核外電子的運動狀態(tài)ppt課件

1、3-1 3-1 核外電子的運動形狀核外電子的運動形狀3-2 3-2 核外電子的排布和元素周期系核外電子的排布和元素周期系3-3 3-3 元素根本性質(zhì)的周期性元素根本性質(zhì)的周期性第三章第三章 原子構(gòu)造原子構(gòu)造3-1 3-1 核外電子的運動形狀核外電子的運動形狀一、氫原子光譜和玻爾實際一、氫原子光譜和玻爾實際二、微觀粒子的波粒二象性二、微觀粒子的波粒二象性三、波函數(shù)和原子軌道三、波函數(shù)和原子軌道四、幾率密度和電子云四、幾率密度和電子云五、波函數(shù)與電子云的分布圖五、波函數(shù)與電子云的分布圖一、氫原子光譜和玻爾實際一、氫原子光譜和玻爾實際原子原子原子核正電原子核正電核外電子負電核外電子負電核反響中發(fā)生變

2、化核反響中發(fā)生變化化學(xué)反響中發(fā)生變化化學(xué)反響中發(fā)生變化1.1.延續(xù)光譜與不延續(xù)光譜延續(xù)光譜與不延續(xù)光譜延續(xù)延續(xù): :某些物理量的變化沒有最小單某些物理量的變化沒有最小單位位.t,l,v,s.t,l,v,s不延續(xù)不延續(xù): :某些物理量的變化有最小單位某些物理量的變化有最小單位. .電量電量q q不延續(xù)是微觀世界的重要特征，是量子化條不延續(xù)是微觀世界的重要特征，是量子化條件。件。白光做光源白光做光源延續(xù)光譜：包含一切不同波長的光譜延續(xù)光譜：包含一切不同波長的光譜不延續(xù)光譜原子光譜或線狀光譜不延續(xù)光譜原子光譜或線狀光譜 每種元素的原子都有本人的特征光譜，不每種元素的原子都有本人的特征光譜，不同元素的

3、原子光譜各不一樣同元素的原子光譜各不一樣-光譜分析。光譜分析。單原子離子氣體做光源單原子離子氣體做光源2.2.氫原子光譜氫原子光譜)6 ,5 ,4 ,3n()n121(R22 巴爾麥公式巴爾麥公式700 600 500 400 /nm700 600 500 400 /nmH H H H HHHH4 4條譜線頻率分別為：條譜線頻率分別為：656.5nm,486.1nm,434.0nm,410.2nm656.5nm,486.1nm,434.0nm,410.2nm一切區(qū)域紅外、紫外、可見一切區(qū)域紅外、紫外、可見 思索題思索題 ：由公式能看出譜線頻率有何特征？：由公式能看出譜線頻率有何特征？ 氫原子光

4、譜的譜線頻率不是恣意變化的，氫原子光譜的譜線頻率不是恣意變化的，而是隨著兩個正整數(shù)的改動而做騰躍式的變化，而是隨著兩個正整數(shù)的改動而做騰躍式的變化，即氫原子光譜為不延續(xù)光譜。即氫原子光譜為不延續(xù)光譜。為為里里得得堡堡常常數(shù)數(shù)均均為為正正整整數(shù)數(shù)、R,nn,nn)nn(.)nn(R211222211522211110289311 實實驗驗結(jié)結(jié)論論實際要點實際要點3.3.玻爾實際玻爾實際穩(wěn)定軌道：核外電子是在一些符合一定條件穩(wěn)定軌道：核外電子是在一些符合一定條件的軌道上運動。這些軌道具有固定的能量的軌道上運動。這些軌道具有固定的能量P=mr= nh/2P=mr= nh/2，稱穩(wěn)定軌道。在此軌道上運

5、，稱穩(wěn)定軌道。在此軌道上運動的電子不放出能量，也不吸收能量。動的電子不放出能量，也不吸收能量。軌道能級：不同的穩(wěn)定軌道能量不同，電子軌道能級：不同的穩(wěn)定軌道能量不同，電子離核越遠，能量越高。離核最近的軌道能量最離核越遠，能量越高。離核最近的軌道能量最低，稱基態(tài)；電子獲得能量躍遷到離核較遠、低，稱基態(tài)；電子獲得能量躍遷到離核較遠、能量較高的形狀為激發(fā)態(tài)。能量較高的形狀為激發(fā)態(tài)。 氫：氫：E=-13.6/n2(ev)E=-13.6/n2(ev)n n為正整數(shù)為正整數(shù)n=1,E1=-13.6ev,r1=12n=1,E1=-13.6ev,r1=1252.9pm(52.9pm(玻爾半徑玻爾半徑n=2,E

6、2=-13.6/4n=2,E2=-13.6/4evev,r2=22,r2=2252.9pm52.9pmn=3,E3=-13.6/9n=3,E3=-13.6/9evev,r3=32,r3=3252.9pm52.9pm 隨著隨著n n的添加，電子離核越來越遠，能量越的添加，電子離核越來越遠，能量越來越高，來越高，n n為量子數(shù)，當(dāng)為量子數(shù)，當(dāng)nn，意味著電子完，意味著電子完全脫離原子核的電場引力，全脫離原子核的電場引力，E=0E=0最大最大n=1,n=1,電離能電離能=13.6=13.61.61.610-2210-226.026.0210231023 =1311.6kJmol-1 =1311.6k

7、Jmol-1激發(fā)態(tài)原子發(fā)光的緣由激發(fā)態(tài)原子發(fā)光的緣由 處于激發(fā)態(tài)的電子極不穩(wěn)定，它會迅速回處于激發(fā)態(tài)的電子極不穩(wěn)定，它會迅速回到能量較低的軌道，并以光子的方式釋放出能到能量較低的軌道，并以光子的方式釋放出能量。所以激發(fā)態(tài)原子能發(fā)光。量。所以激發(fā)態(tài)原子能發(fā)光。紫外紫外可見光可見光)n1n1(10289.3)n1n1(10626.6106.16.1310626.6106.1)n6.13n6.13(hEEE222115222134193419212212 氫氫原原子子 實際推導(dǎo)與實驗結(jié)果完全一樣。即波爾實際能實際推導(dǎo)與實驗結(jié)果完全一樣。即波爾實際能較好地解釋氫原子光譜產(chǎn)生的緣由和規(guī)律性。較好地解釋氫

