無機(jī)化學(xué)第七章原子結(jié)構(gòu)

第七章原子結(jié)構(gòu)和元素周期律教學(xué)要求：

1、了解核外電子運(yùn)動的特殊性；

2、理解波函數(shù)、電子云、原子軌道、四個量子數(shù)的物理意義；

3、掌握四個量子數(shù)的取值，核外電子排布，原子結(jié)構(gòu)與元素周期律之間的關(guān)系。教學(xué)難點(diǎn)：波函數(shù)；多電子原子能級；核外電子排布。7.1原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展簡史7.2核外電子運(yùn)動狀態(tài)7.3多電子原子結(jié)構(gòu)和元素周期律第七章原子結(jié)構(gòu)和元素周期律7.4元素基本性質(zhì)的周期律7.2.1氫原子光譜與Bohr理論7.2核外電子運(yùn)動狀態(tài)7.2.5氫原子的激發(fā)態(tài)7.2.4氫原子的基態(tài)7.2.3Schr?dinger方程與量子數(shù)7.2.2電子的波粒二象性1.光和電磁輻射7.2.1氫原子光譜與Bohr理論紅橙黃綠青藍(lán)

紫2.氫原子光譜HαHβHγHδ

不連續(xù)光譜,即線狀光譜其頻率具有一定的規(guī)律n=3,4,5,6式中2，n，3.289×1015各代表什么意義？經(jīng)驗(yàn)公式：氫原子光譜特征：3.Bohr理論

三點(diǎn)假設(shè)：

①核外電子只能在有確定半徑和能量的軌道上運(yùn)動,且不輻射能量；

②通常，電子處在離核最近的軌道上，能量最低——基態(tài)；原子獲得能量后，電子被激發(fā)到高能量軌道上，原子處于激發(fā)態(tài)；

③從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)釋放光能，光的頻率取決于軌道間的能量差。E：軌道能量h：Planck常數(shù)n=3紅（Hα）n=4青（Hβ）n=5藍(lán)紫（Hγ）n=6紫（Hδ）Balmer線系原子能級Balmer線系RH：Rydberg常數(shù)，其值為2.179×10-18J。

借助于氫原子光譜的能量關(guān)系式可定出氫原子各能級的能量：1924年，LouisdeBroglie認(rèn)為：質(zhì)量為m

，運(yùn)動速度為υ的粒子，相應(yīng)的波長為：7.2.2電子的波粒二象性1927年，Davissson和Germer應(yīng)用Ni晶體進(jìn)行電子衍射實(shí)驗(yàn)，證實(shí)電子具有波動性。λ=h/mυ=h/p，h=6.626×10-34J·s，Plank常量。1.Schr?dinger方程7.2.3Schr?dinger方程與量子數(shù)直角坐標(biāo)(x,y,z)與球坐標(biāo)(r,θ,φ)的轉(zhuǎn)換

222zyxr++=cosrz=qsinsinry=φqcossinrx=φq()()φq,,

,,

rΨzyxΨ

()()φq,YrR

=2.四個量子數(shù)①主量子數(shù)n

③磁量子數(shù)

m

④自旋量子數(shù)

ms②角量子數(shù)n=1,2,3,……與電子能量有關(guān)，對于氫原子，電子能量唯一決定于n；不同的n值，對應(yīng)于不同的電子層：主量子數(shù)n：１２３４５…KLMNO…角量子數(shù)l：

l的取值0，1，2，3……n－1

對應(yīng)著s,p,d,f…...

(亞層)

l

決定了ψ的角度函數(shù)的形狀。磁量子數(shù)m：

m可取0，±1,±2……±l；

其值決定了ψ角度函數(shù)的空間取向。

n,l,m

一定，軌道也確定

0123…軌道

spdf…例如:n=2，

l=0，m=0，2s

n=3，l=1，m=0，3pz

n=3，l=2，m=0，3dz2思考題：當(dāng)n為3時,l,m分別可以取何值？軌道的名稱怎樣?1.總能量2.波函數(shù)()0/3041,,arearΨ-=pφq()()(),,,

YrRrΨ

=φqjq角度部分：()41,Y=pφq()0/3012arearR-=徑向部分：7.2.4氫原子的基態(tài)是一種球形對稱分布角度部分3.波函數(shù)的物理意義Ψ2

：原子核外出現(xiàn)電子的概率密度。

電子云是電子出現(xiàn)概率密度的形象化描述。徑向分布函數(shù)D(r)：空間微體積試問D(r)與ψ2的圖形有何區(qū)別?1.2s態(tài)：n=2,l=0,m=07.2.5氫原子的激發(fā)態(tài)節(jié)面峰數(shù)=n－l2.2p態(tài)：n=2,l=1,m=+1,0,-1+－30°60°θ3.3d態(tài)：n=3,l=2,m=0,小結(jié)：量子數(shù)與電子云的關(guān)系n：決定電子云的大小l：描述電子云的形狀m：描述電子云的伸展方向7.3.1多電子原子軌道能級7.3多電子原子結(jié)構(gòu)和元素周期律7.3.2核外電子排布7.3.3元素周期律軌道：與氫原子類似，其電子運(yùn)動狀態(tài)可描述為1s,2s,2px,2py,2pz,3s…能量：與氫原子不同,能量不僅與n有關(guān),

