺序为：其大小顺序为：nsnpndnf 这是电子这是电子波动性波动性的反映。虽有的反映。虽有电子层电子层的概念，的概念，但外层电子可以但外层电子可以在内层出现在内层出现。1.多电子原子中，每个电子各有其波函数多电子原子中，每个电子各有其波函数i，也取决于一组量子数也取决于一组量子数

12、n、l、m。电子在各电子。电子在各电子层中可能占据的轨道数与氢原子的相等。层中可能占据的轨道数与氢原子的相等。2.多电子原子中，角度波函数多电子原子中，角度波函数Y(,)和氢原和氢原子的相近，故各原子轨道角度分布图与氢原子的相近，故各原子轨道角度分布图与氢原子的相似。同理子的相似。同理,两者的两者的Y2图也相似。图也相似。3.多电子原子的能量等于处于各能级的电子能多电子原子的能量等于处于各能级的电子能量的总和。量的总和。J.nZEn182210182 J.n)Z(E182210182 i6 65 54 43 32 21 16s6s5s5s4s4s3s3s2s2s1s1s6p6p5p5p4p4p

13、3p3p2p2p6d6d5d5d4d4d4f4f能能量量与与周周期期图图9-14 原子轨道近似能级图原子轨道近似能级图 每一电子亚层最多容纳的电子数为：每一电子亚层最多容纳的电子数为：s2、p6、d10、f14，每一电子层最多能容纳的电子数为原，每一电子层最多能容纳的电子数为原子轨道的子轨道的2倍，即倍，即2n2。He 1s2 (1，0，0，+1/2)（1，0，0，-1/2）1s2,2s2 2p6,3s2 3p6,4s2 3d10 4p6,5s2 4d10 5p6,6s2 4f14 5d10 6p6 1s1s2 22s2s2 22p2p4 41s1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2

14、 23p3p5 53p3 例例9-4 例：例：24Cr 和和29Cu的基态电子排布式。的基态电子排布式。1.主族主族(A)：AA,内层电子全充满，最后内层电子全充满，最后一个电子填入一个电子填入ns或或np亚层。亚层。价层电子数价层电子数=所属族数所属族数=最外层电子数最外层电子数 如，如，35BrAr4s24p5 2副族副族(B)：B B，均为金属元素。最后，均为金属元素。最后一个电子填入一个电子填入(n1)d 或或(n2)f 亚层。也称亚层。也称过过渡元素渡元素,其中镧系和锕系又称其中镧系和锕系又称内过渡元素。内过渡元素。3.零族零族:是稀有气体，最外层已填满，是稳定是稀有气体，最外层已填

15、满，是稳定结构。结构。4副族元素所处的族数与价层电子的关系：副族元素所处的族数与价层电子的关系：（1）对于对于(n1)d电子未充满的元素，电子未充满的元素，B B5.族族:共有三个纵列。最后一个电子填充在共有三个纵列。最后一个电子填充在(n-1)d亚层上亚层上,也属于过渡元素。价层电子的构也属于过渡元素。价层电子的构型是型是(n-1)d6 10ns0,1,2,价电子总数是价电子总数是810。0 （三）元素的电离能、电子亲合势、电负性（三）元素的电离能、电子亲合势、电负性电子亲和势：电子亲和势：一个气态的基态的原子与一个电一个气态的基态的原子与一个电子结合形成一个气态的负一价离子所放出的能子结合

16、形成一个气态的负一价离子所放出的能量，叫第一电子亲和势。量，叫第一电子亲和势。电离能：电离能：气态原子失去一个电子，变成一个气气态原子失去一个电子，变成一个气态正一价离子所需吸收的最低能量，叫第一电态正一价离子所需吸收的最低能量，叫第一电离能。离能。电负性：电负性：原子在分子中吸引电子能力的相对原子在分子中吸引电子能力的相对大小。大小。元素的电负性也呈周期性变化。元素的电负性也呈周期性变化。同周期，从左到右电负性渐增；同周期，从左到右电负性渐增；同主族，从上到下，电负性渐减。同主族，从上到下，电负性渐减。电负性将在化学键中有广泛应用。电负性将在化学键中有广泛应用。Walter Kohn(美美)

