第5章原子结构 与元素周期性.ppt

,化学反应能否发生，反应速率的快慢，以及反应进行的程度大小等均与反应物和生成物的组成和结构等性质有关，与原子间的结合方式有关。,化学反应的本质,反应物分子之间原子的重新组合,如：H2+Cl22HCl,为了研究反应的本质、物质的性质及变化规律，就必须研究物质的结构。,分子的结构与性质,物质结构,原子结构和元素周期性,固体的结构与性质,无机化学多媒体电子教案,第五章原子结构和元素周期性,主要内容,第五章原子结构和元素周期性,主要内容,基本要求,1.微观粒子的波粒二象性,2.波函数与原子轨道、概率密度与电子云,3.四个量子数,6.元素性质的周期性变化,4.原子核外电子分布原理及其分布,5.元素周期系与核外电子分布的关系,第五章原子结构和元素周期性,基本要求,目录,5-1原子与元素,5-2原子结构的近代概念,5-3原子中电子的分布,5-4原子性质的周期性,第五章原子结构和元素周期性,一、氢光谱和能级：,氢光谱由激发态原子所发的光通过棱镜而得到的是明暗间隔的若干条彩色光线，称为线状光谱，又因为是由原子发射的，所以又称为原子光谱。原子光谱中最简单的是氢光谱。,连续光谱:太阳光谱;彩虹线状光谱(或称不连续光谱):原子光谱,光谱通过棱镜的色散作用，把复色光分解成为单色光并按不同波长排列而成的彩色光带，称为光谱。,光谱,1.原子核外电子的运动状态：,5-1-3原子轨道能级,aa,为连续光谱,为线状光谱,氢原子光谱实验示意图,其中,入（谱线）的不连续性核外电子运动的能量是不连续的（即量子化）。并且核外电子运动的能量E=hE:为电子运动的能量，反映出了电子粒子性；h:为普郎克常数；:为波谱线的频率.通过普郎克常数h把电子的粒子性和波动性联系起来了。,量子化的概念：物质吸引或发射能量是不连续的，即量子化的。也就是说，只能以单个的，一定份量的能量的方式吸收或发射能量。,氢光谱这些实验事实，无法用经典的电磁学理论加以解释。根据经典的电磁学理论：1、电子不断发射能量，自身能量会不断减少，电子运动的轨道半径将逐渐缩小，电子很快会落在原子核上，即原子是一个不稳定的体系。2、电子自身能量逐渐减少，电子绕核旋转的频率也要逐渐地改变，。辐射的电磁波频率将随着旋转频率的改变而逐渐变化，因而原子发射的光谱应是连续的.,为了解释氢原子光谱的实验事实，1913年丹麦物理学家玻尔提出了原子结构理论，对氢原子光谱作了很好的解释。,波尔的原子结构理论的主要要点为：,1、原子中的电子只能在一些特定的轨道上运动，运动的电子既不发射能量也不吸收能量。,2、在一定轨道中运动的电子具有一定的能量，能量E=-（n=1，2，3）.电子轨道离核越远,能量越高.通常电子是在离核最近的轨道上运动,这时原子的能量最低,称为基态.当原子从外界获得能量时,电子可以跃迁到离核较远的高能量轨道上去,此时称为激发态.,3、电子由一个轨道跃迁到另一个轨道,它要吸收或放出一定的能量,吸收或放出的能量(n2n1,n是正整数1,2,3,),若从高能级的轨道上跃迁到低能级的轨道上,跃迁过程中原子释放出的能量以光的形式释放出来.,波尔贡献：成功地解释了氢光谱产生的原因和规律，从氢光谱的不连续性推出原子中电子能量的不连续性。,波尔理论的缺陷：1.有固定轨道的概念;2.不能解释多电子原子。,波尔理论缺陷的原因：在于他的理论是在经典牛顿理论的基础上提出来的。,二、核外电子运动的波粒二象性：,德布罗依在光的波粒二象性的启发下，他大胆地提出电子也应具有波粒二象性假设。,他假设的依据：,电子质量me=9.1110-31kg很小,速度e=106m.s-1很大,又接近光速(光=3.0108m.s-1),所以,他认为电子也应该具有波粒二象性。