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1、Inorganic Chemistry,李亮荣,Tel: 15079462839 Email: ,原子结构,本 章 基 本 要 求,1.掌握四个量子数描述核外电子运动状态的方法；掌握核外电子排布及原子结构元素周期系的关系；掌握元素某些性质的周期性规律,2.熟悉波函数，电子云的概念；熟悉原子轨道和电子云的角度分布图,3.了解核外电子运动的特殊性；了解多电子原子产生能级交错的原因,核外电子运动的特殊性,核外电子排布规律,原子的电子层结构和元素周期律,本章教学内容,1,2,3,道尔顿原子说,汤姆逊原子结构模型,卢瑟福原子结构模型,1803年 英国- 原子不可分- 实心球体- 近代化学之父,1897年
2、 英国- 发现带负电荷电子- 打破原子不可分观点- 电子带1个单位负荷m = 9.110 -31Kg,1911年 英国- 行星模型- 正电荷集中在一个很小的核上，其余大部分是空的- 该模型所表示的原子是不能稳定存在的,1.1 历史回顾,玻尔原子结构模型,1.核外电子运动的特殊性,1913年 丹麦- 电子只能在有确定半径和能量的固定不连续的轨道上绕核运动，此时电子既不放出也不吸收能量- 离核越近能级越低，越远能级越高- 向低能量跃迁时以光子形式放出能量,只有当电子从较高能级（E2）向较低能级（E1）跃迁时，原子才能以光子的形式放出能量，且能量大小决定于两条轨道间的能量差 E = E2 E1 =
3、h,h = 6.6310-34 Js,玻尔模型的局限： 建立在量子化假设和经典力学基础上，忽略了电子运动的另一个特性波粒二象性,量子力学模型,波粒二象性,薛定谔方程,不确定原理,1924年法国德布罗意,1927年德国海森堡,1926年奥地利薛定谔,微观粒子，不可能同时准确测量其位置和动量.,电子运动的特殊性,德布罗意提出微观粒子（原子、电子等）具有波粒二象性,波粒二性是否只有微观物体才有,m = 1.0 10-2 kg, = 1.0 103 m s-1,宏观物体的波长极短，无法测量也难以察觉，主要表现为粒性,子弹：,德布罗意关系式：,1.2 量子力学模型,不确定原理,微观粒子不同于宏观物体，它
4、们的运动无轨迹可言，即在一确定的时间没有确定的位置,也不可能同时测得电子的精确位置和精确动量,量子力学模型： 具有波粒二象性的电子，已不再遵守经典力学规律，微观体系的运动有着更深刻的规律在起作用 电子运动没有确定的轨道，只有一定的空间几率分布，即电子的波动轨道与其微粒运动的统计性规律 相联系。（轨道核外空间出现机会最多的区域）,电子的运动没有确定的轨道 只有一定的空间概率分布,电子运动的统计性,把若干张氢原子瞬时照片重叠的结果, 波函数,E总能量 V势能 m质量,x，y，z空间直角坐标,对薛定谔方程求解，可以得到一系列解波函数 s、s、p. i相应的能量值 Es、 Es、 Ep . Ei,1.
5、3 波函数薛定谔波动方程,方程的每一个解代表电子的一种可能运动状态，所有的解在三维坐标中就构成了一个空间范围，称为原子轨道,波函数 n,l,m,是描述核外电子运动状态的方程，则它的解是描述核外电子运动状态的函数，在量子力学中常把波函数称为原子轨道函数，波函数的一系列的解，在三维坐标中构成的空间范围图像，简称原子轨道。,波函数的角度分布图,原子轨道（波函数）角度分布图与n无关，只与l,m有关，因此 1s,2s,3s的角度分布图 是相同的,波函数的角度分布图中的+，- 表示原子轨道的正负号，代表的是轨道的对称性，不是电荷的正负。类似于经典波中的波峰和波谷,|2的空间图象，是一个比较形象化的语言。表
6、示电子在原子内核外某处出现的几率密度,H 的1s电子云,电子云,举例：氢原子核外只有一个电子，若固定原子核，电子的位置虽不确定，但它具有统计规律性。2表示电子在核外空间某点出现的概率密度。将空间各处的2值的大小用疏密程度不同的小黑点表示出来,一个小黑点绝不代表一个电子, 您不妨将密密麻麻的小黑点看作某个特定电子在空间运动时留下的“足迹”,注意,球形对称,s电子云的特点,哑铃形,P 电子云的特点,四叶花瓣形 或多纺锤形,d 电子云的特点, 主量子数 n n = 1，2，3，,n 6 7 电子层符号 K L M N O P Q能量高低 低 高,1.4 四个量子数 n、 l 、 m、 ms,主量子数
7、：1. 表示电子离核的平均距离，即电子出现几率最大处离核的距离2. 决定电子能量的主要量子数，对于氢原子，电子能量仅决定于n 3. n 越大，电子离核越远，能量越高；不同的n值，对应不同的电子层, 角量子数 l 描述原子轨道和电子云的形状l = 0 ， 1 ， 2 ， 3 n-1 对应着 s ， p ， d ， f (亚层或能级),1. 如果用n表示电子层，则l 表示同一电子层中具有不同状态的分层 2. 多电子原子中，l还与轨道能量E有关，n相同时，l 越大，E越大.nsnpndnf；n不同时，E由主量子数和角量子数共同决定, 磁量子数（m） 描述原子轨道在空间的 伸展方向,m的每一个取值对应
