對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)

對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)摘要：化學(xué)中，物質(zhì)結(jié)構(gòu)主要研究物質(zhì)的微觀(guān)結(jié)構(gòu)以及表觀(guān)性能與微觀(guān)結(jié)構(gòu)關(guān)系。學(xué)習(xí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)，我們是從物質(zhì)的基本粒子一一原子開(kāi)始。下面是對(duì)于核外電子的“隔離”認(rèn)識(shí)，單獨(dú)研究核外電子運(yùn)動(dòng)所呈現(xiàn)得表觀(guān)現(xiàn)象。對(duì)于單電子原子，我們可用薛定諤方程表示其核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由于電子運(yùn)動(dòng)無(wú)規(guī)律性，電子波只是一種概率波，即電子在空間某點(diǎn)出現(xiàn)的概率大小——概率密度。電子云的徑向分布圖，其意義是表示概率密度隨r的變化。電子云的角度分布圖，其表示給定球面不同方向上電子出現(xiàn)的概率密度。電子云圖，通過(guò)黑點(diǎn)的稠密程度表示電子出現(xiàn)的概率密度的直觀(guān)圖。下面的認(rèn)識(shí)是對(duì)于核外電子的“歸屬”研究，即電子的軌道一一電子層認(rèn)識(shí)。描述電子在軌道中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可用n（主量子數(shù)），l（角量子數(shù)），m（磁量子數(shù)），Ms（自旋量子數(shù)）。能級(jí)是電子軌道所具有的能量的高低。電子排列要遵守一定規(guī)則的：（1）泡利不相容原理（2）能量最低原理（3）洪特規(guī)則。原子結(jié)構(gòu)的知識(shí)不僅包括原子的電子層結(jié)構(gòu)，還包括元素的電子層結(jié)構(gòu)與化學(xué)元素周期表的關(guān)系，通過(guò)研究此關(guān)系，我們可以從單獨(dú)的原子層結(jié)構(gòu)的特殊性上升到原子層結(jié)構(gòu)的漸變性，從而理解周期表中所有元素電子層結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性關(guān)鍵詞：原子結(jié)構(gòu)；波函數(shù)；電子軌道；電子排布；周期性1.原子結(jié)構(gòu)1電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的函數(shù)描述化學(xué)中，物質(zhì)結(jié)構(gòu)主要研究物質(zhì)的微觀(guān)結(jié)構(gòu)以及表觀(guān)性能與微觀(guān)結(jié)構(gòu)關(guān)系。其包括物質(zhì)的幾何結(jié)構(gòu)（如研究晶體中粒子的結(jié)合與排布方式等）和物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)（如原子的電子層結(jié)構(gòu)以及分子成鍵規(guī)律等）?；瘜W(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)是伴隨著物理量子力學(xué)的提出與完善而形成和發(fā)展的，而又因它對(duì)人類(lèi)有諸多益處，如可以幫助人們了解化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)，可以幫助人們發(fā)現(xiàn)和制取符合人類(lèi)需要的物質(zhì)，因而得到不斷發(fā)展和壯大?？偨Y(jié)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，主要分為三個(gè)時(shí)期：第一時(shí)期是原子時(shí)期，及道爾頓提出原子論時(shí)期；第二時(shí)期是元素時(shí)期，即門(mén)捷列夫和邁耶爾發(fā)現(xiàn)元素周期律時(shí)期；第三時(shí)期為化學(xué)鍵時(shí)期，即當(dāng)今這個(gè)年代，由于人們對(duì)于化學(xué)鍵簡(jiǎn)缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，在化學(xué)鍵領(lǐng)域上略顯稚嫩，因此化學(xué)鍵本質(zhì)的揭示將無(wú)疑會(huì)引起另一場(chǎng)化學(xué)革命。