第1章 原子结构和元素周期表

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1、第一章第一章原子结构与原子结构与元素周期系元素周期系教教教教 学学学学 内内内内 容容容容1原子论的简单的发展史原子论的简单的发展史2.进一步进一步掌握分子、原子、元素、核素、原子量掌握分子、原子、元素、核素、原子量等基本概念；等基本概念； 3掌握微观粒子的基本特征；掌握微观粒子的基本特征；4掌握微观粒子运动的表示方法掌握微观粒子运动的表示方法,核外电子运动规核外电子运动规律律n.l.m.ms的关系；的关系；5掌握原子构造，即电子排布三原则；掌握原子构造，即电子排布三原则；6掌握原子结构与元素周期系的关系、周期、族掌握原子结构与元素周期系的关系、周期、族区的划分本质区的划分本质;掌握电离能、亲

2、和能、电负性和掌握电离能、亲和能、电负性和原子半径等概念。原子半径等概念。1 1 1 1 道尔顿的原子论道尔顿的原子论道尔顿的原子论道尔顿的原子论古古代代的的“元元素素说说”和和“原原子子说说”以史以史为镜为镜18世纪波意耳的世纪波意耳的“元素元素”Dalton原子论原子论带核原子模型及量子力学的建立带核原子模型及量子力学的建立 一、原子论的提出及发展；一、原子论的提出及发展；本节内容自学，课堂上只做本节内容自学，课堂上只做提示，主要搞清以下六点：提示，主要搞清以下六点：物质由不可见的、不可再分的原子构成。物质由不可见的、不可再分的原子构成。物质由不可见的、不可再分的原子构成。物质由不可见的、

3、不可再分的原子构成。每一种化学元素有一种原子、同种原子质量相同，不同种每一种化学元素有一种原子、同种原子质量相同，不同种每一种化学元素有一种原子、同种原子质量相同，不同种每一种化学元素有一种原子、同种原子质量相同，不同种原子质量不同；原子质量不同；原子质量不同；原子质量不同； 一种原子不会转变为另一种原子，化学反应只是改变了原一种原子不会转变为另一种原子，化学反应只是改变了原一种原子不会转变为另一种原子，化学反应只是改变了原一种原子不会转变为另一种原子，化学反应只是改变了原子的结合方式，使反应前的物质变成了反应后的物质。子的结合方式，使反应前的物质变成了反应后的物质。子的结合方式，使反应前的物

4、质变成了反应后的物质。子的结合方式，使反应前的物质变成了反应后的物质。二、罗蒙诺索夫二、罗蒙诺索夫1756年提出、拉瓦锡年提出、拉瓦锡1785年证明的质年证明的质量守恒定律；量守恒定律；三、法国化学家普劳斯特三、法国化学家普劳斯特1779年提出的定比定律；年提出的定比定律； 1797年里稀特发现的当量定律；年里稀特发现的当量定律；四、四、DaltonDalton发现的倍比定律，在此基础上发现的倍比定律，在此基础上DaltonDalton提出提出了原子论：基本要点为三点。了原子论：基本要点为三点。五五、原原子子分分子子论论：法法国国化化学学家家盖盖吕吕萨萨克克的的气气体体反反应应简简化化定定律律

5、，18111811年年意意大大利利化化学学家家AvogadroAvogadro学学说说：（同同温温同同压压下下，同同体体积积气气体体会会有有相相同同的的分分子子数数），1919世世纪纪的的原原子子分分子子论论，四点：本书第三版四点：本书第三版P195P195。六、带核原子模型及量子力学的建立，汤姆逊六、带核原子模型及量子力学的建立，汤姆逊(Thomson(Thomson）18971897年发现了阴极射线（年发现了阴极射线（StoneyStoney起名电子），同时提出了原子结构起名电子），同时提出了原子结构模型。模型。19111911年，年，RutherfordRutherford的的粒子散射实

6、验证明了原子核的粒子散射实验证明了原子核的存在，居里夫妇证明了原子核由中子和质子组成。存在，居里夫妇证明了原子核由中子和质子组成。19051905年，年，Einstein.AEinstein.A提出了光子学说。运用提出了光子学说。运用PlankPlank的量子学说成功地解的量子学说成功地解释了光电效应。释了光电效应。19131913年，年，BohrBohr建立了建立了BohrBohr原子模型。上世纪廿原子模型。上世纪廿年代建立了原子结构的量子力学理论。年代建立了原子结构的量子力学理论。RutherfordRutherford的带核原的带核原子模型。子模型。EinsteinEinstein的光子

7、学说，相对论。的光子学说，相对论。 历史发展历史发展历史发展历史发展 实验基础实验基础实验基础实验基础 基本结构基本结构基本结构基本结构ParticleLocationChargeMass(amu)ProtonNucleus+11.0NeutronNucleus01.0ElectronAroundnucleus10.00055H+ H H- D He规律和理论的区别与联系规律和理论的区别与联系1、经验规律，是在大量实验事实的基础上，运用、经验规律，是在大量实验事实的基础上，运用观察和归纳的方法得出的关于物质反应规律性的观察和归纳的方法得出的关于物质反应规律性的科学描述。科学描述。2、规律是理论

8、的感性基础，理论是规律推理后、规律是理论的感性基础，理论是规律推理后的必然结果，阐明了各规律的内在联系，从微观的必然结果，阐明了各规律的内在联系，从微观结构角度揭示了宏观化学现象的本质。结构角度揭示了宏观化学现象的本质。3、道尔顿原子论有合理内核，也有不合理之处，、道尔顿原子论有合理内核，也有不合理之处，必然有新的观点来解释新的实验事实，科学知识必然有新的观点来解释新的实验事实，科学知识是暂定性的。是暂定性的。2相对原子质量（原子量）相对原子质量（原子量） 2.1元素、原子序数和元素符号；元素、原子序数和元素符号；2.2核素、同位素和同位素丰度；核素、同位素和同位素丰度；2.3原子的质量；原子

9、的质量；2.4元素的相对原子质量（原子量）；元素的相对原子质量（原子量）；2.5国际单位制、摩尔质量。国际单位制、摩尔质量。2.1元素、原子序数和元素符号元素、原子序数和元素符号定义定义具有一定具有一定核电荷数核电荷数（等于核内质子数）的原子称（等于核内质子数）的原子称为一种（化学）为一种（化学）元素元素。按（化学）元素的核电荷数进。按（化学）元素的核电荷数进行排序，所得序号叫做行排序，所得序号叫做原子序数原子序数；每一种元素有一个；每一种元素有一个用拉丁字母表示的用拉丁字母表示的元素符号元素符号。注意：注意： 不要把单质、元素、原子三者混淆；不要把单质、元素、原子三者混淆； 全部元素全部元素

10、 会读、会读、 会写。例：会写。例：106106号号 SgSg 109 109号号MtMt2.2核素、同位素和同位素丰度核素、同位素和同位素丰度具具有有一一定定数数目目的的质质子子和和一一定定数数目目的的中中子子的的一一类类原原子的总称。子的总称。核素核素质质子子数数相相同同而而中中子子数数不不同同的的同同一一元元素素的的原原子子互互称称同同位素。或者说，同一元素不同核素的互称。位素。或者说，同一元素不同核素的互称。同位素同位素单一核素元素单一核素元素: :即只有一种核素的元素即只有一种核素的元素. .例：例：2323NaNa多核素元素多核素元素: :具有多种核素的元素具有多种核素的元素. .

11、 例：例：1212C C 、1313C C 、1414C C元素元素稳定核素（同位素）稳定核素（同位素）放射性核素放射性核素( (同位素同位素) )：能够自发地放射出射线：能够自发地放射出射线（核化学中学习）（核化学中学习）核核 素素同位素同位素 118118种元素大多具有放射性核素，其数量达种元素大多具有放射性核素，其数量达16001600多种，多种，大多为人工制备，稳定核大多为人工制备，稳定核300300多种，共计多种，共计20002000余种。余种。 无稳定核素无稳定核素2222种种有稳定核素有稳定核素7272种种都具有放射性核素（都具有放射性核素（16001600）元素元素（11811

12、8）天然元素天然元素9494种种人造元素人造元素2424种种 从从9595号镅号镅AmAm开始都为人工合成开始都为人工合成同中素：同中素：具有一定中子数的原子（的总称）。具有一定中子数的原子（的总称）。同同位位素素丰丰度度：某某元元素素的的各各种种天天然然核核素素的的分分数数组组成成（原原子子百分比，百分比，oror质量百分比）。质量百分比）。同同量量数数：质质量量数数相相同同，质质子子数数不不同同，分分属属于于不不同同元元素素的的几几种种原原子子互互称称同量数。同量数。 65 65 6565 36 36 3636例例 Cu Zn S Cu Zn S ArAr29 30 16 1229 30

13、16 122.3原子的质量；原子的质量；2.4元素的相对原子质量（原子量）元素的相对原子质量（原子量）1原原子子质质量量：某某核核素素一一个个原原子子的的质质量量称称为为该该核核素素的的原原子子质质量量，简简称称原原子子质质量量。1973年年国国际际计计量量局局公公布布了了原原子子质质量量单单位位，用用“U”表表示示，因因此此，12C的的原原子子质质量量是是12U。（亦亦有有用用amumu表示的）。表示的）。1U1.660056551010-27-27KgKg2平平均均原原子子质质量量单单位位，即即某某元元素素的的各各种种核核素素的的平平均均质质量量。通过质谱仪可以测定各核素的原子质量及在自然

14、界的丰度通过质谱仪可以测定各核素的原子质量及在自然界的丰度3.3.相相对对原原子子质质量量：定定义义：某某元元素素一一个个原原子子的的平平均均质质量量（即即平均原子质量）对平均原子质量）对1212C C原子质量的原子质量的1 11212之比。表示为：之比。表示为：ArAr（E E） fiMrfiMr，i i f:f:同同位位素素丰丰度度、 MrMr，i:i:同同位位素素相相对对原原子子质质量量 A A：代代表表原原子子质质量量AtomicAtomicueighueigh mass+(afommass+(afom) E) E：元素元素element r:element r:相对相对 relati

15、verelative原子质量原子质量相对原子质量（原子量）相对原子质量（原子量）对象：对象：某元素一种核素的某元素一种核素的元素所有核素的平均元素所有核素的平均原子质量原子质量原子质量与原子质量与12C质量质量112的比值的比值单位：单位：有有无无数值：数值：除单一核素不同外，除单一核素不同外，同种元素，数值相同同种元素，数值相同与丰度：与丰度：无关无关有关（经常有修定值）有关（经常有修定值）(张青莲院士在测定原子量方面的贡献张青莲院士在测定原子量方面的贡献)注注意意比比较：较：相对分子质量：相对分子质量：组成分子的各原子的相对原子质量之和。组成分子的各原子的相对原子质量之和。摩摩尔尔质质量量