并且预言，高速运动的电子波长入：入=（P为动量）。,戴维逊和革末成功地做出了电子衍射实验，证明了德布罗意的假设是正确的。,电子的衍射实验,三、测不准原理：,德国物理学家海森堡提出动量的测不准值（p）和位置的测不准值（X）符合以下关系式：,该式就是量子力学中的一个重要关系式-测不准关系式。,对于宏观物体，其质量太大，速度太小，产生的波长太短而无法测到，因而认为无波动性。,例：质量为10g的子弹，以103m.s-1速度运动,它的波长是多少?,解：,入=,=6.6310-35m=6.6310-26nm=6.6310-23pm,根据,解：,结论：对于宏观物体来说,测不准的情况是微不足道的。,解：同理,=,m.s-1,这个不准确量大于电子自身的运动速度(e=106m.s-1)。,结论：对于微观粒子的运动来说，要同时准确测定它的位置和速度是不可能的。测定位置的准确度越大（即X越小），则确定速度的准确性就越小（即越大），两者对立，反之亦然。,四、核外电子运动状态的数学描述：,1.Schrodinger方程:,-波函数;E-总能量;v-势能m-电子质量;h-Planck常数;x、y、z-空间坐标Schrodinger方程把体现微观粒子的粒子性（m,E,V,坐标等）与波动性（）有机的融合在一起，从而更真实的反映出微观粒子的运动状态。,2、四个量子数：,从薛定谔方程中求出（x，y，z）具体函数形式，即为方程的解，它是一个包含n、l、m三个常数项的三个变量（x，y，z）的函数，通常用n，l，m（x，y，z）表示。,应当指出，并不是每一个薛定谔方程的解都是合理的、都能表示电子运动的一个稳定状态。为了得到电子运动状态合理的解，就要求n、l、m不是任意的常数，而是符合一定的取值。在量子力学中把这类特定常数n、l、m称为量子数。这三个量子数可取的数值及它们的关系如下：主量子数n=1，2，3，4角量子数l=0，1，2，3(n-1)磁量子数m=0,1，2，3l,共有2l+1个值,（1）、主量子数n:物理意义：是描述了核外电子的远近问题;决定着核外电子的能量。n的取值：n1,2,3的正整数,对于氢原子E=-,(2)、角量子数l:,物理意义:是描述波函数(原子轨道)的形状问题,对于多电子原子,l和n一起决定着核外电子的能量。L的取值（l）：0，1，2，3(n-1)。,如n=1时，l=0；n=2时，l=0，1；n=3时，l=0，1，2。当l=0时对映的轨道为S轨道，球体形；l=1时对映的轨道为p轨道，轨道的形状为亚玲形；1=2时对映的轨道为d轨道，轨道的形状为梅花状形。,电子云角度分布图,电子云角度分布图,电子云角度分布图,s,px,py,pz,dxy,dxz,电子云角度分布图,dZ2,dx2-y2,dxy,(3)、磁量子数m:,物理意义:是描述波函数(原子轨道)在空间的伸展方向问题。,其取值范围：m=0,1，2，3l，共有2l+1个值,如l=0时,m=0,一个值,s轨道只有一个方向;l=1时,m=-1,0,+1三个值,p轨道有三种伸展方向(px、py、pz)；l=2时,m=-2,-1,0,+1,+2五个值,d轨道有5种伸展方向(dxy、dxz、dyz、)；,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.,（4）、自旋量子数ms：,ms的物理意义：是用来描述电子自身运动特征的自旋量子数。,ms的取值：为+和-。它表示电子的两种不同的自旋方式。规定：沿磁场方向的为+；相反于磁场方向的为-。,电子运动状态由,1空间运动状(n,l,m),2自旋运动状态ms,决定,(5)、波函数:物理意义:描述核外电子运动状态(n,l,m)以及能量(E)的一种数学函数式。