8、原子光譜產(chǎn)生的緣由和規(guī)律性。電子運動頻率的實際推導(dǎo)電子運動頻率的實際推導(dǎo)nm5.656)cm(10565.61057.4103c)s(1057.4)3121(10289.37148114221523 由于由于n n只能取正整數(shù)，所以波長是不延續(xù)只能取正整數(shù)，所以波長是不延續(xù)的，即為不延續(xù)光譜。的，即為不延續(xù)光譜。HH：=656.5nm=656.5nm 波爾實際的缺陷：只能解釋單電子原子或波爾實際的缺陷：只能解釋單電子原子或離子光譜的普通景象，不能解釋譜線的分裂和離子光譜的普通景象，不能解釋譜線的分裂和多電子原子光譜，更不能用它進一步研討化學(xué)多電子原子光譜，更不能用它進一步研討化學(xué)鍵的構(gòu)成等。鍵

9、的構(gòu)成等。二、微觀粒子的波粒二象性二、微觀粒子的波粒二象性1.1.光的波粒二象性光的波粒二象性2.2.電子的波粒二象性電子的波粒二象性 1924 1924年德布羅意預(yù)言：一些實物粒子年德布羅意預(yù)言：一些實物粒子 ( (如電子、中子、質(zhì)子等如電子、中子、質(zhì)子等) )也具有波粒二象性，也具有波粒二象性，其波長為其波長為 = h/m = h/m hmcpmcchmchE22衍射和干涉衍射和干涉- -動搖性動搖性光電效應(yīng)光電效應(yīng)- -粒子性粒子性 電子衍射實驗證明了電子具有粒子性和動搖電子衍射實驗證明了電子具有粒子性和動搖性。波粒二象性是微觀粒子的根本屬性之一。性。波粒二象性是微觀粒子的根本屬性之一。

10、電子衍射電子衍射3. 3. 測不準(zhǔn)原理測不準(zhǔn)原理 德國物理學(xué)家海森保提出微德國物理學(xué)家海森保提出微觀粒子的位置與動量之間存在著測不準(zhǔn)關(guān)系，觀粒子的位置與動量之間存在著測不準(zhǔn)關(guān)系，即即 xx p p h/2 h/2 ， xx h/2m h/2m (h(h為普朗克常數(shù)：為普朗克常數(shù)：6.626 6.626 10 -34 10 -34 ， x x和和 p p 分別為位置和動量不確定量分別為位置和動量不確定量) )。根據(jù)測不準(zhǔn)。根據(jù)測不準(zhǔn)原理，粒子位置的丈量準(zhǔn)確度越大原理，粒子位置的丈量準(zhǔn)確度越大 x x越越小小 ，其動量的準(zhǔn)確度就會愈小，其動量的準(zhǔn)確度就會愈小 p p越大越大 ，反之亦然。反之亦然。

11、問題：為什么宏觀物體不具有波粒二象性？問題：為什么宏觀物體不具有波粒二象性？ 如：如：1 1克運動速度為克運動速度為300300米米/ /秒的子彈秒的子彈 表現(xiàn)動搖性時波長約為表現(xiàn)動搖性時波長約為 10-26 nm 10-26 nm。 對于宏觀物體對于宏觀物體m=10m=10克的物體，克的物體， x = 0.1mmx = 0.1mm已相當(dāng)已相當(dāng)準(zhǔn)確，準(zhǔn)確， 10-28 m.s-1 10-28 m.s-1，遠遠小于可丈量的限制，遠遠小于可丈量的限制范圍，闡明測不準(zhǔn)原理對于宏觀物體實踐上不起作用。范圍，闡明測不準(zhǔn)原理對于宏觀物體實踐上不起作用。 對于電子對于電子,m=9.11,m=9.1110-3

12、1Kg,10-31Kg,其大小數(shù)量級為其大小數(shù)量級為10-10 m10-10 m，那么其位置的合理準(zhǔn)確度至少要到達那么其位置的合理準(zhǔn)確度至少要到達 x10-11 mx10-11 m，根，根據(jù)測不準(zhǔn)原理，電子速度的不準(zhǔn)確度為據(jù)測不準(zhǔn)原理，電子速度的不準(zhǔn)確度為 6 6 106 106 m.s-1m.s-1，這已與電子的本身速度相當(dāng)。，這已與電子的本身速度相當(dāng)。 確定電子位置的同時，其速度就測不確定電子位置的同時，其速度就測不準(zhǔn)，要同時測準(zhǔn)其位置和速度是不能夠的準(zhǔn)，要同時測準(zhǔn)其位置和速度是不能夠的闡明電子運動的固定軌道已不復(fù)存在。闡明電子運動的固定軌道已不復(fù)存在。 否認(rèn)了玻爾實際中核外電子運動有固否

13、認(rèn)了玻爾實際中核外電子運動有固定軌道的觀念。定軌道的觀念。三、波函數(shù)和原子軌道三、波函數(shù)和原子軌道1.1.薛定諤方程薛定諤方程- -微觀粒子運動所遵照的根本方微觀粒子運動所遵照的根本方程程 波塞波塞- -波函數(shù)：不是詳細的數(shù)，而是波函數(shù)：不是詳細的數(shù)，而是描畫微觀粒子運動形狀的數(shù)學(xué)表達式。是空間描畫微觀粒子運動形狀的數(shù)學(xué)表達式。是空間坐標(biāo)坐標(biāo)x x、y y、z z的函數(shù)。的函數(shù)。x x、y y、z)z)。m m：粒子的質(zhì)量：粒子的質(zhì)量;E;E：體系的總能量；：體系的總能量；V V：勢能：勢能m m、E E、V-V-表達微粒性；表達微粒性；-表達動搖性表達動搖性0V)(Ehm8zyx222222

