西北大学无机化学

第1章原子结构和元素周期表Chapter1AtomicStructureandPeriodicTableofElements本章教学要求:1．初步了解原子核外电子运动的近代概念、原子能级、波粒二象性、原子轨道（波函数）和电子云概念.2．了解四个量子数对核外电子运动状态的描述，掌握四个量子数的物理意义、取值范围.3．熟悉s、p、d原子轨道的形状和方向.4．理解原子结构的近似能级图，掌握原子核外电子排布的一般规则和s、p、d、f区元素的原子结构特点.5．会从原子的电子层结构了解元素性质，熟悉原子半径、电离能、电子亲合能和电负性的周期性变化.1.1亚原子粒子（subatomicparticles）原子是组成分子和物质的基本单元，是化学中应用最广泛，也是最基本的粒子之一。所谓原子结构，故名思议，就是弄清楚原子是由哪些微粒组成，这些微粒在原子内部是如何排列，以及他们之间的关系。原子光子另一种核素粒子粒放射化学中核素中子质子原子核正电子电子ee亚原子粒子——组成原子的微粒通称亚原子粒子，通常是指电子、中子、质子、粒子、粒子、光子。亚原子粒子又叫基本粒子，还叫微观粒子已发现的基本粒子达数百种。常见的有下述7种。注意：μ为原子的质量单位，1μ=1.6605×10-27kge为元电荷，数值1.602×10-19C（库仑）质量数——是一种数值，是核中质子和中子的总和。相对原子质量——元素的平均原子质量与核素12C原子质量的1/12之比。（即原子量）夸克（quarks）——组成质子或中子的更小粒子。1961年由盖尔-曼（GellM-Mann）建立的新模型，质子和中子都是由更小的粒子夸克组成的，但现有的理论还不能预言（当然更不用说从实验上证明）电子是可分的.几种基本粒子的发现正电子——是一个带正电荷的电子，其质量为0，发射正电子时，核的质量数不同，而原子序数减1，发射一个正电子相当于将核中一个质子转变为中子。暗物质——人们无法看得见的物质（也是微粒）。1.2波粒二象性—赖以建立现代模型的量子力学概念(wave-particleduatity—afundamen-talconceptofquantummechanics)一般来说，微观粒子（亚原子粒子）都具有波粒二象性。所谓波粒二象性是指波动性和粒子性，合称波粒二象性。进一步讲就是：波具有微粒性，而微粒又具有波动性。1.2.1波的微粒性最常见的波是电磁波，光是电磁波的一种表现形式。光有紫外光、红外光、可见光等，它们与X-射线、γ-射线、微波和无线电波等的区别仅在于各自波长的长短不一。（1）光的波动性同学们不难理解,光具有波动性。其最主要的表现形式：日光可被分光棱镜分成红、橙、黄、绿、青、兰、紫七种颜色。Theelectromagneticspectrum760nm以前为红外区，400nm-760nm之间可见光区，400nm以后为紫外区。特点：①波长连续性红、橙、黄、绿、青、兰、紫七种颜色，其光波长是连续的，不间断的。②能发生折射和衍射现象折射：光遇到障碍物时发生弯曲传播。衍射：光经过光栅后，发生衍射，在屏幕上产生明暗相间的条纹。Schematicdrawingsofdiffractionpatternsbylight,X-rays,andelectrons光栅明暗相间的条纹（2）光的粒子性粒子性——具有质量的粒子的性质。为什么说光具有粒子性呢，可以从光电效应来理解。光电效应(photoelectriceffect)当某些波长的光照射到特定的金属表面上时，发射出电子(又叫光电子)。光子转变成电子，电子又具有质量，说明光子也具有质量（质量守恒定律），因而光具有粒子性。Thephotoelectriceffect1900年，普朗克（PlankM）提出了表达光的能量E和频率ν之间的方程，后人称为普朗克方程：E=hνE——光子能量，h——普朗克常数，6,6262×10-34J·s，ν——频率。