原子结构和元素周期律最终PPT学习教案

1、会计学1 原子结构和元素周期律最终原子结构和元素周期律最终 第1页/共97页 第2页/共97页 第3页/共97页 第4页/共97页 第5页/共97页 第6页/共97页 第7页/共97页 第8页/共97页 氢原子的核外电子在氢原子的核外电子在 各种可能的量子化轨道上各种可能的量子化轨道上 运动时所具有的能量为：运动时所具有的能量为： .4 , 3 , 2 , 1, 2 n n R E H n 第9页/共97页 .4 , 3 , 2 , 1, 2 n n R E H n 第10页/共97页 第11页/共97页 第12页/共97页 m h p h 第13页/共97页 第14页/共97页 第15页/共

2、97页 第16页/共97页 例例9-19-1 (1) (1)电子在电子在1V1V电压下的速度为电压下的速度为5.95.910105 5m ms s-1 -1, , 电子的质量电子的质量m m = 9.1= 9.11010-31 -31kg, kg, h h为为6.626 6.626 1010-34 -34 J Js, s, 电子波的波长是多少？电子波的波长是多少？ (2)(2)质量质量1.01.01010-8 -8kg kg的沙粒以的沙粒以1.01.01010-2 -2m ms s-1-1的 的 速度运动速度运动, , 波长是多少？波长是多少？ 解：解： (1) 1J = 1kg(1) 1J

3、= 1kgm m2 2s s-2 -2, , h h = 6.626= 6.6261010-34 -34 kg kgm m2 2s s-1 -1 根据德布罗意关系式根据德布罗意关系式 mv h 1531 1234 10951019 106266 sm.kg. smkg. pmm12001012 10 超过了质量数量级超过了质量数量级 第17页/共97页 (2)m. sm.kg. smkg. 24 128 1234 1066 10011001 106266 远不在一个数量级远不在一个数量级 第18页/共97页 它同机械波、电它同机械波、电 磁波等的物理意义截磁波等的物理意义截 然不同。然不同。

4、第19页/共97页 第20页/共97页 第21页/共97页 2 2 第22页/共97页 第23页/共97页 第24页/共97页 薛定鄂方程在数学上有很多解，但并非每薛定鄂方程在数学上有很多解，但并非每 个解都是合理的，为了取得合理解，在求个解都是合理的，为了取得合理解，在求 解过程中必需引进三个参数解过程中必需引进三个参数 n、l、m， 这三个参数统称为这三个参数统称为量子数量子数, 当这三个量子当这三个量子 数的取值和组合一定时，就有了一个确定数的取值和组合一定时，就有了一个确定 的波函数的波函数n、 、l、m(r,) 。 。 第25页/共97页 1. 主量子数主量子数 (principal

5、 quantum number) n n = 1, 2, 3 非零的任意正整数非零的任意正整数 n 又称为又称为电子层数（电子层数（electron shell number） 光谱学上：光谱学上：K、L、 M、N、O、P、Q 第26页/共97页 n 越小越小, 电子出现概率最大的区域离核越电子出现概率最大的区域离核越 近近,能量越低。能量越低。 n 越大，电子出现概率最大的区域离核越越大，电子出现概率最大的区域离核越 远远,能量越高。能量越高。 J. n Z En 18 2 2 10182 第27页/共97页 第28页/共97页 第29页/共97页 第30页/共97页 例如：例如：l =1时

6、时, m = 0,1,说明说明p轨道在空间轨道在空间 有三种不同的伸展方向。有三种不同的伸展方向。 n 、l 相同，相同，m不同的原子轨道不同的原子轨道(能级能级)能量能量 相同，称为相同，称为简并轨道简并轨道 (或等价轨道或等价轨道)。 第31页/共97页 角量子数角量子数 磁量子数取值磁量子数取值 轨道伸展方向轨道伸展方向 l=1 (p) m=0、+1、-1 px、py、pz 三种三种 l=2 (d) m=0、1、2 dz2、dxz、dyz、 dx2-y2、dxy 五种五种 l=0 (s) m=0 S 一一 种种 第32页/共97页 n l m 轨道轨道 形状形状 数目数目(n2) 波函数

