无机化学 第五章 原子结构和元素周期性

3
-2.4210-19
4
-1.3610-19
5
-8.7210-20
6
-6.0510-20
n越小, 离核越近, 轨道能量越低, 势能值越负。 12
玻尔氢原子模型
正常状态下，原子中的电子尽可能在离核最近、 能量最低的轨道上运动(基态)。
基态
吸收能量(跃迁) 放出能量
激发态 (电子处于能量较高的状态)
n1
2
3
4
ι ０0 1 0 12 0 123
符号 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 24
2-5 量子数
磁量子数(m)
表示原子轨迹或电子云在空间的伸展方向 m值： -ι 、0、+ι 的正整数, 共(2l+1)个
ι
０
１
２
m
0 -1、0、+１ -2、-1、0、+1 、+2
原子轨道 符号
6
主要内容
第一节 原子与元素 第二节 原子结构的近代概念 第三节 原子中电子的分布 第四节 原子性质的周期性
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第一节 原子与元素
1-1 原子的组成和元素
原子的组成和元素
元素 同位素 核素 原子序数=核内质子数=核电荷数=核外电子数
9
1-2 原子轨道能级 连续光谱
10
1-2 原子轨道能级 氢原子光谱
n
1
电子层 第一层
电子层符 号
K
2 第二层
L
3 第三层
M
4
5
第四层 第五层
N
O
n值越小，该电子层离核越近，能级越低。
23
2-5 量子数
副量子数(l)
表示原子轨道或电子云的形状 ι=0、1、2、3 …..(n-1) 的正整数
ι０
１
２
３４
形状 球形 哑铃形 花瓣形
电子亚 层符号
s
p
d
f
g
同一电子层,ι值越小,该电子亚层能级越低。
波动性——衍射现象
电子束 狭缝
.
....
... .
.
. ...
.
..
.. .. .
.
...
.. .
.
.. .
. ..
...
电子衍射图
1927年，Davisson 电子衍射实验
17
2-2 概率
电子运动有规律但无法确定其运动轨迹。 概率——出现机会多少。
核外空间某些区域电子出现的机会多，概率大； 核外空间某些区域电子出现的机会少，概率小。
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第二节 原子结构的近代概念
量子化
量子化：如果某一物理量的变化是不连续的，而是以
某一最 小单位作整数倍的增加(或减少)，我们就说这个 物理量是量子化的，这一最小单位就叫做这一物理 的量子( quanta )。
1926年，奥地利科学家 薛定谔建立了量子力学理论。
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2-1 电子的波粒二象性
粒子性——电子有确定的体积 (d 约为10-15m) 和质量(9.1091×10-31kg）
装有低压高纯H2(g)的放电管所发出的光,通过棱镜分 光后，在可见光区波长范围内，可以观察到不连续的 四条谱线。
氢原子线状光谱
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玻尔氢原子模型
氢原子中的电子在原子核周围有确定半径和能量 的圆形轨道中运动。电子在这些轨道上运动不吸 收能量或放出能量。
n
En/J
1
-2.17910-18
2
-5.4510-19
描述电子的自旋状态 ms值：+ 1/2 、－ 1/2 顺时针方向或逆时针方向
概率密度——电子在原子核外某处单位体积内出 现的概率。
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2-3 原子轨道 波函数
对薛定谔方程求解，可以得到一系列 波函数Ψ１s、Ψ２s、Ψ２p..... Ψi
相应的能量值 E１s、 E２s、 E２p ..... Ei
方程的每一个解代表电子的一种可能运动状态 在量子力学中，用波函数和与其对应的能量来描述电 子的运动状态。
处于激发态的电子不稳定，要跳回到能量较低
的轨道, 以光的形式放出能量(即光谱谱线对应
的能量)。
En(2)-En(1)=hn
h—Planck常数
n —光的频率

人们对原子结构的认识不像对宏观物体 那样直观，只能通过实验现象人为地提出一 个模型，如果假设的模型不能解释实验现象， 模型就需要修改，因此人们对原子结构的认 识过程，就是根据实验现象不断完善模型的 过程。
为了研究反应的本质、物质的性质及变化规 律，就必须研究物质的结构。
3
物质结构
第五章 原子结构和元素周期性 第六章 分子的结构与性质 第七章 固体的结构与性质
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基本内容
✓ 原子结构的近代概念 ✓ 原子中的电子分布 ✓ 元素周期性与核外电子分布的关系 ✓ 元素原子性质的周期性变化
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基本要求
微观粒子的波粒二象性 波函数与原子轨道、几率密度与电子云 四个量子数 原子核外电子分布原理及其分布 元素周期系与核外电子分布的关系 元素性质的周期性变化
s
py、px、pz dxy、dyz、dz2、dxz、 dx2-y2
同一亚层内的各原子轨道, 在没有外加磁场下, 能量是相等的,称等价轨道 (简并轨道) 。
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y
x px y
x dxy z
x s z
x py
z
z
xx pz
z
y
dyz y dxz
y
x
dx2
dx2-y2
电子云角 度分布图
26
自旋量子数(ms)
所得的图象。
+
-
- -x + + x
+
-
dz2
dx2-y2
20
2-4 电子云
概率密度： |Ψ|2
电子云：|Ψ|2的空间图象概率密度
用小黑点的疏密 表示电子出现概率密度的相对大小
如 1s的电子云
小黑点较密的地方，概率密 度较大，单位体积内电子出 现的机会多。
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y
x px y
x s z
x py
z
z
xx pz
z
电子云角度分布图
|Ψ|2角度部分作图 与原子轨道角度分布 图的不同：
x
y
dxy z dyz y dxz
y
x
dx2
dx2-y2
原子轨道 电子云
为正 有正、负 (一般不标)
胖
瘦
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2-5 量子数
主量子数(n)
表示原子轨道或电子云离核距离和能级高低 n=1、2、3、4、5 …..∞ 正整数
第五章 原子结构和元素周期性
化学原理
结构化学 基础
元素化学
宏观
化学热力学 化学动力学
微观
原子结构 分子结构 晶体结构
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化学反应的本质 反应物分子之间原子的重新组合
如： H2 + Cl2 → 2HCl 化学反应能否发生，反应速度的快慢，以及反应进 行的程度大小等均与反应物和生成物的组成和结构 等性质有关，与原子间的结合方式有关。
Ψ是描述电子运动状态的数学表达式， Ψ的空间图象叫原子轨道， 原子轨道的数学表达式就是波函数。
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y
+
x - px y
-+
x
+-
dxy z
z
+x z
zs
+
- +x
x
原子轨道的角度分布图
原子轨道的角度分布
py
- pz
图：
z
-
+
y
+-
z
-+
x
+-
将波函数Ψ 的角度 分布部分(Y)作图
dyz y dxz