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1、原子结构和原子结构和2121上页上页下页下页目录目录返回返回1初步了解原子核外电子运动的近代概念、原子能级、初步了解原子核外电子运动的近代概念、原子能级、 波粒二象性、原子轨道和电子云概念。波粒二象性、原子轨道和电子云概念。2了解四个量子数对核外电子运动状态的描述，掌握了解四个量子数对核外电子运动状态的描述，掌握 四个量子数的物理意义、取值范围。四个量子数的物理意义、取值范围。3熟悉熟悉 s、p、d 原子轨道的形状和方向。原子轨道的形状和方向。 4理解原子结构近似能级图，掌握原子核外电子排布理解原子结构近似能级图，掌握原子核外电子排布 的一般规则和的一般规则和s、p、d、f 区元素的原子结构特
2、点。区元素的原子结构特点。5会从原子的电子层结构了解元素性质，熟悉原子半会从原子的电子层结构了解元素性质，熟悉原子半 径、电离能、电子亲和能和电负性的周期性变化。径、电离能、电子亲和能和电负性的周期性变化。本章教学要求本章教学要求上页上页下页下页目录目录返回返回上页上页下页下页目录目录返回返回上页上页下页下页目录目录返回返回上页上页下页下页目录目录返回返回上页上页下页下页目录目录返回返回上页上页下页下页目录目录返回返回上页上页下页下页目录目录返回返回1.2.1 经典物理学概念面临的窘境经典物理学概念面临的窘境 Rutherford “太阳太阳-行星模型行星模型 ”的要点：的要点： 1. 所有原
3、子都有一个核即原子核所有原子都有一个核即原子核(nucleus)； 2. 核的体积只占整个原子体积极小的一部分；核的体积只占整个原子体积极小的一部分； 3. 原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上；原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上； 4. 电子像行星绕着太阳那样绕核运动。电子像行星绕着太阳那样绕核运动。上页上页下页下页目录目录返回返回 在在对对粒粒子子散散射射实实验验结结果果的的解解释释上上, 新新模模型型的的成成功功是是显而易见的显而易见的, 至少要点中的前三点是如此至少要点中的前三点是如此。 根根据据当当时时的的物物理理学学概概念念, 带带电电微微粒粒在在力力场场中中运运动动时时总总要要
4、产产生生电电磁磁辐辐射射并并逐逐渐渐失失去去能能量量, 运运动动着着的的电电子子轨轨道道会会越越来来越越小小, 最最终终将将与与原原子子核核相相撞撞并并导导致致原原子子毁毁灭灭。由由于于原原子子毁毁灭灭的的事事实实从从未未发发生生, 将将经经典典物物理理学概念推到前所未有的尴尬境地。学概念推到前所未有的尴尬境地。 经典物理学概念面临的窘境面临的窘境 ？会不会？！上页上页下页下页目录目录返回返回1.2.2 波的微粒性波的微粒性 电磁波是通过空间传播的能量电磁波是通过空间传播的能量。可见光只不过是电可见光只不过是电 磁波的一种磁波的一种 。 电磁波在有些情况下表现出连续波的性质，另一些电磁波在有些
5、情况下表现出连续波的性质，另一些情况下则更像单个微粒的集合体，后一种性质叫作波的情况下则更像单个微粒的集合体，后一种性质叫作波的微粒性。微粒性。 上页上页下页下页目录目录返回返回 1900年年, 普朗克普朗克 (Plank M) 提出著名的普朗克方提出著名的普朗克方程：程：E = hv式式中中的的h叫叫普普朗朗克克常常量量(Planck constant), 其其值值为为6.62610-34 Js。 普朗克认为普朗克认为, , 物体只能按物体只能按hv的整数倍的整数倍( (例如例如1hv, 2hv, 3hv等等) )一份一份地吸收或释出光能一份一份地吸收或释出光能, , 而不可能是而不可能是0
6、.5 hv, 1.6 hv, 2.3 hv等任何非整数倍。即所谓的能量等任何非整数倍。即所谓的能量量子化概念。量子化概念。 普朗克提出了当时物理学界一种普朗克提出了当时物理学界一种全新全新的概念的概念, , 但它只涉及光作用于物体时能量的传递过程但它只涉及光作用于物体时能量的传递过程( (即吸收或即吸收或释出释出) )。 Plank 公式公式上页上页下页下页目录目录返回返回 爱爱因因斯斯坦坦认认为为, 入入射射光光本本身身的的能能量量也也按按普普朗朗克克方方程程量量 子子 化化 , 并并 将将 这这 一一 份份 份份 数数 值值 为为 1hv的的 能能 量量 叫叫 光光 子子( (photon
7、s), ), 一一束束光光线线就就是是一一束束光光子子流流. . 频频率率一一定定的的光光子子其其能能量量都都相相同同, , 光光的的强强弱弱只只表表明明光光子子的的多多少少, , 而而与与每每个光子的能量无关。个光子的能量无关。 爱爱因因斯斯坦坦对对光光电电效效应应的的成成功功解解释释最最终终使使光光的的微微粒粒性性为人们所接受。为人们所接受。 光电效应光电效应 1905年年, 爱爱因因斯斯坦坦(Einstein A)成成功功地地将将能能量量量量子子化化概概念念扩扩展展到到光光本本身身,解解释释了了光光电电效效应应(photoelectric effect) 。上页上页下页下页目录目录返回返
8、回 钾的临界频率钾的临界频率为 5.01014 s-1, 试计算具试计算具 有有这这种种频频率率的的一一个个光光子子的的能能量量。对对红红光光和和黄黄光光进进行行类类似似的的计计算算, 解解释释金金属属钾钾在在黄黄光光作作用用下下产产生生光电效应而在红光作用下却不能光电效应而在红光作用下却不能。E(具有临界频率的一个光子具有临界频率的一个光子) = 6.62610-34 Js 5.01014 s-1 = 3.310-19 J E(黄光一个光子黄光一个光子) = h= 6.62610-34 Js 5.11014 s-1 = 3.410-19 J E(红光一个光子红光一个光子) = h= 6.62