16、：1mol物物质质的的质质量量称称为为摩摩尔尔质质量量，用用n表表示示，常常用用单单位位gmol1任任何何原原子子，分分子子或或离离子子的的摩摩尔尔质质量量，当当单单位位为为gmol1时时，数数值值上上等等于于其其相相对原子质量，相对分子质量或相对离子质量。对原子质量，相对分子质量或相对离子质量。思考题：思考题：原子量的测定。原子量的测定。原子质量标准的发展说明了什么？原子质量标准的发展说明了什么？QuestionQuestion1 1宇宙之初宇宙之初宇宙之初宇宙之初2 2氢燃烧氢燃烧氢燃烧氢燃烧3 3氦燃烧氦燃烧氦燃烧氦燃烧4 4碳燃烧碳燃烧碳燃烧碳燃烧5 5 过程过程过程过程6 6 e e

17、过程过程过程过程7 7重元素的诞生重元素的诞生重元素的诞生重元素的诞生8 8大爆炸理论的是非大爆炸理论的是非大爆炸理论的是非大爆炸理论的是非 3 原子的起源和演化原子的起源和演化 （宇宙）（宇宙）本节参考：本节参考：徐光宪院士文集徐光宪院士文集、 曹庭礼等译的格林伍德等曹庭礼等译的格林伍德等元素化学元素化学。 由由10541054年爆发的一颗超年爆发的一颗超新星抛出的气体构成的新星抛出的气体构成的星云星云蟹状星云蟹状星云银银河河大大气气层层 1 1、光谱：、光谱：、光谱：、光谱： 借借借借助助助助于于于于棱棱棱棱镜镜镜镜的的的的色色色色散散散散作作作作用用用用，把把把把复复复复色色色色光光光光

18、分分分分解解解解为为为为单单单单色色色色光光光光所所所所形形形形成成成成的的的的光光光光带带带带. .它它它它有有有有连连连连续续续续光光光光谱谱谱谱和和和和线线线线状光谱之分。状光谱之分。状光谱之分。状光谱之分。4-1 4-1 氢原子光谱氢原子光谱氢原子光谱氢原子光谱4原子结构的玻尔行星模型原子结构的玻尔行星模型 2 2、连连连连续续续续光光光光谱谱谱谱：由由由由炽炽炽炽热热热热的的的的固固固固体体体体或或或或液液液液体体体体所所所所发发发发出出出出的的的的光光光光，通通通通过过过过棱棱棱棱镜镜镜镜而而而而得得得得到到到到一一一一条条条条包包包包含含含含各各各各种种种种波波波波光光光光的的的

19、的光光光光的的的的彩彩彩彩色色色色充充充充带带带带叫连续光谱。如太阳、钢水、灯等所产生的光。叫连续光谱。如太阳、钢水、灯等所产生的光。叫连续光谱。如太阳、钢水、灯等所产生的光。叫连续光谱。如太阳、钢水、灯等所产生的光。红 橙 黄 绿 青 蓝 紫3 3、线状光谱：、线状光谱：、线状光谱：、线状光谱：由激发态原由激发态原由激发态原由激发态原子气体所发出的光，通过棱镜而子气体所发出的光，通过棱镜而子气体所发出的光，通过棱镜而子气体所发出的光，通过棱镜而得到的由黑暗背景，涌显的若干得到的由黑暗背景，涌显的若干得到的由黑暗背景，涌显的若干得到的由黑暗背景，涌显的若干条彩色亮线叫线状光谱。由于线条彩色亮线

20、叫线状光谱。由于线条彩色亮线叫线状光谱。由于线条彩色亮线叫线状光谱。由于线状光谱是从激发态原子内部发射状光谱是从激发态原子内部发射状光谱是从激发态原子内部发射状光谱是从激发态原子内部发射出来的，故又叫做原子光谱。出来的，故又叫做原子光谱。出来的，故又叫做原子光谱。出来的，故又叫做原子光谱。4 4、氢原子光谱、氢原子光谱、氢原子光谱、氢原子光谱n =3红（红（H）n =4青（青（H ）n =5蓝紫蓝紫（H ）n =6紫（紫（H ） BalmerBalmer线系线系（1 1）不连续的线状光谱：从红外到紫外区呈现多条具有特）不连续的线状光谱：从红外到紫外区呈现多条具有特）不连续的线状光谱：从红外到紫

21、外区呈现多条具有特）不连续的线状光谱：从红外到紫外区呈现多条具有特征的谱线。征的谱线。征的谱线。征的谱线。HH 、HH 、HH 、HH 为可见光区的主要谱线。为可见光区的主要谱线。为可见光区的主要谱线。为可见光区的主要谱线。5、氢光谱的特征：、氢光谱的特征：（2 2）从长波到短波。这几条谱线距离越来越小，（这是因为）从长波到短波。这几条谱线距离越来越小，（这是因为）从长波到短波。这几条谱线距离越来越小，（这是因为）从长波到短波。这几条谱线距离越来越小，（这是因为n n越大），表现出明显的规律性。这几条谱线称越大），表现出明显的规律性。这几条谱线称越大），表现出明显的规律性。这几条谱线称越大），

22、表现出明显的规律性。这几条谱线称BalmerBalmer线系。线系。线系。线系。它们的频率可下由公式表示出来：它们的频率可下由公式表示出来：它们的频率可下由公式表示出来：它们的频率可下由公式表示出来：V=RV=R C C（1/21/22 2 1/n1/n2 2 ）n n：2 2以上的正整数以上的正整数以上的正整数以上的正整数V V：频率频率频率频率R R：里德堡常数等于里德堡常数等于里德堡常数等于里德堡常数等于1.097101.097107 7mm11（或（或（或（或R R C=3.28910C=3.289101515S S11） C C：光速光速光速光速 氢原子光谱的一些氢原子光谱的一些线系

23、线系电子跳回第二能级电子跳回第二能级电子跳回第二能级电子跳回第二能级n=2n=2n=2n=2，其波长在其波长在其波长在其波长在可见光区可见光区可见光区可见光区, ,称称称称 BalmerBalmerBalmerBalmer线系线系线系线系1888188818881888年年年年，紫紫紫紫外外外外光光光光区区区区的的的的拉拉拉拉曼曼曼曼（RamanRamanRamanRaman）线线线线系系系系，电电电电子子子子跳跳跳跳回回回回到到到到第第第第一一一一能能能能级，级，级，级，n=1n=1n=1n=1。1906190619061906年，帕邢（年，帕邢（年，帕邢（年，帕邢（PaschenPasch

24、enPaschenPaschen）线系跳回第三级，线系跳回第三级，线系跳回第三级，线系跳回第三级，n=3n=3n=3n=3。1922192219221922年，布拉克特（年，布拉克特（年，布拉克特（年，布拉克特（BracketlBracketlBracketlBracketl） 红外区红外区红外区红外区1925192519251925年，芬特（年，芬特（年，芬特（年，芬特（PfundPfundPfundPfund）线系线系线系线系这这这这一一一一系系系系列列列列线线线线系系系系，可可可可由由由由类类类类似似似似上上上上述述述述公公公公式式式式表表表表示示示示其其其其频频频频率率率率：V=RV=

25、RV=RV=R C C C C（）n n n n1 1 1 1，n n n n2 2 2 2为正整数，且为正整数，且为正整数，且为正整数，且n n n n1 1 1 1n n n n2 2 2 2。 原子能级与光谱原子能级与光谱Balmer线系经典电磁理论与经典电磁理论与有核模型解释氢有核模型解释氢光谱遇到的矛盾光谱遇到的矛盾1、电子不断的辐射能、电子不断的辐射能量，半径减小，被吸入量，半径减小，被吸入原子核中。原子核中。2、电子发射的频率呈连、电子发射的频率呈连续性变化，光谱为连续续性变化，光谱为连续光谱。光谱。电子运动有固定的轨道，电子运动有固定的轨道，在一轨道中运动的电子，在一轨道中运动

26、的电子，既不吸收能量，也不放出既不吸收能量，也不放出能量。能量。轨道是不连续的，量子化轨道是不连续的，量子化的，电子会跃迁，形成的的，电子会跃迁，形成的光谱是线状不连续的。光谱是线状不连续的。经典力学经典力学BohrBohr理论理论理论理论4-2 Bohr-2 Bohr理论理论理论理论 玻尔玻尔(BohrN)于于1913年提出年提出的氢原子结构的量子力学模型的氢原子结构的量子力学模型, ,其思路其思路是是基于下述基于下述4条假定：条假定：行星模型、定态假设、行星模型、定态假设、行星模型、定态假设、行星模型、定态假设、量子化条件、跃迁规则。量子化条件、跃迁规则。量子化条件、跃迁规则。量子化条件、

27、跃迁规则。（p2728p2728 ）我我想到了行想到了行星的轨道，星的轨道，电子排布就电子排布就像它们一样像它们一样Bohr理论理论的具体内容的具体内容 关于固定轨道关于固定轨道.玻尔模型认为玻尔模型认为,电子只能在若干圆形的固电子只能在若干圆形的固定轨道上绕核运动定轨道上绕核运动.固定轨道是指符合一定条件的轨道固定轨道是指符合一定条件的轨道,这这个条件是个条件是,电子的轨道角动量电子的轨道角动量L只能等于只能等于h/(2)的整数倍：的整数倍： 式式中中 m 和和 v 分分别别代代表表电电子子的的质质量量和和速速度度,r 为为轨轨道道半半径径,h 为为普普朗朗克克常常量量,n 叫叫做做量量子子

28、数数(quantum number),取取1,2,3,等等正正整整数数.轨轨道道角角动动量量的的量量子子化化意意味味着着轨轨道道半半径径受受量量子子化化条条件件的的制制约约,图图中中示示出出的的这这些些固固定定轨轨道道,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时允许轨道的半径为时允许轨道的半径为 53pm,这就是著名的这就是著名的波尔半径波尔半径. 关关于于轨轨道道能能量量量量子子化化的的概概念念.电电子子轨轨道道角角动动量量的的量量子子化化也也意意味味着着能能量量量量子子化化.即即原原子子

29、只只能能处处于于上上述述条条件件所限定的几个能态所限定的几个能态,不可能存在其他能态不可能存在其他能态.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 值增大而增值增大而增高高.电子电子只有从外部吸收足够能量时才能到达激发态只有从外部吸收足够能量时才能到达激发态.定态定态(stationary state)：所有这些允许能态之统称所有这些允许能态之统称. .核外电子只能在有确定半径和能核外电子只能在有确定半径和能量的定态轨道上运动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

30、在能量最低的这一基态通常电子保持在能量最低的这一基态.基基态是能量最低即最稳定的状态态是能量最低即最稳定的状态.激发态激发态(excited states): 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(即即,定定态态轨轨道道上上运运动动的的电电子子不不放放出出能能量量),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能量量差差.根根据据普普朗朗克克关关系系式式,该该能能量量差差与与跃跃迁迁过程产生的光子的频率互成正比：过

