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1、原子轨道原子轨道价键轨道价键轨道分子轨分子轨道道atomicorbitalvalenceorbitalmolecularorbital原子轨道ATOMAtomicorbitals Niels Bohr1885 19621922年获诺贝尔物理奖 106号元素被命名为Bohrium中文名称元素符号 Bh 谱线谱线 H H H H H 编编 号号(n) 波波 长长 /nm 656.279 486.133 434.048 410.175 397.009 里德堡常数里德堡常数 RH=1.09677107m-1 巴尔麦方程巴尔麦方程里德堡方程里德堡方程m-电子质量，v-电子线速度，r-电子线性轨道的半径）
2、 o=L = mvr离心力向心力离心力向心力角动量角动量量子化条件量子化条件角动量量子化角动量量子化氢原子氢原子的的电离能电离能电子跃迁电子跃迁释放的释放的光子能量光子能量电子在线性轨道上的线速度：电子在线性轨道上的线速度：电子在线性轨道上的线速度：电子在线性轨道上的线速度：电子绕原子核运行的轨道半径：电子绕原子核运行的轨道半径：电子绕原子核运行的轨道半径：电子绕原子核运行的轨道半径： n n =2=2的轨道能计算：的轨道能计算：的轨道能计算：的轨道能计算：NIELS BO H RThe structure of the atomNobel Lecture, December 11, 1922
3、德布罗依 对玻尔 行星轨道上运行的电子能处于定态而不 释放能量的解释电子是一个波在玻尔行星轨道上运行的电子是一个驻波，图像如下：半波长的n倍等于圆周长。后来的认识否定了德布罗依对行星轨道的图像，但电子处于定态时是一个驻波的认识被证实了。 De Broglie电子电子 具有波粒二象性具有波粒二象性现代原子核外电子运动模型现代原子核外电子运动模型苍苍蝇蝇头头部部的的电电子子显显微微镜镜照照片片烟烟草草花花叶叶病病毒毒的的电电子子显显微微镜镜照照片片单单晶晶的的电电子子衍衍射射谱谱图图驻波的振幅图驻波的振幅图一维驻波一维驻波f(x)二维驻波二维驻波f(x.y)三维驻波三维驻波f(x.y.z)n=1n
4、=2?核外电子的定态是三维驻波核外电子的定态是三维驻波n n一维波的振幅在二维空间里呈现。一维波的振幅在二维空间里呈现。一维波的振幅在二维空间里呈现。一维波的振幅在二维空间里呈现。n n二维波的振幅在三维空间里呈现。二维波的振幅在三维空间里呈现。二维波的振幅在三维空间里呈现。二维波的振幅在三维空间里呈现。n n三维波的振幅如何呈现？三维波的振幅如何呈现？三维波的振幅如何呈现？三维波的振幅如何呈现？核外电子运动状态六、核外电子运动状态的描述六、核外电子运动状态的描述在量子力学处理氢原子核外电子的理论模型中，在量子力学处理氢原子核外电子的理论模型中，最基本的方程叫做最基本的方程叫做薛定谔方程薛定谔
5、方程，是由奥地利科学家，是由奥地利科学家薛薛定谔定谔（E.Schrdinger1887-1961）在在1926年提出来的。年提出来的。薛定谔方程是一个二阶偏微分方程，它的自变量是核薛定谔方程是一个二阶偏微分方程，它的自变量是核外电子的坐标（直角坐标外电子的坐标（直角坐标x，y，z或者极坐标或者极坐标r，q q，f f），），它的因变量是电子波的振幅（它的因变量是电子波的振幅（Y Y）。）。给定电子在符合原子核外稳定存在的必要、合理给定电子在符合原子核外稳定存在的必要、合理的条件时（如的条件时（如Y Y的取值必须是连续的、单值的，也就是的取值必须是连续的、单值的，也就是坐标一定时电子波的振幅是唯
6、一的单值，是连续的函坐标一定时电子波的振幅是唯一的单值，是连续的函数，等等），薛定谔方程得到的每一个解就是核外电数，等等），薛定谔方程得到的每一个解就是核外电子的一个子的一个定态定态，它，它具有一定的能量（具有一定的能量（E E），具有一个电具有一个电子波的振幅随坐标改变的的函数关系式子波的振幅随坐标改变的的函数关系式 Y Y=f(x,y,z)或或Y Y= =f( (r,q,f,q,f) )，称为称为振幅方程或波动方程。振幅方程或波动方程。薛定谔方程薛定谔方程1f1(x,y,z)=f1(r,)=R1(r)Y1(,)2f2(x,y,z)3f3(x,y,z) Ys=Ypx=Ypz=Ypy=.P=0
7、.9电子出现的概率为电子出现的概率为90%r=2.6ao描述核外电子的图像描述核外电子的图像n n波函数的角度分布图像波函数的角度分布图像波函数的球面概率图像波函数的球面概率图像电子云图像电子云图像角度分布图像角度分布图像q q q q0 0151530304545606075759090Y Y0.4890.4890.4720.4720.4230.4230.3450.3450.2440.2440.1260.1260 0q q q q1801801651651501501351351201201051059090Y Y-0.489-0.489-0.472-0.472-0.423-0.423-0.
