化学第八章原子结构

1、第八章第八章 原子结构和元素周期律原子结构和元素周期律 Atomic Structure and the Periodic Law初赛基本要求初赛基本要求 第八章第八章 原子结构和元素周期律原子结构和元素周期律初赛基本要求初赛基本要求 第八章第八章 原子结构和元素周期律原子结构和元素周期律 Atomic Structure and the Periodic Law原子原子原子核原子核质子质子Z个个中子中子（A-Z）个个核外电子核外电子 Z个个XAZ8-1 微观粒子的特征微观粒子的特征不连续的线状光谱不连续的线状光谱一、一、 氢原子光谱氢原子光谱410 434 486 656 /nmqyzgp

2、氢原子光谱由五组线系组成氢原子光谱由五组线系组成, , 即紫外区的即紫外区的莱曼莱曼( (LymanLyman) )系系, , 可见区的巴尔麦可见区的巴尔麦( (BalmerBalmer) )系系, , 红外区的帕邢红外区的帕邢( (PaschenPaschen) )系、布莱克特系、布莱克特( (BrackettBrackett) )系和芬得系和芬得( (PfundPfund) )系系. . 任何一条谱线任何一条谱线的波数的波数( (wave numberwave number) )都满足简单的经验关都满足简单的经验关系式系式: : 2221111nnRH 巴尔麦经验公式RH为里德伯常量为里德

3、伯常量, 实验确定为实验确定为1.096 77107 m-1; n2大于大于n1 , 二者二者都是不大的正整数都是不大的正整数. 各线系各线系 n 的允许值见下表的允许值见下表：1222nm)121(1009677. 1/1nn = 3 红红 （H） 656nmn = 4 青青 （H ） 486nmn = 5 蓝紫蓝紫 （ H ） 434nmn = 6 紫紫 （H ） 410nm二、二、Bohr理论理论 定态假设：定态假设： 核外电子只能在有确定半径和能量的核外电子只能在有确定半径和能量的轨道上运动轨道上运动, ,且不辐射能量且不辐射能量。 频率假设：频率假设： 量子量子化条件假设：化条件假设

4、：E: 轨道的能量轨道的能量 ：光的频率光的频率 h：Planck常数常数En: 原子轨道的能量原子轨道的能量n: 量子数，量子数，n = 1,2,3h E2 E1n213.6(eV)En 1913年，年，28岁的岁的Bohr提出该假设提出该假设Jn2181018. 2 三、电子的波粒二象性三、电子的波粒二象性1. 粒子性粒子性 静止质量静止质量 m = 9.110-31 kg 运动速度运动速度 v 10 6 ms-12. de Broglie 关系式关系式式中：式中：为波长为波长 h 为为Planck常数常数 = 6.62610-34Js m、v 分别代表实物微粒的质量和运动速度分别代表实物

5、微粒的质量和运动速度 电子衍射实验电子衍射实验电子的波长电子的波长343166.626109.11010hmvnm728. 0m1028. 710实验实验 电子具有电子具有波粒二象性波粒二象性物质物质质量质量/ g速度速度/cm s-1 /cm波动性波动性慢速电子慢速电子9.110-285.91071.210-9显著显著快速电子快速电子9.110-285.91091.210-11显著显著 粒子粒子6.610-241.51091.010-15明显明显小球小球11.06.610-29不明显不明显垒球垒球2.11023.01031.110-34不明显不明显地球地球6.010273.41043.310

6、-61不明显不明显几种物质的德布罗意波长几种物质的德布罗意波长8-2 氢原子结构氢原子结构一一、Schrdinger方程方程(二阶偏微分方程二阶偏微分方程) VEhmzyx 222222228空间直角坐标常数质量势能总能量波函数:,Planck: : : zyxhmVE二、波函数二、波函数(r,) =R (r) Y ( ,)描述核外电子运动状态的数学表达式，又称描述核外电子运动状态的数学表达式，又称“原原子轨道子轨道”。每一个波函数代表电子的一种运动状。每一个波函数代表电子的一种运动状态。态。直角坐标直角坐标( (x,y,z) )与球坐标与球坐标( (r, , ) )的转换的转换 222cos

7、sinsincossinzyxrrzryrx ,YrRqjzb),), （ zyx三、四个量子数三、四个量子数 主量子数主量子数n (电子层电子层) 表示核外电子离核的远近表示核外电子离核的远近 是确定电子能量高低的主要因素是确定电子能量高低的主要因素n =1 2 3 4 5 6 7 K L M N O PQ 角量子数角量子数l (亚层亚层) 表示原子轨道的形状表示原子轨道的形状l = 01234 (n-1)spdfgn,l 值代表一个能级值代表一个能级 如如：2sn=2, l=0球形对称球形对称 3pn=3, l=1哑铃形哑铃形 4dn=4, l=2十字梅花十字梅花 磁量子数磁量子数 m 决

