氫原子的結(jié)構(gòu)

1、第第 九九 章章 原子結(jié)構(gòu)和元素周期律原子結(jié)構(gòu)和元素周期律 9-1 氫原子的結(jié)構(gòu)及核外氫原子的結(jié)構(gòu)及核外 電子運動的特征電子運動的特征 粒子散射實驗粒子散射實驗 原子的有核模型原子的有核模型 原子的質(zhì)量集中在原子核上原子的質(zhì)量集中在原子核上 一、氫原子的結(jié)構(gòu)一、氫原子的結(jié)構(gòu)(氫原子的氫原子的bohr模型模型) 1、能級假說能級假說:電子沿固定軌道繞核電子沿固定軌道繞核 運動，軌道上的電子有特定的能量運動，軌道上的電子有特定的能量 值，稱為值，稱為能級能級（energy level）。）。 1,2,3n, n r e 2 h 2、能級間的躍遷能級間的躍遷:當電子的能量由當電子的能量由 一個能級改

2、變到另一個能級一個能級改變到另一個能級,稱為稱為 躍遷（躍遷（transition）。）。 二、核外電子運動的二、核外電子運動的波粒二象性波粒二象性 （particle-wave duality） 小 小 結(jié)結(jié) 核外電子運動的兩大特征核外電子運動的兩大特征 量子化特征量子化特征 波粒二象性波粒二象性 三、測不準原理三、測不準原理 x px h/4 heisenberg w：無法同時測定微觀粒無法同時測定微觀粒 子的位置和動量。子的位置和動量。 微觀粒子的運動無確定的運動軌跡微觀粒子的運動無確定的運動軌跡 用用量子力學量子力學來描述微觀粒子在空間來描述微觀粒子在空間 出現(xiàn)的概率及特征出現(xiàn)的概率及

3、特征 9-2 核外電子運動狀態(tài)的描述核外電子運動狀態(tài)的描述 波函數(shù)波函數(shù)和和電子云電子云 一、波函數(shù)（一、波函數(shù)（wave function） schrdinger方程方程 0)( 2 2 2 2 2 2 2 2 8 ve h m zyx (x、y、z) 或或(r、)叫做波函數(shù)，叫做波函數(shù)， 也稱為原子軌道也稱為原子軌道(atomic orbital)。 (r、) = r(r)y(、) r函數(shù)函數(shù)波函數(shù)的徑向部分或徑向波函數(shù)的徑向部分或徑向 波函數(shù)波函數(shù)(radial wave function)，是電，是電 子與核距離子與核距離r的函數(shù)；的函數(shù)； y函數(shù)函數(shù)波函數(shù)的角度部分或角度波函數(shù)的角度

4、部分或角度 波函數(shù)波函數(shù)(angular wave function)，是，是 方位角方位角和和的函數(shù)。的函數(shù)。 s態(tài)波函數(shù)態(tài)波函數(shù) p態(tài)波函數(shù)態(tài)波函數(shù) px pzpy d態(tài)波函數(shù)態(tài)波函數(shù) 注注 意意 1、可看作在可看作在x、y、z三維空間里能找到三維空間里能找到 該運動電子的一個區(qū)域，即該運動電子的一個區(qū)域，即原子軌道原子軌道； 2、 每一個每一個代表核外電子的某種代表核外電子的某種運動狀運動狀 態(tài)態(tài)，并有相應確定的能量，并有相應確定的能量en 3、 與與bohr原子軌道不同；原子軌道不同； 4、波函數(shù)在不同角度有正負之分，正負、波函數(shù)在不同角度有正負之分，正負 號是函數(shù)值符號，反映電子的波

5、動性號是函數(shù)值符號，反映電子的波動性。 二、概率密度和電子云二、概率密度和電子云 |2表示核外某點的概率密度。表示核外某點的概率密度。 即即:在該點附近微單位體積內(nèi)電子出在該點附近微單位體積內(nèi)電子出 現(xiàn)的概率?，F(xiàn)的概率。 電子云（電子云（electron cloud）：表示電：表示電 子在核外空間概率密度分布情況的子在核外空間概率密度分布情況的 幾何圖形。幾何圖形。 如：氫原子如：氫原子1s電子云的圖形電子云的圖形 p軌道電子云軌道電子云 d軌道電子云軌道電子云 三、四個量子數(shù)三、四個量子數(shù) 主量子數(shù)主量子數(shù)n 角動量量子數(shù)角動量量子數(shù)l 磁量子數(shù)磁量子數(shù)m n、l、m取值一定取值一定 并加以