9、610-34 Js 4.61014 s-1 = 3.010-19 JQuestion 1Question 1Solution上页上页下页下页目录目录返回返回另一面谁来翻开？另一面谁来翻开？波的微粒性波的微粒性 导导致致了了人人们们对对波波的的深深层层次次认认识识，产产生生了了讨讨论论波波的的微微粒粒性性概概念念为为基基础础的的学学科科 量量子子力力学学( (quantum mechanics）。）。钱币的一面已被翻开！钱币的一面已被翻开！Einstein 的光子学说的光子学说电子微粒性的实验电子微粒性的实验Plank 的量子论的量子论上页上页下页下页目录目录返回返回1.2.3 微粒的波动性微粒
10、的波动性德布罗依德布罗依1924 1924 年说：年说： 德布罗依关系式德布罗依关系式 一个伟大思想的诞生一个伟大思想的诞生h 为Planck 常量著名的德布罗依关系式著名的德布罗依关系式 “ “ 过过去去，对对光光过过 分强调波性而忽分强调波性而忽 视视它它的的粒粒性性；现现在在对对电电子子是是否否存存在在另另一一种种倾倾向向，即即过过分分强强调调它它的的粒粒性而忽视它的波性。性而忽视它的波性。” 微粒波动性的直接证据微粒波动性的直接证据 光的衍射和绕射光的衍射和绕射灯光源灯光源上页上页下页下页目录目录返回返回 1927年，年，Davissson 和和 Germer 应用应用 Ni 晶体进行
11、晶体进行电子衍射实验，证实电子具有波动性。电子衍射实验，证实电子具有波动性。(a)(b)电子通过电子通过A1箔箔(a)(a)和石墨和石墨(b)(b)的衍射图的衍射图 微粒波动性的近代证据微粒波动性的近代证据 电子的波粒二象性电子的波粒二象性 KVDMP 实验原理实验原理灯光源灯光源X X射线管射线管电子源电子源上页上页下页下页目录目录返回返回微观粒子电子：微观粒子电子： 由由于于宏宏观观物物体体的的波波长长极极短短以以致致无无法法测测量量，所所以以宏宏观观物物体体的的波波长长就就难难以以察察觉觉，主主要要表表现现为为粒粒性性，服服从从经经典典力力学学的的运运动动规规律律。只只有有像像电电子子、
12、原原子子等等质质量量极极小小的的微微粒粒才才具有与具有与X射线数量级相近的波长射线数量级相近的波长, ,才符合德布罗依公式。才符合德布罗依公式。宏观物体子弹：宏观物体子弹：m = 1.0 10-2 kg, = 1.0 103 m s-1, = 6.6 10-35 m波粒二象性是否只有微观物体才具有？波粒二象性是否只有微观物体才具有？Question 2Question 2Solution上页上页下页下页目录目录返回返回H+ H H- D He 波尔以波波尔以波的微粒性（即的微粒性（即能量量子化概能量量子化概念）为基础建念）为基础建立了氢原子模立了氢原子模型。型。 薛定谔等薛定谔等则以微粒波动则
13、以微粒波动性为基础建立性为基础建立起原子的波动起原子的波动力学模型。力学模型。上页上页下页下页目录目录返回返回1.3 氢原子结构的量子力学模型：玻 尔模型 The quantum mechanical model of the structure of hydrogen atom Bohrs model特征特征: 不连续的、线状的不连续的、线状的; 是很有规律的。是很有规律的。上页上页下页下页目录目录返回返回 氢氢原原子子光光谱谱由由五五组组线线系系组组成成, 任任何何一一条条谱谱线线的的波波数数(wave number)都都满满足足简简单单的的经验关系式经验关系式: 名字名字n1n2Lyma
14、n 系系Balmer系系Paschen系系Brackett系系Pfund系系123452, 3, 4,3, 4, 5,4, 5, 6,5, 6, 7,6, 7, 8,如：对于如：对于Balmer线系的处理线系的处理n = 3 红红 （H）n = 4 青青 （H ）n = 5 蓝紫蓝紫 （ H ）n = 6 紫紫 （H ）上页上页下页下页目录目录返回返回上页上页下页下页目录目录返回返回爱因斯坦的光子学说爱因斯坦的光子学说 普朗克的量子化学说普朗克的量子化学说 氢原子的光谱实验氢原子的光谱实验 卢瑟福的有核模型卢瑟福的有核模型Bohr在在的基础上，建的基础上，建立了立了Bohr理论理论波粒二象性波
15、粒二象性上页上页下页下页目录目录返回返回 玻玻尔尔模模型型认认为为, 电电子子只只能能在在若若干干圆圆形形的的固固定定轨轨道道上上绕绕核核运运动动。它它们们是是符符合合一一定定条条件件的的轨轨道道：电电子子的的轨轨道道角动量角动量L只能等于只能等于h/(2 )的整数倍：的整数倍： 从从距距核核最最近近的的一一条条轨轨道道算算起起, n值值分分别别等等于于1, 2, 3, 4, 5, 6, 7。根根据据假假定定条条件件算算得得 n = 1 时时允允许许轨轨道道的的半半径径为为 53 pm, 这就是著名的这就是著名的玻尔半径玻尔半径。关于固定轨道的概念关于固定轨道的概念上页上页下页下页目录目录返回
16、返回 原子只能处于上述条件所限定的几个能态原子只能处于上述条件所限定的几个能态。 指除基态以外的其余定态指除基态以外的其余定态. 各激发态的能量随各激发态的能量随 n 值增大而增高值增大而增高。电子电子只有从外部吸收足够能量时只有从外部吸收足够能量时才能到达激发态才能到达激发态。定态定态(stationary states)： 所有这些允许能态之统称。所有这些允许能态之统称。电子只能在有确定电子只能在有确定半径和能量的定态轨道上运动半径和能量的定态轨道上运动, 且不辐射能量。且不辐射能量。基态基态(ground state): n 值为值为 1 的定态。的定态。通常电子保持在能量最低通常电子保