14、22 解方程就是要解出微觀粒子如電子每解方程就是要解出微觀粒子如電子每一種能夠的運動形狀所對應(yīng)的波函數(shù)一種能夠的運動形狀所對應(yīng)的波函數(shù)和能量和能量E E，方程的每一個合理的解，方程的每一個合理的解就代表體系中電就代表體系中電子的一種能夠的運動形狀。子的一種能夠的運動形狀。 為解方程，將直角坐標(biāo)為解方程，將直角坐標(biāo)x x、y y、z)z)轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化為球坐標(biāo)為球坐標(biāo)r r、)222zyxrcosrzsinsinrycossinrx (x(x、y y、z)z)r r、 =R =Rr) Yr) Y 、)波函數(shù)徑波函數(shù)徑向部分向部分波函數(shù)角波函數(shù)角度部分度部分2.2.波函數(shù)和原子軌道波函數(shù)和原子軌道 波函

15、數(shù)波函數(shù)的空間圖象為原子軌道，它指的是的空間圖象為原子軌道，它指的是電子在原子核外運動的某個空間范圍?；蛘哒f電子在原子核外運動的某個空間范圍?；蛘哒f原子軌道的數(shù)學(xué)表達式是波函數(shù)。原子軌道的數(shù)學(xué)表達式是波函數(shù)。 為了得到電子運動形狀的合了解，必需引為了得到電子運動形狀的合了解，必需引進幾個參數(shù)進幾個參數(shù)n n、l l、m,m,稱它們?yōu)榱孔訑?shù)表征微稱它們?yōu)榱孔訑?shù)表征微觀粒子運動形狀的一些特定的數(shù)字，每個量觀粒子運動形狀的一些特定的數(shù)字，每個量子數(shù)都有其確定的取值范圍。子數(shù)都有其確定的取值范圍。 對應(yīng)于一組合理的對應(yīng)于一組合理的n n、l l、m m取值，必有一個取值，必有一個確定的波函數(shù)確定的波函

16、數(shù)(r(r、)n)n、l l、m m對應(yīng)，也對應(yīng)，也就是有一個確定的原子軌道。就是有一個確定的原子軌道。11、0 0、0 0 代表代表1s1s原子軌道原子軌道, ,22、1 1、0 0 代表代表2pz2pz原子軌道原子軌道確定一個電子的運動形狀還需加一個確定一個電子的運動形狀還需加一個mSmS量子數(shù)。量子數(shù)。* *3.3.四個量子數(shù)四個量子數(shù) 電子在核外的運動不是恣意的，而只能取一定的電子在核外的運動不是恣意的，而只能取一定的運動形狀，普通需求四個量子數(shù)才干確定一個電子的運動形狀，普通需求四個量子數(shù)才干確定一個電子的運動形狀。運動形狀。1主量子數(shù)主量子數(shù)n 意義：描畫電子層能量的高低次序和離核

17、的遠近。意義：描畫電子層能量的高低次序和離核的遠近。 取值：取值： 1 2 3 4 5 6正整數(shù)正整數(shù) 符號：符號： K L M N O P n=1表示能量最低、離核最近的第一電子層。表示能量最低、離核最近的第一電子層。n越大，越大，該電子層離核平均間隔越遠，能級越高。該電子層離核平均間隔越遠，能級越高。2 2角量子數(shù)角量子數(shù)l l 意義：表示同一電子層中有不同的分層亞意義：表示同一電子層中有不同的分層亞層；確定原子軌道的外形并在多電子原子中和層；確定原子軌道的外形并在多電子原子中和主量子數(shù)一同決議電子的能量。主量子數(shù)一同決議電子的能量。取值：取值：0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 n

18、n1 1正整數(shù)正整數(shù) 符號：符號：s p d f g s p d f g n n取值取值: 1 2 3 4: 1 2 3 4l l取值取值: 0 0 1 0 1 2 0 1 2 : 0 0 1 0 1 2 0 1 2 3 3軌軌 道道: 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d : 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f4f 每個每個n n值最多對應(yīng)值最多對應(yīng)n n個不一樣的角量子數(shù)個不一樣的角量子數(shù)l l，即每，即每個電子層最多有個電子層最多有n n個亞層。個亞層。 l l的每個值還可表示一種外形的原子軌道的每個值還可表示一種外形的原子軌道 l=0 l=0，s

19、 s軌道，球形；軌道，球形；l=1l=1，p p軌道，亞鈴形；軌道，亞鈴形； l=2 l=2，d d軌道，花瓣形軌道，花瓣形 單電子體系氫原子或類氫離子，各種形狀的單電子體系氫原子或類氫離子，各種形狀的電子能量只與電子能量只與n n有關(guān)有關(guān). . n n不同，不同，l l一樣一樣 E1s E1sE2sE2sE3sE3sE4sE4s n n一樣，一樣，l l不同不同 E4S=E4p=E4d=E4f E4S=E4p=E4d=E4f磁量子數(shù)磁量子數(shù)m m ( (同一亞層中往往還包含著假設(shè)干空間伸展同一亞層中往往還包含著假設(shè)干空間伸展方向不同的原子軌道。方向不同的原子軌道。) )意義意義: :決議原子

20、軌道或電子云在空間的伸展方向決議原子軌道或電子云在空間的伸展方向取值：與取值：與l l有關(guān)，給定有關(guān)，給定l l，m m有有2l+12l+1個值個值 -l 0 +l -l 0 +ll m l m 軌道符號軌道符號 軌道數(shù)量軌道數(shù)量0 0 s 10 0 s 11 -1,0,+1 p 31 -1,0,+1 p 32 -2,-1,0,+1,+2 d 52 -2,-1,0,+1,+2 d 53 -3,-2,-1,0,+1,+2,+3 f 73 -3,-2,-1,0,+1,+2,+3 f 7 沒有外加磁場時，同一亞層中的原子軌道能量相沒有外加磁場時，同一亞層中的原子軌道能量相等等3 3個個p p軌道，軌