學(xué)習(xí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)，我們是從物質(zhì)的基本粒子一一原子開(kāi)始。從化學(xué)的角度出發(fā)，我們認(rèn)為原子在反應(yīng)前后原子核不發(fā)生變化，發(fā)生變化的是原子的核外電子，因此研究原子的核外電子將幫助我們對(duì)物質(zhì)性能與物質(zhì)結(jié)構(gòu)有很好的認(rèn)識(shí)。對(duì)于核外電子，我們首先了解的是它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于單電子原子，我們可用薛定諤方程表示其核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其可表示為：八■、一,、「▽2少（x,y,z）+（8n2m/h2）［E-U（x,y,z）］少(x,y,z)=0x,y,z為電子的坐標(biāo)，m為電子質(zhì)量，U為勢(shì)能，E為電子的總能量，h為普朗克常量，^（x，y，z）為波函數(shù)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，甲2表示空間某點(diǎn)電子波的強(qiáng)由于電子運(yùn)動(dòng)無(wú)規(guī)律性，電子波只是一種概率波，即電子在空間某點(diǎn)出現(xiàn)的概率大小

——概率密度。因此如果知道波函數(shù)的具體形式，就可算出概率密度，而波函數(shù)的具體形式可通過(guò)解薛定諤方程來(lái)獲得，最終解得是一個(gè)關(guān)于n（主量子數(shù)），l（角量子數(shù)），m（磁量子數(shù)）以及0等自變量的等式。在此方程中，n,l,m由于受方程式所限取值要滿(mǎn)足一定條件，即（1）單值：空間中某點(diǎn)附近只能有一個(gè)概率密度。（2）連續(xù)（3）平方可積。在另一方面，他們也都受彼此影響，只能按一定規(guī)則取值。n,l,m的取值要滿(mǎn)足1字母數(shù)值數(shù)值數(shù)值數(shù)值n1230 0 0nl0120 0 0n-1m01或-12或-20 0 0n-1或1-n表中每一組n,l,m值都可對(duì)應(yīng)一個(gè)波函數(shù)，即表示原子核外點(diǎn)子的一種可能的軌道運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，又稱(chēng)為原子軌道。此時(shí)不同的n,l,m值，原子軌道的數(shù)目與稱(chēng)謂皆有所不同，如下表所示n123l01110012m01-100001或-101或-12或-2軌道種類(lèi)1s2Px2Py2Pz2s3s3P5d軌道數(shù)目149上表中所述軌道都有特定波函數(shù)。由于波函數(shù)可寫(xiě)成如下形式X（r,Y,少）=R（r）+Y（Y,①）數(shù)的角度分布圖，如圖R（r）為波函數(shù)徑向部分，Y（Y,中）為波函數(shù)的角度部分，因此我們可以通過(guò)波函數(shù)做出波函數(shù)的角度分布圖，如圖此圖中，正負(fù)號(hào)僅代表Y值的符號(hào)。坐標(biāo)原點(diǎn)到球殼的距離等于Y的絕對(duì)值。分析可知，？Ypz?,?Ypx?,?Ypy?分別在Z,X,Y軸上獲得最大值。與之相對(duì)應(yīng)，還有電子云的徑向分布圖（其意義是表示概率密度隨r的變化）和電子云的角度分布圖（其表示給定球面不同方向上電子出現(xiàn)的概率密度）如圖給出了幾個(gè)不同形式與波函數(shù)角度分布圖相比，電子云的角度分布圖沒(méi)有正負(fù)號(hào)，其與Y（Y,中）圖像相似，但卻“瘦”一點(diǎn)。而后可通過(guò)綜合兩圖，作出電子云圖（通過(guò)黑點(diǎn)的稠密程度表示電子出現(xiàn)的概率密度的直觀(guān)圖），此處便不一一畫(huà)出。以上認(rèn)識(shí)是對(duì)于核外電子的“隔離”認(rèn)識(shí)，即單獨(dú)研究核外電子運(yùn)動(dòng)所呈現(xiàn)得表觀(guān)現(xiàn)象，下面的認(rèn)識(shí)是對(duì)于核外電子的“歸屬”研究，及電子的軌道一一電子層認(rèn)識(shí)II電子軌道描述電子在軌道中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可用n（主量子數(shù)），l（角量子數(shù)），m（磁量子數(shù)），Ms（自旋量子數(shù)）°N表示電子所處軌道的層級(jí)，也可理解為電子離核的平均距離，l決定電子空間角度分布的情況，涵蓋電子亞層概念。