無機(jī)化學(xué)第一章 原子結(jié)構(gòu)

1、1第一章第一章 原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)：原子結(jié)構(gòu)：主要研究核外電子運動狀態(tài)主要研究核外電子運動狀態(tài)?；瘜W(xué)反應(yīng)中，原子核不發(fā)生變化，只涉及核外電子運化學(xué)反應(yīng)中，原子核不發(fā)生變化，只涉及核外電子運動狀態(tài)的改變。動狀態(tài)的改變。物質(zhì)結(jié)構(gòu)物質(zhì)結(jié)構(gòu)：研究研究原子、分子及晶體原子、分子及晶體的結(jié)構(gòu)及其與的結(jié)構(gòu)及其與物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系。物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系。 認(rèn)識物質(zhì)的基礎(chǔ)認(rèn)識物質(zhì)的基礎(chǔ)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與醫(yī)學(xué)：物質(zhì)結(jié)構(gòu)與醫(yī)學(xué)：目前生命科學(xué)的研究已深入到分子目前生命科學(xué)的研究已深入到分子水平和電子水平，原子結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代水平和電子水平，原子結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)的重要基的重要基礎(chǔ)。礎(chǔ)。2 第一節(jié)第一節(jié) 氫原子結(jié)構(gòu)的氫原子結(jié)構(gòu)的

2、Bohr模型模型原子結(jié)構(gòu)的研究方法：原子結(jié)構(gòu)的研究方法：氫原子是最簡單的原子，目前氫原子是最簡單的原子，目前人們對它的認(rèn)識非常透徹。因此，作為一種理想模型，人們對它的認(rèn)識非常透徹。因此，作為一種理想模型，先從氫原子入手，然后通過對它某些修正，再推廣到先從氫原子入手，然后通過對它某些修正，再推廣到復(fù)雜原子。復(fù)雜原子。一、一、Bohr模型模型 的建立基礎(chǔ)的建立基礎(chǔ) Rutherford E有核原子模型：有核原子模型： 實實 驗驗: 用用粒子流轟擊金箔，決大多數(shù)粒子幾乎粒子流轟擊金箔，決大多數(shù)粒子幾乎無阻礙地穿過，極少數(shù)粒子散射或反射。無阻礙地穿過，極少數(shù)粒子散射或反射。“行星系式行星系式”原子模型

3、：原子核好比太陽，電子好比原子模型：原子核好比太陽，電子好比是繞太陽運動的行星，電子繞核高速運動。是繞太陽運動的行星，電子繞核高速運動。3Rutherford 的困惑：的困惑：（1）電子繞核旋轉(zhuǎn)會輻射能量，在）電子繞核旋轉(zhuǎn)會輻射能量，在10-10s內(nèi)就會墜內(nèi)就會墜入原子核。事實是電子作不停的運轉(zhuǎn)。入原子核。事實是電子作不停的運轉(zhuǎn)。（2）電子因輻射電磁波會得到連續(xù)光譜。事實是）電子因輻射電磁波會得到連續(xù)光譜。事實是得到了原子的線狀光譜。得到了原子的線狀光譜。4（一）氫原子光譜（一）氫原子光譜 人們?nèi)庋勰苡^察到的可見光的波長范圍是人們?nèi)庋勰苡^察到的可見光的波長范圍是400-760nm400-760

4、nm。當(dāng)一束白光通過石英棱鏡時，形成。當(dāng)一束白光通過石英棱鏡時，形成紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等沒有明顯分界線紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等沒有明顯分界線的彩色帶狀光譜，這種帶狀光譜稱為的彩色帶狀光譜，這種帶狀光譜稱為連續(xù)光譜連續(xù)光譜。5 氣態(tài)原子被火花、電弧或其他方法激發(fā)氣態(tài)原子被火花、電弧或其他方法激發(fā)產(chǎn)生的光，經(jīng)棱鏡分光后，得到不連續(xù)的線狀產(chǎn)生的光，經(jīng)棱鏡分光后，得到不連續(xù)的線狀光譜，這種線狀光譜稱為光譜，這種線狀光譜稱為原子光譜原子光譜。 氫原子光譜是最簡單的原子光譜。在抽成氫原子光譜是最簡單的原子光譜。在抽成真空的光電管中充入稀薄純氫氣，并通過高壓真空的光電管中充入稀薄純氫氣，并通過高

5、壓放電所放出的光經(jīng)棱鏡分光后形成按波長次序放電所放出的光經(jīng)棱鏡分光后形成按波長次序排列的不連續(xù)的線狀光譜。氫原子光譜在可見排列的不連續(xù)的線狀光譜。氫原子光譜在可見光區(qū)有光區(qū)有4 4條比較明顯的譜線，分別用條比較明顯的譜線，分別用 H H，H H，H H，H H表示。表示。，67RH2.1810-18J ，n 稱為主量子數(shù)（稱為主量子數(shù)（principal quantum number），取整數(shù)值），取整數(shù)值 。 n =1時，電子能量最低，稱為時，電子能量最低，稱為基態(tài)（基態(tài)（ground state）。n 2時，時，電子能量較高，稱為電子能量較高，稱為激發(fā)態(tài)（激發(fā)態(tài)（excited state

