《原子结构模型》课件

量子力学理论
英国科学家道尔顿 （Dalten 1766— 1844）把古代模糊的 原子假说发展为科学 的原子理论，为近代 化学的发展奠定了重 要的基础。恩格斯曾 誉称他为“近代化学 之父”。
原子是组成物质的基本粒子，它们是坚实的、不可再分的实心球。
按照道尔顿的理论，原子是既不能创造，也不能毁灭，又不能再分割的 最最基本的物质粒子。那么，放电管中的“射线”是什么呢？汤姆逊用实 验回答说：是电子，并且在各种元素的原子中都有电子。这样看来，原子 就不是不可再分的了！也就是说，原子不是最最基本的物质粒子了！
二、量子力学对原子核外电子运动状态的描述
本节课的关键词: 原子轨道 主量子数 n 角量子数 l 磁量子数 m 自旋磁量子数 ms 电子云
1. 原子轨道与 四个量子数
[联想·质疑]波尔只 引入一个量子数n, 能比较好地解释了 氢原子线状光谱产 生的原因；但复杂 的光谱解释不了。
实验事实:
在钠原子中
当出现d 轨道时，电子按ns、(n-1)d、np 顺序排布，这 样的排布方式使体系的能量最低，这一规律叫“能级交错”
基态原子核外电子在原子轨道上的排布顺序 注意：填充能级高低简便计算—(n + 0.7l)
由此可得电子填充能级图
1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s 4f5d6p7s
2、泡利不相容原理 每个轨道最多容纳两个自旋状态不同的电子
1、电子排布式：
电子排布式可简单写为nlx，其中n为主量子数（电子 层数），x为电子数，角量子数l用其对应的符号表示。
2、轨道表示式
轨道表示式用小圆圈（或方框）表示一个给定量子 数n、l、m的原子轨道，用箭头↓或↑来区别ms不同的 电子。
交流与讨论
1.写出 11Na、13Al的电子排布式和轨道表 示式，思考17Cl原子核外电子的排布，总 结第三周期元素原子核外电子排布的特点
1s1
2s1 3s1 4s1 5s1 6s1
1s2
2s22p6
3s23p6
3d (1-10)
4s24p6
4d (1-10) 5s25p6
4f (1-14) 5d (1-10) 6s26p6
2）周期元素数目=相应能级组中原子轨道 所 能容纳的电子总数
周期
1 2 3 4 5 6 7
能级组
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ
1.周期的划分与什么有关？ 周期数=能级组数
2.每一周期中所能容纳的元素种数与什么有关？ 元素种类数=各个能级
3.周期序数与什么有关？ 组轨道数的二倍 周期序数=最外层电子 所在轨道的主量子数
小结：
1）除第一周期外, 各周期均以填充 s 轨道 的元素开始, 并以填充满p 轨道的元素告终. （第一周期除外）
电子跃迁
n=4
n=3
在氢原子中
电子跃迁
n=2
n=1
也得到两条靠得很近的谱线…
原子轨道与四个量子数 （１）原子光谱带来的疑问？ ①钠原子光谱在n=3到n=4之间会产生两(多)条谱线． ②氢原子光谱在n=１到n=２之间谱线实际上是两条靠
得非常近的谱线．
③在磁场中所有原子光谱可能会分裂成多条谱线．
这些问题用玻尔的原子模型无法解释． 原子中电子的运动状态应用多个量子数来描述． 量子力学中单个电子的空间运动状态称为原子轨道.
洪特规则的特例：
对于能量相同的轨道(同一电子亚层)，当电子排布处于全满 （s2、p6、d10、f14）、半满（s1、p3、d5、f7）、全空（s0、p0、 d0、f0）时比较稳定，整个体系的能量最低。
2、元素周期表的结构
周期 族
短周期（第一，二，三周期，2，8，8） 长周期（第四，五，六周期，18，18，32） 不完全周期（第七周期，26）
f 轨道 ( l = 3, m = +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3 ) m 七种取值, 空间七种取向, 七条等价(简并) f 轨道.
思考：电子在一定的区域如何运动 呢，能观察到吗？
电子云
③磁量子数m: 描述磁场中原子轨道的能量状态 m可以取0、±1、±2 … ±l共(2l +1)个数值. 如l =0, m只可以取0,对应的谱线只有一条. 如l =1, m可以取0, ±1,对应的谱线有三条. n、 l 、m确定,原子轨道就确定了.
