无机化学.原子结构教案

无机化学课程项目教学设计方案作者：**单位：江西省医药学校2014年 3 月5 日教学过程一、新课导入二、教学步骤2 §2.1 原子结构理论的发展概述一、含核的原子模型,古中国和古希腊的物质结构学说；,道尔顿的原子学说（1808 ）：原子不可分；,卢瑟福的含核原子模型（1911 ）。

二、玻尔的原子模型（一）氢原子光谱玻尔氢原子理论（1913 ）（二）玻尔氢原子理论,原子结构理论的几点假设：原子结构理论的几点 3 1、在原子中，电子不是在任意轨道上绕核运动，而是在一些符合一定条件（从量子论导出的条件）的轨道上运动。

稳定轨道（stable orbital）具有固定的能量，沿此轨道运动的电子，称为处在定态的电子，它不吸收能量，也不发射能量2、电子在不同轨道上运动时具有不同的能量，通常把这些具有不连续能量的状态称为能级（energy level）。

玻尔氢原子能级为：玻尔氢原子能级为： B E=, 2 n n称为量子数（quantum number n quantum number），其值可取1，2，3…等任何1 2 3… 正整数。

B为常数，其值等于2.18×10-18J。

3、当电子从某一轨道跃迁到另一轨道时，有能量的吸收或放出。

其频率ν 可由两个轨道的能量差,E决定：E2- E1 = ,E = hν h为普朗克常量，其数值为6.62618×1034J,s。

4 （三）对玻尔理论的评价优点：,优点：首先引入量子化的概念，解释了氢原子光谱为不连续光谱。

,不足：不足：（1）未能完全冲破经典力学连续概念，只是勉强加进了一些人为的量子化条件和假定。

（2）不能解释多电子原子（核外电子数大于1的原子）、分子或固体的光谱。

亦不能解释氢光谱的每条谱线实际上还可分裂为两条谱线的现象。

（3）未考虑其运动的波动性，采用了宏观轨道的概念。

5 （四）几个基本概念,稳定轨道在原子中一些符合一定条件（从量子论导出的条件）的轨道。

稳定轨道的特点——具有固定的能量。

,定态电子稳定轨道上运动的电子，不吸收能量，也不发射能量,能级——具有不连续能量的状态。

,基态——轨道离核最近，能量最低，这时的能量状态。

, 激发态——除基态以外的任何能级状态。

6 §2.2 原子的量子力学模型一、微观粒子的运动特征 1. 量子性,量子：如果某一物理量的变化是不连续的，而是以某一最小单位量子：作跳跃式的增减，这一物理量就是量子化的，其最小单位就称这一物理量的量子（quantum）。

如物体所带的电荷量从Q增加到Q+dQ，Q>>dQ，但dQ所包含的电子个数却是很大的(例如1库仑的电荷量为6.24×1018个电子的电量) 从宏观上Q → Q+dQ可以认为是连续变化的。

在微观领域里，一个微观粒子如果是一个离子，所带电荷只有一个或几个电子，从而离子所带电荷的变化，如A- → A2- → A3-，就不能认为是连续变化的，而是跳跃式的变化。

7 2. 波粒二象性,波粒二象性：与光子一样，电子、质子、中子、原子和分子等微观粒子都具有波动和粒子两重性质。

,德布罗依波或物质波：实物微粒除具有粒子性外，还具有波的性质，这种波称为~（matter wave）。

h 德布罗依预言高速运动电子的波长为：λ = mν m——电子的质量；ν——电子运动的速率，h——普朗克常量。

,波动性的实验证明8 3、微观粒子运动的统计性、概率密度：,概率密度：单位体积的概率。

在空间某一点波的强度和粒子出现的概率密度成正比。

,衍射实验：用强度很弱的电子流，即让电子一个一个地通过晶体到达底片时，底片上就会出现一个一个显示电子微粒性的斑点，如图（a），但斑点的位置无法预言，似乎是毫无规则地分散在底片上。

若时间足够长，斑点最后会形成和强电子流所得的衍射图案一样，显示了电子的波动性，如图（b）示。

9 对大量粒子行为而言，衍射强度大的地方，出现粒子的数目就多，强度小的地方出现粒子数目就少；对一个粒子的行为而言，通过晶体后粒子所到达的地方是不能预测的，但衍射强度大的地方，粒子出现的机会也多（概率大），而强度小的地方，粒子出现的机会也少（概率小）。

衍射强度大小即表示波的强度大小，即电子出现概率的大小。

,概率波：电子运动在空间出现的概率可以由波的强度表现出来，概率波：因此电子及其微观粒子波（物质波）又称~。

10 二、核外电子运动状态的近代描述 1. 薛定锷方程,2ψ ,2ψ ,2ψ 8π2 m 形式：,形式：+ 2 + 2 + 2 (E ,V )ψ = 0 2 ,z ,x ,y h ,求解：求解：常将直角坐标的函数ψ(x,y,z)，经坐标变换后，成为球极坐标的函数ψ(r,θ,φ,) ，再用分离变量法将ψ(r,θ,φ) 表示成为R(r)和Y(θ,φ)两部分，Y(θ,φ)又可分为Θ(θ)和Φ(φ)。

