《无机化学 教学课件 ppt 作者 李瑞祥 曾红梅 周向葛 等编第八章 原子结构》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无机化学 教学课件 ppt 作者 李瑞祥 曾红梅 周向葛 等编第八章 原子结构（109页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第八章 原子结构,对化学反应来讲，物质是千变万化的，但归根结底，化学反应中，原子核不发生变化，只是核外电子运动状态的改变。因此要了解物质的性质及其变化规律，首先必须了解原子的内部结构，特别是核外电子的运动状态。,8-1 核外电子的运动状态,我们知道，电子、质子、中子、阴极射线、x-射线的发现以及卢瑟福的有核原子模型建立，正确回答了原子的组成问题，然而原子中核外电子的分布规律和运动状态等问题的解决，以及近代原子结构理论的确立，则是从氢原子光谱实验开始的。,1-1 氢原子光谱和玻尔理论 氢原子光谱 太阳光棱镜连续光谱,原子发射不连续光谱(不同原子不同的谱线),然而原子光谱以氢原子光谱最为简单，研究
2、最详细，它在可见光区有四条明显的谱线，H、 H、 H、 H、瑞典物理学家里德堡(Rydberg)在仔细测定了氢原子光谱可见光区各谱线的频率，找出了能概括谱线之间普遍联系的公式，原子发射不连续光谱(不同原子不同的谱线),后来在氢原子光谱的紫外区和红外区分别发现了赖曼系和帕邢线系。各谱线的频率和波数也符合上式。这说明这经验公式在一定程度上反映了原子光谱的规律性。,里德堡常数，1.097105 cm-1。,波数，是波长的倒数:,n1 和n2 为正整数，且n1 n2 。,19世纪末，人们试图用当时的经典电磁理论解释原子的光谱现象，发现经典电磁理论和有核原子模型跟原子光谱的实验结果发生尖锐矛盾。经典电磁
3、理论，绕核高速运动的电子将不断以电磁波的形式发射能量，这导致： 、电子的能量将不断减小，最后将坠落在原子核上，引起原子的毁灭； 、核外运动的电子是连续发出能量，光谱应是连续光谱。 为了解决上述矛盾，丹麦物理学家波尔引用了德国物理学家普朗克(Planck)的量子论，提出了波尔结构理论。,物理量的不连续(量子化)是微观世界的重要特征。如电量的最小单位是一个电子的电量，电量是量子化的。,谱朗克常数：6.62610-34J.S,物质吸收和发射能量是不连续的，即它具有微小的能量单位量子。也就是说，只能以单个的、一定份量的整数倍的方式吸收或发射能量。由于能量是以光的形式传播出来的，所以又叫光量子(光子)。
4、,2 波尔理论,光子的能量和光频率的关系为：,E = h,光的频率,1900 Planck 量子化理论,(r为轨道半径，m为电子质量，v为电子运动速度，n为正整数，为圆周率，h为普朗克常数)。,1913年波尔(Bohr)在普朗克量子论和爱因斯坦光子学说和卢瑟福的有核原子模型的基础上提出：,、电子不是在任意轨道上绕核运动的，而是在一些符合一定条件的轨道上运动的。这些轨道的角动量,符合这种量子化条件的轨道称为稳定轨道，电子在稳定轨道上运动不放出能量。,、电子在离核越远的轨道上运动，其能量越大。原子在正常情况下或稳定状态时(基态)，各电子层尽可能处在离核最近的轨道上，当电子获得能量从稳定轨道跃迁到高
5、能轨道时，此时电子处于激发态。,、只有电子从较高的能级跃迁到较低的能级时，电子才会以光子的形式放出能量。光子能量的大小由两个轨道间的能量差决定。,在上述基础上，波尔根据经典力学原理和量子化条件，计算了电子运动的轨道半径和电子的能量E。电子绕核的向心力由核与电子之间的静电引力提供的。,电子运动能量：,可见电子的能量E和电子距离原子核的半径r是以量子化的方式不断增加的。,电子势能：即认为将电子从离核无限远处移入电场中距原子核为r的轨道中，这时的功可以认为是电子的势能E势,它和里德堡经验公式完全一致。,波尔成功地解释了氢光谱的产生原因和规律：,同时波尔理论给里德堡经验公式以满意的解释：,即这个能量为
