无机化学原子结构PPT学习教案

1、会计学1 无机化学原子结构无机化学原子结构 第1页/共81页 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 第2页/共81页 然而当将装有高纯度、低压氢气的放电管所发出的光然而当将装有高纯度、低压氢气的放电管所发出的光 通过棱镜时，只能得到某些频率下的若干条光谱线，通过棱镜时，只能得到某些频率下的若干条光谱线， 如图所示。这种由一条条分立的光谱线组成的光谱称如图所示。这种由一条条分立的光谱线组成的光谱称 为不连续光谱，也称线状光谱。为不连续光谱，也称线状光谱。 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 第3

2、页/共81页 第4页/共81页 第5页/共81页 J1018.2 2 2 18 2 0 n Z E Z n ar n n 第6页/共81页 J1018.2 2 2 18 2 0 n Z E Z n ar n n 第7页/共81页 hEEE nn 12 h 为普朗克常数，为为普朗克常数，为6.6310-34Js 第8页/共81页 第9页/共81页 mv h 是粒子的波长，反映了波动性特性是粒子的波长，反映了波动性特性 mv 是粒子的动量，反映了粒子性是粒子的动量，反映了粒子性 该式通过普朗克常数该式通过普朗克常数h (其值为其值为6.6310-34Js)把微观粒子把微观粒子 的粒子性和波动性定量

3、地联系起来了的粒子性和波动性定量地联系起来了 第10页/共81页 第11页/共81页 第12页/共81页 第13页/共81页 0)( 8 )( 2 2 2 2 2 2 2 2 VE h m z y x 波函数；波函数；E 体系总能量；体系总能量；V 体系的势能；体系的势能；m 微粒的微粒的 质量；质量；h 普朗克常数。普朗克常数。 它是一个二阶偏微分方程，求解比较复杂，这不是本课它是一个二阶偏微分方程，求解比较复杂，这不是本课 程的任务。该方程每一个合理的解程的任务。该方程每一个合理的解 ，就表示微粒运动就表示微粒运动 的一种可能的运动状态的一种可能的运动状态,不是一个具体的数值，而是包括不是

4、一个具体的数值，而是包括 三个常数项（三个常数项（n, l, m）和三个空间坐标变量（）和三个空间坐标变量（x, y, z）的函）的函 数式，用数式，用 n.l.m(x,y,z)表示表示 第14页/共81页 0 a2 0 2 0 2 ) a 2( a2 1 4 1 r s e r r为电子离原子核的距离，为电子离原子核的距离，a0为玻尔半径为玻尔半径 当当n、l、m值发生改变时值发生改变时 ，的表达式也随之发生改变的表达式也随之发生改变 由薛定谔方程求解得到的波函数由薛定谔方程求解得到的波函数可以表征核外电子的运可以表征核外电子的运 动状态。因此习惯上又将波函数称为原子轨道，但是这动状态。因此

5、习惯上又将波函数称为原子轨道，但是这 个原子轨道与玻尔原子模型中所指的原子轨道是截然不个原子轨道与玻尔原子模型中所指的原子轨道是截然不 同的。前者指电子在原子核外运动的某个空间范围，后同的。前者指电子在原子核外运动的某个空间范围，后 者指原子核外电子运动的某个确定的圆形轨道。者指原子核外电子运动的某个确定的圆形轨道。 第15页/共81页 J 1 1018. 2 2 18 n En 第16页/共81页 第17页/共81页 第18页/共81页 nlm轨道名称轨道名称 1 2 2 3 3 3 4 4 4 4 0 0 1 0 1 2 0 1 2 3 0 0 0,+1,-1 0 0,+1,-1 0,+1

6、,-1,+2,-2 0 0,+1,-1 0,+1,-1,+2,-2 0,+1,-1,+2,-2,+3,-3 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 氢原子轨道与三个量子数的关系氢原子轨道与三个量子数的关系 第19页/共81页 0 a2 0 2 0 2 ) a 2( a2 1 4 1 r s e r 第20页/共81页 将一束将一束Ag原子流通过窄缝再通过磁场，结果原子流在磁原子流通过窄缝再通过磁场，结果原子流在磁 场中分裂成两束。这是因为场中分裂成两束。这是因为Ag最外层电子是最外层电子是5s1，原子中原子中 5s 电子自旋有两种方向，磁矩正好相反。这些电子自旋有两种方向，