17、持在能量最低的这一基态。的这一基态。基态是能量最低即最稳定的状态基态是能量最低即最稳定的状态。激发态激发态(excited states):关于轨道能量量子化的概念关于轨道能量量子化的概念上页上页下页下页目录目录返回返回关于能量的吸收和发射关于能量的吸收和发射 玻玻尔尔模模型型认认为为, 只只有有当当电电子子从从较较高高能能态态(E2)向向较较低低能能态态(E1)跃跃迁迁时时, 原原子子才才能能以以光光子子的的形形式式放放出出能能量量, 光光子子能能量量的的大大小小决决定定于于跃跃迁迁所所涉涉及及的的两两条条轨轨道道间间的的能量差能量差：E = E2 E1 = h E: 轨道的能量轨道的能量：
18、光的频率：光的频率 h: Planck常量常量上页上页下页下页目录目录返回返回 计算氢原子的电离能计算氢原子的电离能 解释了解释了 H 及及 He+、Li2+、B3+ 的原子光谱的原子光谱波型波型 H H H H计算值计算值 /nm 656.2 486.1 434.0 410.1实验值实验值 /nm 656.3 486.1 434.1 410.2 说明了原子的稳定性说明了原子的稳定性 对其他发光现象（如射线的形成）也能解释对其他发光现象（如射线的形成）也能解释上页上页下页下页目录目录返回返回 不能解释氢原子光谱不能解释氢原子光谱 在磁场中的分裂在磁场中的分裂 不能解释氢原子光谱不能解释氢原子光
19、谱 的精细结构的精细结构 不能解释多电子原子不能解释多电子原子 的光谱的光谱上页上页下页下页目录目录返回返回请计算氢原子的第一电离能是多少？请计算氢原子的第一电离能是多少？（氢原子的第氢原子的第 一电离能一电离能）（氢原子其他能级的能量氢原子其他能级的能量）Question 3Question 3Solution上页上页下页下页目录目录返回返回1.4.1 不确定原理和波动力学的轨道不确定原理和波动力学的轨道 Uncertainty principle and orbital on the wave mechanical model1.4 原子结构的波动力学模型原子结构的波动力学模型 The w
20、ave mechanical model of atomic structure 1.4.2 描述电子运动状态的四个量子数描述电子运动状态的四个量子数 Four quantum nummers defining the movement state of electron上页上页下页下页目录目录返回返回1.4.4 波函数的图形描述波函数的图形描述 Portrayal of wave functions 1.4.3 薛定谔方程和波函数薛定谔方程和波函数 Schrdinger equation and wave functions 上页上页下页下页目录目录返回返回1.4.1 不确定原理和波动力学的
21、轨道概不确定原理和波动力学的轨道概 念念 重要暗示重要暗示不可能存在不可能存在 Rutherford 和和 Bohr 模型中模型中 行星绕太阳那样的电子轨道。行星绕太阳那样的电子轨道。 具有波粒二象性的电子，不再遵守经典力学规律，具有波粒二象性的电子，不再遵守经典力学规律， 它们的运动没有确定的轨道，只有一定的空间概率分它们的运动没有确定的轨道，只有一定的空间概率分 布。实物的微粒波是概率波。布。实物的微粒波是概率波。 海森堡的不确定原理海森堡的不确定原理 (Heisenbergs uncertainty principle )不可能同时测得电子的精确位置和精确动量不可能同时测得电子的精确位置
22、和精确动量 ！上页上页下页下页目录目录返回返回（1）主量子数主量子数 n (principal quantum number)1.4.2 描述电子运动状态的四个量子数描述电子运动状态的四个量子数 与电子能量有关，对于氢原子，电子能量唯一决与电子能量有关，对于氢原子，电子能量唯一决 定于定于n 确定电子出现概率最大处离核的距离确定电子出现概率最大处离核的距离 不同的不同的n 值，对应于不同的电子壳层值，对应于不同的电子壳层 . K L M N O.上页上页下页下页目录目录返回返回 与角动量有关，对于多电子原子与角动量有关，对于多电子原子, , l 也与也与E 有关有关 l 的取值的取值 0，1，
23、2，3n-1(亚层）亚层） s, p, d, f. . l 决定了决定了的角度函数的形状的角度函数的形状（2） 角量子数角量子数l (angular momentum quantum umber)nl1234（亚层亚层0000s111p22d3f )上页上页下页下页目录目录返回返回 与角动量的取向有关，取向是量子化的与角动量的取向有关，取向是量子化的 m可取可取 0，1, 2l 取值决定了取值决定了角度函数的空间取向角度函数的空间取向 m 值相同的轨道互为等价轨道值相同的轨道互为等价轨道（3） 磁量子数磁量子数m ( magnetic quantum number)Lm轨道数轨道数 0(s)
24、1(p) 2(d) 3(f) 0 1 0 1 2 1 0 1 2 3 2 1 0 1 2 31357上页上页下页下页目录目录返回返回s 轨道轨道(l = 0, m = 0 ) : m 一一种取值种取值, 空间一种取向空间一种取向, 一条一条 s 轨道轨道 p 轨道轨道(l = 1, m = +1, 0, -1) m 三种取值三种取值, 三种取向三种取向, 三条等价三条等价(简并简并) p 轨道轨道上页上页下页下页目录目录返回返回d 轨道轨道(l = 2, m = +2, +1, 0, -1, -2) : m 五种取值五种取值, 空间五种取向空间五种取向, 五条等价五条等价(简并简并) d 轨道