31、程产生的光子的频率互成正比： 关于能量的吸收和发射关于能量的吸收和发射.E = E2E1=h 如如果果电电子子由由能能量量为为E1的的轨轨道道跃跃至至能能量量为为E2的的轨轨道道,显显然然应应从外部吸收同样的能量从外部吸收同样的能量. E:轨道的能量轨道的能量：光的频率：光的频率 h: Planck常数常数计算氢原子的电离能计算氢原子的电离能波尔理论的成功之处波尔理论的成功之处解释了解释了H及及He+、Li2+、B3+的原子光谱的原子光谱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（如光的形成）也能解释对其他发光现象（如光的形成）也能解释不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂不能解释氢原子光谱

32、在磁场中的分裂波尔理论的不足之处波尔理论的不足之处不能解释氢原子光谱的精细结构不能解释氢原子光谱的精细结构不能解释多电子原子的光谱不能解释多电子原子的光谱5-15-1微观粒子的特征微观粒子的特征微观粒子的特征微观粒子的特征5 氢原子结构（核外电子运动）氢原子结构（核外电子运动）的量子力学模型的量子力学模型 5.1 5.1 粒子性粒子性带电荷的带电荷的粒子流粒子流1927年，年，Davissson 和和Germer 应用应用Ni晶体进行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.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

33、原理实验原理Schematic drawings of diffraction patterns by light, X- rays, and electrons灯光源灯光源X射线管射线管电子源电子源(a) (b)电子通过电子通过Ni箔箔(a)(a)和石墨和石墨(b)(b)的衍射图的衍射图5.2 5.2 波动性波动性1900年年,普朗克普朗克(Plank M)提出了表达光的能量提出了表达光的能量(E)与频率与频率()关系的方程关系的方程,即著名的普朗克方程：即著名的普朗克方程：E= h式中的式中的h叫普朗克常量叫普朗克常量(Planck constant),其值为其值为6.6261034Js.

34、 普朗克认为普朗克认为, , 物体只能按物体只能按h的整数倍的整数倍( (例如例如1,2,3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0.5,1.6,2.3等等任何非整数倍任何非整数倍. .这就是所谓的能量量子化概念这就是所谓的能量量子化概念. . 普朗克提出了当时物理学界一种全新的概念普朗克提出了当时物理学界一种全新的概念, , 但它只但它只涉及光作用于物体时能量的传递过程涉及光作用于物体时能量的传递过程( (即吸收或释出即吸收或释出).).Plank公式公式5.3 5.3 量子化量子化 在在光光的的波波粒粒二二象象性性的的启启发发下下，德德布布罗

35、罗依依提提出出一一种种假假想想. .他他于于1924 1924 年年说说： “过过去去，对对光光过过分分强强调调波波性性而而忽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向，即过分强调它的粒性而忽视它的波性倾向，即过分强调它的粒性而忽视它的波性.”.”1924年，年，LouisdeBroglie认为：认为：质量为质量为m,运动速运动速度为度为v 的粒子的粒子,相应的波长为：相应的波长为：h :Planck 常量常量m:质量质量v:速度速度p:动量动量这就是著名的这就是著名的 德布罗依关系式德布罗依关系式. .5-2 5-2 5-2 5-2 德布罗依关系式德布罗依关

36、系式 子弹，子弹，m=2.5102Kg,v=300ms1;电子，电子，me=9.11031Kg,v=5.9106ms1;波长：波长：子弹子弹 =h/(mv)=6.61034/(2.5102 300)=8.8 1035(m)可忽略，主要表现为粒性。可忽略，主要表现为粒性。电子电子 =h/(mv)=6.61034/(9.11031 5.9105)=12 1010(m)=1.2nm 例例 ：5 53 3 海森堡的不确定原理海森堡的不确定原理(Heisenberg uncertainty principle) 如果我们能设计一个实验准确测定如果我们能设计一个实验准确测定微粒的位置微粒的位置, , 那就

37、不能准确测定其动量那就不能准确测定其动量, , 反之亦然反之亦然. .x ph/(4) 如如果果我我们们精精确确地地知知道道微微粒粒在在哪哪里里, , 就就不不能能精精确确地地知知道道它它从从哪哪里里来来, , 会会到到哪哪里里去去; ;如如果果我我们们精精确确地地知知道道微微粒粒在在怎怎样样运运动动, , 就不能精确地知道它此刻在哪里就不能精确地知道它此刻在哪里. .Heisenberg W例例：对对于于一一个个质质量量为为1g的的宏宏观观物物体体，若若位位置置不不准准确确量量不不超超过过1微米（微米（106m），），求速度的不准确量为多少？求速度的不准确量为多少？解：解：xph即即xmv=

38、hp=mvv6.61025ms1这个值已超出可测量范围。这个值已超出可测量范围。测不准关系对宏观物体不起作用测不准关系对宏观物体不起作用例：测量电子的位置：例：测量电子的位置：电子比原子更小，直径的数量级电子比原子更小，直径的数量级为为1010m，测其合理的准确度至少应达到测其合理的准确度至少应达到1011m，电子电子的质量为的质量为91031kg，其速度不准确量为：其速度不准确量为：v7.3108ms1。电子的运动速度一般在电子的运动速度一般在104107ms1范围内，范围内，电子的不准确量比电子的速度还大。电子的不准确量比电子的速度还大。通过例题可以说明：通过例题可以说明：要同时测准电子的

39、位置和速度是不可能的；要同时测准电子的位置和速度是不可能的；用测不准原理可区分宏观与微观粒子。用测不准原理可区分宏观与微观粒子。小小结结：微微观观粒粒子子的的特特性性,量量子子化化、波波粒粒二二象象性性、存存在在测测不不准准关关系系.重要暗示重要暗示不可能存在不可能存在Rutherford和和Bohr模模型中行星绕太阳那样的电子轨道型中行星绕太阳那样的电子轨道具具有有波波粒粒二二象象性性的的电电子子，已已不不再再遵遵守守经经典典力力学学规规律律，它它们们的的运运动动没没有有确确定定的的轨轨道道，只只有有一一定定的的空空间间几几率率分分布布，即即电电子子的的波波动动性性与与其其微微粒粒行行为为的

40、的统统计计性性规规律律相相联联系系. . 因因此此, , 实实物物的的微微粒粒波波是是概概率率波波, , 性性质质上上不不同同于于光光波波的的一一种种波波. . 波波动动力力学学的的轨轨道道概概念念与与电子在核外空间出现机会最多的区域相联系电子在核外空间出现机会最多的区域相联系. . 所所以以，欲欲用用适适用用于于宏宏观观世世界界的的经经典典物物理理的的“波波”或或“粒粒子子”的的概概念念，来来给给电电子子的的行行为为以以恰恰当当的的描描述是不可能的，只能用量子力学来描述。述是不可能的，只能用量子力学来描述。 但但是是，测测不不准准关关系系不不是是限限制制人人们们的的认认识识限限度度，而而是是

41、限限制制经经典典力力学学的的适适用用范范围围，说说明明微微观观体体系系的的运运动动有有更更深深刻的规律在起作用，这就是量子力学所反应的规律刻的规律在起作用，这就是量子力学所反应的规律. .结结论论 波尔以波的微粒性（即能波尔以波的微粒性（即能量量子化概念）为基础建立了量量子化概念）为基础建立了他的氢原子模型他的氢原子模型. .波粒二象性对化学的重要性在于：波粒二象性对化学的重要性在于：波粒二象性对化学的重要性在于：波粒二象性对化学的重要性在于： 薛定谔等则以微粒波动性薛定谔等则以微粒波动性为基础建立起原子的波动力学为基础建立起原子的波动力学模型模型. .54原子结构的波动力学模型原子结构的波动

42、力学模型（the wave mechanical model of the structure of atom） 波波动动力力学学模模型型是是迄迄今今最最成成功功的的原原子子结结构构模模型型, , 它它是是19201920年年代代以以海海森森堡堡( (Heisenberg W) )和和薛薛定定谔谔( (Schrodinger E) )为为代代表表的的科科学学家家们们通通过过数数学学方方法法处处理理原原子子中中电电子子的的波波动动性性而而建建立立起起来来的的. . 该该模模型型不不但但能能够够预预言言氢氢的的发发射射光光谱谱( (包包括括玻玻尔尔模模型型无无法解释的谱线法解释的谱线),),而且也

43、适用于多电子原子而且也适用于多电子原子, , 从而更合理地说明核外电子的排布方式从而更合理地说明核外电子的排布方式. . 1.薛定锷方程和波函数薛定锷方程和波函数(Schrodinger equation and wave function ) 粒粒粒粒子子子子性性性性是是是是指指指指微微微微观观观观粒粒粒粒子子子子与与与与其其其其他他他他物物物物质质质质进进进进行行行行能能能能量量量量交交交交换换换换时时时时，是是是是一一一一份份份份一一一一份份份份地地地地以以以以某某某某以以以以最最最最小小小小单单单单位位位位进进进进行行行行的的的的，即即即即能能能能量量量量量量量量子子子子化化化化, ,

44、 , ,这这这这就就就就是是是是所所所所谓谓谓谓的的的的不不不不连连连连续续续续的的的的粒粒粒粒子子子子性性性性. . . .而而而而波波波波动动动动性性性性则则则则是是是是与与与与微微微微观观观观粒粒粒粒子子子子行行行行为为为为的的的的统统统统计计计计规规规规律律律律相相相相联联联联系系系系的的的的，反反反反映映映映了了了了微微微微观观观观粒粒粒粒子子子子在在在在空空空空间间间间各各各各区区区区域域域域出出出出现现现现的的的的几几几几率率率率大大大大小小小小。微微微微观观观观粒粒粒粒子子子子的的的的波波波波就就就就是是是是几几几几率率率率波波波波。由由由由于于于于波波波波的的的的运运运运动动

45、动动状状状状态态态态一一一一般般般般可可可可通通通通过过过过波波波波的的的的数数数数学学学学函函函函数数数数来来来来表表表表示示示示。这这这这种种种种波波波波的的的的数数数数学学学学函函函函数数数数就就就就叫叫叫叫波波波波函函函函数数数数，用用用用 （p p saisai）表表表表示示示示。与与与与机机机机械械械械波波波波不不不不同，是三维空间的波。同，是三维空间的波。同，是三维空间的波。同，是三维空间的波。一维波一维波一维波一维波 二维波二维波二维波二维波 三三三三维维维维波波波波 即电子的几率波即电子的几率波, ,向向x x、y y、z z三个方向伸展三个方向伸展, ,很难描述。很难描述。

46、但也可以用波函数来表示，这就是但也可以用波函数来表示，这就是19261926年年, ,仅仅2626岁的奥地岁的奥地利物理学家利物理学家SchrodingerSchrodinger建立了著名的微观粒子的波动方建立了著名的微观粒子的波动方程程, ,它是一个二阶偏微分方程它是一个二阶偏微分方程, ,其具体形式为：其具体形式为：2.2. Schrdinger方程与量子数方程与量子数 求解薛定锷方程求解薛定锷方程, , 就是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 ( (

47、r,) )的函数式的函数式n n, , l l, , m m ( (r r, , ,) ;) ; 数学上可以解得许多个数学上可以解得许多个n n, , l l, , m m ( (r r, , ,) , ) , 但其物理意义并非都合理但其物理意义并非都合理; ; 为了得到合理解为了得到合理解, , 三个常数项只能按一定规则取值三个常数项只能按一定规则取值, , 很自然地得到前很自然地得到前 三个量子数三个量子数. .有合理解的函数式叫做波函数有合理解的函数式叫做波函数( (Wave functions), ), 它们以它们以 n,l,m 的合理取值为前提的合理取值为前提. . 波动力学的成功波

48、动力学的成功: : 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=薛定锷方程的合理解薛定锷方程的合理解=原子轨道原子轨道 Schrodinger E方程中既包含体现微粒性的物理量方程中既包含体现微粒性的物理量 m, ,也包含也包含体现波体现波 动性的物理量动性的物理量; ; 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:角角坐标坐标,由由z轴沿球面延伸至轴沿球面延伸至r 的弧线的弧线所表示的角度所表示的角度.:角角坐标坐标,由由r沿球面平行沿球面平行xy面延伸至面延伸至xz面面的弧线所表示的角度的弧线所表示的角度.

