5大学无机化学课件

化学与化工学院第五章原子结构和元素周期表化学与化工学院费曼(1918-1988)RichardFeynman美国理论物理学家1965年诺贝尔物理奖引自《费曼物理学讲义》如果有一天人类遭遇灭顶之灾，我们的全部知识也将随之被毁灭。假如我们还有时间给后人留一句话，那么这句话应当是：‘所有物质由原子组成。原子是一种永远运动的、远距离相互吸引、近距离相互排斥的微小粒子’。原子化学与化工学院原子结构原子序数=核电荷数(z)=质子数=核外电子数质量数(A)=质子数+中子数(N)质子z个原子核原子()中子N=(A-z)个核外电子z个AzX化学与化工学院原子的古典理论世界上任何东西都是由原子组成的（包括物质和灵魂）。原子是不可分割的。DemocritusBC460-370古希腊哲学家公元前440年德谟克利特化学与化工学院Dalton原子论(1803)1.所有物质是由原子组成的。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。化学与化工学院Thomson电子荷质比测定实验化学与化工学院Rutherford原子行星模型(1911)电子在原子内绕核旋转，就象行星绕太阳运转一样卢瑟福SirErnestRutherford1871-1937新西兰裔英国化学家获1908年Nobel化学奖化学与化工学院氢原子光谱实验连续光谱氢原子光谱化学与化工学院量子论的诞生1900年12月14日，普朗克解释了黑体辐射现象，并且引入量子化能量假说：辐射能的放出或吸收不是连续的，而是按照一个基本量或基本量的整数倍被物质放出或吸收E＝h普朗克MaxLudwigPlanck1858-1947德国物理学家1918年Nobel物理奖化学与化工学院Bohr氢原子模型(1913)尼尔斯·玻尔N.Bohr1885-1962丹麦物理学家化学与化工学院Bohr氢原子模型要点原子内电子按能级分层排布于适合一定条件的轨道上，电子在稳定轨道中旋转时完全不放出能量，处于一种稳定状态；电子在不同轨道上旋转时具有不同能量，各能级间能量是不连续的，即量子化的；电子在轨道间跃迁时才有能量的放出和吸收，放出的量子具有的频率由轨道的能量差决定-182=2.1810n=1,2,3,4....BEBJn-3421=6.62610EEJs化学与化工学院氢原子光谱与氢原子能量化学与化工学院Bohr理论的优点和局限优点：首先引入量子化的概念，解释了氢原子光谱为不连续光谱。缺点：未能完全冲破经典力学连续概念，只是勉强加进了一些人为的量子化条件和假定。只能解释氢原子或类氢原子（He+,Li2+）光谱。不能解释多电子原子（核外电子数大于1的原子）、分子或固体的光谱，即使是有两个电子的He，其结果与实验相去甚远。亦不能解释氢光谱的每条谱线实际上还可分裂为两条谱线的现象，即精细结构未考虑其运动的波动性，采用了宏观轨道的概念。化学与化工学院原子的量子力学模型微观粒子：电子、原子、分子微观粒子的运动特征量子化波粒二象性光的波粒二象性既有波动性又有微粒性：光波粒二象性的数学表达（能量量子化）E=nh(n=1,2,...)P=h/、：波动性E、P：微粒性化学与化工学院deBroglie波粒二象性德布罗意波（物质波）电子具有波长＝h/m德布罗意L.deBroglie法国物理学家获1929年Nobel物理奖化学与化工学院物质波证明—电子的晶体衍射C.Davisson和L.Germar当电子通过晶体时，在屏幕上产生明暗交替的衍射环。这说明电子射线同X射线一样有衍射现象，证明了德布罗意假设的正确性，亦证明了电子具有波动性。化学与化工学院070410电子衍射实验铝箔（a）石墨（b）感光屏幕薄晶体片衍射环纹电子束电子枪电子具有波动性的实验证明化学与化工学院Heisenberg测不准原理(1)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物理奖化学与化工学院Heisenberg测不准原理(2)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。化学与化工学院Schrödinger方程薛定鄂ErwinSchrödinger1887-1961奥地利物理学家获1933年Nobel物理奖“当所有其它方法都行不通时，就用薛定鄂方程。”罗素·派克RussellT.Pack美国化学教育家April1978化学与化工学院薛定谔方程薛定谔(Schrödinger)方程：E：体系的总能量V：势能m：微粒的质量：描述电子运动的波函数，也称为原子轨道、原子轨迹或原子函222222228()0mEVxyzh化学与化工学院波函数和原子轨道通过薛定谔方程求解而得可以描述原子核外电子运动状态22xΨ22yΨ22zΨ对x的二阶偏导数对y的二阶偏导数对z的二阶偏导数化学与化工学院求解(1)必须在球极坐标系中求解(x,y,z)→(r,,)→Rn(r)Yl,m(,)0≤r0≤≤纬度0≤≤2经度x=rsincosy=rsinsinz=rcos222zyxrOxyzP(r,,)P′化学与化工学院求解(2)R(r)只与电子离核半径有关，称为波函数的径向部分Y(,)只与、两个角度有关，故称为波函数的角度部分在解R(r)方程时，要引入一个参数n，在解()方程时要引入另一个参数l，在解()方程时还要引入一个参数m。