基础化学第3版课件第十章原子结构与元素周期表.ppt
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1、原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表原子结构原子结构(atomicstructure)知识是深层次认识物质知识是深层次认识物质世界的基础。人类对原子结构的认识,探索了几千年。世界的基础。人类对原子结构的认识,探索了几千年。现代量子力学现代量子力学(quantummechanics)揭示了微观世界粒子揭示了微观世界粒子运动的规律。运动的规律。原子由原子核和核外高速运动的电子组成。在化学原子由原子核和核外高速运动的电子组成。在化学反应中,原子核不发生变化,只是核外电子的运动状态反应中,原子核不发生变化,只是核外电子的运动状态发生改变。所以本章重点是用量子力学的观点研究核外发生改变。所以本章重点
2、是用量子力学的观点研究核外电子的运动规律,阐述元素性质发生周期性变化与核外电子的运动规律,阐述元素性质发生周期性变化与核外电子排布即电子组态电子排布即电子组态(electronicconfiguration)的内在联的内在联系。系。2025/7/92第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表1.原子结构的认识史原子结构的认识史从远古哲学到从远古哲学到旧量子论旧量子论2.量子力学的概念:量子力学的概念:波粒二象性波粒二象性 、不不确定原理确定原理、薛定谔方程、薛定谔方程第一节第一节核外电子运动状态及特征核外电子运动状态及特征1.公元前五世纪希腊唯物主义哲学家认为一切事物公元前五世纪希腊
3、唯物主义哲学家认为一切事物都是原子和虚空组成。都是原子和虚空组成。2.到十九世纪初,英国科学家到十九世纪初,英国科学家Dalton提出了著名的提出了著名的原子学说。原子学说。3.1904年,英国科学家年,英国科学家Thomson提出了原子提出了原子“枣糕枣糕模型模型”。4.1911年年Rutherford提出了提出了“行星系式行星系式”原子模型。原子模型。一、原子结构的认识史和旧量子论一、原子结构的认识史和旧量子论 2025/7/94第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表5.1913年年,Bohr在在牛牛顿顿力力学学的的基基础础上上吸吸收收了了德德国国PlanckM的量子论,建立
4、了的量子论,建立了“定态原子模型定态原子模型”。Bohr理论要点:理论要点:(1)核外电子在一定的轨道上运动,在这些轨道上)核外电子在一定的轨道上运动,在这些轨道上运动的电子不放出能量也不吸收能量,电子处于某种运动的电子不放出能量也不吸收能量,电子处于某种“定态定态”(stationarystate)。)。2025/7/95第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表(2)在在一一定定的的轨轨道道上上运运动动的的电电子子具具有有一一定定的的能能量量E,E只只能能取取某某些些由由量量子子化化条条件件决决定定的的数数值值,而而不不能能处处于于两两个相邻轨道之间。氢原子核外电子能量公式为个相
5、邻轨道之间。氢原子核外电子能量公式为(n=1,2,3,4)当当n=1时,称为氢原子的时,称为氢原子的基态基态(groundstate)。n2的时,称为氢原子的的时,称为氢原子的激发态激发态(excitedstate)。2025/7/96第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表(3)激发态不稳定,电子回到较低能量的状态时,)激发态不稳定,电子回到较低能量的状态时,能量差以光的形式发射出来,两个轨道能量差决定光量能量差以光的形式发射出来,两个轨道能量差决定光量子的能量子的能量h为为Plank常数,常数,h=6.62610-34Js。2025/7/97第九章第九章原子结构与元素周期表原子
6、结构与元素周期表2025/7/98第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表Bohr理论成功地解释了氢原子的不连续光谱,获得理论成功地解释了氢原子的不连续光谱,获得了了1922年诺贝尔物理奖。但是,他未能冲破经典物理学年诺贝尔物理奖。但是,他未能冲破经典物理学的束缚,不能解释多电子原子光谱,甚至不能说明氢原的束缚,不能解释多电子原子光谱,甚至不能说明氢原子光谱的精细结构。他的理论属于子光谱的精细结构。他的理论属于旧量子论旧量子论。2025/7/99第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表(一)波粒二象性(一)波粒二象性德布罗意在光的波粒二象性德布罗意在光的波粒二象性(wa