49、直角坐标直角坐标(x, y, z)与球坐标与球坐标(r,)的转换的转换波函数以及常数波函数以及常数n、 l、m电子的运动状态可由电子的运动状态可由Schrdinger方程解得的方程解得的波函数波函数 来描来描述。述。为得到合理解，在解为得到合理解，在解Schrdinger方程中，波函数中引入方程中，波函数中引入了常数项了常数项n、 l、m、ms，其意义见后其意义见后，取值范围为：取值范围为： n=1,2,3, l =0,1,2,n1 m=0, 1, 2, l ms = 1/2每种波函数对应于电子的一种运动状态。通常把一种波每种波函数对应于电子的一种运动状态。通常把一种波函数称为一个原子轨道。但

50、这里的轨道，不是经典力学意义函数称为一个原子轨道。但这里的轨道，不是经典力学意义上的轨道，而是服从统计规律的量子力学意义上的轨道。上的轨道，而是服从统计规律的量子力学意义上的轨道。意义：意义：意义：意义：它它它它在确定电子运动的能量时起头等重要的作用。在确定电子运动的能量时起头等重要的作用。在确定电子运动的能量时起头等重要的作用。在确定电子运动的能量时起头等重要的作用。3.3.描述电子运动状态的描述电子运动状态的四个量子数四个量子数 像像玻玻尔尔的的固固定定轨轨道道一一样样,波波动动力力学学的的轨轨道道也也由由量量子子数数所所规规定定.不不同同的的是是,原原子子轨轨道道用用三三个个量量子子数数

51、而而不不像像玻玻尔尔轨轨道道只用一个量子数描述只用一个量子数描述. （1）主量子数主量子数n (principal quantum number) 与电子能量有关，对于氢原子，电子能量唯一决定于与电子能量有关，对于氢原子，电子能量唯一决定于n 在在在在氢氢氢氢原原原原子子子子中中中中电电电电子子子子的的的的能能能能量量量量完完完完全全全全由由由由n n决决决决定定定定：n n增增增增 E E增增增增 电电电电子子子子离离离离核核核核的的的的平平平平均均均均距距距距离离离离增增增增。n n亦亦亦亦决决决决定定定定电电电电子子子子离离离离核核核核的的的的远远远远近近近近。在在在在一一一一个个个个原

52、原原原子子子子内内内内，具具具具有有有有相相相相同同同同主主主主量量量量子子子子数数数数的的的的电电电电子子子子（n n值值值值相相相相同同同同的的的的电电电电子子子子）几几几几乎乎乎乎在在在在同同同同样样样样的的的的空空空空间间间间范范范范围围围围内内内内运运运运动动动动。称称称称n n相相相相同同同同的的的的电电电电子子子子为为为为一一一一个个个个电电电电子子子子层层层层，用它来描述原子中电子出现几率最大的区域。用它来描述原子中电子出现几率最大的区域。用它来描述原子中电子出现几率最大的区域。用它来描述原子中电子出现几率最大的区域。 取值：取值：取值：取值： n=1234567n=12345

53、67大于大于大于大于1 1的正整数的正整数的正整数的正整数电子层顺序电子层顺序电子层顺序电子层顺序: :12345671234567电子层名称电子层名称电子层名称电子层名称: :KLMNOPQKLMNOPQ 确定电子出现几率最大处离核的距离确定电子出现几率最大处离核的距离 不同的不同的n n 值，对应于不同的电子壳层值，对应于不同的电子壳层 取值：取值：取值：取值： l =0=0、1 1、2 2、33（n1n1）（2）角量子数角量子数l (angular momentum quantum umber)Theallowedvaluesforangularmomentumquantumnumber

54、,lnl1234(subshellsymbol0000s111p22d3f )电子在核外运动时有一定的角动量，其值也是量电子在核外运动时有一定的角动量，其值也是量电子在核外运动时有一定的角动量，其值也是量电子在核外运动时有一定的角动量，其值也是量子化的，主要由子化的，主要由子化的，主要由子化的，主要由l 决定，决定，决定，决定，称角量子数。称角量子数。称角量子数。称角量子数。s 轨道轨道球形球形l =0=0用用用用光光光光谱谱谱谱符符符符号号号号表表表表示为示为示为示为 ss球形球形球形球形 从形状的角度从形状的角度从形状的角度从形状的角度l代表轨道代表轨道代表轨道代表轨道 电子常出现区域的电

55、子常出现区域的电子常出现区域的电子常出现区域的形状，即电子波在原子核外所占的空间范围。形状，即电子波在原子核外所占的空间范围。形状，即电子波在原子核外所占的空间范围。形状，即电子波在原子核外所占的空间范围。准确说准确说 l 决定了决定了的角度函数的形状的角度函数的形状p轨道轨道哑铃形哑铃形 l =1=1用用用用p p表示表示表示表示 哑铃形哑铃形哑铃形哑铃形 l =4=4用用用用 gg表示表示表示表示本课程不要求记住本课程不要求记住 f、g轨道轨道具体形状具体形状! l =3=3用用用用 ff表示表示表示表示花瓣形（花瓣形（花瓣形（花瓣形（ f 轨道有轨道有三三种形状种形状）意义：意义：d 轨

56、道有两种形状轨道有两种形状花花花花瓣瓣瓣瓣形形形形（4 4个个个个为为为为4 4个个个个瓣瓣瓣瓣，1 1个个个个为为为为2 2个瓣）个瓣）个瓣）个瓣） l =2=2用用用用d d表示表示表示表示 l 代代代代表表表表分分分分层层层层：如如如如果果果果将将将将n n相相相相同同同同的的的的电电电电子子子子为为为为一一一一电电电电子子子子层层层层，则则则则l l表表表表示示示示同同同同一一一一电电电电子子子子层层层层中中中中具具具具有有有有不不不不同同同同状状状状态态态态的的的的分分分分层，或称亚层。层，或称亚层。层，或称亚层。层，或称亚层。 从从从从能能能能量量量量的的的的角角角角度度度度 l

57、代代代代表表表表能能能能级级级级 它它它它和和和和能能能能量量量量有有有有关关关关，（与与角动量有关，对于多电子原子角动量有关，对于多电子原子, , l 也与也与E 有关）有关） n n相同相同相同相同 l 不同不同不同不同 l 大，大，大，大，EE大；大；大；大；n n不同不同不同不同 l 相同相同相同相同nn大，大，大，大，EE大。大。大。大。例、例、例、例、n=3n=3n=3n=3， l l =0=0=0=0、1 1 1 1、2 2 2 2时时时时 E E E E3d3d3d3dE E E E3p3p3p3p E E E E3s 3s 3s 3s n n n n、 l l 都不同，后面课

58、程讨论。都不同，后面课程讨论。都不同，后面课程讨论。都不同，后面课程讨论。 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 m值决定了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 3） 磁量子数磁量子数m m ( magnetic quantum number)Theallowedvaluesformagneticquantumnumber,mLmnumberoforbital0(s)1(p)2(d)3(f)01012101232101231357s s 轨道轨道( (l l = 0, =

59、 0, m m = 0 ) = 0 ) : : m 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 s 轨道轨道. . p 轨道轨道( (l = 1, = 1, m = +1, 0, -1) = +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. .d d 轨道轨道( (l l = 2, = 2, m m = +2, +1, 0, -1, -2) = +2, +1, 0, -1, -2) : : m m 五五种取值种取值, , 空间五种取向空间五种取向, , 五条等价五条等价( (简并简并) )

60、 d d 轨道轨道. . f f 轨道轨道 ( ( l l = 3, = 3, m m = +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3 ) = +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3 ) : : m 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 f 轨道轨道. .本课程不要求记住本课程不要求记住 f 、g 轨道轨道具体形状具体形状 g g 轨道轨道 九九 种取值，种取值，空间空间九九种取向种取向, , 九条等价九条等价( (简并简并) ) g g 轨道轨道. .由上面的讨论知道由上面的讨论知道n, l,m一定一定,轨道

61、也确定轨道也确定0123Orbitalspdf例如例如:n=2,l=0,m=0,2sn=3,l=1,m=0,3pzn=3,l=2,m=0,3dz2换句话说：换句话说：三个量子数三个量子数(n,l,m)确定一个原子轨道确定一个原子轨道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 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

62、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表示该表示该4d 轨道是不同伸展方向的轨道是不同伸展方向的 5 5条条4 4d d 轨道之一轨道之一. . Representations of the five d orbitals（4 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想象中的电子自旋想象中的电子自旋 两种可能的自旋方向两种可能的自旋方向: : 正

63、向正向(+1/2)(+1/2)和反向和反向(-1/2)(-1/2) 产生方向相反的磁场产生方向相反的磁场 相反自旋的一对电子相反自旋的一对电子, ,磁场磁场 相互抵消相互抵消. . Electron spin visualizedMagnetic fieldscreenSmall clearance spaceSilver atomic raykiln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结结 论：论：四个量子数四个量子数(n,l,m,ms)确定一个电子运动状态确定一个电子运动状态四个量

64、子数和电子运动状态四个量子数和电子运动状态主主主主量子数量子数量子数量子数 n n角角角角量子数量子数量子数量子数 l l磁量子数磁量子数磁量子数磁量子数 mm自旋磁量子数自旋磁量子数自旋磁量子数自旋磁量子数 mms s电子运动电子运动电子运动电子运动状态数状态数状态数状态数取值取值取值取值取值取值取值取值能级能级能级能级符号符号符号符号取值取值取值取值原子轨道原子轨道原子轨道原子轨道取值取值取值取值符号符号符号符号符号符号符号符号总数总数总数总数1 10 01s1s0 01s1s1 111/2/22 22 20 02s2s0 02s2s4 411/2/28 81 12p2p0 02p2pz

