第五章原子结构

y + x
-
+
-
-
+
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F轨道
花 瓣 形
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§5-2 核外电子的分布
(一) 基态原子的能级顺序
我国科学家徐光宪教授首先总 结出： 原子中电子能级的相对高低， 可以用 n 0 .7 l 判断 离子中的电子排布满足 n 0.4 l
n 代表主量子数，l 代表角
量子数
将计算的第 一位数字相 同的各能级 编成一组， 构成能级组
基本上都是按上述规则分布，但有极少数例外，是由于电子 相互作用复杂，电子结构无简单的规律
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化学反应中，内 应用： 层e一般不变化， 1.要求会用以上原则写出所有原子基态电子构型； 因此最感兴趣的 2.原子的价电子构型（最外层、次外层）； 是外层或次外层 电子 3.离子的电子排布； 价电子：化学反应中可能发生转移(得失)的电子 价电子构型 ——外层、次外层电子构型 如：24Cr: 3d5，4s1, 29Cu: 3d10，4s1,
注意： 1.先按能级顺序将核外电子填充； 2.重排，将n相同的亚层排在一起； 3.离子的核外电子排布是重排后从外向内失或得电子 例：写出K、Cu、Cr、Mn基态原子电子排布式、价电子构型、 离子的电子式
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（三）原子周期表与元素周期表分区
1. 能级组与周期表 6能级 5能级 4能级 3能级 2能级 1能级 6s, 4f, 5d, 5s, 4d, 4s, 3d, 3s, 2s， 1s 6p 5p 4p 3p 2p 32 18 18 8 8 2
第五章 原子结构和 性质
马 晓 燕 2009.12
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主要内容：
人类认识原子结构的历史和实验基础（自 学）； 提出了电子等微观粒子的运动特征是—— 量子性和波粒二象性 认为：电子运动状态要用四个量子数确定 的波函数来描述。 重点：是用四个量子数讨论原子结构，阐 明原子结构与周期系的关系； 着重探讨原子结构和元素性质的规律性联 系。
由 n,l,m可 以 确 定 一 个 轨 道 n , l , m
P轨道有3个 简并轨道， d轨道有5个 简并轨道， f有7个简并 轨道
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（4）自选量子数ms m s
1 2
一个轨道最多只能容纳两 个自旋方向相反的电子
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(n, l, m, ms, x, y, z) 包含四个量子数
元素原子序数即可推知电子结构与其在周期表中的位置。
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稀土金属(rareearthmetals)又称稀土元素:IIIB所有元素。稀土金属已广泛应用于电子、石油化 工、冶金、机械、能源、轻工、环境保护、农业等领域。应用稀土可生产荧光材料、稀土金属氢 化物电池材料、电光源材料、永磁材料、储氢材料、催化材料、精密陶瓷材料、激光材料、超导 2012-6-3 材料、磁致伸缩材料、磁致冷材料、磁光存储材料、光导纤维材料等。
红外光谱 656.3nm 紫外光谱 364.6nm
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4.波尔理论的贡献与不足
