物质结构基础

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1、光的波粒二光的波粒二象性象性波动性：干涉，衍射。波动性：干涉，衍射。粒子性：光的性质可以用动量来描述。粒子性：光的性质可以用动量来描述。P : P : 动量动量入入：波长波长h h ：普朗克常数普朗克常数 6.6266.626 1010-34 -34 J Js s5.1 原子结构的近代概念原子结构的近代概念 5.1.1 波函数波函数微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性 19241924年年法法国国物物理理学学家家德德布布罗罗意意提提出出电电子子等等微微粒粒也也具具有有波波粒粒二二象象性性，并并预预言言其其波波长长入入和和质质量量m m存存在关系式：在关系式： h h：普朗克常数普朗克常数

2、v v：微观粒子的速度微观粒子的速度 电子束窄缝光栅1927年德布罗意的假设被电子衍射实验证实。年德布罗意的假设被电子衍射实验证实。量子力学量子力学物理学的研究表明：微观粒子和经典力学中的质点物理学的研究表明：微观粒子和经典力学中的质点不同，它不遵守牛顿力学定律，没有固定的运动轨不同，它不遵守牛顿力学定律，没有固定的运动轨迹，应用量子力学描述微观粒子的运动状态。迹，应用量子力学描述微观粒子的运动状态。量子力学认为微观粒子的能量是量子化的，粒子可量子力学认为微观粒子的能量是量子化的，粒子可处于不同能级上，当粒子从一个能级跃迁到另一个处于不同能级上，当粒子从一个能级跃迁到另一个能级时，能量变化是跳

3、跃式、不连续的。能级时，能量变化是跳跃式、不连续的。：电子的波函数电子的波函数m： 电子的质量电子的质量E ：电子的总能量电子的总能量V ：电子的势能电子的势能 波函数与电子出现在原子波函数与电子出现在原子周围空间位置的周围空间位置的概概率有关率有关,所以：所以：被形象地称为被形象地称为“原子轨道原子轨道”。代表原子核外电子的一种运动代表原子核外电子的一种运动状态。状态。原子的波函数可以通过求解原子的波函数可以通过求解薛薛定谔方程定谔方程而得到。而得到。薛定谔薛定谔方程方程：5.1.1 波函数波函数波函数波函数: 波的数学函数式波的数学函数式,描述微观粒子的运描述微观粒子的运 动动状态；状态；

4、 (x.y.z) 。 氢原子的波函数可以通过薛定谔求解而得到。氢原子的波函数可以通过薛定谔求解而得到。1 1、波函数和量子数：波函数和量子数：n=1.2.3.4n=1.2.3.4 K.L.M.N K.L.M.N 表表示示电电子子出出现现几几率率最最大大的的地地方方离离核核的远近。它决定电子层数。的远近。它决定电子层数。n n的重要意义：决定电子能量高低的重要因素的重要意义：决定电子能量高低的重要因素。（1）主量子数主量子数n n (2)(2)角角量量子子数数 L L：表表示示原原子子轨轨道道的的形形状状, ,并并在在多多电电子子原原子子中中和和主主量子数一起决定电子的能级。量子数一起决定电子的

5、能级。 L L的取值受的取值受 n n 的限制。的限制。 L L=0=0、1 1、2 2、3 3（n-1n-1）共可取共可取n n个值。个值。 如：如： n=n=1 L=01 L=0 n=n=2 L=02 L=0、1 1 n= n=3 L=03 L=0、1 1、2 2 n= n=4 L=04 L=0、1 1、2 2、3 3 称为称为 s p d f它表示同一电子层中具有不同状态的分层。它表示同一电子层中具有不同状态的分层。 l=0 0 s s轨道为球形对称状轨道为球形对称状 l=1 1 p p轨道为亚铃状轨道为亚铃状 l=2 2 d d轨道为花瓣状轨道为花瓣状 l=3 3 f f轨道为复杂的花