6、1311.6kJ.mol-1，和实验值1312kJ.mol-1非常接近。,另外波尔理论成功计算氢原子的电离能：,电子从n = 1:,波尔理论虽成功地解释了氢发光现象，但它不能解释氢光谱的精细结构（在精密的分光镜下发现每一条谱线均分裂为几条波长相差甚微的谱线。在磁场内，各谱线还可以分裂为几条谱线），因为Bohr理论仍是旧量子论的范畴，它只是在经典力学基础上引入了一些量子化的条件。,局限性,1-2、微观粒子的波粒二象性,1 光的二象性,干涉、衍射现象波的特征； 光的吸收、发射、光电效应等微粒特征；,E=h =hc/ E=mc2 P=mv=h/,上式右边是表示波的波动性的物理量和，而左边是表示离子性
7、的物理量能量E和动量P，很好地揭示了光的本质。,2 电子的波粒二象性,Bohr的原子结构理论把电子看成一个微小粒子，它的运动规律遵循经典力学规律，但是1924年德国物理学家德布罗意，在光的波粒二象性的启发下，大胆地提出了实物粒子(电子等)也有波粒二象性，他曾预言，高速运动的电子的波长：,（a）X射线的衍射图,（b）电子衍射图,1927年，美国物理学家Davisson和Germer用电子束代替X射线做晶体衍射实验，得到了与X射线衍射图象相似的衍射环纹图，确认了电子具有波动性。,实践证明，运动的质子、中子、原子、分子等微观粒子有波粒二象性，因而描述微观粒子等的运动规律不能沿用经典牛顿力学原理，而要
8、用量子力学。,= 4.85 nm,3 海森堡测不准原理,在经典力学中，人们能准确地同时测出一个宏观物质的位置和它的动量。但是量子力学认为，对于具有波粒二象性的微观粒子，人们不可能准确地测定电子运动的速度和空间位置。这是1927年德国物理学家海森堡提出的重要关系式测不准关系。,测不准关系式的含义是：我们用位置和动量两个物理量来描述微观粒子的运动时，只能达到一定的近似程度。粒子位置的测定准确度愈大(x越小)，则其相应的动量的准确度就愈小(p越大)，反之亦然。,这里应指出，测不准关系并不是说微观粒子的运动是虚无缥缈的，不可认识的，实际上测不准关系只是指出了微观粒子运动具有波粒二象性。因此，不能把它看
9、作是符合经典力学运动规律的粒子。根据量子力学理论，对微观粒子的运动规律只能采用统计的方法，作出几率性的判断。,1 薛定谔方程微粒的波动方程 (Schodinger Equation),海森堡的测不准原理，否定了波尔提出的原子结构模型。因为根据测不准原理，不可能同时准确地测定电子的运动速度和空间位置。这说明波尔理论中核外电子的运动具有固定轨道的观点不符合微观粒子运动的客观规律。,由于微观粒子具有波粒二象性，不会有确定轨道，那么怎样来描述电子等微粒的运动状态呢？,1-3、波函数和原子轨道,在电子衍射时，只要其它条件相同(电场、电子运动速度、金属片与感光屏之间的距离等)，无论采用电子束还是用一个一个
10、持续不断的电子进行衍射，我们不能预测某一电子落在荧光屏的某一位置。开始，这些衍射点无规则地分布着，随着时间的持续，点的数目逐渐增多，点的分布呈现规律性。当射出的电子数目一样多时，则衍射条纹的相对深浅及衍射环纹间的距离相同，这说明电子等的运动还是遵循一定规律的。,虽然不能准确测量粒子的空间位置和动量，但它在某一空间范围内出现的几率都可用统计的方法确定。用波函数来描述粒子的运动状态和空间出现的几率。,1926年奥地利物理学家薛定谔从微观粒子的二象性出发，通过光学和力学方程间的类似和对比，建立了著名的薛定谔方程，这是一个二阶偏微分方程：,式中E为体系的总能量，V为势能，是空间坐标x、y、z的函数。该
11、方程包含着体现微粒性(m、E、V)和波动性()的两种物理量，所以它能正确反映微粒的运动状态。每一个就表示电子的一种运动状态，与相应的E就是电子在这一运动状态下的能量。,解薛定谔方程求得波函数(r、)n，l，m和相对应的能量。应指出，并不是每一个方程的解都是合理的，都能表示电子运动的一个稳定状态。一个合理的解要n、l、m不是任意的常数，而是要符合一定的取值。它们的取值为：,n = 1，2，3，n l = 0，1，2，(n-1) m = 0，1，2l,通过一组特定的n、l、m就有一个相应的波函数(r、)n，l，m，每一个(r、)n，l，m即表示原子中核外电子的一种运动状态。,2 波函数和原子轨道,