7、veparticleduality)启发下,于启发下,于1924年大胆假设所有微观粒子如电子也具有年大胆假设所有微观粒子如电子也具有波粒二象性。他将光的二象性的公式应用到微粒上,提波粒二象性。他将光的二象性的公式应用到微粒上,提出了出了“物质波物质波(matterwave)”公式。对于质量为公式。对于质量为m,速率速率为为 的微粒,动量为的微粒,动量为p,其波长其波长 为为二、量子力学的概念二、量子力学的概念2025/7/910第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表1927年年物物理理学学家家戴戴维维逊逊(Davisson)和和革革末末(Germer)用用电电子子束束代代替替光光
8、束束通通过过金金属属单单晶晶光光栅栅进进行行的的电电子子衍衍射射实实验证明了德布罗意的假设。验证明了德布罗意的假设。2025/7/911第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表电子的波动性需要电子的波动性需要从统计学角度来理解。从统计学角度来理解。电子在空间任意一点衍电子在空间任意一点衍射波的强度与电子在此射波的强度与电子在此处出现的概率密度成正处出现的概率密度成正比。所以,电子波是比。所以,电子波是概概率波率波(probabilitywave)。2025/7/912第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表电子波的物理意义与经典的机械波和电磁波均不同。电子波的物理意义与
9、经典的机械波和电磁波均不同。机械波是介质质点的振动在空间的传播,电磁波是机械波是介质质点的振动在空间的传播,电磁波是电磁场的振动在空间的传播。电磁场的振动在空间的传播。电子波并无类似直接的物理意义,只反映电子在空电子波并无类似直接的物理意义,只反映电子在空间各区域出现的概率大小。间各区域出现的概率大小。2025/7/913第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表(二)不确定原理(二)不确定原理海海森森堡堡(W.Heisenberg)*认认为为,描描述述微微观观粒粒子子的的运运动动状状态态时时,无无法法同同时时准准确确地地测测定定粒粒子子的的位位置置和和动动量量,从从而得出了测不准关
10、系而得出了测不准关系2025/7/914第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表(三)(三)Schrodinger方程和波函数方程和波函数2025/7/915第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表 (x,y,z)是是描描述述氢氢原原子子核核外外运运动动状状态态的的数数学学函函数数,称称为为波函数波函数(wavefunction)。(x,y,z)本身物理意义不明确,但波函数绝对值的平本身物理意义不明确,但波函数绝对值的平方却有明确的物理意义,即方却有明确的物理意义,即|2表示在空间某处电子出表示在空间某处电子出现的现的概率密度概率密度(probabilitydensit
11、y),即在该点周围微即在该点周围微单位体积中电子出现的单位体积中电子出现的概率概率。波函数波函数(x,y,z)也称为原子轨道。也称为原子轨道。2025/7/916第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表量量子子力力学学沿沿用用了了玻玻尔尔理理论论中中原原子子轨轨道道(atomicorbital)的的称称谓谓,将将波波函函数数仍仍称称为为原原子子轨轨道道。但但此此原原子子轨轨道道与与玻玻尔尔理理论论中中的的原原子子轨轨道道涵涵义义截截然然不不同同。玻玻尔尔理理论论认认为为基基态态氢氢原原子子的的原原子子轨轨道道是是半半径径一一定定的的球球形形轨轨道道,如如基基态态氢氢原原子子电电子子
12、的的轨轨道道为为半半径径52.9pm的的球球形形轨轨道道。而而量量子子力力学学中中,基基态态氢氢原原子子的的原原子子轨轨道道是是随随空空间间坐坐标标变变化化的的波函数。波函数。2025/7/917第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表第二节第二节氢原子的波函数和量子数氢原子的波函数和量子数1.四个量子数及其意义四个量子数及其意义2.波函数及电子云的角度部分图形波函数及电子云的角度部分图形3.径向分布函数图径向分布函数图一、氢原子的波函数一、氢原子的波函数氢原子的波函数氢原子的波函数可分为两部分可分为两部分 是由是由n 和和l 确定的只与半径确定的只与半径r有关的函数,称有关的函数
13、称为波函数的径向部分或为波函数的径向部分或径向波函数径向波函数(radialwavefunction)。是由是由l 和和m 确定的与方位角确定的与方位角 、有关的函有关的函数,称为波函数的角度部分或角度波函数数,称为波函数的角度部分或角度波函数(angularwavefunction)。2025/7/919第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表2025/7/920第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表(一)主量子数(一)主量子数(principalquantumnumber)主量子数主量子数以以n来表示,可取任意非零正整数,即来表示,可取任意非零正整数,即 n1、
