基础化学人卫6版-第九章原子结构和元素周期律.ppt

1、第 九 章 原子结构和元素周期律,9-1 氢原子的结构及核外电子运动的特征,粒子散射实验,一、氢原子的结构(氢原子的Bohr模型),二、核外电子运动的波粒二象性（particle-wave duality）,三、测不准原理,x px h/4,Heisenberg W：无法同时测定微观粒子的位置和动量。,9-2 核外电子运动状态的描述 波函数和电子云,一、波函数（wave function）,Schrdinger方程,(x、y、z) 或(r、)叫做波函数，也称为原子轨道(atomic orbital)。,(r、) = R(r)Y(、),R函数波函数的径向部分或径向波函数(radial wave

2、function)，是电子与核距离r的函数；,Y函数波函数的角度部分或角度波函数(angular wave function)，是方位角和的函数。,s态波函数,p态波函数,d态波函数,注 意,1、可看作在x、y、z三维空间里能找到该运动电子的一个区域，即原子轨道；,2、 每一个代表核外电子的某种运动状态，并有相应确定的能量En,3、 与Bohr原子轨道不同；,4、波函数在不同角度有正负之分，正负号是函数值符号，反映电子的波动性。,二、概率密度和电子云,|2表示核外某点的概率密度。,即:在该点附近微单位体积内电子出现的概率。,电子云（electron cloud）：表示电子在核外空间概率密度分布

3、情况的几何图形。,如：氢原子1s电子云的图形,p轨道电子云,d轨道电子云,三、四个量子数,主量子数n,角动量量子数l,磁量子数m,确定电子的自旋方向,自旋角动量量子数s,（一）主量子数n （principal quantum number）,1、意义：表示离核平均距离的远近，决定电子的能量高低。,2、取值：n = 1、 2、 3等正整数。,电子层符号K、L、M,n 和 l 的关系,K,1,0,1s,L,2,0 1,2s 2p,M,3,0 1 2,3s 3p 3d,N,4,0 1 2 3,4s 4p 4d 4f,第n电子层，就有n种不同形状的轨道。,（二）轨道角动量量子数l（orbital an

4、gular momentum ）,1、意义：代表电子的角动量，代表电子在空间不同角度出现的几率，决定轨道和电子云的形状，与主量子数共同决定电子的能量。,2、取值：受n的限制，只能取0和小于n的正整数。,即：l = 0、1、2、3（n-1）,电子亚层 s、p、d、f,（三）磁量子数m （magnetic quantum number）,1、意义：决定原子轨道在空间的取向。,2、取值：受l的限制，只能取从+l到-l的一切整数（含0）。,0 0,只有一个轨道,1 0、1,2 0、1、2,共有五种取向， dxy、dyz、dxz、dx2-y2、dz2,l 与 m之间的关系,共有三种取向， px、py、p

5、z 3个轨道,n、 l、m三者的关系,小 结,1、n、l、m三个量子数的取值是相互制约的；,2、 n、l、m的每一个合理组合确定一个原子轨道：,n：决定电子层,l ：确定形状,m：确定空间取向,决定能量,3、每个电子层的轨道总数为n2。,（四）自旋角动量量子数 s （spin angular momentum ）,1、意义：表示电子的自旋状态；,2、取值：,s = +1/2和-1/2 或用表示,结 论,2、在同一个原子中，不可能有四个量子数完全相同的两个电子。,3、每个电子层最多容纳的电子总数为2n2。,1、 n、l、m、s的每一个合理组合，代表核外电子的一种可能运动状态。,例如：n=2，l=

6、1表示第2电子层的p亚层，该亚层共有3个轨道，最多可容纳6个电子。这六个电子的运动情况可分别用下列各组量子数来表示：,210,2 1 0,2 1 +1,2 1 +1,2 1 -1,2 1 -1,9-3 电子组态和元素周期表,一、多电子原子的能级,由于电子的相互排斥对核电荷的部分抵消作用。,n不同，l相同时，n越大，内层电子的屏蔽作用越强，其能量越高。,例如：E1sE2s E3s,外层电子为回避其它电子的屏蔽作用而向内层渗透的现象。,各种电子钻穿能力大小顺序：,ns np nd nf, Ens Enp End Enf,n相同，l不同时，l越大，其能量越高。,近似能级图,3、能 级 交 错 现 象