波函数（原子轨道，原子轨函）是一种几率波，没有明确的、直观的物理意义。但波函数的绝对值平方有明确的物理意义。,物理意义：表示电子在核外空间单位体积内出现的几率，即几率密度。,五、几率密度、几率和电子云：,几率密度（）：单位体积内微粒出现的次数，即核外空间单位体积电子出现的几率。,几率：用统计的方法来判断电子在核外空间某一区域内出现的机会多少，数学上称为几率。,电子云：电子在核外的几率密度（）的分布图，即电子云是从统计的概念出发，对核外电子出现的几率密度作一形象化的图示（描述）。,电子云密度大小反映电子在该区域（单位体积）出现的机会（几率）大小,电子云演示图,六、波函数的径向分布与角度分布：,角度波函数,R(r)是与r有关的径向分布部分,称为径向波函数，它由量子数n、l决定；,Y(,)是与,有关的角度分布部分，称角度波函数，它由量子数l、m决定。,原子轨道的角度分布和径向分布分别见武大三版P69和P72。,电子运动状态特点小结在经典力学中功、能量，角动量等物理量是连续变化的。在微观世界中，核外电子运动的能量是不连续的，分为不同的能级。而电子运动状态需要用四个量子数来确定。在经典力学中，质点的运动状态可以同时有确定的坐标和动量，质点的运动状态可用位置和动量来描述。在量子力学总，微观粒子具有波粒二象性。不能同时有确定的位置和能量，仅用位置坐标和动量来描述电子的空间运动状态是不够恰当的。电子空间运动状态需要用波函数来描述。,2.原子核外电子排布和元素周期律：一、多电子原子的轨道能级图：,单电子原子（H）：轨道能级E=-,，（氢原子的核电荷Z=1）；,多电子原子（En，l）：轨道能级不仅与n有关还与l有关，轨道能级高低的规律为：,l相同，n不同：n值越大，能量E越高，如E1sE2sE3s；n相同,l不同：l值越大,能量E越高,如E2sE2p,E3sE3p；n、l均不相同：(n+0.7l)值大，能量高，如E4s(n=4,l=0)E3d(n=3,l=2)。通过（n+0.7l）计算,可以得出多电子原子的轨道近似能级图,如P132所示。,屏蔽效应：是指由核外其余电子抵消部分核电荷对指定电子吸引力的作用，称为屏蔽效应。,对于多电子原子的某个电子来说，其能量E=-,屏蔽常数()：代表由于电子间的排斥作用而使原有的核电荷减小或抵消的部分。,斯莱特规则（见武大三版P83）：,1、将原子中的电子分成如下几组：（1s），（2s2p），（3s3p），（3d），（4s4p），（4d），（4f），（5s5p），2、外层电子对内层电子没有屏蔽作用,即=0；3、1s轨道上2个电子之间的=0.30,其它主量子数(n)相同的各分层电子之间的=0.35;4、被屏蔽电子为ns或np时,则主量子数为(n-1)的各电子,对它们的=0.85,而小于(n-1)的各电子对它们的=1.00;被屏蔽电子为nd或nf电子时,则位于它左边各组电子对它们的屏蔽常数=1.00。,例1、计算Al原子中其它电子对一个3p电子的值；求3p1电子的Z*。,解：铝为13号元素，所以（1s2），（2s22p6），（3s23p1）；3p电子的=20.35+80.85+21.00=9.5;3p1电子的Z*=13-9.5=3.5。,例2、见武大三版P84的例3-2,钻穿效应：外层电子钻穿到内部空间而靠近原子核的现象，称之为钻穿效应。,电子钻的越深，它受其它电子的屏蔽作用就越小，受核的吸引力越强，因而能量也越低。,钻穿效应和屏蔽效应是从两个侧面去描述多电子原子中电子之间的相互作用对轨道能级的影响，着眼点不同，但本质上都是一种能量效应。