25、轨道上页上页下页下页目录目录返回返回 f 轨道轨道 ( l = 3, m = +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3 ) : m 七种取值七种取值, 空间七种取向空间七种取向, 七条等价七条等价(简并简并) f 轨道轨道上页上页下页下页目录目录返回返回（4） 自旋量子数自旋量子数 ms (spin quantum number) 描述电子绕自轴旋转的状态描述电子绕自轴旋转的状态 自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为 ms 取值取值+1/2和和-1/2，分别用，分别用和和表示表示磁场磁场屏幕屏幕窄缝窄缝银原子流银原子流炉炉上页上页下页下页目录目录返
26、回返回n, l, m 一定一定, 轨道也确定轨道也确定 0 1 2 3轨道轨道 s p d f例如例如: n =2, l =0, m =0, 2s n =3, l =1, m =0, 3pz n =3, l =2, m =0, 3dz2核外电子运动核外电子运动轨道运动轨道运动自旋运动自旋运动与一套量子数相对应（自然也有与一套量子数相对应（自然也有1个能量个能量Ei)n lm ms上页上页下页下页目录目录返回返回写出与轨道量子数写出与轨道量子数 n = 4, l = 2, m = 0 的原子轨道名称的原子轨道名称。 原原子子轨轨道道是是由由 n, l, m 三三个个量量子子数数决决定定的的。与与
27、 l = 2 对对应应的的轨轨道道是是 d 轨轨道道。因因为为 n = 4, 该该轨轨道道的的名名称称应应该该是是 4d. 磁磁量量子子数数 m = 0 在在轨轨道道名名称称中中得得不不到到反反映映, 但但根根据据我我们们迄迄今今学学过过的的知知识识, m = 0 表表示示该该 4d 轨轨道道是不同伸展方向的是不同伸展方向的 5 条条 4d 轨道之一。轨道之一。 Question 4Question 4Solution上页上页下页下页目录目录返回返回什么是轨道的什么是轨道的 “节点节点” 和和 “节面节面” ？Question 5Question 5Solution 对对p轨轨道道, 电电子子
28、概概率率为为零零的的区区域域是是个个平平面面, 称称之之为为节节面面。px轨轨道道的的节节面面是是 yz 平平面面, py 轨轨道道和和 pz 轨轨道道的的节节面面分别是分别是 xz 平面平面和和 xy 平面平面。 如如2s轨轨道道的的两两种种表表示示法法中中，(a)中中原原子子核核附附近近(r = 0)电电子子概概率率最最高高, 在在离离核核某某个个距距离离处处下下降降到零到零, 概率为零的这个点叫概率为零的这个点叫节点节点。上页上页下页下页目录目录返回返回1.4.3 薛定谔方程和波函数薛定谔方程和波函数 Schrdinger方程与量子数方程与量子数 求解薛定谔方程求解薛定谔方程, , 就是
29、求得波函数就是求得波函数和能量和能量 E ; ; 解得的解得的不是具体的数值不是具体的数值, , 而是包括三个常数而是包括三个常数 ( (n, l, m) )和三个变量和三个变量( (r,) )的函数式的函数式 n n, l, m (r,) ; 有合理解的函数式叫做有合理解的函数式叫做波函数波函数( (Wave functions)。轨道能量的量子化不需在建立数学关系式时事先假定。轨道能量的量子化不需在建立数学关系式时事先假定。 波函数波函数 = 薛定谔方程的合理解薛定谔方程的合理解 = 原子轨道原子轨道 上页上页下页下页目录目录返回返回直角坐标直角坐标( x, y, z)与球坐标与球坐标 (
30、r,) 的转换的转换 r : 径向坐标径向坐标, 决定了球面的大小决定了球面的大小: 角坐标角坐标, 由由 z轴沿球面延伸至轴沿球面延伸至 r的弧的弧 线所表示的角度线所表示的角度: 角坐标角坐标, 由由 r 沿球面平行沿球面平行xy面延伸至面延伸至 xz面的弧线所表示的角度面的弧线所表示的角度上页上页下页下页目录目录返回返回1.4.4 波函数的图形描述波函数的图形描述将将Schrdinger方程变量分离：方程变量分离：径向波函数径向波函数以氢原子的以氢原子的1 1s, 2, 2s, 3, 3s 轨道为例轨道为例 取取不不同同的的 r 值值, , 代代入入波波函函数数式式中中进进行行计计算算,
31、 , 以以计计算算结结果果对对 r 作作图图。例例如如, , 氢氢原原子子1 1s轨轨道道的的 R(r) = 2e-r。离核越近离核越近, 这些这些 s 轨道的轨道的 R 值越大。值越大。角度波函数角度波函数上页上页下页下页目录目录返回返回 通过坐标原点画出若干条射线通过坐标原点画出若干条射线, , 每条对应一组每条对应一组 和和 值值; ; 将该组将该组和和 值代入波函数式值代入波函数式( (见上见上) )中进行计算中进行计算, , 以计算结果标在该射线上某一点以计算结果标在该射线上某一点; ; 用同样方法标出其他射线上的点用同样方法标出其他射线上的点, ,然后将所有的点相然后将所有的点相