8、一个伸展方向 m的取值受l的制约，m可取 0，1, 2l 主量子数和角量子数相同的轨道叫简并轨道，也叫等价轨道,f 轨道 (l = 3, m = +3, +2, +1, 0, -1,-2,-3 ) 空间七种取向, 七条等价(简并) f 轨道.,例如: n = 2 l = 0 m = 0 n = 3 l = 1 m = 0,2s 3pz, 自旋量子数（ms）： 描述电子绕自轴旋转的状态 ms 取值+1/2和-1/2，分别用和表示 自旋量子数说明每个轨道填充2个电子 自旋相反的一对电子, 产生的磁场相互抵消,n = 2 l = 0， m = 0 2sl = 1， m = 0 , 1 2px 2py
9、 2pz,n = 3 l = 0， m = 0 3sl = 1， m = 0 , 1 3px 3py 3pz l = 2 ，m = 0 , 1, 2 3dxy 3dxz 3dyz 3dx2-y2 3dx2,解：n = 1 l = 0， m = 0 1s,用四个量子数描述 n = 1、2、3时核外电子运动的可能状态,Question,n =3, l =1, m =-1; n =3, l =0, m =0; n =2, l =2, m =-1; n =2, l =1, m =0; n =2, l =0, m =-1; n =2, l =3, m =2;,下列哪组量子数是正确的?,Question,
10、与 l = 2 对应的轨道是 d 轨道。因为 n = 4, 该轨道的名称应该是 4d。 磁量子数 m = 0 表示该 4d 轨道是不同伸展方向的 5 条 4d 轨道之一,Question,写出 n = 4, l = 2, m = 0 的原子轨道名称,2. 核外电子的排布规律,6 5 4 3 2 1, l 值相同时, 轨道能级只由 n 值决定例: E(1s) E(2s) E(3s) E(4s ) n 值相同时,轨道能级则由 l 值决定,这种现象叫能级分裂.例: E(4s) E(4p) E(4d) E(4f ) n和l都不同时, 主量子数小的能级可能高于主量子数大的能级, 即所谓的能级交错. En
11、s E(n-2)f E(n-1)d Enp,能级组,周期 能量,2.1 多电子原子轨道能级,鲍林原子轨道近似能级图, 反映同一原子价电子层原子轨道能级的相对高低 反映核外电子填充的顺序,1. 屏蔽效应, 把其余电子对指定电子的排斥作用近似看成是抵消了部分核电荷对该电子的吸引作用,结果： 使核对电子的吸引力减小，离核越远，电子能量增大，离核越近的电子对外层电子的屏蔽作用越强，越远的电子受到其他电子的屏蔽作用越强,Slater 规则 外层电子对内层电子 = 0 同层电子间 = 0.35 ; 1 s 的2个电子间 = 0.30 (n-1) 层对 n层 = 0.85 ，更内层对外层 =1.0,2.钻穿
12、效应指外层电子钻穿到内层，受到原子核较强吸引而能量降低的现象。n相同时l 值不同时，l 钻穿效应 轨道E,电子钻穿效应能力比较： nsnpndnf 电子受到的屏蔽效应大小：ns np nd nf 由于S电子的钻穿能力非常强而受到的屏蔽效应最小， 导致（n-1)级的能量高于ns. Ens E(n-1)d,n6 Ens E(n-2)f E(n-1)d Enp n4 Ens E(n-1)d Enp,2.2 核外电子排布原理,电子排布三规则 能量最低原理：电子在原子轨道填充的顺序，应先从能量最低的1s轨道开始, 依次往能量高的高的轨道上填充,1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d
13、5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p, 泡利不相容原理 同一原子中不可能存在运动状态完全相同的电子 或者说同一原子中不能存在四个量子数完全相同的电子 每个原子轨道最多能容纳两个自旋相反的电子,注意：书写电子排布式时，要把同主层n的轨道写在一起,洪特规则：在n和l相同的简并轨道中，电子尽可能以自旋相同的方式分占不同的简并轨道.,Example1. Mn（25） 原子3d 轨道中的 5 个电子排布方式,全充满： s2 , p6, d10, f14 半充满： s1 , p3, d5, f7 全 空： s0 , p0 , d0, f0,但需注意：简并轨道全充满，半充满或全空状态时，原子
14、的能量较低较稳定,29Cu 1s22s22p63s23p63d104s1 全充满,24Cr 1s22s22p63s23p63d54s1 半充满,原子实：,为了避免电子排布过长，通常把内层电子已达到稀有气体结构的部分写成稀有气体元素符号外加方括号的形式来表示,11Na 1s22s22p63s1,8O 1s22s22p4,19K 1s22s22p63s23p64s1,写出O、Na、K、Fe的基态电子组态,26Fe 1s22s22p63s23p63d64s2,Question,写出22号元素Ti的电子组态，价电子构型，轨道图,Question,价电子构型：3d24s2,电子组态： 1s22s22p63s23p63d24s2,或：Ar3d24s2,价电子构型：电子排布式中价电子（参与反应的电子，一般指在反应过程中易失去的电子）所在的亚层电子排布，如:19K: 4S1,