6、） 在一定的軌道上運動的電子具有一定的能量值在一定的軌道上運動的電子具有一定的能量值E,稱為稱為能級（能級（energy level），），核外電子的能量為：核外電子的能量為：1. 能級假說：能級假說：原子中的電子沿固定軌道繞核運動，電原子中的電子沿固定軌道繞核運動，電子在軌道上運動時，不吸收也不輻射能量，稱為子在軌道上運動時，不吸收也不輻射能量，稱為“定定態(tài)態(tài)” （stationary state）； E = -RHn2n = 1, 2, 3, 4, .1913年，丹麥年，丹麥Bohr的的“定態(tài)原子模型定態(tài)原子模型” 82.能級間的躍遷：能級間的躍遷：當(dāng)電子能量由一個能級改變?yōu)榱硪划?dāng)電子能量

7、由一個能級改變?yōu)榱硪粋€能級時，稱為個能級時，稱為躍遷（躍遷（transition）。電子躍遷時所吸）。電子躍遷時所吸收或輻射的光子的能量等于兩能級差，即：收或輻射的光子的能量等于兩能級差，即： 為光子的頻率；為光子的頻率； h為普朗克常數(shù)為普朗克常數(shù)（6.62610-34 Js）h = E2E1 =E1/ =RHhc1n12n221-譜線的波長：譜線的波長： 9玻爾的氫原子模型的優(yōu)缺點玻爾的氫原子模型的優(yōu)缺點 :優(yōu)點：優(yōu)點：成功運用了成功運用了量子化量子化觀點；成功解釋了觀點；成功解釋了氫原子氫原子光譜。光譜。缺點：缺點：沒有完全擺脫經(jīng)典力學(xué)，不能說明多電子原沒有完全擺脫經(jīng)典力學(xué)，不能說明多電

8、子原子結(jié)構(gòu)，因此不能完全反映子結(jié)構(gòu)，因此不能完全反映微觀粒子微觀粒子的全部特性和的全部特性和運動的規(guī)律。運動的規(guī)律。 因此因此Bohr理論被稱為理論被稱為舊量子論。舊量子論。 量子力學(xué)的現(xiàn)代概念是法國量子力學(xué)的現(xiàn)代概念是法國Broglie LV、德國、德國Heisenberg w和奧地利和奧地利Schrodinger E等創(chuàng)立的。等創(chuàng)立的。10 第二節(jié)第二節(jié) 氫原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)模型氫原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)模型 1905年愛因斯坦根據(jù)光的干涉、衍射和光電效應(yīng)，年愛因斯坦根據(jù)光的干涉、衍射和光電效應(yīng)，提出了光具有波粒二象性。提出了光具有波粒二象性。 1924年法國物理學(xué)家年法國物理學(xué)家德布羅意德布羅

9、意(L.de Brogile) 在研究電子的運在研究電子的運動規(guī)律時，受光的波粒二象性的動規(guī)律時，受光的波粒二象性的啟發(fā)，大膽提出：啟發(fā)，大膽提出：提出了提出了“物質(zhì)波物質(zhì)波”公式，稱為公式，稱為德布羅意關(guān)系式德布羅意關(guān)系式： 電子等實物粒子電子等實物粒子(原子、質(zhì)子、中子原子、質(zhì)子、中子)不僅具有粒子性，也具有波動性。不僅具有粒子性，也具有波動性。一、微觀粒子的波粒二象性一、微觀粒子的波粒二象性 11 P為微粒的動量，為微粒的動量，m為微粒的質(zhì)量為微粒的質(zhì)量, 為微粒的運為微粒的運動速度動速度, h為普朗克常數(shù)為普朗克常數(shù), 為微粒波的波長。為微粒波的波長。關(guān)系式的意義：關(guān)系式的意義：把微觀

10、粒子的把微觀粒子的粒子性粒子性p (m 、)和和波波動性動性統(tǒng)一起來。統(tǒng)一起來。 該假設(shè)三年后被多個實驗所證實。如：該假設(shè)三年后被多個實驗所證實。如：m hph 電子衍射實驗電子衍射實驗 19271927年年, ,美國的美國的DavissonDavisson和和GermerGermer證證明了明了電子束同電子束同X X射線一樣具有波動性射線一樣具有波動性。如下圖：。如下圖：12由該實驗計算出的電子波的波長與由該實驗計算出的電子波的波長與de Broglie關(guān)系式關(guān)系式計算出的波長一致。計算出的波長一致。13 衍射強(qiáng)度大衍射強(qiáng)度大的地方出現(xiàn)的機(jī)會的地方出現(xiàn)的機(jī)會多多，衍射強(qiáng)度小衍射強(qiáng)度小的地方出

