无机化学第七章原子结构

1、第七章第七章 原子结构和元素周期律原子结构和元素周期律 教学要求教学要求： 1、了解核外电子运动的特殊性； 2、理解波函数、电子云、原子轨道、四个量子数的物理意义； 3、掌握四个量子数的取值，核外电子排布，原子结构与元素周期律之间的关系。 教学难点教学难点： 波函数；多电子原子能级；核外电子排布。7.1 原子结构理论的发展简史原子结构理论的发展简史7.2 核外电子运动状态核外电子运动状态7.3多电子原子结构和元素周期律多电子原子结构和元素周期律第七章第七章 原子结构和元素周期律原子结构和元素周期律7.4元素基本性质的周期律元素基本性质的周期律7.2.1 氢原子光谱与氢原子光谱与BohrBohr

2、理论理论7.2 核外电子运动状态核外电子运动状态7.2.5 氢原子的激发态氢原子的激发态7.2.4 氢原子的基态氢原子的基态7.2.3 Schrdinger方程与量子数方程与量子数7.2.2 电子的波粒二象性电子的波粒二象性1.光和电磁辐射7.2.1 氢原子光谱与氢原子光谱与BohrBohr理论理论红 橙 黄 绿 青 蓝 紫2.氢原子光谱18sm10998. 2 cc光速H3 .65657. 4H1 .48607. 6H0 .43491. 6H2 .41031. 7 /nm1 /s)10 (14 不连续光谱,即线状光谱 其频率具有一定的规律12215s )121(10289. 3nvn= 3,

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：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。hEEEEh1212E：轨道能量h：Planck常数12215s )121(10289. 3nvn = 3 红（H）n = 4 青（H ）n = 5 蓝紫 （ H ）n = 6 紫（H ）Balmer线系原子能级Balmer线系1 -222115s )11(102

4、89. 3nnv12nn hvE RH：Rydberg常数，其值 为2.17910-18J。)11( 2221HnnREJ )11(102.179222118-nn1 -22211534s )11(10289. 3sJ10626. 6nn)11( 2221HnnRE常数的商。电离能除以可见该常数的意义是：Planck h181510179. 210289. 3)111(10289. 3 2215hE 。这就是氢原子的电离能，时，当J10179. 2 11821Enn 借助于氢原子光谱的能量关系式可定出氢原子各能级的能量： )11( 122221HEEEnnREJ 2HnREn J1042. 2

5、313 192H33REn，J1045. 5212 192H22REn，J10179. 2111182H11REn，当 0122EEEn，则令 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：7.2.2 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/p，h=6.62610-34Js，Plank常量。VEhmzyx2222222281.Schrdinger方程7.2.3 Schrdinger方程与量子数方程与量子数：空间直角坐标zyx,常数：Planck

6、h：势能V：能量E波函数： ：质量m直角坐标( x,y,z)与球坐标(r,)的转换 222zyxrcosrz qsinsinry qcossinrxqq, , rzyx q,YrR2.四个量子数四个量子数 主量子数主量子数 n 1,.2, 1 ,0nl 磁量子数磁量子数 m 自旋量子数自旋量子数 ms,21smllm.,0,.21sm 角量子数角量子数n=1, 2, 3,与电子能量有关，对于氢原子，电子能量唯一决定于n；J10179.2218nE不同的n值，对应于不同的电子层：主量子数n：K L M N O角量子数l ： l 的取值 0，1，2，3n1 对应着 s, p, d, f. (亚层)

7、 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。 n, l, m 一定，轨道也确定 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?1.总能量2.波函数J10179.2J10179.2181218sEnE0/3041,arear pq , YrRrqjq角度部分：41,Ypq 0/3012arearR径向部分：7.2.4 氢原子的基态氢原子的基态 1

8、2 0/30arearR径向部分半径Bohrr 30120aR0rpm9 .52 0a 0R41,jqYjq,1rs是一种球形对称分布角度部分xzy3.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r2 4r224r径向分布函数D(r)：d2概率rr d 4d2rr d 422概率d空间微体积224)(rrD令：试问D(r)与2 的图形有何区别?1. 2s态： n=2, l=0, m=0J105448. 0-210179. 2-15-218-2sE41)-2(8102/-0302sareara

