第2章 大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律課件

第2章原子結(jié)構(gòu)和元素周期律第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律學(xué)習(xí)基本要求掌握：微觀粒子運(yùn)動(dòng)的特性；氫原子的核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，波函數(shù)、原子軌道、電子云的概念及角度分布圖、四個(gè)量子數(shù)的合理組合及物理意義；多電子原子的原子軌道能級圖和能級組，核外電子分布原則及其分布。了解：各周期元素原子結(jié)構(gòu)和元素性質(zhì)周期律，元素的分區(qū)，原子半徑、電離能、電子親和能、電負(fù)性、氧化數(shù)與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。2第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律

§2.1氫原子光譜和微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特性§

2.2氫原子核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子力學(xué)描述§

2.3多電子原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)§

2.4元素的性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系3第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律為什么要研究氫原子的光譜？這是因?yàn)闅湓庸庾V反映了氫原子的外層電子排布和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；原子的組成—原子核和核外電子—原子結(jié)構(gòu)

§2.1氫原子光譜和微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特性4第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律5連續(xù)光譜(自然光)c=λν電磁波連續(xù)光譜連續(xù)光譜(實(shí)驗(yàn)室)2.1.1氫原子光譜和波爾理論5第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律61.氫原子光譜氫原子光譜（原子發(fā)射光譜）：真空管中含少量H2(g)，高壓放電，發(fā)出紫外光和可見光→三棱鏡→不連續(xù)的線狀光譜Balmer系紅青藍(lán)紫氫原子的特征線狀光譜6第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律7OxygenCalciumCarbonHeliumHydrogenIronKryptonMagnesiumNeonNitrogenSulfurSodiumXenon所有元素都具有特征發(fā)射光譜！規(guī)律？7第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律巴爾麥(J.Balmer)經(jīng)驗(yàn)公式(1885)

ν:譜線波長的倒數(shù),波數(shù)(cm-1).n:大于2的正整數(shù)(量子數(shù)).

當(dāng)n=3,4,5,6分別對應(yīng)氫光譜中↓↓↓↓

H

、H

、H

、H

、Balmer系瑞典物理學(xué)家Balmer(1825-1898)原子光譜中，各譜線的波長或頻率有一定的規(guī)律性。8第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律n1=1,2…

n2：n2>n1的正整數(shù)：譜線的頻率(s-1)RH：里得堡(Rydberg)常數(shù)1.097×107m-1里得堡(Rydberg)------瑞典1913Rydberg(1854-1919)瑞典物理學(xué)家9第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律n1=1n1=2n1=310第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律氫原子光譜特征:①線狀的,不連續(xù)的②有規(guī)律的理論上如何解釋？11第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律矛盾十九世紀(jì)末，科學(xué)家們試圖用經(jīng)典的電磁理論解釋氫光譜的產(chǎn)生和規(guī)律性時(shí)，發(fā)現(xiàn)用經(jīng)典電磁理論和盧瑟福的有關(guān)原子結(jié)構(gòu)的行星模型理論來解釋與其實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)生了尖銳的矛盾。按其推論氫光譜等原子光譜應(yīng)是連續(xù)光譜，但實(shí)際情況是氫光譜等原子光譜不是連續(xù)光譜，而是線狀光譜。這些矛盾用經(jīng)典理論是不能解釋的。12第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律①1900年，德國科學(xué)家Planck提出了著名的量子論。Planck認(rèn)為在微觀領(lǐng)域能量是不連續(xù)的，物質(zhì)吸收或放出的能量總是一個(gè)最小的能量單位的整倍數(shù)。這個(gè)最小的能量單位稱為能量子。②1905年Einstein在解釋光電效應(yīng)時(shí)，提出了光子論。Einstein認(rèn)為能量以光的形式傳播時(shí)，其最小單位稱為光量子，也叫光子。13第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律E=hν

式中E為光子的能量，ν為光子的頻率，h為Planck常數(shù)，其值為6.626×10-34J·s。

物質(zhì)以光的形式吸收或放出的能量只能是光量子能量的整數(shù)倍。光子能量的大小與光的頻率成正比。14第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律2玻爾（Bohr）理論Bohr理論的三點(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(dòng)，在同一個(gè)軌道中運(yùn)動(dòng)時(shí)，電子能量固定。這些軌道稱為穩(wěn)定軌道，它具有固定的能量。沿此軌道運(yùn)動(dòng)的電子，稱為處在定態(tài)的電子，它既不吸收也不發(fā)射能量。軌道角動(dòng)量