11、現(xiàn)的機(jī)會的地方出現(xiàn)的機(jī)會少，少，電子波動性的微觀解釋：電子波動性的微觀解釋：大量電子行為的大量電子行為的統(tǒng)計結(jié)果統(tǒng)計結(jié)果。 如圖：如圖：電子波是電子波是概率波概率波, 反映了電子在反映了電子在空間區(qū)域出現(xiàn)的概率?？臻g區(qū)域出現(xiàn)的概率。14二、測不準(zhǔn)原理二、測不準(zhǔn)原理(Uncertainty Principle)xpxh/41927年海森堡提出著名的測不準(zhǔn)原理年海森堡提出著名的測不準(zhǔn)原理: 無法同時準(zhǔn)確測定運動坐標(biāo)和無法同時準(zhǔn)確測定運動坐標(biāo)和動量。它的坐標(biāo)測得越準(zhǔn)動量。它的坐標(biāo)測得越準(zhǔn), , 其動其動量量( (速度速度) )就測得越不準(zhǔn)；它的動就測得越不準(zhǔn)；它的動量測得越準(zhǔn)量測得越準(zhǔn), , 其坐標(biāo)

12、就測得越不其坐標(biāo)就測得越不準(zhǔn)。準(zhǔn)。無確定的運動軌道。無確定的運動軌道。 位置（坐標(biāo)）和動量位置（坐標(biāo)）和動量（速度）能同時準(zhǔn)確測（速度）能同時準(zhǔn)確測定定可預(yù)測運動軌道可預(yù)測運動軌道宏觀物體宏觀物體微觀粒子微觀粒子宏觀物體與微觀粒子運動特征比較宏觀物體與微觀粒子運動特征比較x 為為x方向坐標(biāo)的測不準(zhǔn)量方向坐標(biāo)的測不準(zhǔn)量(誤差誤差), px為為x方向方向的動量的測不準(zhǔn)量的動量的測不準(zhǔn)量, 兩者互為倒數(shù)關(guān)系。兩者互為倒數(shù)關(guān)系。15例例1、電子在原子中的運動速度約為電子在原子中的運動速度約為6 610106 6 m ms s-1-1，原子，原子半徑約為半徑約為1010-10 -10 m m，若速度誤差

13、為，若速度誤差為1 1，電子的位置誤，電子的位置誤差差xx有多大？有多大？ 解：解： m s-1 0.01 = m s-1 .x px h/4 .x h/4 pxx h4 m6.626 10-34 kg m2 s-14 9.1 10-31kg 6 10-4 m .= 1 10-9 m =電子的位置誤差比原子半徑大電子的位置誤差比原子半徑大10倍，即位置確定極其倍，即位置確定極其不準(zhǔn)確。不準(zhǔn)確。16三、氫原子的波函數(shù)三、氫原子的波函數(shù) 1926年奧地利物理學(xué)家年奧地利物理學(xué)家Schrdinger提出了著提出了著名的名的薛定鄂方程，薛定鄂方程，它是在力場作用下微觀粒子運動它是在力場作用下微觀粒子運

14、動的波動方程。的波動方程。 氫原子核外的電子同樣具有波粒氫原子核外的電子同樣具有波粒二象性。它是在原子核靜電引力作用二象性。它是在原子核靜電引力作用下的運動，這種運動如何去描述呢下的運動，這種運動如何去描述呢? 求解求解Schrdinger方程十分復(fù)雜，我們只需理方程十分復(fù)雜，我們只需理解一些重要結(jié)論。解一些重要結(jié)論。0)(822222222VEhmzyx17從薛定鄂方程得到的結(jié)論：從薛定鄂方程得到的結(jié)論：(1)波函數(shù)波函數(shù)是是Schrodinger方程的解，它不是一個數(shù)值，方程的解，它不是一個數(shù)值，而是一個空間坐標(biāo)的函數(shù)式。而是一個空間坐標(biāo)的函數(shù)式。(2) 本身的物理意義不明確本身的物理意義

15、不明確, 但但 卻有明確的物理卻有明確的物理2 2意義。它表示在空間某處電子出現(xiàn)的意義。它表示在空間某處電子出現(xiàn)的概率密度概率密度，即在，即在該點周圍微單位體積中電子出現(xiàn)的概率。該點周圍微單位體積中電子出現(xiàn)的概率。2 2概率密度概率密度 常用幾何圖形直觀的表示，形象稱為常用幾何圖形直觀的表示，形象稱為電電子云（子云（electron cloud）（3）描述原子中單個電子運動狀態(tài)的波函數(shù)描述原子中單個電子運動狀態(tài)的波函數(shù) 稱為稱為原原子軌道（子軌道（atomic orbital）。原子軌道的大小指原子軌道的大小指電子出電子出現(xiàn)的概率在現(xiàn)的概率在99的空間區(qū)域的界面。的空間區(qū)域的界面。18(4)

16、解解Schrodinger方程可以獲得一系列合理的解方程可以獲得一系列合理的解及及其相應(yīng)的能量其相應(yīng)的能量E ，電子的能量是不連續(xù)的，電子的能量是不連續(xù)的(量子化量子化) 。 每一能量每一能量E 稱為稱為“定態(tài)定態(tài)”, 能量最小的稱為能量最小的稱為基態(tài)基態(tài) ,其余其余的的稱為稱為激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)。19（一）量子數(shù)（一）量子數(shù)(quantum number) 氫原子的氫原子的Schrdinger方程可以精確求解。能方程可以精確求解。能夠精確求解的還有類氫離子，如夠精確求解的還有類氫離子，如He+、Li 2+x= rsincosy =rsinsinz =rcosr =222zyx求解時需要坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：求