21、道，5 5個個d d軌道，軌道，7 7個個f f軌道，稱簡并軌道軌道，稱簡并軌道或等價軌道?；虻葍r軌道。 在外界強磁場的作用下，因軌道的空間伸展方向在外界強磁場的作用下，因軌道的空間伸展方向不同，能量上會顯示出微小的差別，這是線狀光譜在不同，能量上會顯示出微小的差別，這是線狀光譜在磁場中發(fā)生分裂的根本緣由。磁場中發(fā)生分裂的根本緣由。綜上所述：綜上所述： 一組合理的一組合理的n n、l l、m,m,可確定一個原子軌道可確定一個原子軌道離核的遠近、外形和伸展方向。離核的遠近、外形和伸展方向。n=3,l=1,m=0 3,1,0 n=3,l=1,m=0 3,1,0 對應(yīng)對應(yīng)3pz3pz軌道。軌道。思索

22、：思索：n=4,l=0,m=o n=4,l=0,m=o 代表什么軌道？代表什么軌道？4s4s軌道，軌道，4,0,04,0,0自旋量子數(shù)自旋量子數(shù)電子除繞核運動外電子除繞核運動外,還繞著本身的軸作自旋運動還繞著本身的軸作自旋運動意義：描畫核外電子的自旋形狀意義：描畫核外電子的自旋形狀取值：取值：+1/2，-1/2 ；， 四個量子數(shù)四個量子數(shù) n,l,m,ms可確定一個電子在原子可確定一個電子在原子核外的運動形狀核外的運動形狀 練習(xí)：用合理的量子數(shù)表示練習(xí)：用合理的量子數(shù)表示3d能級；能級；2pZ軌道；軌道；4s1電子電子3d3d能級能級 n=3,l=2; n=3,l=2; 2pZ2pZ軌道軌道

23、n=2,l=1,m=0 n=2,l=1,m=04s14s1電子電子 n=4,l=1,m=0,ms=+1/2 n=4,l=1,m=0,ms=+1/2或或-1/2-1/2 結(jié)論：同一原子中，不能夠有運動形狀完結(jié)論：同一原子中，不能夠有運動形狀完全一樣的電子存在，即同一原子中各個電子的全一樣的電子存在，即同一原子中各個電子的四個量子數(shù)不能夠完全一樣。四個量子數(shù)不能夠完全一樣。 一個軌道中只能包容一個軌道中只能包容2 2個自旋相反的電子；個自旋相反的電子； 各電子層的軌道數(shù)各電子層的軌道數(shù)=n2=n2 各電子層電子的最大容量各電子層電子的最大容量=2n2=2n2四、幾率密度和電子云四、幾率密度和電子云

24、1.1.幾率密度幾率密度幾率：電子在核外空間出現(xiàn)時機的多少幾率：電子在核外空間出現(xiàn)時機的多少 射擊射擊10001000次次中十環(huán)中十環(huán)500500次次幾率幾率50%50%或或0.50.5中九環(huán)中九環(huán)250250次次幾率幾率25%25%或或0.250.25脫靶脫靶1 1次次幾率幾率0.1%0.1%或或0.0010.001幾率密度：是指空間某處單位體積幾率密度：是指空間某處單位體積中出現(xiàn)的幾率。用中出現(xiàn)的幾率。用2表示，表示， 2V=幾率幾率2.2.電子云：電子云： 用小黑點的疏密來描畫電子在核外空間用小黑點的疏密來描畫電子在核外空間各處的幾率密度分布所得到的空間圖象稱為各處的幾率密度分布所得到的

25、空間圖象稱為電子云。電子云。-幾率密度幾率密度22的空間圖象是電子云的空間圖象是電子云電子云等密度面圖電子云等密度面圖 包含電子出現(xiàn)幾包含電子出現(xiàn)幾率的率的90%90%或或95%95%哪個電哪個電子云等密度面來表示子云等密度面來表示電子云的外形叫電子電子云的外形叫電子云的界面圖。云的界面圖。電子云界面圖電子云界面圖 處于不同運動形狀的電子，波函數(shù)處于不同運動形狀的電子，波函數(shù)各不各不一樣，所以一樣，所以22也不一樣，其對應(yīng)的空間也不一樣，其對應(yīng)的空間圖象圖象- -原子軌道和電子云也不一樣。原子軌道和電子云也不一樣。s,ps,p原子軌道表示圖原子軌道表示圖s,ps,p電子云輪廓圖電子云輪廓圖五、

26、波函數(shù)與電子云的分布圖五、波函數(shù)與電子云的分布圖 1.波函數(shù)的徑向分布與角度分布波函數(shù)的徑向分布與角度分布 波函數(shù)波函數(shù)( x、y、z)表示電子在核外空間的運表示電子在核外空間的運動形狀，其空間圖象是原子軌道。動形狀，其空間圖象是原子軌道。 (x、y、z)= r、) = Rr Y、 徑向部分徑向部分 角度部分角度部分氫原子基態(tài)氫原子基態(tài)(1S)： 00ar30ar30ea412,r 41,Yea12rR:,YrR,r角角度度部部分分徑徑向向部部分分: 玻玻爾爾半半徑徑）pm(9.52a ea12rR0ar-300 氫原子波函數(shù)的徑向分布圖氫原子波函數(shù)的徑向分布圖1s)1s)徑向波函數(shù)圖徑向波函

27、數(shù)圖 R(r)-r 0120030 R,raR,r同理同理2s2sr rR(r)* 波函數(shù)或原子軌道的角度分波函數(shù)或原子軌道的角度分布圖布圖2.2.電子云的徑向與角度分布圖電子云的徑向與角度分布圖 幾率密度幾率密度22的空間圖象是電子云的空間圖象是電子云 * * 徑向分布圖徑向分布圖D Dr)-rr)-r 幾率幾率=2=2V=24r2dr=DV=24r2dr=Dr)drr)dr D Dr)drr)dr代表在半徑為代表在半徑為r r，厚度為，厚度為drdr的球殼內(nèi)的球殼內(nèi)找到電子的幾率。找到電子的幾率。球殼薄層球殼薄層drdr幾率幾率=2dV=24r2dr =D=2dV=24r2dr =Dr)d

