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1、第二章 原子结构与原子间结合键,2.1 原子结构2.2 原子序数和原子质量2.3 原子的电子层结构2.4 原子的结合键,2.1 原子结构,原子组成：原子核和核外电子,原子核内又有质子和中子。原子电荷：质子带正电荷，中子不带电荷，因此原子核 带正电荷，通过静电吸引，将带负电荷的电 子束缚在其周围。每个质子和电子所带的电 荷q均为1.60210-19库仑。因为原子中质子 和电子的数目相等，所以从整体看，原子 是电中性的。原子尺寸：直径约为10-10m，但原子核直径很小，仅为 约10-14m，其外部均为电子所包围。,续上页,原子质量：原子的质量大部分集中在原子核内。 一个质子具有1.673 10-2
2、4g质量，中 子略重于质子，质量为1.67510-24g， 而一个电子的质量只有9.10910-28g， 仅为质子质量的1/1836。表2-1 质子、中子和电子的质量与电荷,2.2 原子序数和原子质量,221 原子序数 元素的原子序数等于原子核中的质子数或核外电子数。每种元素均与一定的原子序数相对应，如铁的原子序数为26，其原子核有26个质子和26个核外电子。,222 核素与同位素,核素：原子核中具有一定质子数和一定中子数的原子。 一种碳原子的原子核中有6个质子和6个中子， 它的质量数是12，这种碳原子称碳-12核素， 写为12C核素；另一种碳原子的原子核里有6个 质子和7个中子，质量数为13
3、，称碳-13核素， 可写为13C核素。多核素元素与单核素元素。同位素：质子数相同而中子数不同的同一元素的不同 原子互称为同位素；即多核素元素中的不同 核素互称为同位素。12C和13C是碳的同位素。稳定同位素与放射性同位素。,2.2.3 原子质量与相对原子质量,1. 原子质量 指某核素一个原子的质量。由于原子的绝对质量很小, 常以12C一个原子质量的1/12作单位，称为“原子质量单位”，用“u”表示（1u=1.6610-24g），因此12C的原子质量也就等于12 u。,续上页,元素原子的原子质量： 元素的平均原子质量与核素12C原子质量的1/12之比。所谓元素的平均原子质量，是对一种元素含有多种
4、天然同位素而说的，平均原子质量可由这些同位素的原子质量和丰度（指某同位素在所属的天然元素中所占的原子百分数）来计算。 元素的原子质量用符号Ar(E)表示，E代表某元素，如氧的原子质量等于16.00，可表示为Ar(O)=16.00。它表示1个氧原子的平均质量是核素12C原子质量1/12的16.00倍。可见，元素的原子质量只是一种相对的比值。它的单位为一。,例题2-1：,自然界的氢元素有两种同位素，实验测得1H的原子质量为1.007825u，丰度为99.985%，2H的原子质量为2.014 0u，丰度为0.015%，试计算氢元素的平均原子质量和相对原子质量。解：氢元素的平均原子质量为： 1.007
5、825u99.985%+2.0140u0.015%=1.0079u 根据元素的相对原子质量的定义，氢的相对原子 质量为：,2. 相对原子质量,元素的相对原子质量： 1mol某种元素的平均质量与1mol12C核素原子质量1/12之比，也是该元素6.0231023个原子（阿伏伽德罗数NA）的质量，其单位为g/mol。各元素的相对原子质量均示于表2-2元素周期表中元素符号的下方。,例题2-2：,(1) 根据铜的相对原子质量，试求1个铜原子的质量。 (2) 1克铜中有多少铜原子？ 解: (1) 铜的相对原子质量为63.54g/mol，因63.54g铜有 6.0231023个原子, 因此, 一个铜原子的
6、质量为: 63.54g/mol/6.0231023个原子/mol=1.0510-22g/原子 (2) 1克铜的原子数：6.0231023个原子/mol/63.54g/mol=9.481021个原子/g,2.3 原子的电子层结构,231 核外电子的运动状态 原子中核外电子的运动状态（或分布情况），要用四个量子数加以描述。这四个量子数是： 主量子数n 角量子数l 磁量子数m 自旋量子数ms,1主量子数n,主量子数n 是描述核外电子的能量和电子离核平均距离的参数，是决定电子能量大小的主要量子数。n 值越大，电子离核的距离越远，电子的能量愈高。主量子数n 可取零以外的正整数，即n = 1, 2, 3
7、。每一个n 值代表一个电子层或主能级层（主层），在光谱学上常用拉丁字母表示电子层：主量子数n 1 2 3 4 5 6 7电子层符号 K L M N O P Q,2角量子数l,角量子数l用于描述原子轨道或电子云的形状，并在多电子原子中和主量子数n一起决定电子的能量，故又称为副量子数。n确定后，角量子数l可取0到n -1，即l = 0，1，2 （n -1）。如n = 1, l只能取0；n = 2，l可取0和1两个值。电子亚层或能层常用光谱符号表示：角量子数l 012 3电子亚层符号 sp d f,l = 0表示球形的s原子轨道或电子云；l = 1表示哑铃形的p原子轨道或电子云；l = 2 表示花瓣