17、1998年诺贝尔奖获得者年诺贝尔奖获得者电子密度泛函理论电子密度泛函理论 量子化学已发展成为量子化学已发展成为广大化学家使用的工具，广大化学家使用的工具，将化学带入一个新时代，将化学带入一个新时代，在这个时代里，实验和理在这个时代里，实验和理论能够共同协力探讨分子论能够共同协力探讨分子体系的性质。体系的性质。化学不再是化学不再是纯实验科学了纯实验科学了。本本 章章 小小 结结一、核外电子运动状态及特性一、核外电子运动状态及特性1.基本概念基本概念:定态、基态、激发态；波粒二象性；概率波；定态、基态、激发态；波粒二象性；概率波；原子轨道原子轨道-波函数；概率密度波函数；概率密度(2)-电子云电子

18、云2nRHEn mphh xpxh/4 2.公式公式:二、氢原子的波函数二、氢原子的波函数轨道角动量量子数：轨道角动量量子数：取值受取值受n的限制。的限制。l=0,1,2,3(n1)共共n个个又称又称副量子数，副量子数，决定原子轨道的形状，并且是决定电决定原子轨道的形状，并且是决定电子能量高低的子能量高低的次要因素。次要因素。磁量子数：磁量子数：m=0,1,2 l 共共(2 l1)个个决定原子轨道在决定原子轨道在空间的伸展方向空间的伸展方向。自旋角动量量子数自旋角动量量子数：21 is表示表示电子自旋方向电子自旋方向 表示电子在核外空间出现概率最大的区域离核的表示电子在核外空间出现概率最大的区

19、域离核的远近，是决定电子能量高低的远近，是决定电子能量高低的主要因素主要因素。主量子数主量子数：n=1，2，31.四个量子数：四个量子数：3电子云：电子云：单位体积内黑点数与单位体积内黑点数与|2成正比的图形。成正比的图形。2(r，)=R2n，l(r)Y2l，m(，)Y2图形与图形与Y 的区别：的区别：Y2 均为均为正值正值；Y2 图形比图形比Y更更“瘦瘦”些些。(r，)=Rn，l(r)Yl，m(，)原子轨道的径向波函数，角度波函数：原子轨道的径向波函数，角度波函数：2.原子轨道的图形：原子轨道的图形：特点：特点：基态氢原子中电子出现概率的极大值在基态氢原子中电子出现概率的极大值在 r=a0的

20、球面上。的球面上。电子径向分布图的峰数有电子径向分布图的峰数有(nl)个。个。n越大，越大，主峰主峰离核越远。离核越远。l 越小，越小，第一个峰第一个峰离核离核越近。越近。钻穿能力顺序为：钻穿能力顺序为：nsnpndnf 三、多电子原子结构三、多电子原子结构1.多电子原子的能级：多电子原子的能级：J.n)Z(Ei182210182 屏蔽常数屏蔽常数鲍林原子轨道的近似能级图鲍林原子轨道的近似能级图2.核外电子的排布规律：核外电子的排布规律：能量最低原理；能量最低原理；Pauli不相容原理；不相容原理；Hund规则规则。简并轨道简并轨道全充满全充满、半充满、全空。半充满、全空。四、原子的电子组态与

21、元素周期表四、原子的电子组态与元素周期表1.核外电子排布与周期表：核外电子排布与周期表：(1)周期与能级组；周期与能级组；(2)族与原子的电子组态；族与原子的电子组态；(3)元素元素在周期表中的分区在周期表中的分区。区区 价层电子结构特点价层电子结构特点 元素所在族元素所在族s ns1-2 IA、IIAp ns2 np1-6 IIIAVIIA,零族零族d (n-1)d1-9 ns1-2 IIIBVIIB,VIII族族ds (n-1)d10 ns1-2 IB、IIB元素的分区元素的分区过渡元素过渡元素f 内过渡元素内过渡元素 (n-2)f0-14(n-1)d0-2 ns2 La系、系、Ac系系 或或(n-2)f0-14 ns2 2.元素性质的周期变化规律：元素性质的周期变化规律：有效核电荷有效核电荷;原子半径原子半径;元素的电负性。元素的电负性。本本 章章 作作 业业P193 习题：习题：6，7，8，9，10，11，12，13，14。