28、rr)drD(r)D(r)D(r)D(r)D(r)D(r)D(r)D(r)D(r)D(r)曲線的峰數(shù)曲線的峰數(shù)= n-= n-個個徑向密度圖徑向密度圖R2(r) r 2=R2rY2(、)* * 電子云角度分布圖電子云角度分布圖Y2Y2,- - , Y Y,與主量子數(shù)無關(guān)，所與主量子數(shù)無關(guān)，所以只需以只需l l和和m m一樣，電子云角度分布圖一樣，電子云角度分布圖就一樣。就一樣。3.3.電子云的總體空間分布圖象電子云的總體空間分布圖象 將將22的徑向部分的徑向部分R2R2與角度部分與角度部分Y2Y2結(jié)合起來，結(jié)合起來，就可得到完好的電子云就可得到完好的電子云22的空間分布圖。的空間分布圖。4 1

29、)-2(8102/-0302sareara 2p態(tài):n =2 , l =1 , m = +1,0,-1cos43e)ar(a2410za2/r030p2 -0.5A-0A5.0A877.0AY5.005.0866.01cos1209060300cosAcos43),(YZ2P XYXY平面上的電子云密度為平面上的電子云密度為0 03d3d態(tài)態(tài):n=3, l=2:n=3, l=20m2l3nd32z 2l3nd322yx 2l3nd3xy 2l3nd3xz 2l3nd3yz * *3-2 3-2 核外電子的排布和元素周期系核外電子的排布和元素周期系一、多電子原子的能級一、多電子原子的能級二、核外

30、電子排布的原那么二、核外電子排布的原那么三、原子的電子層構(gòu)造和元素周期系三、原子的電子層構(gòu)造和元素周期系一、多電子原子的能級一、多電子原子的能級1.1.鮑林的原子軌道近似能級圖鮑林的原子軌道近似能級圖A. A. 對于氫原子單電子原子對于氫原子單電子原子) ) 核外的一個電子只受核的吸引，核外的一個電子只受核的吸引，E E只與只與n n有關(guān)有關(guān))eV(13.613.6E222n1nZ電子E1E2E3E4 En Ens=Enp=End=EnfE1E2E3E4 En Ens=Enp=End=EnfB B、多電子原子、多電子原子 核外電子不僅遭到核的吸引，而且彼此間核外電子不僅遭到核的吸引，而且彼此間

31、也存在著相互排斥。也存在著相互排斥。E E與與n,ln,l有關(guān)，其能級的高有關(guān)，其能級的高低次序由光譜實驗確定。低次序由光譜實驗確定。鮑鮑林林近近似似能能級級圖圖 闡明1.能級組與周期對應(yīng)；2.此能級圖只反映了同一原子內(nèi)各原子軌道的能級高低順序。鮑林近似能級圖鮑林近似能級圖特點：特點： 能級組間能量差大，能級組內(nèi)能量差小能級組間能量差大，能級組內(nèi)能量差小 簡并軌道能量一樣簡并軌道能量一樣3 3個個p p，5 5個個d d，7 7個個f f l l一樣，一樣，n n越大能量越高。例：越大能量越高。例：E2PE3PE4PE2PE3PE4P n n一樣，一樣，l l越大能量越高。例：越大能量越高。例

32、：E4sE4pE4dE4f E4sE4pE4dE4f n n和和l l同時變動時，發(fā)生能級交錯同時變動時，發(fā)生能級交錯 EnsE(n-2)fE(n-1)dEnp EnsE(n-2)fE(n-1)dEnp E6sE4fE5dE6p E6sE4fE5dE4s E3dE4s 能級交錯能級交錯電子能級分組表電子能級分組表- -徐光憲的徐光憲的n+0.7l)n+0.7l)近似規(guī)律近似規(guī)律原子軌道原子軌道n+0.7ln+0.7l能級組能級組組內(nèi)狀態(tài)數(shù)組內(nèi)狀態(tài)數(shù)1 1s s1.01.02 22 2s s2p2p2.02.02.72.78 83 3s s3p3p3.03.03.73.78 84 4s s3d3

33、d4p4p4.04.04.44.44.74.718185 5s s4d4d5p5p5.05.05.45.45.75.718186 6s s4f4f5d5d6p6p6.06.06.16.16.46.46.76.732327 7s s5f5f6d6d7.07.07.17.17.47.4未完未完4.4.科頓原子軌道能級圖科頓原子軌道能級圖5 隨原子序數(shù)的添加，核電荷對電子的引力隨原子序數(shù)的添加，核電荷對電子的引力加強，軌道能量降低。加強，軌道能量降低。15-20號元素：號元素：E4sE3d 一些元素的原子軌道能級陳列順序與鮑林一些元素的原子軌道能級陳列順序與鮑林的近似能級圖不一致的近似能級圖不一致.

34、二、核外電子排布三原那二、核外電子排布三原那么么1.1.能量最低原理：電子在原子軌道上的分布，要盡能能量最低原理：電子在原子軌道上的分布，要盡能夠地使電子的能量為最低。夠地使電子的能量為最低。2.2.保里不相容原理：每個原子軌道最多只能包容保里不相容原理：每個原子軌道最多只能包容2 2個個自旋方向相反的電子?；蛘咦孕较蛳喾吹碾娮??；蛘? ,同一原子中同一原子中, ,不能夠有不能夠有兩個電子處于完全一樣的形狀。兩個電子處于完全一樣的形狀。3.3.洪特規(guī)那么：在洪特規(guī)那么：在n n和和l l一樣的簡并軌道上分布的電子，一樣的簡并軌道上分布的電子，將盡能夠分占將盡能夠分占m m不同的軌道。不同的軌

35、道。 洪特規(guī)那么特例：同一亞層，當(dāng)電子分布為全滿、洪特規(guī)那么特例：同一亞層，當(dāng)電子分布為全滿、半滿或全空時，原子最穩(wěn)定。半滿或全空時，原子最穩(wěn)定。 全充溢全充溢 p6 p6，d10d10，f14 f14 半充溢半充溢 p3 p3， d5 d5， f7 f7 全全 空空 p0 p0， d0 d0， f0 f0思索思索: 24Cr 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d4 : 24Cr 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d4 4s2 4s2 ？ 29Cu 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d9 29Cu 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d9 4s2 4s2 ？ 24