65、z11/2/2112p2px x11/2/22p2py y11/2/2 l = 0,1,2,(n1);m=0,1,2,l NameName名称名称名称名称SymbolSymbol符号符号符号符号ValuesValues取值取值取值取值MeaningMeaning表示表示表示表示IndicatesIndicates指明指明指明指明principleprinciple主量子数主量子数主量子数主量子数n n1,2,1,2,shellshell, ,电子层电子层电子层电子层energyenergy能层能层能层能层sizesize尺寸尺寸尺寸尺寸OrbitalangularOrbitalangularm

66、omentummomentum角量子数角量子数角量子数角量子数l l0,1,0,1, ,n n11subshellsubshellenergyenergy亚层能级亚层能级亚层能级亚层能级shapeshape形状形状形状形状 magneticmagnetic磁量子数磁量子数磁量子数磁量子数mm0,0, 1,1, 2, 2, , , l lorbitalsorbitals ofofsubshellsubshell亚层轨亚层轨亚层轨亚层轨道道道道directiondirection方向方向方向方向SpinmagneticSpinmagnetic自旋磁量子数自旋磁量子数自旋磁量子数自旋磁量子数mms

67、s+1/2,1/2+1/2,1/2spinstatespinstate自旋状态自旋状态自旋状态自旋状态SpinSpindirectiondirection自旋方向自旋方向自旋方向自旋方向四个量子数小结四个量子数小结6.6.波函数的图形描述波函数的图形描述(portrayal of wave function )R(r)原子原子轨道径向分布图轨道径向分布图 ( (以以氢原子的氢原子的1 1s, 2, 2s, 3, 3s 轨道轨道为例为例) )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, , 以以计计算算结结果果对对 r 作作图图. . 例如例如, , 氢原子氢

68、原子1 1s轨道的轨道的 R(r)=2er 曲线怎样绘得曲线怎样绘得 ? ? 曲线含义曲线含义: :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. .其它含义不在本课程要求之列其它含义不在本课程要求之列. .将将Schrdinger方程方程变量分离：变量分离：径向波函数径向波函数Rn, l(r)y yn, l,m(r, , , , f f)=Y l,m( , , f f)角度波函数角度波函数原子原子轨道角度分布图轨道角度分布图 ( (以以氢原子氢原子 2 2px x轨道为例轨道为例) ) 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

69、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, , 以计算以计算 结果标在该射线上某一点结果标在该射线上某一点; ; 用同样方法标出其它射线上的点用同样方法标出其它射线上的点, ,然后将所有的点相联然后将所有的点相联, ,得得 沿沿 x x 轴伸展的哑铃形面轴伸展的哑铃形面. . 例： 2p态：n =2 , l =1 , m = +1,0,-15.电电子子云云 为了形象化地表示出电子的几为了形象化地表示出电子的几为了形象化地表示出电子的几为了形象化地表示出电子的几率密度分布，可以将其看作为带负率密度分布，可以将其看作为带负率密度分

70、布，可以将其看作为带负率密度分布，可以将其看作为带负电荷的电子云。所以电荷的电子云。所以电荷的电子云。所以电荷的电子云。所以, , , ,电子云是电子电子云是电子电子云是电子电子云是电子在核外空间出现几率密度分布的形在核外空间出现几率密度分布的形在核外空间出现几率密度分布的形在核外空间出现几率密度分布的形象化描述象化描述象化描述象化描述, , , ,是是是是| | | | 2 2 2 2| | | |的具体图像。的具体图像。的具体图像。的具体图像。电子云角度分布图电子云角度分布图 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振幅对应于经典物理学中光波的振幅; ; 经典物理学中

71、经典物理学中, , 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; ; 波动力学波动力学 中中, , 微粒波的强度与微粒波的强度与 波函数的平方波函数的平方( (2 2 ) )相联系相联系; ; 2 2 的物理意义是概率密度的物理意义是概率密度. .因为根据玻恩统计解释因为根据玻恩统计解释, ,微粒波微粒波 的强度的强度( (2 2 ) )表达微粒在空间某点单位体积内出现的概率表达微粒在空间某点单位体积内出现的概率. . 我我们们最最初初介介绍绍“orbital”概概念念时时说说, , 特特定定能能量量的的电电子子在在核核外外空空间间出出现现最最多多区区域域叫叫原原子子轨轨道道. .

72、从从电电子子云云( (electron clouds) )角角度度讲讲, , 这这个个区区域域就就是是云云层层最最密密的的区区域域. . 注注意意, , 电电子子云云不不是是一一个个科科学学术术语语, , 而而只只是是一一种种形形象象化化比比喻喻. .特特别别注注意意, , 一一个个小小黑黑点点绝绝不不代代表表一一个个电电子子, , 您您不不妨妨将将密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“足迹足迹”. . 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体的的物物理理意意义义. . 它它不不是是行行星星

73、绕绕太太阳阳运运行行的的“orbitorbit”，不不是是火火箭箭的的弹弹道道，也也不不是是电电子子在在原原子子中中的的运运动动途途径径, , 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某个区域的数学描述的某个区域的数学描述. . 从波函数从波函数 (r,)到电子云到电子云2 (r,)表示径向电子云分布的方法 电子云径向密度分布曲线电子云径向密度分布曲线(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) )

74、 2 (r,)=R 2 (r)Y 2 (,)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. 电子云角度分布图由由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. . 电子运动状态小结电子运动

75、状态小结1 1、在微观世界中，核外电子运动的能量是不连续的，分为不同、在微观世界中，核外电子运动的能量是不连续的，分为不同、在微观世界中，核外电子运动的能量是不连续的，分为不同、在微观世界中，核外电子运动的能量是不连续的，分为不同的能级，而电子的运动状态需用四个量子数来决定。的能级，而电子的运动状态需用四个量子数来决定。的能级，而电子的运动状态需用四个量子数来决定。的能级，而电子的运动状态需用四个量子数来决定。2 2、微观粒子具有波粒二象性，存在测不准关系，不能用位置座、微观粒子具有波粒二象性，存在测不准关系，不能用位置座、微观粒子具有波粒二象性，存在测不准关系，不能用位置座、微观粒子具有波粒

76、二象性，存在测不准关系，不能用位置座标和动量来描述标和动量来描述标和动量来描述标和动量来描述, ,需用波函数来描述。微观粒子（电子）的特性。需用波函数来描述。微观粒子（电子）的特性。需用波函数来描述。微观粒子（电子）的特性。需用波函数来描述。微观粒子（电子）的特性。3 3、波函数，原子轨道，电子云等概念的区别和联系。、波函数，原子轨道，电子云等概念的区别和联系。、波函数，原子轨道，电子云等概念的区别和联系。、波函数，原子轨道，电子云等概念的区别和联系。波函数：波函数：波函数：波函数：是描述核外电子在空间运动状态的数学函数式，是描述核外电子在空间运动状态的数学函数式，是描述核外电子在空间运动状态

77、的数学函数式，是描述核外电子在空间运动状态的数学函数式，是表示微观实物体系在一定条件下的状态的形式。是表示微观实物体系在一定条件下的状态的形式。是表示微观实物体系在一定条件下的状态的形式。是表示微观实物体系在一定条件下的状态的形式。原子轨道：原子轨道：原子轨道：原子轨道：称原子中一个电子的可的运动状态的原子轨道。称原子中一个电子的可的运动状态的原子轨道。称原子中一个电子的可的运动状态的原子轨道。称原子中一个电子的可的运动状态的原子轨道。而这些原子轨道各由一个波函数来描述。而这些原子轨道各由一个波函数来描述。而这些原子轨道各由一个波函数来描述。而这些原子轨道各由一个波函数来描述。电子云：电子云：

78、电子云：电子云：是电子行为统计结果的一种形象化表示，是是电子行为统计结果的一种形象化表示，是是电子行为统计结果的一种形象化表示，是是电子行为统计结果的一种形象化表示，是| | 2 2| |的具体图象。的具体图象。的具体图象。的具体图象。几率密度几率密度几率密度几率密度：电子在空间某处单位体积中出现的几率，具体到：电子在空间某处单位体积中出现的几率，具体到：电子在空间某处单位体积中出现的几率，具体到：电子在空间某处单位体积中出现的几率，具体到原子中，即核外某处单位体积内电子的原子中，即核外某处单位体积内电子的原子中，即核外某处单位体积内电子的原子中，即核外某处单位体积内电子的几率几率几率几率。一

79、定的一定的一定的一定的波函数波函数波函数波函数描述电子一定的运动状态描述电子一定的运动状态描述电子一定的运动状态描述电子一定的运动状态。如。如。如。如 1s1s 2px2px分分分分别表示电子处于不同的运动状态。处于一定运动状态下的电别表示电子处于不同的运动状态。处于一定运动状态下的电别表示电子处于不同的运动状态。处于一定运动状态下的电别表示电子处于不同的运动状态。处于一定运动状态下的电子，有一定的几率密度分布。原子轨道的含义并不等于电子子，有一定的几率密度分布。原子轨道的含义并不等于电子子，有一定的几率密度分布。原子轨道的含义并不等于电子子，有一定的几率密度分布。原子轨道的含义并不等于电子的

80、几率密度分布的几率密度分布的几率密度分布的几率密度分布, , , ,更不等于电子云更不等于电子云更不等于电子云更不等于电子云. . . .原子轨道是指电子一定的原子轨道是指电子一定的原子轨道是指电子一定的原子轨道是指电子一定的空间运动状态空间运动状态空间运动状态空间运动状态, , , ,而电子在一定空间运动状态除了有一定的几而电子在一定空间运动状态除了有一定的几而电子在一定空间运动状态除了有一定的几而电子在一定空间运动状态除了有一定的几率密度分布外，还有一定其他物理性质，如能量半径等。率密度分布外，还有一定其他物理性质，如能量半径等。率密度分布外，还有一定其他物理性质，如能量半径等。率密度分布

81、外，还有一定其他物理性质，如能量半径等。电电电电子云子云子云子云只是电子在空间出现的几率密度分布的形象化表示。而只是电子在空间出现的几率密度分布的形象化表示。而只是电子在空间出现的几率密度分布的形象化表示。而只是电子在空间出现的几率密度分布的形象化表示。而且用波函数表示原子轨道的图象和电子云的图象也不同，除且用波函数表示原子轨道的图象和电子云的图象也不同，除且用波函数表示原子轨道的图象和电子云的图象也不同，除且用波函数表示原子轨道的图象和电子云的图象也不同，除了形状略有不同外，主要差别在于波函数的图象有正负之分，了形状略有不同外，主要差别在于波函数的图象有正负之分，了形状略有不同外，主要差别在

82、于波函数的图象有正负之分，了形状略有不同外，主要差别在于波函数的图象有正负之分，而电子云的图象则没有正负号。而电子云的图象则没有正负号。而电子云的图象则没有正负号。而电子云的图象则没有正负号。Pauling,L.C.(1901-1994)6 6 基态原子电子组态（电子排布）基态原子电子组态（电子排布）6.1鲍林近似能级图鲍林近似能级图(portrayal ofPauling approximation energy level )6.3屏蔽和穿钻屏蔽和穿钻(shielding and penetration)6.2科顿能级图科顿能级图(Cotton energy level portray )