M決定角動(dòng)量在磁場(chǎng)的分量，Ms表示電子的兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其值為1/2或-1/2。由n,l,m三個(gè)量子數(shù)決定的波函數(shù)稱(chēng)為軌道波函數(shù)，，有四個(gè)量子數(shù)決定的為完整波函數(shù)，如1s,1/2，表示該電子處于1s軌道，自旋狀態(tài)為1/2。然而對(duì)于多電子原子，就不能用此波函數(shù)描述核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，應(yīng)從能級(jí)的角度描述，能級(jí)是電子軌道所具有的能量的高低。核外電子是根據(jù)軌道能級(jí)從低到高的次序排列的，稱(chēng)為能級(jí)次序。根據(jù)鮑林所做的原子軌道能級(jí)圖，我們可知1s一2s一2p一3s一3p一4s一3d一4p一5s一4d一5p一6s一4f一5d一6p能級(jí)逐級(jí)遞遞增。且當(dāng)量子數(shù)n相同時(shí)，角量子數(shù)l值越大，則能量越大；當(dāng)角量子數(shù)l相同時(shí)，主量子數(shù)n越大，能量越大。但當(dāng)n,l同時(shí)變化時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)能級(jí)交錯(cuò)，這主要是因?yàn)槠帘涡?yīng)（其余電子的排斥作用削弱原子核對(duì)電子的吸引，造成能量升高）和鉆穿效應(yīng)（外層電子可鉆入內(nèi)層離核較近的地方，使能量降低）然而此圖卻有一個(gè)缺陷，既沒(méi)有加入7s軌道，但這并不影響此圖的正確性與實(shí)用性。以上便是原子軌道排布的方式與規(guī)則，而電子排列其中也是要遵守一定規(guī)則的：（1）泡利不相容原理：一個(gè)原子軌道至多只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子（2）能量最低原理：電子總是盡可能的分占能量較低的軌道（3）洪特規(guī)則：原子軌道處于半充滿(mǎn)，全充滿(mǎn)或全空時(shí)，原子系統(tǒng)具有較低能量。在同一能級(jí)的軌道中，電子總是盡可能以自旋平行的方向分占不同的軌道。（此處容易與泡利不相容原理弄混：此時(shí)的條件為同一能級(jí)的軌道，泡利為同一原子軌道，結(jié)果為前者自旋平行，后者為自旋相反）。電子是滿(mǎn)足以上規(guī)則來(lái)填入原子軌道的，然而當(dāng)原子失去電子時(shí)，卻一般是從最外層軌道開(kāi)始是電子，而不是從能量較高的內(nèi)層軌道開(kāi)始失電子，這是因?yàn)楫?dāng)電子排滿(mǎn)時(shí)，內(nèi)層軌道電子會(huì)對(duì)外層電子產(chǎn)生屏蔽作用，使其能量升高，容易脫離原子核。而兩軌道未排電子時(shí)，由于沒(méi)有屏蔽效應(yīng)，則因外層軌道能量最低先填它再填能量較高的內(nèi)層軌道。以上便是對(duì)電子在原子軌道排列狀態(tài)的一種認(rèn)識(shí)。其實(shí)電子在軌道就像一個(gè)公司在外跑業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)人員。原子核就相當(dāng)于這個(gè)公司的總部，電子總是圍繞著這個(gè)“總部”運(yùn)動(dòng)，如同業(yè)務(wù)人員在公司周?chē)鷮ふ铱蛻?hù)。由于客戶(hù)不定，業(yè)務(wù)人員星座的軌跡也不一定，因此業(yè)務(wù)員出現(xiàn)在某地的必然性也不一定，只能得到他們?cè)谀车爻霈F(xiàn)的概率，而不能得到確定的路徑。正如電子電子出現(xiàn)在某區(qū)也只能通過(guò)概率來(lái)描述，得到的函數(shù)也只是概率函數(shù)，當(dāng)一個(gè)公司有多個(gè)業(yè)務(wù)員是，即對(duì)應(yīng)著多電子原子，便會(huì)出現(xiàn)多條行走路徑對(duì)應(yīng)著多原子軌道，由于近水樓臺(tái)先得月，業(yè)務(wù)人員選擇時(shí)，總是先選擇離公司近的路徑，然后依次選擇距離較遠(yuǎn)的地方工作，及對(duì)應(yīng)著能量最低原理。此時(shí)，業(yè)務(wù)人員便會(huì)充滿(mǎn)競(jìng)爭(zhēng)，即排斥作用，便會(huì)使公司對(duì)外層業(yè)務(wù)人員的吸引力降低，即屏蔽效應(yīng)，因此只要給與合適的條件，外層業(yè)務(wù)人員是很容易跳槽的，同時(shí)為了避免競(jìng)爭(zhēng)，同一能級(jí)的業(yè)務(wù)人員會(huì)選擇不同的路徑進(jìn)行工作，即洪德規(guī)則。