,二、原子核外电子排布：,原子核外电子排布遵循：,1、能量最低原理：,电子在原子轨道上的分布，要尽可能的使电子的能量为最低，也就是说，电子首先填充能量低的轨道，然后依次向高能级填充。例21号元素Sc原子的核外电子排布为：1s22s22p63s23p64s23d1；,2、保里不相容原理：,每条轨道上至多只能容纳两个电子，而且这两个电子自旋方向必须相反。或者说，在同一个原子中，不可能有两个电子处于完全相同的状态，即原子中两个电子所处状态的四个量子数（n、l、m、ms）不可能完全相同；,3、洪特规则：,在简并轨道（如3p、3d等）上排布电子时，总是尽先占据不同轨道，且自旋平行。,如C原子：1s22s22p2，2p轨道上的两个电子应该是：,而不是,4、特例：,等轨道全充满、半充满、全空时，体系较稳定。全满：p6、d10、f14；半满：p3、d5、f7；全空：p0、d0、f0。,如：Cr：1s22s22p63s23p63d54s1；,Cu：1s22s22p63s23p63d104s1,Fe2+：1s22s22p63s23p63d64s0；,Fe3+：1s22s22p63s23p63d54s0,三、原子结构和周期表：,1、周期的划分：,本质：原子轨道能级组的划分，产生了周期。,（1）.能级组组数与周期表中的周期数相对应；（2）每周期中元素的个数与能级组中最大容纳的电子数相对应。,2、族的划分：,按最后一个电子填充的位置来划分主、副族。最后一个电子填充在外层的为A族，否则为B族。,周期表中共分16个族：7个A族；7个副族；1个零族；1个。主族元素（A零族）：族数与最外层的电子数相对应，如Cl元素Ne3s23p5。副族元素（B-B）：ns电子数+（n-1）d电子相对应，如Cr元素Ar3d54s1；B、B：ns1-2(n-1)d10族数,只取决于ns轨道上的电子数,如Cu元素:Ar3d104s1为B,Zn元素:Ar3d104s2为B。,3、区的划分：根据元素原子的核外电子排布的特点，可将周期表划分为5个区。,S区：电子构型ns1-2包括IA、IIA族，最后一个电子填充在S能级上；p区：电子构型ns2np1-6包括A零族，最后一个电子填充在p能级上；d区：电子构型（n-1）d1-9ns1-2包括IIIB-，最后一个电子填充在d能级上；ds区：电子构型（n-1）d10ns1-2包括IB、IIB，最后一个电子填充在d能级上；f区：电子构型（n-2）f1-14（n-1）d0-2ns2，包括La、Ac系元素，最后一个e填充在f能级上。,3、原子性质的周期性：,一、原子半径（r）：,常用的原子半径有三套数据：,1共价半径：同种元素的两个原子以共价键结合时，测得它们核间距的一半；,2金属半径：在金属晶体中，相邻两金属原子核间距的一半；,3范德华（非键合）半径：在分子晶体中相邻分子间两个非键结合的同种原子其核间距的一半。,5-1原子半径,原子半径,d=198pmr(Cl)=99pm,d=154pmr(C)=77pm,原子半径,d=256pmr(Cu)=128pm,原子半径,d=320pmr(Ne)=160pm,同族元素原子半径变化规律：,原子半径的数据请见140,同周期元素原子半径变化规律：从左到右：随Z，半径(r)，但主族元素的原子半径变化幅度大于副族元素的原子半径的变化幅度。,二、电离能（I）：气态原子失去一个电子变成气态离子时所需的能量,称为电离能(I)。,如：M(g)M(g)+e所需外界提供的能量(I1),同理M(g)+M(g)+e所需的能量(I2)。,电离能的物理意义：反映了原子失去电子的难易程度。,电离能（I）变化规律：,同族：,A族：从上到下：随Z，半径，I，（II