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1、 基 础 化 学基 础 化 学主讲教师：熊晔蓉2012年11月基 础 化 学第五章 原子结构n5.1 玻尔的氢原子模型n5.2 氢原子的量子 力学模型n5.3 多电子原子结构n5.4 电子层结构与元素周期表n5.5 元素的基本性质的周期性基 础 化 学一、 道尔顿创立原子学说：不可分割的最小 微粒二、汤姆逊原子模型：电子的出现5.1 玻尔的氢原子模型基 础 化 学三、卢瑟福有核原子模型：-散射实验行星模型：1 有一空间小，质量大带正电的核；2 核外电子绕核运转。基 础 化 学5.1.1 Bohr模型建立的基础一、 能量量子化和光子学说1. 能量量子化1900年,M.Planck 为了解释黑体辐
2、射定律，提出了能量量子化假设：能量的变化是不连续的，有一个最小单位0（称为能的量子），0 =h。黑体辐射的能量是0的整数倍，即是量子化的。 基 础 化 学2. 2. 光子学说光子学说在能量量子化假设的基础上，为解释光电效应的规律，A.Einstein提出了光子学说：光由光子组成，光的能量是不连续的，光能的最小单位是光子的能量， 0 =h。基 础 化 学1.光和电磁辐射红 橙 黄 绿 青 蓝 紫二、 氢光谱基 础 化 学2.氢原子光谱HHHH基 础 化 学 不连续光谱,即线状光谱 其频率具有一定的规律n= 3,4,5,6式中 2，n，3.2891015各代表什么意义？经验公式：氢原子光谱特征：基
3、 础 化 学5.1.2 Bohr的氢原子模型三点假设： 定态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；此时状态叫定态。通常，电子处在离核最近的轨道上，原子能量最低基态；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；基 础 化 学 量子化假设电子在不同轨道上旋转时可具有不同的能量，所处的能量状态称能级。电子在轨道上运动时所具有的能量只能取某些不连续的值，即电子的能量是量子化的。基 础 化 学E：轨道能量h：Planck常数 频率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。基 础 化 学n = 3 红（H）n = 4 青（H ）n = 5 蓝紫 （
4、 H ）n = 6 紫（H ）Balmer线系基 础 化 学原子能级Balmer线系基 础 化 学5.2 氢原子的量子力学模型一、光的波粒二象性光的波动性：光在传播时体现。如干涉、衍射 光的粒子性：光与实物相互作用时体现。如辐射、吸收、光电效应5.2.1、 微观粒子的波粒二象性基 础 化 学P = h/n爱因斯坦通过普朗克常数(h)把光的波粒二象性 统一起来，揭示光的本质动量波长粒子性波动性基 础 化 学二、实物粒子的波粒二象性德布罗意假设和物质波:所有运动着的实物粒子，如电子、原子、 分子等和光子一样，也具有波粒二象性。德布罗意波（物质波）基 础 化 学1927， 美国 C. Davisso
5、n and L. Germer电子衍射德布罗意波的实质是具有统计性的概率波基 础 化 学三、 不确定原理（uncertainty principle)1927年，德国科学家海森伯格（Heisenberg ） 经过严格的推导证明：x : 粒子所在位置的不确定度 p: 粒子动量（速度）的不确定度不确定原理基 础 化 学例：电子的质量 m = 9.110-31 kg , 若 x = 10-11 m则：结论：微观粒子的空间位置和运动速率是不能被 同时准确确定的。核外电子运动的轨道是不存在，不确定的。基 础 化 学宏观物体：m很大（小）可以很小，不为人觉察基 础 化 学Schrdinger方程5.2.2
6、 氢原子的量子力学模型基 础 化 学当m,V已知，薛定谔方程的解为： 解得的每一个波函数都有一定的能量 -E 和其对应。每个解都要受到三个常数n，l，m的规定。n ，l，m称为量子数（quantum number）。 波函数是方程的解，包含三个变量x、y 、z,也可转换为球坐标r、,即= （ r,)基 础 化 学-量子力学中描述核外电子在空间运 动的数学函数式，称波函数，即原子轨道包含三个常量和三个变量，一般形式为：n,l,m为常量 x,y,z为变量一、 原子轨道、波函数基 础 化 学直角坐标( x,y,z)与球坐标(r,)的转换 222zyxr+=cosrz =sinsinry =cossi
7、nrx=()(), , rzyx ( )(),YrR=基 础 化 学 主量子数 n 磁量子数 m 自旋量子数 ms 角量子数 ln=1, 2, 3,二、 四个量子数 基 础 化 学表示电子出现最大概率区域离核的远近和轨 道能量的高低。对于氢原子，电子能量唯一决定于n；不同的n值，对应于不同的电子层：主量子数n： K L M N O基 础 化 学角量子数l ：l 的取值 0，1，2，3n1对应着 s, p, d, f. (亚层)l 决定了的角度函数的形状。对于多电子原子，n,l 共同决定轨道的能量等价轨道（简并轨道）：能量相同的轨道对于多电子原子，在没有外力场作用时， n、l相同的轨道为等价轨道