L=nh2πBohr量子化條件15第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律（2）電子在不同軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)具有不同的能量，即具有許多定態(tài)。通常，電子處在離核最近的軌道上，能量最低，原子處于基態(tài)；原子得能量后，電子被激發(fā)到高能軌道上，原子處于激發(fā)態(tài)。把這些具有不連續(xù)能量的定態(tài)稱為能級。軌道離核越遠(yuǎn)，能量越大。16第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律（3）處于激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)定，可以躍遷到離核較近的軌道上。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：-13.6E=n2eVhν=E2-E1E2-E1ν=h各能級的能量為：17第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律√

計(jì)算氫原子的電離能玻爾理論的成功之處√解釋了H及He+、Li2+、B3+的原子光譜√說明了原子的穩(wěn)定性√對其他發(fā)光現(xiàn)象（如Ｘ光的形成）也能解釋×不能解釋氫原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)玻爾理論的不足之處×不能解釋多電子原子、分子或固體的光譜18第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律2.1.2微觀粒子運(yùn)動(dòng)的特性量子化性

由于原子中電子的能量是不連續(xù)的變化，故是量子化的，所以量子化性是原子中電子及一切微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特性之一。19第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律2核外電子運(yùn)動(dòng)的波粒二象性1924年，法國年輕的物理學(xué)家L.deBroglie(1892—1987)指出，對于光的本質(zhì)的研究，人們長期以來注重其波動(dòng)性而忽略其粒子性；與其相反，對于實(shí)物粒子的研究中，人們過分重視其粒子性而忽略了其波動(dòng)性。

L.deBroglie從Einstein的質(zhì)能聯(lián)系公式E=mc2和光子的能量公式E=hν

的聯(lián)立出發(fā)，進(jìn)行推理：用P表示動(dòng)量，則P=mc，故有公式20第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律電子衍射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了德布羅意的假設(shè)--微觀粒子具有波粒二象性。衍射環(huán)—波動(dòng)性！21第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律（1）測不準(zhǔn)原理(WernerHeisenberg,1926)

對于具有量子化和波粒二象性運(yùn)動(dòng)的微觀粒子不可能同時(shí)準(zhǔn)確測定它的空間位置和動(dòng)量（或速度）。Δx

－粒子的位置不確定量Δp－粒子的運(yùn)動(dòng)速度不確定量WernerHeisenberg(1901-1976)3.統(tǒng)計(jì)性位置測定越準(zhǔn)確，其相應(yīng)動(dòng)量的準(zhǔn)確度就越小，位置和動(dòng)量不能同時(shí)被精確測定。22第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律3.統(tǒng)計(jì)性(2)微觀粒子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律統(tǒng)計(jì)規(guī)律認(rèn)為：在空間某一波的強(qiáng)度（波的振幅的絕對值的平方）和粒子出現(xiàn)的概率密度（單位體積的概率）成正比；

衍射強(qiáng)度大的地方，粒子出現(xiàn)的機(jī)會(huì)（概率）也多（概率大），而強(qiáng)度小的地方，粒子出現(xiàn)的機(jī)會(huì)也?。ǜ怕市。?；衍射強(qiáng)度即表示波的強(qiáng)度的大小，即電子出現(xiàn)概率的大小。也就是說，在空間區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)波的強(qiáng)度與粒子出現(xiàn)的概率成正比。所以電子運(yùn)動(dòng)雖然沒有確定的軌道，但是它在空間運(yùn)動(dòng)也是遵循一定規(guī)律的，即在空間出現(xiàn)的概率可由波的強(qiáng)度表現(xiàn)出來，因此電子及其微觀粒子波（物質(zhì)波）又叫概率波。由此可見，電子的波動(dòng)性確實(shí)和微觀粒子行為的統(tǒng)計(jì)性聯(lián)系在一起，反映了微觀粒子在空間區(qū)域出現(xiàn)概率的大小。所以統(tǒng)計(jì)性是一切微觀粒子運(yùn)動(dòng)的又一特征。23第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律

以上介紹的微觀粒子的三個(gè)特征（量子化性，波粒二象性，統(tǒng)計(jì)性）說明，研究微觀粒子，不能用經(jīng)典的牛頓力學(xué)理論，即不能用動(dòng)量和坐標(biāo)來描述核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而只能用統(tǒng)計(jì)的方法統(tǒng)計(jì)核外電子在一定位置或一定空間體積出現(xiàn)的概率是多少。量子力學(xué)—研究微觀粒子運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)規(guī)律24第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律小結(jié)氫原子光譜特征:①線狀的,不連續(xù)的②有規(guī)律的微觀粒子運(yùn)動(dòng)的特性①量子化性；②微觀粒子的波粒二象性③統(tǒng)計(jì)性25第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律§2.1氫原子光譜和微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特性§

2.2氫原子核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子力學(xué)描述§

2.3多電子原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)§

2.4元素的性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系26第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律§