7、波函数 n=1 l=0 0 1s 球形球形 1 1,0,0 l=0 0 2s 球形球形 2,0,0 n=2 4 2,1,0、 、 l=1 0, 1 2p 哑铃形哑铃形 2,1,+1、2,1,-1 l=0 0 3s 球形球形 3,0,0 n=3 l=1 0, 1 3p 哑铃形哑铃形 3,1,0、 3,1,-1 3,1,+1 、 3,2,0 l=2 0, 1, 2 3d 梅花瓣形梅花瓣形 3,2,-1 、 3,2,+1 3,2,+2、 3,2,-2 第33页/共97页 2 1 i s 自旋方向相同，叫自旋方向相同，叫平行自旋平行自旋；自旋方向；自旋方向 相反叫相反叫反平行自旋反平行自旋。 第34页

8、/共97页 描述一个原子轨道要用三个量子数描述一个原子轨道要用三个量子数（n、l、 m）， 描述一个电子的运动状态要用四个描述一个电子的运动状态要用四个 量子数量子数（n、l、m、 si ） 。 第35页/共97页 第36页/共97页 用来表示核外某一电子运动状态的下列各用来表示核外某一电子运动状态的下列各 套量子数套量子数(n, l, m, si)是否合理？是否合理？ A. 2, 0, 0,-1/2 B. 3, 1, -1, +1/2 3pz轨道上一个电子轨道上一个电子 顺时针自旋顺时针自旋 C. 3, 2, +2, +1/2 D. 3, 1, +2, -1/2 第37页/共97页 为作图简

9、单，将波函数分解成为作图简单，将波函数分解成径向波函径向波函 数数和和角度波函数，角度波函数，从两个不同侧面观察电子从两个不同侧面观察电子 的运动状态。的运动状态。 (r，) =Rn， ，l(r) Yl，m(， ，) Rn， ，l (r)称为波函数的径向部分或 称为波函数的径向部分或径向波函数径向波函数， 它是它是r 的函数，只与的函数，只与 n 和和 l 两个量子数有关。两个量子数有关。 Yl， ，m(， ，) 称为波函数的角度部分或称为波函数的角度部分或角度角度 波函数波函数，它是方位角，它是方位角和和的函数，只与的函数，只与l 和和 m 两个量子数有关。两个量子数有关。 第38页/共97

10、页 2820. 4 4 1 1 Y Ys s Yl,m(,) Yl,m(,) Yl,m(,) 第39页/共97页 如如 pz 轨道的函数：轨道的函数： cos 4 3 Z P Y 求出变量求出变量和函数和函数Ypz的对应值：的对应值： 0 30 60 90 120 150 180 Ypz 0.489 0.423 0.244 0 -0.244 -0.423 -0.489 第40页/共97页 第41页/共97页 说说 明明 第42页/共97页 第43页/共97页 Ys YpyYpxYpz YdxyYdyz Ydxz Ydz2 Ydx2-y2 氢原子s、p、d轨道角度波函数形图 无节面 各有2个节面

11、 各有1个节面 有2个节面 无节面 第44页/共97页 Y 图中各点只代表图中各点只代表Y 值随值随和和改变而变化改变而变化 的情况，并不代表电子离核远近的数值，的情况，并不代表电子离核远近的数值，Y 与与 r 无关。无关。 第45页/共97页 Y2的意义的意义：电子云的角度分布函数，表示在空：电子云的角度分布函数，表示在空 间不同方位角电子出现的概率密度的变化情况，间不同方位角电子出现的概率密度的变化情况， 并不表示电子出现的概率密度与距离的关系，并不表示电子出现的概率密度与距离的关系， 因为因为Y与与r无关。无关。 第46页/共97页 第47页/共97页 第48页/共97页 D(r) 的的

12、意义意义：电子在一个以原子核为中心：电子在一个以原子核为中心,半半 径为径为 r，微单位厚度为微单位厚度为dr的同心圆薄球壳夹层的同心圆薄球壳夹层 (其体积为其体积为dv)内出现的内出现的概率概率。反映了氢原子核。反映了氢原子核 外电子出现的概率与距离外电子出现的概率与距离 r 的关系。的关系。 第49页/共97页 图图9-13 氢原子各种状态的径向分布函数图氢原子各种状态的径向分布函数图 第50页/共97页 1. 在基态氢原子在基态氢原子(1s 轨道轨道)中电子出现概中电子出现概 率的率的极大值在极大值在 r =a0 的球面上。的球面上。 第51页/共97页 2. 径向分布函数图中的峰数有径