32、联联, ,得沿得沿 x 轴伸展的哑铃形面。轴伸展的哑铃形面。 上页上页下页下页目录目录返回返回 波动力学中的波函数波动力学中的波函数 对应于经典物理学中光波的对应于经典物理学中光波的 振幅振幅; 光的强度与振幅的平方成正比光的强度与振幅的平方成正比; 波动力学中波动力学中, 微粒波微粒波 的强度与的强度与 波函数的平方波函数的平方( 2 )相联系相联系; 2 的物理意义是概率密度，微粒波的强度的物理意义是概率密度，微粒波的强度(2 )表表 达微粒在空间某点单位体积内出现的概率。达微粒在空间某点单位体积内出现的概率。 一一条条轨轨道道是是一一个个数数学学函函数数, , 很很难难阐阐述述其其具具体
33、体的的物物理理意意义义，只只能能将将其其想想象象为为特特定定电电子子在在原原子子核核外外可可能能出出现现的的某个区域的数学描述。某个区域的数学描述。 上页上页下页下页目录目录返回返回表示径向电子云分布的两种方法表示径向电子云分布的两种方法之一之一:(蓝色曲线蓝色曲线) 纵坐标纵坐标: R2 离核越近离核越近, 电子出现的概率密电子出现的概率密 度度(单位体积内的概率单位体积内的概率)越大。越大。 (这种曲线酷似波函数分布曲线这种曲线酷似波函数分布曲线) 上页上页下页下页目录目录返回返回之二之二:(红色曲线) 纵坐标: 4r 2 R 2 4r2R2曲线是4r 2曲线和R 2 曲线的合成曲线 曲线
34、在 r =53 pm 处出现极大值, 表明电子在距核53 pm的单位厚 度球壳内出现的概率最大 波动力学模型得到的半径恰好 等于氢原子的玻尔半径表示径向电子云分布的两种方法表示径向电子云分布的两种方法上页上页下页下页目录目录返回返回 酷似波函数的角度分布图 但但是, 叶瓣不再有“+”、“-”之分 要求牢记： s, p, d 电子云的形状； s, p, d 电子云在空间的伸展方向。 由由R (r)和和R 2 (r)得到彼此酷似的两种径向分布图得到彼此酷似的两种径向分布图由由Y(,)和和Y 2 (,)得到彼此酷似的两种角度分布图得到彼此酷似的两种角度分布图由由4r 2 R 2 (r) 得到的也是径
35、向分布图得到的也是径向分布图. .注意注意, , 纵坐标纵坐标 4r 2 R 2 表示概率表示概率, , 而不再是概率密度了而不再是概率密度了 上页上页下页下页目录目录返回返回1.5 多电子原子轨道的能级多电子原子轨道的能级 The energy level in poly- electronical atom1.5.1 鲍林近似能级图鲍林近似能级图 Portrayal of Pauling approximation energy level 1.5.3 屏蔽和穿钻屏蔽和穿钻 Shielding and penetration1.5.2 科顿能级图科顿能级图 Cotton energy le
36、vel portray 上页上页下页下页目录目录返回返回1.5.1 鲍林近似能级图鲍林近似能级图 n 值相同时值相同时,轨道能级则由轨道能级则由 l 值决定值决定, 叫叫能级分裂能级分裂； l 值相同时值相同时, 轨道能级只由轨道能级只由 n 值决定值决定, 例例: E(1s) E(2s) E(3s) 1 时，时，s s = 0.35 被屏蔽电子为被屏蔽电子为 ns 或或 np 时，时，(n-1) 层对它层对它 s s = 0.85 小小 于于(n-1)的的s s =1.00 被屏蔽电子被屏蔽电子 nd 或或 nf 时，左边各组时，左边各组 s s =1.00 Z* = Z - 上页上页下页下
37、页目录目录返回返回 为什么为什么 2 2s 价电子比价电子比 2 2p 价电价电子受到较小的屏蔽子受到较小的屏蔽? ?Question 6Question 6Solution 2s电电子子云云径径向向分分布布曲曲线线除除主主峰峰外外,还还有有一一个个距距核核更更近近的的小小峰峰. 这这暗暗示示, 部部分分电电子子云云钻钻至至离离核核更更近近的的空空间间, 从从而而部部分分回回避避了了其其他他电子的屏蔽电子的屏蔽.上页上页下页下页目录目录返回返回 轨道的钻穿能力通常有如下顺序轨道的钻穿能力通常有如下顺序: n s n p n d n f，导致能级按导致能级按 E(ns) E(np) E(nd)
38、过渡元素过渡元素 内过渡元素内过渡元素上页上页下页下页目录目录返回返回同周期原子半径的变化趋势同周期原子半径的变化趋势 ( (三三) )内过渡元素有镧系收缩效应内过渡元素有镧系收缩效应(Effects of the lanthanide contraction )同族元素原子半径的变化趋势同族元素原子半径的变化趋势 同族元素原子半径自上而下增大同族元素原子半径自上而下增大: 电子层依次增加电子层依次增加, 有有 效核电荷的影响退居次要地位效核电荷的影响退居次要地位 第第6周期过渡元素周期过渡元素(如如Hf, Ta)的原子半径与第的原子半径与第5周期同族周期同族 元素元素(如如Zr,Nb)相比几
39、乎没有增大相比几乎没有增大, 这是镧系收缩的重这是镧系收缩的重 要效应之一要效应之一上页上页下页下页目录目录返回返回上页上页下页下页目录目录返回返回1.8.2 电离能电离能E (g) = E+ (g) + e- I 1E+ (g) =E 2+ (g) + e- I 2I 1 I 2 I 3 I 4 基基态态气气体体原原子子失失去去最最外外层层一一个个电电子子成成为为气气态态+1价价离离子子所所需需的的最最小小能能量量叫叫第第一一电电离离能能, 再再从从正正离离子子相相继继逐逐个个失失去去电电子子所所需需的的最最小小能能量量则则叫叫第第二二、第第三三、电电离离能能。各各级电离能的数值关系为级电离
