第八章原子結(jié)構(gòu)

1、第八章原子結(jié)構(gòu)一、教學基本要求：1. 了解氫原子光譜和能級的概念。2. 了解原子軌道、概率和概率密度、電子云等概念。3. 熟悉四個量子數(shù)的名稱、符號取值和意義；熟悉s.p.d原子軌道與電子云的形狀和空間的伸展方向。4. 掌握Pauling近似能級圖和多電子原子軌道近似能級圖和核外電子排布的規(guī)律；能熟練寫出常見元素原子的核外電子排布，并能確定它們在周期表中的位置。5. 掌握周期表中元素的分區(qū)，結(jié)構(gòu)特征；熟悉原子半徑、電離能、電子親核能和電負性的變化規(guī)律。二、內(nèi)容要點：本章至第十一章的內(nèi)容屬于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎知識。在學習這部分內(nèi)容時，要特別注意討論微觀結(jié)構(gòu)的基本思路和得出的重要結(jié)論及其應用。本章內(nèi)容

2、分三部分。第一，以氫原子結(jié)構(gòu)為重點討論了單電子原子核外電子的運動狀態(tài)，初步介紹了用量子力學研究微觀粒子運動的思路和結(jié)論。第二，討論了多電子的結(jié)構(gòu)，核外電子的分布規(guī)律。第三，聯(lián)系核外電子的分布，討論了元素的周期律。（一）氫原子光譜與Bohr理論1. 氫原子光譜:：氫原子光譜是人們認識原子結(jié)構(gòu)的實驗基礎之一。原子光譜是線狀光譜，每一種元素都有各自不同的原子光譜。氫原子光譜是最簡單的原子光譜。氫原子光譜中譜線的頻率公式為：U=3.289x1015（1/n11/n2）s"當ni=2,n2=37時，算出的頻率即為氫原子光譜中可見光區(qū)五條譜線的頻率。2. Bohr理論 原子中電子在核外沿某些特殊

3、圖形軌道（量子論導出的軌道）運動,此時不輻射能量。 電子在不同軌道上運動時可具有不同能量。電子運動時所處的能量狀態(tài)，稱為能級。當電子在離核最近，能量最低的n=1的軌道上，氫原子處于基態(tài)。當電子獲得能量躍遷到能量較高的n=2,3,4軌道上時，氫原子處于激發(fā)態(tài)。 當電子由不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)回到基態(tài)或能量較低的狀態(tài)時，就會輻射能量，產(chǎn)生原子光譜。由于能級是不連續(xù)的，即量子化的，產(chǎn)生的原子光譜中譜線也不是連續(xù)的。各能級的能量之差E決定了氫原子光譜中各譜線的頻率u的大小，兩者的關系為E=huBohr理論成功的解釋了氫原子的光譜的產(chǎn)生和不連續(xù)性。（二）Schr?dinger（薛定諤）方程與量子數(shù)1電子波動性的

4、實驗證明電子衍射試驗入=h/mup=mu動量2薛定諤方程由于核外電子具有波粒二象性，其運動規(guī)律必須用量子力學來描述Schr?dinger方程式是量子力學中一個基本方程，它是一個二階偏微分方程：z2=8n2m(EV)解Schr?dinger方程可求出波函數(shù)屮和能量E。3. 為了使Schr?dinger方程的解具有合理性（即書具有連續(xù)性、單值性、有限性和歸一化性)，需要引入三個量子數(shù)，即主量子數(shù)n,角量子數(shù)I和磁量子數(shù)m每一組取值合理的三個量子數(shù)則表征一個確定的單電子波函數(shù)書。4波函數(shù)與電子云(1) 波函數(shù)一一波函數(shù)書通常也叫原子軌道，描述了電子的運動狀態(tài)。波函數(shù)是一個與坐標有關的量，可用直角坐標

5、表示為書(x,y,z),也可換為球坐標書(r,9,©),可分解為徑向部分R(r)和角度部分丫(B,(t)o即書(r,9,©)=R(r)Y(9,©)R(r)表明9,©定時，波函數(shù)書隨r變化的關系。Y(9,©)表明r一定時，波函數(shù)書隨9,©變化的關系。原子在不同條件下(n，I，m下的波函數(shù)叫相應條件下的原子軌道。例如：書2,1,0即為2pz軌道或書2pzo(2) 電子云一一波函數(shù)的平方書2表示電子在核外空間出現(xiàn)的概率密度，電子云則是書2的形象化描述。5四個量子數(shù)(1) 主量子數(shù)n規(guī)定了電子云的大小(即電子出現(xiàn)最大概率區(qū)域離核的遠近)及原子

6、能量的高低。對于單電子原子或離子，n值越大，電子能量越高。對于多電子原子，當I相同時，n值越大，電子能量越高n=1，2，3(任意非零整數(shù))n也代表電子層數(shù)。電子層K，L，M(2) 角量子數(shù)I規(guī)定電子在空間角度分布情況(即軌道或電子云的形狀)并代表電子亞層，當n相同時，I越大，能量越高1=0,1,2,3n-1軌道：s，p，d，f形狀：球形啞鈴形花瓣形復雜角度分布數(shù)值+軌道空間方向數(shù)1，3，5，7(3) 磁量子數(shù)m反映了原子軌道在空間的不同取向，但不影響電子能量。I相同，m不同的軌道能量是相同的(簡并的)。m=+I,0,I(4) 自旋量子數(shù)m描述電子的狀態(tài)。同一軌道中的兩個電子自旋方式相反，ms的

