原子结构和元素周期系原子结构量子力学模型

1、第一章 原子结构与元素周期系1.2 原子结构的量子力学模型1.1 原子结构理论的发展概况1.3 原子的电子层结构与元素周期系1.4 原子结构与元素性质的关系一、英国物理学家 汤姆森 (J.J.Thomson)1.1 原子结构理论的发展概况 1884年担任著名的卡文迪许实验室主任 1897年通过阴极射线实验发现了电子 1906年获得诺贝尔物理奖。 1904年提出原子的“枣糕模型”，认为“电子是均匀地分布在正电荷的海洋中”。汤姆森汤姆森提出的“枣糕模型” 二、英国物理学家 卢瑟福 (E.Rutherford) 1.1 原子结构理论的发展概况 1895年在剑桥大学攻读博士学位期间直接受到汤姆森的指导

2、 1908年获得诺贝尔化学奖 1911年根据粒子散射实验的结果提出原子的“含核模型”，也称为“行星模型” 1919年接替汤姆森担任卡文迪许实验室主任。卢瑟福 粒子散射实验模拟动画卢瑟福提出的“行星模型”“行星模型”认为电子在原子核内绕核旋转如同行星绕太阳运动一样。1.1 原子结构理论的发展概况 三、丹麦物理学家 玻尔 (Niels H.D.Bohr) 1885年生于丹麦的哥本哈根 1911年获得博士学位 1913年结合普朗克量子论发表了长篇论文论原子构造和分子构造，创立了原子结构理论。 1922年获得诺贝尔物理奖。 卢瑟福是汤姆森六位获诺贝尔奖的学生之一，而他本人又指导包括玻尔在内的十一位诺贝

3、尔奖获得者。1.1.3 玻尔理论 1、“玻尔理论” 的要点 （1）原子内电子按能级分层排布；（2）各能级间能量是不连续的，即量子化；（3）只有电子在不同能级间产生跃迁时才有能量的吸收或放出； 2、应用“玻尔理论” 解释氢光谱 “玻尔理论”不能说明多电子原子光谱，也不能说明氢原子光谱的精细结构！H1.1.3 玻尔理论氢原子光谱实验示意图 四、奥地利物理学家 薛定锷 (E.Schrdinger) 1.1 原子结构理论的发展概况 1926年，薛定锷在考虑实物微粒的波粒二象性的基础上，通过光学与力学的对比，提出了描述微观粒子（包括原子内的电子）运动的基本方程，即著名的薛定锷方程： 采用薛定锷方程来描述

4、原子内电子的运动状态，即原子结构的量子力学模型。 一、电子运动的特性 1.2 原子结构的量子力学模型 1、波粒二象性 1680年，牛顿提出光具有粒子性，认为光就是能做直线运动的微粒流。 1690年，惠更斯提出光具有波动性，能解释光的干涉、衍射等现象。大科学家牛顿 1、波粒二象性 1905年，爱因斯坦用光子理论成功地解释了光电效应，提出光既有粒子性，又有波动性，即光具有波粒二象性。1.2.1 电子运动的特性 大科学家爱因斯坦 1、波粒二象性 1924年，法国物理学家德布罗依受到光具有波粒二象性的启发，提出了电子等实物粒子也具有波粒二象性的假设。该假设在1927年被电子衍射实验所证实。1.2.1

5、电子运动的特性 法国物理学家德布罗依1.2.1 电子运动的特性 电子衍射实验 2、测不准原理 1927年，德国科学家海森堡提出测不准原理，即对具有波粒二象性的微粒，不可能同时准确测定它们在某瞬间的位置和速度（或动量）。1.2.1 电子运动的特性 德国科学家海森堡1.2 原子结构的量子力学模型 二、电子的运动状态 1、薛定锷方程：波函数E：体系的总能量V：体系的势能m: 微粒的质量h: 普朗克常数, 其值为6.6310-34 Js薛定锷2、波函数1.2.2 电子的运动状态（1）坐标变换（2）变数分离：径向波函数：角度波函数xyz3、概率密度与电子云1.2.2 电子的运动状态概率密度：电子在核外某

6、处单位体积内出现的概率称为该处的概率密度。电子云：电子在核外各处出现的概率密度大小的形象化描绘。离核半径概率密度3、概率密度与电子云1.2.2 电子的运动状态壳层概率= r处的概率密度 壳层体积rdr离核距离为 r 的球壳薄层示意图氢原子 1s 电子的壳层概率与离核半径的关系3、概率密度与电子云1.2.2 电子的运动状态等密度面电子云界面图4、四个量子数1.2.2 电子的运动状态（1）主量子数（n）a. 决定电子在核外出现概率最大区域离核的平均距离b. 取值范围：正整数，n = 1,2,3c. 代表层次：n 值12345n 值代号KLMNOd. 决定电子能量的高低：n值越大，电子能量越高。4、