也與l有關(guān);在外加場的作用下,還與m有關(guān)。7.3.1多電子原子軌道能級1.Pauling近似能級圖2.Cotton原子軌道能級圖

n

相同的氫原子軌道的簡并性。原子軌道的能量隨原子序數(shù)的增大而降低。隨著原子序數(shù)的增大，原子軌道產(chǎn)生能級交錯現(xiàn)象。3.屏蔽效應(yīng)+2e-e-He+2e-He+2-σe-假想He由核外電子云抵消一些核電荷的作用。屏蔽效應(yīng)：σ為屏蔽常數(shù)，可用Slater經(jīng)驗(yàn)規(guī)則算得。Z－σ=Z*，Z*——有效核電荷數(shù)

進(jìn)入原子內(nèi)部空間，受到核的較強(qiáng)的吸引作用。2s,2p軌道的徑向分布圖3d與

4s軌道的徑向分布圖4.鉆穿效應(yīng)核外電子分布三規(guī)則：

最低能量原理電子在核外排列應(yīng)盡先分布在低能級軌道上,使整個原子系統(tǒng)能量最低。Pauli不相容原理每個原子軌道中最多容納兩個自旋方式相反的電子。Hund規(guī)則在n和l相同的軌道上分布的電子,將盡可能分占m值不同的軌道,且自旋平行。7.3.2核外電子排布半滿全滿規(guī)則：當(dāng)軌道處于全滿、半滿時，原子較穩(wěn)定。Z=26Fe：1s22s22p63s23p63d64s2N：1s22s22p3原子芯7.3.3元素周期系

元素周期律：元素以及由它形成的單質(zhì)和化合物的性質(zhì)，隨著元素的原子序數(shù)(核電荷數(shù))的依次遞增，呈現(xiàn)周期性的變化。元素周期表(長表)：周期號數(shù)等于電子層數(shù)。各周期元素的數(shù)目等于相應(yīng)能級組中原子軌道所能容納的電子總數(shù)。主族元素的族號數(shù)等于原子最外層電子數(shù)。s區(qū)—ns1－2p區(qū)—ns2np1－6d區(qū)—(n－1)d1－10ns1－2(Pd無s電子)f區(qū)—(n－2)f1－14(n－1)d0－2ns2結(jié)構(gòu)分區(qū)：量子數(shù)，電子層，電子亞層之間的關(guān)系每個亞層中軌道數(shù)目135726101428182n2每個亞層最多容納電子數(shù)每個電子層最多

容納的電子數(shù)主量子數(shù)n1234電子層KLMN角量子數(shù)

l0123電子亞層spdf7.4元素基本性質(zhì)的周期性7.4.1元素性質(zhì)的周期性1.有效核電荷Z*

元素原子序數(shù)增加時，原子的有效核電荷Z*呈現(xiàn)周期性的變化。同一周期：短周期：從左到右，Z*顯著增加。

長周期：從左到右，前半部分有Z*增加

不多，后半部分顯著增加。同一族：從上到下，Z*增加，但不顯著。7.3.1元素性質(zhì)的周期性2.原子半徑（r）

共價半徑vanderWaals半徑主族元素：從左到右r減??；從上到下r增大。過渡元素：從左到右r緩慢減??；

從上到下r略有增大。

金屬半徑主族元素

元素的原子半徑變化趨勢

鑭系元素從左到右，原子半徑減小幅度更小，這是由于新增加的電子填入外數(shù)第三層上，對外層電子的屏蔽效應(yīng)更大，外層電子所受到的Z*增加的影響更小。鑭系元素從鑭到鐿整個系列的原子半徑減小不明顯的現(xiàn)象稱為鑭系收縮。3.電離能

基態(tài)氣體原子失去電子成為帶一個正電荷的氣態(tài)正離子所需要的能量稱為第一電離能，用I

1表示。

由+1價氣態(tài)正離子失去電子成為帶+2價氣態(tài)正離子所需要的能量稱為第二電離能，用I

2表示。E+(g)

E

2+(g)+e-I

2E(g)

E+(g)+e-I

1例如：N、P、As、Sb、Be、Mg電離能較大——半滿，全滿。同一主族：從上到下，最外層電子數(shù)相同；Z*增加不多，r增大為主要因素，核對外層電子引力依次減弱，電子易失去，I依次變小。同一周期：主族元素從ⅠA到鹵素，Z*增大，r減小，I增大。其中ⅠA的I1最小，稀有氣體的I1最大；長周期中部(過渡元素)，電子依次加到次外層，Z*增加不多，r減小緩慢，I略有增加。4.電子親和能

元素的氣態(tài)原子在基態(tài)時獲得一個電子成為一價氣態(tài)負(fù)離子所放出的能量稱為電子親和能。當(dāng)負(fù)一價離子再獲得電子時要克服負(fù)電荷之間的排斥力，因此要吸收能量。O

(g)

+e-

O-(g)A1

=-140.0kJ.mol-1O-(g)

+e-

O2-(g)A2

=844.2kJ.mol-1電子親和能的大小變化的周期性規(guī)律如下圖：例如：

同一周期：從左到右，Z*增大，r

減小，最外層電子數(shù)依次增多，趨向于結(jié)合電子形成8電子結(jié)構(gòu)，A