8、。基 础 化 学n, l, m 一定，轨道也确定；例如: n =2， l =0， m =0， 2sn =3， l =1， m =0， 3pz n =3， l =2， m =0， 3dz2 思考题： 当n为3时, l ,m 分别可以取何值？轨道的名称怎样?磁量子数m：m可取 0，1, 2l ； 其值决定了角度函数的空间取向。基 础 化 学自旋量子数ms：ms表示电子在空间的两种不同自旋方向, 其值 只能取+1/2或-1/2,或者用箭头和来表示。一组n,l,m确定核外的一个，或者说一个 原子轨道。一组n,l,m,ms确定核外电子的一个运动状态。基 础 化 学分离变量：R n, l (r) : 波函
9、数的径向部分，由n, l决定-径向波函数 n, l, m (r, , ) = R n, l (r) Y l, m (, )Y l, m (, ): 波函数的角度部分，由l, m决定-角度波函数三、 波函数的有关图形表示基 础 化 学1 1、波函数的角度分布图、波函数的角度分布图 Y(，) - - ， 图图 （原子轨道角度分布图）（原子轨道角度分布图）Y l, m (, ): 表示波函数角度部分随空间角度变化 的情况基 础 化 学如何绘制波函数角度分布图(了解即可)基 础 化 学+3060基 础 化 学+ -+- +-基 础 化 学是角度函数Y l, m (, )随, 变化的图象。s轨道：问题：
10、1S, 2S,3S角度分布图一样吗？ 有相同的球曲面+波函数角度分布图特点：1）与主量子数无关，由l, m决定基 础 化 学2）角度分布图有正负之分（不是表示正负电荷， 丝毫没有“电性”意义 ），表示波函数有正负值2p态：n=2, l=1, m=0,+ -+- +-基 础 化 学3d态：n=3, l=2, m=0,+-+ +- + -+-+- -基 础 化 学3d态：n=3, l=2, m=0,-基 础 化 学2. 电子云的有关图形| | 2可代表电子在核外空间单位体积中出现 的概率，即电子在空间出现的概率密度。用小黑点的疏密来表示空间各点的概率密度大小 这种形象化描述电子出现概率密度的图形,
11、叫电子云图 1). 电子云图 基 础 化 学电子云的图形表示：S电子云图 3S电子云界面图电子云 等密度面图基 础 化 学2）电子云的角度分布图:角度波函数的平方|Yl，m（，）|2随角度 变量（，）的变化情况从角度侧面反映几率密度分布的方向性表示电子在核外空间不同角度出现的几率 密度的大小基 础 化 学+ -+- +-基 础 化 学基 础 化 学基 础 化 学特点：电子云角度分布图全部为正值。电子云角度分布图比原子轨道角度分布图“瘦”些，因为|Y|值小于1，|Y| 2一定小于|Y| 基 础 化 学3. 电子云径向分布函数图 考虑电子出现在半径为r，厚度为 dr的薄球壳的概率 概率=概率密度
12、体积因此这个球壳内电子出现的概率 = R2 4r2dr 单位厚度的球壳夹层的概率D(r) = R2 4r2D(r)称作径向分布函数， D(r)-r图即径向分布函数图。反映电子出现概率在任意角度随r的变化情况dr rr基 础 化 学离核近（r小）， R2 大， 4r2 小离核远（r大）， R2 小， 4r2 小讨论：有极值，在 a0处最大52.9氢原子电子云径向分布函数图 基 础 化 学基 础 化 学径向分布函数图特点：不同状态的径向分布函数图有（nl） 峰数 n相同，l 不同，极大值峰数目不同，但l越 小，有一个离核越近的小峰 l 相同， n越大，主峰离核越远 电子分层排布，说明“波尔理论”一
13、定的合理性基 础 化 学节面峰数=nl基 础 化 学几种电子云的总体分布图 基 础 化 学5.3 多电子原子结构轨道：与氢原子类似，其电子运动状态可描述为1s, 2s, 2px, 2py, 2pz, 3s能量：与氢原子不同, 能量不仅与n有关, 也与l有关; 在外加场的作用下, 还与m有关。多电子原子中每个电子除了受到核吸引外，还要受 到其它电子的排斥 基 础 化 学5.3.1 屏蔽效应与钻穿效应一、屏蔽效应 多电子原子中，我们把电子之间的排斥相当 于部分抵消了核对电子的吸引作用称为屏蔽 效应(screening effect) 对于单电子体系：对于多电子体系，考虑其他电子对电子i的排斥：基
14、础 化 学令Z=Z，则: R=2.17991018 J 结论：屏蔽效应，使电子i的能量升高 Z: 有效核电荷(effective nuclear charge) : 屏蔽常数(screening constant) 反映了其余电子对所讨论电子的排斥作用基 础 化 学钻穿：电子进入原子内 部空间，受到核的较强 的吸引作用。2s,2p轨道的径向分布图3d 与 4s轨道的径向分布图二、钻穿效应基 础 化 学三、多电子原子轨道能级 一般规律 : 1) . n不同，l 相同 ：E1s 思考：比较Li2+中E2S E2pE3d E4s= E3d E4s基 础 化 学能级组IIIIIIIVVVI原子轨道1s
15、2s 2p3s 3p4s 3d 4p5s 4d 5p6s 4f 5d 6p同一能级 组内能级 间的间隔 较小，组 与组之间 的能量间 隔较大。组内电子数288181832四、能级组和近似能级图 能级组 :由于 n,l 决定能量，徐光宪把（n+0.7l）的 第一位数字相同的能级并为一个能级组称为第几能 级组。基 础 化 学Pauling近似能级图基 础 化 学基 础 化 学核外电子分布三规则： 最低能量原理电子在核外排列应尽先分布在低能级轨 道上, 使整个原子系统能量最 低。 Pauli不相容原理每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式 相反的电子。 Hund 规则在 n 和 l 相同的轨道上分布的电子,将尽 可能分占 m 值不同的轨道, 且自旋平行。5.3.2 多电子原子核外电子排布基 础 化 学半满全满规则：当轨
