5.1核外电子排布.ppt

,第五章物质结构基础,原子核外电子的运动状态-单个电子核外电子排布-多电子元素的基本性质化学键和分子间力的形成和性质杂化轨道理论与分子空间构型晶体结构,（TheBasisofSubstanceStructure）,微观,宏观,学习要求1、了解核外电子运动的基本特征，掌握四个量子数的物理意义及s、p、d轨道波函数及电子云空间分布情况；2、掌握核外电子排布规律及其与元素周期表的关系，在了解元素分区情况，、能用原子结构理论来解释元素某些性质的周期性变化规律；4、了解化学键的本质和特征；了解共价键键长、键角等概念5、掌握现代价键理论-杂化理论，能用轨道杂化理论来解释一般分子化合物的空间构型；6、了解分子间力及晶体结构对物理性质的影响,普朗克量子论和爱因斯坦光子概念,量子论,辐射能的吸收和发射是不连续的，而是按照一个基本量或基本量的整数倍吸收和发射的，这种情况称为能量的量子化能量的最小的基本量称为量子,光子学说,光不仅是一种波，而且具有粒子性光子能量：E=hv光子的动能：p=h/h=6.62610-34Js,5.1.1波函数,5.1原子结构的近代概念,量子化：微观粒子的运动以及运动过程中能量的变化是不连续，而是以某一最小单位呈跳跃式的变化,光在传播时的干涉、衍射,与实物的相互作用，如光的发射、吸收、光电效应,LouisdeBroglie认为：对于光，其波动性发现在先，微粒性发现在后；对于实物微粒是否可以颠倒过来，即微粒性发现在先，波动性发现在后呢？同时指出：电子及所有实物粒子应与光相似，既具有波动性又具有微粒性。,deBroglie关系式为：,任何运动物体都有波动性，宏观物体只是由于质量太大而导致波长太短无法显示出来,微观粒子的波粒二象性(wave-particlequality),微观粒子的波动性特性-概率波（随机波）-统计规律,量子化,证实：电子衍射实验的干涉图纹,电子衍射示意图,1927年，Davisson和Germer实验：,定向电子射线,晶片光栅,衍射图象,应用Ni晶体进行的电子衍射实验，证实了电子具有波动性的假设。,氢原子光谱示意图,式中，R为常数，n1、n2必须是正整数且n1n2,附图5.2氢原子光谱示意图,氢原子光谱特征:,线状光谱(连续)、带状光谱(连续),任何单原子气体受激发时都发射线状谱线不同元素所发射的谱线不同，同一元素发射的谱线相同,n=3，4，5，6,元素特征谱线：元素原子所发出的谱线,原子发射光谱仪、原子吸收光谱仪,Schrdinger方程：描述核外电子运动的波动方程,三、波函数和原子轨道,反映了微观粒子的波粒二象性。微观粒子：量子性-能量不连续、统计性-空间位置不确定性,量子力学,单质、有限、连续,本身没有明确的物理意义，只能说是描述核外电子运动状态的数学函数式；2有明确的物理意义：代表电子在原子空间的某点(x，y，z)附近单位微体积内出现的概率即概率密度。,波函数的物理意义,将直角坐标x，y，z变换成球坐标r，。,r：OP的长度(0)：OP与z轴的夹角(0)：OP在xoy平面内的投影OP与x轴的夹角(02),根据r，的定义，有x=rsincosy=rsinsinz=rcosr2=x2+y2+z2,P为空间一点,解薛定谔方程第一步：坐标变换,方程的求解*,将以上关系代入薛定谔方程中，经过整理，得到：,解薛定谔方程第二步：变量分离,(r,)=R(r).Y(,)=R(r).().(),引入参数m,m=0,1,2,引入参数l,l=0,1,2lm,引入参数n,n-1l,具有物理意义,n,l,m(r,)=Rn,l(r).Yl,m(,),Rn,l(r)是波函数径向分布函数,Yl,m(,)是波函数角度分布函数,通过变量分离，最后方程转化为在径向和角度方面的函数,求解薛定谔方程，就是求得描述微粒运动状态的波函数以及与该状态相对应的能量E。每个电子有自己的波函数和相应的能量E。一个波函数代表电子的一种运动状态。一种波函数称一个原子轨道，原子轨道和波函数是同义词。,当n、l、m一定，波函数就确定，相应的空间轨道也就确定即原子轨道确定。,四个量子数及其对核外电子运动状态的描述,核外单个电子运动状态,电子层,轨道的形状,轨道的伸展方向,自旋运动状态,主量子数（n）,角量子数（l）,磁量子数（m）,自旋量子数（ms）,主量子数1234567电子层符号KLMNOPQ,意义：原子中电子出现几率最大的区域离核的远近；是决定电子能级高低的主要因素。取值：n个，从1（任何非零的正整数）。举例：n=1代表电子出现几率最大的区域离核最近；代表能量低的电子层。列表：,1.主量子数(PrincipalQuantumNumber，n),光谱符号,2.角量子数(AzimuthalQuantumNumber，l),意义：决定原子轨道符号及形状，对应着同一主层的电子亚层，和n共同决定电子能级，角度分布。