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1、*无机化学 第一节原子与元素 无机化学多媒体电子教案无机化学多媒体电子教案 第五章 原子结构和元素周期性 第一节 原子与元素 *无机化学 5-1-3 原子轨道能级 5-1-3 原子轨道能级 日光通过棱镜分光，可得到红、橙、黄、 绿、青、蓝、紫连续变化的谱带 装有低压高纯H2(g)的放电管所发出的光, 通过棱镜分光后，在可见光区波长范围内 ，可以观察到不连续的四条谱线 aa 为连续光谱 氢原子光谱 nm 410.2 434.1 486.1 656.3 aa H H H H 为带状光谱 *无机化学 氢原子中的电子在原子核周围有确定半径 和能量的圆形轨道中运动。电子在这些轨 道上运动不吸收能量或放出
2、能量 波尔氢原子模型 nEn/J 1-2.17910-18 2-5.4510-19 3-2.4210-19 4-1.3610-19 5 -8.7210-20 6-6.0510-20 n越小, 离核越近, 轨道能量越低, 势能值越负 n *无机化学 处于激发态的电子不稳定，要跳回到能量 较低的轨道, 以光的形式放出能量(即光谱 谱线对应的能量) 正常状态下，原子中的电子尽可能在离核 最近、能量最低的轨道上运动(基态) 波尔氢原子模型 基态 激发态(电子处于能 量较高的状态) 吸收能量(跃迁) 放出能量 En(2)-En(1)=h h Planck常数 光的频率 *无机化学 -0.445 -0.6
3、05 -0.872 -1.36 -2.42 -5.45 -21.79 E/10-19J 7 6 5 4 3 2 1 n 121.6nm 120.6nm 97.25nm 94.98nm 93.78nm 93.14nm 656.5nm 486.1nm 434.1nm 410.2nm 397.2nm H H H H H 如 氢原子光谱中的H线 En2-En1= h h Planck常数 光的频率 = = = 4.571014s-1 En3-En2 -2.4210-19J- (-5.4510-19J) h 6.62610-34Js 32= = = 656.5nm 32 4.571014s-1 c(光速
4、) 3108ms-1 *无机化学 严重的局限性。只能解释单电子原子(或 离子)光谱的一般现象，不能解释多电子 原子光谱 成功地解释了氢原子和类氢原子(如He+、 Li2+)的光谱现象, 推动了原子结构的发展 波尔氢原子模型 波尔理论的缺陷，促使人们去研究和建 立能描述原子内电子运动规律的量子力 学原子模型 *无机化学 第二节原子结构的近代概念 第五章 原子结构和元素周期性 第二节 原子结构的近代概念 无机化学多媒体电子教案无机化学多媒体电子教案 *无机化学 原子结构的近代概念 电子的波粒二象性 概率和概率密度 原子轨道 电子云 量子数 *无机化学 5.2.1 电子的波粒二象性 20世纪初人们已
5、经发现，光不仅有微粒的性质，而且 有波动的性质，即具有波粒二象性。 1924年，Louis de Broglie(德布罗意)认为：质量为m, 运动速度为的粒子，相应的波长为： =h/m=h/p， h=6.62610-34Js，Plank常量。 1927年，Davissson和 Germer应用Ni晶体进行电 子衍射实验，证实电子具有 波动性。 *无机化学 5.2.2 概率和概率密度 概率：电子在原子核外空间某处出现的机率 。 量子力学认为，原子中个别电子运动的轨 迹是无法确定的，亦即没有确定的轨道，这一 点是与经典力学有原则的差别。但是原子中电 子在原子核外的分布还是有规律的：核外空间 某些区
6、域电子出现的概率较大，而另一些区域 电子出现的概率较小。 概率密度：电子在原子核外空间某处单位体 积内出现的概率。 *无机化学 5.2.3 原子轨道 1. 波函数 Schrdinger方程 *无机化学 直角坐标( x,y,z)与球坐标(r,)的转换 222 zyxr+= cosr z = q sinsinr y = q cossinr x= q ()()q , , rzyx ( )()q,YrR= *无机化学 在量子力学中是用波函数和与其对应的 能量来描述微观粒子的运动状态的. 原子中电子的波函数既然是描述电子云 运动状态的数学表达式,而且又是空间坐标的 函数,其空间图象可以形象地理解为电子运
7、动 的空间范围,俗称”原子轨道”.为了避免与经典 力学中的玻尔轨道相混淆,又称为原子轨函(原 子轨道函数之意),亦即波函数的空间图象就是 原子轨道,原子轨道的数学表达式就是波函数. *无机化学 波函数的物理意义 2 ：原子核外出现电子的概率密度。 电子云是电子 出现概率密度的 形象化描述。 *无机化学 2. 原子轨道角度分布图 将波函数的角度分布部分（Y）作图，所 得的图象就称为原子轨道的角度分布图。 如氢原子的1s轨道的波函数为： 1s = (1 /a03)1/2 e-r/a0 其中径向部分为：R10(r) = 2(1/a0)3/2*e-r/a0 角度部分为： Y00 = (1/4)1/2
8、*无机化学 对于2p轨道 *无机化学 + 30 60 *无机化学 *无机化学 5.2.4 电子云 1. 概率密度 在光的波动方程中，代表电磁波的电磁场强 度。由于： 光的强度光子数目/V（体积）=光子密度 而光的强度又与电磁场强度（）的绝对值成正比 ： 光的强度|2 所以，光子密度是与|2成正比的。同理，在原子核外某 处空间，电子出现的概率密度（）也是和电子在该处的强度 （）的绝对值平方成正比的： |2 *无机化学 2. 电子云 为了形象地表示核外电子运动的概 率分布情况，化学上惯用小黑点分布的 疏密表示电子出现概率密度的相对大小 。小黑点较密的地方，表示概率密度较 大，单位体积内电子出现的机