12、波函数是量子力学中描述核外电子在空间运动状态的数学函数式，一定的波函数表示一种电子的运动状态。量子力学中仍用经典力学中描述物质运动的“轨道”概念，把波函数叫做原子轨道。如1，0，0是1s轨道，2，0，0 是2s轨道， 2，1，0是2pz轨道。,每一种原子轨道即每一个波函数都有与之相对应的能量E，对于氢原子和类氢离子(核外只有一个电子)来说，其能量：,原子轨道和宏观物体的运动轨道是根本不同的！,1 电子云的概念,对微观粒子，我们不能同时确切地测定出其某一瞬间所处的位置和运动速度，但是我们能用统计的方法来判断电子在核外空间某一区域内出现机会的多少，这种机会的多少在数学称为几率。,电子衍射和核外电子
13、运动被摄像，并叠加，可以说明核外的小黑点，象带负电荷的云，把原子核包围起来，如同天空中的云雾一样，所以人们形象化的语言称它为电子云。,1-4、几率密度和电子云,2 几率密度和电子云,电子在空间出现的机会称做几率。在单位体积内出现的几率则称为几率密度。,电子在核外某区域内出现的几率等于几率密度与该区域总体积的乘积。,电子运动的状态由波函数描述，波函数无明确的物理意义，|2有明确的物理意义，即核外空间单位体积电子出现的几率，即|2则是电子在核外空间出现的几率密度。所以知道了某个电子的波函数及|2就等于知道了这个电子在核外空间各处的几率密度，进而可以知道在某个区域内出现的几率。,处于不同运动状态的电
14、子，它们的波函数各不相同，其|2也当然各不相同，表示|2的图象，即电子云当然各不相同。,s电子云：它是球形对称； p电子云：沿着某一个轴的方向上电子出现的几率密 度最大，电子云主要集中在这样的方向上，在另外两个轴上电子出现的几率密度几乎为零，在核附近也几乎为零； d电子云：形状似花瓣，它在核外空间有五种不同分布； f电子云：它在核外空间有七种不同分布。,几率密度分布的几种表示方法,(1)、电子云图：黑点的疏密程度则表示电子出现的几率密度大小。原子核附近几率密度大，而离核越远，几率密度越小。 (2)、等几率密度面：将核外空间中电子出现几率密度相等的点用曲面连结起来，这样的曲面叫做等几率密度面。
15、(3)、界面图：界面图是一个等密度面，电子在界面以内出现的几率占了绝大部分，如95%。 (4)、径向几率密度图：以几率密度|2为纵坐标，半径r为横坐标作图。,1-5 波函数的空间图象,波函数(x、y、z)是空间直角坐标x、y、z的函数，它可以变换为球坐标(r、)，则波函数可表示为：(r、)n，l，m，,球坐标与直角坐标的关系,x = r sincos y = r sinsin z = r cos (=0180, = 0360),它可分为两部分： (r、)n，l，m = R(r)n,l.Y (、)l，m,r,p(x,y,z)或(r, , ),p,x,y,z,o,R(r)是与径向有关的，叫径向波函
16、数，它由n、l决定， Y(、)l，m是与和有关的角度分布部分，称为角度分布函数，它由l、m决定。,1 径向分布,以氢原子1s电子云为例： 在离核距离r，厚度dr的薄球壳体积中发现电子的几率为4r2.r|2，将4r2|2 . r除以厚度r，即得到单位厚度球壳中的几率4r2|2 令D(r) = 4r2. |2，D(r) 是r的函数，称为径向分布函数。若以D(r)为纵坐标，r为横坐标，可得各种状态的几率径向分布图：,氢原子的径向分布图,（1）D(r).r代表在r和r + r的两个球面夹层内发现电子的几率，|2为几率密度，指核外空间某点附近单位体积内发现电子的几率。 （2）1 s 轨道在距核52.9 pm 处有极大值，说明基态氢原子的电子在r52