7、,规 律,n 3，无能级交错现象,n 4，EnsE（n-1）dEnp,n 6，,EnsE（n-2）fE（n-1）d Enp,E1s E2s E2p E3s E3p E4s E3d E4p E5s E4d ,能级顺序(energy order)：,二、原子的电子组态（electronic confi-guration）及电子排布规律,1、Pauli不相容原理：,同一原子中，不可能有四个量子数完全相同的两个电子。,2、能量最低原理：,电子在原子轨道的排布总是尽可能先占据能量最低的轨道，而使原子体系的总能量最低。,3、Hund规则,电子在能量相同的几个原子轨道（等价轨道或简并轨道）上排布时，总是尽可

8、能以自旋相同的方向，分占不同的轨道。,例如：,N原子核外电子排布为 1s22s22p3,1s,2s,2p,Hund 规则补充规定 简并轨道全充满（p6、d10、f14）、半充满（p3、d5、f7）和全空（p0、d0、f0）的状态比较稳定。,Cr原子,1s22s22p63s23p63d54s1,Cu原子,1s22s22p63s23p63d104s1,三、原子的电子层结构与元素周期表,（一）周期（period）的划分,周期 = 元素原子最外层的主量子数,各周期的元素数目等于相应能级组中各原子轨道可容纳的电子总数。,（二）族（group）的划分,将外层电子结构相同或相似的元素排成一列，称为族。,主族

9、（A族）：,A A族,电子最后填充在最外层的s轨道或p轨道上；,主族数 = 最外层电子数,特 点,副族（B族）：,B B 族,电子最后填充在d 轨道或 f 轨道上、 (n-2)f、(n-1)d、ns电子都是价层电子；, B、B族：,族数=最外层电子数, B B族：,族数 = 最外层电子数+次外层d 电子数, B 族：,(n-1)d和ns电子总数为810,价电子,主族元素：最外层电子,副族元素：除最外层电子，还包括次外层的d电子、(n-2)f层的部分电子。,（三）元素分区,按照最后一个电子填充在哪个能级上，可将元素周期表中的元素分成五个区。,A、A,ns1、ns2,A A 0族,ns2np16,

10、(n-1)d18 ns12,B、B,(n-1)d10ns1 (n-1)d10ns2,镧系、锕系,(n-2)f014(n-1)d01ns2,s 能级,p 能级,d 能级,d 能级 （全充满）,f 能级,B B 族,（四）过渡元素概念,过渡元素（transition element）包括d区、ds区和f区的元素。,过渡元素最外层电子数较少，都是金属元素；在化合物中常有多种氧化值。,第四节 元素性质的周期性变化规律,一、原子半径（atomic radius）：,同一周期从左到右，主族元素的原子半径逐渐减小；过渡元素原子半径先是缓慢缩小，然后略有增加。,同一主族从上到下，原子半径逐渐增大。,二、元素的

11、电负性（electronegativity）,定义：元素原子在分子中吸引成键电子的能力。,同一周期从左到右，电负性递增；,同一主族从上到下，电负性递减。,Summary,An atom consists of a nucleus and electrons occupying the remaining space.We know electron is of wave-particle duality. According to the uncertainty principle , the exact position and speed of an electron can not be

12、 known simultaneously.,How do we describe the motion of an electron? Usually we use wave function or electron cloud to describe the motion of an electron in an atom.,1、Wave function,The electron wave function is mathematical description of the electrons wavelike motion in an atom. Each wave function

13、 associated with one of the atoms allowed energy states. Wave function is the solution of Schrdingers equation.,(r、) = R(r) Y(、),R(r) radical wave function,Y(、) angular wave function,There are four kinds of atomic orbital as following :s、p、d、f,2、Electron cloud,The probability density of finding the

14、electron at a particular location is represented by |2 .Electron cloud can express the distribution of |2 directly.,2(r、) = R2(r) Y2(、),3、Four quantum number,Three features of the atomic orbital are described by three quantum numbers as following :,Orbitals with the same n and l values constitute a

15、sublevel ;sublevels with the same n value constitute an energy level.,A sublevel with l=0 has one s orbital,A sublevel with l=1 has three p orbitals,A sublevel with l=2 has five d orbitals,A sublevel with l=3 has seven f orbitals,In many-electron atoms ,we use the fourth quantum number spin angular

16、momentum quantum number（s） to describe electron spin.,4、Electronic configuration,1)The energy order,E1s E2s E2p E3s E3p E4s E3d E4p,2)How to gain the electronic configuration of an atom at ground state,We must obey the following principles:,Pauli Exclusion principle,Building-up principle (or Aufbau principle),Hunds rule,5、Periodic table of elements,The constitution of periodic table of elements:,period :seven periods,group,main-group:eight groups,subgroup:eight groups,For the main-group elements , valence electrons are i