8、定原子轨道在空间的伸展方向决定原子轨道在空间的伸展方向m = 0 1 2 l(2l+1)个取值个取值 n, l, m 值代表一个原子轨道值代表一个原子轨道如：如： n=4 l=0 m=0 4s 轨道（一个）轨道（一个）n=4l=1m=0,1 4px ，4py ，4pz 轨道轨道( (三个三个) )n=4l=2m=0,1,2222yxzyzxzxy4,44,4,4ddddd轨道轨道( (五个）五个）n=4l=3m=0,1,2,3 4f 轨道轨道( (七个）七个）n 、 l 相同相同(l 0) , m 不相同互称为等价轨道不相同互称为等价轨道. . 自旋量子数自旋量子数ms 代表电子的自旋代表电子

9、的自旋 ms= 1/2 常用常用“”、“”表示表示n ，l ，m ，ms 取值代表电子的一种运动状态取值代表电子的一种运动状态. .xyzzxzxyspxpypzxzyxzyzydxydxzdyzddxy22-z2_问题问题1: n=3时时，有有3s,3p,3d,3f 四条轨道？四条轨道？ n =3 l = 0 1 2 1个个3s 3个个3p 5个个3d 共共9条轨道条轨道问题问题2：填充合理的量子数填充合理的量子数(?, 1, 0, 1/2)n = 2,3, (4,?,-1, 1/2) l = 3,2,1(3, 2, ?, 1/2)m = 0,1,2(1, 0, 0, ?) ms=1/2问题

10、问题3：有无以下的电子运动状态？：有无以下的电子运动状态？ (1, 1, 0, 1/2) (2, 0, 1,-1/2） (3, 2, -2,-1/2) (4, 3, -1,-1/2) l 应应 I1(B) 2s2 2s22p1 I1(N) I1(O) 2s22p 3 2s22p4四、电子亲合能四、电子亲合能Eea(electron affinity)气态的基态原子得到一个电子气态的基态原子得到一个电子变成气态负离子时所放出的能量。变成气态负离子时所放出的能量。Eea如如： F(g) + e- F-(g)一、有效核电荷数一、有效核电荷数二、原子半径二、原子半径三、元素的电离能三、元素的电离能大致

11、变化规律大致变化规律 同一周期从左同一周期从左右右，E Eeaea 同一主族从上同一主族从上下，下，E Eeaea五、电负性五、电负性X（electronegativity）原子在分子中吸引成键电子的能力。原子在分子中吸引成键电子的能力。同一周期从左同一周期从左右，右，X同一主族从上同一主族从上下，下，X课堂练习：课堂练习： 已知已知A、B、C 和和D的原子序数分别为的原子序数分别为6、9、13和和19。 推测下表有关问题（见后）。推测下表有关问题（见后）。 写出写出A与与B、B与与C及及B与与D元素组成化合物的化学式。元素组成化合物的化学式。 哪一种元素通常形成双原子分子？哪一种元素通常形成

12、双原子分子？ 哪一种元素的氢氧化物的碱性最强？哪一种元素的氢氧化物的碱性最强？ 推测推测A、B、C、D四种元素的电负性高低顺序。四种元素的电负性高低顺序。元素元素 原子序数原子序数 电电 子子 构构 型型 周期周期 族族 最高正价最高正价 金属或金属或 非金属非金属 A 6 B 9 C 13 D 19 化合物的化学式分别为：化合物的化学式分别为： AB4 CB3 DB B 通常形成双原子分子通常形成双原子分子 DOH 的碱性最强的碱性最强 电负性电负性 BACD1s22s22p2 2 A +4 非金属非金属1s22s22p5 2 A +7 非金属非金属 1s22s22p63s23p1 3 A

13、+3 金属金属1s22s22p63s23p64s1 4 A +1 金属金属 简单准确解释下列问题：简单准确解释下列问题： 能量最低原理能量最低原理 等价轨道全充满稳定等价轨道全充满稳定 3d 电子越多电子越多, 对核电荷的屏蔽作用越强对核电荷的屏蔽作用越强, 有效核电荷有效核电荷 减少减少 。 离子电荷增加，离子半径减小。离子电荷增加，离子半径减小。 P 3s23p3 S 3s23p4 P结构稳定，结构稳定， 难于失去电子。难于失去电子。 Cu的原子半径比的原子半径比Ni大。大。 Fe2+的离子半径比的离子半径比Fe3+大。大。 P的第一电离能比的第一电离能比S的大。的大。 6C的价电子构型是

14、的价电子构型是2s22p2，而不是，而不是2s12p3. 29Cu的价电子构型是的价电子构型是3d104s1 ，而不是，而不是3d 94s2. The quantum mechanical model of the atom discribes electrons in terms of quantum numbers.There are four such numbers: n, which designates the principle level: n =1, 2, 3 l, which designates the sublevel(s,p,d,f): l = 0, 1, (n-1) m, which designates the orbital: m = 0, 1, 2, l ms, which designates the electron spin: ms = 1/2 No two electrons in an atom can have the same set of four quantum numbers