基础化学：第九章 原子结构和元素周期表.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,化学与医学的关系,医学是探讨人体生理现象和病理现象的规律，从而寻找防病治病方法，以保护人类健康的科学。,人体是由糖、脂肪、蛋白质、无机盐和水等物质所组成,人体内的一切生理现象和病理现象都与化学变化息息相关。,临床检验、环境保护、生命科学、药物治疗及合成等都与化学密切相关。,基础化学课程的内容和学习建议,1.,基础化学课程的内容,从医学生需要掌握的无机、分析和物理化学中选编，主要讲授大学化学的基本概念、原理和技术，为医学生从事医学工作打好化学基础。,2.,学习建议,从中学到大学方法的改变，掌握学习的主动权，强调自学能力的培养。,课前预习，课间笔记，课后复习，阅读参考书，加深理解，总结。,多做思考题和练习题。,参考书：,无机化学,谢吉民主编，人卫版。,第九章 原子结构与元素周期表,Atomic Structure and Element Periodic Table,原子结构与元素周期表,第一节 核外电子运动状态及特征,第二节 氢原子的波函数和量子数,第三节 多电子原子的核外电子排布,第四节 原子的电子组态与元素周期表,第一节 核外电子运动状态及特征,一、原子结构的认识史,(,了解,),二、,量子力学,的概念,（一）,波粒二象性,（二）,不确定原理,（三）,薛定谔方程,电子运动的波动方程,一、原子结构的认识史,19,世纪初，道尔顿提出了著名的,原子学说,。,19,世纪末，汤姆逊提出了原子的“,枣糕模型,”。,1911,年，卢瑟福提出了“,行星系式,”原子模型。,1913,年，玻尔以“,量子化,”和“,能级,”的观点提出了“,定态模型,”，即原子核外的电子只能在符合一定量子化条件的轨道上绕核运动。,其中能级最低为,基态,其余能级高于基态的为,激发态,原子轨道的能量是量子化的,.,并推得氢原子轨道能量为,E,n,=-13.6/n,2,(ev),n,为量子数,.,(,一,),波粒二象性,德布罗意,(L.de Broglie),提出了,电子,等实物粒子与光一样也有,波粒二象性,的假设。对于质量为,m,，速率为,v,的微粒，动量为,p,，其波长为,=,h,p,h,mv,这就是著名的,de Broglie,关系式，反映粒子性的,p,、,m,、,v,和反映波动性的,通过,Planck,常数,h,联系在一起。,二、量子力学的概念,h,=6.626,10,-34,JS,波动性的证实,:,电子衍射实验,1927,年物理学家戴维逊,(Davisson),和革末,(Germer),用电子束通过金属单晶光栅进行了电子衍射实验,。,波动性的证实,:,电子衍射实验,所以，,电子波是,概率波,(probability wave),反映了电子在空间各区域出现的概率的大小。,电子衍射图,单个电子穿过晶体光栅后投射在屏幕上,多个电子穿过晶体光栅后投射在屏幕上,在电子出现,多,的地方，出现,亮,的环纹。电子出现,少,的地方，出现,暗,的环纹。,（二）,不确定原理（测不准原理）,海森堡,(W.Heisenberg),认为，描述微观粒子的运动状态时，无法同时准确地测定粒子的位置和动量，从而得出了测不准关系,x,：,微观粒子,x,方向位置坐标的测不准量,(,误差,),，,p,x,：,x,方向动量的测不准量。,对粒子位置的测定精确度越高,(,即,x,越小,),，,其动量测定的精确度就越差,(,p,x,越大,),。,x,p,x,h,/(4,),不确定关系式,电子运动没有确定的轨道。,（三）,薛定谔方程,电子运动的波动方程,核外电子具有波粒二象性，,1926,年薛定谔,(Schrodinger),提出了描述电子运动规律的量子力学基本方程。,2,x,2,+(,E,-,V,),=0,2,y,2,2,z,2,8,2,m,h,2,(,x,，,y,，,z,),是电子在空间的坐标，,m,是电子的质量，,E,是电子的总能量，,V,是核对电子的吸引能，,是描述核外电子运动状态的数学函数，称为,波函数,(wave function),。,波函数,波函数是直角坐标,(,x,y,z,),或球极坐标,(,r,),的函数，是,Schrodinger,方程合理解。,|,|,2,却有明确的物理意义，表示在空间某处,(,x,y,z,),电子出现的,概率密度,(probability density),，即在该点周围微单位体积中电子出现的概率。