无机化学.原子结构教案

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1、1 无机化学课程项目教学设计方案作者：熊颖单位：江西省医药学校2014 年3 月 5 日2 课程无机化学周次1 授课班级13 级五年制药技术一班二班、13级五年中药同济堂、13 级五年中药永安堂授课教师熊颖课题原子结构计划课时4 教学目的要求1、了解近代微观粒子结构的初步概念；了解微观粒子的波粒二象性、能量量子化和统计解释。2、了解波函数、原子轨道、电子云、能级的基本概念。3、掌握 n，l，m，ms 四个量子数及其物理意义；理解s，p，d 原子轨道和电子云角度分布图的特征。4、理解原子轨道的能级组，屏蔽效应理论及有效核电荷的计算。5、掌握核外电子的分布原则及电子分布式的书写，元素周期律和周期表

2、，元素性质与原子结构的关系；理解原子半径、镧系收缩、元素的电离能、电子亲和能、电负性、氧化数、金属性和非金属性的概念及其周期变化规律。重点难点重点：掌握核外电子的分布原则及电子分布式的书写，元素周期律和周期表，元素性质与原子结构的关系难点：了解波函数、原子轨道、电子云、能级的基本概念授课方法讲授、示范、操作图例教具课堂教学场所13 级五年制药技术一班二班（2-505）、 13 级五年中药同济堂(1-503) 、13 级五年中药永安堂(2-302) 时间分配2 学时：波函数、原子轨道、电子云、能级的基本概念。2 学时：n，l，m，ms 四个量子数及其物理意义；理解s，p，d 原子轨道和电子云角度

3、分布图的特征。教学设计教师不但要考虑教师主导作用的发挥，更要注重学生认知主体作用的体现，使他们能够在课堂教学过程中发挥积极性、主动性。实训内容第 1、2 学时：波函数、原子轨道、电子云、能级的基本概念第 3、4 学时：n，l，m，ms 四个量子数及其物理意义；理解s，p，d 原子轨道和电子云角度分布图的特征。3 教学过程一、新课导入二、教学步骤2 2.1 原子结构 理论的发展概述一、含核的原子模型,古中国和古希腊的物质结构学说；,道尔顿的原子学说（ 1808 ） ：原子不可分；,卢瑟福的含核原子模型（ 1911 ） 。 二、玻尔的原子模型（一）氢原子光谱玻尔氢原子理论（1913 ） （二）玻尔

4、氢原子理论,原子结构 理论的几点假设：原子结构 理论的几点3 1、在原子中， 电子不是在任意轨道上绕核运动，而是在一些符合一定条件 （从量子论导出的条件）的轨道上运动。稳定轨道（ stable orbital ）具有固定的能量，沿此轨道运动的电子，称为处在定态的电子，它不吸收能量，也不发射能量2、电子在不同轨道上运动时具有不同的能量，通常把这些具有不连续能量的状态称为能级（energy level ） 。 玻尔氢原子能级为：玻尔氢原子能级为：B E=, 2 n n称为量子数（ quantum number n quantum number） ，其值可取 1，2，3 等任何1 2 3 正整数。

5、B 为常数，其值等于2.18 10-18J 。 3、当电子从某一轨道跃迁到另一轨道时，有能量的吸收或放出。其频率 可由两个轨道的能量差,E 决定： E2- E1 = ,E = h h为普朗克常量，其数值为6.62618 1034J,s 。 4 （三）对玻尔理论的评价优点：,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。,不足：不足：（1）未能完全冲破经典力学连续概念，只是勉强加进了一些人为的量子化条件和假定。（2）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。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。（3）未考虑其运动的波动性， 采用了宏观轨道的

