普通化学课程PPT课件

1、亚原子粒子亚原子粒子 Subatomic particles 亚原子粒子亚原子粒子也叫基本粒子基本粒子，泛指比原子核小的物质单元，包括电子、中子、质子、光子以及在宇宙射线和高能原子核实验中发现的一系列粒子。已经发现的基本粒子有30余种，连同共振态共有三百余种。每一种基本粒子都有确定的质量、电荷、自旋、平均寿命等；它们多数是不稳定的，在经历一定平均寿命后转化为别种基本粒子。与化学相关的某些亚原子粒子的性质与化学相关的某些亚原子粒子的性质名称名称 符号符号质量质量/u/u电荷电荷/e/e电子电子 质子质子 中子中子 正电子正电子 粒子粒子 粒子粒子光子光子ep ne+ 5.4861041.0073

2、 1.0087 ( (氦原子的核氦原子的核) ) ( (原子核射出的原子核射出的e e- -) ) ( (原子核射出的电磁波原子核射出的电磁波 ) ) 1105.48610412 10第1页/共36页夸克夸克 根据 196 1963 3 年由盖尔- -曼（Gell M-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。名称名称 下夸克下夸克 上夸克上夸克 奇夸克奇夸克 粲夸克粲夸克 底夸克底夸克 顶夸克顶夸克符号符号 d u s c b t电荷电荷 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3

3、质量质量 均为质子的均为质子的1/100或或1/200 质子的质子的 200倍倍发现年代发现年代 1974 1977 1995某些最重要的夸克某些最重要的夸克第2页/共36页Wave-particle duality a fundamental concept of quantum mechanics 波粒二象性波粒二象性Prince Louis de Broglie, in 1923, while still a graduate student at the University of Paris, published a note Comptes rendus, free electro

4、ns have a wavy phenomenon associated with them.mvh1927 Davisson C.J.等人证实了电子束确能发生干涉和衍射。第3页/共36页 由于宏观物体的波长极短以致无法测量，难以察觉，因而主要表现为粒由于宏观物体的波长极短以致无法测量，难以察觉，因而主要表现为粒子性，服从经典力学的运动规律。只有像电子、原子等质量极小的微粒才具子性，服从经典力学的运动规律。只有像电子、原子等质量极小的微粒才具有与有与X射线数量级相近的波长。射线数量级相近的波长。从这里可以看出从这里可以看出h的重要性。的重要性。h 是个很小的值，是个很小的值，m 接近于接近于h

5、 时，时，不能忽略；当不能忽略；当mh时，因时，因很小，波动性失去了意义。很小，波动性失去了意义。物体粒子物体粒子 m /kg v /m.s-1 /pm 1V 电子 9.110-31 5.9105 1 200 10 000V电子 9.110-31 5.9107 12 垒球 2.010-1 30 1.110-22 子弹 1.010-2 1.0103 6.610-23 运动粒子的波长运动粒子的波长第4页/共36页 波尔以波的微波尔以波的微粒性（即能量量子粒性（即能量量子化概念）为基础建化概念）为基础建立了氢原子模型。立了氢原子模型。 薛定谔等则以微薛定谔等则以微粒波动性为基础建立粒波动性为基础建立

6、起原子的波动力学模起原子的波动力学模型。型。第5页/共36页5-2 5-2 原子光谱与原子光谱与BohrBohr理论理论 (一) 原子光谱连续光谱：含有所有波长的光。线状光谱：又称原子光谱，是原子受高温火焰、电弧等激发时发射出来的。 第6页/共36页第7页/共36页常数RydbergnnnnnnhvE:R 11RJ1110179. 2 s1110sJ10626. 6H2221H2221181 -22211534-第8页/共36页(二) Bohr模型(Bohrs model)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 卢瑟福的原子模型Bohr在基础上，建立了Bohr理论关于固定轨道

7、的概念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。它们是符合一定量子化条件的轨道。 从距核最近的一条轨道算起, n = 1 时允许轨道的半径为 53 pm, 这就是著名的玻尔半径玻尔半径。第9页/共36页关于轨道能量量子化的概念关于轨道能量量子化的概念 原 子 只 能 处 于 量 子 化 条 件 所 限 定 的 能 量 状 态( (定态stationary states)。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。 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。基态(ground sta

8、te): n = =1 的定态（H原子）。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(excited states):第10页/共36页关于能量的吸收和发射关于能量的吸收和发射 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, 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：E = E2 E1 = h hEEEEh1212- E: 轨道的能量：光的频率 h: Planck常量第11页/共36页玻尔理论的局限性玻尔理论的局限性不能解释H原子光谱的精细结构（每条谱线是由二条紧邻的谱线组成）。不能解释原子光谱在磁场

9、中的分裂不能解释多电子原子的光谱玻尔理论的成功之处玻尔理论的成功之处 满意地解释了实验观察的氢原子光谱和类氢原子（He+, Li2+, B3+）光谱；说明原子的稳定性；计算氢原子的电离能；对其他发光现象（如X光的形成）也能给予解释。第12页/共36页1、薛定谔(Schrdinger)方程和波函数电子在核外运动状态的描述5-3 5-3 原子中电子的运动状态原子中电子的运动状态 )(822222222VEhmzyx-第13页/共36页Notes:（1）波函数是薛定谔方程的合理解，每个对应于一条原子轨道；（2）求解薛定谔方程, 就是求得波函数和相应的能量 E ;（3）的平方| 表示电子在核外空间某位