2.2氫原子核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子力學(xué)描述2.2.1波函數(shù)經(jīng)典力學(xué)中，波的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一般是通過波函數(shù)來描述的。例如，駐波的波函數(shù)Ψ(x)=Asin2(x/λ)

波函數(shù)是波的振幅Ψ(x)與傳播位置x的函數(shù)量子力學(xué)的基本假定：任何微觀系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都可以用波的數(shù)學(xué)表達(dá)式—波函數(shù)來描述。27第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律2.2.2微觀粒子的運(yùn)動(dòng)方程——薛定諤方程知道微觀系統(tǒng)狀態(tài)可由波函數(shù)來描述，那么具體系統(tǒng)的波函數(shù)的具體形式如何求得呢？在經(jīng)典波的研究中，了解波動(dòng)狀態(tài)變化的根本規(guī)律是靠一些波動(dòng)方程來概括，并通過給定的物理?xiàng)l件，由解波動(dòng)方程便可得到波函數(shù)從而了解波的性質(zhì)。微觀粒子是否存在波動(dòng)方程？用它來概括微觀粒子運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律，再通過解這個(gè)方程得到我們關(guān)心的波函數(shù)的具體形式，從而了解微觀系統(tǒng)的性質(zhì)？28第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律1.微觀粒子的運(yùn)動(dòng)方程——Schr?dinger方程

1926年，奧地利物理學(xué)家Schr?dinger根據(jù)微觀粒子波粒二象性的概念，聯(lián)系駐波的波動(dòng)方程，并運(yùn)用德布羅意關(guān)系式，提出了描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的波動(dòng)方程式--薛定諤方程。

對于描述氫原子和類氫原子穩(wěn)定狀態(tài)（能量有確定的狀態(tài)）的電子運(yùn)動(dòng)的薛定諤方程是一個(gè)二階偏微分方程：Ψ(x,y,z)－量子力學(xué)中描述核外電子在空間運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)函數(shù)式，即原子軌道E－軌道能量（動(dòng)能與勢能總和）V－電子的勢能m—微粒質(zhì)量

h

—普朗克常數(shù)x,y,z—電子的空間坐標(biāo)Ψ(x,y,z)—波函數(shù)29第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律2.波函數(shù)的物理意義表示在原子核外空間一個(gè)質(zhì)量為m，離核的距離為r的電子在核電場勢能作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。求解薛定諤方程可以得到波函數(shù)ψ(x,y,z)的一系列具體形式，它是空間坐標(biāo)x，y，z的函數(shù)，而不是一個(gè)確定的值。

注意：波函數(shù)沒有非常直觀的物理圖像，其平方的值，代表電子在核外空間某點(diǎn)電子出現(xiàn)的概率密度。30第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律3.量子數(shù)將三維直角坐標(biāo)系的薛定諤方程換算成球極坐標(biāo)

系的形式：只和變量r有關(guān)系，即它是只和電子與核的距離r有關(guān)系的函數(shù)，稱為徑向波函數(shù)。是與角度θ，φ有關(guān)的函數(shù)，稱為角度波函數(shù)。31第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律求解薛定諤方程的過程中，為了得到合理的解，引進(jìn)了3個(gè)參數(shù)，稱為量子數(shù)。分別是n，l，m，它們的合理組合代表一個(gè)波函數(shù)。n:

主量子數(shù)n=1,

2,

3,

4,

…(最大值為7)l：角量子數(shù)

l=0,

1,

2,

3,

…(n-1)m:磁量子數(shù)m=0,±1,±2,±3,…±l量子數(shù)的合理取值：l的取值受n的制約，n≥l+1，即l只能取比n小1的任何正整數(shù)；m的取值受l的制約，m只能取±l或者0.32第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律練習(xí)：判斷下列量子數(shù)的組合能否代表一個(gè)波函數(shù)。nlmY/N100Y22-1N32-2Y41-3N41-1Y33第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律4.原子軌道及其符號的規(guī)定原子軌道的定義量子力學(xué)中，把原子中n,

l,

m都有確定值的單電子波函數(shù)稱為原子軌道（電子的一種空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)）。原子軌道的符號由n,

l,

m三個(gè)量子數(shù)組成；n：由n的取值1,

2,

3,

…數(shù)字表示；l：按照光譜學(xué)上的規(guī)定，l=0,

1,

2,

3分別用符號s,

p,

d,

f表示；用x,

y,

z代表不同l和m的組成，決定了角度分布；m寫在l的右下角；m的符號用角度波函數(shù)的最大絕對值在x，y，z直角坐標(biāo)軸的位置標(biāo)示。2px3dxz34第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律表2.1n,l,m的組合關(guān)系、軌道名稱和軌道數(shù)一定n值的總軌道數(shù)為n2；一定l值的軌道數(shù)為2l+1,35第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律練習(xí)：寫出下列量子數(shù)組合所代表的軌道名稱。n=n，l=0，m=0