8、345-0.345-0.244-0.244-0.126-0.1260 00.472+-yz15电子云生成图电子云生成图S电子的电子云图1s2s3s2p电子云3p电子云3dx2-y2电子云1s 2s 2pD D函数图形与电子云图形的关系函数图形与电子云图形的关系3s 3px2s 2s 电子的原子轨道图电子的原子轨道图 2pz 2px 2py电子云轮廓图电子云轮廓图几种常见描述核外电子的图形对比几种常见描述核外电子的图形对比n n角函数图角函数图Y Y, ,Y Y2 2( (不涉及能层）不涉及能层） ( (r r, , . . )=)=R R( (r r) )Y Y( ( . . ) )n n电子
9、云黑点图电子云黑点图( ( 2 2) )n n电子云轮廓图电子云轮廓图n nD D函数图像函数图像( (r r2 2R R2 2) )电子云黑点图与轮廓图电子云黑点图与轮廓图DY2 2 2 Y 2 2 2 2 1s,2s,3s电子云轮廓图和剖面图电子云轮廓图和剖面图s轨道和轨道和p轨道的轨道的Y 图像和图像和Y2 图像图像d轨道的轨道的Y 和和Y2图像图像f轨轨道道的的Y 和和Y2图像图像对在三维空间里可制作电子云黑点图的理解对在三维空间里可制作电子云黑点图的理解计算机模拟的Cu2O晶体的Cu-O键电子云旅旅美美中中国国学学者者ZOU ZOU JianJian-Ming-Ming等等用用X X
10、衍衍射射和和电电子子衍衍射射结结合合的的技技术术研研究究了了赤赤铜铜矿矿的的Cu-OCu-O键键的的性性质质，按按3d3d轨轨道道与与4s4s轨轨道道发发生生杂杂化化形形成成sdsd杂杂化化轨轨道道的的模模型型，计计算算了了d d轨轨道道的的电电子子移移向向4s4s轨轨道道形形成成的的电电子子空空穴穴的的电电子子云云图图象象，结结果果令令人人振振奋奋地地得得到到一一个个与与教教科科书书上上画画的的d dZ Z2 2轨轨 道道 十十 分分 相相 似似 的的 计计 算算 机机 图图 象象 NatureNature 401401，4949（19991999） 。该该图图象象的的获获得得被被美美国国化
11、化学学与与工工程程杂杂志志选选为为19991999年年美美国国五五大大化化学学新闻之一。新闻之一。核外电子运动状态能层能层 能级能级轨道轨道 可能空间运动状态数可能空间运动状态数可能运动状态数可能运动状态数一一(K)1s 1s12二二(L)2s 2s122p 2px,2py,2pz36三三(M)3s3s12 3p3px,3py,3pz3 6 3d 3dxy,3dyz,3dxz,3dx2-y2,3dz2510四四(N)4s1个轨道个轨道124p3个轨道个轨道364d5个轨道个轨道5104f7个轨道个轨道714基态原子电子组态(3)能能量量最最低低原原理理基基态态原原子子是是处处于于最最低低能能量
12、量状态的原子。状态的原子。能能量量最最低低原原理理认认为为，基基态态原原子子核核外外电电子子的的排排布布力力求使整个原子的能量处于最低状态。求使整个原子的能量处于最低状态。随随核核电电荷荷数数递递增增，大大多多数数元元素素的的电电中中性性基基态态原原子子的的电电子子按按如如下下顺顺序序填填入入核核外外电电子子运运动动轨轨道道，叫叫做做构构造造原理。原理。电电子子先先填填最最外外层层的的ns，后后填填次次外外层层的的(n-1)d，甚甚至填入倒数第三层的至填入倒数第三层的(n-2)f的规律叫做的规律叫做“能级交错能级交错”。请请注注意意：能能级级交交错错现现象象是是电电子子随随核核电电荷荷递递增增
13、填填充充电电子子次次序序上上的的交交错错,并并不不意意味味着着先先填填能能级级的的能能量量一一定定比后填能级的能量低。比后填能级的能量低。随随核核电电荷荷数数递递增增,电电子子每每一一次次从从填填入入ns能能级级开开始始到填满到填满np能级能级,称为建立一个周期，于是有：称为建立一个周期，于是有：周期周期:ns开始开始np结束结束同周期元素的数目同周期元素的数目第一周期：第一周期：1s2第二周期：第二周期：2s，2p8第三周期：第三周期：3s，3p8第四周期：第四周期：4s，3d，4p18第五周期：第五周期：5s，4d，5p18第六周期：第六周期：6s，4f，5d，6p32第七周期：第七周期：