40、能的数值关系为I1I2I3. 。上页上页下页下页目录目录返回返回同族总趋势：同族总趋势：自上至下减小自上至下减小, ,与原子半径增大的趋势一致与原子半径增大的趋势一致同周期总趋势：同周期总趋势：自左至右增大自左至右增大, ,与原子半径减小的趋势一致与原子半径减小的趋势一致上页上页下页下页目录目录返回返回 各周期中稀有气体原子的电离能最高。各周期中稀有气体原子的电离能最高。 第第 2 族元素族元素 Be 和和 Mg，第，第15 族元素族元素N和和P，第，第12族族 元素元素Zn, Cd 和和 Hg在电离能曲线上出现的小高峰。在电离能曲线上出现的小高峰。 您能从亚层全满、半满结构的相您能从亚层全满
41、、半满结构的相对稳定性说明下述事实吗？对稳定性说明下述事实吗？Question 10Question 10上页上页下页下页目录目录返回返回1.8.3 电子亲和能电子亲和能X(g) + e- = X- (g) X- (g) + e- = X 2- (g) 例如例如，O- (g) + e- = O2- (g) A2 = -780 kJ . mol-1 指指一一个个气气态态原原子子得得到到一一个个电电子子形形成成负负离离子子时时放放出出或或吸吸收收的的能能量量。常常以以符符号号Eea表表示示，也也有有第第一一、第第二二、之之分分。元元素素第第一一电电子子亲亲和和能能的的正正值值表表示示放放出出能能量
42、量, 负负值值表表示示吸吸收收能能量量。元元素素的的电电子子亲亲和和能能越越大大, ,原原子子获获取取电电子子的的能力越强能力越强, ,即非金属性越强。即非金属性越强。 上页上页下页下页目录目录返回返回上页上页下页下页目录目录返回返回原子结合电子的过程是放热还是吸热原子结合电子的过程是放热还是吸热? ? 原子结合电子的过程中存在两种相反的静电作用力原子结合电子的过程中存在两种相反的静电作用力: : 排斥力和吸引力。是放热还是吸热排斥力和吸引力。是放热还是吸热, , 决定于吸引力和决定于吸引力和 排斥力哪一种起支配作用。排斥力哪一种起支配作用。 电子加进电中性原子时通常是吸引力起支配作用电子加进
43、电中性原子时通常是吸引力起支配作用, , 发发 生放热过程生放热过程, ,第一电子亲和能通常为正值。第一电子亲和能通常为正值。 电子加进阴离子时排斥力起支配作用电子加进阴离子时排斥力起支配作用, , 发生吸热过程发生吸热过程, , 第二、第三电子亲和能都为负值。第二、第三电子亲和能都为负值。Question 11Question 11Solution上页上页下页下页目录目录返回返回 为什么第为什么第2族元素原子的第一电子族元素原子的第一电子亲和能为负值，而且明显低于同周期亲和能为负值，而且明显低于同周期第第1族元素？族元素？Question 12Question 12Solution 该现象的
44、产生与两族元素的电子构型有关：两族元素该现象的产生与两族元素的电子构型有关：两族元素的电子构型分别为的电子构型分别为ns1 和和ns2。对第。对第1族元素而言族元素而言, 外来电子外来电子进入进入ns轨道；但对第轨道；但对第2族元素而言族元素而言, 却只能进入却只能进入np轨道。核轨道。核的正电荷对的正电荷对 p 轨道电子束缚得比较松轨道电子束缚得比较松, 换个说法换个说法, 就是亲和就是亲和力比较小。事实上力比较小。事实上, 第第2族原子的核电荷被两个族原子的核电荷被两个 s 电子屏蔽电子屏蔽得如此有效得如此有效, 以致获得电子的过程甚至成为吸热过程。以致获得电子的过程甚至成为吸热过程。上页
45、上页下页下页目录目录返回返回1.8.4 电负性电负性 如果原子吸引电子的趋势相对较强如果原子吸引电子的趋势相对较强, , 元素在该化合元素在该化合 物中显示电负性物中显示电负性( (electronegative););如果原子吸引如果原子吸引电电 子的趋势相对较弱子的趋势相对较弱, ,元素在该化合物中则显示电正元素在该化合物中则显示电正 性性( (electropositive) )。 元素的电负性表达处于化合物中的该元素原子将电元素的电负性表达处于化合物中的该元素原子将电 子对吸引向自身的能力。子对吸引向自身的能力。化合物化合物 电负性元素电负性元素 电正性元电正性元素素 ClO2 (Cl
46、-O化合物化合物) O(3.44) Cl(3.16) HCl Cl(3.16) H(2.20) 电负性有不同的标度，使用时必须自洽。电负性有不同的标度，使用时必须自洽。上页上页下页下页目录目录返回返回 电电负负性性大大的的元元素素通通常常是是那那些些电电子子亲亲和和能能大大的的元元素素( (非非金金属属性性强强的的元元素素),),电电负负性性小小的的元元素素通通常常是是那那些些电电离离能能小小的的元元素素( (金金属属性性强强的的元元素素) )。电电负负性性与与电电离离能能和和电电子子亲亲和和能能之之间的确存在某种联系间的确存在某种联系, , 但并不意味着可以混用但并不意味着可以混用! ! 电
47、离能和电子亲和能用来讨论电离能和电子亲和能用来讨论离子化合物离子化合物形形成过程中的能量关系成过程中的能量关系, ,例如热化学循环例如热化学循环; ; 电负性概念则用于讨论电负性概念则用于讨论共价化合物共价化合物的性质的性质, ,例例如对共价键极性的讨论。如对共价键极性的讨论。上页上页下页下页目录目录返回返回nYq$t*x-A1D5G8JbNeQhTlWo#r%u(y+B2E6H9LcOfRjUmXp!s&w)z0C4F7IaMdPhSkVnZq$t*x-A2D5G8KbNeQiTlXo#r%v(y+B3E6I9LcOgRjUmYp!s&w)z1C4F7JaMdPhSkWnZq$u*x-A2D
