原子轨道的空间取向自旋量子数

Chapter1物质结构元素周期律1.1原子结构原子核外电子排布核外电子排布1第一层第二层第三层第四层第五层第六层第七层KLMNOPQ在含有多个电子的原子里，电子的能量并不相同。能量低的电子通常在离核近的区域运动，能量高的电子通常在离和核远的区域运动。通常用电子层来表示这种离核远近的不同区域。能量逐渐升高核外电子排布规律规律1:各电子层最多可容纳的电子数为2n2（n表示电子层序数）；规律2：原子核外电子排布时，最外层不超过8个电子，次外层不超过18个，倒数第三层不超过32个。电子层KLMNO容纳最多电子数28183250核外电子运动的波粒二象性2光的波粒二象性光的波动性:光在传播过程中会产生干涉、衍射等现象，具有波的特性；光的粒子性：光在与实物作用时，表现出粒子的特性。光既具有波动性，又具有粒子性，为说明光的一切行为，只能说光具有波粒二象性。电子的波粒二象性1923年德布罗依（deBroglie）在光的波粒二象性的启发下，大胆预言了电子也具有波粒二象性，并推导出德布罗依关系式：λ=h/P=h/mvh:普朗克常数，6.626×10-34J·s德布罗意L.deBroglie法国物理学家获1929年Nobel物理奖Heisenberg测不准原理具有波粒二象性的微观粒子，不能同时测准其位置和速度（动量）。如果微粒的运动位置测得愈准确，则相应的速度愈不易测准，反之亦然。海森堡WernerCarlHeisenberg1902-1972德国物理学家获1932年Nobel物理奖22hhxPxmv或式中x表示位置测不准量，P表示动量测不准量，h为普朗克常数(6.62610-34J·s)，为圆周率，m为质量，v表示速度的测不准量。Heisenberg测不准原理电子云的概念•假想将核外一个电子每个瞬间的运动状态，进行摄影。并将这样数百万张照片重叠，得到如下的统计效果图，形象地称为电子云图。•电子云没有明确的边界，在离核很远的地方，电子仍有出现的可能，但实际上在离核200~300pm以外的区域，电子出现的概率可以忽略不计。核外电子运动的运动状态2四个量子数•主量子数n[1，2，3，4…]•角量子数l[0，1，2，3，…(n-1)，共n个取值]•磁量子数m[0，1，2，…，l，共2l+1个取值]•自旋量子数ms[½]核外电子运动状态的描述主量子数—n取值1,2,3,4,…n为正整数(自然数)能量量子化光谱学上用K,L,M,N,…表示意义：表示电子离核平均距离远近及电子能量高低的量子数。n=1表示第一层(K层)，能量最低，离核最近。n的数值大，电子距离原子核远，则具有较高的能量。主量子数n1234567···电子层一二三四五六七···符号KLMNOPQ···主量子数—n角量子数—l用来描述核外电子运动所处原子轨道（或电子云）形状的，也是决定电子能量的次要因素。对于确定的主量子数n，角量子数l可以为0,1,2,3,4,…(n-1)，共n个取值，光谱学上依次用s,p,d,f,g,…表示。意义角量子数l决定原子轨道的形状l01234…符号spdfg…角量子数—ln=4时：•l=0表示s轨道，能量最低，形状为球形，即4s轨道；•l=1表示p轨道，形状为哑铃形，4p轨道；•l=2表示d轨道，形状为花瓣形，4d轨道；•l=3表示f轨道，能量最高，形状复杂,4f轨道磁量子数—m描述原子轨道（或电子云）在空间伸展方向的量子数。M取值：0,1,2,3,…l，共有（2l+1）个数值意义m决定原子轨道的空间取向Eg.若l=3，则m=0,1,2,3共7个值。