普通化學(xué)課件：5-1 原子結(jié)構(gòu)的近代概念

1、1第第5章章 物質(zhì)結(jié)構(gòu)物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)基礎(chǔ) 從微觀角度論述原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)的相關(guān)理論 “結(jié)構(gòu)性質(zhì)”的互相依存，是化學(xué)科學(xué)最重要的基本關(guān)系25.1 原子結(jié)構(gòu)的近代概念5.1.1 波函數(shù)波函數(shù)1微觀粒子的特性微觀粒子的特性1a.只能以“統(tǒng)計(jì)規(guī)律統(tǒng)計(jì)規(guī)律”認(rèn)識(shí), 不能預(yù)知個(gè)別粒子的行為1b.能量“量子化”, 而不是連續(xù)變化, 因?yàn)槲⒂^粒子穩(wěn)定態(tài)的每一個(gè)能級(jí)都是一定的基態(tài)(ground state)和激發(fā)態(tài)(excited state) ：例H原子核外1s，2s，(可能不知道s-p-d-f?)31c. 波粒二象性波粒二象性(1) 光的波粒二象性 在本世紀(jì)初，明確了光既具有，又具有。根據(jù)粒子說(shuō)，

2、光子能量E 根據(jù)波動(dòng)說(shuō)，光子能量E h ，即： , 。在上式中，Planck常數(shù)h 6.62610-34 J?s4(2) 電子等微觀粒子的波粒二象性 1924年，德布羅意提出了具有靜止質(zhì)量的微觀粒子(如電子)也具有波粒二象性的特征： E mv2 h hv/，即： v v , Louis Victor de Broglie (1892-1987)，法國(guó)物理學(xué)家，法國(guó)外交和政治世家布羅意公爵家族后代(第七代布羅意公爵)。1929年因發(fā)現(xiàn)電子的波動(dòng)性及對(duì)量子理論的研究而獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。5(3) 了解：核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子力學(xué)描述薛定諤方程 核外電子在空間某處出現(xiàn)的可用來(lái)描述。1926年，奧地利物

3、理學(xué)家薛定諤（E. Schodinger）提出薛定諤方程:Erwin Schrdinger (1887-1961), 奧地利理論物理學(xué)家。1926年提出薛定諤方程, 1933年，因?yàn)椤鞍l(fā)現(xiàn)了在原子理論里很有用的新形式”，薛定諤和英國(guó)物理學(xué)家保羅狄拉克共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)(以表彰他們發(fā)現(xiàn)了薛定諤方程和狄拉克方程)6 波函數(shù)波函數(shù) -核外電子在空間運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)函數(shù)式(原子軌道原子軌道) E-電子總能量(動(dòng)能與勢(shì)能總和 ) V-電子勢(shì)能, m電子質(zhì)量 h普朗克常數(shù) x, y, z-微粒的空間坐標(biāo) 代表電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的波函數(shù)可以通過(guò)求解Schrdinger方程得到，但求解過(guò)程很復(fù)雜，我們稍后只介紹求解

4、所得到的一些重要概念。 0)(822222222VEhmzyx7 要求(1)明白“波粒二象性”的含義，知道光和電子等微觀粒子具有波粒二象性。(2)學(xué)會(huì)運(yùn)用聯(lián)系波動(dòng)性和粒子性的公式 h/mv 。(3)知道用來(lái)描述核外電子在空間某處出現(xiàn)的，知道波函數(shù)可以通過(guò)求解Schrdinger方程得到。2. 波函數(shù)和波函數(shù)和 解薛定諤方程過(guò)程，引入了3個(gè)參數(shù)(量子數(shù))：。8（1）主量子數(shù)n (principal quantum number) 意義: 表示核外電子離核遠(yuǎn)近和電子能量高低的主要參數(shù)，n值越大電子離核越遠(yuǎn)，能量越高。 取值: 1，2，3，4，5，6，7，。為正整數(shù)(自然數(shù))，與電子層相對(duì)應(yīng)，一般稱

5、為第n電子層或(K, L, M, N, O, P, Q)層。n1234567電子層KLMNOPQ9 單電子體系,主量子數(shù) n值越大, 能量越高 多電子原子, 核外電子的能量還與角動(dòng)量量子數(shù)l有關(guān)eV 13.622nZE10（2） 角(動(dòng)量)量子數(shù)l 意義意義:決定電子空間運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量, 決定原子軌道或電子云的形狀, 在多電子原子中與主量子數(shù)n共同決定電子能量高低。 取值取值: 受主量子數(shù)n的限制, 對(duì)確定的n, l可為: 0, 1, 2, 3, 4, , (n-1). 共有n個(gè)取值。 符號(hào): s，p，d，f， l值： 0，1，2，3，符號(hào)：s，p，d，f，也分別稱為s/p/d/f亞層或能級(jí)11

6、 K層(第1電子層)：1s(l共有1個(gè)取值) L層(第2電子層) ：2s，2p(l共有2個(gè)取值) M層(第3電子層) ：3s，3p，3d(l共有3個(gè)取值) N層(第4電子層) ：4s，4p，4d，4f(l共有4個(gè)取值)l0123符號(hào)spdf形狀球形啞鈴形花瓣形(復(fù)雜)12 單電子原子， Ens = Enp = End = Enf 多電子原子， Enf End Enp Ens，即: n值一定時(shí)，l值越大，亞層能級(jí)越高（3）磁量子數(shù)m 意義: 對(duì)于形狀一定的軌道( l 相同的電子軌道)，m 決定其空間取向。 m 取值受 l 影響，對(duì)于給定的 l ，m可取: 0，1，2，3，l，共2l1個(gè)值。13

