1、揭示物质结构的奥秘黄荣生 2011年3月课程结构课程结构1.1.绪言（专题绪言（专题1 1）2.2.内容内容3.3.结束语（专题结束语（专题5 5）原子结构与元素的性质（专题原子结构与元素的性质（专题2 2）微粒间作用力与物质性质（专题微粒间作用力与物质性质（专题3 3）分子空间结构与物质性质（专题分子空间结构与物质性质（专题4 4）1 1、化学发展经历了漫长的历史、化学发展经历了漫长的历史（1 1）石器时代）石器时代:（2 2）陶器时代陶器时代:（3 3）铜器时代）铜器时代:（4 4）铁器时代）铁器时代:人类生产发展史人类生产发展史上的一个里程碑。上的一个里程碑。2 2、近代化学发展里程、近
2、代化学发展里程（4 4）18691869年后年后门捷列夫门捷列夫揭示元素周期律；揭示元素周期律；（1 1）1818世纪，世纪，波义耳波义耳（化学之父）（化学之父）最早提出元素的科学定义；最早提出元素的科学定义；（2 2）1919世纪初，世纪初，道尔顿道尔顿（原子之父）（原子之父）提出了原子学说；提出了原子学说；（3 3）18111811年年阿伏加德罗阿伏加德罗提出分子说；提出分子说；（5 5）19011901年约瑟夫年约瑟夫汤姆生汤姆生提出原子的葡提出原子的葡 萄干面包模型；萄干面包模型；（6 6）19091909年年,卢瑟福卢瑟福提出原子的有核模型提出原子的有核模型 。（7 7）对）对有机物
3、认识有机物认识的进展：的进展：（8 8）物理学上的重大发现：）物理学上的重大发现：碳原子的四价碳原子的四价碳原子成键的立体构型碳原子成键的立体构型分子中价键的饱和性分子中价键的饱和性有机合成可有机合成可“按图索骥按图索骥”电子电子氢原子光谱氢原子光谱元素的放射性元素的放射性微粒的波粒二象性微粒的波粒二象性（量子力学）（量子力学）红外光谱红外光谱电子显微电子显微原子吸收光谱原子吸收光谱X射线衍射射线衍射（9 9）实验方法上的改进：）实验方法上的改进：人类对原子结构的认识人类对原子结构的认识原子的组成原子的组成德谟克利特：朴素原子观德谟克利特：朴素原子观道尔顿：原子学说道尔顿：原子学说汤姆生：汤姆
4、生：“葡萄干面包式葡萄干面包式”模模型型卢瑟福卢瑟福：带核原子结构模型：带核原子结构模型玻尔玻尔：原子轨道模型：原子轨道模型现代量子力学模型现代量子力学模型180319041911191319263 3、原子结构的发展历史、原子结构的发展历史1911年，英国物理学家卢瑟福通过粒子的散射实验，提出了原子结构有核模型。他认为原子的质量主要集中在原子核上，电子在核外空间高速运动。卢瑟福实验许多物质都能够吸收光或发射光，利用仪器将物质吸收光或发射光的波长和强度分布记录下来，就得到所谓的光谱。连续光谱：由各种波长组成，且相近波长差别极小而不能分辨的光谱线状光谱：由具有特定波长的、彼此分立的谱线所组成的光
5、谱连续光谱：由各种波长组成，且相近波长差别极小而不能分辨的光谱连续光谱连续光谱(实验室）实验室）电磁波连续光谱电磁波连续光谱氢原子光谱（原子发射光谱）真空管中含少量真空管中含少量H2(g)，高压放电，高压放电，发出紫外光和可见光发出紫外光和可见光 三棱镜三棱镜 不连续的线状光谱不连续的线状光谱氢原子的光谱为什么是线状光谱而不是连续光谱呢？经典电磁理论不能解释氢原子光谱：经典电磁理论不能解释氢原子光谱：卢瑟福有核模型结合经典电磁理论：卢瑟福有核模型结合经典电磁理论：电子绕核作高速圆周运动，电子绕核作高速圆周运动，发出连续电磁波发出连续电磁波 连续光谱，连续光谱，电子能量电子能量 坠入原子核坠入原
6、子核原子湮灭原子湮灭 事实：事实：氢原子光谱是线状（而不是连续光谱）；氢原子光谱是线状（而不是连续光谱）；原子没有湮灭。原子没有湮灭。4.玻尔原子模型 1913年，丹麦物理学家玻尔把普朗克的相关量子理论与卢瑟福的原子模型相结合，较好地解释了氢原子光谱，提出新的原子结构模型，。有核原子模型年光子学说量子论根据Rutherford.D）1908(Einstein.A)1990(Plack.M科学趣闻 紫外灾难：普朗克量子论-能量量子化 光电效应：爱因斯坦发现光的强度无关，只与光的频率有关。原子中的电子在具有确定能量的轨道上绕原子核运动，原子不受外界影响时，不吸收也不不辐射能量。在不同轨道上运动的电
7、子具有不同的能量（E），不同轨道的能量是不连续变化的，能量是某些不连续的数值，是量子化的。轨道能量依 n 值（1，2，3，）的增大而升高。量子数玻尔结合量子化条件和经典力学公式，计算出了氢原子中电子运动的速度、轨道半径和能量，完美的解释了氢原子光谱。通常,电子处在能量最低的轨道(基态n=1)上运动；当原子获得能量后，被激发到高能量轨道上，处于激发态；只有当电子从一个轨道（能量为Ei）跃迁到另一个轨道（能量为Ej）时，才会辐射或吸收能量。每一次跃迁（辐射或吸收）的能量以光的形式产生一条分立的谱线，被记录下来，就形成了光谱。跃迁演示氢原子能级氢原子能级连续光谱和原子发射光谱(线状光谱)比较电子跃迁