14、7s，5f，5d，.?基态原子电子组态周期系中有约周期系中有约20个元素的基态电中性原子的电子个元素的基态电中性原子的电子组态（组态（electronconfiguration，又叫又叫构型或排布构型或排布)不符不符合构造原理，其中的常见元素是：合构造原理，其中的常见元素是：元素元素按构造原理的组态按构造原理的组态 实实测测组组态态(24Cr)1s22s22p63s23p63d44s21s22s22p63s23p63d54s1(29Cu)1s22s22p63s23p63d94s21s22s22p63s23p63d104s1(42Mo)1s22s22p63s23p63d104s24p64d45s
15、21s22s22p63s23p63d104s24p64d55s1(47Ag)1s22s22p63s23p63d104s24p64d95s21s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1(79Au)1s24s24p64d104f145s25p65d96s11s24s24p64d104f145s25p65d106s1基态原子电子组态基态原子电子组态表：基态电中性原子的电子组态表：基态电中性原子的电子组态1氢氢H1s12氦氦He1s23锂锂LiHe 2s14铍铍BeHe 2s25硼硼BHe2s22p16碳碳CHe2s22p27氮氮NHe 2s22p38氧氧OHe 2s22p49氟氟
16、FHe 2s22p510氖氖Ne 1s22s22p611钠钠NaNe3s112镁镁MgNe3s213铝铝AlNe 3s23p114硅硅SiNe3s23p215磷磷PNe 3s23p3 16硫硫SNe3s23p4 17氯氯ClNe 3s23p5 18氩氩Ar1s22s22p63s23p6 19钾钾KAr 4s120钙钙CaAr4s221钪钪ScAr 3d14s222钛钛TiAr 3d24s223钒钒VAr 3d34s224铬铬Cr*Ar 3d54s125锰锰MnAr 3d54s226铁铁FeAr 3d64s227钴钴CoAr3d74s228镍镍NiAr3d84s2“电子仁电子仁”或或“电子实电子
17、实”价电子层价电子层 价层电子价层电子 不不符符合合构构造造原原理理 基态原子电子组态表：表：基态电中性原子的电子组态基态电中性原子的电子组态29铜铜Cu*Ar 3d104s130锌锌ZnAr3d104s231镓镓GaAr3d104s24p132锗锗GeAr3d104s24p233砷砷AsAr3d104s24p334硒硒SeAr3d104s24p435溴溴BrAr3d104s24p536氪氪KrAr3d104s24p637铷铷RbKr5s138锶锶SrKr5s239钇钇YKr4d15s240锆锆ZrKr4d25s241铌铌Nb*Kr4d45s142钼钼Mo*Kr4d55s143锝锝TcKr4d
18、55s244钌钌Ru*Kr4d75s145铑铑Rh*Kr4d85s146钯钯Pd*Kr4d1047银银Ag*Kr4d105s148镉镉CdKr4d105s249铟铟InKr4d105s25p150锡锡SnKr4d105s25p251锑锑SbKr4d105s25p352碲碲TeKr4d105s25p453碘碘IKr4d105s25p554氙氙XeKr4d105s25p655铯铯CsXe6s156钡钡BaXe 6s2元 素 周 期 系“长式长式”周期表周期表每个周期占一个横排。这种每个周期占一个横排。这种三角形周期表能直观地看到元素的周期发展，但不易三角形周期表能直观地看到元素的周期发展，但不易考
19、察纵列元素（从上到下）的相互关系，而且由于太考察纵列元素（从上到下）的相互关系，而且由于太长，招致排版和印刷的技术困难。长，招致排版和印刷的技术困难。元 素 周 期 系宝塔式或滴水宝塔式或滴水钟式周期表。这种钟式周期表。这种周期表的优点是能周期表的优点是能够十分清楚地看到够十分清楚地看到元素周期系是如何元素周期系是如何由于核外电子能级由于核外电子能级的增多而螺旋性发的增多而螺旋性发展的，但它们的每展的，但它们的每个横列不是一个周个横列不是一个周期，纵列元素的相期，纵列元素的相互关系也不容易看互关系也不容易看清。清。长式周期表的主表从左到右可分为长式周期表的主表从左到右可分为s区，区，d区，区，