使核外电子的轨道半径及轨道能级量子化，从而使人类认识 原子的世界又一次前进一步，是原子结构理论的里程碑 不足： 所描述的核外电子是在固定、稳定的轨道上运行——这与实 际不符
核外电子运动没有固定的轨道！！
2009年11月7 90华诞 回流串 级萃取
能级顺序图
六 五 四 三 二
6s, 4f, 5d, 6p 5s, 4s, 3s, 2s， 4d, 3d, 5p 4p 3p 2p
32 18 18 能
层 8 图
8 2
一 1s 2012-6-3
（二）电子排布原则
（1）能量最低原则－电子按照 能级顺序优先占据能量较低的轨 道 （2） Pauli不相容原理—1个 原子中最多只能容纳2个电子同 处一个轨道，并且自旋方向相 反。 （3）洪特规则—电子在等价轨 道上分布时总是优先占据不同 的轨道，并且自旋平行
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周 期 表 分 区
根据原子的电子层结构特征，可把全部元素分成5个区，即s，p，d，ds
和f区。
s区包括ⅠA和ⅡA(碱金属，碱土金属)，电子层构型是ns1～2； p区包括ⅢA～ⅦA及零族元素，电子层构型是np1～6； d区包括 ⅢB～ ⅦB及Ⅷ族，电子层构型为 (n-1)d1～8 ns1/2 ； ds区包括ⅠB和ⅡB族，电子层构型是(n-1)d10ns1～2； f区为La系、Ac系，各14种元素，电子构型为(n-2)f1～14ns2。因此，已知
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(一) 微观粒子－电子运动的一般规律
如光电效 应击出有 动量的e:
电子象一切微观粒 子一样具有一定的 质量、大小，所以 具有一 定的动能－ 粒子的特点
1924年，de Broglie提出电子具有波动 性的假设 电子的衍 射实验
电子在运动时具 有一定的波长或 频率，所以电子 同时也有波动性
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2.量子数——描述波函数的三个参量n，l，m分别叫～ （1）主量子数n＝1. 2. 3. 4. 5. 6….（由球坐标的径向部分确定） 符号表示： K.L.M.N.O.P（代表能层） n 越大， 能量越高 由球坐标的角 度分布函数确定 3 …… n-1（共n个值） f
量子 名 称 代表意义 取值范围 实验表现 数 主 电子层 一般(精度不高)原 n 1, 2, 3, … 量子数 (能层) 子光谱可以区分 0, 1, 2, 3, 角 电子亚层 高精度光谱仪 l …, n-1 量子数 (能级) 可以区分 0, 1, 2, 外加磁场中，高 磁 同亚层 m 量子数 角动量分量 3,…, l 精度谱仪可区分 自旋 很高精度谱仪+外 ms e自旋状态 +1/2, -1/2 量子数 磁场可区分
对应原子的激发态.能量最低原 理可违反，或称为激发态原子
Li: 1s22s1, 1s12s2, 1s23p1 3
基 激ห้องสมุดไป่ตู้
激
一个原子中不可能有四个量 子数完全相同的两个电子
电子层的最大容纳电子数为2n2 半满：P3，d5，f7
全满：P6，d10，f14
如：24Cr：1s2,2s2,2p6,3s2,3p6, 3d5,4s1 全空：P0，d0，f0 Cu:1s2,2s2,2p6,3s2,3p6, 29
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（三）电子运动状态的描述——波函数与四个量子数
1.Schrö dinger方程-奥地利物理学家
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Schrö dinger方程描述——量子力学：
2 2 2 2 1 h 2 2 2 2 y z 4 8 m x
2 2