主量子数n=1，2，3，4，…7角量子数l=0，1，2，3，…，n-1，共可取n个数值。磁量子数m=0，1，2，…，l。共可取2l+1个数值。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。化学与化工学院氢原子的基态1.总能量2.波函数径向部分：角度部分：1821812.1810J2.1810JsEnE00/30/301()21(,)41(,,)4raraRreaYrea化学与化工学院概率密度和电子云没有物理意义，复数表达式为=a+bi||2代表微粒在空间某点出现的概率密度，即单位体积中的概率电子云是||2的具体图像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图化学与化工学院电子云的概念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。化学与化工学院四个量子数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]化学与化工学院主量子数—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,…表示意义表示原子轨道能量的高低，核外电子离核的远近，或者说是电子所在的电子层数。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。-182=2.1810n=1,2,3,4....BEBJn化学与化工学院主量子数—n主量子数n1234567···电子层一二三四五六七···符号KLMNOPQ···化学与化工学院角量子数—l用来描述同层中(n相同)不同形状的原子轨道（亚层），取值受主量子数n的限制，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n=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轨道化学与化工学院磁量子数—m取值受角量子数l的影响，对于给定的l，m可取：0,1,2,3,…l意义m决定原子轨道的空间取向若l=3，则m=0,1,2,3共7个值。每一种m的取值，对应一种空间取向。n和l一定的轨道，如2p轨道（n=2,l=1）在空间有三种不同的取向。但一般不影响能量。3种不同取向的2p轨道能量相同。能量相同的原子轨道称为等价轨道或简并轨道化学与化工学院原子轨道的空间取向sxzpxxzpyxypzxzdxyxydyzyzdxzxzdx2-y2xydz2xz化学与化工学院电子自旋的发现Stern-Gerlach实验电子自旋：电子自身存在的两种不同的运动状态化学与化工学院自旋量子数—ms电子在沿外磁场方向上的自旋角动量分量，可用Ms表示：Ms=msh/2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“”顺时针，逆时针表示。化学与化工学院填充允许的量子数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化学与化工学院不合理的量子数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化学与化工学院填表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电子组态化学与化工学院示例(1)对于n=3,m=-2的电子来说，下列说法哪种正确？A.电子位于d轨道中B.电子位于p轨道中C.电子位于第二电子层中D.以上均不正确n=3l=0,1,2m＝-2l2化学与化工学院示例(2)5d轨道中的电子的磁量子数m:A.可能为0-5之间的任何一个B.为0C.为+½或-½D.为3E.以上都不对化学与化工学院原子轨道的角度分布图用图形表示Yl,m的数值大小随角度，的变化。s轨道p轨道化学与化工学院d轨道角度分布图化学与化工学院070412电子云的角度分布图以||2作图得到的图像电子云的角度分布图和相应的原子轨道的角度分布图是相似的，它们之间主要区别有两点：（1）因角度函数Yl，所以Y2值比Y值更小，电子云的角度分布图比原子轨道角度分布图“瘦”；（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因角度函数经平方后无正、负之分，全为正值。化学与化工学院多电子原子中的能级图能级交错现象化学与化工学院鲍林近似能级图(1)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每个小圆圈代表一个原子轨道，同高度的圆圈代表简并轨道。化学与化工学院鲍林近似能级图(2)l相同，n越大，能量越高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n、l都不同，比较能量使用(n+0.7l)：(n+0.7l)越小，能量越低注意：Pauling能级图不能完全反映出每种元素的原子轨道能级的相对高低，