6、合理組合并加以合理組合 確定電子的確定電子的 自旋方向自旋方向 自旋角動量自旋角動量 量子數(shù)量子數(shù)s 一個合理的波函一個合理的波函 數(shù)（原子軌道）數(shù)（原子軌道） （一）主量子數(shù)（一）主量子數(shù)n （principal quantum number） 1、意義意義：表示離核平均距離的遠：表示離核平均距離的遠 近，決定電子的近，決定電子的能量能量高低。高低。 2、取值取值：n = 1、 2、 3等正整數(shù)。等正整數(shù)。 電子層符號電子層符號k、l、m n 和和 l 的關(guān)系的關(guān)系 電子層電子層 主量子數(shù)主量子數(shù) （n） 角動量量角動量量 子數(shù)（子數(shù)（l） 符符 號號 k 1 0 1s l 2 0 1 2s

7、 2p m 3 0 1 2 3s 3p 3d n 4 0 1 2 3 4s 4p 4d 4f 第第n電子層，就有電子層，就有n種不同形狀的軌道。種不同形狀的軌道。 （二）軌道角動量量子數(shù)（二）軌道角動量量子數(shù)l （orbital angular momentum ） 1、意義意義：代表電子的角動量，代表電子：代表電子的角動量，代表電子 在空間不同角度出現(xiàn)的幾率，決定軌道和在空間不同角度出現(xiàn)的幾率，決定軌道和 電子云的電子云的形狀形狀，與主量子數(shù)共同決定電子，與主量子數(shù)共同決定電子 的的能量能量。 2、取值取值：受：受n的限制，只能取的限制，只能取0和小于和小于n的的 正整數(shù)。正整數(shù)。 即：即：

8、l = 0、1、2、3（n-1） 電子亞層電子亞層 s、p、d、f （三）磁量子數(shù)（三）磁量子數(shù)m （magnetic quantum number） 1、意義意義：決定原子軌道在空間的：決定原子軌道在空間的取向取向。 2、取值取值：受：受l的限制，只能取從的限制，只能取從+l到到-l的的 一切整數(shù)（含一切整數(shù)（含0）。）。 m = 0、1、2、3l m總共可?。偣部扇。?l+1）個數(shù)值，代表）個數(shù)值，代表 （2l+1）種取向。）種取向。 lm原子軌道及取向原子軌道及取向 s p d 0 0 只有一個軌道只有一個軌道 1 0、1 2 0、1、2 共有五種取向共有五種取向， dxy、 、dyz

9、、dxz、dx2-y2、dz2 l 與與 m之間的關(guān)系之間的關(guān)系 共有三種取向，共有三種取向， px、 、py、pz 3個軌道 個軌道 n 電子電子 層層 l 能能 級級 m 軌道軌道 數(shù)數(shù) 軌道軌道 總數(shù)總數(shù) 1k 01s01 1 2l 02s01 4 12p0、+1、-13 3m 03s01 913p0、+1、-13 23d0、+1、-1、+2、-25 4m 04s01 16 14p0、+1、-13 24d0、+1、-1、+2、-25 34f0、+1、-1、+2、-2、+3、-37 n、 l、m三者的關(guān)系三者的關(guān)系 小小 結(jié)結(jié) 1、n、l、m三個量子數(shù)的取值是相互三個量子數(shù)的取值是相互 制

10、約的；制約的； 2、 n、l、m的每一個合理組合確定一個的每一個合理組合確定一個 原子軌道：原子軌道： n：決定：決定電子層電子層 l ：確定：確定形狀形狀 m：確定空間：確定空間取向取向 決定決定能量能量 3、每個電子層的軌道總數(shù)為每個電子層的軌道總數(shù)為n2。 （四）自旋角動量量子數(shù)（四）自旋角動量量子數(shù) s （spin angular momentum ） 1、意義意義：表示電子的自旋狀態(tài)；：表示電子的自旋狀態(tài)； 2、取值取值： s = +1/2和和-1/2 或用或用表示表示 結(jié)結(jié) 論論 2、在同一個原子中，不可能有四個在同一個原子中，不可能有四個 量子數(shù)完全相同的兩個電子。量子數(shù)完全相同

11、的兩個電子。 3、每個電子層最多容納的電子總數(shù)每個電子層最多容納的電子總數(shù) 為為2n2。 1、 n、l、m、s的每一個合理組合，的每一個合理組合， 代表核外代表核外電子電子的一種可能運動狀態(tài)。的一種可能運動狀態(tài)。 例如：例如：n=2，l=1表示第表示第2電子層的電子層的p亞層，該亞層亞層，該亞層 共有共有3個軌道，最多可容納個軌道，最多可容納6個電子。這六個電子個電子。這六個電子 的運動情況可分別用下列各組量子數(shù)來表示：的運動情況可分別用下列各組量子數(shù)來表示： 電子電子 序數(shù)序數(shù) 123456 n l m ms 2 1 2 1 0 2 1 2 1 0 2 1 2 1 +1 2 1 2 1 +1

