无机化学-原子结构省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

思索题思索题1）氢原子核外电子是怎样运动？基态氢原子玻尔氢原子核外电子是怎样运动？基态氢原子玻尔模型和量子力学模型有什么不一样？模型和量子力学模型有什么不一样？2）为何同周期主族元素从左到右，原子半径显著为何同周期主族元素从左到右，原子半径显著减小减小?而同周期过渡元素从左到右，原子半而同周期过渡元素从左到右，原子半径减小比较迟缓径减小比较迟缓?第五章第五章 原子结构原子结构第1页5.1玻尔原子模型玻尔原子模型5.1.1原子光谱原子光谱当将白光经过棱镜时，会得到红、橙、黄、绿、青、蓝、当将白光经过棱镜时，会得到红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光。各色光之间无明确界限，是连续光带，称为紫七色光。各色光之间无明确界限，是连续光带，称为连续光谱连续光谱第2页红 橙 黄 绿 青 蓝 紫第3页然而当将装有高纯度、低压氢气放电管所发出光经过然而当将装有高纯度、低压氢气放电管所发出光经过棱镜时，只能得到一些频率下若干条光谱线，如图所棱镜时，只能得到一些频率下若干条光谱线，如图所表示。这种由一条条分立光谱线组成光谱称为不连续表示。这种由一条条分立光谱线组成光谱称为不连续光谱，也称线状光谱。光谱，也称线状光谱。真空管中含少许真空管中含少许H2(g)，高压放电，高压放电，发出紫外光和可见光发出紫外光和可见光三棱镜三棱镜不连续线状光谱不连续线状光谱第4页当原子被火焰、电弧或其它方法所激发时，能发出一系当原子被火焰、电弧或其它方法所激发时，能发出一系列含有一定频率光谱线。这些光谱线总称为原子光谱。列含有一定频率光谱线。这些光谱线总称为原子光谱。这些光谱线是原子受激发后从原子内部辐射出来能量这些光谱线是原子受激发后从原子内部辐射出来能量所形成，所以又称为发射光谱。所形成，所以又称为发射光谱。因为每种元素都有自已独特原子光谱，而且元素原子因为每种元素都有自已独特原子光谱，而且元素原子含量越多，光谱线强度越强，所以可利用原子光谱进含量越多，光谱线强度越强，所以可利用原子光谱进行元素定性和定量分析。行元素定性和定量分析。原子光谱发觉，证实了原子内电子能量改变不连续性。原子光谱发觉，证实了原子内电子能量改变不连续性。也就是电子能量是量子化。也就是电子能量是量子化。第5页量子化：量子化：假如一个物理量改变不是连续，而是按某一最小单位假如一个物理量改变不是连续，而是按某一最小单位呈跳跃式增加或降低，就称该物理量是呈跳跃式增加或降低，就称该物理量是“量子化量子化”了，了，而这一最小单位称为该物理量而这一最小单位称为该物理量“量子量子”。比如，电荷有。比如，电荷有一最小单位，即一个电子所带电量一最小单位，即一个电子所带电量e(e=1.602210-19C)，任何物体所带电荷只能是任何物体所带电荷只能是e整数倍。宏观物体所带电量整数倍。宏观物体所带电量Q远大于远大于e(如如1库仑电量等于库仑电量等于1/1.602210-19=6.241018个个电子电荷电子电荷)，所以一个个，所以一个个e跳跃式增减显示不出来，可被跳跃式增减显示不出来，可被认为该物体电量是连续改变。但对微观粒子如离子所带认为该物体电量是连续改变。但对微观粒子如离子所带电量只有一个或几个电量只有一个或几个e，则其荷电量改变就表现出是一则其荷电量改变就表现出是一个一个个一个e跳跃式增减，即不连续改变了。也就是说微观跳跃式增减，即不连续改变了。也就是说微观粒子荷电量是量子化。粒子荷电量是量子化。第6页5.1.2玻尔氢原子模型玻尔氢原子模型为解释氢原子光谱，丹麦物理学家玻尔在普朗克量子论、为解释氢原子光谱，丹麦物理学家玻尔在普朗克量子论、爱因斯坦光子理论和卢瑟福原子模型基础上，于爱因斯坦光子理论和卢瑟福原子模型基础上，于19提出提出了一个原子结构模型。其关键点以下：了一个原子结构模型。其关键点以下：(1)假定电子在核外只能沿着一些特定圆形轨道运动。在假定电子在核外只能沿着一些特定圆形轨道运动。在每一特定轨道上运动电子含有特定能量，不放出能量，每一特定轨道上运动电子含有特定能量，不放出能量，也不吸收能量。也不吸收能量。依据这一假设和经典力学定律，玻尔推导出了氢原依据这一假设和经典力学定律，玻尔推导出了氢原子或类氢离子子或类氢离子(如如He+、Li2+等等)核外电子轨道半径核外电子轨道半径rn和和能量能量En公式公式第7页a0为玻尔半径，等于为玻尔半径，等于0.053nmZ为核电荷数；为核电荷数；n=1，2，3，是正整数，称为量子数是正整数，称为量子数从上式可知：氢原子或类氢离子体系中电子不可能有任意从上式可知：氢原子或类氢离子体系中电子不可能有任意轨道半径和能量，只能是量子化，其大小取决于量子数轨道半径和能量，只能是量子化，其大小取决于量子数n。