2016a无机第六章1

第六章原子结构与元素周期律第一节原子结构的发现第二节原子的量子力学模型第三节原子核外的电子排布第四节元素性质的周期性Dalton原子论(1803)道尔顿Dalton(1766-1844,英国)①所有物质是由原子构成的,原子不可再分。②某一元素的所有原子都是相同的，但是与其它元素的原子不同。③化合物是由不同元素的原子按一定比例形成的。④化学反应是原子的重排，但既没有新原子的产生，也没有原来原子的消失。第一节原子结构的发现汤姆逊在研究阴极射线管中放电现象时发现了电子。电子是一种带负电并具有一定质量的微粒。电子普遍存在于原子中。电子的发现(1897)汤姆逊Thomson,J.J.英国物理学家α-粒子散射实验原子核的发现(1911)卢瑟福ErnestRutherford(1871-1937)英国物理学家原子中带正电荷的部分集中在一起，称为原子核。Rutherford含核原子模型原子的中心有一个带正电的原子核，电子在它的周围绕核旋转，就像行星绕太阳运转一样。Bohr氢原子模型(1913)尼尔斯·玻尔N.Bohr(1885-1962)丹麦物理学家查德威克用粒子轰击铍，硼的实验中首先发现了中子。nC)He(Be101264294获1935年诺贝尔物理学奖。查德威克JamesChadwick(1891-1974)英国物理学家中子的发现(1932)瑞士苏黎士IBM研究所科学家GerdBining和HeinrichRoher发明扫描隧道电子显微镜。可测原子的三维图像，可以直接观察原子。针尖在铜表面上搬运和操纵48个原子扫描隧道显微镜(STM)(1981)实验：氢原子光谱①不连续光谱，即线状光谱②其频率具有一定的规律原子的玻尔模型Hα656.34.57λ/nm(×1014)v/s–12)电子运动时所处能量状态称能级。各能级间能量是不连续的，是量子化的。1)核外电子只能沿着确定的轨道旋转。且不吸收或放出能量，处于一种稳定态。通常，电子处在离核最近的轨道上，能量最低，叫基态；原子获得能量后，电子被激发到高能量轨道上，原子处于激发态。2nBE玻尔理论核量子轨道电子能级21EEEhsJ10626.634h3)当电子从某一轨道跃迁到另一轨道时，才有能量的吸收或放出。电子从激发态回到基态释放能量，其频率由两个轨道间的能量差决定。因为所以hEE12E=hν氢原子能级和氢光谱产生的示意图巴尔麦系莱曼系巴新系借助于玻尔推算出的氢原子的允许能量关系式，可定出氢原子各能级的能量：1822.1810JBEBnJ1045.521018.221921822En，J1018.211018.211821811En，玻尔理论的应用J1042.231018.231921833En，114341919231057.410626.6)1045.5(1042.2shEEv)11(2122nnBE。这就是氢原子的电离能，时，，当J1018.211821Enn12nnnmmc6561056.61057.41037148解释了氢原子及类氢原子(He+、Li2+)的原子光谱说明了原子的稳定性对其他发光现象(如Ｘ光的形成)也能解释计算氢原子的电离能波尔理论的成功之处波尔理论的不足之处不能解释多电子原子的光谱不能解释氢原子光谱的精细结构德布罗意提出：微观粒子都具有波粒二象性。这种波称为德布罗意波或物质波。光的波粒二象性：波动性：干涉、衍射现象；粒子性：原子光谱、光电效应—光照射到金属表面时，金属有电子逸出。1.微观粒子具有波粒二象性一、微观粒子的波粒两象性第二节原子的量子力学模型1927年的电子衍射实验hλmv衍射实验证明，电子具有波粒两象性。物质波又称概率波。1927年，海森堡指出，对于具有波粒两象性的微观粒子而言，不可能同时测准其空间位置和速度（或动量）。2.