17、解時需要坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：(x, y, z) (r,) 直角坐標(biāo)直角坐標(biāo)球極坐標(biāo)球極坐標(biāo)變量關(guān)系：變量關(guān)系：OzxyP (x, y, z) Pr20 薛定鄂方程有很多解，但并非每個解都合理。薛定鄂方程有很多解，但并非每個解都合理。 要取得合理解，需引入三個參數(shù)要取得合理解，需引入三個參數(shù) n、l、m，稱為稱為量子數(shù)量子數(shù), 當(dāng)三個量子數(shù)的取值和組合一定時，就有了一當(dāng)三個量子數(shù)的取值和組合一定時，就有了一個確定的波函數(shù)個確定的波函數(shù)n、l、m(r,) 。1. 主量子數(shù)主量子數(shù) n物理意義：物理意義：決定電子在核外空間出現(xiàn)的概率最大區(qū)域決定電子在核外空間出現(xiàn)的概率最大區(qū)域離核的遠(yuǎn)近。離核的遠(yuǎn)近。n越大越大

18、,表示電子離核的平均距離愈遠(yuǎn)，表示電子離核的平均距離愈遠(yuǎn)，n又叫電子層數(shù)又叫電子層數(shù);決定電子能量高低的決定電子能量高低的主要因素主要因素。 n = 1, 2, 3 非零的任意正整數(shù)非零的任意正整數(shù)三個量子數(shù)的取值限制和物理意義：三個量子數(shù)的取值限制和物理意義：n1234電子層符號電子層符號KLMN21n越小越小, 電子出現(xiàn)概率最大的區(qū)域離核越近電子出現(xiàn)概率最大的區(qū)域離核越近,能量越低。能量越低。n越大越大, 電子出現(xiàn)概率最大的區(qū)域離核越遠(yuǎn)電子出現(xiàn)概率最大的區(qū)域離核越遠(yuǎn),能量越高。能量越高。2. 軌道角動量量子數(shù)軌道角動量量子數(shù) l l =0, 1, 2, 3 (n1) ， 共共n個數(shù)值。個數(shù)

19、值。角量子數(shù)：角量子數(shù)： l =0, l = 1, l = 2, l = 3光譜學(xué)符號：光譜學(xué)符號： s, p, d, f又稱又稱副量子數(shù)副量子數(shù), 簡稱簡稱角量子數(shù)角量子數(shù)。它的取值受。它的取值受n的限制的限制, 它它只能取小于只能取小于n的正整數(shù)和零，的正整數(shù)和零，如如n=2，l= 0 1 2s 2p n=3，l 0 1 2 3s 3p 3d 問有無問有無2d軌道？軌道？22 物理意義物理意義a: 決定原子軌道形狀。決定原子軌道形狀。S：球形對稱：球形對稱 p：雙球形：雙球形 d：梅花瓣形：梅花瓣形b:氫原子或類氫離子原子軌道的能量，只與氫原子或類氫離子原子軌道的能量，只與n有關(guān)，有關(guān)，與

20、與l無關(guān)無關(guān)。 多電子原子軌道的能量，與多電子原子軌道的能量，與n、l 有關(guān)。有關(guān)。n相同相同, l 不同的電子其能量不相等。即在同一電子層中，不同的電子其能量不相等。即在同一電子層中，電子還分為若干不同的電子還分為若干不同的能級能級(energy level)， l又稱又稱為為能級能級或或電子亞層電子亞層(subshell)。多電子原子：多電子原子：EnsEnpEndEnf233、磁量子數(shù)、磁量子數(shù) m取值：取值： m=0,1,2 l 共共 (2 l1) 個個意義：意義：決定原子軌道在空間的伸展方向決定原子軌道在空間的伸展方向l0123m00,10,1,20,1, 2,3伸展方伸展方向數(shù)向數(shù)

21、135724 n=1 l=0 0 1s 球形球形 1 1,0,0 n l m 軌道軌道 形狀形狀 軌道數(shù)軌道數(shù)(n2) 波函數(shù)波函數(shù) l=0 0 3s 球形球形 3,0,0n=3 l=1 0, 1 3p 啞鈴形啞鈴形 9 3,1,0、 3,1,-1 3,1,+1 、 3,2,0 l=2 0, 1, 2 3d 梅花瓣形梅花瓣形 3,2,-1 、 3,2,+1 3,2,+2、 3,2,-2 l=0 0 2s 球形球形 2,0,0 n=2 4 2,1,0、 l=1 0, 1 2p 啞鈴形啞鈴形 2,1,+1、2,1,-1 綜上得出綜上得出n n、l l、m m 的取值的一般規(guī)律：的取值的一般規(guī)律：2

22、5 三個量子數(shù)的組合決定一個原子軌道三個量子數(shù)的組合決定一個原子軌道, ,但要描述但要描述某電子的運動狀態(tài)還需要某電子的運動狀態(tài)還需要第四個量子數(shù)第四個量子數(shù)。4.自旋量子數(shù)自旋量子數(shù) ms(spin quantum number)21sm表示，或用表示，或用和和表示。表示。 電子本身還有自旋運動，且有兩種相反的方向，電子本身還有自旋運動，且有兩種相反的方向，分別用分別用 自旋方向相同，叫自旋方向相同，叫平行自旋平行自旋；自旋方向相反叫；自旋方向相反叫反平行自旋反平行自旋。26 例例 (1) n = 3的原子軌道可有哪些角量子數(shù)和磁量子數(shù)？的原子軌道可有哪些角量子數(shù)和磁量子數(shù)？該電子層有多少個