7、磁矩正好相反。这些Ag原子在原子在 经过磁场时，有一部分向左偏转，另一部分则向右偏转。经过磁场时，有一部分向左偏转，另一部分则向右偏转。 证明电子有自旋运动的实验示意图证明电子有自旋运动的实验示意图 与与n、l、m 不同，自旋量子数不同，自旋量子数ms不是解薛定谔方程时引出不是解薛定谔方程时引出 的，而是根据电子自旋运动的发现而提出的，所以的，而是根据电子自旋运动的发现而提出的，所以ms的的 取值不受取值不受n、l、m 限制，仅有两个可能的取值：限制，仅有两个可能的取值：+1/2 或或- 1/2 ，分别对应于电子的两种自旋状态，分别对应于电子的两种自旋状态 这样，描述电子在核外运动可以用四个量

8、子数来描述这样，描述电子在核外运动可以用四个量子数来描述 第21页/共81页 第22页/共81页 ),()(),(),(YrRrzyx R(r):波函数径向部分，它只随距离波函数径向部分，它只随距离r 而变化而变化 Y(,):波函数角度部分，它随角度波函数角度部分，它随角度(,)而变化而变化 这样薛定谔方程的解的形式就有这样薛定谔方程的解的形式就有(x, y , z)转化为转化为(r,)。 在数学上可将在数学上可将 (r,)函数分解成两部分函数的乘积：函数分解成两部分函数的乘积： 第23页/共81页 第24页/共81页 0 30 60 90 120 180 cos 1 0.87 0 -0.5

9、-1 Y0.49 0.42 0 -0.24 -0.49 cos 4 3 z p Y 3）作图）作图 是与是与z 轴的夹角，必须要有一轴的夹角，必须要有一 个个z 轴，另外可轴，另外可 取取x、y中的任意一中的任意一 个，如取个，如取xz平面作图。又由于平面作图。又由于y与与 无关，所以该无关，所以该xz平面图还要绕平面图还要绕z 轴轴 旋转旋转180 ， ， 所得的立体图才是所得的立体图才是 pz 的原子轨道角度分布图的原子轨道角度分布图 2）列表）列表 第25页/共81页 px py pz S 第26页/共81页 第27页/共81页 第28页/共81页 2 1 1 ( , ) 4 s Y 第

10、29页/共81页 0) r (r B) r (0r B) r ( ) 1 (2BB) 1 (2) r ( 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 3 0 11 2 3 0 1 0 00 S S a r S a r a r S R R eR a ee a R 时当 时当 常数 R1s2的径向分布图的径向分布图 上图表示，在氢原子中靠近原子核处上图表示，在氢原子中靠近原子核处1s电子电子的概率密的概率密 度最大，随度最大，随r r的增大，概率密度迅速下降。的增大，概率密度迅速下降。 第30页/共81页 电子云电子云 注意：黑点并不代表氢原子中的电子数目注意：黑点并不代表氢原子中的电子数目(

11、 (氢原子中只有氢原子中只有 1 1 个电子个电子) )，而只代表基态氢原子中这，而只代表基态氢原子中这1 1个电子在瞬间个电子在瞬间 出现的可能位置。出现的可能位置。 黑点密的地方，表黑点密的地方，表 示该处电子出现的示该处电子出现的 概率密度较大概率密度较大 黑点疏的地方，表黑点疏的地方，表 示该处电子出现的示该处电子出现的 概率密度较小概率密度较小 第31页/共81页 S、p 电子云角度分布图电子云角度分布图( Y 2(,) ) S px py pz 第32页/共81页 电子云的角度分布电子云的角度分布 图图 原子轨道的角度分布图原子轨道的角度分布图 第33页/共81页 第34页/共81

12、页 ) 1 (4 r4) 4 1 () 1 (2)( 3 0 2 2 22 2 1 2 3 0 0 0 常数 a CeCr e a rD a r a r 概率概率= | 1s |2 4 r2 dr 令令D(r)= | 1s |2 4 r2 D(r)称为称为径向分布函数径向分布函数 第35页/共81页 图中存在极大值点，此点可由图中存在极大值点，此点可由D(r)对对 r 的导数的导数=0求出，求出， 恰好在恰好在r = a0处。这表明，在处。这表明，在r = a0 = 53pm处。厚度为处。厚度为dr 的薄层球壳内电子出现的概率比任何其它地方厚度相同的薄层球壳内电子出现的概率比任何其它地方厚度相

13、同 的球壳内要大。的球壳内要大。 将将D(r)对对r作图，所得图称为作图，所得图称为径向分布函数图径向分布函数图 第36页/共81页 第37页/共81页 第38页/共81页 电子填充顺序图电子填充顺序图 第39页/共81页 原子轨道的能原子轨道的能 量随原子序数量随原子序数 的增大而降低。的增大而降低。 随着原子序数随着原子序数 增大，原子轨增大，原子轨 道产生能级交道产生能级交 错现象。错现象。 如何解释以上的能级顺序呢？如何解释以上的能级顺序呢？ 19号，号，20号号: E4s E3d 第40页/共81页 第41页/共81页 第42页/共81页 A B C 思考题：思考题： 24Cr的电子