1s,2s,3s等；n=2，l=1，m=0

2pz；n=2，l=1，m=±1

2px或2py；n=3，l=2，m=0

3dz2n=3，l=2，m=±1

3dxz或3dyzn=3，l=2，m=±2

3dx2-y2或3dxy36第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律5.氫原子中電子的能量

m為電子質(zhì)量;e，元電荷量;K，靜電常數(shù);Z，核電荷數(shù);h，普朗克常數(shù);n，主量子數(shù)不同狀態(tài)的氫原子的能量和主量子數(shù)n的平方成正比，因此，主量子數(shù)在確定電子運(yùn)動(dòng)的能量中起到頭等重要的作用;n由小到大，電子的能量由低到高，電子的能量是量子化的。37第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律2.2.3概率密度和電子云核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)----統(tǒng)計(jì)的方法----出現(xiàn)機(jī)會(huì)----概率概率密度=概率/體積1.概率密度

因?yàn)樵诳臻g某點(diǎn)波的強(qiáng)度與波函數(shù)的絕對值的平方|Ψ|2

成正比，因此常用|Ψ|2

表示核外電子在空間出現(xiàn)的概率密度。

|Ψ|2

值大，單位體積內(nèi)電子出現(xiàn)的概率大

|Ψ|2

值小，單位體積內(nèi)電子出現(xiàn)的概率小38第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律2.電子云為了形象地表示電子在核外空間出現(xiàn)的概率分布情況，可以用小黑點(diǎn)的疏密來表示電子在核外空間各處的概率密度|Ψ|2

。這些在原子核外分布的小黑點(diǎn)，好似一團(tuán)帶負(fù)電的云，把原子核包圍起來，如同天空中的云霧籠罩在原子核外一樣，所以形象地稱它為電子云。通常把|Ψ|2

在核外空間分布的圖形叫電子云。39第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律2.2.4波函數(shù)和電子云的圖像波函數(shù)的角度部分，隨角度θ，φ變化的圖形稱為原子軌道的角度分布圖。1.原子軌道的角度分布ypzs軌道：球面p軌道：兩個(gè)相切的球面，一半為正，一半為負(fù)。（pxyz根據(jù)最大值出現(xiàn)的軸命名）這種圖形對原子間成鍵形成分子的過程很有用。40第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律原子軌道角度分布圖上從原點(diǎn)到曲面上截距的大小，表示不同方向上角度波函數(shù)Y值的相對大小。它只與l，m有關(guān)，而與n無關(guān)，因此只要l，m相同的原子軌道，它們的角度分布圖相同。d軌道：有五種分布，除dz2軌道外，都是四瓣花形。有正負(fù)。41第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律2.電子云的角度分布sypzpxp電子云角度部分隨角度變化的圖形，叫電子云角度分布圖。42第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律電子云的角度分布圖表示不同方向上，從坐標(biāo)原點(diǎn)到曲面截距的大小代表電子云角度分布的相對大小，也即表示電子在空間不同方向上出現(xiàn)的概率密度|Ψ|2的相對大小。43第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律相同點(diǎn)：

電子云角度分布圖形和原子軌道角度分布圖形形狀相似，它們的極大值在同一方向；區(qū)別：（1）原子軌道角度分布圖有正負(fù)之分，而電子云的角度分布圖因角度函數(shù)經(jīng)平方后無正負(fù)之分；（2）電子云的角度分布圖比原子軌道角度分布圖“瘦”，因角度函數(shù)|Y|≤1，所以|Y|2值比|Y|值更小。44第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律3.電子云的徑向分布圖電子云角度分布圖只能表示電子在空間不同角度出現(xiàn)的概率密度的大小，而不能表示電子在離核多遠(yuǎn)的區(qū)域出現(xiàn)概率密度的大小。電子云的徑向分布圖表示電子出現(xiàn)的概率和離核遠(yuǎn)近關(guān)系圖。以徑向波函數(shù)D(r)=r2R2(r)為縱坐標(biāo)，以離核的半徑r為橫坐標(biāo)的圖形叫電子云徑向分布圖；45第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律徑向波函數(shù)的物理意義：D(r)表示在半徑為r的球面附近，單位厚度球殼內(nèi)電子出現(xiàn)的概率。46第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律2.2.5四個(gè)量子數(shù)的物理意義1.主量子數(shù)n2.角量子數(shù)l

3.磁量子數(shù)

m4.