83、6.4基态原子的核外电子排布基态原子的核外电子排布（groundstateelectronconfiguration）对于氢原子和类氢粒子中各轨道能量的计算：对于氢原子和类氢粒子中各轨道能量的计算：6.1鲍林近似能级图鲍林近似能级图能级分裂能级分裂：n 同，同，l 不同，不同，如：如：E3s E3p E3d能级交错：能级交错：n, l 均不同，均不同，E4s E3d(Z 21)多电子原子轨道的能级次序多电子原子轨道的能级次序对于多电子原子中各轨道能量的计算：对于多电子原子中各轨道能量的计算：鲍鲍林林能能级级图图 19391939年年, ,鲍林鲍林( (Pauling L) )从从大量光谱实验数

84、据出发大量光谱实验数据出发, ,通过理通过理论计算得出多电子原子论计算得出多电子原子( (Many-electron atoms) )中轨道能量的高中轨道能量的高低顺序低顺序, , 即所谓的即所谓的顺序图顺序图( (图图1.13). 1.13). 图中一个小圆圈代表一图中一个小圆圈代表一个轨道个轨道( (同一水平线上的圆圈为同一水平线上的圆圈为等价轨道等价轨道) )；箭头所指则表示轨；箭头所指则表示轨道能量升高的方向道能量升高的方向. . A qualitative energy-levels diagram for many-electron atoms 鲍林能级图只适用于多电子原子鲍林能级

85、图只适用于多电子原子.即不适用于氢原子即不适用于氢原子和类氢原子和类氢原子,氢原子和类氢原子不存在能级分裂现象氢原子和类氢原子不存在能级分裂现象,自然也谈不上能级交错自然也谈不上能级交错.鲍林能级图严格意义上只能叫鲍林能级图严格意义上只能叫“顺序图顺序图”,顺序是指轨顺序是指轨道被填充的顺序或道被填充的顺序或电子填入轨道的顺序电子填入轨道的顺序.换一种说法，换一种说法，填充顺序并不总是能代表原子中电子的实际能级！填充顺序并不总是能代表原子中电子的实际能级！例如例如Mn原子原子(Z=25),最先的最先的18个电子填入个电子填入n =1和和2的的9条轨条轨道道,接下来接下来2个电子填入个电子填入4

86、s 轨道轨道,最后最后5个电子填入顺序个电子填入顺序图图中能级最高的中能级最高的3d 轨道轨道.但是但是,如果你由此得如果你由此得“Mn原子中原子中3d电子的能级高于电子的能级高于4s电子电子”，那就错了，那就错了.金属锰与酸金属锰与酸反反应生成应生成Mn2+,失去的失去的2个电子属于个电子属于4s而非而非3d！6.2屏蔽和穿钻屏蔽和穿钻 什么叫屏蔽作用什么叫屏蔽作用？对对一个指定的电子而言一个指定的电子而言, ,它它会受到来自内层电子和会受到来自内层电子和同层其它电子负电荷的同层其它电子负电荷的排斥力排斥力, , 这种球壳状负这种球壳状负电荷像一个屏蔽罩电荷像一个屏蔽罩, , 部部分阻隔了核

87、对该电子的分阻隔了核对该电子的吸引力吸引力. .（1）屏蔽效应屏蔽效应（Shielding effect）例：例：Li吸引与排斥吸引与排斥如如果果将将球球形形屏屏蔽蔽罩罩携携带带的的负负电电荷荷视视为为集集中中于于原原子子核核上上的的点点电电荷荷, , 净净效效果果则则相相当当于于核核的的真真实实正正电电荷荷 Z ( (原原子子序序) ) 降降至至某某一一数数 Z* ( (有有效效核核电电荷荷). ). 减减少少的的数数值值叫叫屏屏蔽蔽参参数数( (，shielding parameters).). 屏蔽常数屏蔽常数Z*=Z影响影响大小的因素：大小的因素：1.内层内层同层外层同层外层2.Spd

88、f屏蔽参数屏蔽参数的大小可由的大小可由Slater规则决定规则决定,其内其内容如下：容如下：将原子中的电子分成如下几组：将原子中的电子分成如下几组：（1s)(2s,2p)(3s,3p)(3d)(4s,4p)(4d)(4f)(5s,5p)位于被屏蔽电子右边的各组，位于被屏蔽电子右边的各组，s s =01s s 轨道上的轨道上的2个电子间个电子间s s =0.30，n1时，时，s s =0.35被屏蔽电子为被屏蔽电子为ns 或或np时，时，(n1)层对它层对它s s =0.85，小于小于(n1)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指外部

89、电子进入原子内部空间，受到核的较强的吸引作用指外部电子进入原子内部空间，受到核的较强的吸引作用. .（2）穿钻效应穿钻效应(penetration)：电子作为主体电子作为主体n不同不同,l 相同相同n 越越小小在在离核近离核近的地方发现的几的地方发现的几率越大率越大受其他电子的受其他电子的屏蔽越小屏蔽越小受核的受核的吸引越强吸引越强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: 1 s2 s3 s4 sn相同相同,l 不同不同l 越越小小在在离核近离核近的地方发现的几率越大的地方发现的几率越大受其他电子的受其他电子的屏蔽越小屏蔽越小受核的受核的吸引越强吸引越强轨道的钻穿能力通常有如

90、下顺序轨道的钻穿能力通常有如下顺序: n sn pn dnf如果能级分裂的程度很大如果能级分裂的程度很大,就可就可能导致与临近电子层中的亚层能级能导致与临近电子层中的亚层能级发生交发生交错错.例如例如,4s电子云径向分布电子云径向分布图上除主峰外还有图上除主峰外还有3个离核更近的小个离核更近的小峰峰,其钻穿程度如此之大其钻穿程度如此之大,以致其能以致其能级处于级处于3d亚层能级亚层能级之下之下,发生了交发生了交错错.3d与与4s轨道的径向分布图轨道的径向分布图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

91、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它它电子的屏蔽电子的屏蔽. 为什么为什么 2 2s 价电子比价电子比 2 2p 价价电子受到较小的屏蔽电子受到较小的屏蔽? ?QuestionQuestion6.2科顿能级图科顿能级图此图不是顺序图此图不是顺序图! !H原子轨道能量只与原子轨道能量只与n 有关有关,其其它原子轨道均发生能级分裂它原子轨道均发生能级分裂.各种同名轨道的能量毫无例外地各种同名轨道的能量毫无例外地随原子序数增大而下降随原子序数增大而下降.为什么为什么?从从Sc开始开始,第第4周期元素的周期元素的3d 轨轨道能级低于道能级低于4s.这说明这说明,不

92、但是不但是Mn原子原子,其余其余3d 过渡金属被氧化时过渡金属被氧化时,4s 轨道都先于轨道都先于3d 轨道失去电子轨道失去电子. 鲍林图上反映不鲍林图上反映不出这种情况出这种情况 ！6.4基态原子的核外电子排布基态原子的核外电子排布（groundstateelectronconfiguration）(1)基态原子的电子组态基态原子的电子组态原子的电子组态原子的电子组态(又称电子构型又称电子构型)是一种标示形式是一种标示形式,这种形式能反映出该原子中所有电子占据的亚层轨道这种形式能反映出该原子中所有电子占据的亚层轨道.例如例如,氩原子氩原子(Z=18)的基态电子组态标示为的基态电子组态标示为:

93、Ar1s22s22p63s23p6钾原子钾原子(Z=19)的基态电子组态标示为的基态电子组态标示为:K1s22s22p63s23p64s1(或或Ar4s1)根据原子光谱实验和量子力学理论根据原子光谱实验和量子力学理论,基态原子的核外电子排布基态原子的核外电子排布构造原理构造原理(building up principle).构造原理是指原子建立核外构造原理是指原子建立核外电子层时遵循的规则电子层时遵循的规则.(2)构造原理构造原理最低能量原理最低能量原理(Aufbau principle):电子总是优先占据可供占据的能量最低的轨道电子总是优先占据可供占据的能量最低的轨道,占满能量较低的轨道后才

94、进入能量较高的轨道占满能量较低的轨道后才进入能量较高的轨道.根据顺序图根据顺序图,电子填入轨道时遵循下列次序：电子填入轨道时遵循下列次序：1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p7s5f6d7p铬铬(Z=24)之前的原子严格遵守这一顺序之前的原子严格遵守这一顺序,钒钒(Z=23)之后的原子有时出现例外之后的原子有时出现例外. 泡利不相容原理泡利不相容原理(Pauli exclusion principle)： 同一原子中不能存在运动状态完全相同的电同一原子中不能存在运动状态完全相同的电子子, , 或者说同一原子中不能存在四个量子数完全或者说同一原子中不能存在四个量子数完

95、全相同的电子相同的电子. .例如例如,一原子中电子一原子中电子A和电子和电子B的三个的三个量子数量子数n, l, m已相同已相同,ms就必须不同就必须不同. .quantumnumbernlm mselectricAelectricB221100+1/21/2电子填入轨道的次序图电子填入轨道的次序图怎样推算出各层怎样推算出各层(shell)(shell)和各亚和各亚层层( (subshellsubshell) )电子的最大容量电子的最大容量? ?由由泡泡利利不不相相容容原原理理并并结结合合三三个个轨轨道道量量子子数数之之间间的的关关系系,能能够够推推知知各各电电子子层层和和电电子子亚亚层层的的

96、最最大大容容量量.各各层层最最大容量与主量子数之间的关系为：最大容量大容量与主量子数之间的关系为：最大容量2n2.QuestionQuestion 洪特规则洪特规则 (Hunds rule)： 电子分布到等价轨道时电子分布到等价轨道时,总是尽先以相同的自旋状态分总是尽先以相同的自旋状态分占轨道占轨道. .即即在在n 和和 m 相同的轨道上相同的轨道上分布电子分布电子,将尽可得分布将尽可得分布在在m 值不同的轨道上值不同的轨道上,且自旋相同且自旋相同.例例如如Mn原原子子3d 轨轨道道中中的的5个个电电子子按按下下面面列列出出的的方式方式(a)而不是按方式而不是按方式(b)排布排布. 洪洪特特规

97、规则则导导致致的的结结果果之之一一是是, , 电电子子总总数数为为偶偶数数的的原原子子( (分分子子和和离离子子) )也也可可能能含含有有未未成成对对电电子子. .显显然然, , s s、p p、d d 和和 f f 亚亚层层中中未未成成对对电电子子的的最最大大数数目目为为 1 1、3 3、5 5 和和 7, 7, 即即等等于于相相应应的的轨轨道道数数. . 未未成成对对电电子子的的存存在在与与否否, , 实实际际上上可可通通过过物物质质在在磁磁场场中中的的行行为为确确定定：含含有有未未成成对对电电子子的的物物质质在在外外磁磁场场中中显显示示顺顺磁磁性性( (paramagnetism) ),