磁量子数—m当l=0时，m=0，即s亚层只有一个伸展方向；当l=1时，m=-1,0,+1，即p亚层有3个伸展方向，分别沿直角坐标系的x,y,z轴方向伸展，依次称为px,py,pz;当l=1时，m=-2，-1，0，+1，-1，-2，即d亚层有5个伸展方向，依次称为dxy，dyz，dxz，dx2―y2，dz2;依此类推，轨道f亚层有7个伸展方向。原子轨道的空间取向sxzpxxzpyxypzxzdxyxydyzyzdxzxzdx2-y2xydz2xz自旋量子数—ms描述电子自旋方式的量子数，用ms表。ms称为自旋量子数，取值只有两个，+½和－½。电子的自旋方式只有两种，通常用“”和“”表示顺时针、逆时针。填充允许的量子数•n=2l=()m=1ms=+1/2•n=2l=1m=()ms=+1/2•n=3l=0m=()ms=+1/2•n=()l=2m=0ms=+1/2•n=2l=()m=-1ms=+1/2•n=4l=()m=0ms=+1/2•n=4l=2m=()ms=1/2•1•0,±1•0•3•1•0•0,1,2•n=2,l=1,m=0•n=2,l=2,m=-1•n=3,l=0,m=0•n=3,l=1,m=1•n=2,l=0,m=-1•n=2,l=3,m=2•合理•l=1•合理•合理•m=0或l=1•l=0,1;m=0,1或n3请找出不合理的量子数填表735－1轨道个数312－0角量子数543－2主量子数存在存在存在不存在存在是否存在5f4p3d2d2s电子组态近似能级图•近似能级图是按原子轨道的能量高低顺序排列的，能量相近的划为一组，成为能级组，共七个能级组。–能级组的存在，是周期表中化学元素可划分为各个周期及每个周期应有元素数目的根本原因。–对于4、5、6、7能级组，在一个能级中包含不同电子层的能级现象称为能级交错多电子原子中的能级图能级交错现象l相同，n越大，能量越高Eg.E1sE2sE3sE4s;E2pE3pE4pE5p.n相同，l越大，能量越高–同一主层中各亚层能级产生差别的现象叫做能级分裂.Eg.E2sE2p;EnsEnpEndn、l都不同，比较原子能量使用(n+0.7l)：(n+0.7l)越小，能量越低；比较离子能量使用(n+0.4l).近似能级图能级交错：指电子层数较大的某些轨道的能量反而低于电子层数较小的某些轨道能量的现象。Eg.4s反而比3d的能量小，填充电子时应先充满4s而后才填入3d轨道。1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,7s,5f……近似能级图n=1,2,3,4,5,6,7电子层KLMNOPQ钻穿效应屏蔽效应为什么会发生能级交错呢？屏蔽效应•因电子之间的相互排斥而使核对外层电子的吸引被减弱的作用称为屏蔽效应（或屏蔽作用）。•多电子原子中，电子运动的能量用“中心势场模型”近似处理：每个电子都在核和其余电子所构成的平均势场中运动，其余电子对该选定的电子的排斥作用看作相当于个电子电荷是从原子中心产生的，相当于核电荷数减少了个z’＝z–σz’:有效核电荷；z:核电荷数;:屏蔽常数•屏蔽常数与其余电子的多少及它们所处轨道，以及选定电子所在轨道有关。•内层电子对外层电子的屏蔽作用较大，外层电子对较内层电子近似看作不屏蔽,σ=0。•n越小，屏蔽作用越大KLMN···（1）同一轨道组的电子之间σ=0.35,1s组为0.30；（2）被屏蔽电子为ns，np时，(n-1)轨道组的每个电子的σ=0.85，小于(n-1)轨道组的每个电子的σ=1.00，被屏蔽电子为nd,nf时位于它左边的各轨道组的每个电子的σ=1.00。屏蔽效应•在原子核附近出现的概率较大的电子，可更多地避免其余电子的屏蔽，受到核的较强的吸引而更靠近核，这种进入原子内部空间的作用叫做钻穿效应。•与屏蔽效应相反，外层电子有钻穿效应。外层角量子数小的能级上的电子，如4s电子能钻到近核内层空间运动，这样它受到其他电子的屏蔽作用就小，受核引力就强，因而电子能量降低，造成E（4s）＜E(3d)。