20、ds区，区，p区区4个区，有的教科书把个区，有的教科书把ds区归入区归入d区；副表区；副表(镧镧系和锕系系和锕系)是是f区元素区元素元 素 周 期 系价键轨道价键轨道n n原子轨道组合形成价键轨道原子轨道组合形成价键轨道原子轨道组合形成价键轨道原子轨道组合形成价键轨道n n价键轨道是定域轨道价键轨道是定域轨道价键轨道是定域轨道价键轨道是定域轨道n n电子在两个原子核间运动电子在两个原子核间运动电子在两个原子核间运动电子在两个原子核间运动n n共价键共价键共价键共价键n n键合电子对的电子分别由两个原子提供键合电子对的电子分别由两个原子提供键合电子对的电子分别由两个原子提供键合电子对的电子分别由
21、两个原子提供n n配价键和配位键配价键和配位键配价键和配位键配价键和配位键n n键合电子对的电子由一方给予，另一方接受，键合电子对的电子由一方给予，另一方接受，键合电子对的电子由一方给予，另一方接受，键合电子对的电子由一方给予，另一方接受，也称给予也称给予也称给予也称给予- -接受键。接受键。接受键。接受键。n n电子对给予体称为路易斯碱电子对给予体称为路易斯碱电子对给予体称为路易斯碱电子对给予体称为路易斯碱n n电子对接受体称为路易斯酸电子对接受体称为路易斯酸电子对接受体称为路易斯酸电子对接受体称为路易斯酸n n孤对电子占据的轨道也被按价键轨道处理孤对电子占据的轨道也被按价键轨道处理孤对电子
22、占据的轨道也被按价键轨道处理孤对电子占据的轨道也被按价键轨道处理价键轨道的分类价键轨道的分类n ns-s-轨道轨道n np-p-轨道轨道n nd-d-轨道轨道n n杂化轨道杂化轨道n n sp-sp-轨道轨道n n spsp2 2- -轨道轨道n n spsp3 3- -轨道轨道n n dspdsp2 2- -轨道轨道n n d d2 2spsp2 2- -轨道轨道n n d d2 2spsp3 3- -轨道轨道用用VSEPR判断杂化轨道模型判断杂化轨道模型AXnEm=AYn+mn nAYAY2 2AYAY3 3AYAY4 4AYAY5 5AYAY6 6n nCOCO2 2 BF BF3 3
23、SiClSiCl4 4PClPCl5 5SFSF6 6n nBeClBeCl2 2 CO CO3 32-2- NHNH3 3 SFSF4 4BrFBrF5 5 n nHCN OHCN O3 3 H H2 2O O ClFClF3 3 XeFXeF4 4n n sp sp sp sp2 2 spsp3 3 dspdsp3 3 d d2 2spsp3 3 配位化学杂化轨道模型配位化学杂化轨道模型n nMXMX2 2 MX MX3 3 MX MX4 4 MXMX5 5 MX MX6 6n n sp sp2 2 spsp2 2 sp sp3 3 dsp dsp3 3 d d2 2spsp3 3n n
24、n n dsp dsp2 2 d d2 2spsp2 2 sp sp3 3d d2 2分子轨道分子轨道n n分子轨道是分子中的电子轨道分子轨道是分子中的电子轨道n n分子轨道由原子轨道组合而得分子轨道由原子轨道组合而得n n原子轨道组合成分子轨道时，轨道的总数不变原子轨道组合成分子轨道时，轨道的总数不变n n分子轨道按轨道的能量大小分为成键轨道、反键分子轨道按轨道的能量大小分为成键轨道、反键轨道和非键轨道轨道和非键轨道n n分子轨道按对称性分为分子轨道按对称性分为s-s-轨道、轨道、p-p-轨道等轨道等n n原子轨道组合成分子轨道遵循能量相近原理、最原子轨道组合成分子轨道遵循能量相近原理、最大重叠原理和对称匹配原理大重叠原理和对称匹配原理n n电子在基态分子中的分子轨道中填充遵循能量最电子在基态分子中的分子轨道中填充遵循能量最低原理、泡利原理和洪特规则。低原理、泡利原理和洪特规则。
