材料化学07原子结构

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1、第 七 章 原 子 结 构 7.1 核外电子运动的特殊性7.2 核外电子运动状态的描述7.3 原子核外电子的排布和元素周期表7.4 元素性质的周期性7.1 核外电子运动的特殊性7.1.1 氢原子光谱与玻尔理论 氢原子光谱(Hydrogen Atomic Spectrum)H434.0H486.1H656.2H410.2氢原子光谱特征: 不连续的、线状的有规律1885年，瑞士物理学家Balmer:式中：R = 1.097373 107 m-1 里德堡常数n：为大于2的正整数 n = 3、4、5、6 H、H、H、H1913年，瑞典物理学家里德堡：经典力学无法解释氢原子光谱 Bohr理论(1913年

2、)基础： Planck的量子论：物质吸收和发射能量是不连续的，即量子化的。吸收和发射能量最小的单位是光量子 Einstein的光子学说认为光既是一种波，但又具有粒子性Bohr理论的内容： 核外电子只能在具有确定半径和能量的特定轨道上运动。 在一定轨道中运动的电子具有一定的能量，称定态。能量最低的称基态，其余称激发态。 处于定态的电子既不吸收能量，也不发射能量 。电子从一个定态跳到另一个定态时，要放出或 吸收辐射能。式中：E: 轨道的能量：辐射光的频率h: Planck常数 6.6262 10-34 Js辐射能的频率与两定态的能量差E的关系为：式中： a0 = 52.9 pm玻尔半径A = 2.

3、179 10-18 J当电子从高能态跃至低能态时，辐射能的频率为：玻尔理论的局限性：不能解释多电子原子光谱和氢原子光谱的精细结构1924年：Louis de Broglie认为：电子等微观粒子也具有波粒两象性质量为 m ，运动速度为v 的粒子，相应的波长为：7.1.2 微观粒子的波粒两象性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。7.1.3 测不准原理1927年，德国物理学家 Heisenberg 提出具有波动性的微观粒子和宏观物体有着完全不同的运动特点，不能同时确定它们的位置和动量x P h式中：x 粒子位置的测不准值P 粒子动量的测不准值

4、 h Planck常数对质量为10克的宏观物体，若x = 0.01cm对电子，m = 9.1110-31 千克，x = 10-9 cm7.2 核外电子运动状态的描述7.2.1 Schrdinger方程式中： 波函数(wave function)E 总能量V 势能m 电子的质量x,y,z 空间直角坐标 直角坐标(x,y,z)与球坐标(r,) 的转换 三个量子数(quantum number) 主量子数 (n)n = 1、2、3、 角量子数 (l)l = 0、1、2、n 1 磁量子数 (m)m = 0、1、 2、l7.2.2 原子轨道和原子轨道的角度分布图 原子轨道(orbital)n = 1：1

5、,0,0n = 2：2,0,0对应于电子的一种运动状态的一种波函数称为一个原子轨道光谱学上：l = 0,1,2,3分别称为s,p,d,f态 1s 轨道 2s 轨道 2p 轨道2,1,-1、2,1,0、2,1,1氢原子轨道与三个量子数的关系n l m 轨道名称 轨道数目1 0 0 1s 12 0 0 2s 1 1 -1 , 0 , 1 2p 33 0 0 3s 11 -1 , 0 , 1 3p 32 -2 , -1 , 0 , 1 , 2 3d 54 0 0 4s 11 -1 , 0 , 1 4p 32 -2 , -1 , 0 , 1 , 2 4d 53 -3 , -2 , -1 , 0 , 1

6、 , 2 , 3 4f 7 原子轨道的角度分布图氢原子的若干波函数(a0为玻尔半径)轨道 (r,) R(r) Y(,) 0 30 60 90 120cos 1 0.866 0.5 0 - 0.5Ypz A 0.866A 0.5A 0 - 0.5Axz+306090Pz 轨道角度分布图注：原子轨道角度分布图在讨论化学键形成和分子构型时有重要作用xz+s 轨道xy+py 轨道xz+px 轨道xz +pz 轨道xy+ dxy 轨道yz+ dyz 轨道xz+ dxz 轨道xz+ dz2 轨道xy+dx2-y2 轨道py 轨道px 轨道pz 轨道dz2 轨道dx2-y2 轨道dxy 轨道dyz 轨道dx

7、z 轨道小结： 原子轨道的角度分布图中，必须出现与其下角标相应的坐标轴 原子轨道的伸展方向分别为：px , py , pz , dz2 , dx2-y2 ：均为相应的坐标轴dxy , dyz , dxz ：均为坐标轴夹角的平分线方向 原子轨道角度分布图的符号：px , py , pz , ：与相应坐标轴的正负号一致dz2 ：z轴方向为正 dxy , dyz , dxz ：一、三象限为正，二、四象限为负dx2-y2 ：x轴方向为正g轨道的角度分布图不同的原子轨道，其轨 道角度分布图是不同的：s轨 道为球形，p轨道为双球形， d轨道为花瓣形，f轨道图形较 复杂，g轨道的角度分布图就 更复杂了，因而