14、2、3、主主量量子子数数n反反映映了了电电子子在在核核外外空空间间出出现现概概率率最最大大的的区区域域离离核核的的远远近近,是是决决定定多多电电子子能能量量的的主主要要因因素素。一一般般认认为为n值值越越大大,电电子子出出现现概概率率最最大大的的区区域域距距核核越越远远,能能量量越越高。高。二、原子轨道和量子数二、原子轨道和量子数2025/7/921第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表对于单电子原子来说,对于单电子原子来说,n是决定电子能量的唯一因素是决定电子能量的唯一因素,n值越大,电子的能量越高。值越大,电子的能量越高。例如,例如,H、He+、Li2+、Be3+,它们核外电
15、子的能量它们核外电子的能量由下式确定由下式确定n=1、2、3、4;Z 为核电荷数。为核电荷数。2025/7/922第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表 n 值相同的电子在离核平均距离相近的核外空间区值相同的电子在离核平均距离相近的核外空间区域运动的概率较大,故通常将域运动的概率较大,故通常将n值相同的电子称为同层电值相同的电子称为同层电子,其所在区域俗称为电子层。子,其所在区域俗称为电子层。当当n1、2、3、4时,相应用光谱学符号时,相应用光谱学符号K、L、M、N来表示。来表示。2025/7/923第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表(二二)轨轨 道道 角角 动
16、动 量量 量量 子子 数数 (orbital angularmomentumquantumnumber)轨轨道道角角动动量量量量子子数数用用li表表示示(下下角角注注i 指指特特定定粒粒子子,为为方方便便,以以后后略略去去下下标标),其其取取值值受受主主量量子子数数n的的限限制制,可可取包括取包括0在内的正整数,即在内的正整数,即 l0、1、2、3(n-1)共共可可取取n个个值值。轨轨道道角角动动量量量量子子数数l决决定定原原子子轨轨道道和和电电子子云云的的形形状状,并并在在多多电电子子原原子子中中配配合合主主量量子子数数n 一一起起决决定定电子的能量。电子的能量。2025/7/924第九章第
17、九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表轨道角动量量子数轨道角动量量子数l也称为能级或亚层。通常也称为能级或亚层。通常l 0、1、2、3的能级分别称为的能级分别称为s、p、d、f能级或能级或s、p、d、f亚层。亚层。n2时,时,l=0、1即即L层上有两个亚层,分别为层上有两个亚层,分别为s、p。n3时,时,l=0、1、2即即M层上有三个亚层,分别为层上有三个亚层,分别为s、p、d。2025/7/925第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表 n 和和l 都都相相同同的的原原子子轨轨道道能能级级相相同同,称称为为等等价价轨轨道道或或简简并并轨轨道道,以以n、l值值命命名名。例例如
18、如,n=2,l0的的称称2s电电子子亚层或能级;亚层或能级;n3,l1的称为的称为3p电子亚层或能级等等。电子亚层或能级等等。2025/7/926第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表(三)磁量子数(三)磁量子数(magneticquantumnumber)磁磁量量子子数数用用mi表表示示(下下角角注注i指指特特定定粒粒子子,以以后后略略去去下标),其取值受轨道角动量量子数下标),其取值受轨道角动量量子数l 的限制的限制 m=0、1、2、3lm共共有有2l+1个个数数值值。磁磁量量子子数数m决决定定原原子子轨轨道道和和电电子子云云在在空空间间的的伸伸展展方方向向,故故s、p、d、
19、f轨轨道道依依次次有有1、3、5、7种取向。种取向。2025/7/927第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表三个量子数三个量子数n、l、m确定一个原子轨道即波函数确定一个原子轨道即波函数 。例例如如,当当n=1,l只只能能取取0,m也也只只能能取取0,n、l、m三三个个量量子子数数的的组组合合方方式式只只有有(1,0,0),与与之之一一一一对对应应的的原原子子轨道只有一个,即轨道只有一个,即1s轨道。用波函数轨道。用波函数 表示即为表示即为 或或 。2025/7/928第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表当当n=2,l 1时,时,m 只能取只能取-1、0和和1,
