原子结构与元素周期律_2

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1、原子结构与元素周期律,一、 原子核外电子的运动状态 二、 原子中电子的排布 三、 原子核外电子排布与元素周期律 四、 元素性质的周期性,第一节 原子核外电子的运动状态 一 微观粒子的波粒二象性1924 年，法国年轻的物理学家 L. de Broglie ( 1892 1987 )指出，对于光的本质的研究，人们长期以来注重其波动性而忽略其粒子性；与其相反，对于实物粒子的研究中，人们过分重视其粒子性而忽略了其波动性。,L. de Broglie 从 Einstein 的质能联系公式 E = m c 2 和光子的能量公式 E = h 的联立出发，进行推理：,用 P 表示动量，则 P = mc ，故有

2、公式,式子的左侧动量 P 是表示粒子性的物理量，而右侧波长 是表示波动性的物理量。二者通过公式联系起来。,de Broglie 认为具有动量 P 的微观粒子，其物质波的波长 为 ，,1927 年， de Broglie 的预言被电子衍射实验所证实，这种物质波称为 de Broglie 波。,研究微观粒子的运动时，不能忽略其波动性 。微观粒子具有波粒二象性。,例 (1)电子在1V电压下的速度为5.9105ms-1, 电子的质量m = 9.110-31kg, h为6.626 10-34 Js, 电子波的波长是多少？ (2)质量1.010-8kg的沙粒以1.010-2ms-1的 速度运动, 波长是多

3、少？,解： (1) 1J = 1kgm2s-2, h = 6.62610-34 kgm2s-1,根据德布罗意关系式,电子半径为10-10m 与波长在同一数量级,(2),可见，宏观物体质量大,波长极小，波动性难以察觉, 仅表现出粒子性；微观粒子质量小,其德布罗意波长不可忽略。,三、测不准原理(Uncertainty Principle),xpxh/4 （9.5）,1927年海森堡提出著名的测不准原理:,x 为x方向坐标的测不准量(误差), px为x方向 的动量的测不准量, 两者互为倒数关系。,例 电子在原子中的运动速度约为6106 ms-1，原子半径约为10-10 m，若速度误差为1，电子的位置

4、误差x有多大？,解：,电子的位置误差比原子半径大10倍，即位置确定极其 不准确。,总结：1.测不准原理是量子力学的基本原理之一；2.它并不意味着微观粒子运动无规律可言，只是说它不符合经典力学的规律;3.应该用量子力学来描述微观粒子的运动。,由薛定谔方程解出来的描述电子运动状态的波函数（有时是波函数的线性组合），在量子力学上叫做原子轨道。它可以表示核外电子的运动状态。,解出每一个原子轨道，都同时解得一个特定的能量 E 与之相对应。对于氢原子来说,式中 z 是原子序数，n 是参数，eV 是能量单位。,在此，并不要求我们去解薛定谔方程。,几率密度和电子云,（1）电子云的概念,假想将核外一个电子每个瞬

5、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。,1s,2s,2 p,（2）几率密度和电子云,几率是电子在某一区域出现的次数叫几率。几率与电子出现区域的体积有关，也与所在研究区域单位体积内出现的次数有关。几率密度 电子在单位体积内出现的几率。,几率与几率密度之间的关系 几率（W） = 几率密度 体积（V） 。 相当于质量，密度和体积三者之间的关系。,各种电子云的角度分布图,电子云的角度分布图比波函数的角度分布图略 “瘦”些。电子云的角度分布图没有。,作为波函数的符号，它表示原子轨道的对称性，因此在讨论化学键的形成时有重要作用。,波函数的角度分布图有。

6、 这是根据的解析式算得的。它不表示电性的正负。,四个量子数,波函数 的下标 1，0，0； 2，0，0；2，1，0 所对应的 n，l，m，称为量子数。,（1） 主量子数 n取值 1， 2， 3， 4 n 为正整数 ( 自然数 ) ， 光谱学上用 K，L，M，N 表示 。意义 表示原子轨道的大小，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 ) ，离核最近。n 越大离核越远。,单电子体系，电子的能量由 n 决定,E 电子能量，Z 原子序数，eV 电子伏特，能量单位，1 eV = 1.603 1019 J,对于 H 原子n = 1 E = 13.6 eV n =

7、 2 E = 3.40 eV n E = 0 即自由电子，其能量最大，为 0 。,n 的数值大，电子距离原子核远， 则具有较高的能量。,主量子数 n 只能取 1，2，3，4 等自然数，故能量只有不连续的几种取值，即能量是量子化的。所以 n 称为量子数。,（2） 角量子数 l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 ( n 1 ) ， 共 n 个取值，光谱学上依次用 s，p，d，f， g 表示 。,如 n = 3， 角量子数 l 可取 0， 1， 2 共三个值，依次表示为 s， p， d 。,意义 角量子数 l 决定原子轨道的形状 。例