48、5H8KbNfQiTlXo#s%v(y0B3E6I9LdOgRjVmYp!t&w-z1C4G7JaMePhTkWnZr$u*x+A2E5H8KcNfQiUlXo#s%v)y0B3F6I9LdOgSjVmYq!t&w-z1D4G7JbMePhTkWoZr$u(x+A2E5H9KcNfRiUlXp#s&v)y0C3F6IaLdPgSjVnYq!t*w-z1D4G8JbMeQhTkWoZr%u(x+B2E5H9KcOfRiUmXp#s&v)z0C3F7IaLdPgSkVnYq$t*w-A1D5G8JbNeQhTlWo#r%u(y+B2E6H9KcOfRjUmXp!s&v)z0C4F7IaMdPgSk
49、VnZq$t*x-A1D5G8KbNeQiTlWo#r%v(y+B3E6H9LcOgRjUmYp!s&w)z1C4F7JaMdPhSkWnZq$u*x-A2D5G8KbNfQiTlXo#r%v(y0B3E6I9LcOgRjVmYp!t&w)z1C4G7JaMePhSkWnZr$u*x+A2D5H8KcNfQiUlXo#s%v)y0B3F6I9LdOgRjVmYq!t&w-z1C4G7JbMePhTkWnZr$u(x+A2E5H8KcNfRiUlXp#s%v)y0C3F6IaLdOgSjVnYq!t*w-z1D4G8JbMeQhTkWoZr%u(x+B2E5H9KcNfRiUmXp#s&v)y0
50、C3F7IaLdPgSjVnYq$t*w-A1D4G8JbNeQhTlWoZr%u(y+B2E6H9KcOfRjUmXp!s&v)z0C4F7IaMdPgSkVnYq$t*x-A1D5G8JbNeQiTlWo#r%u(y+B3E6H9LcOfRjUmYp!s&w)z0C4F7JaMdPhSkVnZq$u*x-A2D5G8KbNfQiTlXo#r%v(y+B3E6I9LcOgRjUmYp!t&w)D5G8JbNeQiTlWo#r%u(y+B3E6H9LcOfRjUmYp!s&w)z0C4F7JaMdPhSkVnZq$u*x-A2D5G8KbNeQiTlXo#r%v(y+B3E6I9LcOgRjU
51、mYp!t&w)z1C4F7JaMePhSkWnZq$u*x+A2D5H8KbNfQiUlXo#s%v(y0B3F6I9LdOgRjVmYp!t&w-z1C4G7JaMePhTkWnZr$u*x+A2E5H8KcNfQiUlXp#s%v)y0B3F6IaLdOgSjVmYq!t*w-z1D4G7JbMeQhTkWoZr$u(x+B2E5H9KcNfRiUlXp#s&v)y0C3F6IaLdPgSjVnYq!t*w-A1D4G8JbMeQhTlWoZr%u(x+B2E6H9KcOfRiUmXp!s&v)z0C3F7IaMdPgSkVnYq$t*w-A1D5G8JbNeQhTlWo#r%u(y+B
52、2E6H9LcOfRjUmXp!s&w)z0C4F7IaMdPhSkVnZq$t*x-A2D5G8KbNeQiTlXo#r%v(y+B3E6H9LcOgRjUmYp!s&w)z1C4F7JaMdPhSkWnZq$u*x-A2D5H8KbNfQiTlXo#s%v(y0B3E6I9LdOgRjVmYp!t&w-z1C4G7JaMePhTkWnZr$u*x+A2D5H8KcNfQiUlXo#s%v)y0B3F6I9LdOgSjVmYq!t&w-z1D4G7JbMePhTkWoZr$u(x+A2E5H9KcNfRiUlXp#s&v)y0C3F6IaLdOgSjVnYq!t*w-z1D4G8JbMeQh
53、TkWoZr%u(x+B2E5H9KcOVmYq!t&w-z1D4G7JbMePhTkWoZr$u(x+A2E5H9KcNfRiUlXp#s%v)y0C3F6IaLdOgSjVnYq!t*w-z1D4G8JbMeQhTkWoZr%u(x+B2E5H9KcOfRiUmXp#s&v)z0C3F7IaLdPgSkVnYq$t*w-A1D4G8JbNeQhTlWoZr%u(y+B2E6H9KcOfRjUmXp!s&v)z0C4F7IaMdPgSkVnZq$t*x-A1D5G8KbNeQiTlWo#r%v(y+B3E6H9LcOfRjUmYp!s&w)z0C4F7JaMdPhSkVnZq$u*x-A2D
54、5G8KbNfQiTlXo#r%v(y0B3E6I9LcOgRjVmYp!t&w)z1C4G7JaMePhSkWnZr$u*x+A2D5H8KbNfQiUlXo#s%v(y0B3F6I9LdOgRjVmYq!t&w-z1C4G7JbMePhTkWnZr$u(x+A2E5H8KcNfRiUlXp#s%v)y0C3F6IaLdOgSjVmYq!t*w-z1D4G7JbMeQhTkWoZr$u(x+B2E5H9KcNfRiUmXp#s&v)y0C3F7IaLdPgSjVnYq$t*w-A1D4G8JbNeQhTlWoZr%u(y+B2E6H9KcOfRiUmXp!s&v)z0C3F7IaMdPgSk
55、VnYq$t*x-A1D5G8JbNeQiTlWo#r%u(y+B3E6HdPgSjVnYq$t*w-A1D4G8JbMeQhTlWoZr%u(x+B2E6H9KcOfRiUmXp!s&v)z0C3F7IaMdPgSkVnYq$t*x-A1D5G8JbNeQiTlWo#r%u(y+B3E6H9LcOfRjUmXp!s&w)z0C4F7IaMdPhSkVnZq$t*x-A2D5G8KbNeQiTlXo#r%v(y+B3E6I9LcOgRjUmYp!t&w)z1C4F7JaMePhSkWnZq$u*x+A2D5H8KbNfQiTlXo#s%v(y0B3E6I9LdOgRjVmYp!t&w-z1C4