自旋量子數(shù)ms

量子數(shù)的合理取值：l

≤n-1；m=±l，047第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律1.主量子數(shù)n決定電子定態(tài)的能量；不同的n值，對應(yīng)于不同的電子層

n的取值：１２３４５…

相應(yīng)的符號：KLMNO…n越大，電子離核的平均距離越遠(yuǎn)，能量越高。通常，將n相同的各原子軌道歸并為同一電子層。48第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律2.角量子數(shù)l與角動(dòng)量有關(guān)，對于多電子原子，l

也與E有關(guān)

l的取值:0，1，2，3相應(yīng)的符號：s,p,d,f

l

決定了ψ的角度函數(shù)的形狀

49第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律s軌道(l=0,m=0):m一種取值,空間一種取向,一條s軌道

p軌道(l

=1,m=+1,0,-1)

m三種取值,三種取向,三條等價(jià)(簡并)p軌道50第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律3.磁量子數(shù)m與角動(dòng)量的取向有關(guān)，取向是量子化的

m的取值：0，±1,±2,…,±l

m決定了ψ角度函數(shù)的空間取向51第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律d

軌道(l=2,m=+2,+1,0,-1,-2):m五種取值,空間五種取向,五條等價(jià)(簡并)d

軌道52第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律m=0pz或dz2

如2pz

，3pz和3dz2

波函數(shù)最大絕對值在z軸上；m=±1px,py或dxz,dyz

如2px,2py,

3px,

3py和3dxz,3dyzpx波函數(shù)最大絕對值在x軸上；

py波函數(shù)最大絕對值在y軸上；dxz,波函數(shù)最大絕對值在xz平面上；dyz波函數(shù)最大絕對值在yz平面上；m=±2dxy或dx2-y2

如3dx2-y2,3dxy

dxy波函數(shù)最大絕對值在xy平面上；

dx2-y2

波函數(shù)最大絕對值在x軸和y軸上；53第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律4自旋量子數(shù)ms

描述電子繞自軸旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)

自旋運(yùn)動(dòng)使電子具有類似于微磁體的行為

ms取值+1/2和-1/2，分別用↑和↓表示54第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律角量子數(shù)0123……原子軌道

spdf……例如:n=2,l=0,m=0,2s

n=3,l=1,m=0,3pz

n=3,l=2,m=0,3dz2核外電子運(yùn)動(dòng)軌道運(yùn)動(dòng)自旋運(yùn)動(dòng)與一套量子數(shù)相對應(yīng)（自然也有1個(gè)能量Ei)nlmms55第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律量子數(shù)與電子云的關(guān)系(1)n:決定電子云的大小(2)l:描述電子云的形狀(3)m:描述電子云的伸展方向

56第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律練習(xí)：寫出與軌道量子數(shù)n=4,l=2,m=0的原子軌道名稱。原子軌道是由n,l,m三個(gè)量子數(shù)決定的。與

l=2

對應(yīng)的軌道是d

軌道。因?yàn)閙=0，所以在z2方向

，因此，該原子軌道的名稱為

57第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律練習(xí)：

按照主量子數(shù)和角量子數(shù)依次增大的順序，寫出原子軌道的名稱，并指出原子軌道的形狀。n=1，l=0，m=0

1sn=2，l=0，m=0

2sn=2，l=1，m=0

2pz；n=2，l=1，m=±1

2px或2py；n=3，l=0，m=0

3s；n=3，l=1，m=0

3pzn=3，l=1，m=±1

3px或3py；n=3，l=2，m=0

3dz2n=3，l=2，m=±1

3dxz或3dyzn=3，l=2，m=±2

3dx2-y2或3dxyn=4，l=0，m=0

4s；n=4，l=1，m=0

4pz；n=4，l=1，m=±1

4px或4py；n=4，l=2，m=0

4dz2n=4，l=2，m=±1

4dxz或4dyzn=4，l=2，m=±2

4dxy或4dx2-y258第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律n=1，l=0，m=0

1sn=2，l=0，m=0

2sn=2，l=1，m=0

2pz；n=2，l=1，m=±1

2px或2py；n=3，l=0，m=0

3s；n=3，l=1，m=0

3pzn=3，l=1，m=±1

3px或3py；n=3，l=2，m=0

3dz2n=3，l=2，m=±1

3dxz或3dyzn=3，l=2，m=±2

3dx2-y2或3dxyn=4，l=0，m=0

4s；n=4，l=1，m=0

4pz；n=4，l=1，m=±1

4px或4py；n=4，l=2，m=0

4dz2n=4，l=2，m=±1

4dxz或4dyzn=4，l=2，m=±2

4dxy或4dx2-y2等價(jià)（簡并）軌道：n,l相同,m不同！59第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律§2.1氫原子光譜和微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特性§