8、至今很少有 人问津。此处将九个g轨道中 最简单的一个gz4的角度分布 函数画出来。7.2.3 几率密度和电子云图形 几率密度(probability density)在空间某点附近单位微体积元内电子出现的几率由量子力学原理：dp = | (r,) |2 ddp / d = |(r,) |2 电子云的角度分布图Y2(,) ,与原子轨道角度分布图的不同： 原子轨道角度分布图有正负之分而电子云角度分布图都是正值 电子云角度分布图比原子轨道角度分布图要“瘦”一些 电子云的径向分布图D(r) r电子在离核半径为r、厚度为dr的薄球壳内出现的几率为：dp = R2 d = R2 4r2dr = R2r2

9、4dr径向概率密度分布函数:D(r) = 4r2 R2氢原子电子云径向分布图 见P238 K L M N O.7.2.4 四个量子数 主量子数(n) 表示核外电子出现几率最大的区域离核的远近 不同的 n 值，对应于不同的电子壳层：对氢原子：电子能量只决定于n 和角量子数共同决定多电子原子中电子的能量n 值越大，电子能量越高 角量子数(l) 决定原子轨道或电子云角度部分的形状l = 0 球形 l = 1 双球(哑铃)形 l = 2 花瓣形 决定电子角动量的大小在多电子原子中和 n 共同决定电子的能量 不同的 l 值代表不同的电子亚层0 1 2 3 s p d f . 磁量子数(m) 决定原子轨道

10、或电子云角度部分的空间取向，即原子轨道数目 取值：0，1, 2l 自旋量子数(ms) 表示电子两种不同的自旋状态 取值：1/2 四个量子数间的制约关系n = 4l0123mmmm0-1,0,1-2,-1,0,1,2-3,-2,-1,0,1,2,3 n 个亚层 n2 个轨道n, l, m 一定，轨道也确定l0123mmmmn = 40-1,0,1-2,-1,0,1,2-3,-2,-1,0,1,2,3s轨道p轨道d轨道f 轨道例：用四个量子数表示 Cr 的价层电子。Cr：3d54s1n l m ms3 2 - 2 1/2 3 2 - 1 1/23 2 0 1/23 2 1 1/2 3 2 2 1/

11、2 4 0 0 1/2练习：1. 假定有下列电子的各套量子数，指出哪几套不可能存在，并说明理由。3，2，2，1/2； 3，0，-1，1/2；2，2，2，2； 1，0，0，0；2，-1，0，1/2； 2，0，-2，1/2。2. 以下各“亚层”哪些可能存在？包含多少轨道？解释之。 2s； 3f； 4p； 5d。7.3 原子核外电子的排布和元素周期表7.3.1 基态原子的核外电子排布 核外电子排布三原则 保里(Pauli)不相容(incompatibility)原理在同一原子中，不可能存在四个量子数完全相同的电子( 即每一轨道最多容纳两 个自旋方向相反的电子) 思考题：s,p,d,f各亚层和每个电子

12、层的最大电子容量是多少？ 能量最低原理(lowest energy principle)电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道上，使整个原子能量最低 多电子原子轨道的能级：与主量子数 n 和角量子数 l 有关 l 相同，n 不同时，n 越大，轨道能量越高E2p 2.0 为非金属元素 2.0 为金属元素Allred-Rochow 电负性标度 电负性()(Electronegativity)指分子内原子吸引电子的能力 电负性的标度种类： 电负性的周期性变化规律同周期元素 从左至右 电负性逐渐增大 同主族元素 从上至下 电负性逐渐减小 元素的金属性和非金属性 金属性和非金属性的周期性变化规律同周期元素

13、 从左至右 金属性减弱，非金属性增强 同族元素 从上至下金属性增强，非金属性减弱109种元素中，有22种非金属，其余均为金属金属性最强：Cs 非金属性最强：F 元素的氧化值 元素氧化值的变化规律s 区、p 区元素最高氧化值 = 最外层电子数目p 区元素 最低氧化值 = ( 8 最外层电子数目)d 区元素最高氧化值 = (n 1)d与ns电子数目之和决定于原子的价电子数目原子的外层电子结构练习：1. 用s、p、d、f 等符号表示：Al、Cr、Fe、As、Ag、Pb元素的原子电子层结构，判断它们属于第几周期第几主族(或副族)。2. 已知下列元素在周期表中的位置，写出它们的价层电子构型和元素符号。第

14、四周期第IVB族； 第四周期第VIIB族；第五周期第VIIA族； 第六周期第IIA族。反物质宇宙中还有一个“反地球”吗？常见物质的原子核是由质子和中子构成的，核外 有电子。我国科学家赵忠尧院士于1930年首先发现了 带正电的电子，即反电子(正电子)。后来人们又发现 了反质子、反中子。由反质子和反中子构成的物质称 反物质。1964年，美国科学家用70亿电子伏特能量的质子 轰击Be，生成一个反质子与一个反中子构成的反氘核 。1996年欧洲核子研究中心制造了9个反氢原子， 2002年9月，又制取了5万个，这是反物质研究的一个 重要里程碑。为什么人们对反物质如此情有独钟？因为正反物 质碰在一起，湮灭后会放出巨大能量，而不留下任何反物质宇宙中还有一个“反地球”