取值：n个，0n-1（n个从零开始的正整数）,l=0的原子轨道，在光谱中定为s轨道；l=0的原子轨道，说明角动量在各方向无变化，原子轨道呈球形；l=0的原子轨道，又称s亚层。,举例：,角量子数0123光谱符号spdf,角量子数的形状,角量子数l的不同取值代表同一电子主层中具有不同状态的亚层或分层。,s原子轨道,2p原子轨道,3d原子轨道,主量子数和角量子数关系,2019/12/13,21,可编辑,3.磁量子数(MagneticQuantumNumber，m),意义：描述原子轨道在空间的伸展方向(或空间取向)，每一个伸展方向相当于一个原子轨道。,举例：,l=0，s轨道，m=2l+1=1个，m=0，1个s轨道l=1，p轨道，m=2l+1=3个，m=0，13个p轨道l=2，d轨道，m=2l+1=5个，m=0，1，25个d轨道,与角动量的取向有关，取向是量子化的m可取0，1,2l，共2l+1取值决定了角度函数的空间取向m值相同的轨道互为等价轨道除s轨道外,都是各向异性的,对于n，l相等但m不相等的轨道称为简并轨道或等价轨道，其能量相等：如3个np轨道、5个nd轨和7个nf轨道。除S轨道外均具有空间异向。,p电子云角度分布图的空间取向,s轨道(l=0,m=0):m一种取值,空间一种取向,一条s轨道,p轨道(l=1,m=+1,0,-1)m三种取值,三种取向,三条等价(简并)p轨道,d轨道(l=2,m=+2,+1,0,-1,-2):m五种取值,空间五种取向,五条等价(简并)d轨道,f轨道(l=3,m=+3,+2,+1,0,-1,-2,-3):m七种取值,空间七种取向,七条等价(简并)f轨道不需要掌握,4、自旋量子数ms(spinquantumnumber),描述电子绕自轴旋转的状态自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为ms取值+1/2和-1/2，分别用和表示,每个轨道最多能容纳2个自旋相反的电子,四个量子数的基本概念,n,l,m一定,轨道也确定,0123轨道spdf例如:n=2,l=0,m=0,2sn=3,l=1,m=0,3pzn=3,l=2,m=0,3dz2,核外电子运动,轨道运动,自旋运动,与一套量子数相对应（自然也有1个能量Ei),nlmms,解：l=3对应的有m=0，1，2，3，共7个值。即有7条轨道。每条轨道中容纳两个自旋量子数分别为+1/2和1/2的自旋方向相反的电子，所以有27=14个运动状态不同的电子。分别用n，l，m，ms描述如下：,例：用四个量子数描述n=4，l=3的所有电子的运动状态,n，l，m，ms4301/24311/24311/24321/24321/24331/24331/2,n，l，m，ms4301/24311/24311/24321/24321/24331/24331/2,氢原子的若干波函数,轨道(r,)R(r)Y(,),1s2s2pz,四、波函数和电子云的空间图形,1、波函数角度分布图,n,l,m(r,)=Rn,l(r).Yl,m(,),角度分布,“+”、“-”代表波函数角度部分在该区域为“+”或“-”值,l、m确定，则该波函数的角度就确定,l、m相同，则就具有相同的原子轨道角度分布图,反映电子在核外空间不同方向空间分布,电子云的概念：电子在原子核外出现的概率密度叫电子云。即|2具体分布图形。,因为2(r,)=R2(r)Y2(,)，根据Y2(,)(,)可以画出电子云的角度分布图。,2.电子云与概率密度,几率密度（或概率密度）|2：电子在核外空间、某处单位微小体积内出现的几率。,电子在核外的运动并不能确定出一个严格的空间范围。,氢原子的1S电子云图,电子云常用小黑点的疏密程度表示。把占9095的几率分布用匡线匡起来，形成电子云的界面图，故也可用电子云的界面图来表示电子出现的几率分布。,电子在核外的运动并不能确定出一个严格的空间范围。,图5.9电子云示意图a)s电子云；b)p电子云；c)d电子云,原子轨道的角度分布图,电子云的角度分布图,原子轨道和电子云的角度分布图对比,3.电子云的角度分布图与波函数角度部分分布图比较,两者只与l、m两个量子数有关，而与主量子数无关；电子云角度分布图只能反应电子在空间不同角度所出现的概率密度，并不反应电子出现概率离核远近的关系；外观相似，只是波函数略胖；波函数角度分布有正负之分，既方向性，而电子云没有。,4.电子云的径向分布*,电子云的径向分布指在单位厚度的球壳内找到电子的概率,2s,3s,3s,图5.10电子云的径向分布示意图,思考1、下列各组量子数合理的是()。A3,3,0,1/2B2,3,1,1/2C3,1,1,-1/2D2,0,1,-1/2,思考2、核外电子运动状态的描述较正确的是()A.电子绕原子核作圆周运动B.电子在离核一