14、排布？的电子排布？ 答答 1s 22s 22p 63s 23p 63d 54s 1 说明说明 1)按最低能量原理是按最低能量原理是3d 44s 2 ，但根据洪特规则应是，但根据洪特规则应是3d 54s 1 2)电子填充顺序为：电子填充顺序为： 1s 22s 22p 63s 23p 64s 13d 5。写电子排写电子排 布式时应将布式时应将n从小到大，应写成从小到大，应写成1s 22s 22p 63s 23p 63d 54s 1 3）为书写方便、简单，通常可将电子排布式中的内层已）为书写方便、简单，通常可将电子排布式中的内层已 达到稀有气体电子层结构的部分用稀有气体的符号加方达到稀有气体电子层结

15、构的部分用稀有气体的符号加方 括号来表示，表示为括号来表示，表示为Ar 3d 54s 1 第43页/共81页 第44页/共81页 第45页/共81页 第46页/共81页 第47页/共81页 第48页/共81页 第49页/共81页 第50页/共81页 第51页/共81页 第52页/共81页 2）金属半径：金属单质在晶体中，两个相邻金属原子核）金属半径：金属单质在晶体中，两个相邻金属原子核 间距的一半。例金属铜中两个相邻间距的一半。例金属铜中两个相邻Cu原子核间距的一半原子核间距的一半 定为定为Cu原子的半径。原子的半径。 3）范德华半径：在分子晶体中，分子之间是以范德华力）范德华半径：在分子晶体

16、中，分子之间是以范德华力 结合的，相邻分子核间距的一半。例稀有气体晶体氖中结合的，相邻分子核间距的一半。例稀有气体晶体氖中 相邻分子核间距的一半定为相邻分子核间距的一半定为Ne的半径。的半径。 第53页/共81页 元素的原子半径元素的原子半径 /nm 第54页/共81页 第55页/共81页 原子半径原子半径 第56页/共81页 原子半径原子半径 第57页/共81页 )ev(6.13 (J)1018.2 2 2 2 2 18 n Z n Z En 在多电子原子中电子的运动比较复杂，每个电子除了受在多电子原子中电子的运动比较复杂，每个电子除了受 原子核的吸引外，同时还受到其他电子的排斥。由于电原子

17、核的吸引外，同时还受到其他电子的排斥。由于电 子都在高速运动，要精确地确定这种排斥作用是很困难子都在高速运动，要精确地确定这种排斥作用是很困难 的。一种近似处理方法是把多电子原子中其它电子对指的。一种近似处理方法是把多电子原子中其它电子对指 定电子的排斥作用，简单地看成是抵消定电子的排斥作用，简单地看成是抵消(屏蔽屏蔽)掉一部分核掉一部分核 电荷对指定电子的吸引作用。电荷对指定电子的吸引作用。这种将其它电子对指定电这种将其它电子对指定电 子的排斥作用归结为对部分核电荷的抵消作用称为屏蔽子的排斥作用归结为对部分核电荷的抵消作用称为屏蔽 效应效应。抵消核电荷的数值称为屏蔽常数，用。抵消核电荷的数值

18、称为屏蔽常数，用表示。剩余表示。剩余 的核电荷数值称为有效核电荷，用的核电荷数值称为有效核电荷，用Z*表示。表示。 第58页/共81页 第59页/共81页 ) J ( )( 1018. 2 2 2 18 n Z En 钻穿效应：在多电子原子中每个电子既被其它电子所屏蔽，也对其钻穿效应：在多电子原子中每个电子既被其它电子所屏蔽，也对其 它电子起屏蔽作用，在原子核附近出现概率较大的电子，可更多地它电子起屏蔽作用，在原子核附近出现概率较大的电子，可更多地 避免其它电子的屏蔽，受到核的较强吸引而更靠近核，这种进入原避免其它电子的屏蔽，受到核的较强吸引而更靠近核，这种进入原 子内部空间，受到核的较强的吸引作用就称钻穿效应。子内部空间，受到核的较强的吸引作用就称钻穿效应。 就其实质而言，电子运动具有波动性，电子可在原子区域的就其实质而言，电子运动具有波动性，电子可在原子区域的 任何位置上出现，也就是说，最外层电子有时也会出现在离核很近任何位置上出现，也就是说，最外层电子有时也会