第01章+原子结构和元素周期表.ppt

第1章原子结构和元素周期表,Chapter1AtomicStructureandPeriodicTableofElements,1初步了解原子核外电子运动的近代概念、原子能级、波粒二象性、原子轨道（波函数）和电子云概念.,2了解四个量子数对核外电子运动状态的描述，掌握四个量子数的物理意义、取值范围.,3熟悉s、p、d原子轨道的形状和方向.,4理解原子结构的近似能级图，掌握原子核外电子排布的一般规则和s、p、d、f区元素的原子结构特点.,5会从原子的电子层结构了解元素性质，熟悉原子半径、电离能、电子亲合能和电负性的周期性变化.,1.1亚原子粒子subatomicparticles,1.2波粒二象性赖以建立现代wave-particledualitya模型的量子力学概念fundamentalconceptofquantummechanics,1.3氢原子结构的量子力学模型thequantummechanicalmodelofthestructureofhydrogenatom波尔模型Bohrmodel,1.4原子结构的波动力学模型thewavemechanicalmodelofthestructureofatom,1.5多电子原子轨道的能级theenergylevelofmany-electronatoms,1.6基态原子的核外电子排布ground-stateelectronconfiguration,1.7元素周期表theperiodictableofelements,1.8原子参数atomicparameters,1.1亚原子粒子（subatomicparticles）,1.1.1化学研究的对象theobjectofchemicalstudy,1.1.3夸克Quark,1.1.2亚原子粒子（基本粒子）subatomicparticles(elementaryparticles),1.1.1化学研究的对象,哪些是关键性的问题呢？化学反应的性能问题;化学催化的问题;生命过程中的化学问题.,当今化学发展的趋势大致是：由宏观到微观，由定性到定量，由稳定态向亚稳态，由经验上升到理论并用理论指导实践，进而开创新的研究.,总之，化学已成为中心学科，与21世纪的四个重大课题（能源、材料、环境和生命科学）都有关.,Propertiesofsomesubatomicparticles,1.1.2亚原子粒子,原子是化学上最重要、使用最频繁的术语之一,原是希腊语中意为“不可再分”意思.随着科学的发展,道尔顿(DaltonJ)于1803年提出了第一个现代原子论,但他接受了“不可再分”的概念.随着电子的发现,接着发现了粒子、质子和中子,如果将电子看作原子上掉下的“碎屑”,粒子就算得上原子分裂的“碎块”了.人们将组成原子的微粒叫亚原子粒子.亚原子粒子曾经也叫基本粒子,近些年越来越多的文献就将其叫粒子.迄今科学上发现的粒子已达数百种之多,1.1.3夸克,Someprimaryparticles,根据1961年由盖尔-曼（GellM-Mann）建立的新模型，质子和中子都是由更小的粒子夸克组成的，但现有的理论还不能预言（当然更不用说从实验上证明）电子是可分的.,1.2.1经典物理学概念面临的窘境（anemba-rrassmentoftheconceptsoftheclassicalphysics),1.2.2波的微粒性（particlelikewave),1.2.3微粒的波动性（wavelikeparticle),1.2.1经典物理学概念面临的窘境,Rutherford根据粒子散射实验，创立了关于原子结构的“太阳-行星模型”.其要点是：,1.所有原子都有一个核即原子核(nucleus)；2.核的体积只占整个原子体积极小的一部分；3.原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上；4.电子像行星绕着太阳那样绕核运动.,Rutherfordsexperimentonparticlebombardmentofmetalfoil,在对粒子散射实验结果的解释上,新模型的成功是显而易见的,至少要点中的前三点是如此.