普朗克认为，能量象物质微粒一样，是不连续的，物质吸收或发射的能量总是量子能量（hν）的整数倍，即1hν，2hν，3hν，……，而不可能是任何非整数倍，即能量量子化。同学们以后一提到量子化，马上要与不连续联系在一起。（3）普朗克方程和爱因斯坦相对论中的质能公式爱因斯坦在相对论中，又提出了微观粒子的能量与质量的关系式(质能公式)，即：E=mc2E——能量；c——速率；m——质量。普朗克方程与质能公式联立：联立2mcEhvEPccmcmchv2hvchP该式称之为德布罗意（LouisdeBroglie）关系式。该式很好地解释了光的波粒二象性:左边，动量表明粒子性。右边，波长表明波动性。1.2.2微粒的波动性电子是微观粒子（亚原子），因为它有质量，所以具有微粒的性质，那么如何理解电子具有波的性质呢？1924年，法国物理学家德布罗意（LouisdeBroglie）在光的波粒二象性的启发下，指出：实物粒子、电子、原子等也具有波粒二象性。他给出了描述微观粒子的波动性的公式——德布罗意公式：mvh——波长，m——质量，v——速率，h——普朗克常数。左边——波动性；右边——粒子性微观粒子的这种波通常叫做物质波，也叫德布罗意波。1927年，美国科学家戴维逊DavissonCJ)和革末（GermerLH）成功地进行了一项电子衍射实验，证实了德布罗意的设想，电子确实具有波动性。波粒二象性对化学非常重要：玻尔以波的微粒性(即能量量子化概念)为基础建立了他的氢原子模型；薛定锷等则以微粒波动性为基础建立起原子的波动力学模型.也就是说,波粒二象性是解决原子结构问题的“总开关”电子经激发后，通过光栅，在屏幕上产生明暗相间不连续的光环。说明电子具有衍射现象。电子发生衍射现象，说明电子运动与光一样具有波动性。除电子外，运动着的质子、中子、原子和分子等微观粒子也能产生衍射现象，说明这些粒子也都具有波动性。由上述可以得知：波粒二象性是微观粒子的运动特征Question1钾的临界频率=5.0×1014s-1,试计算具有这种频率的一个光子的能量.对红光和黄光进行类似的计算,解释金属钾在黄光作用下产生光电效应而在红光作用下却不能.解：将相关频率值代入普朗克公式:E(具有临界频率的一个光子)=6.626×10-34J·s×5.0×1014s-1=3.3×10-19JE(黄光一个光子)=hν=6.626×10-34J·s×5.1×1014s-1=3.4×10-19JE(红光一个光子)=hν=6.626×10-34J·s×4.6×1014s-1=3.0×10-19J黄光光子的能量大于与临界频率对应的光子能量,从而引发光电效应;红光光子的能量小于与临界频率对应的光子能量,不能引发光电效应.Question2波粒二象性是否只有微观物体才具有？m91036.7,1sm710m101036.7,1sm610mh由解：让我们选一个微观粒子和一个很小的宏观物体进行一项计算：微观粒子电子：m=9.10×10-31kgv=106—107m.s-1宏观物体子弹：m=1.0×10-2kg,v=1.0×103m•s-1,λ=6.6×10-35m1.3氢原子结构的量子力学模型——玻尔模型(thequtummechanicalmodelofthestructureofhydrogenicatom—Bohr’model)1.3.1连续光谱与不连续光谱光谱中含有各种波长（或频率）的连续光带，这样的光谱称为连续光谱。如果一束光经分光设备折射后，在屏幕上得到明暗相间的条纹，这种光谱称之为线状光谱。由于光谱线的波长间断、不连续，又称为不连续不谱.任何原子被激发后，都可以得到这种形状的光谱，故又称原子光谱。前面已经讲了，日光经过三棱镜，经折射后，由于棱镜对不同波长的光折射率不同，便可使日光分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等七种不同波长的光谱，这七种光谱的波长和频率是连续的光带，紫色光波长最短，而红色光波长最长。