,(,x,y,z,),或,(,r,),本身物理意义不明确。,核外电子的运动不具有固定的轨道,，存在概率分布问题。,总结,波函数,是描述核外电子运动状态的函数，,|,|,2,表示,概率密度,。,第二节 氢原子的波函数和量子数,波函数,n,l,m,(,r,),可写成两部分的乘积,径向波函数,角度波函数,一、波函数,n,l,m,(,r,)=,R,n,l,(,r,),Y,l,m,(,),|,|,2,=,|,R,(,r,),|,2,|Y(,)|,2,在,r,相同时，,|Y(,)|,大则概率密度大,量子力学中将波函数,称为,原子轨道,(atomic orbital,，,AO,),。,氢原子的一些波函数,轨道,n,l,m,(,r,),R,n,l,(,r,),Y,l,m,(,),1s,2s,2p,z,2p,x,2p,y,第二节 氢原子的波函数和量子数,二、原子轨道和量子数,主量子数,n,（轨道）角（动量）量子数,l,磁量子数,m,自旋（角动量）量子数,s,要解,Schrodinger,方程，需要确定三个参数的数值，这三个参数表示电子某种类型的运动状态，分别用,n,、,l,、,m,表示，称为,量子数,。,另外，核外电子还存在自旋运动，用量子数,s,来描述,给定一套合理的,n,、,l,、,m,，,就可解出一个相应的,波函数,，即,一套,n,、,l,、,m,就代表一个原子轨道,。,（一）,主量子数,n,(principal quantum number),取值：任意非零正整数，即,n,1,、,2,、,3,、,n,意义：,俗称,电子层,。,n,值越大，电子出现概率最大的区域,距核越远,，,能量越高,。,当,n,1,、,2,、,3,、,4,时，,光谱学符号,K,、,L,、,M,、,N,。,(2),决定多电子原子电子能量的主要因素。,(1),反映了电子在核外空间出现概率最大的区域,离核的远近,；,（二）,轨道角动量量子数,l,(orbital angular momentum quantum number),取值：受,n,限制，,l,0,、,1,、,2,、,3,(,n-,1),正整数，,共可取,n,个值,。,l,意义,:(1),决定了同一电子层中不同的,亚层,（,能级,）,；,n,值,1 2 3 4 ,l,值,0,0,，,1,0,，,1,，,2,0,，,1,，,2,，,3,(2),决定原子轨道和电子云的,形状,。,l,值,0 1 2 3,4 5,亚层符号,形状,s,球形,p,d,f,g,h,双球形,花瓣形,（第,n,层有,n,个亚层）,（二）,轨道角动量量子数,l,(orbital angular momentum quantum number),亚层表示举例：,n,=2,，,l,0,的称,2s,电子亚层；,n,3,，,l,1,的称为,3p,电子亚层,E,ns,E,np,E,nd,E,nf,氢原子例外,:E,ns,=E,np,=E,nd,=E,nf,(3),在,多电子,原子中配合,n,一起决定电子的 能量。,n,相同，,l,越大，能量越高。,原因：,氢原子是,单电子,原子,（三）,磁量子数,m,(magnetic quantum number),取值：受,l,限制，可取包括,0,、,1,、,2,、,3,直至,l,，共,2,l,+1,个数值。,m,意义：决定原子轨道和电子云在空间的,伸展方向。,l,值,0 1 2,m,值,即：,s,亚层只有,1,个,AO;,p,亚层有,3,个,AO;,d,亚层有,5,个,AO;,f,亚层有,7,个,AO.,n,和,l,都相同的原子轨道能级相同，称为,等价轨道,或,简并轨道,。,0,-1,0,1,-2,-1,0,1,2,s,、,p,、,d,、,f,轨道依次有,1,、,3,、,5,、,7,种取向。,表,:,量子数,n,、,l,、,m,与原子轨道间的关系,主量子数,n,轨道角动量量子数,l,磁量子数,m,波函数,同一电子层的轨道数（,n,2,）,1,0,0,1s,1,2,0,1,0,0,1,2s,2P,Y,2P,X,2P,Z,9,3,0,1,2,1,0,0,0,1,2,3s,3P,Z,3P,Y,3P,X,3dz,2,3dxy,3dyz,3dxz,3dx,2,-y,2,4,（四）,自旋角动量量子数,s,(spin angular momentum quantum number),取值：,+1/2,和,1/2,，分别表示,顺时针,和,逆时针,两种自旋运动，通常也可分别用符号“,”和“,”。