6、瓣形轨道为复杂的花瓣形原子轨道的能量也与角量子数有关。原子轨道的能量也与角量子数有关。当当主主量量子子数数相相同同，轨轨道道的的能能量量高高低低顺顺序序为为：nss np p nd d nf f 。(3)(3)磁量子数磁量子数m m：原子轨道在空间的伸展方向。原子轨道在空间的伸展方向。取值受取值受L L 限制，限制，m=0m=0，1 1，2 2，3 3L L ，共共可取可取2 2L L+1+1个值。个值。 L L=0=0，m=0m=0表示表示S S轨道在空间只有一种伸展方向。轨道在空间只有一种伸展方向。L L=1=1，m=0m=0，1 1表示表示P P轨道在空间有三种伸展方向轨道在空间有三种伸

7、展方向L L=2=2，m=0m=0，1 1，2 2表示表示d d轨道在空间有五种伸展轨道在空间有五种伸展方向。方向。L L=3=3，m=0m=0，1 1，2 2，3 3表示表示f f轨道在空间有七轨道在空间有七种伸展方向。种伸展方向。n,L,mn,L,m一组量子数可以决定一个原子轨道的离核远一组量子数可以决定一个原子轨道的离核远近，形状和伸展方向。近，形状和伸展方向。(4)自旋量子数ms 自旋量子数ms = ， “”表示两个不同的自旋方向,用或表示。综上所述，电子在核外的运动状态可以用四个量子数来确定。表表表表5-15-1原子轨道与量子数之间的关系原子轨道与量子数之间的关系原子轨道与量子数之间

8、的关系原子轨道与量子数之间的关系5.1.25.1.2电子云电子云1.1.电子云和概率密度电子云和概率密度 与原子轨道是同义词，与原子轨道是同义词，2 2与几率密度是同义词。与几率密度是同义词。几率密度：电子在空间某处单位体积内出现的几率。几率密度：电子在空间某处单位体积内出现的几率。用点的疏密表示几率密度分布的图形叫电子云。氢原子用点的疏密表示几率密度分布的图形叫电子云。氢原子1S1S电子云：电子云：氢原子1s电子云如图所示:电子云图界面图径向概率分布图zxyzxzyxzypxzp ppyxys电子云角度分布图如图5.5图5.6 s、p、d 、f 电子云角度分布图dxyxyzxzydyzzyx

9、xyzxzydzxdx-ydz2225.2多电子原子多电子原子的电子分布方式的电子分布方式和周期系和周期系5.2.1多电子原子轨道的能级多电子原子轨道的能级当当n n相同时相同时,L,L值增大，轨道的能量升高。值增大，轨道的能量升高。 如：如：nsnpndnf 。当当L L相同时相同时,n,n值增大，轨道的能量升高。值增大，轨道的能量升高。 如：如：1S2S3S， 2P3P4S，5S4d，6S4f。 n. L相同的轨道相同的轨道,能量相同，称为等价轨道能量相同，称为等价轨道.例如：例如：3Px , 3Py , 3Pz 根据光谱实验，把能量相近的轨道归为七个能根据光谱实验，把能量相近的轨道归为七

10、个能级组，按能量从低到高排列。级组，按能量从低到高排列。一、一、1s二、二、2s 2p三、三、3s 3p四、四、4s 3d 4p五、五、5s 4d 5p六、六、6s 4f 5d 6p七、七、7s 5f 6d 7p(与元素周期表形式一致与元素周期表形式一致)5.2.25.2.2核外电子分布原理和核外电子分布式核外电子分布原理和核外电子分布式1 1、核外电子分布的三个原理核外电子分布的三个原理原子中电子分布规律基本遵照三个原理：原子中电子分布规律基本遵照三个原理：（1 1）能量最低原理：核外电子分布总是尽先占据能量）能量最低原理：核外电子分布总是尽先占据能量最低的轨道。最低的轨道。（2 2）泡利不

