《5大学无机化学课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《5大学无机化学课件（99页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、化学与化工学院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化学与化工学院费曼(19181988) Richard Feynman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化学与化工学院原子结构n原子序数= 核电荷数(z) = 质子数 = 核外 电子数n质量数(A) = 质子数 + 中子数 (N)质子 z 个原子核原子( ) 中子 N=(Az)个核外电
2、子 z 个化学与化工学院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。Democritus BC460370 古希腊哲学家 公元前440年德谟克利特化学与化工学院化学与化工学院Dalton原子论 (1803)n所有物质是由原子组成的 。原子不可再分。l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。l化合物是由不同元素的原 子按一定比例形成的。l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。化学与化工学院化学与化工学院Thomson电子荷质比测定实验化学与化工学院化学与化工学院Rutherford原子行
3、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 Sir Ernest Rutherford 18711937 新西兰裔英国化学家 获1908年Nobel化学奖化学与化工学院化学与化工学院氢原子光谱实验n连续光谱n氢原子光谱化学与化工学院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 Eh普朗克 Max Ludwig Planck 18581947 德国物理学家 1918年Nobel物理奖化学与化工学院化学与化工学院Boh
4、r氢原子模型 (1913)尼尔斯玻尔 N. Bohr 18851962 丹麦物理学家化学与化工学院化学与化工学院Bohr氢原子模型要点n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； n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；n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化学与化工学院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化学与化工学院Bohr理论的优点和局限n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。n缺点：l未能完全冲破经典力学
5、连续概念，只是勉强加 进了一些人为的量子化条件和假定。 l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。l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l未考虑其运动的波动性，采用了宏观轨道的概 念。化学与化工学院化学与化工学院原子的量子力学模型n微观粒子：电子、原子、分子n微观粒子的运动特征l量子化l波粒二象性n光的波粒二象性 既有波动性又有微粒性： 光n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
6、 E、P：微粒性化学与化工学院化学与化工学院de Broglie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. de Broglie 法国物理学家 获1929年Nobel物理奖化学与化工学院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化学与化工学院
7、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 Werner Carl Heisenberg 19021972 德国物理学家 获1932年Nobel物理奖化学与化工学院化学与化工学院Heisenberg测不准原理 (2)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 1034Js)， 为圆周率，m 为质量，v 表示速度的测不准量。化学与化工学院化学与化工学院Schrdinger方程薛定鄂 Erwin Schrdinger 188
8、71961 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Russell T. Pack美国化学教育家April 1978化学与化工学院化学与化工学院薛定谔方程薛定谔(Schrdinger)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 、原子轨迹或原子函化学与化工学院化学与化工学院波函数和原子轨道n 通过薛定谔方程求解而得 n 可以描述原子核外电子运动状态对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化学与化工学院求解 (1)n必须在球极坐标系中求解(x,y,z) (r,) Rn
9、(r)Yl,m(,) 0r 0 纬度 02 经度x = r sin cosy = r sin sinz = r cos OxyzP(r,)P化学与化工学院化学与化工学院求解 (2)nR(r)只与电子离核半径有关，称为波函数的径向部 分 nY(,)只与、 两个角度有关，故称为波函数的角 度部分 n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。 l主量子数 n = 1，2，3，4，7 l角量子数 l = 0，1，2，3，n1，共可取n个数 值。 l磁量子数 m = 0，1，2，l。共可取2l +1个 数值。 n在量子力学中
10、，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：化学与化工学院化学与化工学院概率密度和电子云n 没有物理意义，复数表达式为=a+bin|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n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图化学与化工学院化学与化工学院电子云的概念n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。 n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
11、能，但实际上在离核200300pm以 外的区域，电子出现的概率可以忽略不计。化学与化工学院化学与化工学院四个量子数n主量子数 n 1，2，3，4n角量子数 l 0，1，2，3，(n1)，共 n 个取值n磁量子数 m 0，1，2，l，共2l+1个取值n自旋量子数 ms 化学与化工学院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
12、量。化学与化工学院化学与化工学院主量子数 n主 量 子 数n1 2 3 4 5 6 7 电 子 层一二 三 四五六七 符 号K L M N O P Q 化学与化工学院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, ( n1 ) ， 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： nl = 0 表示 s 轨道，能量最低，形状为球形，即4s 轨道； nl =
13、 1 表示 p 轨道，形状为哑铃形，4p 轨道； nl = 2 表示 d 轨道，形状为花瓣形，4d 轨道； nl = 3 表示 f 轨道，能量最高，形状复杂, 4f 轨道化学与化工学院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 2 p 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 2 p 轨道能量相同。 能量相同的原子轨道称为等价轨道或简并
14、轨道化学与化工学院化学与化工学院原子轨道的空间取向化学与化工学院化学与化工学院电子自旋的发现SternGerlach 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/2ms称为自旋量子数，取值只有两个，+ 和 。电子的自旋方式只有两种，通常用 “ ” 和 “ ”顺时针，逆时针表示。化学与化工学院化学与化工学院填充允许的量子数nn =2 l =( ) m =1 ms=+1/2nn =2 l =1 m =( ) ms=+1/2nn =3 l =0 m =( ) ms=+1/2nn
15、 =( ) l =2 m =0 ms=+1/2nn =2 l =( ) m = 1 ms=+1/2nn =4 l =( ) m =0 ms=+1/2nn = 4 l = 2 m =( ) ms=1/2n1n0,1n0n3n1n0n0, 1, 2化学与化工学院化学与化工学院不合理的量子数nn = 2, l = 1, m = 0nn = 2, l = 2, m = 1nn = 3, l = 0, m = 0nn = 3, l = 1, m = 1nn = 2, l = 0, m = 1nn = 2, l = 3, m = 2n合理 nl = 1n合理n合理 nm = 0或l=1nl=0,1; m=0, 1或n3化学与化工学院化学与化工学院填表7351轨道个数3120角量子数5432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
