原子结构最新修改PPT课件

1、-,1,6.1原子结构理论的早期发展,微观粒子:r10-1010-8m1803年，道尔顿创立原子学说，认为元素是由非常微小的、看不见的、不可再分割的原子组成；原子既不能创造，不能毁灭，也不能转变，所以在一切化学反应中都保持自己原有的性质。1811年，阿伏伽德罗将原子学说发展为“原子-分子论”。1913年，英国物理学家莫赛来证明元素的原子序数等于原子核中的正电荷数和核外电子数。1930年，美国化学家鲍林（L.Pauling，19011994）和德国物理学家J.C.Slater（19001976）把量子力学处理氢分子的成果推广到多原子分子体系，建立了价键理论（VBT）。阐明了共价键的方向性和饱和性

2、，指出了由于原子轨道重叠方式不同而形成的键和键这两种基本共价键类型。,-,2,1931年，为解释甲烷分子的空间构型，鲍林又根据波函数叠加原理，提出了杂化轨道理论。作为价键理论的重要补充，较满意地解释了共价多原子分子的空间构型。1932年，英国物理学家查德威克证实了原子核中不仅含有正电荷的质子，还有不带电的中子。综上，现有的对原子结构理论的认识：原子由原子核和电子组成，原子核又由质子和中子组成，原子序数等于原子核内质子数，也等于核外电子数。,-,3,6.2波尔理论,经典的原子结构理论：,玻尔理论评价,1.先进性：,冲破了经典物理中能量连续的束缚，引入了量子化理论，提出了原子轨道能级的概念，成功地

3、解释了氢原子光谱和氢原子结构。激发态原子发光的原因。阐明了氢原子光谱波长的不连续性提出了量子数n的概念,-,4,2.局限性：,不能说明多电子原子的光谱，也不能说明氢原子光谱的精细结构。没有考虑到微观粒子运动的另外一个重要特征波粒二象性。,-,5,6.3氢原子核外电子的运动状态,1、量子化性量子力学认为微观粒子的能量是量子化的，粒子可处于不同能级上，当粒子从一个能级跃迁到另一个能级时，能量变化是跳跃式、不连续的。,6.3.1微观粒子的运动特征,-,6,2、核外电子运动的波粒二象性,1905年，爱因斯坦提出“光量子学说”，认为光具有波粒二象性。波粒二象性：是指某物质同时具备波的特质及粒子的特质，波

4、粒二象性是量子力学中的一个重要概念。,P:动量，微观粒子的粒子性入：波长，微观粒子的波动性h：普朗克常数6.62610-34Js,微观粒子的波粒二象性,1924年法国物理学家德布罗意提出电子等微粒也具有波粒二象性，并预言其波长入和质量m存在关系式：,h：普朗克常数v：微观粒子的速度m：电子的质量,-,8,电子束,1927年德布罗意的假设被电子衍射实验证实。,-,9,-,10,3、统计性,（1）海森堡不确定原理：对于具有量子化和波粒二象性运动的微观粒子不可能同时准确地测定它的空间位置（x）和动量（p）。不确定原理无规律,-,11,（2）微观粒子运动的统计规律：在空间某一点波的强度和粒子出现概率密

5、度成正比。电子运动虽然没有确定的轨道，但是它在空间运动也是遵循一定规律的，即空间出现的概率可以由波的强度表现出来。因此电子及其微观粒子波又称为概率波。,-,12,6.3.2氢原子核外电子的运动状态,1.波函数量子力学第一条基本假定：任何微观系统的运动状态都可以用波的数学函数式波函数()来描述。波函数:波的数学函数式,描述微观粒子的运动状态：(x.y.z)。,：电子的波函数m：电子的质量h：普朗克常数E：电子的总能量V：电子的势能,薛定谔方程：,描述氢原子和类氢离子稳定状态（能量有确定值）时其核外电子运动状态的波函数的二阶偏微分方程：,2.微观粒子的运动方程薛定谔方程,-,14,1）波函数的物理