测不准原理式中：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为微粒质量，v表示速度的测不准量。,22hhxPxvm或0822222222ΨVEhmzΨyΨxΨπ二、薛定谔方程与波函数Ψ：波函数E：电子的总能量V：电子的势能m：电子的质量h：普朗克常数x，y，z：空间直角坐标(,,)(,,)()(,)ΨxyzΨrRrYsincosxrsinsinyrcosrz222zyxr将直角坐标(x，y，z)转换成球坐标(,,)rOxyzPP′r波函数的径向部分R(r)，只与电子离核半径有关。波函数的角度部分，Y(θ,φ)只与θ，φ两个角度有关。在解R(r)方程时，要引入参数n，l。在解Y(θ,φ)方程时要引入参数l，m。在量子力学中，三个量子数都有确定值的波函数称为原子轨道。•主量子数n=1,2,3,···,∞。•角量子数l=0,1,2,3,···,n–1。•磁量子数m=0,±1,±2,···,±l。三、四个量子数核外电子运动的状态可以用四个量子数来描述。主量子数n角量子数l磁量子数m自旋量子数msn,l和m三个量子数确定电子在空间运动的轨道，称为原子轨道。自旋量子数ms规定电子自旋运动状态。•物理意义：表示核外电子离核的远近和原子轨道能量的高低或电子所在的电子层数。1.主量子数n•取值范围：n=1,2,3,···,∞正整数–n值越小，电子离核越近，能量越低。–n值越大，电子离核越远，能量越高。核外电子能量的高低主要决定于主量子数。主量子数n123456···电子层一二三四五六···符号KLMNOP···主量子数与电子层的对应关系氢原子核外电子能量值决定于主量子数。1822.1810JEn2.角量子数l•物理意义:---决定原子轨道或电子云的形状；---决定同一电子层中亚层的数目；---多电子原子中，核外电子的能量除了取决于主量子数n，还与角量子数l相关；---主量子数n相同，角量子数l越大亚层能量越高。•取值范围：l=0,1,2,3,∙∙∙,n–1•取值数目=n值角量子数0123···亚层符号spdf···轨道形状球形哑铃形花瓣形······角量子数与电子亚层、轨道形状的对应关系主量子数与角量子数的关系n1234电子层KLMNl0010120123亚层1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f3.磁量子数m•同一亚层(n,l相同)，原子轨道能量相同，称为等价轨道或简并轨道。•取值范围：m=0,±1,±2,···,±l•物理意义：表示原子轨道或电子云在空间的伸展方向。磁量子数与能量无关。•取值数目=2l+1p、d、f分别有3、5、7个等价轨道。n=2l=1:E2px=E2py=E2pzl,m取值与轨道名称的关系50±1±2230±111s00亚层轨道数轨道名称ml222,,zxzyzxyxyddddd,yxzpppxyz2pzY2pxYxyz2pyYxyz2p态：n=2,l=1,m=+1,0,–13d态：n=3,l=2,m=0,±1,±223dzxyz3dyzxyz3dxzxyz3dxyxyz223dxyxyz4.自旋量子数ms•物理意义：决定电子在空间的自旋方向。•取值：•用向上和向下的箭头(↑和↓)来表示。11+22sm或Stern-Gerlach实验nl轨道m轨道数101s01202s0112p+1,0,–13303s0113p+1,0,–1323d+2,+1,0,–1,–25404s0114p+1,0,–1324d+2,+1,0,–1,–2534f+3,+2,+1,0,–1,–2,–37量子数与原子轨道16941n、l、m和ms决定核外电子运动状态。其中ms确定电子的自旋方向。只有四个量子数的合理组合才能表示某一种运动状态下的一个电子。n、l、m决定一个原子轨道。或用带有三个量子数下标的波函数Ψnlm表示一个原子轨道。