高中化学竞赛辅导课件-第八章-原子结构

1、2021/3/111 8.1 氢原子结构氢原子结构 8.2 多电子原子结构多电子原子结构 8.3 元素周期律元素周期律 第八章第八章 原子结构原子结构 2021/3/112 8.1.1 氢原子光谱与氢原子光谱与BohrBohr理论理论 8.1 氢原子结构氢原子结构 8.1.5 氢原子的激发态氢原子的激发态 8.1.4 氢原子的基态氢原子的基态 8.1.3 Schrdinger方程与量子数方程与量子数 8.1.2 电子的波粒二象性电子的波粒二象性 2021/3/113 1.光和电磁辐射 8.1.1 氢原子光谱与氢原子光谱与BohrBohr理论理论 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 2021/3/114

2、 2.氢原子光谱 18 sm10998. 2 c c 光速 H 3 .656 57. 4 H 1 .486 07. 6 H 0 .434 91. 6 H 2 .410 31. 7 /nm 1 /s)10 ( 14 2021/3/115 不连续光谱,即线状光谱 其频率具有一定的规律 1 22 15 s ) 1 2 1 (10289. 3 n v n= 3,4,5,6 式中 2，n，3.2891015各代表什么意义？ 经验公式： 氢原子光谱特征： 2021/3/116 3.Bohr理论 三点假设： 核外电子只能在有确定半径和能量的轨 道上运动,且不辐射能量； 通常，电子处在离核最近的轨道上，能 量

3、最低基态；原子获得能量后，电子被 激发到高能量轨道上，原子处于激发态； 从激发态回到基态释放光能，光的频率 取决于轨道间的能量差。 h EE EEh 12 12 E：轨道能量 h：Planck常数 2021/3/117 1 22 15 s ) 1 2 1 (10289. 3 n v n = 3 红（H） n = 4 青（H ） n = 5 蓝紫 （ H ） n = 6 紫（H ） Balmer线系 2021/3/118 原子能级 Balmer线系 2021/3/119 1 - 2 2 2 1 15 s ) 11 (10289. 3 nn v 12 nn hvE RH：Rydberg常数，其值

4、为2.17910-18J。 ) 11 ( 2 2 2 1 H nn RE J ) 11 (102.179 2 2 2 1 18- nn 1 - 2 2 2 1 1534 s ) 11 (10289. 3sJ10626. 6 nn 2021/3/1110 ) 11 ( 2 2 2 1 H nn RE 常数的商。电离能除以 可见该常数的意义是： Planck h 18 15 10179. 2 10289. 3 ) 1 1 1 (10289. 3 22 15 hE 。这就是氢原子的电离能 ，时，当J10179. 2 1 18 21 Enn 2021/3/1111 借助于氢原子光谱的能量关系式可定 出

5、氢原子各能级的能量： ) 11 ( 12 2 2 2 1 H EEE nn RE J 2 H n R En J1042. 2 3 1 3 19 2 H33 REn， J1045. 5 2 1 2 19 2 H22 REn， J10179. 2 1 1 1 18 2 H11 REn，当 0 122 EEEn，则令 2021/3/1112 1924年，Louis de Broglie认为：质量为 m ，运动速度为的粒子，相应的波长为： 8.1.2 电子的波粒二象性电子的波粒二象性 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。 =h/m=h/

6、p， h=6.62610-34Js，Plank常量。 2021/3/1113 VE h m z y x 2 2 2 2 2 2 2 2 8 1.Schrdinger方程 8.1.3 Schrdinger方程与量子数方程与量子数 ：空间直角坐标zyx, 常数：Planckh ：势能V ：能量E 波函数： ：质量m 2021/3/1114 直角坐标( x,y,z)与球坐标(r,)的转换 222 zyxr cosr z q sinsinr y q cossinr x q q, , r zyx q,YrR 2021/3/1115 2.四个量子数四个量子数 主量子数主量子数 n 1,.2, 1 ,0nl

7、 磁量子数磁量子数 m 自旋量子数自旋量子数 ms , 2 1 s m llm.,0,. 2 1 s m 角量子数角量子数 n=1, 2, 3, 2021/3/1116 与电子能量有关，对于氢原子，电子能量 唯一决定于n； J 10179.2 2 18 n E 不同的n值，对应于不同的电子层： 主量子数n： K L M N O 2021/3/1117 角量子数l ： l 的取值 0，1，2，3n1 对应着 s, p, d, f. (亚层) l 决定了的角度函数的形状。 磁量子数m： m可取 0，1, 2l ； 其值决定了角度函数的空间取向。 2021/3/1118 n, l, m 一定，轨道也