8、 在生活中的应用波尔原子模型局限性：局限性：只限于解释氢原子或类氢离子（单电子体只限于解释氢原子或类氢离子（单电子体系）的光谱，无法较好解释多电子原子的光谱。系）的光谱，无法较好解释多电子原子的光谱。原因：人为地引入某些物理量（电子运动原因：人为地引入某些物理量（电子运动的轨道角动量和电子能量）的轨道角动量和电子能量）“量子化量子化”，以，以修正经典力学的思路修正经典力学的思路出问题了出问题了。用量子力学来处理宇宙间物质的运动规律用量子力学来处理宇宙间物质的运动规律更有普遍意义，特别是微观粒子（小空间、更有普遍意义，特别是微观粒子（小空间、小微粒、大速度）的运动。小微粒、大速度）的运动。微观粒
9、子的运动特征1、微观粒子的波粒二象性：光的传播（波）和光与实物的作用（粒）E=mc 2=h P=mc P=h/（德波罗意公式，波粒相连）2、海森堡测不准原理:xmv h/4 h:普朗克常数 6.626 10-34J/s 核外电子没有确定的轨道，也没有家，只有。电子运动统计规律的形象描述：电子云模型微观粒子的运动特征 薛定谔波动方程的提出，标志着近代量子力学理论的建立。它可以计算出电子云径向分布和角度分布。常把电子出现的概率约为常把电子出现的概率约为90%90%的空间圈出来的空间圈出来思考：小黑点代表什么？小黑点的疏密代表什么？电子云的形成原子核外电子的运动状态（原子轨道）原子核外电子的运动状态
10、（原子轨道）二、多电子原子核外电子的运动特征和二、多电子原子核外电子的运动特征和状态状态原子核外电子的运动特征（电子云）原子核外电子的运动特征（电子云）原子核外电子的排布规律原子核外电子的排布规律1.电子层电子层符号电子层符号电子层电子层12345离核远近离核远近电子的能电子的能量量 S S的原子轨道是的原子轨道是_形的，电子形的，电子层序数越大，原子轨道的层序数越大，原子轨道的_。2.电子亚层和原子轨道 P的原子轨道是的原子轨道是_形的，每个形的，每个P轨轨道（亚层）有道（亚层）有_个轨道，它们互相垂个轨道，它们互相垂直，分别以直，分别以_、_、_为符为符号。号。P原子轨道的平均半径也随电子
11、层序数原子轨道的平均半径也随电子层序数增大而增大而_。1.电子亚层 d 轨道轨道角度分布图角度分布图(剖面图剖面图)电子层电子层原子轨道原子轨道类型类型原子轨道原子轨道数目数目可容纳可容纳电子数电子数 1 2 3 4 n问题问题1：完成下面表格：完成下面表格电子层电子层原子轨原子轨道类型道类型原子轨道原子轨道类型数目类型数目可容纳的可容纳的电子数目电子数目1 11s1s2 22s2s，2p2p3 33s3s，3p3p，3d3d4 44s4s，4p4p，4d4d，4f4fn n1 12 24 48 89 9181816163232n n2 22n2n2 2能级图能级图问题问题2：比较下列多电子原
12、子的原子轨道的能量比较下列多电子原子的原子轨道的能量高低：高低：(1)1s 2s 3s 4s (2)nf nd ns np(3)3px 3py 3pz(4)3px 5py 4pz(5)3s 4p (6)4s 3p (7)4s 3d KLMNOP1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f电子层电子层轨道轨道核核外外电电子子填填充充顺顺序序图图轨道能量顺序7 71.1.最低能量原理最低能量原理电子在原子轨道上的排布，要电子在原子轨道上的排布，要尽可能使电子的能量最低。尽可能使电子的能量最低。2.2.泡利不相容原理泡利不相容原理每个原子轨道最多只能容纳每个原子轨道最多只能容纳两个电子，且自旋方向必须相
13、反。两个电子，且自旋方向必须相反。原子核外电子排布的三大原理原子核外电子排布的三大原理3.3.洪特规则洪特规则电子在等价轨道（能量相同电子在等价轨道（能量相同的轨道）上排布时，总是尽可能分占不同的的轨道）上排布时，总是尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相同。这种排布，电子的轨道，且自旋方向相同。这种排布，电子的能量最低。能量最低。15626224333221sdpspss110626224333221sdpspss14Si18Ar20Ca24Cr29Cu10Ne针对训练针对训练写出下列元素原子结构示意图、电子排布式及其简写出下列元素原子结构示意图、电子排布式及其简化形式、外围电子排布式、电子轨道
14、表示式：化形式、外围电子排布式、电子轨道表示式：根据洪特规则，人们总结出，根据洪特规则，人们总结出，当同一亚层轨道半充满、全充满以及当同一亚层轨道半充满、全充满以及全空时，是比较稳定的。全空时，是比较稳定的。0p0d0f洪特规则特例：洪特规则特例：14f6p10d全充全充满满3p5d7f半充半充满满全空全空本课总结：本课总结：知知识识体体系系原子核外电子原子核外电子运动运动特征特征排布排布遵循的原理和遵循的原理和规则规则原子核外电子原子核外电子排布的表示式排布的表示式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电子排布式电子排布式轨道表示式轨道表示式人人类对原子结类对原子结构认识的历史构认识的历史！