问题出在第4点,尽管卢瑟夫正确地认识到核外电子必须处于运动状态,但将电子与核的关系比作行星与太阳的关系,却是一幅令人生疑的图像.,根据当时的物理学概念,带电微粒在力场中运动时总要产生电磁辐射并逐渐失去能量,运动着的电子轨道会越来越小,最终将与原子核相撞并导致原子毁灭.由于原子毁灭的事实从未发生,将经典物理学概念推到前所未有的尴尬境地.,Anunsatisfactoryatomicmodel,1.2.2波的微粒性,描述微观物体运动规律的需求呼唤物理学新概念的诞生！,人们对物质和能量的认识是否只看到了硬币的一面？,波粒二象性是解决原子结构问题的“总开关”.,电磁波是通过空间传播的能量.可见光只不过是电磁波的一种.,Theelectromagneticspectrum,电磁波在有些情况下表现出连续波的性质，另一些情况下则更像单个微粒的集合体，后一种性质叫作波的微粒性.,1900年,普朗克(PlankM)提出了表达光的能量(E)与频率()关系的方程,即著名的普朗克方程：E=h式中的h叫普朗克常量(Planckconstant),其值为6.62610-34Js.,普朗克认为,物体只能按h的整数倍(例如1,2,3等)一份一份地吸收或释出光能,而不可能是0.5,1.6,2.3等任何非整数倍.这就是所谓的能量量子化概念.,普朗克提出了当时物理学界一种全新的概念,但它只涉及光作用于物体时能量的传递过程(即吸收或释出).,Plank公式,Thephotoelectriceffect,爱因斯坦认为,入射光本身的能量也按普朗克方程量子化,并将这一份份数值为1的能量叫光子(photons),一束光线就是一束光子流.频率一定的光子其能量都相同,光的强弱只表明光子的多少,而与每个光子的能量无关.,爱因斯坦对光电效应的成功解释最终使光的微粒性为人们所接受.以波的微粒性概念为基础的一门学科叫量子力学(quantummechanics).,光电效应,1905年,爱因斯坦(EinsteinA)成功地解释了光电效应(photoelectriceffect),将能量量子化概念扩展到光本身.对某一特定金属而言,不是任何频率的光都能使其发射光电子.每种金属都有一个特征的最小频率(叫临界频率),低于这一频率的光线不论其强度多大和照射时间多长,都不能导致光电效应.,Question1,钾的临界频率=5.01014s-1,试计算具有这种频率的一个光子的能量.对红光和黄光进行类似的计算,解释金属钾在黄光作用下产生光电效应而在红光作用下却不能.,将相关频率值代入普朗克公式:E(具有临界频率的一个光子)=6.62610-34Js5.01014s-1=3.310-19JE(黄光一个光子)=h=6.62610-34Js5.11014s-1=3.410-19JE(红光一个光子)=h=6.62610-34Js4.61014s-1=3.010-19J黄光光子的能量大于与临界频率对应的光子能量,从而引发光电效应;红光光子的能量小于与临界频率对应的光子能量,不能引发光电效应.,另一面谁来翻开？,波的微粒性,导致了人们对波的深层次认识，产生了讨论波的微粒性概念为基础的学科量子力学（quantummechanics）.,钱币的一面已被翻开！,1.2.2微粒的波动性,微粒波动性的直接证据光的衍射和绕射,在光的波粒二象性的启发下，德布罗依提出一种假想.他于1924年说：,德布罗依关系式一个伟大思想的诞生,1924年，LouisdeBroglie认为：质量为m,运动速度为v的粒子,相应的波长为：,h为Planck常量,这就是著名的德布罗依关系式.,“过去，对光过分强调波性而忽视它的粒性；现在对电子是否存在另一种倾向，即过分强调它的粒性而忽视它的波性.”,1927年，Davissson和Germer应用Ni晶体进行电子衍射实验，证实电子具有波动性.,(a),(b),电子通过A1箔(a)和石墨(b)的衍射图,微粒波动性的近代证据电子的波粒二象性,Schematicdrawingsofdiffractionpatternsbylight,X-rays,andelectrons,微观粒子电子：,宏观物体子弹：,让我们选一个微观粒子和一个很小的宏观物体进行一项计算：,显然，包括宏观物体如运动着的垒球和枪弹等都可按德布罗依公式计算它们的波长.