8、形的d原子轨道或电子云，等等。图2-1是s、p和d原子轨道的平面图。在多电子原子中，同一电子层中的l数值越大，该电子亚层的能级越高，如在第三电子层有s、p和d等3个电子亚层，其中3d的能级高于3 p的能级，3 p的能级又高于3s的能级。,图2-1 s、p和d原子轨道的平面图,3磁量子数m,磁量子数m决定原子轨道在磁场中分裂，在空间伸展的方向。其取值受角量子数l的限制，当l一定，m可取0，1，2，l，共有（2 l + 1）个数值，即原子轨道或电子云可以沿着（2 l+1）个不同方向伸展，常用符号或表示。l = 0时，m = 0，原子轨道或电子云只有一个伸展方向；l = 1时，m = -1、0、+1
9、，有3个数值，p原子轨道或电子云分别沿着x，y和z三个方向伸展。l = 2时，m = 0, 1，2，有5个数值，即d原子轨道或电子云有5个不同伸展方向的轨道。磁量子数与电子能量无关。l相同，m不同的原子轨道，即形状相同，空间取向不同的原子轨道，其能量是相同的。,4自旋量子数ms,原子中的电子除了绕核运动外，还可自旋。用于描述电子自旋方向的量子数称为自旋量子数，用符号ms表示。自旋方向只有顺时针和逆时针两种,故ms=，通常用符号、表示。自旋量子数ms对电子所处的能量没有影响。这样用四个量子数就可以描述电子在原子中的复杂运动状态，即四个量子数可以确定某一电子在原子核外某一电子层的电子亚层中的运动，
10、它的电子云或原子轨道在空间的某一方向伸展，且本身有一定的自旋方向。这样可以近似地把这四个量子数看成是电子在空间位置的坐标。,2. 3. 2 多电子原子轨道的能级,能量E,6pOOO 5dOOOO 4fOOOOOOO6sO,5pOOO 4dOOOOO5sO,4pOOO 3dOOOOO4sO,3pOOO3sO,2pOOO2sO,lsO,能级组,6(6s4f5d6p),5(5s4d5p),4(4s3d4p),3(3s3p),2(2s2p),1(ls),图2-2 原子轨道近似能级图,美国化学家鲍林（Pauling）根据光谱实验结果，总结出多电子原子中原子轨道能量高低，并排列给出近似能级图，见左图,（1
11、）能级图是按能量的高低顺序，而不是按原子轨道 距核的远近排列的。图中将能量相近的轨道划为 一组（即虚线方框内的轨道），称为能级组。共 有7个能级组，它的能量依1、2、3、能级组的 顺序逐次增高。（2）在近似能级图中，每个小圆圈表示一个原子轨道， 如第二能级组中有四个小圆圈，它代表有四个原 子轨道。（3）角量子数l相同的能级，其能量由主量子数n决定， n 越大，能量越高，如： s亚层的能量顺序是：E1sE2sE3s p亚层的能量顺序是：E2pE3pE4p,能级图说明（一）,能级图说明（二）,（4）主量子数n相同，而角量子数l不同的能级， 其能量随l的增大而升高，如：EnsEnpEndEnf（5）
12、同一能级组中，可能出现不同电子层的能级。 如第5能级组中，除属于第5电子层的5s和5p能级 外，还有第4电子层的4d。表明当主量子数n和 角量子数l同时变化时，可能出现主量子数较大 的原子轨道的能量，反而比主量子数较小的某 些原子轨道的能量低，这种现象称为“能级交错” 例如：E4sE3d，E6sE4fE5d等等。,为了判断多电子原子中n和l同时变化时，轨道能量的高低，除了从鲍林的近似能级图中查看外，我国化学家徐光宪在总结了光谱实验数据后，归纳出（n+0.7l）的规则，（n+0.7l）值愈大，能量就愈高。例题2-3：试比较6s、6p、4f和5d轨道的能量高低。解：6s轨道： n = 6, l =
13、 0，（n + 0.7l）= 6+0.70 = 6 6p轨道： n = 6, l = 1，（n + 0.7l）= 6+0.71= 6.7 4f轨道： n = 4, l = 3，（n + 0.7l）= 4+0.73 = 6.1 5d轨道： n = 5, l = 2，（n + 0.7l）= 5+0.72 = 6.4 所以，E6sE4fE5dE6p,233 原子的电子层结构,1 核外电子的排布规律（1）泡里（Pauli）不相容原理 在同一原子中，不可能有运动状态（亦即四个量子数）完全相同的两个电子存在。这一原理也可表达为：在同一原子轨道中最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。泡里不相容原理实际上是对原子核外电子层上可容纳的电子数目作了限制。各电子层容纳的最多电子数是：(下页 ),n = 1(K层) l = 0 (ls) m = 0 1个轨道 ms = 可容纳2个电子,n = 2(L层),l = 0 (2s)l = 1 (2p),m = 0 -1 m = 0 +1,