Y(θ,φ) = Θ(θ),Φ(φ) 变换关系如图：ψ(r,θ,φ) = R(r),Y(θ,φ) R(r)只与电子离核半径有关，故称为波函数的径向部分；波函数的径向部分；Y(θ,φ)只与θ、φ两个角度有关，故称为波函数的角度部分11 2、波函数与原子轨道、在解R(r)方程时，要引入一个参数n，在解Θ(θ)方程时要引入另一个参数，在解Φ(φ)方程时还要引入一个参数m。

n称为主量子数，称为角量子数，m称为磁量子数。

它们的取值范围分别是：n = 1，2，3，4，…7 l = 0，1，2，3，…，n-1，共可取n个数值。

m = 0，±1，±2，±3，…，±。

共可取2l +1个数值。

解薛定锷方程，可得波函数的径向部分Rn l (r)和角度部分Yl m(θ,φ) ,原子轨道：在量子力学中，三个量子数都有确定值的波函数称为~。

12 注意：原子轨道的含义不同于宏观物体的运动轨道，也不注意：同于玻尔所说的固定轨道，它指的是电子的一种空间运动状态。

微观粒子的波函数ψ本身没有明确的物理意义，但|ψ|2的物理意义明确：|ψ|2代表微粒在空间某点出现的概率密度。

3、概率密度和电子云、,概率密度：单位体积内的概率(probability density) 概率密度：电子云：,电子云：|ψ|2在原子核外空间电子出现概率的大小的图形(electron cloud) 。

电子云没有明确的边界，在离核很远的地方，电子仍有出现的可能，但实际上在离核300pm以外的区域，电子出现的概率可以忽略不计。

13 注意：对于氢原子来说，只有1个电子，图中黑点的数目注意并不代表电子的数目，而只代表1个电子在瞬间出现的可能位置。

当氢原子处于激发态时，也可得到各种电子云的图形，但要复杂得多。

为了使问题简化，也可以分别从两个不同的侧面来反映电子云，即画出电子云的径向分布图和角度分布图。

14 4、四个量子数的物理意义（1）主量子数（principal quantum number））主量子数n 描述电子层能量的高低次序和离核远近的参数。

即主量子数决定电子在核外出现概率最大区域离核的平均距离。

电子在原子核外不同壳层区域内（电子层）运动，具有不同的能级。

在光谱学上另用一套拉丁字母表示电子层，其对应关系为：主量子数(n) 电子层1 K 2 L 3 M 4 N 5 O 6 P … … 15 （2）角量子数（azimuthal quantum number））角量子数l 描述电子云的不同形状,形状不相同，能量稍有差别。

l值可以取从0到n-1的正整数，l = 0，1，2，…，（n-1），共可取n个数。

l的数值受n的数值限制。

n = 1(K层)：l=0(s态)，只有1s一个亚层。

原子轨道（或电子云）球形对称，或称s轨道（或s电子云）。

n = 2(L层)：l= 0(s态)，l=1(p 态)，有2s,2p两个亚层。

其中l=1时，原子轨道（或电子云）呈纺棰形（或哑铃形）分布。

n = 3(M层)：l=0(s 态)，l =1(p态)，l =2(d态)，有3s,3p,3d三个亚层。

其中l =2时，原子轨道（或电子云）呈花瓣形分布。

n = 4(N层)：l = 0(s态)，l =1(p态)，l = 2(d态)，l = 3(f态)，有4s,4p,4d,4f四个亚层。

其中l=3时，原子轨道（或电子云）形状复杂结论：结论：l值反映了波函数即原子轨道（或简称轨道）的形状。

每种值表示一类原子轨道的形状，其数值常用光谱符号表示：l = 0，1，2，3的轨道分别称为s、p、d、f轨道。

16 （3）磁量子数（magnetic quantum number））磁量子数m 描述原子轨道（电子云）在空间的伸展方向。

m值受l值的限制，可取从+ l到- l ，包括0在内的整数值，故l 确定后m可有2 l +1个数值。

,原子轨道：常把n、l和m都确定的电子运动状态。

等价轨道：,等价轨道：l相同的几个原子轨能量等同称（equivalent orbital）。

或简并轨道简并轨道（degenerate orbital）。

简并轨道（4）自旋量子数s （spin quantum number））自旋量子数m 电子不仅绕核旋转，还绕着本身的轴作自旋运动。

用（↑）（↓）或+1/2和-1/2两个值，分别代表电子顺时针和逆时针的两个自旋方向。

,总结：四个量子数结合，才可说明电子在原子中所处的状态。

若总结：表示能级只要二个量子数（n，l）即可。

17 ,四个量子数的一般情况n l（= 0，1，0，1 2 0,1 s, p 1+3 (n2) 2(1+3)= 8 (2n2) 3 0,1,2 s,p,d 1+3+5 (n2) 2(1+3+5) =18 (2n2) 4 0,1,2,3 s,p,d,f 1+3+5+7 (n2) 2(1+3+5+7 )=32 (2n2) 18 0 2，…，（n-1）s ，（n m（＝2 l +1）1 +1）轨道数(n2) ms (+1/2、-1/2）2 (+1/2、1/2）电子数(2n2) 三、原子轨道和电子云的图像1、波函数的角度分布图、波函数的角度分布图用图形表示Yl,m的数值大小随角度θ，φ的变化。

2、电子云的角度分布图、以|ψ|2作图得到的图像。

电子云的角度分布图和相应的原子轨道的角度分布图是相似的，它们之间主要区别有两点：（1）原子轨道角度分布图有正、负之分，而电子云的角度分布图因角度函数经平方后无正、负之分；（2）电子云的角度分布图比原子轨道角度分布图“瘦”，因角度函数Y<l，所以Y2值比Y值更小。

19 3、径向分布图、（1）原子轨道的径向部分）原子轨道的径向部分又称径向波函数R(r)。

以R(r)对r作图，表示任何角度方向上，R(r)随r变化的情况。

氢原子的径向波函数20 （2）电子云的径向部分）表示电子出现概率密度和离核远近关系。