10、置上单位体积内出现的几率大小，即几率密度或电子云；（4）解得的不是具体的数值, 而是包括四个常数 (n, l, m, ms)和三个变量(x,y,z)的函数式 (n, l, m, ms)第14页/共36页2、 描述电子运动状态的四个量子数（1） 主量子数n 确定电子离核的平均距离 n 1 2 3 4 电子层符号 K L M N （2） 角量子数 l 确定原子轨道形状，一个l代表一个亚层，每个亚层能量有小的差别；同一亚层内的轨道能量相同。 l 0 1 2 3 （n-1）亚层 s p d f 形状 球面 双球 四瓣梅花 n=1 1sn=2 2s 2pn=3 3s 3p 3dn=4 4s 4p 4d

11、4f第15页/共36页能级交错能级交错科顿能级图鲍林近似能级图第16页/共36页（3） 磁量子数m 决定每个亚层中所含轨道的数目s l=0 m=0 . 1 p l=1 m= -1, 0, +1 3 d l=2 m= -2, -1, 0, +1, +2 . 5f l=3 m= -3,-2, 1, 0, +1, +2, +3 7 等价轨道（简并轨道）（4） 自旋量子数ms 决定单一原子轨道内的电子的自旋方向 ms= +1/2 ms= -1/2轨道图的画法 第17页/共36页3、轨道角度分布图第18页/共36页第19页/共36页第20页/共36页第21页/共36页5-4 核外电子的分布 （一）基态原

12、子中电子的分布规律1、 能量最低原理 电子总是优先占据能量最低的轨道，占满后才进入能量较高的轨道。根据Pauling原子近似能级顺序，电子填入轨道的次序如下： 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 当原子序数较小时（Z24）严格遵守这一顺序，原子序数较大时会出现例外。第22页/共36页徐光宪规则：原子外层电子：n+0.7l 越大，E越高；离子外层电子：n+0.4l 越大，E越高。2、Pauli Exclusion Principle同一原子中不能存在运动状态完全相同（四个量子数完全相同）的电子。推论：同一轨道上最多容纳自旋方向相反的两个电子。再结合

13、前三个量子数之间的关系可推知电子层的最大容量： K L M N 1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s24p64d104f14 2 8 18 32 第23页/共36页3、 Hunds rule 电子分布到等价轨道时总是尽先以相同的自旋状态分占轨道。特例：p6 d10 f 14 p3 d 5 f 7 p0 d 0 f 0 e.g. Cs(Z=55) 1、 Pauling 原子近似能级顺序 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 2 +2 +6 +2 +6 +2 +10+6 +2 +10 +6 +1 =55 2、 能级序列： 1s2

14、2s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s1 重排后电子排布：1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s1 利用原子实（core）会更简洁： Xe 6s1 3、 注意Hunds rule的特例的情况 第24页/共36页5-5 元素周期表 第25页/共36页各区元素的价电子构型(通式)：区价电子构型族sns1,2 A,Apns2 np1-6 AA, 0d(n-1)d1-8 ns1,2 Bds(n-1)d10 ns1,2 B,Bf(n-2)f1-14 ns2B第26页/共36页5-6 原子的基本性质 （一）原子的结构特征1、 有效核电荷Z

15、在多电子原子中，某电子除受核吸引外，还受其他电子的排斥。这种排斥作用减弱了核对该电子的吸引，因此，其他电子的存在，犹如屏风一样，减少了施加某个电子上的电荷数，这作用称为屏蔽效应。也就是说，屏蔽效应抵消了一部分核的正电荷，其抵消（或减少）的核电荷数成为屏蔽常数，用符号表示。将核电荷减去其余电子的屏蔽常数叫做有效核电荷，用符号Z表示。 note：屏蔽只是内层e对外层e而言，外层e对内层e几乎不产生屏蔽效应，屏蔽作用忽略不计。Z=Z - 第27页/共36页3Li 1s22s1 Z(2s)=Z - =3 (2 0.85) =1.3 19K 1s22s22p63s23p64s1 Z(4s)= 19 (1

16、0 1 + 8 0.85) =2.229Cu 1s22s22p63s23p63d104s1 Z(4s)= 29 (10 1 + 18 0.85) =3.7同层 ：每一个e 产生 = 0.35 n-1 层 ： 每一个e 产生 = 0.85 n-2, n-3层 ： 每一个e 产生 = 1第28页/共36页2、 原子半径 严格地讲，由于电子云没有边界，原子半径也就无一定数。但人总会有办法的。迄今所有的原子半径都是在结合状态下测定的。 适用金属元素适用金属元素 固体中测定两个最邻固体中测定两个最邻 近原子近原子 的核间的核间 距一半距一半金属半径金属半径(metallic radius) 适用非金属元

17、素适用非金属元素 测定单质分子中两个相邻测定单质分子中两个相邻 原子的原子的 核间距核间距 一半一半共价半径共价半径(covalent radius)第29页/共36页Li157Be112Mg160Na191Ca197K235Rb250Sr215Ba224Cs272Sc164Mo140Cr129Mn137Tc135Re137Os135Ru134Fe126Co125Rh134Ir136Pt139Pd137Ni125Cu128Ag144Au144Hg155Cd152Zn137Ti147V135Nb147Y182Hf159Ta147W141Lu172Zr160B88C77N74O66F64Al143Si118P110S104Cl99Ge122Ga153Tl171In167Br114As121Se104Sn158Sb141Te137I133Bi182Pb175Source: Wells A F. Structural Inorganic Chemistry, 5th ed. Oxford: Clarendon Press, 1984第30页/共36页同周期原子半径的变化趋势同周期原子半径的变化趋势总趋势：随着原子序数的增大,原子半径自左至右减小解 释: 电子层数不变的情况下,有效核电荷的增大导致核 对外层电子的引力增大第31页/共36页第32页/共36页同族总趋势：自上至下减小,