矿大无机及分析第八章物质结构上.ppt
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1、无机与分析化学电子教案,无机与分析化学,中国矿业大学化工学院 周长春,1了解原子核外电子运动的状态、原子能 级 波粒二象性、原子轨道和电子云概念。 2了解四个量子数对核外电子运动状态的描 述,掌握四个量子数物理意义、取值范围 3掌握 s、p、d 原子轨道的形状。 4掌握原子结构近似能级图,原子核外电子 排布的一般规则和s、p、d区元素的原子结 构特点 5掌握原子的电子层结构对元素性质的影响 掌握原子半径、电离能、电子亲和能和电 负性的周期性变化,第八章 物质结构(上),第八章 物质结构(上),8-1 氢原子光谱和波尔理论 8-2 原子的量子力学模型 8-3 原子核外电子结构 8-4 元素基本性
2、质的周期性变化,原子结构理论的发展简史 一、古代希腊的原子(元素)理论 二、道尔顿的原子理论 三、卢瑟福的行星式原子模型 四、近代原子结构理论-氢原子光谱,8-1 氢原子光谱和波尔理论,公元前5世纪,古希腊哲学家留基波(Leu Cippus)和德谟克里特(Domo critus)提出: 物质是由最微小、最坚硬、不可入、不可分的微粒组成,并将这种微粒定义为“原子”。宇宙万物是由不同数目、不同形状的原子按不同的排列方式而构成的。,一、古希腊的原子(元素)理论,1808年,英国化学家道尔顿(John Daltod)建立了原子论。几乎统一解释了当时所有的化学现象和经验定律,二、道尔顿的原子理论,基本要
3、点: 物质的最小组成单位为原子,原子不能创造、不能毁灭、不能分割; 同种元素的原子其形状、质量和性质均相同,不同元素的原子则不同; 原子以简单的比例结合成化合物。 缺陷: 不能解释同位素的发现;没有说明原子和分子的区别;未能阐释原子的具体组成和结构。,二、道尔顿的原子理论,卢瑟福(ERutherford)提出含核原子模型。他认为原子的中心有一个带正电的原子核(atomic nucleus),电子在它的周围旋转,由于原子核和电子在整个原子中只占有很小的空间,因此原子中绝大部分是空的。,三、卢瑟福的行星式原子模型,原子的直径约为1010m,电子的直径约为1015m,原子核的直径约在1016 m一1
4、014 m之间。电子的质量极小,原子的质量几乎全部集中在核上。,三、卢瑟福的行星式原子模型,行星模型的失败在于:按经典物理学,一个绕核急速旋转的电子,必定要连续不断地发射辐射能,直到电子落入原子核,使原子失去原有特性,但事实上不存在这种情形,电子不出现“塌陷”问题。,矛盾: 1. 核外电子不会毁灭 2. 原子光谱是不连续的,是线状的,三、卢瑟福的行星式原子模型,原子是由原子核和电子所组成。由于在化学反应中,原子核并不发生变化,而只是核外电子的运动状态发生变化。对核外电子运动状况描述最早的是玻尔理论。,三、卢瑟福的行星式原子模型,玻尔为了解释原子光谱,将普朗克量子论应用于含核原子模型,根据辐射的
5、不连续性和氢原子光谱有间隔的特性,推论原子中电子的能量也不可能是连续的,而是量子化的。,四、氢原子光谱和玻尔理论,红 橙 黄 绿 青 蓝 紫,1.光和电磁辐射,四、氢原子光谱和玻尔理论,四、氢原子光谱和玻尔理论,四、氢原子光谱和玻尔理论,2.氢原子光谱实验示意图,四、氢原子光谱和玻尔理论,3、玻尔理论(三点假设) 定态轨道假设:核外电子只能在有确定半径和能量的轨道上运动,且不辐射能量; 轨道能量假设:通常,电子处在离核最近的轨道上,能量最低基态;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; 能量吸收与释放假设:从激发态回到基态释放光能,光的频率取决于轨道间的能量差。,四、氢原子光
6、谱和玻尔理论,玻尔理论的成功之处与局限性,玻尔理论可以很好地解释氢原子光谱,当电子从n=3,4,5,6轨道跳回n=2的轨道时,可以计算出四个波长恰好为可见光区的四条谱线波长。 玻尔理论虽然引入了量子理论,但没有摆脱经典力学的束缚,他的电子绕核运动的固有轨道的观点不符合微观粒子运动的特性,不能解释多电子的原子光谱。 波尔模型是带心铁环状原子,后来实验测定的是球形原子。,返回,8-2 原子的量子力学模型,一、微观粒子的波粒二象性 二、核外电子运动状态的描述 三、原子轨道和电子云的图像,惠更斯的波动学 光是发光体在周围空间里引起的弹性振动而形成的一种波,不同波长的波产生不同颜色的光,白光则是各种单色