,表征：核外电子除围绕原子核的空间运动状态外本身的,自旋运动,。,在同一原子轨道中，可容纳两种相反自旋方向的电子，成为成对电子。,两个电子自旋方向相同时称为平行自旋，反之称为反平行自旋。,量子数举例,原子核外的每个电子的运动状态均可用对应的一套,n,、,l,、,m,、,s,四个量子数来描述。,练习：,1.,补足下列缺少的量子数,:,n,=3,l=,1,m=,?,s,=-1/2,。,例如，与,3s,1,对应的量子数为,解,:,m=,+1,或,0,或,-1,2.,以下组合是否正确,:(1),n,=3,，,l=,2,，,m=,3,，,s,=-1/2,；,(2),n,=2,，,l=,2,，,m,=-1,s=+1/2,；,解,:,(1),m=,+2,+1,0,-1,-2,(2),l=,1,n,3,，,l,=0,，,m,=0,，,s,=+1/2,或,1/2,。,也可写为,(3,0,0,+1/2),或,(3,0,0,1/2),（一）概率密度和电子云,将空间各处,|,|,2,（,概率密度）,用,疏密,程度不同的小黑点表示，所得图形称为,电子云,(electron cloud),，,其单位体积内黑点数与,|,|,2,成正比的,。,电子云是概率密度的形象化描述。（点越密表示概率密度越大。）,三、,波函数的图形,（一）概率密度和电子云,将电子云所表示的概率密度相同的各点连成曲面，称为等密度面。,等密度面,以内电子出现概率为,90%,的，称为电子云的界面图。,基态氢原子,1s,电子云的界面图,离核越,近,，电子云越密集，电子出现的概率密度愈,大,；,离核愈,远,，电子云愈稀疏，电子出现的概率密度愈,小,。,注意：黑点不代表电子,（也就是说电子主要在界面内出现）,s,p,d,电子云的形状,通常我们提到的电子云图形均指电子云的界面图，如,s,电子云为,球形,，,p,电子云为,哑铃形,d,电子云为,花瓣形,。,定义：,角度波函数,Y,l,m,(,),随方位角,、,的变化图形。,s,、,p,、,d,原子轨道的角度分布图,由于角度波函数,Y,l,m,(,),只与,l,、,m,有关，而与,n,无关，只要,l,、,m,相同，其角度分布图像相同。,如,1,s,和,2,s,，,2,p,x,和,3,p,x,的,角度分布图像相同。,（,二）,氢原子轨道的角度分布图,氢原子轨道的角度分布图,例,:,p,z,轨道的绘制。,由薛定谔方程可解得,:,0.472,+,-,y,z,15,Z,轴方向上概率密度最大,线段长度表示,|Y|,的数值,|,|,2,=,|,R,(,r,)|,2,|Y(,)|,2,P,z,原子轨道角度分布图,x,z,y,=0.282,s,原子轨道的绘制,氢原子轨道的角度分布图,返回,正负号表示,Y,l,m,(,),取值的正负。当两个波相遇产生干涉时，,同号,则相互,加强，异号,则相互,减弱或抵消,。,第三节 多电子原子的核外电子排布,一、多电子原子的能级和徐光宪公式,（一）屏蔽效应和钻穿效应（自学）,（二）徐光宪公式,二、基态原子核外电子的排布（重点）,多电子原子轨道的电子填充顺序图,一、多电子原子的能级和徐光宪公式,1939,年，美国化学家鲍林（,Pauling,）从大量光谱实验数据中总结出多电子原子的原子轨道的近似能级顺序。,1s,2s,3s,3p,2p,4s,3d,4p,5s,5p,4d,6s,4f,5d,6p,徐光宪公式,n,+0.7,l,值愈大，轨道能级愈高，并把,n,+0.7,l,值的第一位数字相同的各能级组合为一组，称为某能级组。,能级,1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,n,+0.7,l,1.0,2.0,2.7,3.0,3.7,4.0,4.4,4.7,5.0,5.4,5.7,6.0,6.1,6.4,6.7,能级组,原子能级,由低到高,依次为,1s,，,(2s,，,2p),，,(3s,，,3p),，,(4s,，,3d,，,4p),，,(5s,，,4d,，,5p),，,(6s,，,4f,，,5d,，,6p),括号表示能级组。此顺序与鲍林近似能级顺序吻合。