由于宏观物体的波长极短以致无法测量，所以宏观物体的波长就难以察觉，主要表现为粒性，服从经典力学的运动规律.只有象电子、原子等质量极小的微粒才具有与x射线数量级相近的波长才符合德布罗依公式，然而，如此短的波长在一般条件下仍不易显现出来.,m=1.010-2kg,=1.0103ms-1,=6.610-35m,Question2,波粒二象性是否只有微观物体才具有？,波尔以波的微粒性（即能量量子化概念）为基础建立了他的氢原子模型.,波粒二象性对化学的重要性在于：,H+HH-DHe,薛定鳄等则以微粒波动性为基础建立起原子的波动力学模型.,1.3氢原子结构的量子力学模型：波尔模型(thequantummechanicalmodelofthestructureofhydrogenatomBohrmodel),不连续的、线状的，是很有有规律的.,氢原子光谱特征:,与日光经过棱镜后得到的七色连续光谱不同,原子受高温火焰、电弧等激发时,发射出来的是不连续的线状光谱.每种元素的原子都有其特征波长的光谱线,它们是现代光谱分析的基础.氢原子的发射光谱是所有原子发射光谱中最简单的.,氢原子光谱由五组线系组成,即紫外区的莱曼(Lyman)系,可见区的巴尔麦(Balmer)系,红外区的帕邢(Paschen)系、布莱克特(Brackett)系和芬得(Pfund)系.任何一条谱线的波数(wavenumber)都满足简单的经验关系式:,式中为波数的符号,它定义为波长的倒数,单位常用cm-1;R为里德伯常量,实验确定为1.09737105cm-1;n2大于n1,二者都是不大的正整数.各线系n的允许值见下表：,例如：对于Balmer线系的处理,n=3红（H）n=4青（H）n=5蓝紫（H）n=6紫（H）,氢原子核内只有一个质子，核外只有一个电子，它是最简单的原子.在氢原子内，这个电子核外是怎样运动的？这个问题表面看来似乎不太复杂，但却长期使许多科学家既神往又困扰，经历了一个生动而又曲折的探索过程.,爱因斯坦的光子学说普朗克的量子化学说氢原子的光谱实验卢瑟福的有核模型,Bohr在,的基础上，建立了Bohr理论.,波粒二象性,Bohr理论的主要内容,玻尔(BohrN)于1913年提出的氢原子结构的量子力学模型是基于下述3条假定：,关于固定轨道的概念.玻尔模型认为,电子只能在若干圆形的固定轨道上绕核运动.固定轨道是指符合一定条件的轨道,这个条件是,电子的轨道角动量L只能等于h/(2)的整数倍：,式中m和v分别代表电子的质量和速度,r为轨道半径,h为普朗克常量,n叫做量子数(quantumnumber),取1,2,3,等正整数.轨道角动量的量子化意味着轨道半径受量子化条件的制约,图中示出的这些固定轨道,从距核最近的一条轨道算起,n值分别等于1,2,3,4,5,6,7.根据假定条件算得n=1时允许轨道的半径为53pm,这就是著名的波尔半径.,关于轨道能量量子化的概念.电子轨道角动量的量子化也意味着能量量子化.即原子只能处于上述条件所限定的几个能态,不可能存在其他能态.,指除基态以外的其余定态.各激发态的能量随n值增大而增高.电子只有从外部吸收足够能量时才能到达激发态.,定态(stationarystate)：,所有这些允许能态之统称.核外电子只能在有确定半径和能量的定态轨道上运动,且不辐射能量.,基态(groundstate):,n值为1的定态.通常电子保持在能量最低的这一基态.基态是能量最低即最稳定的状态.,激发态(excitedstates):,玻尔模型认为,只有当电子从较高能态(E2)向较低能态(E1)跃迁时,原子才能以光子的形式放出能量(即,定态轨道上运动的电子不放出能量),光子能量的大小决定于跃迁所涉及的两条轨道间的能量差.根据普朗克关系式,该能量差与跃迁过程产生的光子的频率互成正比：,关于能量的吸收和发射.,E=E2E1=h,如果电子由能量为E1的轨道跃至能量为E2的轨道,显然应从外部吸收同样的能量.,E:轨道的能量：光的频率h:Planck常数,计算氢原子的电离能,波尔理论的成功之处,解释了H及He+、Li2+、B3+的原子光谱,说明了原子的稳定性,对其他发光现象（如光的形成）也能解释,不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂,波尔理论的不足之处,不能解释氢原子光谱的精细结构,不能解释多电子原子的光谱,Question3,请计算氢原子的第一电离能是多少？