36、Cr 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s1 24Cr 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s1 29Cu 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1 29Cu 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s17N:1s22s22p3 7N:1s22s22p3 電子分布式電子分布式1 1s s 2 2s s 2 2p p 軌道表示式軌道表示式 為了方便和突出電子的排布特點，常將內(nèi)為了方便和突出電子的排布特點，常將內(nèi)層已到達稀有氣體電子構(gòu)造的部分寫成層已到達稀有氣體電子構(gòu)造的部分寫成“原子實原子實，用稀有氣體元素符號加括號表示。如：，用稀有氣體

37、元素符號加括號表示。如： 26Fe 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 26Fe 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 Ar 3d6 4s2 Ar 3d6 4s2 3d6 4s2-3d6 4s2-為價電子層構(gòu)型為價電子層構(gòu)型價電子層價電子層- -價電子價電子ns+np,(n-1)d+nsns+np,(n-1)d+ns所在亞層所在亞層47Ag:4d105s147Ag:4d105s1 電子分布式電子分布式 價電子層構(gòu)型價電子層構(gòu)型82Pb:Xe4f145d106s26p2 6s26p282Pb:Xe4f145d106s26p2 6s26p235Br:Ar3d1

38、04s24p5 4s24p535Br:Ar3d104s24p5 4s24p5注：價電子層中的電子并非全是價電子注：價電子層中的電子并非全是價電子價電子的電離順序：價電子的電離順序：npns(n-1)d(n-2)fnpns(n-1)d(n-2)f價電子的填充順序：價電子的填充順序：ns(n-2)f(n-1)dnpns(n-2)f(n-1)dnp練習(xí)：練習(xí)：P118 13P118 13三、原子的電子層構(gòu)造和元素周期系三、原子的電子層構(gòu)造和元素周期系周期周期能級組能級組能級組內(nèi)各原子軌道能級組內(nèi)各原子軌道元素數(shù)目元素數(shù)目1 11 1s s2 22 22 2s,2ps,2p8 83 33 3s,3ps

39、,3p8 84 44 4s,3d,4ps,3d,4p18185 55 5s,4d,5ps,4d,5p18186 66 6s,4f,5d,6ps,4f,5d,6p32327 77 7s,5f,6d,7ps,5f,6d,7p未完未完周期數(shù)周期數(shù)= =最外電子層的主量子數(shù)最外電子層的主量子數(shù)= =最高能級組最高能級組所在的組數(shù)。所在的組數(shù)。26Fe: Ar 3d6 4s2 26Fe: Ar 3d6 4s2 各周期元素的數(shù)目各周期元素的數(shù)目= =相應(yīng)能級組中原子軌道所相應(yīng)能級組中原子軌道所能包容的電子總數(shù)。能包容的電子總數(shù)。思索：為什么原子的最外層最多只需思索：為什么原子的最外層最多只需8 8個電子，

40、個電子， 次外層最多只需次外層最多只需1818個電子？個電子？ 1.1.原子的電子層構(gòu)造與周期的關(guān)系原子的電子層構(gòu)造與周期的關(guān)系2.2.原子的電子層構(gòu)造與族的關(guān)系原子的電子層構(gòu)造與族的關(guān)系7 7個主族個主族A A，7 7個副族個副族B B，零族，零族，族族主族元素：族數(shù)主族元素：族數(shù)= =原子最外電子層的電子數(shù)原子最外電子層的電子數(shù)(ns+np)=(ns+np)=該族元素的最高氧化數(shù)化合價該族元素的最高氧化數(shù)化合價副族元素副族元素 B-B B-B族數(shù)族數(shù)=(n-1)d+ns=(n-1)d+ns的電子數(shù)的電子數(shù) B B、BB族數(shù)族數(shù)= =最外層電子數(shù)最外層電子數(shù)ns1-ns1-2 2 參與反響的

41、電子除了最外層的參與反響的電子除了最外層的nsns電子外，還電子外，還有次外層的有次外層的d d電子。電子。3.3.原子的電子層構(gòu)造與元素的分區(qū)原子的電子層構(gòu)造與元素的分區(qū)IAIAIIAIIABB VIIBVIIB、VIIIVIIIIBIB BBO OA A VIIA VIIALa 系系A(chǔ)c 系系S S區(qū)區(qū)d d區(qū)區(qū)dsds區(qū)區(qū)p p區(qū)區(qū)f f區(qū)區(qū)s s區(qū)元素：最后一個電子排在區(qū)元素：最后一個電子排在s s軌道上，價電子構(gòu)型為軌道上，價電子構(gòu)型為 ns1ns12 2，包括堿金屬和堿土金屬，包括堿金屬和堿土金屬. .p p區(qū)元素：最后一個電子排在區(qū)元素：最后一個電子排在p p軌道上，價電子構(gòu)型為

42、軌道上，價電子構(gòu)型為ns2np1ns2np16 6，包括，包括A A A A 和零族。和零族。d d區(qū)元素：最后一個電子排在次外層的區(qū)元素：最后一個電子排在次外層的d d軌道上，價電子軌道上，價電子構(gòu)型為構(gòu)型為 (n-1)d1 (n-1)d19ns19ns12 2，包括，包括B B B B和和。dsds區(qū)元素：價電子構(gòu)型為區(qū)元素：價電子構(gòu)型為(n-1)d10ns1(n-1)d10ns12 2，包括，包括IBIB、B B ，它與，它與s s區(qū)不同，它的次外層區(qū)不同，它的次外層d d軌道上充溢電子。軌道上充溢電子。f f區(qū)元素：最后一個電子排在倒數(shù)第三層的區(qū)元素：最后一個電子排在倒數(shù)第三層的f f