11、相容原理：在同一原子中，不可能有四个）泡利不相容原理：在同一原子中，不可能有四个量子数完全相同的电子存在。量子数完全相同的电子存在。（3 3）洪特规则：等价轨道上电子总是尽先占据不同的）洪特规则：等价轨道上电子总是尽先占据不同的轨道，而且自旋平行。轨道，而且自旋平行。 2p3如：如：3d5例如例如，而不应表示为而不应表示为基态碳原子的电子排布为基态碳原子的电子排布为1s2s22p2,若以方框表示一个原子轨道，若以方框表示一个原子轨道，则碳原子的核外电子排布的轨道式应表示为则碳原子的核外电子排布的轨道式应表示为或（等等价价轨轨道道：能能量量完完全全相相同同的的轨轨道道。如如：3Px 3Px ,

12、, 3Py 3Py , , 3Pz3Pz ）等等价价轨轨道道上上，电电子子在在全全满满，半半满满或或全全空空时时比比较较稳稳定定。如如全全满满：P P6 6，d d1010，f f1414，半半满满：P P3 3，d d5 5，f f7 7，全空：全空：p p0 0，d d0 0，f f0 0。由此，可以写出元素原子的电子排布顺序式：由此，可以写出元素原子的电子排布顺序式：1S22S22P63S23P64S23d104P65S24d10。 2.核外电子分布式核外电子分布式和和外层电子分布式外层电子分布式电子排布式写完一定同层写在一起。电子排布式写完一定同层写在一起。例如：例如：2424Cr C

13、r 排布顺序排布顺序: :1S1S2 2 2S 2S2 2 2P 2P6 6 3S 3S2 2 3P 3P6 6 4S 4S1 1 3d3d5 5电子分布式电子分布式: : 1S 1S2 2 2S 2S2 2 2P 2P6 6 3S 3S2 2 3P 3P6 6 3d 3d5 5 4S 4S1 12929Cu : 1SCu : 1S2 2 2S 2S2 2 2P 2P6 6 3S 3S2 2 3P 3P6 6 3d 3d1010 4S 4S1 1 例例5.1 填充下表填充下表元素元素 zMg 12Cu 29Cl 17Kr 36Mn 25 核外电子分布式核外电子分布式外层电子分布式外层电子分布式

14、 单电子数单电子数s s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 213s2 01s22s22p63s23p63d104s1 3d104s1 1 1s22s22p63s23p5 3s23p5 1 1s22s22p63s23p63d104s24p 64s2 4p6 01s22s22p63s23p 63d54s2 3d54s2 5 我国著名化学家北京大学徐光宪教授，根据光谱实验数据，我国著名化学家北京大学徐光宪教授，根据光谱实验数据， 对基态多对基态多电子原子轨道的能级高低提出一种定量的依据，即电子原子轨道的能级高低提出一种定量的依据，即n+0.7l值愈大，轨道能值愈大，轨道能级愈高，并把级愈

15、高，并把 n+0.7l值的第一位数字相同的各能级组合为一组，称为某能值的第一位数字相同的各能级组合为一组，称为某能级组。级组。能级能级1s2s2p3s3p 4s3d 4p 5s4d 5p 6s4f5d 6pn + 0.7 l1.02.02.73.03.74.04.44.75.05.45.76.06.16.46.7能级组能级组组内电子组内电子数数288181832 根据徐光宪公式计算可以明确原子能级由低到高依次为根据徐光宪公式计算可以明确原子能级由低到高依次为 1s，(2s，2p)，(3s，3p)，(4s，3d，4p)，(5s，4d，5p)，(6s，4f，5d，6p) 括号表示能级组。此顺序与鲍