,（氢原子的第一电离能）,（氢原子其他能级的能量）,1.4.1测不准原理和波动力学的轨道(uncertaintyprincipleandorbitalinquantummechanicalmodel),1.4.2描述电子运动状态的四个量子数(fourquantummummersusedindefiningthemovementstateofelectrons),1.4.3薛定锷方程和波函数(Schrodingerequationandwavefunction),1.4.4波函数的图形描述(portrayalofwavefunction),波动力学模型是迄今最成功的原子结构模型,它是1920年代以海森堡(HeisenbergW)和薛定锷(SchrodingerE)为代表的科学家们通过数学方法处理原子中电子的波动性而建立起来的.该模型不但能够预言氢的发射光谱(包括玻尔模型无法解释的谱线),而且也适用于多电子原子,从而更合理地说明核外电子的排布方式.,HeisenbergW,SchrodingerE,1.4.1测不准原理和波动力学的轨道概念,海森堡的测不准原理（Heisenberguncertaintyprinciple）,如果我们能设计一个实验准确测定微粒的位置,那就不能准确测定其动量,反之亦然.,xph/(4),如果我们精确地知道微粒在哪里,就不能精确地知道它从哪里来,会到哪里去;如果我们精确地知道微粒在怎样运动,就不能精确地知道它此刻在哪里.,重要暗示不可能存在Rutherford和Bohr模型中行星绕太阳那样的电子轨道,具有波粒二象性的电子，已不再遵守经典力学规律，它们的运动没有确定的轨道，只有一定的空间几率分布，即电子的波动性与其微粒行为的统计性规律相联系.因此,实物的微粒波是概率波,性质上不同于光波的一种波.波动力学的轨道概念与电子在核外空间出现机会最多的区域相联系.,但是，测不准关系不是限制人们的认识限度，而是限制经典力学的适用范围，说明微观体系的运动有更深刻的规律在起作用，这就是量子力学所反应的规律.,即不可能同时测得电子的精确位置和精确动量！,（1）主量子数n(principalquantumnumber),1.4.2描述电子运动状态的四个量子数,与电子能量有关，对于氢原子，电子能量唯一决定于n,确定电子出现几率最大处离核的距离,不同的n值，对应于不同的电子壳层.KLMNO.,像玻尔的固定轨道一样,波动力学的轨道也由量子数所规定.不同的是,原子轨道用三个量子数而不像玻尔轨道只用一个量子数描述.,与角动量有关，对于多电子原子,l也与E有关l的取值0，1，2，3n-1(亚层）s,p,d,f.l决定了的角度函数的形状,（2）角量子数l(angularmomentumquantumumber),s轨道球形,p轨道哑铃形,d轨道有两种形状,与角动量的取向有关，取向是量子化的m可取0，1,2l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,（3）磁量子数m(magneticquantumnumber),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.,本课程不要求记住f轨道具体形状!,（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,想象中的电子自旋两种可能的自旋方向:正向(+1/2)和反向(-1/2)产生方向相反的磁场相反自旋的一对电子,磁场相互抵消.,Electronspinvisualized,由上面的讨论知道n,l,m一定,轨道也确定,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,Question4,写出与轨道量子数n=4,l=2,m=0的原子轨道名称.,原子轨道是由n,l,m三个量子数决定的.与l=2对应的轨道是d轨道.因为n=4,该轨道的名称应该是4d.