小结n、l决定一个能级。(1)填充合理的量子数：①n≥___________,l=2,m=0,ms=±1/2;②n=2,l=______,m=+1,ms=–1/2;③n=4,l=2,m=____________,ms=+1/2;④n=2,l=0,m=0,ms=__________。3的正整数10,±1,±2±1/2(2)3d能级对应的主量子数n=——,角量子数l=——,最大的磁量子数m=——。322填空(4)n=3,l=1,m=1不合理(l=0,m=0;l=1,m=±1或n3)判断下列量子数是否合理？(1)n=2,l=1,m=0(6)n=2,l=3,m=2(2)n=2,l=2,m=–1(3)n=3,l=0,m=0(5)n=2,l=0,m=–1合理不合理(l=1)合理合理不合理(m=0或l=1)四、原子轨道与电子云当n=1，l=0，m=0时，可得径向部分：1000321()()2()nlraRrRrea(一)波函数与原子轨道角度部分：001(,)(,)4lmYY为使薛定谔方程有合理的解，引入三个量子数n，l，m。注意：这里原子轨道的含义不同于宏观物体的运动轨道，也不同于玻尔所说的固定轨道。波函数Ψnlm是用以描述核外电子运动状态的函数，通常把它称为“原子轨道”。半径Bohrpm9.520a10010003001(,,)(r)(,)=rarRYea量子力学证明，可以用|ψ|2表示电子在核外某处出现的概率密度。概率密度：电子在核外某处单位体积内出现的概率。(二)概率密度和电子云电子云图是核外电子出现概率密度的形象化描述。黑点密集的区域|ψ|2的值大，概率密度大；反之概率密度小。氢原子1s电子云示意图s电子云的界面图(电子出现概率达到90％的等密度面)1s电子云||2–r图(1)原子轨道的角度分布图原子轨道的角度分布图：以Y(θ,φ)对(θ,φ)做图。ψnlm(r,θ,φ)=Rnl(r)Ylm(θ,φ)3.原子轨道和电子云的角度分布图原子轨道的径向分布图：以R(r)对r做图。s原子轨道角度分布图为一球面。001:(,)4lmYY角度部分xzyx,yz+–30°60°θ2pz原子轨道的角度分布图n=2,l=1,m=03(,)coscos4πYRθ0°30°60°90°120°180°cosθ10.8660.50–0.5–1YpzR0.866R0.5R0–0.5R–Rs、p、d原子轨道的角度分布图sYypYxpYzpYxzdYyzdY2zdY22xydYxydY原子轨道的角度分布图(立体图)xpYypYzpYxydYxzdYyzdY2zdY22xydY(2)电子云的角度分布图电子云的角度分布图：以Y2(θ,φ)对(θ,φ)做图。ψ2nlm(r,θ,φ)=R2nl(r)Y2lm(θ,φ)电子云径向密度函数图：以R2(r)对r做图。电子云径向分布函数图：以D(r)对r做图。(D(r)=4πr2∙R2(r))2sY2ypY2xpY2zpY2xydY2xzdY2yzdY22zdY222xydYs、p、d电子云的角度分布图原子轨道和电子云的角度分布图(平面图)a.原子轨道b.电子云①从外形上看，电子云的角度分布图比原子轨道的角度分布图要“瘦”些；电子云的角度分布图与原子轨道的角度分布图相似，主要有两点区别：②原子轨道角度分布图有正负之分，而电子云的角度分布图全为正。①无论是原子轨道的角度分布图还是电子云的角度分布图，都不是电子运动的轨迹，而是两种函数图形，每种图形所代表的意义是不同的。说明：②除了s轨道外，其他轨道的角度分布是有方向性的。这是共价键有方向性的根本原因。③电子云角度分布图和原子轨道角度分布图都只与l、m两个量子数有关，而与主量子数n无关。④电子云角度分布图只反应出电子在空间不同角度所出现的概率密度，并不反应电子出现概率离核远近的关系。4.原子轨道和电子云的径向部分用径向