z
2 2
)
n1
n2
计算结果与1913年里德伯测试的氢光谱惊人相似

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E 2 E1 h

2 . 179 10 h
18
1 1 1 1 15 2 2 3 . 2885 10 2 2 ( Hz ) n n n2 n2 1 1
h mv
e束
d e B ro g lie
h是普朗克常数
晶体a
衍射 波动性
1927年人们通过实验发现电子束的衍射条纹
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1927年美国科学家光的衍 射实验图-电子通过金属
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（二）波尔（Bohr）理论的要点：
用量子力学的概念解释了核外电子的运动状态 1.轨道半径量子化：原子核外的电子在一定稳定的轨道上运行，其轨道 半径为 2
发现：
• • • • • • 周期表的周期数就是能级组号 各周期的元素数=能级组中亚层 能容纳的最多电子数 主族的组号=最外层电子数（稀 有气体为零族） Ⅰ~Ⅱ副族=外层S电子数 Ⅲ~Ⅶ 副族=外层S电子数+外层 d电子数 第Ⅷ族另列出
由此可见价电子构型也是e最后进入的 亚层的填充情况 按e最后进入的不同亚层，可以给周期 表分区（价电子构型）
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3d10, 4s1
习题P161~: 6, 7 （书）8, 10, 14, 15, 16
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用以上原则, 可得到原子的基态电子构型
例：写出9F的电子构型(不再使用中学的圈图)
解：9F: 1s22s22p5
例：指出3Li的下列电子构型哪些是基态原子？哪些 是激发态原子，哪些是错误的？ Li: 1s22s1, 1s12s2, 1s23p1, 1s3, 2s23p1, 3 基 激 激 错 激 p141 表5-5 列出了所有原子的电子分布
各区元素的价电子构型(通式)： 元素 区 s p d
图 5-6 示意图
y
图 5-7 电子云||2分布图
y x
+
(s)
x
|(s)|2
哑 铃 形
y
- +
x (px)
y + - x (py)
z + - x (pz)
y x
y
z
x
x |(pz)|2
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|(px)|2 |(py)|2
+
y
+ -
x +
z
+
x
z
+
y y + + x -
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如 n=1, l只能=0, m也只能=0, 对应1条轨道, 可用 • 示 表 在每一条轨道上，ms可： 为+1/2 () / -1/2 () n=2：l=0; m=0；用• 示， 1条轨道 表 l=1，m=0，+1，-1 3条轨道
m 0, 1, 2, 3 l
取 2 l 1个 值
当l＝0时，m＝0，一个伸展方向 当l＝1时，m＝0，+1，-1，三个伸展方向 px py pz 当l＝2时，m＝0，+1，-1，+2，-2，五个伸展方向 dx dy dz dxy, dyz 能量：n，l相同，m不同，则能量相同——简并轨道
0
2 e E r
其中： E电子的总能量 是X，Y，Z的函数，也可由球坐标（r，θ ， ）表示 －是波函数，薛定谔方程的解，一个 确定一个原子轨道—表明电 子在核外出现的几率， ||2——电子在核外空间的几率分布(几率密度)－电子云；几率密度 包括电子云的角度分布图和几率的径向分布图 受三个量子数n, l, m的限制 每一个有一个运动状态和确定的能量
代表电子亚层， 电子云形状
（2）角量子数 l = 0,
亚层符号 电子云形状 能量大小： s,
1,
p,
2,
d,
球，哑铃，花瓣，复杂
n相同，l大，能量大如：ns<np<nd<nf
n不同，l相同，n大，能量大，如：1s<2s<3s<4s
n, l均不同，出现能级交错
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（3）磁量子数m－轨道在空间的伸展方向（轨道数）
用
同样 n=3:
表示
1, 2, 0, +1, -1; 0, +1, -1, +2, -2, 3 5条轨道
l=0, 分别有m=0;
分别对应1、
用•
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表示, 等等
例: 下列各组量子数(n,l,m,ms)是否正确? 对不正确者， 指出错误, 给出正确取值并指出该e所在轨道的名称
答：
(3,3,2,1/2) (3,2,2,1/2) 3d (3,1,1,0) (3,1,1,1/2) -1/2 3p (5,0,0,1/2)
正确
(3,2,3,1/2) (3,2,2,1/2) 0, 1, -2 3d (4,-3,2,1/2) (4,3,2,1/2) 4f / 2 4d (5,1,-1,-1/2)
正确
答：
答：
5s
5p
可以分别描出轨道=s, p, d, f 图形，以及电子云分布 ||2图形(p140)：
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r 5 .2 9 ( n ) p m (1 0
12
m)
Z n
Z
2.能量量子化： 微观粒子能量变化是间断的
E 2 .1 8 1 0 n 1, 2, 3 ...
18
(
) J
2
3.电子的跃迁与返回
E E 2 E 1 h 2 .1 8 1 0
18
(
z

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本章要掌握



了解原子结构有关术语和概念； 掌握四个量子数n、l、m、ms的意义和相互关系； 会用四个量子数写出1—4周期常见元素的电子结 构式； 会由结构式确定元素所在周期、族、区、特征电 子构型（即价电子构型）、元素名称和高氧化态 及低氧化态化合物化学式； 掌握原子结构与周期系的关系。