磁量子数m=0在轨道名称中得不到反映,但根据我们迄今学过的知识,m=0表示该4d轨道是不同伸展方向的5条4d轨道之一.,Representationsofthefivedorbitals,Question5,什么是轨道的“节点”和“节面”？,这是波函数图形描述中的术语.,例如2s轨道的两种表示法中，(a)中原子核附近(r=0)电子概率最高,在离核某个距离处下降到零,概率为零的这个点叫节点.通过节点后概率又开始增大,在离核更远的某个距离升至第二个最大值,然后又逐渐减小.(b)中的高密度小点出现在两个区域.一个区域离核较近,另一个区域离核较远,其间存在一个概率为零的球壳.,Electronprobabilityfora2sorbital,对p轨道而言,电子概率为零的区域是个平面,我们将其称之为节面.px轨道的节面是yz平面,py轨道和pz轨道的节面分别是xz平面和xy平面.,Representatiosofthethree2porbitals,1.4.3薛定锷方程和波函数,Schrdinger方程与量子数,方程中既包含体现微粒性的物理量m,也包含体现波动性的物理量;求解薛定锷方程,就是求得波函数和能量E;解得的不是具体的数值,而是包括三个常数(n,l,m)和三个变量(r,)的函数式n,l,m(r,);数学上可以解得许多个n,l,m(r,),但其物理意义并非都合理;为了得到合理解,三个常数项只能按一定规则取值,很自然地得到前三个量子数.有合理解的函数式叫做波函数(Wavefunctions),它们以n,l,m的合理取值为前提.,波动力学的成功:轨道能量的量子化不需在建立数学关系式时事先假定.,波函数=薛定锷方程的合理解=原子轨道,r:径向坐标,决定了球面的大小:角坐标,由z轴沿球面延伸至r的弧线所表示的角度.:角坐标,由r沿球面平行xy面延伸至xz面的弧线所表示的角度.,直角坐标(x,y,z)与球坐标(r,)的转换,1.4.4波函数的图形描述,将Schrdinger方程变量分离：,径向波函数,Rn,l(r),R(r),原子轨道径向分布图(以氢原子的1s,2s,3s轨道为例),取不同的r值,代入波函数式中进行计算,以计算结果对r作图.例如,氢原子1s轨道的R(r)=2e-r,yn,l,m(r,q,f)=,Yl,m(q,f),曲线怎样绘得?,曲线含义:,离核越近,这些s轨道的R值越大.其它含义不在本课程要求之列.,角度波函数,原子轨道角度分布图(以氢原子2px轨道为例),通过坐标原点画出若干条射线,每条对应一组和值;将该组和值代入波函数式(见上)中进行计算,以计算结果标在该射线上某一点;用同样方法标出其它射线上的点,然后将所有的点相联,得沿x轴伸展的哑铃形面.,波动力学中的波函数对应于经典物理学中光波的振幅;经典物理学中,光的强度与振幅的平方成正比;波动力学中,微粒波的强度与波函数的平方(2)相联系;2的物理意义是概率密度.因为根据玻恩统计解释,微粒波的强度(2)表达微粒在空间某点单位体积内出现的概率.,我们最初介绍“orbital”概念时说,特定能量的电子在核外空间出现最多区域叫原子轨道.从电子云(electronclouds)角度讲,这个区域就是云层最密的区域.注意,电子云不是一个科学术语,而只是一种形象化比喻.特别注意,一个小黑点绝不代表一个电子,您不妨将密密麻麻的小黑点看作某个特定电子在空间运动时留下的“足迹”.,一条轨道是一个数学函数,很难阐述其具体的物理意义.它不是行星绕太阳运行的“orbit”，不是火箭的弹道，也不是电子在原子中的运动途径,只能将其想象为特定电子在原子核外可能出现的某个区域的数学描述.,从波函数(r,)到电子云2(r,),表示径向电子云分布的两种方法,之一:电子云径向密度分布曲线(蓝色曲线)纵坐标:R2离核越近,电子出现的概率密度(单位体积内的概率)越大.(这种曲线酷似波函数分布曲线),2(r,)=R2(r)Y2(,),表示径向电子云分布的两种方法,之二:电子云径向分布曲线(红色曲线)纵坐标:4r2R24r2R2曲线是4r2曲线和R2曲线的合成曲线.曲线在r=53pm处出现极大值,表明电子在距核53pm的单位厚度球壳内出现的概率最大.