特点：波长不连续，明暗相间，不连续的条纹。每一种原子都有自己特征的光谱，光谱分析就是利用这一原理来分析物质的组成。原子光谱（不连续光谱，线状光谱）：气态单原子吸收热能或电能，以光子的形式放出辐射能，同时发射出不同波长和频率的光，这些光经分光设备产生的不连续的，明暗相间的线条，1.3.2氢原子光谱氢原子光谱：气态氢原子吸收热能或电能，以光子的形式放出辐射能，产生不同波长和频率的光，这些光通过分光设备产生的明暗相间，不连续的线条。氢原子光谱是一种最简单的原子光谱。氢原子光谱从红外区(760nm以前)到紫外区(400nm以后)呈现出多条具有特征频率和波长的光谱线，在可见光区(400nm-760nm)产生5条比较明显的光谱线，这5条光谱线分别称之为Hα，Hβ，Hγ，Hδ和Hε，由Hα—→Hε，相邻两条谱线之间的距离越来越近，表现出明显的规律性。Theemissionspectrumofatomichydrogen氢原子光谱由五组线系组成：紫外区的莱曼(Lyman)系可见区的巴尔麦(Balmer)（Hα，Hβ，Hγ，Hδ和Hε谱线）红外区的帕邢(Paschen)系、布莱克特(Brackett)系和芬得(Pfund)系.瑞士科学家巴来麦（Balmer）首先对可见光区的5条谱线进行了详细的研究，并提出一个5条谱线变化规律满足经验公式：)11(12221nnRv—波数(wavenumber，波长的倒数)，单位常用cm-1__里德伯常量,实验确定为1.09737×105cm-1n2n1,二者都是不大的正整数.~R实际上，这一公式，不仅适用于可见光区的巴尔麦系，而且适用于红外区和紫外区的谱线。对于各个光谱系，n的取值如下：由公式可以看出，氢原子光谱不是任意的频率或波长而是由n1,n2所决定的，并且谱线随着n1,n2的变化做跳跃式的不连续的变化。1.3.3玻尔理论为了更好地解释氢原子光谱为什么是不连续的这一现象，1913年丹麦物理学家玻尔（Bohr.w）引用普朗克的量子论和爱因斯坦的光子学说，提出了关于原子结构的假说，从理论上解释了氢原子光谱的规律。1.什么是量子化?前已讲到普朗克的量子论，E=hv量子论认为，物质在吸收或发射能量时是不连续的，即量子化的，也就是说，吸收或发射的能量只能以hv的整数倍进行变化。这种不连续的最小能量单位hv称为能量子，由于能量子以光的形式传播出来，又称光量子（或光子）。所谓“连续”、“不连续”，实质上就是指某些物理量的变化有没有最小单位。“连续”——该物理量变化没有最小单位，如长度、体积、面积、时间、速率等，这些变化可以是任意的，也就是说是连续的。“不连续”——也就是说“量子化”，该物理量变化具有最小单位。如电量的变化最小单位是一个电子的电量(1.6×10-19C)，而不能小于一个电子的电量,只能是它的整倍数，故不连续。也就是说量子化。2．玻尔理论要点玻尔从以下几点假说出发，首次建立了关于原子模型的理论。（1）关于固定轨道的概念核外电子不能沿着任意的轨道运动，而只能在满足量子化条件的，有确定半径与能量的特定轨道上运动，电子在这些轨道上运动时即不放出能量也不吸收能量。轨道满足的条件是：2nhmvrL即轨道的角动量只能等于的整位数。2hL——角动量;m——电子质量;v——电子运行的速率;r——轨道半径;h——普朗克常数;n——主量子数，为正整数，1，2，3，4，5，6或7……，关于n、L等量子数到后面我们再详细描述。（2）关于轨道能量量子化的概念电子在不同的轨道上运动，就具有不同的能量状态，并且各轨道的能量是量子化的（即不连续的）。这种量子化的能量状态，称之为能级。能级的高低与量子数n有关，n越大，轨道能级越高。一般把n=1的状态称为基态（稳定态），能量最低，最稳定。n1的状态称为基发态，能量较高，不稳定。例如：氢原子的核外轨道能级公式为：JnEeVnE218210199.26.13或式中n=1,2,