12、 2 1 2 1 -1 2 1 2 1 -1 2p2p2p 9-3 電子組態(tài)和元素周期表電子組態(tài)和元素周期表 一、多電子原子的能級一、多電子原子的能級 由于電子的相互排斥對核電荷由于電子的相互排斥對核電荷 的部分抵消作用。的部分抵消作用。 n不同，不同，l相同時，相同時，n越大，內(nèi)層電子越大，內(nèi)層電子 的屏蔽作用越強，其能量越高。的屏蔽作用越強，其能量越高。 例如：例如：e1se2s e3s h 2 2 r n z e 1、屏蔽效應屏蔽效應 外層電子為回避其它電子的屏蔽作外層電子為回避其它電子的屏蔽作 用而向內(nèi)層滲透的現(xiàn)象。用而向內(nèi)層滲透的現(xiàn)象。 各種電子鉆穿能力大小順序：各種電子鉆穿能力大小

13、順序： ns np nd nf ens enp end enf n相同，相同，l不同時，不同時，l越大，其能量越高。越大，其能量越高。 2、鉆穿效應鉆穿效應 近似能級圖近似能級圖 3、 、能能 級級 交交 錯錯 現(xiàn)現(xiàn) 象象 規(guī)規(guī) 律律 n 3，無能級交錯現(xiàn)象，無能級交錯現(xiàn)象 n 4，ense（ （n-1）d enp n 6， ense（ （n-2）f e（ （n-1）d enp e1s e2s e2p e3s e3p e4s e3d e4p e5s e4d 能級順序能級順序(energy order)： 二、原子的二、原子的電子組態(tài)電子組態(tài)（electronic confi-guration）

14、及電子排布規(guī)律）及電子排布規(guī)律 1、pauli不相容原理：不相容原理： 同一原子中，不可能有四個量子同一原子中，不可能有四個量子 數(shù)完全相同的兩個電子。數(shù)完全相同的兩個電子。 即：即：每個原子軌道最多只能容納每個原子軌道最多只能容納 兩個自旋方向相反的電子兩個自旋方向相反的電子。 2、能量最低原理能量最低原理： 電子在原子軌道的排布總是盡可電子在原子軌道的排布總是盡可 能先占據(jù)能量最低的軌道，而使能先占據(jù)能量最低的軌道，而使 原子體系的總能量最低。原子體系的總能量最低。 3、hund規(guī)則規(guī)則 電子在能量相同的幾個原子軌道（等電子在能量相同的幾個原子軌道（等 價軌道或簡并軌道）上排布時，總是價軌

15、道或簡并軌道）上排布時，總是 盡可能以自旋相同的方向，分占不同盡可能以自旋相同的方向，分占不同 的軌道。的軌道。 例如：例如： n原子核外電子排布為原子核外電子排布為 1s22s22p3 1s2s2p hund 規(guī)則補充規(guī)定規(guī)則補充規(guī)定 簡并軌道全充滿（簡并軌道全充滿（p6、d10、f14）、半）、半 充滿（充滿（p3、d5、f7）和全空（）和全空（p0、d0、 f0）的狀態(tài)比較穩(wěn)定。）的狀態(tài)比較穩(wěn)定。 cr原子原子1s22s22p63s23p63d54s1 cu原子原子1s22s22p63s23p63d104s1 ar ar 三、原子的電子層結(jié)構(gòu)與元素周期表三、原子的電子層結(jié)構(gòu)與元素周期表

16、（一）周期（一）周期（period）的劃分）的劃分 周期周期 = 元素原子元素原子最外層的主量子數(shù)最外層的主量子數(shù) 各周期的元素數(shù)目等于相應能級組各周期的元素數(shù)目等于相應能級組 中各原子軌道可容納的電子總數(shù)。中各原子軌道可容納的電子總數(shù)。 （二）（二）族（族（group）的劃分）的劃分 將外層電子結(jié)構(gòu)相同或相似的元素排將外層電子結(jié)構(gòu)相同或相似的元素排 成一列，稱為族。成一列，稱為族。 主族（主族（a族）：族）：a a族族 電子最后填充在最外層的電子最后填充在最外層的s 軌道或軌道或p軌道上；軌道上； 主族數(shù)主族數(shù) = 最外層電子數(shù)最外層電子數(shù) 特 特 點點 副族（副族（b族）：族）： b b