卢瑟福的原子结构理论遇到的问题
根据已经知道的电磁运动的规律，电子在运动的时候会放出电磁波 （能量）。因此，绕着原子核旋转的电子，因为能量逐渐减小，应当沿着 一条螺旋形的轨道转动，离中心的原子核越来越近，最后碰在原子核上。 这样一来，原子就被破坏了。
实际上，原子很稳定，有一定大小，并没有发生这种电子同原子核碰 撞的情况。这又怎样解释呢？
４.核外电子排布和价电子排布式
【活动探究】
尝试写出19～36号元素K～Kr的原子的核外电子排布式。 钾K：1s22s22p63s23p64s1； 钙Ca：1s22s22p63s23p64s2； 铬Cr：1s22s22p63s23p63d54s1； 铁Fe：1s22s22p63s23p63d64s2； 钴Co：1s22s22p63s23p63d74s2； 铜Cu：1s22s22p63s23p63d104s1； 锌Zn：1s22s22p63s23p63d104s2； 溴Br：1s22s22p63s23p63d104s24p5； 氪Kr：1s22s22p63s23p63d104s24p6
n
l
m
取值 符号 取值 符号 取值
原子轨道 符号
ms 取值
1K0s 0
1s
±1/2
0s 0
2s
±1/2
2 L 1 p 0, ±1 2px 2py 2pz ±1/2
0s 0
3s
±1/2
1 p 0, ±1 3px 3py 3pz ±1/2
3
M
2
d 0, ±1 3dxy 3dyz 3dxz ±1/2
±2 3dx2-y2 3dz2
第一节 原子结构模型
绚丽壮观的焰火增加了节日欢乐的气氛，都市夜空色彩
夺目的美景会给你留下不可磨灭的记忆。渐渐长大的你是 否想过，这给你带来惊异和欢乐的美景是如何产生的？是 什么产生了这不同颜色的光？这一节内容的学习，将会帮 助我们揭开其中的秘密。
一、 原 子 结 构 模 型
汤姆生原子模型 卢瑟福原子模型 波尔原子模型
知识小结:
原子轨道:量子力学中单个电子的空间运动状态 描述原子轨道的量子数是: n、l、m. 描述电子运动的量子数是: n、l、m 、ms. n、l、m 、ms的取值与原子轨道数,可容纳的电子 数的关系.
每层的能级数= 电子层数(n) 每层的轨道数= 电子层数的平方(n2) 每层最多容纳的电子数为= 2×电子层数的平方(2n2)
③
【交流研讨】
C原子：最外层的p能级上有三个轨道 可能写出的基态C原子最外层p能级上两个电子 的可能排布：
①2p：
②2p:
③2p:
④2p
3、洪特规则
在能量相同的轨道上排布时，电子尽可能 分占不同的轨道，且自旋状态相同
例：[11]Na钠 1s2 2s2 2p6 3s1 [12]Mg镁1s2 2s2 2p6 3s2 [13]Al铝 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1[14]Si硅 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 [15]P磷 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3[16]S硫 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 [17]Cl氯 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
规则中的半满、全满状态。
能量最低原则：
核外电子的排布要使整个原子的能量最低，以形成稳定结构。
泡利不相容原理：
一个原子轨道中最多只能容纳两个电子，并且这两个电子的自 旋方向必须相反。
洪特规则：
对于基态原子，电子在能量相同的轨道上排布时，应尽可能的 分占不同的轨道并且自旋方向相同。
2. 写出19K、22Ti、24Cr的电子排布式的 简式和轨道表示式，思考35Br原子的电子 排布，总结第四周期元素原子电子排布的 特点，并仔细对照周期表，观察是否所有 原子电子排布都符合前面的排布规律
能量最低原则：
核外电子的排布要使整个原子的能量最低，以形成稳 定结构。
泡利不相容原理：
练习:找出下列条件下原子轨道的数目
A.n=1 1 1s
B. n=2 4
2s 2px 2py 2pz
C. n=3 9 3s 3px 3py 3pz 3dxy 3dyz 3dxz 3dx2-y2 3dz2
规律:每层的原子轨道数为层数的平方(n2)
④自旋量子数ms:描述在能量完全相同时电子 运动的特殊状态(简称为电子自旋状态).