7、例如: s軌道, l = 1, m = 0 p軌道l = 1，所以m = 0，1，數(shù)值說(shuō)明p軌道有三種空間取向(能量相同，三重簡(jiǎn)并)，其m值分別為0, 1, -1 再如：d軌道l = 2，所以m = 0，1，2，說(shuō)明d軌道有五種空間取向(能量相同，五重簡(jiǎn)并)。 再如：f軌道l = 3，所以m = 0，1，2, 3，說(shuō)明f軌道有7種空間取向(能量相同，七重簡(jiǎn)并)。14 當(dāng)主量子數(shù)n，角量子數(shù)l和磁量子數(shù)m數(shù)值確定時(shí)，波函數(shù)的數(shù)學(xué)式和數(shù)目也就確定了。 lm軌道符號(hào)軌道數(shù)00s11+1 0 -1px pz py32+2 +1 0 -1 -2dxy dxz dyz dz2 dx2-y2 53+3 +2

8、 +1 0 -1 -2 -3f (7個(gè))7mln ,15例題推算 n = 3 的原子軌道數(shù)目，并分別用三個(gè)量子數(shù) n，l，m 加以描述。原子軌道數(shù)目1(3s)+3(3p)+5(3d) = 9 = 32n = 4?16原子軌道數(shù)目1(4s)+3(4p)+5(4d)+7(4f)=16 = 42nlml40 (4s)0 1 (4p)1, 0, -1 2 (4d)2, 1, 0, -1, -23 (4f)3, 2, 1, 0, -1, -2, -317（4） 自旋量子數(shù)ms 電子只有兩種自旋方式，所以ms可取兩個(gè)值：+1/2和-1/2。通常用“”和“”表示。描述一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，要用: n，l，m

9、和 ms。 一個(gè)軌道只能容納兩個(gè)自旋相反的電子，在同一原子中，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的兩個(gè)電子同時(shí)存在。舉例18例題用四個(gè)量子數(shù)描述 n = 4的所有電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 1920 要求：要求： 明白主量子數(shù)n，角量子數(shù)l和磁量子數(shù)m及自旋量子數(shù)ms的含義及取值。 學(xué)會(huì)用四個(gè)量子數(shù)描述原子軌道和電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。213. 波函數(shù)（原子軌道）的角度分布圖波函數(shù)（原子軌道）的角度分布圖 波函數(shù)就是原子軌道，原子軌道就是波函數(shù)，它既是一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)式，又表示某一幾何空間（“軌道”） 以直角坐標(biāo)所描述的波函數(shù)(x, y, z)可以轉(zhuǎn)化為以球坐標(biāo)描述的波函數(shù)(r, , )，在數(shù)學(xué)上又可以把波函數(shù)(r, , )分解

10、為兩部分： (r, , ) R(r)Y(, )22 R(r)是電子離核距離r的函數(shù)，表示波函數(shù)的徑向部分, 受n、l限制, 與和無(wú)關(guān)。 Y(, )是角度變量，的函數(shù)，表示波函數(shù)的角度部分, 受l、m限制, 與r無(wú)關(guān)。 23 (1)波函數(shù)(即原子軌道)的角度分布圖 根據(jù)Y（，）可做出波函數(shù)（即原子軌道）的角度分布圖：（1） s軌道：Ys (1/4)1/2，是一個(gè)半徑為(1/4)1/2的球面，與角度，無(wú)關(guān)。s軌道的角度分布示意圖如下：24（2） p軌道：p軌道l 1, m 1, 0, -1在空間有3種取向，分別表示為px，py，pz軌道。例：Ypz = (3/4)1/2cos。p軌道的角度分布示意

11、圖如下, 均為相切于原點(diǎn)的兩個(gè)球面：25（3） d軌道：“+” “-”代表角度波函數(shù)波函數(shù)Y值在不同區(qū)域的的正、負(fù)號(hào)正、負(fù)號(hào)，并非正、負(fù)電荷并非正、負(fù)電荷265.5.2 電子云電子云1. 電子云與概率密度電子云與概率密度 波函數(shù)的平方（2）可用來(lái)反映電子在空間某位置上單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率大小，即出現(xiàn)的。氫原子的基態(tài)波函數(shù)為：1s 所以：1s2 27 表明1s電子的概率密度是電子離核距離r的函數(shù)。假想將核外一個(gè)電子每個(gè)瞬間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài), 用照相的方法攝影, 并將這樣數(shù)百萬(wàn)張照片重疊, 得到如下的統(tǒng)計(jì)效果圖, 形象地稱為電子云圖. 氫原子的1s電子云示意圖 28電子云和原子軌道兩個(gè)概念的對(duì)照： 電子云是幾率密度2的形象化, 是2的空間圖形. 原子軌道是波函數(shù)，或波函數(shù)的線性組合(波函數(shù)的