56、G7JaMePhTkWnZr$u*x+A2E5H8KcNfQiUlXp#s%v)y0B3F6IaLdOgSjVmYq!t&w-z1D4G7JbMePhTkWoZr$u(x+A2E5H9KcNfRiUlXp#s&v)y0C3F6IaLdPgSjVnYq!t*w-A1D4G8JbMeQhTlWoZr%u(x+B2E6H9KcOfRiUmXp#s&v)z0C3F7IaLdPgSkVnYq$t*w-A1D5G8JbNeQhTlWo#r%u(y+B2E6H9LcOfRjUmXp!s&w)z0C4F7IaMdPhSkVnZq$t*x-A1D5G8KbNeQiTlWo#r%v(y+B3E6H9LcOgRjU
57、mYp!s&w)z1C4F7JaMdPhSkWnZq$u*x-A2D5H8KbNfQiTlXo#s%v(y0B3E6I9LcOgRjVmYp!t&w)z1C4G7JaMePhSkWnZr$u*x+A2D9LcOgRjUmYp!s&w)z1C4F7JaMdPhSkWnZq$u*x-A2D5H8KbNfQiTlXo#r%v(y0B3E6I9LcOgRjVmYp!t&w)z1C4G7JaMePhSkWnZr$u*x+A2D5H8KcNfQiUlXo#s%v)y0B3F6I9LdOgSjVmYq!t&w-z1C4G7JbMePhTkWnZr$u(x+A2E5H8KcNfRiUlXp#s%v)y0C3F
58、6IaLdOgSjVnYq!t*w-z1D4G8JbMeQhTkWoZr%u(x+B2E5H9KcOfRiUmXp#s&v)y0C3F7IaLdPgSjVnYq$t*w-A1D4G8JbNeQhTlWoZr%u(y+B2E6H9KcOfRjUmXp!s&v)z0C4F7IaMdPgSkVnZq$t*x-AH9KcNfRiUmXp#s&v)y0C3F7IaLdPgSjVnYq$t*w-A1D4G8JbNeQhTlWoZr%u(y+B2E6H9KcOfRjUmXp!s&v)z0C4F7IaMdPgSkVnYq$t*x-A1D5G8JbNeQiTlWo#r%u(y+B3E6H9LcOfRjUmYp!
59、s&w)z0C4F7JaMdPhSkVnZq$u*x-A2D5G8KbNfQiTlXo#r%v(y+B3E6I9LcOgRjUmYp!t&w)z1C4F7JaMePhSkWnZq$u*x+A2D5H8KbNfQiUlXo#s%v(y0B3F6I9LdOgRjVmYq!t&w-z1C4G7JaMePhTkWnZr$u*x+A2E5H8KcNfQiUlXp#s%v)y0B3F6IaLdOgSjVmYq!t*w-z1D4G7JbMeQhTkWoZr$u(x+B2E5H9KcNfRiUmXp#s&v)y0C3F6IaLdPgSjVnYq!t*w-A1D4G8JbMeQhTlWoZr%u(x+B2E6H
60、9KcOfRiUmXp!s&v)z0C3F7IaMdPgSkVnYq$t*x-A1D5G8JbNeQhTlWo#r%u(y+B2E6H9LcOfRjUmXp!s-A1D4G8JbMeQhTlWoZr%u(x+B2E6H9KcOfRiUmXp!s&v)z0C3F7IaMdPgSkVnYq$t*w-A1D5G8JbNeQhTlWo#r%u(y+B2E6H9LcOfRjUmXp!s&w)z0C4F7IaMdPhSkVnZq$t*x-A2D5G8KbNeQiTlXo#r%v(y+B3E6H9LcOgRjUmYp!s&w)z1C4F7JaMdPhSkWnZq$u*x-A2D5H8KbNfQiTlXo#s
61、%v(y0B3E6I9LdOgRjVmYp!t&w-z1C4G7JaMePhSkWnZr$u*x+A2D5H8KcNfQiUlXo#s%v)y0B3F6I9LdOgSjVmYq!t&w-z1D4G7JbMePhTkWoZr$u(x+A2E5H9KcNfRiUlX&w)z1C4G7JaMePhSkWnZr$u*x+A2D5H8KcNfQiUlXo#s%v)y0B3F6I9LdOgSjVmYq!t&w-z1D4G7JbMePhTkWoZr$u(x+A2E5H8KcNfRiUlXp#s%v)y0C3F6IaLdOgSjVnYq!t*w-z1D4G8JbMeQhTkWoZr%u(x+B2E5H9KcO
62、fRiUmXp#s&v)z0C3F7IaLdPgSkVnYq$t*w-A1D4G8JbNeQhTlWoZr%u(y+B2E6H9KcOfRjYq!t*w-z1D4G8JbMeQhTkWoZr%u(x+B2E5H9KcOfRiUmXp#s&v)y0C3F7IaLdPgSjVnYq$t*w-A1D4G8)y0B3F6I9LdOgRjVmYq!t&w-z1C4G7JbMePhTkWnZr$u(x+A2E5H8KcNfRiUlXp#s%v)y0C3F6IaLdOgSjVnYqB3E6H9LcOfRjUmYp!s&w)z0C4F7JaMdPhSkVnZq$u*x-A2D5G8KbNfQiTlXo#r%v
63、(y0B3E6I9LcOgRjVmYp!t&w)z1C4G7JaMePhSkWnZq$u*x+A2D5H8KbNfQiUlXo#s%v(y0B3F6I9LdOgRjVmYq!t&w-z1C4G7JbMePhTkWnZr$u(x+A2E5H8KcNfRiUlXp#s%v)y0CJaMePhSkWnZq$u*x+A2D5H8KbNfQiUlXo#s%v(y0B3F6I9LdOgRjVmYq!t&w-z1C4G7JbMePhTkWnZr$u(x+A2E5H8KcNfQiUlXp#s%v)y0B3F6IaLdOgSjVmYq!t*w-z1D4G7JbMeQhTkWoZr$u(x+B2E5H9KcNfRiUmXp#s&v)y0C3F7IaLdPgSjVr$u*x+A2E5H8KcNfQiUlXp#s%v)y0B结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！89