20、n、l、m三个量子数的组合方式有三个量子数的组合方式有(2,1,-1)、(2,1,0)和和(2,1,1),表示了,表示了2p原子轨道在空间的三个不同的伸展方向,原子轨道在空间的三个不同的伸展方向,用波函数用波函数 表示即为表示即为 、第第n电子层上可以有电子层上可以有n2个原子轨道。个原子轨道。2025/7/929第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表主量子数主量子数n轨道角动量轨道角动量量子数量子数l磁量子数磁量子数m波函数波函数同一电子层的同一电子层的轨道数(轨道数(n2)10012004101、2025/7/930第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表主量子数
21、主量子数n轨道角动量轨道角动量量子数量子数l磁量子数磁量子数m波函数波函数同一电子层的同一电子层的轨道数(轨道数(n2)3009101、201、2、2025/7/931第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表【例例9-3】n=4的电子层有几个亚层?相应的轨道角的电子层有几个亚层?相应的轨道角动量量子数分别是多少?写出每个亚层的符号;每个动量量子数分别是多少?写出每个亚层的符号;每个亚层有几个轨道?写出每个轨道的轨道符号和亚层有几个轨道?写出每个轨道的轨道符号和3个量个量子数。子数。【解解】第四层有第四层有4个亚层,相应的轨道角动量量子数个亚层,相应的轨道角动量量子数分别是分别是l=
22、0、1、2、3。亚层的符号分别为。亚层的符号分别为4s、4p、4d、4f。4s亚层有一个轨道:轨道符号为亚层有一个轨道:轨道符号为4s,量子数组合为,量子数组合为(4,0,0)。)。2025/7/932第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表4p亚层有三个轨道:亚层有三个轨道:4pz(4,1,0)、)、4px、4py的的量子数组合分别为(量子数组合分别为(4,1,1)。)。4d亚层有亚层有5个轨道:轨道符号为个轨道:轨道符号为、。量子数组合分别为(。量子数组合分别为(4,2,0)()(4,2,1)()(4,2,2)。)。4f亚层有亚层有7个轨道。轨道符号本书不作要求。其个轨道。轨道
23、符号本书不作要求。其n=4,l=3,m分别为分别为3、2、1、0、-1、-2、-3。2025/7/933第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表(四四)自自旋旋角角动动量量量量子子数数(spinangularmomentumquantumnumber)自旋角动量量子数自旋角动量量子数用用si表示,其取值只有表示,其取值只有+1/2和和-1/2,分分别别表表示示顺顺时时针针和和逆逆时时针针两两种种自自旋旋运运动动,通通常常也也可分别用符号可分别用符号“”和和“”表示。表示。在在同同一一原原子子轨轨道道中中,可可容容纳纳两两种种相相反反自自旋旋方方向向的的电电子,成为成对电子,它们具有
24、相同的能量。子,成为成对电子,它们具有相同的能量。2025/7/934第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表四四个个量量子子数数n、l、m、s 可可以以确确定定一一个个电电子子的的运运动动状状态。态。每个电子层可容纳的电子数每个电子层可容纳的电子数2n2个。个。2025/7/935第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表【例例9-4】已知基态已知基态Na原子的价电子处于最外层的原子的价电子处于最外层的3s轨道,试用轨道,试用n、l、m、s量子数来描述它的运动状态。量子数来描述它的运动状态。【解解】最外层最外层3s轨道的三个量子数为轨道的三个量子数为n=3、l=0、m=
25、0所以所以3s电子的运动状态可表示为电子的运动状态可表示为3,0,0,+1/2或或3,0,0,-1/22025/7/936第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表【问题问题】四个量子数说明了核外电子的哪些运动状四个量子数说明了核外电子的哪些运动状态?态?【解解】1.电子的能量;电子的能量;2.电子出现概率密度最大的电子出现概率密度最大的区域距核的远近;区域距核的远近;3.电子出现概率密度最大的区域的形电子出现概率密度最大的区域的形状;状;4.电子的自旋状态。电子的自旋状态。2025/7/937第九章第九章原子结构与元素周期表原子结构与元素周期表【问问题题】说说明明s、3s、3s1、
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- 基础 化学 课件 第十 原子结构 元素 周期表