7、四个量子数1.2.2 电子的运动状态（2）角量子数（l）a. 描述原子轨道的不同形状，表示电子层中各个不同的电子亚层。b. 取值范围：l 可取 0 n-1之间的整数l 值0123l 值符号spdf原子轨道的形状4、四个量子数1.2.2 电子的运动状态（2）角量子数（l） n l 亚层数 原子轨道 1 0 1 s 2 0,1 2 s,p 3 0,1,2 3 s,p,d 4 0,1,2,3 4 s,p,d,f4、四个量子数1.2.2 电子的运动状态（2）角量子数（l）c. 对电子能量有影响： 单电子原子（H）：n相同，l不同：Ens=Enp=End=Enfn不同，l相同：E1sE2sE3sE4s

8、多电子原子：n相同，l不同：l,E EnsEnpEndEnfn相同，l相同：Enpx=Enpy=Enpz4、四个量子数1.2.2 电子的运动状态（3）磁量子数（m）a. 描述原子轨道在空间的伸展方向。b. 取值范围：m 可取 l0 l 之间的整数，共2l+1个。 l m 伸展方向 原子轨道符号 0 0 1个 s 1 -1,0,1 3个 px, py, pz 2 -2,-1,0,1,2 5个 dxy, dyz, dxz, dx2-y2, dz2注意：上表中只有m = 0与空间伸展方向有对应关系，分别对应pz和dz2 原子轨道。4、四个量子数1.2.2 电子的运动状态（3）磁量子数（m）c. 对电

9、子能量没有影响由n,l,m三个量子数可得到一个波函数，或者说可确定一个原子轨道，用符号n l m表示。n,l相同的几个原子轨道能量相同，这样的轨道称为等价轨道或简并轨道。如： 2px, 2py, 2pz三个轨道例：写出和下列波函数对应的原子轨道符号。2 0 04 2 03 1 04、四个量子数1.2.2 电子的运动状态（4）自旋量子数（ms）a. 取值： +1/2 和 -1/2b. 自旋方向： 用“”或“”来表示由n,l,m,ms四个量子数可以描述核外电子的运动状态。 根据四个量子数的值可以说明电子层最多能容纳的电子数。例如：当n=3时： l 0 1 2 m 0 -1,0,1 -2,-1,0,

10、1,2 轨道数 1个 3个 5个 容纳电子数 2 6 10 容纳的电子总数 18（2n2）1.2.3 原子轨道和电子云图例：画出 的角度分布图030456090120135150180R0.866R0.707R0.5R0-0.5R-0.707R-0.866R-Rxzs, p, d 原子轨道的角度分布剖面图注意：(1)极值方向(2)节面，在此平面上Y = 0s, p, d 电子云的角度分布剖面图注意：(1)极值方向(2)节面，在此平面上Y 2 = 0y原子轨道和电子云的角度分布图比较 电子云图 原子轨道图图形 瘦（Y2） 胖（Y）图形符号 均为正 有正负电子云的模型 一、多电子原子能级图 1.3

11、 原子的电子层结构与元素周期系 美国物理学家和化学家鲍林学识渊博，在自然科学的各个领域都有建树。1954年获诺贝尔化学奖。1962年因致力于反对美国和前苏联的核试验而获得诺贝尔和平奖。鲍林是世界上迄今为止唯一两次单独获得诺贝尔奖的科学家。1、鲍林近似能级图1.3.1 多电子原子能级图鲍林近似能级图规律： n l E相同 不同 nsnp E4s1.3.1 多电子原子能级图2、屏蔽效应和钻穿效应Z* ： 电子实际所受到的核电荷，称为有效核电荷。屏蔽效应示意图 称为屏蔽常数，其大小可根据斯莱脱规则计算。斯莱脱规则将电子分成以下几个轨道组：(1s) (2s,2p) (3s,3p) (3d) (4s,4

12、p) (4d) (4f) (5s,5p).(1) 外组电子对内组电子无屏蔽作用，0(2) 同组电子间会产生屏蔽作用，0.35 , 但1s轨道上二个电子间的屏蔽作用0.30。(3) (n-1)层各电子对 n 层电子的屏蔽作用 0.85 ； (n-2)以内各层电子对 n 层电子的屏蔽作用1.00。(4) 若被屏蔽的是nd 或 nf 电子，则位于其前面轨道各电子对其屏蔽作用 1.00。屏蔽效应考虑钾原子的电子排布：(1) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d1 最外层电子所受到的有效核电荷 Z* = 1.00 (2) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 最外层电子所受到的有效核电

13、荷 Z* = 2.20 Z* , 电子能量越低。 所以E4s E4s1.3.1 多电子原子能级图鲍林近似能级图的不足之处： 假设了不同元素的原子能级高低次序相同。实际上原子轨道的能量在很大程度上取决于原子序数。原子序数越大，原子轨道的能量一般逐渐下降。由于下降幅度不同，所以产生能级交错。具体可参考科顿能级图。因此：H的3s 轨道能量 Na的3s 轨道能量对于19K:E3d E4s 对于21Sc:E4s E3d19K：1s22s22p6 3s23p64s121Sc：1s22s22p6 3s23p63d14s2对于Sc原子而言，当它参与成键失去电子时，先失去 4s 电子，再失去 3d 电子。科顿能

