第七章原子结构

1、第七章第七章 物质结构基础物质结构基础种类繁多物质，性质各不相同。物质性质上的种类繁多物质，性质各不相同。物质性质上的差别是由物质内部结构不同引起。差别是由物质内部结构不同引起。 化学变化中，原子核不发生变化，只是核外电化学变化中，原子核不发生变化，只是核外电子运动状态发生变化。子运动状态发生变化。 要弄清并掌握物质性质，尤其是化学性质及其要弄清并掌握物质性质，尤其是化学性质及其变化规律，首先必须弄清物质内部结构，特别是变化规律，首先必须弄清物质内部结构，特别是原子结构及其核外电子运动状态。原子结构及其核外电子运动状态。化学反应化学反应 旧键断裂、新键形成旧键断裂、新键形成 核外电子核外电子运

2、动状态改变运动状态改变微观粒子具有波、粒二象性微观粒子具有波、粒二象性描述核外电子的描述核外电子的运动状态运动状态氢原子结构氢原子结构多电子原子结构多电子原子结构元素周期律元素周期律本本 章章 线线 索索第一节第一节 核外电子的运动状态核外电子的运动状态1024102210201018101610141012101010810610410210010-1610-1410-1210-1010-810-610-410-2100102104106108 / s-1 / mx射线IR微波无线电波长无线电波可见光(400nm750nm)射线UV 18831883年瑞士物理学家年瑞士物理学家BalmenB

3、almen找出了氢原子光谱四找出了氢原子光谱四条谱线的波长之间的关系条谱线的波长之间的关系 = B n2 /(n2 -4 ) 其中其中B B为常数为常数,n,n为正整数为正整数 当当n=3,4,5,6n=3,4,5,6时，上式就分别给出时，上式就分别给出H H,H,H,H,H,H,H四四条谱线波长各为条谱线波长各为656.2nm,486.4nm,434.0nm,410.2nm656.2nm,486.4nm,434.0nm,410.2nm1900年，普朗克年，普朗克(Planck)提出了著名的量子论。提出了著名的量子论。量子论认为能量象物质微粒一样是不连续的，能量量子论认为能量象物质微粒一样是不

4、连续的，能量的最小单位称为光量子，也叫光子，其能量大小与的最小单位称为光量子，也叫光子，其能量大小与光的频率成正比。光的频率成正比。 E = h 普朗克常数普朗克常数 h = 6.62610-34 Js 物质以光的形式吸收或发射的能量只能是光量物质以光的形式吸收或发射的能量只能是光量子能量的整数倍。子能量的整数倍。（1 1）普朗克）普朗克(Planck) (Planck) 量子论量子论 根据假设，玻尔（根据假设，玻尔（Bohr）导出了氢原子的各种）导出了氢原子的各种定态轨道半径和能量的计算公式。定态轨道半径和能量的计算公式。 r = 52.9 nr = 52.9 n2 2 pm pm推导:电子

5、绕核运动的向心力是由核与电子间的静电 引力或库仑力提供的,故有 mv2/r = kZe2/r2与量子化条件联立,可导出 r = n2h2/(42kmZe2)代入数据,得 r=5.2910-11n2m=52.9n2 pm E动=(1/2)mv2而mvr=nh/2,v=nh/2mr,代入上式动=(1/2)m(nh/2mr)2 =(1/2)m(nh/2m42kmZe2/n2h2)2=22k2Z2e4m/n2h2 E势= kZe2/r2dr=-kZe2/r = -42mk2Z2e4/n2h2 E =动+ E势= -22k2mZ2e/n2h2r 2. 微观粒子运动的统计性微观粒子运动的统计性 量子力学认

6、为，原子中核外电子的运动规律不量子力学认为，原子中核外电子的运动规律不象经典力学认为的有确定的轨道，但具有按几率象经典力学认为的有确定的轨道，但具有按几率分布的统计规律。因此描述电子等微粒的运动规分布的统计规律。因此描述电子等微粒的运动规律不能沿用经典的牛顿力学，而要用描述微粒运律不能沿用经典的牛顿力学，而要用描述微粒运动的量子力学。动的量子力学。3.3.海森堡测不准原理海森堡测不准原理 几种典型的电子云图象：几种典型的电子云图象： s s电子云：球形电子云：球形 p p电子云：哑铃形电子云：哑铃形, ,三种，三种，p px x, p, py y, p, pz z d d电子云：花瓣形电子云：