9、0/-030)-2( 2141areara7.2.5 氢原子的激发态氢原子的激发态图及电子云的 2s )a (2r分布函数图轨道的径向 2s (b)节面峰数=nl2. 2p态：n =2 , l =1 , m = +1,0,-1)0(p2mz为例以qqcos43)(Y02/-02/30)()1(621)( areararR其中qcos)(214102/-030p2arearazqqqcosAcos 43),(Yx,yz+306010.8660.50-0.5-1A0.866A 0.5A0-0.5A-Ao0o30o60o90o120qqcoso180zY2pyY2pxyzxY2pxyz22pxYxy

10、zxyz2p2yYxyz2p2zYxyzzY2p3. 3d态：n=3, l=2, m=0,2, 12d3zxyzyzd3xyzxzd3xyzxyd3xyz22d3yx xyz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 7.3.1 多电子原子轨道能级多电子原子轨道能级7.3 多电子原子结构和元素周期律多电子原子结构和元素周期律7.3.2 核外电子排布核外电子排布7.3.3 元素周期律元素周期律轨道：与氢原子类似，其电子运动状态 可描述为1s, 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

11、外加场的作用下, 还 与m有关。7.3.1 多电子原子轨道能级多电子原子轨道能级1.Pauling近似能级图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。3.屏蔽效应+2e-e-He+2e-He+2-e-假想He由核外电子云抵消一些核电荷的作用。屏蔽效应：J)(10179.22218nZE为屏蔽常数，可用 Slater 经验规则算得。Z= Z*，Z* 有效核电荷数 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.钻穿效应核外电子分布三规则：

12、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。7.3.2 核外电子排布核外电子排布15626224s3d3p3s2p2s1s 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 110626224s3d3p3s2p2s1s Cu 29：ZN：1s2 2s2 2p3154s3dAr原子芯称为Ar 4s

13、3dAr1107.3.3 元素周期系元素周期系 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。s 区ns12 p 区ns2np16d 区(n1)d110ns12 (Pd无 s 电子)f 区(n2)f114(n1)d02ns2结构分区：量子数，电子层，电子亚层之间的关系量子数，电子层，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 72 6 10 142 8 18 2n2每个亚

14、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 f7.4 元素基本性质的周期性元素基本性质的周期性7.4.1 元素性质的周期性元素性质的周期性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，Z*增加，但不显著。7.3.1 元素性质的周期性元素性质的周期性2.原子半径（r

15、） 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。 金属半径主族元素主族元素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 Zr Y 第五周期元素 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

16、的原子半径减小不明显的现象称为镧系收缩。3.电离能11molkJ2 .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- I 2E (g) E+ (g) + e- I 1例如：1332molkJ11815 )g(Lie(g)LiI122molkJ1 .7298 )g(Lie(g)LiI:加呈现出周期性变化电离能随原子序数的增 N、P、As、Sb、Be、Mg电离能较大 半满，全满。同一主族

17、：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 略有增加。4.电子亲和能 元素的气态原子在基态时获得一个电子成为一价气态负离子所放出的能量称为电子亲和能。当负一价离子再获得电子时要克服负电荷之间的排斥力，因此要吸收能量。O (g) + e - O- (g) A1 =-140.0 kJ . mol-1O- (g) + e - O2- (g

18、) A2 =844.2 kJ . mol-1电子亲和能的大小变化的周期性规律如下图：例如： 同一周期：从左到右，Z* 增大，r 减小，最外层电子数依次增多，趋向于结合电子形成 8 电子结构，A 的负值增大。卤素的 A 呈现最大负值，A为正值，稀有气体的 A 为最大正值。 同一主族：从上到下，规律不很明显，大部分的 A 负值变小。特例： A(N)为正值，是 p 区元素中除稀有气体外唯一的正值。 A 的最大负值不出现在 F 原子而是 Cl 原子。 原子在分子中吸引电子的能力称为元素的电负性，用 表示。P 电负性标度不同，数据不同，但在周期系中变化规律是一致的。电负性可以综合衡量各种元素的金属性和非金属性。同一周期从左到右电负性依次