17、族族 電子最后填充在電子最后填充在d 軌道或軌道或 f 軌道上、軌道上、 (n-2)f、(n-1)d、ns電子都是價層電子；電子都是價層電子； b、b族：族：族數(shù)族數(shù)=最外層電子數(shù)最外層電子數(shù) b b族：族： 族數(shù)族數(shù) = 最外層電子數(shù)最外層電子數(shù)+次外層次外層d 電子數(shù)電子數(shù) b 族：族： (n-1)d和和ns電子總數(shù)為電子總數(shù)為810 價電子價電子 主族元素主族元素：最外層電子：最外層電子 副族元素副族元素：除最外層電子，：除最外層電子， 還包括次外層的還包括次外層的d電子、電子、(n- 2)f層的部分電子。層的部分電子。 （三）（三）元素分區(qū)元素分區(qū) 按照最后一個電子填充在哪按照最后一個

18、電子填充在哪 個能級上，可將元素周期表個能級上，可將元素周期表 中的元素分成五個區(qū)。中的元素分成五個區(qū)。 區(qū)區(qū) 最后一個電子最后一個電子 填充的能級填充的能級 族族 外層電子外層電子 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) s區(qū)區(qū) p區(qū)區(qū) d區(qū)區(qū) ds 區(qū)區(qū) f區(qū)區(qū) a、ans1、ns2 a a 0族族 ns2np16 (n-1)d18 ns12 b、b (n-1)d10ns1 (n-1)d10ns2 鑭系、錒系鑭系、錒系 (n-2)f014(n- 1)d01ns2 s 能級能級 p 能級能級 d 能級能級 d 能級能級 （全充滿（全充滿） f 能級能級 b b 族族 （四）（四）過渡元素過渡元素概念概念 過渡元素（過渡元

19、素（transition element） 包括包括d區(qū)、區(qū)、ds區(qū)和區(qū)和f區(qū)的元素。區(qū)的元素。 過渡元素過渡元素最外層電子數(shù)較少，都最外層電子數(shù)較少，都 是金屬元素；在化合物中常有多種是金屬元素；在化合物中常有多種 氧化值。氧化值。 第四節(jié)第四節(jié) 元素性質(zhì)的周期性變化規(guī)律元素性質(zhì)的周期性變化規(guī)律 一、原子半徑（一、原子半徑（atomic radius）：）： 同一周期從左到右同一周期從左到右，主族元素的，主族元素的 原子半徑逐漸減?。贿^渡元素原子原子半徑逐漸減?。贿^渡元素原子 半徑先是緩慢縮小，然后略有增加。半徑先是緩慢縮小，然后略有增加。 同一主族從上到下同一主族從上到下，原子半徑逐，原子

20、半徑逐 漸增大。漸增大。 二、元素的電負性（二、元素的電負性（electronegativity） 定義：元素原子在分子中定義：元素原子在分子中吸引成鍵吸引成鍵 電子的能力電子的能力。 同一周期從左到右同一周期從左到右，電負性遞增；，電負性遞增； 同一主族從上到下同一主族從上到下，電負性遞減。，電負性遞減。 summary an atom consists of a nucleus and electrons occupying the remaining space.we know electron is of wave-particle duality. according to the

21、uncertainty principle , the exact position and speed of an electron can not be known simultaneously. how do we describe the motion of an electron? usually we use wave function or electron cloud to describe the motion of an electron in an atom. 1、wave function the electron wave function is mathematic

22、al description of the electrons wavelike motion in an atom. each wave function associated with one of the atoms allowed energy states. wave function is the solution of schrdingers equation. (r、) = r(r) y(、) r(r) radical wave function y(、) angular wave function there are four kinds of atomic orbital

23、as following :s、p、d、f 2、electron cloud the probability density of finding the electron at a particular location is represented by |2 .electron cloud can express the distribution of |2 directly. 2(r、) = r2(r) y2(、) 3、four quantum number three features of the atomic orbital are described by three quan

24、tum numbers as following : size n shape l orientation m orbitals with the same n and l values constitute a sublevel ;sublevels with the same n value constitute an energy level. a sublevel with l=0 has one s orbital a sublevel with l=1 has three p orbitals a sublevel with l=2 has five d orbitals a sublevel with l=3 has seven f orbitals in many-electron atoms ,we use the fourth quantum number spin angular momentum quantum number（s） to describe electron spin. 4、electronic configuration 1)the energy order