6、意义,(x,y,z)是求解薛定谔方程的一系列具体函数式，它是空间坐标x,y,z的函数，而不是一个确定的数值。,(x,y,z)核外空间、质量为m、离核距离r、在核电场势能作用下的电子的运动状态。,-,15,波函数,变换为球面坐标：x=rsincosy=rsinsinz=rcosr2=x2+y2+z2,图球面坐标变换,-,16,球坐标波函数分离变量,径向波函数,角度波函数,上式代入球坐标波动方程得到：,角度分布函数：表示原子轨道在空间的伸展情况；径向分布函数：原子轨道离核远近,-,17,在求解薛定谔方程时，n,l和m的取值必须使波函数合理(单值并且归一)。结果如下：n的取值为非零正整数，l的取值为

7、0到(n1)之间的整数，而m的取值为0到l之间的整数。由于上述参数的取值是非连续的,故被称为量子数。,2）量子数,-,18,量子数n、l、m的取值规律,n=1,2,3,4,l=0,1,2,3,n-1,m=0,1,2,3,l,(|m|l),(l只能取比n小1的整数),-,19,主量子数是确定电子离核远近（平均距离）和能级的主要参数，或者说它是决定电子层数(原子轨道）的能量。n值越大，表示电子离核的平均距离越远，所处状态的能级越高。电子层数n123456光谱学符号KLMNOP求解H原子薛定谔方程得到：每一个对应原子轨道中电子的能量只与n有关：,（1）主量子数n,-,20,(2)角量子数l：表示原子

8、轨道或电子云的形状，并在多电子原子中和主量子数一起决定电子的能级。l的取值受n的限制。如用主量子数来表示电子层，则角量子数就表示同一电子层中的不同状态的分层。l=0、1、2、3（n-1）共可取n个值。如：n=1l=0n=2l=0、1n=3l=0、1、2n=4l=0、1、2、3称为spdf,l=0s轨道为球形对称状l=1p轨道为亚铃状l=2d轨道为花瓣状l=3f轨道为复杂的花瓣形原子轨道的能量也与角量子数有关。当主量子数相同，轨道的能量高低顺序为：nsnpndnf。,-,22,图原子轨道形状,-,23,(3)磁量子数m：原子轨道在空间的伸展方向。l相同时，因m不同，原子轨道可能有不同的伸展方向。

9、决定了原子轨道或电子云在空间的伸展方向,决定了l相同的原子轨道的数目。除s轨道外，都是各向异性的。取值受l限制，m=0，1，2，3l，共可取2l+1个值。磁量子数m与能量无关。l=0，m=0表示S轨道在空间只有一种伸展方向。l=1，m=0，1表示P轨道在空间有三种伸展方向。l=2，m=0，1，2表示d轨道在空间有五种伸展方向。l=3，m=0，1，2，3表示f轨道在空间有七种伸展方向。,-,24,图spdf原子轨道的角度分布图：,+,z,X,y,z,z,xx,x,x,x,y,y,y,x,x,z,y,+,_,+,_,s,z,+,_,py,px,pz,-,25,-,26,-,27,(4)自旋量子数m

10、s用波函数n,l,m描述原子中电子的运动,习惯上称为轨道运动,它由n,l,m三个量子数所规定,电子还有自旋运动，因而产生磁矩，电子自旋磁矩只有两个方向。自旋量子数的取值仅有两个，自旋量子数ms=1/2，“”表示两个不同的自旋方向，用或表示。,总结：n，l，m三个量子数结合，确定一个波函数(原子轨道)。n，l，m，ms四个量子数结合，才能完整性说明电子在原子中所处的状态，即电子的运动状态。,-,28,3）原子轨道及其符号的规定,所谓“原子轨道”是借用经典力学描述物体运动的轨道概念。,把n,l,m一组合理取值对应的波动方程的一个解波函数n,l,m(r,)称为该原子的一个原子轨道核外电子的一种空间运