2.2氫原子核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子力學(xué)描述§

2.3多電子原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)§

2.4元素的性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系60第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律多電子原子的原子結(jié)構(gòu)，就是將原子中所有的電子分布在核外的原子軌道上；描述多電子原子的運(yùn)動(dòng)，關(guān)鍵是解決原子中各個(gè)電子的能級。61第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律2.3.1多電子原子軌道的能級

軌道

與氫原子類似,其電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可描述為1s,2s,2px,2py,2pz,3s，…62第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律1Pauling近似能級圖能級組：將能量相近的能級劃分為一組；共分為若干個(gè)能級組；能級組內(nèi)各能級能量差別不大，組與組之間能量差別大；能級組的存在，是周期表中化學(xué)元素可劃分為各個(gè)周期及每個(gè)周期應(yīng)有元素?cái)?shù)目的根本原因。相對能量！光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果63第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律原子軌道能級由低到高的順序（1）l相同，n越大，能級越高，1s<2s<3s<4s1s;2s,2p;3s,3p;4s,3d,4p;5s,4d,5p;6s,4f,5d,6p;7s,5f,6d,……多電子原子軌道的能級與主量子數(shù)和角量子數(shù)有關(guān)（2）n相同，l越大，能級越高，ns<np<nd<nf（3）n不同，l不同，有時(shí)出現(xiàn)能級交錯(cuò)，4s<3d，

5s<4d,6s<4f<5d,…..64第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律2.屏蔽效應(yīng)和有效核電荷

屏蔽效應(yīng)多電子原子中其余電子抵消核電荷對指定電子的作用叫屏蔽效應(yīng)。屏蔽常數(shù)σ用于衡量屏蔽效應(yīng)的強(qiáng)弱的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)屏蔽常數(shù)大小的影響因素與其余電子的多少以及這些電子和指定電子所處的軌道有關(guān)；65第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律屏蔽常數(shù)的計(jì)算—斯萊特規(guī)則1.將原子中的電子按如下原子軌道分組；(1s)(2s,2p)(3s,3p)(3d)(4s,4p)(4d)(4f)(5s,5p)(5d)2.內(nèi)層電子對指定電子的屏蔽常數(shù)值規(guī)定如下：a：位于指定電子右邊各組的電子，對指定電子沒有屏蔽作用，即σ=0;b：1s軌道上的2個(gè)電子相互間σ=0.3；其它主量子數(shù)相同的各分層電子之間的σ=0.35；c：被屏蔽電子為ns或np時(shí)，則主量子數(shù)為(n-1)的各電子對它們的σ=0.85，(n-2)層軌道及其以內(nèi)的每一個(gè)電子對該電子的σ=1.00；d：被屏蔽電子為nd或nf時(shí)，則位于它左邊的各組電子對該電子的σ=1.00；3.將原子中其余電子對指定電子的屏蔽常數(shù)求和，即得到總的屏蔽常數(shù)Σσ.66第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律σ:屏蔽常數(shù)，其取值為a.1s軌道上的兩個(gè)電子之間：σ=0.30b.其它同層電子之間：σ=0.35c.(n－1)層電子對n層電子:σ=0.85d.(n－2)層以內(nèi)電子對n層電子:σ=1.00e.位于nd或nf電子左邊的各組電子對該電子的σ=1.00.67第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律2.屏蔽效應(yīng)和有效核電荷（2）有效核電荷：核電荷數(shù)Z減去指定電子屏蔽常數(shù)的和叫作有效核電荷。68第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律例1

He原子核作用在1s電子上的有效核電荷是多少？練習(xí)1N原子核作用在一個(gè)2p電子上的有效核電荷是多少？解：解：69第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律2.屏蔽效應(yīng)和有效核電荷（3）多電子原子近似能級公式P50多電子原子中電子的能級不僅取決于主量子數(shù)n，而且與有效電荷——屏蔽常數(shù)有關(guān)；一般來講，在核電荷為Z且主量子數(shù)相同的條件下，屏蔽常數(shù)的和越大，有效電荷越小，核對該電子的吸引力就越小，因此該層電子的能量就越高。70第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律3.鉆穿效應(yīng)由于角量子數(shù)l不同，電子的徑向分布不同，電子鉆到核附近的概率不同，因而能量不同的現(xiàn)象叫做鉆穿效應(yīng)。外層電子可以鉆到內(nèi)層，而出現(xiàn)在離核較近的地方，從而部分回避了內(nèi)層電子對它的屏蔽，使它受到的有效核電荷增大，軌道的能級就降低。71第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律能級交錯(cuò)雖然4s的最大峰比3d最大峰遠(yuǎn)得多，但是4s的第一峰鉆到比3d峰離核更近的地方，鉆穿效應(yīng)大，從而部分回避了內(nèi)層電子對它的屏蔽作用，因而E4s<E3d,發(fā)生了能級交錯(cuò)的現(xiàn)象。72第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律4.原子軌道的能量和原子序數(shù)的關(guān)系-----Cotton原子軌道能級圖不同元素原子中各同名能級的能量并不是固定不變的，它隨原子序數(shù)的改變而改變。原子軌道能級圖的特點(diǎn)：（1）對Z=1的氫原子來說，主量子數(shù)相同而角量子數(shù)不同的軌道，不產(chǎn)生能級分裂，全處于同一能量點(diǎn)；(2)Z＞1，同名原子軌道的能量，隨原子序數(shù)的增大而減??；(3)n相同l不同，能量下降幅度不同，于是產(chǎn)生能級分裂，l大的軌道下降幅度小，能量高；(4)不同元素，軌道的能級次序不同，有能級交錯(cuò)現(xiàn)象。Enp>Ens>E(n-1)d>E(n-2)f73第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律