23、原子軌道？該電子層有多少個原子軌道？(2) Na原子的最外層電原子的最外層電子處于子處于3s亞層，試用亞層，試用n、l、m、ms量子數(shù)來描述該電量子數(shù)來描述該電子的運動狀態(tài)。子的運動狀態(tài)。解解 (1) n = 3，l = 0，1，2； l = 0，m = 0； l = 1，m = -1，0，+1； l = 2，l = -2，-1，0，+1，+2；共有；共有9個原子軌道。個原子軌道。(2)該電子的運動狀態(tài)：該電子的運動狀態(tài)：n 、l 、m ， m s分別為：分別為：3，0，0，+1/2或或-1/2。 27（二）原子軌道的角度分布圖（二）原子軌道的角度分布圖(r,) = R(r)Y(,) 徑向波函

24、數(shù)徑向波函數(shù) Rn,l(r) 與與 n 和和 l 兩個量子數(shù)有關(guān)。兩個量子數(shù)有關(guān)。角度波函數(shù)角度波函數(shù)Yl,m(,) 與與 l 和和 m 兩個量子數(shù)有關(guān)。兩個量子數(shù)有關(guān)。 cossin43sinsin43cos43414123223223222211BrpBrpBrpBrsBrsreAreAreAreAeAxyZ281. s軌道角度分布圖軌道角度分布圖根據(jù)根據(jù)s軌道的角度波函數(shù)軌道的角度波函數(shù) 作圖：作圖：2820. 4 41 1Y Ys s Yl,m( , )xz+xyzxyzYl,m( , )Yl,2m( , )s軌軌道道的的角角度度分分布布圖圖概率密度概率密度|Ys|2 的角度分布圖形的

25、角度分布圖形, 即電子云圖也是球形。即電子云圖也是球形。Y Y值在任意方位角為常數(shù)，因而值在任意方位角為常數(shù)，因而s s軌道的角度分布圖軌道的角度分布圖是一是一球面球面，球面所在的球體就是球面所在的球體就是s軌道的圖形軌道的圖形。 記法：球形對稱，恒為正值。記法：球形對稱，恒為正值。29pz軌道的函數(shù)：軌道的函數(shù)： cosYZP43 求出變量求出變量和函數(shù)和函數(shù)Ypz的對應(yīng)值：的對應(yīng)值： 0 30 60 90 120 150 180 Ypz 0.489 0.423 0.244 0 -0.244 -0.423 -0.4892. p軌道角度分布圖軌道角度分布圖 30作圖：作圖：引出角度分別為引出角

26、度分別為0 、30、 60的射線；的射線；截取截取0.489、0.423 ；連接各截點；連接各截點；得得Ypz部分圖形；部分圖形；繞繞Z軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)360；雙球面立體圖形。雙球面立體圖形。 運用這種方法可繪出所有角度波函數(shù)的圖形運用這種方法可繪出所有角度波函數(shù)的圖形xz+-pz節(jié)面節(jié)面31P軌道軌道記法：雙球?qū)ΨQ，相應(yīng)軸向伸展，正軸為正，負(fù)記法：雙球?qū)ΨQ，相應(yīng)軸向伸展，正軸為正，負(fù)軸為負(fù)。軸為負(fù)。32d d軌道軌道記法：記法：dxy, dyz, dxz沿各自坐標(biāo)軸的夾角方向伸展，沿各自坐標(biāo)軸的夾角方向伸展，坐標(biāo)同號為正，異號為負(fù)。坐標(biāo)同號為正，異號為負(fù)。33記法記法:dx2-y2：沿：沿x、y

27、軸伸展，軸伸展，x為正，為正，y軸為負(fù)。軸為負(fù)。dz2：上下兩個正氣球，中間一個負(fù)輪胎。：上下兩個正氣球，中間一個負(fù)輪胎。34 電子電子云圖云圖35 f 軌道（了解）軌道（了解）36 g 軌道軌道（了解）（了解）37 如，如，1s，2s，3s等等Y圖都一樣；圖都一樣；2px、3px、4px等等Y圖都一樣。圖都一樣。幾點說明：幾點說明： Yl，m與與n無關(guān)，只要無關(guān)，只要l、m相同，它們的角度分布圖相同，它們的角度分布圖是一樣的是一樣的 。 Y 圖中各點只代表圖中各點只代表Y 值隨值隨和和改變而變化的情況，并改變而變化的情況，并不代表電子離核遠(yuǎn)近的數(shù)值，不代表電子離核遠(yuǎn)近的數(shù)值，Y 與與r 無關(guān)