7、取值分別為+1/2和一1/2。原子中每一個電子的運動狀態(tài)要用四個量子數(shù)來描述，一組取值合理的四個量子數(shù)就代表了一個電子在核外的運動狀態(tài)。(三) 多原子電子結(jié)構(gòu)1、PauIing近似能級圖：反映了多電子原子能級的高低順序。例如：ElsVE?sVE3SVEnsVEnpvEnd<每個能級組可用通式ns,(n-2)f,(n-1)d,np表示，這里體現(xiàn)了能級交錯。2、Cotton能級圖： 對氫原子來說，原子軌道能級只取決于量子數(shù)，如E3s=E3p=E3d,E3dVE4s。 對不同元素的原子來說，隨著原子序數(shù)Z的增大，相同符號原子軌道能級逐漸降低，由于不同原子軌道能級下降幅度不同，出現(xiàn)了能級交錯。例

8、如：K,Ca的E3d>E4s，而原子序數(shù)較小或較大時E3dVE4s。3、屏蔽效應和鉆穿效應（1）屏蔽效應： 因為在多電子原子中，某個電子除了受到原子核的吸引作用之外，還受到其它電子的排斥作用。這排斥作用減弱了核對該電子的吸引力，相當于核電荷數(shù)的減小，這種作用稱為屏蔽效應。 屏蔽作用：內(nèi)層電子對外層電子的屏蔽作用較大。同層電子的屏蔽作用較小。外層電子對較內(nèi)層電子可近似的看成不產(chǎn)生屏蔽作用。 多電子原子電子所處的軌道的能量不僅與主量子數(shù)有關，還取決于角量子數(shù)I。隨著1數(shù)值的增大，能級依次增高EnsVEnpVEnd<Enf。（2）鉆穿效應 在多電子原子中，在原子核附近出現(xiàn)概率較大的電子可

9、以更多的避免其它電子的屏蔽，這種反屏蔽作用稱為鉆穿效應。 同一主層中，I愈小的軌道徑向分布函數(shù)峰的個數(shù)愈多，一般鉆穿能力大小是ns>np>nd>nf，故Ens<Enp<End<Enf。 n小的電子在離核近的區(qū)域出現(xiàn)的概率較大，而n大的電子在離核較遠的區(qū)域出現(xiàn)的概率較大，而后者受核引力小，相應地能量高。例如：E1sVE2sVE3sVE4s（四）核外電子排布：1、多電子原子中的電子分布符合下列原則： 最低能量原理：電子分布盡可能使系統(tǒng)能量處在最低狀態(tài)。PauIing近似能級圖中能級按由低到高的順序為：1s，2s，2p，3s，3p，4s，3d，4p，5s，4d，5

10、p，6s，4f，5d，6p，7s，5f，6d，7p Pauling（泡利）不相容原理：在同一個原子中不能有四個量子數(shù)完全相同的兩個電子 Hunt（洪特）規(guī)則：電子在等能量軌道（簡并軌道）上分布時，總是首先分占不同的軌道，且自旋平行。 當軌道處于半滿或全滿時，可以使系統(tǒng)能量降低。2、元素周期律：（1）隨著原子序數(shù)的遞增，核外電子依次填充在各能級軌道上，使原子核外電子層呈現(xiàn)周期性變化，從而使元素以及由它形成的單質(zhì)和化合物的性質(zhì)呈現(xiàn)周期性的變化，這就是元素周期律。（2）周期表 元素周期表是元素周期律的表達形式，周期表中的每一橫行稱為一周期，每一縱行稱為一族。 周期號數(shù)與能級組序號相對應，各周期內(nèi)所含

11、元素種數(shù)與相應能級組內(nèi)軌道所能容納的電子數(shù)是相等的,周期號數(shù)等于該元素原子的電子層數(shù). 主族族號數(shù)=最外層電子數(shù)（ns+np）副族（IBHB）族號數(shù)=最外層電子數(shù)（ns）（川W）族號數(shù)二最外層電子數(shù)+次外層d電子數(shù)ns+（n-1）d零族：稀有氣體 周期表中的元素可根據(jù)原子結(jié)構(gòu)特征分為四個區(qū)S區(qū)IAUA價層電子構(gòu)型nS12P區(qū)川AA與0族價層電子構(gòu)型ns2np16價層電子構(gòu)型（n1）d110ns12D區(qū)川B毗UBF區(qū)一一鑭席和錒系價層電子構(gòu)型(n2)f"14(n1)d°2ns2（3）周期律原子半徑（共價、半徑、金屬半徑、范德華半徑）同一周期主族從左到右Z/n相同r副族從左到右Z/n相同rLaYb:r縮小甚微，鑭系收縮LaLu:r幾乎不變，鑭系收縮同族主族從上到下n/,Z不變，r/副族五、六周期變化不大電離能：基態(tài)氣態(tài)原子失去電子成為帶一個正電荷的氣態(tài)離子所需要的能量稱為第一電離能，用I1表示同一周期從左到右li/,過渡元素的電離能略有增加，處于全滿、半滿狀態(tài)原子的電離能比其后一元素的電離能大同一主族從上到下Ii 電子親和能基態(tài)氣態(tài)原子得到一個電子成為氣態(tài)負離子所放出的能量稱為電子親和能用A表示。同