,我国著名化学家北京大学徐光宪教授，根据光谱实验数据对基态多电子原子轨道的能级高低提出一种半定量的依据,:,（,注意,：比较的是同一原子上的轨道）,二、基态原子核外电子的排布,1.,核外电子排布的一般规则,:,泡利,不相容原理,;,每个,AO,中最多容纳两个自旋方向相反的电子。,能量最低原理,;,电子在核外排列应尽可能先排布在能量低的轨道上。,8,O,1,s,2,2,s,2,2,p,4,3,s,3,p,3,d,4,s,17,Cl,2,2,6,1,s,2,s,2,p,3,s,3,p,3,d,4,s,2,5,根据这一原理可算出,各电子层最多能容纳电子数,为,2n,2,。,例如，,8,O,原子核外电子在原子轨道中的填充情况可表示为：,2s,1s,2p,而不是,2s,1s,2p,2s,1s,2p,或,洪特规则,;,电子将尽可能单独分占不同的等价轨道,且自旋方向平行。,p,6,d,10,f,14,p,3,d,5,f,7,p,0,d,0,f,0,洪特特例：,轨道处于,全充满、半充满、全空,时,原子较稳定。,原子实,(atomic kernel),：,内层已填充满至稀有气体元素电子层结构的部分，用稀有气体元素符号加方括号表示,。,基态原子核外电子的排布,基态原子,的电子排布式,（,又称,电子组态,）,:,(1),排布顺序与书写,:,按能级高低顺序,由低到高,排布,.,例如,:,2,7,号,Co:,1,s,2,2,2,s,2,2,p,6,3,s,2,3,p,6,3,d,7,4,s,书写顺序（按层写）,:1,s,2,2,s,2,2,p,6,3,s,2,3,p,6,3,d,7,4,s,2,也可书写为,:Ar,3,d,7,4,s,2,18,Ar,的电子排布式为,:1,s,2,2,s,2,2,p,6,3,s,2,3,p,6,其中,Ar,表示,Co,的,原子实,。,（基态指能量最低的状态，其它能量高的状态称为激发态）,核外电子的排布（练习）,练习,1.,写出,20,号,Ca,的核外电子排布式。,1,s,2,2,s,2,2,p,6,3,s,2,解：按能级高低顺序,由低到高,排布为,也可书写为,:Ar,4,s,2,练习,2.,写出,33,号,As,的核外电子排布式。,1,s,2,2,2,s,2,2,p,6,3,s,2,3,p,6,3,d,10,4,s,书写时改为,:1,s,2,2,s,2,2,p,6,3,s,2,3,p,6,3,d,10,4,s,2,4,p,3,解：按能级高低顺序,由低到高,排布为,也可书写为,:Ar 3,d,10,4,s,2,4,p,3,3,p,6,2,4,s,4,p,3,核外电子的排布（练习）,解：按能级高低顺序,由低到高,排布为,练习,3.,写出,2,4,号,Cr,的核外电子排布式,书写时改为,:1,s,2,2,s,2,2,p,6,3,s,2,3,p,6,3,d,5,4,s,1,1,s,2,2,2,s,2,2,p,6,3,s,2,3,p,6,3,d,4,4,s,也可书写为,:Ar,3,d,5,4,s,1,.,1,5,练习,4.,写出,2,9,号,Cu,的核外电子排布式。,1,s,1,2,2,s,2,2,p,6,3,s,2,3,p,6,3,d,10,4,s,解：排布为,也可书写为,:Ar,3,d,10,4,s,1,.,补充,:,(2),价层电子构型,:,价电子,参加化学反应时能用于成键的电子。,价电子层,价电子所在的亚层。,价层电子构型,就是价电子层的电子排布式。,电子排布式：,1,s,2,2,s,2,2,p,6,3,s,2,3,p,6,3,d,5,4,s,1,价电子层构型,:,3,d,5,4,s,1,例如,24,Cr,书写：一般包括最外层及最后一个电子填充的亚层。,20,Ca,33,As,1,s,2,2,s,2,2,p,6,3,s,2,3,p,6,4,s,2,Ar 3d,10,4s,2,4p,3,4,s,2,4s,2,4p,3,np,ns,(,n,-1),d,(,n,-2),f,原子,失,电子顺序并不是,填充,电子顺序的逆方向,.,例如,Fe,2+,:,Fe,2+,的电子排布式,Ar,6,再比如,Mn,2+,(,25,Mn):,3,d,Ar,3,d,5,而不是,:Ar3,d,4,4,s,2,.,(3),原子失电子顺序,:,26,Fe,的电子排布式为,Ar3,d,6,4,s,2,.,按以下价电子电离顺序的,经验规律,来排布,:,（先失最外亚层）,（原因,:3d,轨道,填充电子后,能量降低,，,2.0,为非金属,(,Si,例外,),增大,减小,