6、概念。5 （四）几个基本概念,稳定轨道在原子中一些符合一定条件（从量子论导出的条件）的轨道。稳定轨道的特点 具有固定的能量。,定态电子稳定轨道上运动的电子，不吸收能量，也不发射能量,能级 具有不连续能量的状态。,基态 轨道离核最近，能量最低，这时的能量状态。, 激发态 除基态以外的任何能级状态。6 2.2 原子的量子力学模型一、微观粒子的运动特征1. 量子性,量子：如果某一物理量的变化是不连续的，而是以某一最小单位量子：作跳跃式的增减，这一物理量就是量子化的，其最小单位就称这一物理量的量子（ quantum ） 。 如物体所带的电荷量从Q 增加到 Q+dQ ， QdQ ， 但 dQ 所包含的电

7、子个数却是很大的(例如 1库仑的电荷量为 6.241018个电子的电量 ) 从宏观上 Q Q+dQ可以认为是连续变化的。在微观领域里， 一个微观粒子如果是一个离子，所带电荷只有一个或几个电子，从而离子所带电荷的变化，如A- A2 - A3 -，就 不能认为是连续变化的，而是跳跃式的变化。7 2. 波粒二象性,波粒二象性：与光子一样，电子、质子、中子、原子和分子等微观粒子都具有波动和粒子两重性质。,德布罗依波或物质波： 实物微粒除具有粒子性外，还具有波的性质，这种波称为 （matter wave ） 。 h 德布罗依预言高速运动电子的波长为： = m m电子的质量； 电子运动的速率， h普朗克常

8、量。,波动性的实验证明8 3、微观粒子运动的统计性、 概率密度：,概率密度： 单位体积的概率。在空间某一点波的强度和粒子出现的概率密度成正比。,衍射实验：用强度很弱的电子流，即让电子一个一个地通过晶体到达底片时，底片上就会出现一个一个显示电子微粒性的斑点，如图（a） ，但斑点的位置无法预言，似乎是毫无规则地分散在底片上。若时间足够长， 斑点最后会形成和强电子流所得的衍射图案一样，显示了电子的波动性，如图（b）示。9 对大量粒子行为而言，衍射强度大的地方，出现粒子的数目就多，强度小的地方出现粒子数目就少；对一个粒子的行为而言，通过晶体后粒子所到达的地方是不能预测的，但衍射强度大的地方，粒子出现的

9、机会也多（概率大）， 而强度小的地方，粒子出现的机会也少（概率小）。衍射强度大小即表示波的强度大小，即电子出现概率的大小。,概率波： 电子运动在空间出现的概率可以由波的强度表现出来，概率波：因此电子及其微观粒子波（物质波）又称。 10 二、核外电子运动状态的近代描述1. 薛定锷方程,2 ,2 ,2 82 m 形式：,形式：+ 2 + 2 + 2 (E ,V ) = 0 2 ,z ,x ,y h , 求解：求解：常将直角坐标的函数(x,y,z)， 经坐标变换后， 成为球极坐标的函数 (r, ,) ， 再用分离变量法将(r, ,) 表示成为R(r) 和 Y(,)两 部分，Y(,)又可分为()和 (

10、)。 Y(,) = (), () 变换关系如图： (r, ,) = R(r),Y(, ) R(r)只与电子离核半径有关，故称为波函数的径向部分；波函数的径向部分；Y(, )只与 、两个角度有关，故称为波函数的角度部分11 2 、波函数与原子轨道、 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，在解( )方程时还要引入一个参数m。 n 称为主量子数，称为角量子数， m 称为磁量子数。它们的取值范围分别是：n = 1 ，2，3，4，7 l = 0 ，1，2，3，n-1，共可取 n 个数值。m = 0， 1， 2， 3， 。共可取 2l +1 个数值。解薛定锷方程，可

11、得波函数的径向部分Rn l (r) 和角度部分Yl m( , ) ,原子轨道：在量子力学中，三个量子数都有确定值的波函数称为 。 12 注意：原子轨道的含义不同于宏观物体的运动轨道，也不注意：同于玻尔所说的固定轨道，它指的是电子的一种4 空间运动状态。微观粒子的波函数本身没有明确的物理意义，但| |2 的物理意义明确： | |2 代表微粒在空间某点出现的概率密度。3、概率密度和电子云、 ,概率密度： 单位体积内的概率(probability density) 概率密度：电子云：,电子云： | |2 在原子核外空间电子出现概率的大小的图形(electron cloud) 。 电子云没有明确的边界