13、向分布函数图中的峰数有 (nl ) 个。个。 图图9-13 氢原子各种状态的径向分布函数图氢原子各种状态的径向分布函数图 第52页/共97页 3. l 相同相同, n不同时不同时,主峰距核位置不同。主峰距核位置不同。 n越小越小, 主峰离核主峰离核越近越近; n越大越大, 主峰离核主峰离核越远越远；好像电；好像电 子处于某一子处于某一电子层电子层。 n =2 l =0 n =1 l =0 n =3 l =0 n =2 l =1 n =3 l =1 第53页/共97页 4. n相同相同, l 不同时不同时, 第一个峰第一个峰与核的距离不同。与核的距离不同。 l 越小越小, 第一个峰离核第一个峰离

14、核越近越近 ;第一个峰第一个峰与核的距与核的距 离为离为: ns np nd nf 4p 第54页/共97页 4p 又可理解为：又可理解为： l 不同的电子不同的电子“钻穿钻穿”到核附近到核附近 的能力不同的能力不同 ，称为，称为钻穿效应，钻穿效应，其大小顺序为：其大小顺序为： nsnpndnf 这是电子这是电子波动性波动性的反映。虽有的反映。虽有电子层电子层的概念，的概念， 但外层电子可以但外层电子可以在内层出现在内层出现。 第55页/共97页 第56页/共97页 1. 多电子原子中，每个电子各有其波函数多电子原子中，每个电子各有其波函数i， 也取决于一组量子数也取决于一组量子数n、l、m。

15、电子在各电子。电子在各电子 层中可能占据的轨道数与氢原子的相等。层中可能占据的轨道数与氢原子的相等。 2. 多电子原子中，角度波函数多电子原子中，角度波函数Y (,)和氢原和氢原 子的相近，故各原子轨道角度分布图与氢原子的相近，故各原子轨道角度分布图与氢原 子的相似。同理子的相似。同理, 两者的两者的Y2图也相似。图也相似。 3. 多电子原子的能量等于处于各能级的电子多电子原子的能量等于处于各能级的电子 能量的总和。能量的总和。 第57页/共97页 J. n Z En 18 2 2 10182 第58页/共97页 J. n )Z( E 18 2 2 10182 i 第59页/共97页 第60页

16、/共97页 第61页/共97页 第62页/共97页 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 6s6s 5s5s 4s4s 3s3s 2s2s 1s1s 6p6p 5p5p 4p4p 3p3p 2p2p 6d6d 5d5d 4d4d 4f4f 能能 量量 与与 周周 期期 图图9-14 原子轨道近似能级图原子轨道近似能级图 第63页/共97页 第64页/共97页 每一电子亚层最多容纳的电子数为：每一电子亚层最多容纳的电子数为：s2、p6、 d10、f14，每一电子层最多能容纳的电子数为原，每一电子层最多能容纳的电子数为原 子轨道的子轨道的2倍，即倍，即2n2。 He 1s2 (1， 0，

17、 0， +1/2) （1， 0， 0， - 1/2） 第65页/共97页 1s2 , 2s2 2p6 , 3s2 3p6 , 4s2 3d10 4p6 , 5s2 4d10 5p6 , 6s2 4f14 5d10 6p6 1s1s2 22s 2s2 22p2p4 4 1s1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p5 5 第66页/共97页 3p3 第67页/共97页 第68页/共97页 例例9-4 例：例：24Cr 和和29Cu的基态电子排布式。的基态电子排布式。 第69页/共97页 第70页/共97页 第71页/共97页 第72页/共97页 1. 主族主族(A)：AA, 内

18、层电子全充满，最后内层电子全充满，最后 一个电子填入一个电子填入ns或或np亚层。亚层。 价层电子数价层电子数 = 所属族数所属族数 = 最外层电子数最外层电子数 如，如， 35BrAr4s24p5 2副族副族(B)：B B，均为金属元素。最，均为金属元素。最 后一个电子填入后一个电子填入(n1)d 或或(n2) f 亚层。也称亚层。也称 过渡元素过渡元素, 其中镧系和锕系又称其中镧系和锕系又称内过渡元素。内过渡元素。 第73页/共97页 3. 零族零族: 是稀有气体，最外层已填满，是稳定是稀有气体，最外层已填满，是稳定 结构。结构。 4副族元素所处的族数与价层电子的关系：副族元素所处的族数与