43、軌道上，價軌道上，價電子構(gòu)型普通為電子構(gòu)型普通為(n-2)f1(n-2)f114ns214ns2，包括，包括LaLa系和系和AcAc系。系。3-3 3-3 元素根本性質(zhì)的周期性元素根本性質(zhì)的周期性 由于原子電子層構(gòu)造呈現(xiàn)周期性，因此與由于原子電子層構(gòu)造呈現(xiàn)周期性，因此與電子層構(gòu)造有關(guān)的元素的根本性質(zhì)如：原子半電子層構(gòu)造有關(guān)的元素的根本性質(zhì)如：原子半徑、電離能、電子親合能、電負性等也呈現(xiàn)明徑、電離能、電子親合能、電負性等也呈現(xiàn)明顯的周期性。顯的周期性。一、原子半徑一、原子半徑 實際上，原子半徑是指最外層電子到原子核實際上，原子半徑是指最外層電子到原子核的間隔。因電子的運動無固定軌道，無法測單的間

44、隔。因電子的運動無固定軌道，無法測單個原子半徑，測整塊物質(zhì)。個原子半徑，測整塊物質(zhì)。1.1.原子半徑的類型原子半徑的類型 原子的共價半徑：同種元素的兩個原子原子的共價半徑：同種元素的兩個原子以共價單鍵銜接時，它們核間間隔的一半叫原以共價單鍵銜接時，它們核間間隔的一半叫原子的共價半徑。子的共價半徑。 金屬半徑：把金屬晶體看成是由球狀金屬半徑：把金屬晶體看成是由球狀的金屬原子堆積而成，假定相鄰兩原子彼此接的金屬原子堆積而成，假定相鄰兩原子彼此接觸，那么其核間距的一半就是該原子的金屬半觸，那么其核間距的一半就是該原子的金屬半徑。徑。共價半徑共價半徑 d = 2 r d = 2 r共共金屬半徑金屬半徑

45、 d = 2 r d = 2 r金金范德華半徑范德華半徑 d = 2 r d = 2 r范范 范德華半徑：當(dāng)兩個原子之間只靠分子范德華半徑：當(dāng)兩個原子之間只靠分子間作用力相互接近時如稀有氣體的單原子分間作用力相互接近時如稀有氣體的單原子分子，兩原子之間核間間隔的一半就叫范德華子，兩原子之間核間間隔的一半就叫范德華半徑。半徑。2.2.原子半徑的周期性原子半徑的周期性 同周期的主族元素同周期的主族元素, ,自左向右，元素的有效自左向右，元素的有效核電荷數(shù)核電荷數(shù) ，原子半徑，原子半徑 同周期的副族元素同周期的副族元素, ,自左向右，元素的有效自左向右，元素的有效核電荷數(shù)核電荷數(shù) ( ( 增大的幅度

46、較小增大的幅度較小 ) )，原子半徑，原子半徑 減小的幅度比主族小得多減小的幅度比主族小得多 同主族元素由上而下，同主族元素由上而下，n n 即電子層數(shù)即電子層數(shù)添加，原子半徑添加，原子半徑 同副族元素由上而下半徑增大的幅度較小，同副族元素由上而下半徑增大的幅度較小，特別是第五、六周期的同族元素，原子半徑很特別是第五、六周期的同族元素，原子半徑很相近相近( (鑭系收縮，鑭系收縮，P107P107。1.1.定義定義 某元素一個基態(tài)的氣態(tài)原子失去一個某元素一個基態(tài)的氣態(tài)原子失去一個電子構(gòu)成正一價的氣態(tài)離子時所需求的能量叫電子構(gòu)成正一價的氣態(tài)離子時所需求的能量叫做這種元素的第一電離能。常用符號做這種

47、元素的第一電離能。常用符號I1I1表示，表示，單位單位kJmol-1kJmol-1。 M(g)-e- M(g)-e-M+(g) I1 M+(g) I1 ；M+(g)- e-M+(g)- e- M2+(g M2+(gI2I22.2.作用作用I I是衡量元素金屬性的一種尺度。是衡量元素金屬性的一種尺度。I I越小表示越小表示元素的原子越易失電子，金屬性越強。元素的原子越易失電子，金屬性越強。用于闡明元素通常呈現(xiàn)的價態(tài)用于闡明元素通常呈現(xiàn)的價態(tài) 同一元素的電離能：同一元素的電離能： I1 I1 I2 I2 I3 I3 二、電離能二、電離能根據(jù)各級電離能差值的大小確定氧化態(tài)。根據(jù)各級電離能差值的大小確

48、定氧化態(tài)。P1113.3.影響電離能大小的要素影響電離能大小的要素 電離能的大小主要取決于原子的核電荷、電離能的大小主要取決于原子的核電荷、原子半徑及原子的電子層構(gòu)造原子半徑及原子的電子層構(gòu)造 核電荷及原子半徑核電荷及原子半徑主族元素：同周期，從左到右，主族元素：同周期，從左到右，I1I1增大增大 同族，從上到下，同族，從上到下，I1I1減小減小過渡元素：過渡元素：I1I1變化不大，總趨勢是從左到變化不大，總趨勢是從左到右右I1 I1 略有添加略有添加 * * 電子層構(gòu)造的影響電子層構(gòu)造的影響A A 各周期末尾的稀有氣體電離能最大；各周期末尾的稀有氣體電離能最大；B B 同周期，同周期，I I

49、總趨勢增大，但有反?？傏厔菰龃?，但有反常I1I1B BI1I1Be) I1Be) I1O OI1I1N) N) 2s22p1 2s2 2s22p4 2s22p1 2s2 2s22p4 2s22p32s22p3 B B、O O等失電子后最外層軌道成為全滿、半滿等失電子后最外層軌道成為全滿、半滿或全空的構(gòu)造，所需能量小?；蛉盏臉?gòu)造，所需能量小。 Be Be、N N等因構(gòu)造穩(wěn)定失電子難等因構(gòu)造穩(wěn)定失電子難, ,故需能量高。故需能量高。 總之：稀有氣體總之：稀有氣體s2p6)s2p6)、堿土金屬、堿土金屬(s2)(s2)、BB元素元素(d10s2)(d10s2)具有反常高的電離能。具有反常高的電離能