98、 , 顺顺磁磁性性是是指指物物体体受受磁磁场场吸吸引引的的性性质质；不不含含未未成成对对电电子子的的物物质质在在外外磁磁场场中中显显示示反反磁磁性性( (diamagnetism), ), 反磁性是指物体受磁场排斥的性质反磁性是指物体受磁场排斥的性质. .(b)Ar(a)Ar3d4s 根根据据Hunds rule, , 下下列列三三种种排排布布中哪一种是氮原子的实际电子组态中哪一种是氮原子的实际电子组态? ?QuestionQuestionACB21号元素号元素1s22s22p63s23p64s23d1(全空时，先填全空时，先填s,钻穿效应钻穿效应)1s22s22p63s23p63d14s2(

99、填充后，由于填充后，由于d的屏蔽，使得的屏蔽，使得s轨道能量升高轨道能量升高)ScAr3d14s2失去电子时，先失去失去电子时，先失去4s2电子，然后失去电子，然后失去3d1电子。电子。例例40号元素号元素1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d2(全空时，先填全空时，先填s,penetrate)1s22s22p63s23p63d104s24p64d25s2(填充后，由于填充后，由于d的屏蔽，的屏蔽，s)ZrKr4d25s2 基态原子的电子组态：小结基态原子的电子组态：小结Atom Energy level order Spectrum experimental order

100、 Cr Mo Cu Ag Au Ar 3d 4 4s 2 Kr 4d 4 5s 2 Ar 3d 9 4s 2 Kr 4d 9 5s 2 Xe 4f 145d 9 6s 2 Ar 3d 5 4s 1 Kr 4d 5 5s 1 Ar 3d 10 4s 1 Kr 4d 10 5s 1 Xe 4f 14 5d10 6s 1 记住一些重要的例外记住一些重要的例外, , 它们与亚层半满状态和亚层全它们与亚层半满状态和亚层全满状态的相对稳定性有关满状态的相对稳定性有关. . 表中给出几个例子表中给出几个例子. . 根据鲍林图中给出的能级顺序根据鲍林图中给出的能级顺序, ,运用建造原理写出基态运用建造原理写出

101、基态原子的电子组态原子的电子组态, ,是本章最重要的教学目的之一是本章最重要的教学目的之一（p44p4445)45). .Lianxi能级组的划分：能级组的划分：n +0.7l4s 3d 4.0 4.4Mendeleevsperiodiclaw(1869)The elements if arranged according to their atomic weights, show a distinct periodicity of their properties.7元素周期系元素周期系(The periodic table of elements)7.1元素周期律、元素周元素周期律、元素周

102、期系及元素周期表期系及元素周期表元素周期律：元素周期律：随核内质子随核内质子数递增，核外电子呈现周数递增，核外电子呈现周期性排布，元素性质呈现期性排布，元素性质呈现周期性变化。周期性变化。Moseley定律定律:特征特征X射线波长的倒数的平射线波长的倒数的平方根与原子序数呈直方根与原子序数呈直线关系。即：线关系。即：a(Zb)7.2 7.2 元素周期表元素周期表( (长表长表) )： 共七个周期共七个周期:一个特短周期一个特短周期(1);二个短周期二个短周期(2,3);二二个长周期个长周期(4,5);二个特长周期二个特长周期(6,7),第第7周期又叫不完全周期又叫不完全周期周期. 序号还表达了

103、该周期中原子开始建立的电子层序号还表达了该周期中原子开始建立的电子层.例如例如,第第4周期开始建立周期开始建立n =4的电子层的电子层,即开始建立即开始建立N层电子层电子. 七个周期对应于顺序图中的七个能级组七个周期对应于顺序图中的七个能级组. 除第一周期外除第一周期外,各周期均以填充各周期均以填充s 轨道的元素开始轨道的元素开始,并并以填充以填充p 轨道的元素告终轨道的元素告终.周期号数周期号数电子层数电子层数( (主量子数主量子数主量子数主量子数n n，7 7个个个个) )能级组序数能级组序数各周期元素的数目各周期元素的数目相应能级组中原子轨道所能容纳的相应能级组中原子轨道所能容纳的电子总

104、数。电子总数。周期周期主族元素的族号数主族元素的族号数原子最外层电子数。原子最外层电子数。( (主族，主族，主族，主族，8 8个个个个) )副族副族副族副族 外围电子数外围电子数外围电子数外围电子数 ( (副族，副族，副族，副族，1010个。个。个。个。 、BB同主族同主族同主族同主族) )你要熟练掌握你要熟练掌握IUPAC IUPAC 推荐的族号系统，但不能对传统系统完全陌生！推荐的族号系统，但不能对传统系统完全陌生！Groups(orfamilies): vertical columns in the periodic table. 有些教材采用有些教材采用IUPAC推荐的族编号系统推荐的

105、族编号系统,自左至右依次编为第自左至右依次编为第1至第至第18族族. 国际化学界不满意传统的编号系统国际化学界不满意传统的编号系统,但对但对IUPAC推荐的系统也存在争论推荐的系统也存在争论.对主族元素对主族元素,大多书同时保留了用罗马数字编号的传统方法大多书同时保留了用罗马数字编号的传统方法.IUPAC 是是the International Union of Pure and Applied Chemistry (国际国际纯粹化学与应用化学联合会）纯粹化学与应用化学联合会）的英语缩写的英语缩写.它负责推荐全世界统一使用它负责推荐全世界统一使用的化学术语的化学术语,化学符号化学符号,单位和正

106、、负号使用习惯单位和正、负号使用习惯.为了规范无机物和周为了规范无机物和周期表术语的用法期表术语的用法,IUPAC编辑了一本名为编辑了一本名为“Nomenclature of Inorganic Chemistry”的出版物的出版物.该出版物的封面为红色该出版物的封面为红色,化学界口语将其称之为化学界口语将其称之为“RedBook”.族族 Blocks: four areas of the periodic table, each having similar valence electron configurations. 如如果果元元素素所所在在的的周周期期号号和和族族号号为为已已知知,

107、你你应应该该能能够够迅迅速写出原子的价电子组态速写出原子的价电子组态.Blocks Valence Electron Configurationssblockns12pblockns2np16dblock(n1)d110ns12dsblock(n1)d10ns12fblock(n2)f114(n1)d01ns2区区8原子周期性原子周期性 原子参数原子参数( (atomic parameters) )是指用以表达原子特征的参是指用以表达原子特征的参数数, ,它影响甚至决定元素的性质它影响甚至决定元素的性质, ,并随原子序呈周期性变化并随原子序呈周期性变化. .8.1原子半径原子半径( (atom

108、ic radius) ) 严格地讲，由于电子云没有边界，原子半径也就无一严格地讲，由于电子云没有边界，原子半径也就无一定数定数. .但人总会有办法的但人总会有办法的. .迄今所有的原子半径都是在结合迄今所有的原子半径都是在结合状态下测定的状态下测定的. . 适用金属元素适用金属元素 固体中测定两个最邻固体中测定两个最邻近原子的核间距一半近原子的核间距一半金属半径金属半径(metallic radius)电子排布的周期性决定了元素性质的周期性电子排布的周期性决定了元素性质的周期性电子排布的周期性决定了元素性质的周期性电子排布的周期性决定了元素性质的周期性 适用非金属元素适用非金属元素 测定单质分

109、子中两个相邻测定单质分子中两个相邻原子的核间距一半原子的核间距一半共价半径共价半径(covalent radius)范氏半径：范氏半径：两个原子核间距离的一半。两个原子核间距离的一半。 例希有气体元素（例希有气体元素（r r范范rr共共） 2rs2rv指以范德华力作用面指以范德华力作用面 相邻的原子半径。相邻的原子半径。 很明显很明显,金属晶型不同金属晶型不同,其数值不会相同其数值不会相同,堆积越紧密堆积越紧密,半径越小。半径越小。所以所以,应用金属半径时应用金属半径时,要加以系数要加以系数,进行校正进行校正,其校正系数为：其校正系数为：配位数配位数12864校正系数校正系数1.00（标淮）（

110、标淮）0.980.960.881核电荷核电荷Z越大，吸引力越强，所以半径越小；越大，吸引力越强，所以半径越小；2电子层数电子层数n越多，半径越大；越多，半径越大；3电子间斥力电子间斥力斥力大，半径越大；斥力大，半径越大；4内层电子间的屏蔽作用：屏蔽常数内层电子间的屏蔽作用：屏蔽常数越大，即对核越大，即对核的引力中和越大。的引力中和越大。影响因素：影响因素：外因外因 5与测定方法和成键类型有关与测定方法和成键类型有关内内因因金属半径较（单键）共价半径大金属半径较（单键）共价半径大10101515，较范氏半径小，较范氏半径小Atomicradii(inpm)Li157Be112Mg160Na191

111、Ca197K235Rb250Sr215Ba224Cs272Sc164Mo140Cr129Mn137Tc135Re137Os135Ru134Fe126Co125Rh134Ir136Pt139Pd137Ni125Cu128Ag144Au144Hg155Cd152Zn137Ti147V135Nb147Y182Hf159Ta147W141Lu172Zr160B88C77N74O66F64Al143Si118P110S104Cl99Ge122Ga153Tl171In167Br114As121Se104Sn158Sb141Te137I133Bi182Pb175Source:Wells A F,Struct

112、ural Inorganic Chemistry,5th edn.Clarendon Press,Oxford(1984).同周期原子半径的变化趋势同周期原子半径的变化趋势 (一一)总趋势：总趋势：随着原子序数的增大随着原子序数的增大, ,原子半径自左至右总趋势减小原子半径自左至右总趋势减小. .解解 释释: : 电子层数不变的情况下电子层数不变的情况下, ,有效核电荷的增大导致有效核电荷的增大导致 核对外层电子的引力增大核对外层电子的引力增大. .例例 外：外：结构特殊，半径变化反常结构特殊，半径变化反常8.2电离能电离能(ionization energy)E(g)=E+(g)+eI 1E

113、+(g)=E2+(g)+eI2I 1 I 2 I 3 I 4 定义：定义：基态气体原子失去最外层一个电子成为气态基态气体原子失去最外层一个电子成为气态+1价离子所需的最小能量叫第一电离能价离子所需的最小能量叫第一电离能,再从正离子相继再从正离子相继逐个失去电子所需的最小能量则叫第二、第三、逐个失去电子所需的最小能量则叫第二、第三、电离电离能能.各级电离能符号分别用各级电离能符号分别用I1、I2、I3等表示等表示,它们的数值关它们的数值关系为系为I1I2I3.这种关系不难理解这种关系不难理解,因为从正离子离出电子比从电因为从正离子离出电子比从电中性原子离出电子难得多中性原子离出电子难得多,而且离