19、价层电子的关系： （1）对于对于(n1)d电子未充满的元素，电子未充满的元素， B B 第74页/共97页 5. 族族: 共有三个纵列。最后一个电子填充在共有三个纵列。最后一个电子填充在 (n-1)d亚层上亚层上, 也属于过渡元素。价层电子的构也属于过渡元素。价层电子的构 型是型是(n-1)d6 10ns0,1,2 ,价电子总数是价电子总数是810。 第75页/共97页 第76页/共97页 第77页/共97页 0 第78页/共97页 第79页/共97页 第80页/共97页 第81页/共97页 第82页/共97页 第83页/共97页 （三）元素的电离能、电子亲合势、电负性（三）元素的电离能、电子

20、亲合势、电负性 电子亲和势：电子亲和势：一个气态的基态的原子与一个电一个气态的基态的原子与一个电 子结合形成一个气态的负一价离子所放出的能子结合形成一个气态的负一价离子所放出的能 量，叫第一电子亲和势。量，叫第一电子亲和势。 电离能：电离能：气态原子失去一个电子，变成一个气态原子失去一个电子，变成一个 气态正一价离子所需吸收的最低能量，叫第气态正一价离子所需吸收的最低能量，叫第 一电离能。一电离能。 第84页/共97页 电负性：电负性：原子在分子中吸引电子能力的相对原子在分子中吸引电子能力的相对 大小。大小。 元素的电负性也呈周期性变化。元素的电负性也呈周期性变化。 同周期，从左到右电负性渐增

21、；同周期，从左到右电负性渐增； 同主族，从上到下，电负性渐减。同主族，从上到下，电负性渐减。 电负性将在化学键中有广泛应用。电负性将在化学键中有广泛应用。 第85页/共97页 Walter Kohn(美美) 1998年诺贝尔奖获得者年诺贝尔奖获得者 电子密度泛函理论电子密度泛函理论 量子化学已发展成为量子化学已发展成为 广大化学家使用的工具，广大化学家使用的工具， 将化学带入一个新时代，将化学带入一个新时代， 在这个时代里，实验和理在这个时代里，实验和理 论能够共同协力探讨分子论能够共同协力探讨分子 体系的性质。体系的性质。化学不再是化学不再是 纯实验科学了纯实验科学了。 第86页/共97页

22、本本 章章 小小 结结 一、核外电子运动状态及特性一、核外电子运动状态及特性 1.基本概念基本概念: 定态、基态、激发态；波粒二象性；概率波；定态、基态、激发态；波粒二象性；概率波； 原子轨道原子轨道-波函数；概率密度波函数；概率密度(2)-电子云电子云 2 n RH En mp hh xpxh/4 2.公式公式: 第87页/共97页 第88页/共97页 二、氢原子的波函数二、氢原子的波函数 轨道角动量量子数：轨道角动量量子数： 取值受取值受n的限制。的限制。 l =0, 1, 2, 3 (n1) 共共n个个 又称又称副量子数，副量子数，决定原子轨道的形状，并且是决定决定原子轨道的形状，并且是

23、决定 电子能量高低的电子能量高低的次要因素。次要因素。 磁量子数：磁量子数： m=0,1,2 l 共共(2 l1)个个 决定原子轨道在决定原子轨道在空间的伸展方向空间的伸展方向。 自旋角动量量子数自旋角动量量子数： 2 1 i s表示表示电子自旋方向电子自旋方向 表示电子在核外空间出现概率最大的区域离核的表示电子在核外空间出现概率最大的区域离核的 远近，是决定电子能量高低的远近，是决定电子能量高低的主要因素主要因素。 主量子数主量子数 ： n = 1，2，3 1. 四个量子数：四个量子数： 第89页/共97页 3电子云：电子云：单位体积内黑点数与单位体积内黑点数与|2成正比的图形。成正比的图形。 2(r，)=R2n， ，l(r)Y2l，m(， ，) Y2图形与图形与Y 的区别：的区别： Y2 均为均为正值正值； Y2 图形比图形比Y更更“瘦瘦”些些 。 (r，) = Rn， ，l(r) Yl，m(， ，) 原子轨道的径向波函数，角度波函数：原子轨道的径向波函数，角度波函数： 2. 原子轨道的图形：原子轨道的图形： 第90页/共97页 特点：特点： 基态氢原子中电子出现概率的极大值在基态氢原子中电子出现概率的极大值在 r=a0 的球面上。电子径向分布图的峰数有的球面上。电子径向分布图的峰数有(nl)个。个。 n越大，越大，主