有時(shí)外層的業(yè)務(wù)人員會(huì)克服排斥作用，會(huì)晉升到公司較近的地方，即對(duì)應(yīng)電子的鉆傳效應(yīng)，由于資源有限，強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)使在一個(gè)路徑上的業(yè)務(wù)人員最多只能容兩個(gè)，且他們會(huì)跑向不通的客戶(hù)，方向相反，即電子的自旋相反，這些對(duì)應(yīng)著泡利不相容原理。通過(guò)這些同實(shí)際生活的類(lèi)比，便可以很好的理解電子在核外運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，也會(huì)是原子結(jié)構(gòu)的知識(shí)變得更有趣。2.多電子原子結(jié)構(gòu)和元素周期表原子結(jié)構(gòu)的知識(shí)不僅包括原子的電子層結(jié)構(gòu)，還包括元素的電子層結(jié)構(gòu)與化學(xué)元素周期表的關(guān)系，通過(guò)研究此關(guān)系，我們可以從單獨(dú)的原子層結(jié)構(gòu)的特殊性上升到原子層結(jié)構(gòu)的漸變性，從而理解周期表中所有元素電子層結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性，這可以幫助我們更好的學(xué)習(xí)元素的電子層結(jié)構(gòu)與周期表中的元素的周期性與差異性在元素周期表中，對(duì)同一周期的元素，他們具有相同的電子層數(shù)，且電子層數(shù)等于周期數(shù)，他們的元素?cái)?shù)目，是電子按能級(jí)分布的必然結(jié)果；對(duì)同一族，他們具有特定的外層電子結(jié)構(gòu)，對(duì)于族號(hào)數(shù)，有以下的規(guī)律，Q主族，IB，IIB，=最外層電子數(shù)，?IIIB—VIIB=最外層電子數(shù)+次外層電子數(shù)，QVIII族元素的最外層電子數(shù)+次外層電子數(shù)=8?10@0族元素，最外層均已填滿(mǎn)電子。根據(jù)原子的外層電子模型，還可以將周期表分為五個(gè)區(qū)，s區(qū)(IA?IIA)，d(區(qū)(IIIB-VIIB)ds區(qū)(IB?IIB)p區(qū)(IIIA?VIIA)f區(qū)(鑭系錒系)由于核外的電子排布具有周期性，故元素的性質(zhì)也會(huì)呈現(xiàn)周期性，如原子半徑，同一周期從左到右，原子半徑逐漸減小，同意駐足，從上到下，原子半徑逐漸增大。對(duì)鑭系元素和錒系元素，會(huì)出現(xiàn)“鑭系收縮”，即減小的幅度減小，因此鑭系元素和錒系元素，性質(zhì)也非常相近。對(duì)于電離能，即原子電離出電子所需的最低能量，也具有周期性，一般同一周期的元素從左至右依次增大，稀有氣體電離能最大；同一主族，電離能從上到下依次減小，過(guò)渡元素的電離能規(guī)律不明顯。然而會(huì)有一些異常，比如Be,Mg的電離能會(huì)大于BAl的電離能，這主要是因?yàn)锽eMg的s級(jí)為全充滿(mǎn)的，穩(wěn)定性較高。NP會(huì)高于OS是因?yàn)镹P的p曾為半充滿(mǎn)，穩(wěn)定性也較高，因此分析電離能要綜合來(lái)分析，不可憑單一因素進(jìn)行判斷。電負(fù)性是指分子中不同原子吸引電子的傾向，他可去研究不同元素原子形成化學(xué)鍵時(shí)一些特性，與電力能等相比較，電負(fù)性從原子角度過(guò)渡到了分子角度，他是從分子角度研究原子電子層結(jié)果對(duì)分子的影?；陔娯?fù)性表中給出的個(gè)個(gè)原子的電負(fù)性數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論：Q金屬元素的電負(fù)性較小，非金屬元素的電負(fù)性較大，?同一周期的元素從左到右電負(fù)性基本上增大趨勢(shì)，同一主素從上到下電負(fù)性呈減小的趨勢(shì)，?電負(fù)性差別大的元素形成的化合物以離子鍵為主，電負(fù)性相同或接近的非金屬相互以離子鍵結(jié)合，電負(fù)性相同或相近的金屬元素以金屬鍵結(jié)合，電負(fù)性是從原子的研究的上升到分子研究的良好的過(guò)渡上述內(nèi)容便是對(duì)原子結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)，這些知識(shí)幾乎都是前輩科學(xué)家們，的智慧的結(jié)晶。學(xué)習(xí)這些知識(shí)，我們需要原子那樣細(xì)微認(rèn)真的心，洞悉每個(gè)結(jié)論的來(lái)龍去脈，了解每個(gè)公式的基本推到過(guò)程。同時(shí)還要，運(yùn)用正確的方