8、确定 0 1 2 3 轨道 s p d f 例如: n =2， l =0， m =0， 2s n =3， l =1， m =0， 3pz n =3， l =2， m =0， 3dz2 思考题： 当n为3时, l ,m 分别可以取何值？轨道 的名称怎样? 2021/3/1119 1.总能量 2.波函数 J10179.2 J 10179.2 18 1 2 18 s E n E 0 / 3 0 4 1 , ar e a r p q , YrRrqjq 角度部分： 4 1 ,Y p q 0 / 3 0 1 2 ar e a rR 径向部分： 8.1.4 氢原子的基态氢原子的基态 2021/3/1120

9、 1 2 0 / 3 0 ar e a rR 径向部分 半径Bohr r 3 0 1 20 a R0r pm9 .52 0 a 0R 2021/3/1121 4 1 ,jqY jq, 1 r s 是一种球形对称分布 角度部分 x z y 2021/3/1122 3.波函数的物理意义 2 ：原子核外出现电子的概率密度。 电子云是电 子出现概率密度 的形象化描述。 1s (b) 1s )a ( 2 界面图 电子云的 图及电子云 的r 2021/3/1123 2 4r 22 4r 径向分布函数D(r)： d 2 概率 rr d 4d 2 rr d 4 22 概率 d空间微体积 22 4)(rrD令：

10、 试问D(r)与2 的图形有何区别? 2021/3/1124 1. 2s态： n=2, l=0, m=0 J105448. 0- 2 10179. 2 - 15- 2 18- 2s E 4 1 )-2( 8 1 0 2/- 0 3 0 2s ar e a r a 0 /- 0 3 0 )-2( 2 1 4 1 ar e a r a 8.1.5 氢原子的激发态氢原子的激发态 2021/3/1125 图及电子云 的 2s )a ( 2 r 分布函数图 轨道的径向 2s (b) 节面 峰数=nl 2021/3/1126 2. 2p态：n =2 , l =1 , m = +1,0,-1 )0(p2m

11、z为例 以 qqcos 4 3 )(Y 0 2/- 0 2/3 0 )() 1 ( 62 1 )( ar e a r a rR其中 qcos)( 2 1 4 1 0 2/- 0 3 0 p2 ar e a r a z 2021/3/1127 qqqcosAcos 4 3 ),(Y x,y z + 30 60 10.8660.50-0.5-1 A0.866A 0.5A0-0.5A-A o 0 o 30 o 60 o 90 o 120q qcos o 180 z Y2p 2021/3/1128 y Y2p x y z x Y2p x y z 2 2px Y x y z x y z 2 p2 y Y

12、 x y z 2 p2 z Y x y z z Y2p 2021/3/1129 3. 3d态：n=3, l=2, m=0,2, 1 2 d3 zx y z yz d3 x y z xz d3 x y z xy d3 x y z 22 d3 yx x y z 2021/3/1130 小结：量子数与电子云的关系 n：决定电子云的大小 l：描述电子云的形状 m：描述电子云的伸展方向 2021/3/1131 8.2.1 多电子原子轨道能级多电子原子轨道能级 8.2 多电子原子结构多电子原子结构 8.2.2 核外电子排布核外电子排布 2021/3/1132 轨道：与氢原子类似，其电子运动状态 可描述为1

13、s, 2s, 2px, 2py, 2pz, 3s 能量：与氢原子不同, 能量不仅与n有关, 也与l有关; 在外加场的作用下, 还 与m有关。 8.2.1 多电子原子轨道能级多电子原子轨道能级 2021/3/1133 1.Pauling近似能级图 2021/3/1134 2021/3/1135 2.Cotton原子 轨道能级图 n 相同的氢原子 轨道的简并性。 原子轨道的能量 随原子序数的增 大而降低。 随着原子序数的 增大，原子轨道 产生能级交错现 象。 2021/3/1136 3.屏蔽效应 +2 e- e- He +2 e- He+ 2- e- 假想He 由核外电子云抵消一些核电 荷的作用。

14、 屏蔽效应： J )(10179.2 2 218 n Z E 为屏蔽常数，可用 Slater 经验规则算得。 Z= Z*，Z* 有效核电荷数 2021/3/1137 进入原子内部空间， 受到核的较强的吸引 作用。 2s,2p轨道的径向分布图 3d 与 4s轨道的径向分布图 4.钻穿效应 2021/3/1138 核外电子分布三规则： 最低能量原理 电子在核外排列应尽先分布在低能级轨 道上, 使整个原子系统能量最 低。 Pauli不相容原理 每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式 相反的电子。 Hund 规则 在 n 和 l 相同的轨道上分布的电子,将尽 可能分占 m 值不同的轨道, 且自旋平行。 8