7、花瓣形, ,五种五种, dx, dy, dz, dx, dy, dz, dx, dx -y-y , dz, dz f f电子云：形状较复杂电子云：形状较复杂, ,七种七种3.3.几率密度分布的几种表示几率密度分布的几种表示 （1 1）电子云图）电子云图 （2 2）等几率密度面）等几率密度面 （3 3）界面图）界面图氢原子的氢原子的1s1s电子的径向几率密度图表明电子的径向几率密度图表明: :1s1s电子的电子的 随半径随半径r r的增大而减小。的增大而减小。r（4 4）径向几率密度图：）径向几率密度图：以以 为纵坐标、为纵坐标、半径半径r r为横坐标作图。为横坐标作图。1-6 1-6 四个量子

8、数四个量子数 原子中各电子在核外的运动状态，是指电子原子中各电子在核外的运动状态，是指电子所在的电子层和原子轨道的能级、形状、伸展方所在的电子层和原子轨道的能级、形状、伸展方向等，须用四个量子数来描述。向等，须用四个量子数来描述。表. 量子数和波函数的关系电子层电子层 nlmnlm 状态名称状态名称 函数函数() () 各状态轨道数各状态轨道数 各电子层轨道数各电子层轨道数 K 1 0 0 K 1 0 0 1s 1s 1s1s 1 1 1 1L 2 0 0 2s L 2 0 0 2s 2s 2s 1 1 2 1 0 2p 2 1 0 2pz z 2pz2pz 1 4 1 4 2 1 2 1 1

9、 2p1 2px x,2p,2py y 2px2px, , 2py2py 2 2M 3 0 0 3s M 3 0 0 3s 3s3s 1 1 3 1 0 3p 3 1 0 3pz z 3pz3pz 1 1 3 1 3 1 1 3p1 3px x,3p,3py y 3px3px, , 3py3py 2 9 2 9 3 2 0 3d 3 2 0 3dz2z2 3dz23dz2 1 1 3 2 3 2 1 3d1 3dyxyx,3d,3dxzxz 3dyz3dyz, , 3dxz3dxz 2 2 3 2 3 2 2 3d2 3dx2-y2x2-y2,3,3dxydxy 3dx2-y23dx2-y2,

10、 ,3dxy3dxy 2 2分区分区区区原子价层原子价层电子构型电子构型最后填人电子最后填人电子的亚层的亚层可能参与化学反应可能参与化学反应的电子层的电子层包括的元素包括的元素sns 12最外层的最外层的s亚层亚层同左同左IA,IIA族族pns2np16最外层的最外层的p亚层亚层最外层最外层AA族，族，零族零族d(n-1)d19ns12一般为次外层的一般为次外层的d亚层亚层最外层的最外层的s亚层次外亚层次外层的层的d亚层亚层BB族，族，族族 ds(n-1)d 10ns12同上同上同上同上IB,IIB族族 f(n-2)f114 (n-1)d02ns2一般为外数第三一般为外数第三层的层的f亚层（有

11、个亚层（有个别例外）别例外）最外层的最外层的s亚层次外亚层次外层的层的d亚层外数第三亚层外数第三层的层的f亚层亚层镧系元素锕镧系元素锕系元素（内系元素（内过渡元素）过渡元素）周期周期能能级级组组最外能级组内各轨道最外能级组内各轨道电子分布电子分布容纳容纳电子电子数数各周期各周期内元素内元素总数总数1.1.特短周期特短周期2.2.短周期短周期3.3.短周期短周期4.4.长周期长周期5.5.长周期长周期6.6.特长周期特长周期7.7.未完成周未完成周期期1 12 23 34 45 56 67 71s1s12 12 2s2s12 12 2p2p16163s3s1212 3p 3p16164s4s12

12、 12 3d3d110 110 4p4p16165s5s12 12 4d4d110110 5p 5p16166s6s12 12 5f5f114 114 5d5d110110 6p6p16167s7s12 12 5f5f114114 6d 6d1616 2 28 88 818181818323232322 28 88 8181818183232预测应预测应由由3232种，种，已经发现已经发现2424种种112112，Cn CoperniciumCn Copernicium，原子量，原子量227227，人工合成元素，德国科学家人工合成元素，德国科学家2010.2.192010.2.19，锌离子轰击

13、铅靶，锌离子轰击铅靶元素元素族数族数s,p,ds区区d区（其中区（其中族只适用族只适用Os,Fe,Ru）f区区等于最外层电子数等于最外层电子数等于最外层电子数等于最外层电子数+次外层次外层的的d电子数电子数都属都属B族族 19 K Ar4s1 4周期周期 IA s区区 22 Ti Ar3d24s2 4周期周期 IVB d区区 30 Zn Ar3d104s2 4周期周期 IIB ds区区 33 As Ar3d104s24p3 4周期周期 VA p区区 60 Nd Xe4f46s2 6周期周期 IIIB f区区 钕钕 42 Mo Kr 4d55s1 5周期周期 VIB d区区 74 W Xe 5d46s2 6周期周期 VIB d区区 83 Bi Xe 6s26p3 88 RaRn7s2