11、动状态。,注意：原子轨道的含义不同于宏观物体的运动轨道也不同于玻尔理论中的固定轨道。,代表电子在核外空间某点出现的概率密度。,-,29,原子轨道符号,原子轨道符号,n的取值用1,2,3,4,数值表示,l的取值用小写字母表示l=0,1,2,3,s,p,d,f,m用原子轨道最大绝对值所在的直线坐标方程表示,-,30,四个量子数描述原子中电子运动状态量子态,(量子态),n电子的能级l电子云的形状m原子轨道，在空间的取向ms电子的自旋方向,例如：,形状，伸展方向，自旋,表6-1原子轨道与量子数之间的关系,-,32,三个量子数组合形式：n=1时，l=0,m=0.组合形式有一种(1,0,0)n=2时，l=

12、0,m=0组合形式有一种(2,0,0)l=1，m=0,1组合形式有三种：（2,1,0）、(2,1,1)、（2,1,-1）每种组合对应一个轨道。,例若某一电子有下列成套量子数，其中不可能存在的是（）(A)3，1，-1，+1/2(B)3，1，0，-1/2(C)4，2，2，+1/2(D)1，1，0，-1/2,-,33,3.概率密度和电子云概率密度：电子在空间某处单位体积内出现的概率大小。2可以用来反映电子在空间某处单位体积内出现的概率密度。用黑点的疏密表示概率密度分布的图形叫电子云。氢原子1S电子云：,-,34,氢原子1s电子云如图所示:,电子云图,界面图,径向概率分布图,-,35,电子云图,-,3

13、6,1）原子轨道的角度分布图,原子轨道角度分布图只与l,m有关，而与主量子数n无关，因此，只要l和m相同的原子轨道，它们的角度分布图相同。,4.波函数和电子图像,-,37,原子轨道的画法,例,只与有关而与无关,-,38,Pz轨道,z,x,15o,30o,45o,60o,-,39,s、p、d原子轨道的角度分布剖面图,-,40,2）电子云的角度分布图,s，p，d电子云角度分布剖面图,-,41,电子云角度分布图与原子轨道角度分布图的异同点：1.原子轨道角度分布图有正负之分，而电子云的角度分布图因角度函数经过平方后，所以无正负之分。2.电子云的角度分布图比原子轨道角度分布图瘦，因角度函数Y的绝对值1，

14、所以Y绝对值的平方值比Y的绝对值更小。电子云的角度分布图，表示电子在空间不同方向出现的概率密度的相对大小。4.电子云角度分布图不同于电子云图。相同点：1.图形相似2.方向相同,-,42,n,电子运动能量的主要决定因素：n越大，电子离核的平均距离越远，能级越高。,n相同的各原子轨道归并为同一电子层。,1.主量子数n,（光谱学表示法）,6.3.3四个量子数的物理意义,-,43,2.角量子数l取值:0，1，2，3,（n1）对于给定的主量子数n来说，可有n个不相同的角量子数l例:主量子数n=3，l=0，l=1，l=2。如用主量子数来表示电子层，则角量子数就表示同一电子层中的不同状态的分层.,6.3.3

15、四个量子数的物理意义,-,44,磁量子数m,电子在核外运动的角动量M在z方向上的分量Mz,m的物理意义：,决定电子的轨道角动量在磁场方向的分量值大小，因此，m称为磁量子数。l相同，m不同的轨道，能量相同，则这些原子轨道是能量简并轨道。简并轨道的数目，称为简并度。,-,45,等价轨道,n相同,m不同,的原子轨道简并轨道层（等价轨道）,l相同,例：3px,3py,3pz,简并度3,3dxy3dxz3dyz,简并度5,-,46,（4）自旋量子数ms电子不仅绕核旋转，还绕着本身的轴作自旋运动。自旋有两个相反的方向，故自旋量子数ms只有+1/2和-1/2两个值，分别代表电子顺时针和逆时针的两个自旋方向，