波动力学模型得到的半径恰好等于氢原子的玻尔半径.,2(r,)=R2(r)Y2(,),酷似波函数的角度分布图.但是,叶瓣不再有“+”、“-”之分.要求牢记：s,p,d电子云的形状,s,p,d电子云在空间的伸展方向.,电子云角度分布图,由R(r)和R2(r)得到彼此酷似的两种径向分布图.由Y(,)和Y2(,)得到彼此酷似的两种角度分布图.由4r2R2(r)得到的也是径向分布图.注意,纵坐标4r2R2表示概率,而不再是概率密度了.,轨道图形描述:小结,1.5多电子原子轨道的能级(theenergylevelofmany-electronatoms),1.5.1鲍林近似能级图（portrayalofPaulingapproximationenergylevel),1.5.3屏蔽和穿钻(shieldingandpenetration),1.5.2科顿能级图（Cottonenergylevelportray),Pauling,L.C.(1901-1994),1.5.1鲍林近似能级图,n值相同时,轨道能级则由l值决定,例:E(4s)E(4p)E(4d)E(4f).这种现象叫能级分裂.,l值相同时,轨道能级只由n值决定,例:E(1s)E(2s)ndn，这意味着,亚层轨道的电子云按同一顺序越来越远离原子核,导致能级按E(ns)E(np)内过渡元素,第3周期前7个元素平均减小:r(Na)-r(Cl)/6=191pm-99pm/6=15.3pm第一过渡系10个元素平均减小:r(Sc)-r(Zn)/9=164pm-137pm/9=3.0pm镧系15个元素平均减小:r(La)-r(Lu)/14=188pm-173pm/14=1.1pm,同周期原子半径的变化趋势(三),内部效应:镧系中相邻元素的半径十分接近,用普通的化学方法将很难分离.外部效应:使第5、6两周期的同族过渡元素（如Zr-Hf,Nb-Ta等）性质极为相似，往往导致在自然界共生，而且相互分离不易.,内过渡元素有镧系收缩效应(Effectsofthelanthanidecontraction),同族元素原子半径的变化趋势,同族元素原子半径自上而下增大:电子层依次增加,有效核电荷的影响退居次要地位.第6周期过渡元素(如Hf,Ta)的原子半径与第5周期同族元素(如Zr,Nb)相比几乎没有增大,这是镧系收缩的重要效应之一.,原子半径变化规律的形象表示,1.8.2电离能(ionizationenergy),E(g)=E+(g)+e-I1,E+(g)=E2+(g)+e-I2,I1I2I3I4,电离能涉及分级概念.基态气体原子失去最外层一个电子成为气态+1价离子所需的最小能量叫第一电离能,再从正离子相继逐个失去电子所需的最小能量则叫第二、第三、电离能.各级电离能符号分别用I1、I2、I3等表示,它们的数值关系为I1I2I3.这种关系不难理解,因为从正离子离出电子比从电中性原子离出电子难得多,而且离子电荷越高越困难.,同族总趋势：自上至下减小,与原子半径增大的趋势一致,同周期总趋势：自左至右增大,与原子半径减小的趋势一致,各周期中稀有气体原子的电离能最高.第2族元素Be和Mg，第15族元素N和P，第12族元素Zn、Cd和Hg在电离能曲线上出现的小高峰.,Question10,您能从亚层全满、半满结构的相对稳定性说明下述事实吗？,1.8.3电子亲和能(electronaffinity),X(g)+e-=X-(g),X-(g)+e-=X2-(g),例如，O-(g)+e-=O2-(g)A2=-780kJ.mol-1,电子亲和能是气态原子获得一个电子过程中能量变化的一种量度.与电离能相反,电子亲和能表达原子得电子难易的程度.元素的电子亲和能越大,原子获取电子的能力越强,即非金属性越强.,电子亲和能是指一个气态原子得到一个电子形成负离子时放出或吸收的能量,常以符号EA表示.像电离能一样,电子亲和能也有第一、第二、之分.元素第一电子亲和能的正值表示放出能量,负值表示吸收能量.学过“化学热力学初步”一章后您会发现,这里对正、负号的规定与热化学的规定恰好相反!,电子亲和能变化的形象表示,原子结合电子的过程是放热还是吸热?,原子结合电子的过程中存在两种相反的静电作用力:价层原有电子与外来那个电子之间的排斥力;原子核与外来电子之间的吸引