9、会多。用 这种方法来描述电子在核外出现的概率 密度分布所得的空间图象称为电子云。 *无机化学 既然概率密度可直接用|2来表示，那 么以|2作图可得到电子云的近似图像。为 作图方便讲|2分为角度部分|Y|2和径向部分 R2。|Y|2的图像称为电子云角度分布图。 *无机化学 电子云角度分布图与原子轨道角 度分布图相似，但有两点不同： (1)原子轨道分布图有正、负之分，而 电子云角度分布图均为正值； (2)电子云角度分布图比原子轨道角度 分布图瘦些，这是因为Y值小于1，所 以|Y|2更小。 *无机化学 n=3, l=2, m=0 *无机化学 n=3, l=2 *无机化学 n=3, l=2 *无机化学
10、 n=3, l=2 *无机化学 n=3, l=2 *无机化学 5.2.5 量子数 1. 主量子数（n） 主量子数(n) 1 2 3 4 5 电子层：第一层 第二层 第三层 第四层 第五层 电子层符号： K L M N O n值越小，该电子层离核越近，其能级越低。 n值越大，该电子层离核越远，其能级越高。 主量子数(n)为正整数。 *无机化学 2. 副量子数（l ） n值确定后，副量子数(l)可为零到(n-1) 的正整数。其中每一个l值代表一个电子亚层 ，也代表原子轨道的一种形状。 副量子数（l）： 0 1 2 3 4 5 电子亚层符号： s p d f g h 对于多电子来说，同一电子层中的l
11、值越 小，该电子亚层的能级越低。 *无机化学 3. 磁量子数(m) 磁量子数(m)的取值决定于l值，可取(2l+1)个 从-l到+l（包括零在内）的整数。每一个m值代表 一个具有某种空间取向的原子轨道。 4.自旋量子数(ms) 自旋量子数(ms)只有+1/2或-1/2 这两个数值 ，其中每一个值表示电子的一种自旋方向（如 顺时针或逆时针方向）。 *无机化学 第三节原子中电子的分布 第五章 原子结构和元素周期性 第三节 原子中电子的分布 无机化学多媒体电子教案无机化学多媒体电子教案 *无机化学 5-1基态原子中电子分布原 理 5-3-1 基态原子中电子的分布原理 泡利不相容原理每一个原子轨道，最
12、多 只能容纳两个自旋方向相反的电子. 能量最低原理原子为基态时，电子尽可 能地分布在能级较低的轨道上，使原子处于 能级最低状态. 洪德规则在同一亚层的等价轨道中电子 尽可能地单独分布在不同的轨道上, 且自旋方 向相同. 如 7N 1s22s22p3 1s 2s 2p *无机化学 5-3-2多电子原子轨道的能级 5-3-2 多电子原子轨道的能级 6s 5s 4s 3s 2s 1s 6p 5p 4p 3p 2p 5d 4d 3d 4f P O N M L K 1s 2p 2s 3p 3s 4p 3d 4s 5p 4d 5s 6p 5d 4f 6s 1. 能级KLMNOP 3. 同一原子，不同电子亚
13、层有能级 交错现象 如 E5s E4d E5p 2. 同一电子层： Ens Enp End Enf 近似能级图 *无机化学 它是从周期系中各元素原子轨道图中归 纳出的一般规律,不能反映每种元素原子 轨道能级的相对高低, 所以是近似的。 对近似能级图的几点说明 只能反映同一原子内各原子轨道能级的 相对高低, 不能比较不同元素原子轨道。 只能反映同一原子外电子层中原子轨道 能级的相对高低，不能反映内电子层中 原子轨道能级的相对高低。 电子在轨道上的能级与原子序数有关。 *无机化学 5- 基态原子中电子的分布 5-3-3 基态原子中电子的分布 (2) 2s (4) 3s (1) 1s (6) 4s
14、(9) 5s (16) 7s (3) 2p (12) 6s (5) 3p (8) 4p (11) 5p (15) 6p (19) 7p (7) 3d (10) 4d (14) 5d (18) 6d (13) 4f (17) 5f 应用核外电子填入轨 道顺序图，根据泡利 不相容原理、能量最 低原理、洪德规则， 可以写出元素原子的 核外电子分布式. 如 19K 1s22s22p63s23p64s1 26Fe 1s22s22p63s23p63d64s2 核外电子填入轨道的顺序 *无机化学 19种元素原子的外层电子分布有例外 基态原子电子分布 其中：29Cu 1s22s22p63s23p63d104s
15、1 全充满 24Cr 1s22s22p63s23p63d54s1 半充满 同样有：46Pd、 47Ag、 79Au 同样有：42Mo、 64Gd、 96Cm 当电子分布为全充满(p6、d10、f14)、半充满(p3、 d5、f7)、全空(p0、d0、f0)时, 原子结构较稳定 例外的还有： 41Nb、 44Ru、 45Rh、 57La、 58Ce、78Pt、89Ac、90Th、91Pa、92U、 93Np *无机化学 基态原子的价层电子构型 价层价电子所在的亚层 价层电子构型指价层的电子分布式 A 0 一 1 1s1 AAAAAA2 1s2 二 3456789 10 三 11 12 BBBB BBB 13 14 15 16 17 18 四 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 五 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 六 55 56 71 72 73 74 75 76 77 78 79