28、。無關(guān)。 原子軌道角度分布圖中的正負(fù)號反映了電子的波動原子軌道角度分布圖中的正負(fù)號反映了電子的波動性，類似于機(jī)械波中的波峰與波谷，當(dāng)兩個波相遇時，性，類似于機(jī)械波中的波峰與波谷，當(dāng)兩個波相遇時，同號則相互加強(qiáng)，異號則相互減弱甚至抵削。同號則相互加強(qiáng)，異號則相互減弱甚至抵削。電子云的角度分布圖與原子軌道的角度分布圖相似，電子云的角度分布圖與原子軌道的角度分布圖相似，但有兩點區(qū)別但有兩點區(qū)別A：Y2均為正值，均為正值，B：圖形：圖形“瘦瘦”。它。它表示在空間不同方位上電子出現(xiàn)的概率。表示在空間不同方位上電子出現(xiàn)的概率。38（三）徑向分布函數(shù)圖（三）徑向分布函數(shù)圖 2 =P/dV P = 2 dV=

29、 2 4 r2 dr 2(r,)=R2(r) Y2(,) P= 4 r2 R2(r)Y2(,) drD(r)= 4 r2 R2 (r)D(r)稱為稱為徑向分布函數(shù)徑向分布函數(shù)(radial distribution function) D(r) 的的意義意義：電子在一個以原子核為中心：電子在一個以原子核為中心,半徑為半徑為 r，微單位厚度為微單位厚度為dr的同心圓薄球殼夾層的同心圓薄球殼夾層(其體積為其體積為dv)內(nèi)出內(nèi)出現(xiàn)的現(xiàn)的概率概率。反映了氫原子核外電子出現(xiàn)的概率與距離。反映了氫原子核外電子出現(xiàn)的概率與距離 r 的關(guān)系。的關(guān)系。 rdr39以以D(r) 對對r 作圖作圖, 得氫原子各種狀

30、態(tài)的徑向分布函數(shù)圖。得氫原子各種狀態(tài)的徑向分布函數(shù)圖。40從徑向分布函數(shù)圖可以得出從徑向分布函數(shù)圖可以得出:氫原子氫原子1s電子的徑電子的徑向分布函數(shù)圖向分布函數(shù)圖1. 在基態(tài)氫原子在基態(tài)氫原子(1s軌道軌道)中電子出現(xiàn)概率的中電子出現(xiàn)概率的極大值極大值在在r =a0(波爾半徑，波爾半徑， a0 =52.9pm)的球面上。而概的球面上。而概率密度的極大值處在率密度的極大值處在核附核附近近。412.徑向分布函數(shù)圖中的峰數(shù)有徑向分布函數(shù)圖中的峰數(shù)有 (nl ) 個。個。1個峰（1-0）2個峰（2-0）3個峰（3-0）1個峰（2-1）2個峰（3-1）1個峰（3-2）4個峰（4-0） 氫原子各種狀態(tài)的

31、徑向分布函數(shù)圖氫原子各種狀態(tài)的徑向分布函數(shù)圖423. l 相同相同, n越小越小,主峰離核主峰離核越近越近; n越大越大, 主峰離核主峰離核越遠(yuǎn)越遠(yuǎn)；好像電子處于某一好像電子處于某一電子層電子層。 n =2 l =0 n =1 l =0 n =3 l =0 n =2 l =1 n =3 l =1434. n相同相同, l 越小越小, 第一個峰離核第一個峰離核越近越近 ;第一個峰第一個峰與核的與核的距離為距離為: ns np nd nf又可理解為：又可理解為： l越小越小的電子的電子“鉆穿鉆穿”到核附近的能力到核附近的能力大大 ，稱為，稱為鉆穿效應(yīng)，鉆穿效應(yīng)，大小順序為：大小順序為：nsnpnd

32、nf 這是電子這是電子波動性波動性的反映的反映, 雖有雖有電子層電子層的概念，但外層的概念，但外層電子可以電子可以在內(nèi)層出現(xiàn)在內(nèi)層出現(xiàn)。44第三節(jié)第三節(jié)多電子原子的結(jié)構(gòu)多電子原子的結(jié)構(gòu)多電子原子：核外有兩個或兩個以上電子的原子稱多電子原子：核外有兩個或兩個以上電子的原子稱為多電子原子。為多電子原子。一、多電子原子能級一、多電子原子能級（一）多電子原子的能級（一）多電子原子的能級單電子原子的能級單電子原子的能級EnS=EnP=End=EnfE1sE2s=E2PE3S=E3P=E3dJnZE18221018. 245 多電子原子的能量：多電子原子的能量：1 1、屏蔽效應(yīng)：、屏蔽效應(yīng)：在多電子原子中

33、，其它電子對某電子在多電子原子中，其它電子對某電子有排斥作用，相當(dāng)于其它電子屏蔽住原子核，抵消有排斥作用，相當(dāng)于其它電子屏蔽住原子核，抵消了部分核電荷對該電子的吸引了部分核電荷對該電子的吸引, , 這種現(xiàn)象稱為屏蔽這種現(xiàn)象稱為屏蔽效應(yīng)。效應(yīng)。JnzEi18221018. 2)(Z Z：核電荷數(shù)，：核電荷數(shù)，Z=Z-Z=Z-：有效核電荷，：有效核電荷，：屏：屏蔽常數(shù)蔽常數(shù)JnzEH18221018. 2462、屏蔽常數(shù)的影響因素、屏蔽常數(shù)的影響因素（1）外層電子對內(nèi)層電子的屏蔽作用可以不考慮。）外層電子對內(nèi)層電子的屏蔽作用可以不考慮。0（2）內(nèi)層電子對外層電子有屏蔽。次外層）內(nèi)層電子對外層電子有

