第一章原子结构

原子结构

11234567KLMNOPQ由内到外，能量逐渐升高+15第1层第2层第3层K层L层M层原子核原子核带正电核电荷数285原子结构示意图稀有气体元素原子电子层排布核电荷数元素名称元素符号各电子层的电子数KLMNOP最外层电子数2氦He2210氖Ne28818氩Ar288836氪Kr28188854氙Xe2818188886氡Rn2818321888各层最多电子数281832??+11281失去电子+1128NaNa++1728+1728得到电子ClCl-78+12Mg+8O+12+8Mg2+O2-1.主量子数n—

又称能量量子数取值：n=1、2、3、4-----为正整数(自然数)意义:（1）决定电子能量大小的主要因素（2）表示核外电子离核的远近常用光谱学符号表示电子层：主量子数n1234567光谱符号

KLMNOPQ

能级2.角量子数ι取值:对应一定的n

ι=0，1，2，3，…….(n-1),共n个值意义：（1）确定原子轨道形状

（2）和主量子数n共同决定多电子原子中电子的能量大小

（3）确定电子云的概率径向分布

注意：无论n为何，ι相同，原子轨道形状相同；无论n为何，ι不同，原子轨道形状不同。习惯上用小写光谱符号表示不同形状的原子轨道

ι值原子轨道轨道形状

0s球形

1p哑铃形

2d四花瓣形

3f形状复杂当n值相同，而ι

值不同时，电子的能量也稍有不同，可以看作是形成了“亚层”。亚层的符号：

1s2s,2p3s,3p,3d4s,4p,4d,4f当n=1时，

ι=0，原子轨道为s，球形，外层电子表示为1s；当n=2时，

ι=0，原子轨道为s，球形，外层电子表示为2s；

ι=1，原子轨道为p，哑铃形，外层电子表示为2p；当n=3时，

ι=0，原子轨道为s，球形，外层电子表示为3s；

ι=1，原子轨道为p，哑铃形，外层电子表示为3p；

ι=2，原子轨道为p，哑铃形，外层电子表示为3d；

3.磁量子数m取值：对应一定的ι

m=-ι,···0,···+ι共有（2ι+1)个值.

例如：ι=2,m=0,±1,±2意义:(1)决定原子轨道在空间的取向一个取值表示一个空间伸展方向。如：ι=1,m=0,±1;则p轨道有3个伸展方向，即Px,Py,Pz轨道

（2）和ι一起共同决定轨道的数目

ι

m

轨道

空间运动状态

类型

的数目0

0

S

1个1

0,±1p

3个2

0,±1,±2d

5个3

0,±1,±2,±3f

7个具有一定ι值的电子的空间运动状态数

=磁量子数的取值数目

=2ι+1s

轨道(l=0,m=0):m一种取值,空间一种取向,一条s

轨道.p

轨道

(l=1,m=+1,0,-1)m三种取值,三种取向,三条等价(简并)p

轨道.

d轨道(l=2,m=+2,+1,0,-1,-2)m五种取值,空间五种取向,五条等价(简并)d轨道.f轨道(l=3,m=+3,+2,+1,0,-1,-2,-3)m七种取值,空间七种取向,七条等价(简并)f

轨道.17

当一组合理的量子数n、l、m确定后，电子运动的波函数

也随之确定，该电子的能量、核外的概率分布也确定了。通常将原子中单电子波函数称为原子轨道。ψn,l,m

表明了:

(1)轨道的大小(电子层的数目,电子距离核的远近),轨道能量高低;(2)轨道的形状;(3)轨道在空间分布的方向

结论：

利用三个量子数可以描述一个电子的空间运动状态，即可将一个原子轨道描述出来.