原子核外電子排布是通過原子的電子層、亞層和原子軌道來實(shí)現(xiàn)的，并遵循一定的規(guī)則。(1)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(gè)原子系統(tǒng)能量最低。2.3.2多電子原子核外電子的排布1.核外電子的排布原則1s2s2p

3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p74第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律

(2)Pauli不相容原理每個(gè)原子軌道中最多容納兩個(gè)自旋相反的電子。

(3)Hund規(guī)則在n和l相同的軌道上排布電子,電子盡可能以自旋方向相同的方式分占不同的軌道。75第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律例：7號元素N,核外有7個(gè)電子:1s22s22p3Hund規(guī)則的特例：當(dāng)軌道處于全滿、半滿、全空時(shí),原子較穩(wěn)定76第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律2.基態(tài)原子的核外電子排布式定義：基態(tài)原子核外電子分布的表達(dá)式稱為元素的電子排布式，或稱為原子的電子結(jié)構(gòu)分布式。含義：表示了原子的電子結(jié)構(gòu)。77第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律原子電子排布式寫法：

1.寫出原子軌道能級順序

1s2s2p

3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p2.按照核外電子排布的三原則，在每個(gè)軌道上排布電子；3.然后按n和l依次增大的順序，將寫出來的式子進(jìn)行整理，得到原子的電子排布式。Br：1s22s22p63s23p6

3d104s24p5

Fe：1s22s22p63s23p63d64s2Ar：1s22s22p63s23p6K：1s22s22p63s23p64s1Z=35

Z=26Z=18

Z=19

78第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律1.什么時(shí)候需要整理？能級交錯(cuò)的時(shí)候2.處于電子排布式的最右端的什么軌道？P54，表2.3s或p軌道。79第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律為了避免書寫過長，以及化學(xué)反應(yīng)通常涉及外層價(jià)電子的得失和參與成鍵，因此常將內(nèi)層電子排布式用相同電子數(shù)的稀有氣體符號加括號表示，而只寫價(jià)電子的排布式，又稱價(jià)電子構(gòu)型。（P56，表2.4）例外：原子

能級排列序列

光譜實(shí)驗(yàn)序列

Cr

Mo

Cu

Ag

Au

[Ar]3d

44s

2

[Kr]4d

45s

2

[Ar]3d

94s

2

[Kr]4d

95s

2

[Xe]4f

145d

96s

2

[Ar]3d

54s

1

[Kr]4d

55s

1

[Ar]3d

104s

1

[Kr]4d

105s

1

[Xe]4f14

5d106s

1

Z=35

Br：[Ar]3d104s24p5

讓d軌道處于半滿或者全滿的狀態(tài)80第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律練習(xí)81第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律226262525Mn:1s2s2p3s3p4s3d2262652

1s2s2p3s3p3d4s理整：2262652Mn:1s2s2p3s3p3d＋

故

練習(xí)82第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律原子核外電子排布決定了元素的性質(zhì)，特別是最外層電子排布對元素性質(zhì)有極大的影響；由于核外電子基本上是按近似能級圖進(jìn)行排布，從而使原子電子層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了周期性的變化規(guī)律，構(gòu)成了元素周期表。元素周期表是元素周期律的體現(xiàn)形式，它能全面地反映元素性質(zhì)的周期性，所以原子結(jié)構(gòu)周期性變化是周期表的核心。2.3.3元素的原子結(jié)構(gòu)和周期系83第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律能級組元素?cái)?shù)目周期1s2一2s2p