34、屏蔽。次外層 (n-1層層)電子對外層電子對外層(n層層)電子屏蔽作用較強(qiáng)，電子屏蔽作用較強(qiáng)，0.85 ，第，第（n-2）層及更內(nèi)層電子對第）層及更內(nèi)層電子對第n層電子的屏蔽常數(shù)均層電子的屏蔽常數(shù)均為為=1.00。（3）同層電子之間也有屏蔽作用，但比內(nèi)層電子）同層電子之間也有屏蔽作用，但比內(nèi)層電子的屏蔽作用弱。的屏蔽作用弱。 0.35, 兩個兩個1s之間之間0.30 。 由以上可知，屏蔽作用主要來自內(nèi)層電子，由以上可知，屏蔽作用主要來自內(nèi)層電子，因此得出：因此得出：47n相同時：相同時： l 越小的電子越小的電子,鉆穿能力愈強(qiáng)鉆穿能力愈強(qiáng); 離核愈近離核愈近, 它它受到其它電子對它的屏蔽作用就

35、愈弱受到其它電子對它的屏蔽作用就愈弱,能量就愈低。能量就愈低。 故：故： EnsEnpEndEnfl相同時：相同時：n愈大的電子受到的屏蔽作用愈強(qiáng)，能量愈愈大的電子受到的屏蔽作用愈強(qiáng)，能量愈高。高。 E1sE2sE3sE4s E3dE4dE5dE6d 若若n、l 均不同，情況較復(fù)雜，目前無一般規(guī)律可循，均不同，情況較復(fù)雜，目前無一般規(guī)律可循，有時有有時有能級交錯能級交錯現(xiàn)象：現(xiàn)象：例如：例如： E3dE4s， E4fE6s。 48美國化學(xué)家鮑林根據(jù)實驗，給出了原子軌道的近似能級順序：美國化學(xué)家鮑林根據(jù)實驗，給出了原子軌道的近似能級順序：1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d

36、 5p 6s 49二、二、 原子的核外電子排布原子的核外電子排布（一）（一）Pauli不相容原理不相容原理（1925年，奧地利物理學(xué)家年，奧地利物理學(xué)家Pauli W）在一個原子中不可能有運動狀態(tài)完全相同的兩個電在一個原子中不可能有運動狀態(tài)完全相同的兩個電子存在。子存在。電子層電子層n1234軌道數(shù)軌道數(shù)149 16容納電子數(shù)容納電子數(shù) 28 18 32結(jié)論：結(jié)論：n層有層有n2個原子軌道，可以容納個原子軌道，可以容納2n2個電子個電子 50（二）能量最低原理（二）能量最低原理電子排布時，總是最先占據(jù)能量最低的軌道，電子排布時，總是最先占據(jù)能量最低的軌道，只有當(dāng)?shù)湍芰寇壍勒紳M以后，才進(jìn)入能量較

37、高的軌只有當(dāng)?shù)湍芰寇壍勒紳M以后，才進(jìn)入能量較高的軌道。道。例題：寫出例題：寫出19號號K和和21號號Sc的電子組態(tài)。的電子組態(tài)。19號號K 1s22s22p63s23p64s121號號Sc 1s22s22p63s23p64s23d1應(yīng)寫成：應(yīng)寫成：1s22s22p63s23p63d14s2注意：電子的填充順序與原子的電子組態(tài)的不同，注意：電子的填充順序與原子的電子組態(tài)的不同，電子組態(tài)中，相同主量子數(shù)的軌道應(yīng)排在一起。電子組態(tài)中，相同主量子數(shù)的軌道應(yīng)排在一起。51例題：例題：寫出寫出24號號Cr的電子組態(tài)的電子組態(tài)。1s22s22p63s23p63d44s2 ( )1s22s22p63s23p6

38、3d54s1 ()（三）（三）Hund規(guī)則規(guī)則簡并規(guī)道：簡并規(guī)道：原子中能量相同的軌道，稱為等價軌道原子中能量相同的軌道，稱為等價軌道又稱簡并規(guī)道。又稱簡并規(guī)道。3個個 p 軌道：軌道： px，py， pz5個個 d 軌道：軌道：dxy， dxy， dxz， dx2-y2，dz27個個 f 軌道：軌道：52（1）在簡并軌道中，電子盡可能分占不同的軌道，）在簡并軌道中，電子盡可能分占不同的軌道，且自旋方向平行。且自旋方向平行。軌道表示式：軌道表示式：以小方格表示原子軌道的電子排布式以小方格表示原子軌道的電子排布式.例如：例如：N原子組態(tài)是原子組態(tài)是1s22s22p3，軌道表示式為？，軌道表示式為

39、？1s2s2p7N6C1s2s2pC： 1s22s22p2軌道表示式為軌道表示式為53（2）簡并軌道全滿、半滿、全空時原子能量較低）簡并軌道全滿、半滿、全空時原子能量較低全滿：全滿：p6、d10、f14半滿：半滿：p3、d5、f7全空：全空：p0、d0、f0練習(xí)：寫出練習(xí)：寫出24號號Cr的電子組態(tài)。的電子組態(tài)。1s22s22p63s23p63d5 4s1 例題，寫出例題，寫出22 、25號元素的電子組態(tài)。號元素的電子組態(tài)。 22號：號：1s22s22p63s23p63d24s2 25號：號：1s22s22p63s23p63d54s2。54（四）價層電子組態(tài)（四）價層電子組態(tài)化學(xué)反應(yīng)所涉及到的