钻穿能力：nsnpndnf能级分裂结果：EnsEnpEndEnf钻穿效应钻穿效应钻穿效应：3s3p3d核外电子排布原理能量最低原理泡利不相容原理洪特规则能量最低原理按照近似能级图，核外电子总是尽先排布在能量最低的轨道上，当能量最低的轨道排满后，电子才依次排布在能量较高的轨道上。电子先填充能量低的轨道，后填充能量高的轨道。尽可能保持体系的能量最低。E1sE2sE3sE4sE3sE3pE3d能量最低原理n=1,2,3,4,5,6,7电子层KLMNOPQ在一个原子中，不可能存在四个量子数完全相同的两个电子。一个原子轨道最多只能容纳两个电子，而且这两个电子的自旋方式必须相反。电子层的最大容量：2n2泡利WolfgangPauli1900-1958奥地利裔美国物理学家获1945年Nobel物理奖泡利不相容原理“电子在能量相同的轨道上分布时，总是尽可能以自旋相同的方向分占不同的轨道。”洪特FriderichHermannHund1896-1997德国物理学家洪特规则电子分布到能量相同的等价（简并，即n相同）轨道时，总是尽先以自旋相同（自旋平行）的方向，单独占据能量相同的轨道，即总是以自旋相同的方式分占尽可能多的轨道。各轨道保持一致，则体系的能量低。洪特规则6C：1s22s22p21s2s2px2py2pz1s2s2px2py2pz7N：1s22s22p3作为Hund规则的特例，简并轨道在全充满(p6，d10，f14)、半充满(p3，d5，f7)和全空(p0，d0，f0)时是比较稳定的。重要的特例:洪特规则补充基态原子的电子排布•能级交错现象：电子进入轨道的能级顺序1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p•电子由最低能量的1s轨道依次填入，每个轨道最多只能填入2个电子。元素电子填到最后能级组注意洪特规则特例主量子数相同的按角量子数大小顺序书写1s22s22p63s23p63d54s1主量子数整理1s22s22p63s23p64s13d5由洪特规则特例1s22s22p63s23p64s23d4能量最低排布24Cr核外电子排布表达方式Eg.1分别写出原子序数为13、19、27、33元素的原子的电子排布式。Al:1s22s22p63s23p1K:1s22s22p63s23p64s1Co:1s22s22p63s23p63d74s2As:1s22s22p63s23p63d104s24p3Eg.2以(1)为例，完成下列(2)至(6)题:(1)Na(z=11)1s22s22p63s1(2)__________1s22s22p63s23p3(3)Ca(z=20)________________(4)_____(z=24)[]3d54s1(5)________[Ar]3d104s1P(z=15)Ar1s22s22p63s23p64s2CrCu(z=29)判断题对于Sc来说，下列哪一个电子排布正确：a.1s22s22p63s23p64s2b.1s22s22p63s23p64s23d1c.1s22s22p63s23p63d1d.1s22s22p63s23p64s3e.以上均不正确综合题已知某元素在氪前，当此元素的原子失去3个电子后，在它的角量子数为2的轨道内，电子恰为半充满，试推断该元素为何元素？解答氪－原子序数36，核外电子排布：[Ar]3d104s24p6角量子数为2的轨道(l=2):n≥3，d轨道最外层电子排布应为：3dx4sy失去的3个电子可能包括：4s上的2个电子和3d上的1个电子失去电子的3d轨道内电子恰为半充满：中性元素的3d电子数为6则该元素核外电子排布：[Ar]3d64s2原子序数为：26该元素为铁(Fe)。