12、， 在离核很远的地方，电子仍有出现的可能，但实际上在离核300pm 以外的区域， 电子出现的概率可以忽略不计。13 注意：对于氢原子来说，只有1个电子，图中黑点的数目注意并不代表电子的数目，而只代表 1个电子在瞬间出现的可能位置。当氢原子处于激发态时，也可得到各种电子云的图形，但要复杂得多。为了使问题简化，也可以分别从两个不同的侧面来反映电子云，即画出电子云的径向分布图和角度分布图。14 4、四个量子数的物理意义（1）主量子数（principal quantum number） ）主量子数 n 描述电子层能量的高低次序和离核远近的参数。即主量子数决定电子在核外出现概率最大区域离核的平均距离。电

13、子在原子核外不同壳层区域内（电子层）运动，具有不同的能级。在光谱学上另用一套拉丁字母表示电子层， 其对应关系为：主量子数 (n) 电子层1 K 2 L 3 M 4 N 5 O 6 P 15 （2） 角量子数 （azimuthal quantum number） ）角量子数 l 描述电子云的不同形状,形状不相同，能量稍有差别。l 值可以取从0到 n-1的正整数， l = 0 ，1，2， （n-1 ） ，共可取 n 个数。 l 的 数值受 n 的数值限制。n = 1(K 层)：l=0(s 态)，只有1s 一个亚层。 原子轨道 （或电子云）球形对称， 或称 s 轨道（或 s 电子云）。 n = 2(

14、L 层)：l= 0(s 态)，l=1(p态)，有2s,2p 两个亚层。 其中 l=1时 ，原子轨道 （或电子云） 呈纺棰形 （或哑铃形） 分布。 n = 3(M 层)：l=0(s态)， l =1(p 态)， l =2(d 态)，有3s,3p,3d 三个亚层。其中 l =2时，原子轨道（或电子云）呈花瓣形分布。n = 4(N 层)： l = 0(s 态)， l =1(p 态)， l = 2(d 态)， l = 3(f 态)，有 4s,4p,4d,4f四个亚层。其中l=3时，原子轨道（或电子云）形状复杂结论：结论： l 值反映了波函数即原子轨道（或简称轨道）的形状。每种值表示一类原子轨道的形状，其

15、数值常用光谱符号表示：l = 0 ， 1， 2， 3的轨道分别称为s、p、 d、f 轨道。16 （3）磁量子数（magnetic quantum number） ）磁量子数 m 描述原子轨道（电子云）在空间的伸展方向。 m 值受 l 值的限制，可取从+ l 到- l ，包括 0在内的整数值，故l 确 定后 m 可有 2 l +1个数值。,原子轨道： 常把 n、l 和 m 都确定的电子运动状态。等价轨道： ,等价轨道：l 相同的几个原子轨能量等同称（equivalent orbital ） 。 或简并轨道简并轨道（ degenerate orbital ） 。 简并轨道（4）自旋量子数s （sp

16、in quantum number ） ）自旋量子数m 电子不仅绕核旋转，还绕着本身的轴作自旋运动。用（ ） （ ）或 +1/2 和-1/2 两个值，分别代表电子顺时针和逆时针的两个自旋方向。,总结：四个量子数结合，才可说明电子在原子中所处的状态。 若 总结： 表示能级只要二个量子数（n，l）即可。 17 ,四个量子数的一般情况n l（ = 0，1， 0，1 2 0,1 s, p 1+3 (n2) 2(1+3)= 8 (2n2) 3 0,1,2 s,p,d 1+3+5 (n2) 2(1+3+5) =18 (2n2) 4 0,1,2,3 s,p,d,f 1+3+5+7 (n2) 2(1+3+5+7 )=32 (2n2) 18 0 2， （n-1） s ， （n m（ 2 l +1 ） 1 +1） 轨道数(n2) ms (+1/2 、-1/2 ）2 (+1/2