每个原子轨道可由三个只能取整数的量子数n、
l 、m共同描述.
①主量子数n: 描述电子离核的远近．
练习:找出下列条件下能级的数目,并写出其能级的符号
A. n=1
B. n=2
C. n=3
D. n=4
1 1s
2 2s 2p
3 3s 3p 3d
4 4s 4p 4d 4f
规律: 每层的能级数值=电子层数(n)
一个原子轨道中最多只能容纳两个电子，并且这两个 电子的自旋方向必须相反。
洪特规则：
对于基态原子，电子在能量相同的轨道上排布时，应 尽可能的分占不同的轨道并且自旋方向相同。
洪特规则的特例：
对于能量相同的轨道(同一电子亚层)，当电子排布处 于全满（s2、p6、d10、f14）、半满（s1、p3、d5、f7）、全 空（s0、p0、d0、f0）时比较稳定，整个体系的能量最低。
一、基态原子的核外电子排布
原子核外电子的排布所遵循的原理：
1、能量最低原理 电子先占据能量低的轨道，再依次
进入能量高的轨道
电子在原子轨道上的排布顺序
经测定随核电荷数递增，基态原子的电子按如下顺序填 入核外电子运动轨道：1S，2S，2P，3S，3P，4S，3d ，4P……。其中，S、P、d 分别有 1、3 、5个轨道， 每个轨道只能容纳两个自旋方向相反的电子，当原子最 外层的轨道能量相同时，最后几个电子的排布要符合洪 特规则。
能级组内原子轨 道
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d (未完)
元素数目
2 8 8 18 18 32 26 (未完)
3）元素所在周期的判断：周期数=电子层数（n）
二、核外电子排布与族的划分
写出碱金属元素基态原子的电子排布
s 轨道(l = 0, m = 0 ) : m 一种取值, 空间一种取向, 一条 s 轨道.
p 轨道 (l = 1, m = 0, +1, -1) m 三种取值, 三种取向, 三条等价(简并) p 轨道.
d 轨道(l = 2, m = +2, +1, 0, -1, -2) m 五种取值, 空间五种取向, 五条等价(简并) d 轨道.
原子是一个平均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多电子， 中和了正电荷，从而形成了中性原子。
原子中心有一个带正电荷的核，它的质量几乎等于原子的 全部质量，电子在它的周围沿着不同的轨道运转，就象行星环 绕太阳运转一样。
卢瑟福的原子结构理论
将原子结构比喻像个小小的太阳系，中心是带电荷的原子核，外 面绕着核转的是带负电荷的电子。不同的是：在太阳系中，行星绕太 阳转，靠万有引力；在原子中，电子绕着原子核转，靠异性电荷的吸 引力。
电子排布式： 用数字在能级符号的右上角表明该能级上排布的电子数；为
了避免wk.baidu.com子排布式过于繁琐，可以把内层电子达到稀有气体 结构的部分以相应稀有气体元素符号外加方括号表示。
如：Na:1s22s22p63s1 或 Na:[Ne]3s1。
其中24Cr：1s22s22p63s23p63d54s1 和 29Cu：1s22s22p63s23p63d104s1符合洪特
处于同轨道上的电子的自旋状态只有两种.
分别用ms =+1/2(通常用符号↑表示). ms= -1/2 (通常用符号↓表示).
注意:自旋并不是”自转”,实际意义更为深远.
(阅读教材P8 [化学与技术])
练习:实验证明,同一原子中电子的运动状态均 不相同.试推断:
每个原子轨道最多有几个电子?
每个电子层最多有多少个电子?
主族（ⅠA ~ Ⅶ A，7个纵行） 副族（ ⅠB ~ Ⅶ B，7个纵行） Ⅷ族（8，9，10纵行） 零族
一、核外电子排布与周期的划分
最多容纳电子数 鲍林近似能级图
32
32 18 18 8 8 2
轨道数 16 16
9 9 4 4 1
[交流研讨] 请参照鲍林近似能级图，尝试分析原子中电子排 布与元素周期表中周期划分的内在联系。