高校无机化学原子结构的近代概念(天津大学第四版)讲义

1、第五章第五章 原子结构和元素周期性原子结构和元素周期性5.2原子结构的近代概念原子结构的近代概念 粒子性粒子性电子有确定的体积电子有确定的体积 (直径约直径约为为10-15m) 和质量和质量(9.109110-31kg) 演示演示波动性波动性衍射现象衍射现象将高速运动的电子将高速运动的电子束通过晶体光栅，束通过晶体光栅，投射到感光底片上，投射到感光底片上，得到明暗相间的衍得到明暗相间的衍射环纹。射环纹。5.2.1 电子的波粒二象性电子的波粒二象性电子运动有规律，但无法确定其运动轨迹电子运动有规律，但无法确定其运动轨迹概率概率出现机会多少出现机会多少核外空间某些区域电子出现的机会多，核外空间某些

2、区域电子出现的机会多， 概率大概率大核外空间某些区域电子出现的机会少，核外空间某些区域电子出现的机会少， 概率小概率小概率密度概率密度电子在原子核外某处单位电子在原子核外某处单位 体积内出现的概率体积内出现的概率5.2.2 概率概率薛定谔波动方程：薛定谔波动方程：描述微观粒子运动状态的基本方程描述微观粒子运动状态的基本方程0)(8)(22222222VEhmzyx波函数波函数5.2.3 原子轨道原子轨道对氢原子来说对氢原子来说,波函数波函数 (x、y、z)是描述是描述氢原子核外电子运动状态的数学表达式氢原子核外电子运动状态的数学表达式m电子质量电子质量 h普朗克常数普朗克常数 E体系总能量体系

3、总能量 V电子的势能电子的势能波函数波函数方程的每一个合理的解代表体系中电子的方程的每一个合理的解代表体系中电子的一种可能运动状态一种可能运动状态在量子力学中，用波函数和与其对应的在量子力学中，用波函数和与其对应的能量来描述电子的运动状态能量来描述电子的运动状态对薛定谔方程求解，可以得到一系列对薛定谔方程求解，可以得到一系列 波函数波函数 s、 s、 p. i相应的能量值相应的能量值 Es、 Es、 Ep . Ei( () )0/3041,arear q qE1s=-2.17910-18J是描述电子运动状态的数学表达式，是描述电子运动状态的数学表达式，的空间图象叫原子轨道，的空间图象叫原子轨道

4、，原子轨道的数学表达式就是波函数原子轨道的数学表达式就是波函数原子轨道的角度分原子轨道的角度分布图布图：将波函数将波函数 的角度的角度分布部分分布部分(Y)作图所作图所得的图象得的图象zx+-zzzzzxxxxxxxyyyyspy px pzdxy dyz dxzdz2 dx2-y2原子轨道的角度分布图原子轨道的角度分布图以以2pz为例：为例：n =2 , l =1 , m = 0qqcos43)(Y02/-02/30)()1(621)( areararRqcos)(214102/-030p2arearaz径向部分径向部分 角度部分角度部分( () )( ( ) )( () )q q, r q

5、 q,YrR qqqcosAcos 43),(Yx,yz+306010.8660.50-0.5-1A0.866A 0.5A0-0.5A-Ao0o30o60o90o120qqcoso180zY2p角度部分角度部分 概率密度：概率密度： | |2表示电子在原子内核外某处出现的概率密度表示电子在原子内核外某处出现的概率密度用小黑点的疏密用小黑点的疏密表示电子出现概率密度的相对大小表示电子出现概率密度的相对大小小黑点较密的地方，小黑点较密的地方，概率密度较大，单位概率密度较大，单位体积内电子出现的机体积内电子出现的机会多会多如如 1s的电子云的电子云5.2.4 电子云电子云 电子云：电子云：| |2的

6、空间图象的空间图象 电子云角度分布图：电子云角度分布图： |2角度部分作图。角度部分作图。zzzzzzxxxxxxxxyyyyyspy px pzdxy dyz dxzdz2 dx2-y2与原子轨道角度与原子轨道角度分布图的不同：分布图的不同：原子轨道原子轨道电子云电子云有正、负有正、负为正为正(一般一般不标不标)胖胖瘦瘦主量子数主量子数(n)表示原子轨道或电子云离核距离和能级高低表示原子轨道或电子云离核距离和能级高低n=1、2、3、4、5 . 正整数正整数 n12345电子层电子层 第一层第一层 第二层第二层第三层第三层第四层第四层第五层第五层电子层电子层符号符号KLMNOn值越小，该电子层

7、离核越近，能级越低值越小，该电子层离核越近，能级越低5.2.5 量子数量子数副量子数副量子数()表示原子轨道或电子云的形状表示原子轨道或电子云的形状=0、1、2、3 .(n-1) 的正整数的正整数 45形状形状球形球形哑铃形哑铃形 花瓣形花瓣形 电子亚电子亚层符号层符号spdfgh同一电子层同一电子层,值越小值越小,该电子亚层能级越低该电子亚层能级越低n0010120123符号符号1s2s2p3s3p 3d4s4p 4d 4f 磁量子数磁量子数(m)表示原子轨道或电子云在空间的伸展方向表示原子轨道或电子云在空间的伸展方向 m值：值： - 、0、+ 的正整数的正整数, 共共(2l+1+1)个个

8、m0-1、0、+-2、-1、0、+1 、+2原子轨原子轨道符号道符号spy、px、pzdxy、dyz、dz2、dxz、 dx2-y2同一亚层内的各原子轨道同一亚层内的各原子轨道, 在没有外加磁场在没有外加磁场下下, 能量是相等的，称等价轨道能量是相等的，称等价轨道 (简并轨道简并轨道) 自旋量子数自旋量子数(m ms s) 描述原子中每个电子的运动状态必须用描述原子中每个电子的运动状态必须用 四个量子数四个量子数： 即即 主量子数主量子数(n)：电子所处的电子层：电子所处的电子层副量子数副量子数(l)：电子所处的电子亚层：电子所处的电子亚层及原子轨道、电子云的形状及原子轨道、电子云的形状磁量子

9、数磁量子数(m)：轨道在空间的伸展方向：轨道在空间的伸展方向自旋量子数自旋量子数(ms)：电子自旋方向：电子自旋方向描述电子的自旋状态描述电子的自旋状态ms值：值：+ 、 顺时针方向或逆时针方向顺时针方向或逆时针方向2121如如 n=2、 =1、m=-1、ms=+ 则可知是第二电子层、则可知是第二电子层、p亚层、亚层、2px轨道轨道、自旋方向为自旋方向为的电子的电子1212nm轨道数轨道数电子数电子数(2n2)K 1s00122L 2s0428p10、 136M 3s009218p10、 136d20、1、2510N 4s0016232p10、 136d20、1、2510f3 0、1、2、37145.2.6 原子的观察和操纵原子的观察和操纵扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜scanning tunneling microscope (STM) 硅表面原子排硅表面原子排列的列的SIM图像图像 观观 察察在硅表面按在硅表面按“100100”字样移走部分硅字样移走部分硅原子后的照片原子后的照片 操操 纵纵小结小结电子具有波粒二象性，需按概率分布电子具有波粒二象性，需按概率分布的统计规律来进行研究的统计规律来进行研究波函数是描述核外电子运动状态的数学波函数是描述核外电子运动状态的数学表达式，其空间图象为表达式，其空间图象为“原子轨道原子轨道”描述原子中电子运动状态需用四个量子描述原