8二3s3p8三4s3d4p18四5s4d5p18五6s4f5d6p32六7s5f6d7p？

七特短周期不完全周期特長周期能夠填充的電子數(shù)288181832？84第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律化學(xué)反應(yīng)—外層電子按照元素的原子在哪一亞層上新增加電子，把元素周期表劃分為5個(gè)區(qū)：2.3.4原子的電子層結(jié)構(gòu)和元素周期表的分區(qū)分區(qū)價(jià)電子構(gòu)型sns1~2pns2np1~6d(n-1)d1~8ns2ds(n-1)d10ns1~2f(n-2)f0~14(n-1)d0~2ns285第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律s區(qū)d區(qū)ds區(qū)p區(qū)s區(qū)86第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律2.3.5原子的電子層結(jié)構(gòu)和周期律元素的原子序數(shù)等于該元素原子的核電荷數(shù)或核外電子數(shù)；元素的周期數(shù)等于該元素原子的電子層數(shù)，等于最高能級組數(shù)。各周期元素的數(shù)目等于相應(yīng)能級組中所有原子軌道所能容納的電子總數(shù)。同一周期元素原子結(jié)構(gòu)依次遞變，元素性質(zhì)依次遞變，各元素的性質(zhì)出現(xiàn)周期性，就是由于它們的原子隨著原子序數(shù)的增大，周期性地重復(fù)著相似的電子層結(jié)構(gòu)的緣故；主族元素的族號數(shù)等于原子最外層電子數(shù)；同族元素在化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)上的類似性，決定于原子最外電子層結(jié)構(gòu)的類似性，而同族元素在性質(zhì)上的遞變則決定電子層數(shù)的依次增加。87第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律小結(jié)：核外電子的排布原則最低能量原理、Pauli不相容原理、Hund規(guī)則原子核外電子排布式的寫法：1.寫出原子軌道能級順序；2.按照核外電子排布的三原則，在每個(gè)軌道上排布電子；3.然后按n和l依次增大的順序，將寫出來的式子進(jìn)行整理，得到原子的電子排布式。88第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律§2.1氫原子光譜和微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特性§2.2氫原子核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子力學(xué)描述§2.3多電子原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)§2.4元素的性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系89第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律原子半徑電離能電子親和能電負(fù)性氧化數(shù)90第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律2.4.1原子半徑（r）量子力學(xué)：電子在核外運(yùn)動(dòng)沒有固定的軌道，只是電子概率分布不同，它們沒有明確的界面；假定：原子呈球體，借助相鄰原子的核間距來確定原子半徑；原子半徑=相鄰原子的核間距的一半91第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律共價(jià)半徑同種元素的兩個(gè)原子以共價(jià)單鍵結(jié)合時(shí)，其核間距離的一半;金屬半徑金屬單質(zhì)的晶體中，相鄰兩原子的核間距離的一半;范德華半徑當(dāng)原子間沒有形成化學(xué)鍵而只靠分子間的作用力互相接近時(shí)，相鄰兩原子的核間距離的一半.原子的存在形式92第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律同周期原子半徑的變化趨勢總趨勢：隨著原子序數(shù)的增大,原子半徑自左至右減小解釋:電子層數(shù)不變的情況下,有效核電荷的增大導(dǎo)致核對外層電子的引力增大93第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律鑭系收縮含義：鑭系元素原子半徑隨原子序數(shù)的遞增而依次減小的積累叫作鑭系收縮。原因：新增加的電子填入由外向內(nèi)數(shù)第三層上，對外層電子的屏蔽效應(yīng)更大，外層電子所受到的有效核電荷Z*

增加的影響更小。收縮后果：鑭系元素相互間性質(zhì)相似；同副族的第二和第三副族上下兩個(gè)元素的原子半徑相差很??；使第六周期重元素較同周期的輕元素有較高的電離能。94第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律主族元素：從左到右r減小;從上到下r增大。同一族原子半徑的變化趨勢95第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律過渡元素從左到右r緩慢減小;從上到下r略有增大。同B族變化不明顯，特別是第五和第六周期的B族元素、原子半徑非常接近，以致于它們的性質(zhì)非常相似，在自然界中常常共生在一起，難以分離。96第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律負(fù)離子半徑

大于原子半徑正離子半徑

小于原子半徑同一元素原子半徑的變化趨勢97第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律98第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律原子半徑與元素金屬性和非金屬性之間的關(guān)系原子半徑小，核電荷對外層電子的吸引力強(qiáng)，元素的原子就難失去電子而易與電子結(jié)合，非金屬性就強(qiáng)；原子半徑大，核電荷對外層電子的吸引力弱，元素的原子就易失去電子，金屬性就強(qiáng)99第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律2.4.2元素的電離能1元素電離能的定義

基態(tài)氣體原子失去電子成為帶一個(gè)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(jià)氣態(tài)正離子失去電子成為+2價(jià)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+(g)+e-I

1100第2章大學(xué)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)和元素周期律影響電離能的因素原子半徑、核電荷原子半徑越小，有效核電荷越大，原子