4.自旋量子数ms取值：ms=+1/2或-1/2意义：表示电子自旋方向

地球有自转和公转，电子围绕核运动，相当于公转，电子本身的自转，可视为自旋.通常用“↑”和“↓”表示。所以,描述一个电子的运动状态,要用四个量子数:n,l,m和ms.21核外电子运动轨道运动自旋运动ms与一套量子数相对应(n,l,m,si)(具有确定的能量Ei)n

lm22主量子数n1234电子层符号KLMN轨道角动量量子数l0010120123电子亚层符号1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f磁量子数m00000000001111112223亚层轨道数(2l+1)1131351357电子层轨道数14916自旋角动量量子数si+½或½各层可容纳的电子数281832核外电子的可能状态232多电子原子的核外电子排布多电子原子的能级多电子原子电子排布规则相近能级分组与特征电子构型

多电子原子中，不仅存在电子与核之间的静电引力，还有电子与电子之间的相互排斥力，电子的能量不能纯由n决定，而由n和l

共同决定。轨道电子的能级与屏蔽效应、钻穿效应相关。

定义：

多电子原子中，内层电子对外层电子的排斥，相当于核电荷对外层电子引力的减弱，这种现象叫做内层电子对外层电子的屏蔽作用。其它电子对选定电子的屏蔽作用的效果叫屏蔽效应。一、屏蔽效应屏蔽效应使得核对电子的引力减小，因而电子的能量增高。研究外层的一个电子

以Li原子为例说明这个问题：

它受到核的的引力，同时又受到内层电子的－2的斥力。

把看成是一个原子核，即原子核被中和掉部分正电荷。

也就是说，对最外层的一个电子研究时，中和后的核电荷

变成了有效核电荷Z*

。有效核电荷——

被屏蔽效应降低后所剩余的核电荷称为有效核电荷，

用Ｚ*＝Ｚ－σ表示。σ称为屏蔽常数，它表示除指定电子外，其他电子对核电荷的抵消部分。显然：

屏蔽效应会减弱原子核对外层电子的吸引力，使其离核更远，所以外层电子的能量升高。实验证明：屏蔽效应随n的增大而增大，n越大其能级E越高。28二、钻穿效应钻穿效应：s轨道电子云出现在较内层空间从而受到核电荷的有效吸引而降低能量的现象。钻穿效应使得s轨道内层电子的能量降低；在这种效应的作用下，使得出现能级交错现象。E4s<E3d<E4p

E5s<E4d<E5p

E6s<E4f<E5d<E6p29鲍林近似能级图Pauling根据光谱实验数据及理论计算结果，把原子轨道能级按从低到高分为7个能级组。

核外电子的排布规则1.能量最低原理（起主导作用)

核外电子的排布力求使整个原子的能量处于最低状态。一般核外电子填充时，将尽可能的进入低能量的轨道中去。即总是按能级由低到高的顺序进入各个原子轨道的。问题：1s原子轨道能量最低，那么是否所有的电子都可以填充到1s轨道呢？答案是否定的。2.保里不相容原理

每个原子轨道最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。即同一原子中不可能有4个量子数都相同的两个电子存在。这样有了保里原理的限制，电子就不可能都填充到最低的1s轨道上了，而是从1s轨道开始，按照保里原理的要求，依次向高能级填充。例如：6C:1s22s22p2问题：C原子的两个p电子是填充在一个p轨道上还是分占一个p轨道上呢？3.洪特规则（最多轨道原则）（1）等价轨道中的电子将尽可能以相同的自旋方向分占不同轨道。即在n和l相同的简并轨道上分布的电子，将尽可能分占m不同的轨道，且自旋平行。

3个p轨道、5个d轨道、7个f轨道分别是简并轨道例如:C原子中的2p2电子，应该是2px12py1

而不应是2px2N原子中的2p3电子，应该是2px12py12pz1

而不应是2px22py1（2）等价轨道全满，半满或全空的状态下比较稳定

全充满p6d10f14

半充满p3d5f7

全空p0d0f0

以上几种情况对称性高，体系稳定，能量较低。电子填充时将尽可能成为这种状态。能级组能级可容纳的相应周期最多电子数Ⅰ1s2一Ⅱ2s2p8二Ⅲ3s3p8三Ⅳ4s3d4p18四Ⅴ5s4d5p18五Ⅵ6s4f5d6p32六Ⅶ7s5f6d7p32七351.电子构型：主量子数n的数值、角动量量子数l的符号、在各个亚层右上角标出亚层电子数。也叫电子组态、