114、子电荷越高越困难而且离子电荷越高越困难.有效核电荷有效核电荷半径半径构型：构型：影响因素：影响因素：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.第第二二周周期期的的元元素素Be和和B，N和和O在在电电离离能能曲曲线线上上出出现现的的反反常常？ 您能从亚层全满、半满结构的相对您能从亚层全满、半满结构的相对稳定性说明下述事实吗？稳定性说明下述事实吗？电离能的意义：电离

115、能的意义：金属性金属性还原性还原性电子是分层排布的。电子是分层排布的。QuestionQuestion8.3电子亲和能电子亲和能(electron affinity)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 电子亲和能是气态原子获得一个电子过程中能量变化的一种量度电子亲和能是气态原子获得一个电子过程中能量变化的一种量度. . 与电离能相反与电离能相反, ,电子亲和能表达原子得电子难易的程度电子亲和能表达原子得电子难易的程度. . 元素的电子亲和能越大元素的电

116、子亲和能越大, ,原子获取电子的能力越强原子获取电子的能力越强, ,即非金属性越强即非金属性越强. . 电电子子亲亲和和能能是是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EA表表示示.像像电电离离能能一一样样,电电子子亲亲和和能能也也有有第第一一、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量,负负值值表表示示吸吸收收能能量量.学学过过“化化学学热热力力学学初初步步”一一章章后后您您会会发发现现,这这里里对对正正、负负号号的的规规定定与与热热化化学学的的规规定定恰恰

117、好好相反相反!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: : 价层原有电子与外来那个电子之间的排斥力价层原有电子与外来那个电子之间的排斥力; ; 原子核原子核 与外来电子之间的吸引力与外来电子之间的吸引力. .是放热还是吸热是放热还是吸热, , 决定于吸决定于吸 引力和排斥力哪一种起支配作用引力和排斥力哪一种起支配作用. .QuestionQuestion 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,

118、 ,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. .1. EA(B)EA(Al);EA(C)EA(Si),EA(N)EA(P),EA(O)EA(S),EA(F)EA(Cl)您能用静电作用力解释下述现象吗？您能用静电作用力解释下述现象吗？答：造成这种现象的原因是第答：造成这种现象的原因是第2周期元素原子半径很小周期元素原子半径很小,更大程度的电子更大程度的电子云密集导致电子间更强的排斥力云密集导致电子间更强的排斥力.正是这种

119、排斥力使外来的一个电子正是这种排斥力使外来的一个电子进入原子变得困难些进入原子变得困难些.答答：该该现现象象的的产产生生与与两两族族元元素素的的电电子子构构型型有有关关：两两族族元元素素的的电电子子构构型型分分别别为为稀稀有有气气体体构构型型ns1和和稀稀有有气气体体构构型型ns2.对对第第1族族元元素素而而言言,外外来来电电子子进进入入ns轨轨道道；但但对对第第2族族元元素素而而言言,却却只只能能进进入入np轨轨道道.核核的的正正电电荷荷对对p轨轨道道电电子子束束缚缚得得比比较较松松,换换个个说说法法,就就是是亲亲和和力力比比较较小小.事事实实上上,第第2族族原原子子的的核核电电荷荷被被两两

120、个个s电电子子屏屏蔽蔽得得如如此此有有效效,以以致致获获得得电电子子的过程甚至成为吸热过程的过程甚至成为吸热过程.答：答：与第二题相同与第二题相同.QuestionQuestion2.第第2 2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第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第1 1族元素族元素. .3.3.第第 18 18 族元素原子的第一电子亲和能为负值族元素原子的第一电子亲和能为负值, , 而且一般比第而且一般比第2 2族元素更负族元素更负.8.4电负性电负性(electronegativity) 如果原子如果原子吸引吸引电子电子的趋势相对较强的趋势相对较强, ,

121、 元素在该化合物中显示电负元素在该化合物中显示电负 性性( (electronegative););如果原子如果原子吸引吸引电子电子的趋势相对较弱的趋势相对较弱, ,元素元素在该在该 化合物中则显示电正性化合物中则显示电正性( (electropositive). ). 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 自身的能力自身的能力. . F F的电负性最大的电负性最大, ,电负性大的元素集中在周期表的右上角电负性大的元素集中在周期表的右上角; Cs(Fr); Cs(Fr) 的电负性最小的电负性最小, ,电负性小的元素集中在周

122、期表的左下角电负性小的元素集中在周期表的左下角. .化合物化合物电负性元素电负性元素电正性元素电正性元素 ClO2(ClO化合物化合物)O(3.44)Cl(3.16)HClCl(3.16)H(2.20) 电负性有不同的标度，因而会看到不同的数据表电负性有不同的标度，因而会看到不同的数据表. .例如例如 Mulliken 电负性标度，电负性标度，Pauling电负性标度电负性标度( (以热化学为基础以热化学为基础) )和和 Allred- Rochow 电负性标度电负性标度. . 电负性概念不能与电离能和电子亲和能概念用混电负性概念不能与电离能和电子亲和能概念用混! ! 引用数据要自洽引用数据要

123、自洽! ! 与电离能和电子亲和能不同与电离能和电子亲和能不同, , 电负性在化学上有多种电负性在化学上有多种定义定义, ,每个定义都有相每个定义都有相 应的一套数据应的一套数据. . 讨论同一个问题时讨论同一个问题时, , 引用的数据要自洽引用的数据要自洽, ,本教材采用本教材采用 Pauling 的数据的数据. . 电负性大的元素通常是那些电子亲和能大的元素电负性大的元素通常是那些电子亲和能大的元素( (非金非金属性强的元素属性强的元素),),电负性小的元素通常是那些电离能小的元电负性小的元素通常是那些电离能小的元素素( (金属性强的元素金属性强的元素).).电负性与电离能和电子亲和能之间电

124、负性与电离能和电子亲和能之间的确存在某种联系的确存在某种联系, , 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成过程形成过程中的能量关系中的能量关系, ,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, ,例如对例如对共价键极性的讨论共价键极性的讨论. .电负性变化的形象表示电负性变化的形象表示8.5氧化态氧化态(ionization energy)1.正氧化态正氧化态主族元素的最高氧化态等于它对应的族数，副族主族元素的最高氧化态等于它对应的族数，副族元

125、素大多等于它对应的族数元素大多等于它对应的族数,B、族有些例外。族有些例外。2、负氧化态、负氧化态主族元素的最高负氧化态等于（主族元素的最高负氧化态等于（8族数），主要族数），主要考虑考虑p区元素；区元素； 副族元素一般不显示负氧化态，无明显规律。副族元素一般不显示负氧化态，无明显规律。一、核外电子运动状态一、核外电子运动状态二、核外电子排布二、核外电子排布本本本本 章章章章 小小小小 结结结结解释氢光谱解释氢光谱提出轨道能级基态跃迁概念提出轨道能级基态跃迁概念缺点：经典轨道缺点：经典轨道电子特性电子特性具有波粒二象性具有波粒二象性测不准原理（不确定原理）测不准原理（不确定原理）近代理论近代理

126、论描述描述薛定鄂方程薛定鄂方程粒子性粒子性E.m波动性波动性与与4个个量子数量子数（nlmms）原子轨道、电子云、几率密度、角度分布、原子轨道、电子云、几率密度、角度分布、径向分布、总体图径向分布、总体图Bohr理论理论能量变化的不连续性、量子化能量变化的不连续性、量子化三、原子的电子层结构与元素周期律：元素性质呈现周期性变化的本三、原子的电子层结构与元素周期律：元素性质呈现周期性变化的本质，族、周期的划分。质，族、周期的划分。四、电离能、亲和能、电负性与原子结构四、电离能、亲和能、电负性与原子结构一、选择题：一、选择题：1 1、将分子概念引入到化学中的是、将分子概念引入到化学中的是( D )

127、( D )A A、盖盖吕萨克吕萨克B B、道尔顿道尔顿C C、汤姆逊汤姆逊D D、阿佛加德罗阿佛加德罗2 2、被誉为、被誉为“化学之父化学之父”的科学家是的科学家是( A )( A )A A、道尔顿道尔顿B B、拉瓦锡拉瓦锡C C、阿佛加德罗阿佛加德罗D D、门捷列夫门捷列夫3 3、戴维森和杰尔麦所做电子衍射实验证明、戴维森和杰尔麦所做电子衍射实验证明( C )( C ) A A、电子具有粒子性电子具有粒子性B B、电子具有波动性电子具有波动性 C C、电子是个带电粒子电子是个带电粒子D D、电子带负电电子带负电4 4、根据原子结构理论预测、根据原子结构理论预测, ,第八周期所包括元素的种类为

128、第八周期所包括元素的种类为( D )( D )答：答：8S8S5g5g6f6f7d7d8P8P 2 21818141410 10 6 6 补补充充练练习习5 5、下列四种电子构型的原子中第、下列四种电子构型的原子中第1 1电离能最低的是电离能最低的是( B )( B )A A、nsns2 2npsnpsB B、nsns2 2npnp4 4C C、nsns2 2npnp5 5D D、nsns2 2npnp6 66 6、多电子原子的能量多电子原子的能量E E是由是由( B )( B )决定的。决定的。A A、量子数量子数n n B B、n n和和l l C C、n n、l l、m m D D、l

129、l7 7、下列哪一种原子的原子轨道能量与量子数下列哪一种原子的原子轨道能量与量子数l l无关无关( D )( D )A A、NaNaB B、NeNeC C、F FD D、H H二、思考题二、思考题1 1、NaNa的第一电离能小于的第一电离能小于MgMg，而，而NaNa的第二电离能却大大的第二电离能却大大超过超过MgMg。答：电子分层排布。答：电子分层排布。2 2、徐光宪的第一规则：、徐光宪的第一规则：n+0.7ln+0.7l，计算填充顺序。计算填充顺序。徐光宪的第二规则：徐光宪的第二规则： n+0.4ln+0.4l，失去顺序。失去顺序。原因是：失去电子后，角量子数原因是：失去电子后，角量子数l

130、 l的值对能级所作出的的值对能级所作出的贡献相对减少。贡献相对减少。三、思考题：三、思考题：什么是轨道的什么是轨道的 “节点节点”和和“节面节面”？这是波函数图形描述中的术语这是波函数图形描述中的术语. . 例例如如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到零零,概概率率为为零零的的这这个个点点叫叫节节点点.通通过过节节点点后后概概率率又又开开始始增增大大,在在离离核核更更远远的的某某个个距距离离升升至至第第二二个个最最大大值值,然然后后又又逐逐渐渐减减小小.(b)中中的的高高密密度度小小点点出出现现在在两两个个区区域域.一一个个区区域域离离核核较较近近,另另一一个个区区域域离离核核较较远远,其其间间存存在在一一个个概概率为零的球壳率为零的球壳.Electron probability for a 2s orbital 对对 p轨轨道道而而言言,电电子子概概率率为为零零的的区区域域是是个个平平面面,我我们们将将其其称称之之为为节节面面.px轨道的节面是轨道的节面是 yz平面平面,py轨道和轨道和 pz轨道的节面分别是轨道的节面分别是 xz平面和平面和 xy平面平面.Representatios of the three 2p orbitals