7、波混合形成的,波动性表现为:光的干涉、衍射和偏振。,一、微观粒子的波粒二象性,1、光的波粒二象性,牛顿的微粒说 光源是微粒源,不同种类的微粒有不同的颜色,白光则是各种不同微粒的混合物。微粒性表现有:光的透射、反射和折射。,一、微观粒子的波粒二象性,爱因斯坦的光子学说 光既有波动性,又有粒子性:波粒二象性,成功解释光电效应。,一、微观粒子的波粒二象性,德布罗依的假设 1924年,法国物理学家德布罗意提出了实物微粒 (静止质量不等于零的微粒,如电子、中子、质子、原子和分子等实物微粒) 也有波动性的假设。这意味着实物微粒运动也具有波动性,与其相适应的波长为: = h / p = h / mv,一、微
8、观粒子的波粒二象性,实物微粒波也称为德布罗意波。电子衍射实验证实了德布罗意的假设,后来采用中子、质子、氢原子和氦原子等粒子流,也同样能观察到衍射现象,充分证明了实物微粒具有波动性。由此可见,波粒二象性是微观体系的普遍现象。,一、微观粒子的波粒二象性,2、测不准原理,1927年,德国物理学家海森堡指出,对于波粒二象性的微粒而言,不可能同时准确测定它们在某瞬间的位置和速度(或动量),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。这就是测不准原理。,一、微观粒子的波粒二象性,测不准原理其中的一种表达形式为:物质的坐标位置的不确定度X和动量的不确定度 P的乘积,遵循下面的关系式:,一
9、、微观粒子的波粒二象性,奥地利科学家薛定谔(ESchrdinger)在考虑实物微粒的波粒二象性的基础上,通过光学和力学的对比,把微粒的运动用类似于表示光波动的运动方程来描述。薛定锷方程是描述微观粒子运动的波动方程,它是一个二阶偏微分方程:,二、核外电子运动状态的描述,1、薛定谔方程,二、核外电子运动状态的描述,薛定谔方程中既包含有体现电子具有粒子性的物理量(m、E、V),又包含反映波动性的物理量,因而比较正确地表达了微粒的运动特征。对该方程的理解为:若有一个位能为V,质量为m的运动微粒,必然存在一个与该微粒运动状态对应的波函数。,二、核外电子运动状态的描述,薛定谔方程的解是一系列的波函数的具体
10、函数表达式,即每一个波函数都是描述原子核外电子运动的一种状态的数学表达式。 解薛定谔方程的目的,就是求状态函数,以及与这状态相对应的能量E,求解薛定谔方程要涉及较深的数学知识,在这里我们只是定性地讨论它的解和应用它的结论。,二、核外电子运动状态的描述,2、波函数与原子轨道,它是一个三维空间(x、y、z)的函数,是一个向三维空间伸展的波,它不是简单的数值,而是描述电子波动性质的一个数学表达式,也就是原子轨道的数学表达式。 波函数也可用球坐标(r、 )表示,二、核外电子运动状态的描述,求解状态函数涉及到三个变量x、y、z,为使运算简便,将在三维空间直角坐标系中的薛定谔方程变成在球坐标系中的形式。球
11、坐标系中用r、三个变量表示空间位置。,二、核外电子运动状态的描述,为了得到方程合理的解,还需要引入三个只能取某些整数值的参数n、l、m。对应于一组合理的n、l、m取值,则有一个确定的波函数(r,)n,l,m。n、l、m称为量子数,它们决定着波函数某些性质的量子化情况。 波函数是一个三个变量r,和三个参数n、l、m的函数式,对应于每一个(r,)n,l,m都有其特有的能量E值。,二、核外电子运动状态的描述,3.四个量子数, 主量子数 n,n=1, 2, 3, 角量子数, 磁量子数 m, 自旋量子数 si,主量子数n,主量子数n是决定电子层数的,n值相同的电子在一个电子层。 n的取值范围:n = 1
12、、2、3、4 n (正整数) 主量子数n是决定电子能量高低的主要因素。对于单电子原子或类氢离子来说,n值越大,电子的能量越高。对于多电子来说,核外电子能量既与n有关,又与l有关,取决于n和l的取值。 主量子数n : 1,2,3,4,5,6,7 (光谱符号)电子层符号 :K,L,M,N,O,P,Q,角量子数l,亦称副量子数。l取值范围:对于给定的n值,l只能取小于n的整数值。 l = 0,1,2,3 (n-1) 按光谱学上的习惯用下列符号代表角量子数 角量子数l 0 1 2 3 4 光谱符号 s p d f g ,角量子数l,角量子数l表示原子轨道或电子云的形状 l=0的状态称为s态, s轨道,
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- 无机 分析 第八 物质 结构
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