15、.2.2 核外电子排布核外电子排布 2021/3/1139 1562622 4s3d3p3s2p2s1s Cr 24：Z 半满全满规则： 当轨道处于全满、半满时，原子较稳定。 Z = 26 Fe：1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 11062622 4s3d3p3s2p2s1s Cu 29：Z N：1s2 2s2 2p3 15 4s3dAr 原子芯称为Ar 4s3dAr 110 2021/3/1140 8.3.1 原子的电子层结构和原子的电子层结构和 元素周期系元素周期系 8.3 元素周期律元素周期律 8.3.2 元素性质的周期性元素性质的周期性 2021/3/1141 8

16、.3.1 原子的电子层结构和元素周期系原子的电子层结构和元素周期系 2021/3/1142 元素周期律：元素以及由它形成的单质 和化合物的性质，随着元素的原子序数(核电 荷数)的依次递增，呈现周期性的变化。 元素周期表(长表)： 周期号数等于电子层数。 各周期元素的数目等于相应能级组中原子轨 道所能容纳的电子总数。 主族元素的族号数等于原子最外层电子数。 2021/3/1143 s 区ns12 p 区ns2np16 d 区(n1)d110ns12 (Pd无 s 电子) f 区(n2)f114(n1)d02ns2 结构分区： 2021/3/1144 量子数，电子层，电子亚层之间的关系量子数，电子

17、层，电子亚层之间的关系 每个亚层中每个亚层中 轨道数目轨道数目 1 3 5 7 2 6 10 14 2 8 18 2n2 每个亚层最多每个亚层最多 容纳电子数容纳电子数 每个电子层最多每个电子层最多 容纳的电子数容纳的电子数 主量子数主量子数 n 1 2 3 4 电子层电子层 K L M N 角量子数角量子数 l 0 1 2 3 电子亚层电子亚层 s p d f 2021/3/1145 1.有效核电荷Z* 元素原子序数增加时，原子的有效核电 荷Z*呈现周期性的变化。 同一周期： 短周期：从左到右，Z*显著增加。 长周期：从左到右，前半部分有Z*增加 不多，后半部分显著增加。 同一族：从上到下，

18、Z*增加，但不显著。 8.3.2 元素性质的周期性元素性质的周期性 2021/3/1146 2021/3/1147 2.原子半径（r） 共价半径 van der Waals 半径 主族元素：从左到右 r 减小； 从上到下 r 增大。 过渡元素：从左到右r 缓慢减小； 从上到下r略有增大。 金属半径 2021/3/1148 主族元素主族元素 2021/3/1149 125 132 145 161 r/pm Cr V Ti Sc 第四周期元素 元素的原子半径变化趋势 137 143 159 173 r/pm WTa Hf Lu 第六周期元素 146 143 160 181 r/pm Mo Nb Z

19、r Y 第五周期元素 2021/3/1150 镧系元素从左到右，原子半径减小幅 度更小，这是由于新增加的电子填入外数 第三层上，对外层电子的屏蔽效应更大， 外层电子所受到的 Z* 增加的影响更小。镧 系元素从镧到镱整个系列的原子半径减小 不明显的现象称为镧系收缩。 2021/3/1151 3.电离能 1 1 molkJ2 .520 )g(LieLi(g) I 基态气体原子失去电子成为带一个正 电荷的气态正离子所需要的能量称为第一 电离能，用 I 1表示。 由+1价气态正离子失去电子成为带+2 价气态正离子所需要的能量称为第二电离 能，用 I 2表示。 E+ (g) E 2+ (g) + e-

20、I 2 E (g) E+ (g) + e- I 1 例如： 1 3 32 molkJ11815 )g(Lie(g)Li I 1 2 2 molkJ1 .7298 )g(Lie(g)Li I 2021/3/1152 :加呈现出周期性变化电离能随原子序数的增 2021/3/1153 N、P、As、Sb、Be、Mg电离能较 大 半满，全满。 同一主族：从上到下，最外层电子数相同； Z*增加不多，r 增大为主要因素，核对外 层电子引力依次减弱，电子易失去，I 依 次变小。 同一周期：主族元素从A 到卤素，Z*增大， r 减小，I 增大。其中A 的 I1 最小，稀有 气体的 I1 最大；长周期中部(过渡元素)，电 子依次加到次外层， Z* 增加不多， r 减小 缓慢， I