普通化学课件第五章

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1、1,第五章,物质结构基础,2,5.1 原子结构的近代概念,量子化：如果某一物理量的变化是不连续的，而是以某一最 小单位作整数倍的增加(或减少)，我们就说这个物 理量是量子化的，这一最小单位就叫做这一物理量 的量子( quanta )。,例：一个电子e 的电量 = 1.6 1019 库仑,人们对原子结构的认识不象对宏观物体那样直观，只能 通过实验现象人为地提出一个模型，如果假设的模型不能解 释实验现象，模型就需要修改，因此人们对原子结构的认识 过程，就是根据实验现象不断完善模型的过程。,5.1 原子结构的近代概念,3,Dalton 原子模型(1803年),Thomson原子模 型 (1804年)

2、,Rutherford原子 模型 (1911年),Bohr原子模型 (1913年),近代原子模型 (1927 1935年),5.1 原子结构的近代概念,4,n= 1，2，3，4 . . . . . . ， n2 n1 n 主量子数。,5.1 原子结构的近代概念,5,玻尔理论的优缺点：,成功地解释了氢原子光谱的不连续(discontinuous)。 提出了原子能级和主量子数的概念，提出电子可以在 不同能级间跃迁。(E = -1312/n2 kJ/mol) 把电子的简单地解释为经典粒子，并认为其运动同宏 观物体一样是有轨迹的，只是人为地规定轨道要服从 量子化条件。 只能解释氢原子及一些单电子离子的

3、光谱，对多电子 原子其光谱的计算值有很大出入。,5.1 原子结构的近代概念,6,微观粒子的波、粒二象性:,1924年，法国，物理学家 Louis de Broglie 预言：,1927年，电子衍射实验：,电子束 狭缝,电子衍射图,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,(wave particle duality of microscopic particle),(5.1),5.1 原子结构的近代概念,7,根据 de Broglie 式计算几种粒子的波长如下：,所以，宏观物体的波动性是极微弱的，难以察觉

4、，主 要表现为粒性，而微观粒子的运动应考虑其波动性。,5.1 原子结构的近代概念,8,5.1.1 波函数(wave function),E 体系的总能量。 m 粒子的质量。 V 体系的势能。 h 普朗克常数。,5.1 原子结构的近代概念,9,Schrodinger E,1926年 奥地利物理学家 Schrodinger 提出 描述电子运动状态的波动方程：,5.1 原子结构的近代概念,例如：基态氢原子的波函数的解：,10,波函数和量子数 P204 (wave function and quantum number),n ：1、2、3、4、5、 ,主量子数 n (principal quantum

5、 number), 确定电子离核的远近。与电子的能量有关。,5.1 原子结构的近代概念,11,角量子数（azimuthal quantum number ), 反映了波函数的形状。其取值受 n 限制。, ：0、1、2、3、 (n-1),例: n = 1 = 0 (一种形状) n = 2 = 0、1 (二种形状) n = 3 = 0、1、2 (三种形状) n = 4 = 0、1、2、3 (四种形状),磁量子数m （magnetic quantum number ),5.1 原子结构的近代概念,12,磁量子数m, 反映了波函数的空间取向。其取值受 限制。,m ：0、1、2、3、 ,例: n = 1

6、 = 0 m = 0 (一种取向) n = 2 = 0 m = 0 1 m = 0、 1 (三种取向) n = 3 = 0 m = 0 1 m = 0、 1 2 m = 0、 1、 2 (五种取向) n = 4 = 0 m = 0 1 m = 0、 1 2 m = 0、 1、 2 3 m = 0、 1、 2、 3 (七种取向),5.1 原子结构的近代概念,13,只有当三个量子数各自数值一定时，波函数才有确切 的解，相应的解表示电子的运动状态，用表示，也可叫 “原子轨道”，即：Atomic Orbital .( 注意: orbit 与 orbital 的区别。),例: n = 1 = 0 m =

7、 0 (1 0 0 ),量子数与原子轨道（运动状态）的关系：,例如：基态氢原子的波函数的解：,5.1 原子结构的近代概念,14,例: n = 2 = 0 m = 0 (2 0 0 ) 1 m = 0 (2 1 0 ) 1 (2 1 1 ) 、(2 1 1 ),例如：激发态氢原子的波函数的解：,5.1 原子结构的近代概念,15,n = 4 = 0 m = 0 1 m = 0、 1 2 m = 0、 1、 2 3 m = 0、 1、 2、 3,n = 3 = 0 m = 0 (3 0 0 ) 1 m = 0 (3 1 0 ) 1 (3 1 1 ) 、(3 1 1 ) 2 m = 0、 (3 2 0

8、 ) 1 (3 2 1 )(3 2 1 ) 2 (3 2 2 ) (3 2 2),当n 有确定值时就有 n2 个波函数的解， 也可以说电子有n2 种运动形式。,5.1 原子结构的近代概念,16,光谱学上规定:,例: n = 4 = 0 m = 0 4s 轨道 1 m = 0、 1 4p 轨道 2 m = 0、 1、 2 4d 轨道 3 m = 0、 1、 2、 3 4f 轨道,5.1 原子结构的近代概念,17,例1：指出下列各组量子数中，哪些组是不可能存在的 哪些是合理的。 (1) 3 2 2 (2) 2 2 2 (3) 3 1 0 (4) 3 0 1 (5) 3 2 1 (6) 2 0 2