16、林近似能级顺序吻合。括号表示能级组。此顺序与鲍林近似能级顺序吻合。多电子原子能级组多电子原子能级组3 3、离子的电子排布式和外层电子构型离子的电子排布式和外层电子构型原子失去电子形成正离子时，失去的总是最外层电子原子失去电子形成正离子时，失去的总是最外层电子 例如：例如： 电子分布式电子分布式 外层电子分布式外层电子分布式 外层电子构型类型外层电子构型类型 (1)(1)BeBe2+ 2+ 1S2(2S2 ) ) 1S2 2电子型电子型 (2) Na+(11) 1S22S22P6 ( 3S1 ) 2S22P6 8电子型电子型 (3)Zn2+ (30) 1S22S22P63S23P63d10 (4

17、S2) 3S23P63d10 18电子型电子型 (4)Fe3+ (26) 1S22S22P63S23P63d5 (3d14S2) 3S23P63d5 917型型(5)Sn2+ (Z=50) 1S22S22P63S23P63d104S24P64d105S2 (5P2 ) 4S24P64d105S2 18+2型型(1) F(z=9) 1s22s22p5 F_ 1s22s22p6 2s22p6 8 8电子型电子型 (2) S(z=16) 1s22s22p6 3S3S2 23P3P4 4 S2_ 1s22s22p6 3S3S2 23P3P6 6 3s23p6 8 8电子型电子型 外层电子分布式外层电子

18、分布式 外层电子构型类型外层电子构型类型离子的电子层构型：离子的电子层构型：（1）2电子构型：最外层为电子构型：最外层为2个电子的离子，如：个电子的离子，如：Li+,Be2+（2）8电子构型：最外层为电子构型：最外层为8个电子的离子，如：个电子的离子，如：Na+,Cl-（3）18电子构型：最外层为电子构型：最外层为18个电子的离子，如个电子的离子，如:Cu+,Ag +（4）9-17电子构型：最外层的电子为电子构型：最外层的电子为9-17的不饱和结构的的不饱和结构的离子，如：离子，如：Fe2+,Mn2+,Cr3+（5）（）（18+2）电子构型：次外层为电子构型：次外层为18个电子、最外层为个电子

19、、最外层为2个个电子的离子，如：电子的离子，如：Pb2+,Sn2+原子得电子形成负离子时，原子所得电子原子得电子形成负离子时，原子所得电子分布分布在最外层上：在最外层上：根据原子的外层电子的构型可将长式周期表分为根据原子的外层电子的构型可将长式周期表分为5 5个区：个区：1 1、S S区元素：最后一个电子填充在区元素：最后一个电子填充在S S能级上的元素。包括能级上的元素。包括A A和和A ,A ,结构特点：结构特点：nSnS1 1和和nSnS2 2。 S S区元素属活泼金属元素。区元素属活泼金属元素。2 2、P P区区元素：最后一个电子填充在元素：最后一个电子填充在P P能级上的元素。包括能

20、级上的元素。包括A AAA和零和零族。除氦以外的结构特点：族。除氦以外的结构特点： nSnS2 2n nP P1-61-6 P P区元素大部分为非金属元素。区元素大部分为非金属元素。 3 3、d d区区元素：最后一个电子填充在元素：最后一个电子填充在d d能级上的元素。包括能级上的元素。包括B B BB和和族，结构特点族，结构特点( (n-1)n-1)d d1-91-9nsns1-21-24 4、 dsds区元素：最后一个电子填充在区元素：最后一个电子填充在d d能级并且使能级并且使d d能级达能级达到全充满到全充满结构和结构和最后一个电子填充在最后一个电子填充在S S能级上并且具有内层能级上并且具有内层d d能级全充满结构的元素。包括能级全充满结构的元素。包括BB和和BB。结构特点：。结构特点： (n-1)(n-1)d d1010nsns1-21-2。通常将。通常将dsds区元素和区元素和d d区元素合在一起统称为过区元素合在一起统称为过渡元素。渡元素。5 5、f f区元素：最后一个电子填充在区元素：最后一个电子填充在f f能级的元素。包括能级的元素。包括镧系、锕系元素。镧系、锕系元素。