8、如 n = 4 时， l 有 4 种取值，就是说核外第四层有 4 种形状不同的原子轨道：,l = 0 表示 s 轨道，形状为球形，即 4 s 轨道；l = 1 表示 p 轨道，形状为哑铃形， 4 p 轨道；l = 2 表示 d 轨道，形状为花瓣形， 4 d 轨道；l = 3 表示 f 轨道，形状更复杂， 4 f 轨道。,由此可知，在第四层上，共有 4 种不同形状的轨道。同层中 ( 即 n 相同 ) 不同形状的轨道称为亚层，也叫分层。就是说核外第四层有 4 个亚层或分层。,（ 3 ） 磁量子数 m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，

9、， l 。,共 2 l + 1 个值。,若 l = 3，则 m = 0， 1， 2， 3， 共 7 个值。,m 决定原子轨道的空间取向。 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。,每一种 m 的取值，对应一种空间取向。,m 的不同取值，或者说原子轨道的不同空间取向，一般不影响能量。3 种不同取向的 2 p 轨道能量相同。我们说这 3 个原子轨道是能量简并轨道，或者说 2 p 轨道是 3 重简并的。,而 3 d 则有 5 种不同的空间取向， 3 d 轨道是 5 重简并的。,（4） 自旋量子数 ms电子既有围绕原子核的旋转运动，也有自身的旋

10、转，称为电 子的自旋。,m s 的取值只有两个，+ 1/2 和 1/2 。电子的自旋方式只有两种，通常用 “ ” 和 “ ” 表示。所以 Ms 也是量子化的。,所以，描述一个电子的运动状态，要用四个量子数：,n ， l ， m ， ms,同一原子中，没有四个量子数完全相同的两个电子存在。,小结 四个量子数,四个量子数和电子运动状态,l = 0, 1, 2, , (n-1); m = 0, 1, 2, , l,n=1 l=0 0 1s 球形 1 1,0,0,n l m 轨道 形状 轨道数(n2) 波函数,综上得出n、l、m 的取值的一般规律：,例 用四个量子数描述 n= 4，l = 3 的所有电

11、子的运动状态。,解：l = 3 对应的有 m = 0， 1， 2， 3， 共 7 个值。即有 7 条轨道。每条轨道中容纳两个自旋量子数分别为 + 1/2 和 1/2 的自旋方向相反的电子，所以有 2 7 = 14 个运动状态不同的电子。分别用 n ，l ， m， m s 描述如下：,n ， l ， m， m s 4 3 0 1/2 4 3 1 1/2 4 3 1 1/2 4 3 2 1/2 4 3 2 1/2 4 3 3 1/2 4 3 3 1/2,n ， l ， m， m s 4 3 0 1/2 4 3 1 1/2 4 3 1 1/2 4 3 2 1/2 4 3 2 1/2 4 3 3 1/

12、2 4 3 3 1/2,例 已知基态Na原子的价电子处于最外层3s亚层，试用n、l、m 、 si量子数来描述它的运动状态。,解：最外层3s亚层的 n=3 、l=0、m =0 、 ms 有两种可能，所以它的运动状态可表示为：3,0,0, +1/2(或- 1/2) 。,二、原子的电子组态及核外电子排布,多电子原子的核外电子的排布又称为电子的组态。 根据光谱数据，归纳出核外电子排布的三个原理。,“系统的能量愈低，愈稳定”是自然界的普遍规律。基态原子，是最稳定的系统，能量最低。 最初认为：原子的核外电子按照原子轨道能级从低到高的顺序依次填充，即符合能量最低。,实践证明 ：上述考虑是片面的。电子分布在什

13、么轨道，并不完全由该轨道的能级高低决定，而是由整个原子的能量是否最低决定。,1.能量最低原理：,1.Pauling近似能级图,徐光宪公式: 我国著名化学家徐光宪根据光谱数据，提出了基态多电子原子轨道的能级高低的定量依据，即 n+0.7 l 近似规则： n+0.7 l 值越大，轨道能级越高。,计算的能级顺序与鲍林能级顺序相吻合。,徐光宪的能级分组：n+0.7l 整数相同者为一组,屏蔽效应,为屏蔽常数，可用 Slater 经验规则算得。,Z= Z*，Z* 有效核电荷数,进入原子内部空间，受到核的较强的吸引作用。,钻穿效应,不同状态的电子对电子i 的屏蔽作用的强弱不同，影响的因素：1. 外层电子对内层电子的屏蔽作用可以忽略, 0。2. (n1)层电子对n层电子屏蔽作用较强，0.85；(n2)层以内的电子对n层电子屏蔽作用更强，1.003.同层电子之间的屏蔽作用比内层电子的屏蔽作用弱, 0.35, 两个1s之间0.30 。 4.研究对象为nd、nf电子时，内层全为1,