14、级图1.3.1 多电子原子能级图判断失电子次序的 (n+0.4l) 经验规则:例：26Fe：1s22s22p6 3s23p63d64s2, 当Fe原子成键时，先失去哪个轨道上的电子？计算 3d 和 4s 的 (n+0.4l) 值： 4s E4s= 4+0.404.0 3d E3d= 3+0.423.8E4s E3d ，所以先失去 4s 电子。1.3.2 核外电子排布的规则1、能量最低原理 电子的填充是按照近似能级图中各能级的顺序由低到高填充。2、泡利不相容原理 在同一原子中，不可能有两个电子具有完全相同的四个量子数。或者说在一个原子轨道中最多只能容纳两个电子，并且自旋方向相反。这就是泡利不相容

15、原理。提出该原理时泡利年仅25岁。例：请写出(3dz2)2上两个电子的四个量子数。1.3.2 核外电子排布的规则3、Hund规则: 在等价轨道中，电子尽可能分占不同的轨道，并且自旋方向相同。例：7N：1s22s22p3n=2 l=1 m=-1 ms=+1/2n=2 l=1 m=0 ms=+1/2n=2 l=1 m=+1 ms=+1/2补充规则：等价轨道处于全充满、半充满或全空状态时，体系能量更低，更稳定。全充满：p6 或d10 或f14半充满：p3 或d5 或f7全空：p0 或d0 或f0例：24Cr：1s22s22p6 3s23p63d54s11.3.3 核外电子排布的表示方式(1) 电子排

16、布式例：24Cr：1s22s22p6 3s23p63d54s1(2) 原子轨道表示式1s2s2p3s3p4s3d24Cr：(3) 原子实表示式例：24Cr：Ar 3d54s1(4) 价电子构型表示式例：24Cr：3d54s11.3.4 电子排布和元素周期系填电子次序图1.3.4 电子排布和元素周期系1.3.4 电子排布和元素周期系归纳表1-4并和元素周期系进行比较，可得出如下规律：a) 随核电荷增加 原子外层电子重复同样的构型 元素性质周期性变化电子层数 = 周期数（七个周期）b) 每一新电子层 一个新的周期对应c) 各周期中元素的数目 = 相应能级组中原子轨道所能容纳的电子总数.能级组123

17、4567周期1234567元素个数288181832 未充满1.3.4 电子排布和元素周期系1.3.4 电子排布和元素周期系d) 族的分类依据原子的电子层结构，同族元素的 电子层数不同, 但原子的最外层电子结构相似。主族族数 = 最外层电子总数副族族数=最外层电子数+未充满的次外层 d 电子数（VIII B有例外）e) 依电子排布特征，周期表分成五个区域。区域最外层电子构型族s区ns1-2 IA, IIAp区ns2 np1-6 IIIAVIIIAd区 (n-1)d1-9 ns1-2 IIIB VIIIBds区 (n-1)d10 ns1-2 IB, IIBf 区 (n-2)f1-14(n-1)d

18、0-2ns2 镧系,锕系1.3.4 电子排布和元素周期系25Mn：1s22s22p6 3s23p63d54s211Na：1s22s22p6 3s112Mg：1s22s22p6 3s229Cu：1s22s22p6 3s23p63d104s115P：1s22s22p6 3s2 3p31.4 原子结构与元素性质的关系 一、原子参数1. 有效核电荷 Z*2. 原子半径 r3. 电离能 I4. 电子亲和能 EA5. 电负性 X1.4.1 原子参数原子序数有效核电荷变化规律：同一短周期：Z 增大，Z* 增大显著。同一长周期：d 区元素，Z 增大，Z* 增幅较小。同族：从上到下，Z* 增幅小。1.4.1 原

19、子参数2. 原子半径 r 的几种定义： 假设原子呈球形, 在固体中原子间相互接触, 以球面相切,则两相邻原子核间距的一半即为原子半径。i）共价半径：当非金属元素两原子以共价单键相结合时，其核间距的一半为共价半径。ii）金属半径：金属晶体可以看成由球状的金属原子堆积而成, 两金属原子核间距的一半即为金属半径。iii）范德华半径：稀有气体以范德华力结合形成单原子分子晶体, 两原子核间距的一半称为范德华半径。1.4.1 原子参数原子序数变化规律：同一短周期：Z 增大，半径变小。同一长周期：d 区元素，Z 增大，半径变小的幅度小。同一族：从上到下，半径增大。镧系元素：镧系收缩，半径减小更加缓慢。原子半径1.4.1 原子参数1.4.1 原子参数变化规律：同一元素：I1 I2 I3 同一长周期：d 区元素，从左到右，电离能增大，增幅较小。同族：从上到下，电离能减小。同一短周期：从左到右，电离能增大。例外：B Be, O N, ?原子序数第一电离能1.4.1 原子参数定义：M(g) + e M+ (g) EA1注意： |EA1| : F Cl ，O S 因为 F 和 O 的电子密度大。OSN1.4.1