9、(7) 2 1 0 (8) 1 1 1,例2: 填空,2 0 0,2p,0 1,3 2,0 12,4f,0123,5 3,0123,4 2,3 1,0 12,0 1,5.1 原子结构的近代概念,18,2. 波函数(原子轨道)的角度分布(angular wave function)图 P206, (X, Y, Z),x = rsincos y = rsinsin z = r cos ,5.1 原子结构的近代概念,19, (r, , ) 波函数,R( r ) 径向波函数。以r 对R 作图叫原 子轨道的径向分布图。 Y (, ) 角度波函数。以(, )对Y 作 图叫原子轨道的角度分布图。,5.1 原

10、子结构的近代概念,20,例如：基态氢原子的波函数的解：,角度分布函数 Y1S =,5.1 原子结构的近代概念,21,例： 氢原子1S 轨道的角度分布函数 Y1S =,原子轨道的角度分布图沿最大值轴线旋转一周为 一空心状，球面上任意一点到原点的距离为这个方向 上的Y 值。,5.1 原子结构的近代概念,22,2p 轨道波函数的解：,角度分布函数,YPZ,5.1 原子结构的近代概念,23,例：YPZ=,5.1 原子结构的近代概念,24,y,Z,+,PZ,+,Py,y,+,X,PX,25,d 轨道角度分布图:,5.1 原子结构的近代概念,26,5.1.2 电子云(electron cloud),1.

11、电子云与几率密度,声波、无线电波、光波都可以用波函数的平方来 表示波的强度。同理 2 也可以表示电子波的强度， 电子波的强度应与电子在空间某位置上单位体积内出 的几率大小成正比。电子在原子内各位置上出现的几 率大小若用小黑点来表示，就叫做电子云。,电子云,几率密度=,2 几率密度,5.1 原子结构的近代概念,27,2. 电子云的角度分布图,5.1 原子结构的近代概念,28,3. 电子云的径向分布图P210,如果不考虑电子云的角度分布 , 电子云的径向分布 R2 可以代表2即可以表示几率密度。,5.1 原子结构的近代概念,29,在半径为 r ，厚度为 dr 球壳中 电子出现的几率 = R2(r)

12、 体积 = R2(r) 4r 2 dr,dr,r,单位厚度(即一球面) 电子出现的几率 =,= 4r2 R2(r), 以 r 为横坐标, 以4r2 R2(r) 为纵坐标作图就有确切的 物理意义: 反映电子出现几率的大小与离核远近的关系。,r,dr,5.1 原子结构的近代概念,30,单位厚度(即一球面) 电子出现的几率 =,= 4r2 R2(r), 以 r 为横坐标, 以4r2 R2(r) 为纵坐标作图就有 确切的物理意义: 反映电子出现几率的大小与离核 远近的关系。,r,dr,5.1 原子结构的近代概念,31,r,4r2 R2(r),1S,几点讨论：,l 相同，n 不同，可 认为电子分“层”。

13、,n 相同，l 不同，可认为同属一“亚层”。 但能量:3S 3P 3d。,峰值= ( n l ),32,5.2 多电子原子结构和周期系P230,根据光谱实验结果，可归纳三条规律：,5.2.1 多电子原子轨道的能级,l 相同，n 不同时, 由n 决定。1S 2S 3S 。,n 相同，l 不同时，由l决定。3S 3P 3d。,能级交错。4S 3d 、 5S 4d 、6S 4f 5d,5.2 多电子原子结构和周期系P211,33,4S,5.2 多电子原子结构和周期系P211,34,自旋量子数 ms (spin quantum number ), 表示电子的自旋方向。取值为,5.2 多电子原子结构和周

14、期系P211,35,5.2.2 核外电子分布原理和核外电子分布方式 P213,1. 核外电子分布的三个原则:,Pauli 原理: 每个轨道只能容纳 2 个电子。 (n、l、m 确定) S12 、P16 、d110 、f114,能量最低原理：电子在不违背 Pauli 原理的前 提下，优先占据能量最低的轨道，以使整个原 子能量最低 。 例：N 原子的电子排布式应为：1S2 2S2 2P3 C 原子的电子排布式应为：1S2 2S2 2P2,5.2 多电子原子结构和周期系P230,36,Hund 规则：电子尽可能分占不同轨道并且自旋 平行。 例： N： 1S2 2S2 mS 相同,24号：Cr： 1S2 2S2 2P6 3S2 3P63d5 4S1 (半满) 29号: Cu: 1S2 2S2 2P6 3S2 3P63d10 4S1 (全满，半满),5.2 多电子原子结构和周期系P230,37,2. 核外电子分布式和外层电子分布式:,原则：按上述三个原则和近似能级顺序排列。,注意书写按 n 值增大的顺序写。,1S 2S 2P 3S 3P 3d 4S 4P 4d .,