16、用（）（）表示。,-,47,根据光谱实验，鲍林把能量相近的轨道归为一个能级组，共七个能级组，按能量从低到高排列。一、1s二、2s2p三、3s3p四、4s3d4p五、5s4d5p六、6s4f5d6p七、7s5f6d7p(与元素周期表周期一致),6.4多电子原子核外电子的运动状态,6.4.1多电子原子轨道的能级,-,48,-,49,当n相同时,L值增大，轨道的能量升高。如：ns4S，5S4d，6S4f。n.L相同的轨道,能量相同，称为等价轨道.例如：3Px,3Py,3Pz,结论：,-,50,1、核外电子分布要遵循的三个原理：（1）能量最低原理：核外电子分布总是尽先占据能量最低的轨道。（2）泡利不相

17、容原理：在同一原子中，不可能有四个量子数完全相同的电子存在。任何一个原子轨道最多容纳2个电子，且两电子自旋方向相反。（3）洪德规则：在等价轨道上排布电子时，电子总是尽先占据不同的轨道，而且自旋平行。,2p3,如：3d5,6.4.2多电子核外电子的排布,-,51,例碳原子(1s22s22p2)的两个p电子在三个能量相同的2p轨道上如何分布？,-,52,轨道表示式：一个圆圈或一个小方格表示一个原子轨道，在它们的下面注明该轨道的能级，用向上或向下的箭头表示电子的自旋状态；1s2s2p电子排布式：在亚层(能级)符号的右上角用数字注明排列的电子数。例:8O1s22s22p4,排布的电子数,亚层（能级）符

18、号,电子层数,基态原子的电子结构的表示方式,-,53,原子实：内层已达到稀有气体的电子层写成“原子芯”（原子实），并以稀有气体符号加方括号表示。Fe：Ar3d64s2价电子层结构式：指的是价电子（即能参与成键的电子）所排布的电子层结构。主族ns12np16副族(n-1)d110ns12,-,54,洪德规则的特例：在等价轨道上，电子在全满，半满或全空时比较稳定。如全满：P6，d10，f14半满：P3，d5，f7全空：p0，d0，f0。由此，可以写出元素原子的电子排布顺序式：1S22S22P63S23P64S23d104P65S24d10。,多电子原子轨道的能级顺序,如图所示：,-,56,2.核外

19、电子分布式和外层电子分布式,电子排布式写完一定同层相挨。例如：24Cr排布顺序:,1S22S22P63S23P64S13d5电子分布式:1S22S22P63S23P63d54S1,29Cu:,1S22S22P63S23P63d104S1,-,57,外层电子分布式,外层电子分布式又称为外层电子构型。主族元素即为最外层电子分布的形式副族元素则是指最外层s电子和次外层d电子的分布式镧系和锕系元素一般除指最外层电子以外还需要考虑处于外数(自最外层向内计数)第三层的f电子。,-,58,例填充下表,元素z,Mg12,Cu29,Cl17,Kr36,Mn25,核外电子分布式,外层电子分布式,1s22s22p63s23p63d104s1,3d104s1,1s22s22p63s23p53s23p5,1s22s22p63s23p63d104s24p6,4s24p6,1s22s22p63s23p63d54s2,3d54s2,1、原子结构与元素周期律,（1）周期:元素在周期表中所处周期序数=该元素原子的电子层数（2）族:主族及B、B的族序数=最外层电子数；BB族序数=（n-1）d电子数+ns电子数；A族最外层电子数He为2；其余均为8；B族包括三个纵行,d电子数加ns电子数之和为810,6.4.3元素的原子结构和元素周期表,（3）分区:根据元素原子外层电子构型，周期表分为五个区。,表5.2原子外层电子构型