40、軌道叫價層軌道，價層化學(xué)反應(yīng)所涉及到的軌道叫價層軌道，價層軌道上的電子叫價層電子，包括：軌道上的電子叫價層電子，包括： 主族元素：主族元素： ns + np 副族元素：（副族元素：（n-2）f + (n-1)d + ns+ np+ nd例題，寫出例題，寫出22 、25號元素的價層電子組態(tài)。號元素的價層電子組態(tài)。22號：號：3d24s225號：號：3d54s2 用原子實表示電子組態(tài)，可表示為用原子實表示電子組態(tài)，可表示為稀有氣體稀有氣體價層電子。價層電子。55第四節(jié)第四節(jié) 原子的電子組態(tài)與元素周期表原子的電子組態(tài)與元素周期表56一、周期一、周期1 1、周期的劃分、周期的劃分根據(jù)電子層數(shù)劃分：根據(jù)

41、電子層數(shù)劃分：周期數(shù)周期數(shù)= =電子層數(shù)電子層數(shù) 基態(tài)中性原子具有的電子層數(shù)等于該元素所基態(tài)中性原子具有的電子層數(shù)等于該元素所處的周期數(shù)。處的周期數(shù)。57周期數(shù)和周周期數(shù)和周期名稱期名稱 起止元素起止元素 元素元素個數(shù)個數(shù) 本周期內(nèi)各亞層電子填本周期內(nèi)各亞層電子填充次序充次序 第一周期第一周期 1H2He 2 1s1-2第二周期第二周期 3Li10Ne 8 2s1-22p1-6 第三周期第三周期 11Na18Ar 8 3s1-23p1-6 第四周期第四周期 19K36Kr 18 4s1-23d1-104p1-6 第五周期第五周期 37Rb54Xe 18 5s1-24d1-105p1-6 第六周

42、期第六周期 55Cs86Rn 32 6s1-24f1-145d1-106p1-6 第七周期第七周期 87Fr未完未完 7s1-25f1-146d1-7 58周期表中把性質(zhì)相似的歸為一族周期表中把性質(zhì)相似的歸為一族(豎行豎行)；分主族和；分主族和副族，是根據(jù)相似的電子組態(tài)劃分的。副族，是根據(jù)相似的電子組態(tài)劃分的。二、族二、族 主族主族(A)：8個，個，AA, A族又叫族又叫0族。它們的族。它們的內(nèi)層電子全充滿，最后一個電子填入內(nèi)層電子全充滿，最后一個電子填入ns或或np亞層。亞層。 價層電子數(shù)價層電子數(shù) = 族序數(shù)族序數(shù) = 最外層電子數(shù)最外層電子數(shù)副族副族(B)：8個，個，B B，均為金屬元素

43、。最后，均為金屬元素。最后一個電子填入一個電子填入(n1)d或或(n2) f亞層。也稱亞層。也稱過渡元過渡元素素, 其中鑭系和錒系又稱其中鑭系和錒系又稱內(nèi)過渡元素。內(nèi)過渡元素。591、對于對于(n1)d電子未充滿的元素，電子未充滿的元素， B B族序數(shù)等于族序數(shù)等于(n1)d和和ns電子數(shù)之和。電子數(shù)之和。如如: Sc ，Ar3d14s2 應(yīng)屬于應(yīng)屬于B族。族。2、對于對于(n-1)d電子已充滿的元素，電子已充滿的元素，B和和B。 族序數(shù)等于最外層電子數(shù)族序數(shù)等于最外層電子數(shù) 如，如，Cd ， Kr4d105s2 應(yīng)屬于應(yīng)屬于B族。族。3、鑭系和錒系元素均屬于鑭系和錒系元素均屬于B族。族。4、

44、B族族: 有三個縱行，最后一個電子填充在有三個縱行，最后一個電子填充在(n-1)d亞層上亞層上, 價層電子構(gòu)型是價層電子構(gòu)型是(n-1)d6 10ns0,1,2 ,價電子總數(shù)價電子總數(shù)是是810。副族元素族序數(shù)與價層電子的關(guān)系：副族元素族序數(shù)與價層電子的關(guān)系：60s區(qū)元素：區(qū)元素： ns12, IA、IIA。p區(qū)元素：區(qū)元素：ns2np16，IIIAVIIA、0族（族（He, s2）。）。d區(qū)元素：區(qū)元素：(n-1)d19ns12 (Pd,4d10)，IIIBVIIIB族。族。 性質(zhì)特征：性質(zhì)特征：有多種氧化值，易形成配合物。有多種氧化值，易形成配合物。ds 區(qū)元素區(qū)元素: (n-1)d10ns12, IB、IIB; 性質(zhì)特征：性質(zhì)特征：有多種氧化值。有多種氧化值。 三、周期表分區(qū)三、周期表分區(qū) 據(jù)價層電子組