50、。重點重點三、電子親合能三、電子親合能1.1.定義定義 某元素的一個基態(tài)的氣態(tài)原子得到一個某元素的一個基態(tài)的氣態(tài)原子得到一個電子構(gòu)成負一價的氣態(tài)離子時所放出的能量叫電子構(gòu)成負一價的氣態(tài)離子時所放出的能量叫做該元素的第一電子親合能。做該元素的第一電子親合能。 F(g)+e- F(g)+e-F-(g) E1=322kJmol-1; F-(g) E1=322kJmol-1; 意義：意義：1mol1mol氣態(tài)氣態(tài)F F原子得到原子得到1mol1mol電子轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮愚D(zhuǎn)變?yōu)?mol1mol氣態(tài)氣態(tài)F-F-時，放出能量時，放出能量322kJ322kJ。 非金屬元素普通具有較大的電子親合能，非金屬元素普通具有

51、較大的電子親合能，E E越大表示得電子傾向越大。越大表示得電子傾向越大。2.E2.E的正負值所代表的意義的正負值所代表的意義E10,E10,表示元素的原子得到電子時放出能量表示元素的原子得到電子時放出能量; ;E10(E10(如如A),A),表示原子得電子時需吸收能量表示原子得電子時需吸收能量; ;普通普通E20,E20,闡明負一價離子變成負二價離子要闡明負一價離子變成負二價離子要吸熱吸熱. .O(g)+-O-(g) E1=141kJmol-1O(g)+-O-(g) E1=141kJmol-1O-(g)+-O2-(g) E2=-780kJmol-1O-(g)+-O2-(g) E2=-780kJ

52、mol-1O(g)+2-O2-(g) E=-639kJmol-1 O(g)+2-O2-(g) E=-639kJmol-1 吸吸熱熱3.3.電子親合能的周期性電子親合能的周期性F FCICIBrBrI I E E是用來衡量元素原子得電子的難易，半徑越是用來衡量元素原子得電子的難易，半徑越小，越容易得電子，小，越容易得電子，E E越大。越大。同周期從左到右，同周期從左到右，E E呈增大趨勢放熱多；呈增大趨勢放熱多；同族從上到下同族從上到下E E呈減小趨勢。呈減小趨勢。* * 思索：解釋思索：解釋E1E1O OE1(S),E1(F)E1(CI)?E1(S),E1(F)2.0,金屬的電負性2.0.本章

53、小結(jié)本章小結(jié)3-1 3-1 核外電子的運動形狀核外電子的運動形狀一、氫原子光譜和玻爾實際一、氫原子光譜和玻爾實際玻爾實際要點：玻爾實際要點： 穩(wěn)定軌道；軌道能級穩(wěn)定軌道；軌道能級 E=-13.6/n2(ev) E=-13.6/n2(ev) ；激發(fā)態(tài)原子發(fā)光的緣由激發(fā)態(tài)原子發(fā)光的緣由 玻爾實際將量子論用于原子構(gòu)造，勝利地玻爾實際將量子論用于原子構(gòu)造，勝利地解釋了氫原子光譜是現(xiàn)狀光譜的實驗結(jié)果。但解釋了氫原子光譜是現(xiàn)狀光譜的實驗結(jié)果。但不能闡明多電子原子光譜幾譜線分裂。不能闡明多電子原子光譜幾譜線分裂。二、微觀粒子的波粒二象性二、微觀粒子的波粒二象性 電子等微觀離子具有波粒二象性，其運動規(guī)律可用薛

54、定電子等微觀離子具有波粒二象性，其運動規(guī)律可用薛定諤方程描畫。諤方程描畫。 方程的解方程的解即為描畫核外電子運動形狀的波函數(shù)。其空間即為描畫核外電子運動形狀的波函數(shù)。其空間圖像是原子軌道。圖像是原子軌道。三、四個量子數(shù)三、四個量子數(shù) 為了得到薛定諤方程的合了解，引進三個量子數(shù)為了得到薛定諤方程的合了解，引進三個量子數(shù)n n、l l、m m。一組合理的一組合理的n n、l l、m,m,可確定一個原子軌道?？纱_定一個原子軌道。 n n、l l、m m、msms四四個量子數(shù)可確定一個電子的運動形狀。個量子數(shù)可確定一個電子的運動形狀。 n n、l l兩個量子數(shù)可確兩個量子數(shù)可確定一個能級。定一個能級。

55、 結(jié)論：同一原子中不能夠有運動形狀完全一樣的電子存在。結(jié)論：同一原子中不能夠有運動形狀完全一樣的電子存在。 一個軌道中只能包容一個軌道中只能包容2 2個自旋相反的電子；個自旋相反的電子； 各電子層的軌道數(shù)各電子層的軌道數(shù)=n2=n2 各電子層電子的最大容量各電子層電子的最大容量=2n2=2n2四、波函數(shù)與電子云的分布圖四、波函數(shù)與電子云的分布圖1.1.波函數(shù)的徑向分布與角度分布波函數(shù)的徑向分布與角度分布 (x(x、y y、z)= z)= r r、) = R = Rr r Y Y、 徑向部分徑向部分 角度部分角度部分的徑向分布圖的徑向分布圖2.2.電子云的徑向與角度分布圖電子云的徑向與角度分布圖

56、 徑向分布圖徑向分布圖D Dr)-rr)-rD(r)D(r)D(r)D(r)D(r)D(r)D(r)D(r)D(r)D(r)徑向密度圖徑向密度圖R2(r)R2(r)r r 電子云角度分布圖電子云角度分布圖Y2Y2,- - ,3.3.電子云的總體空間分布圖象電子云的總體空間分布圖象3-2 3-2 核外電子的排布和元素周期系核外電子的排布和元素周期系一、多電子原子的能級一、多電子原子的能級1.1.屏蔽效應(yīng)屏蔽效應(yīng) 把其它電子對某個選把其它電子對某個選定電子的排斥作用歸結(jié)為定電子的排斥作用歸結(jié)為對核電荷的抵消作用，稱對核電荷的抵消作用，稱為屏蔽效應(yīng)。為屏蔽效應(yīng)。2.2.鉆穿效應(yīng)鉆穿效應(yīng) 這種由于電子鉆到核這種由于電子鉆到核附近而逃避其它電子的屏附近而逃避其它電子的屏蔽的景象叫做鉆穿效應(yīng)