n越小，能量越低。越小，能量越低。当电子在当电子在n=1轨道上运动时，称其为氢原子基态；轨道上运动时，称其为氢原子基态；当电子在其它轨道上运动时称为氢原子激发态。对氢原当电子在其它轨道上运动时称为氢原子激发态。对氢原子而言，子而言，Z=1，氢原子基态能量氢原子基态能量E1=-2.1810-18J=-13.6eV第8页(2)原子中电子由一个轨道原子中电子由一个轨道(能量能量En2)跃迁到另一个轨道跃迁到另一个轨道(能量能量En1)时，会放出或吸收能量时，会放出或吸收能量E。若能量以光辐射若能量以光辐射形式出现，则形式出现，则h为普朗克常数，为为普朗克常数，为6.6310-34Js第9页5.2量子力学原子模型量子力学原子模型5.2.1微观粒子波、粒二象性微观粒子波、粒二象性光：光：在空间传输时出现干涉、衍射等现象，证实在空间传输时出现干涉、衍射等现象，证实光含有光含有波动性。波动性。照射到物质上时产生光电效应，证实光含有粒子性，照射到物质上时产生光电效应，证实光含有粒子性，(光电效应试验规律之一是：当光频率光电效应试验规律之一是：当光频率小于某个最小值小于某个最小值0时，不论光强度多大，照射时间多长，都没有光电子时，不论光强度多大，照射时间多长，都没有光电子逸出。而依据波动预言，不论光频率怎样，物质中电子逸出。而依据波动预言，不论光频率怎样，物质中电子在光作用下总能够取得足够能量而逸出，因而不存在最在光作用下总能够取得足够能量而逸出，因而不存在最小频率值。小频率值。)光含有波、粒二象性光含有波、粒二象性第10页1924年物理学家德布罗依在光含有波粒二象性启发下，利年物理学家德布罗依在光含有波粒二象性启发下，利用类比科学方法，提出了微观实物粒子用类比科学方法，提出了微观实物粒子(如电子、原子如电子、原子等等)也和光一样含有波粒二象性假设，并预言波粒二象也和光一样含有波粒二象性假设，并预言波粒二象性能够经过以下公式性能够经过以下公式(德布罗依关系式德布罗依关系式)联络起来联络起来是粒子波长，反应了波动性特征是粒子波长，反应了波动性特征mv是粒子动量，反应了粒子性是粒子动量，反应了粒子性该式经过普朗克常数该式经过普朗克常数h(其值为其值为6.6310-34Js)把微观粒子把微观粒子粒子性和波动性定量地联络起来了粒子性和波动性定量地联络起来了第11页1）微观粒子粒子性）微观粒子粒子性自自1897年英国物理学家汤姆逊发觉电子并测出它荷质比为年英国物理学家汤姆逊发觉电子并测出它荷质比为1.761011C/kg后，后人又据此计算出电子质量为后，后人又据此计算出电子质量为9.110-31kg，人们就认识了电子粒子性。但电子是否含有波动人们就认识了电子粒子性。但电子是否含有波动性呢性呢?2）微观粒子波动性）微观粒子波动性1927年科学家电子衍射试验证实了德布罗依假设。其试年科学家电子衍射试验证实了德布罗依假设。其试验过程与结果以下列图所表示验过程与结果以下列图所表示第12页3 3）微粒波实质）微粒波实质-统计性几率统计性几率(现称为概率现称为概率)波波 在电子衍射试验中，假如电子发生器只发射出一个电在电子衍射试验中，假如电子发生器只发射出一个电子，在底片上只能出现一个位置无法预知感光斑点，假子，在底片上只能出现一个位置无法预知感光斑点，假如试验时间很短，只有少数电子经过金属箔光栅，底片如试验时间很短，只有少数电子经过金属箔光栅，底片上将出现无规律分布一些感光斑点上将出现无规律分布一些感光斑点(如左下列图如左下列图)，这些，这些结果只表明了电子粒子性；但假如穿过金属箔光栅电子结果只表明了电子粒子性；但假如穿过金属箔光栅电子足够多，则底片上就会显现出衍射环纹足够多，则底片上就会显现出衍射环纹(如右下列图如右下列图),),这表明电子含有波动性。这表明电子含有波动性。第13页单个电子运动无法预测，即没有确定轨道，电子衍射出单个电子运动无法预测，即没有确定轨道，电子衍射出现明暗相间环纹，又说明电子运动是有规律现明暗相间环纹，又说明电子运动是有规律采取统计方法能够对电子衍射给出合理解释采取统计方法能够对电子衍射给出合理解释在衍射亮环纹处，衍射强度大，电子出现机会多，即在衍射亮环纹处，衍射强度大，电子出现机会多，即概率大；对应暗环纹处，衍射强度小，电子出现机会概率大；对应暗环纹处，衍射强度小，电子出现机会少，即概率小少，即概率小电子波动性是与其行为统计性电子波动性是与其行为统计性(大量电子集体行为大量电子集体行为)相联相联络络电子粒子性不一样于经典粒子，波动性也不一样于机械电子粒子性不一样于经典粒子，波动性也不一样于机械波和电磁波，其波粒二象性不是粒子性和波动性简单波和电磁波，其波粒二象性不是粒子性和波动性简单加和，电子运动是符合统计规律，需要用新理论来描加和，电子运动是符合统计规律，需要用新理论来描述述第14页5.2.2波函数波函数（原子轨道（原子轨道）薛定谔依据波、粒二象性概念提出了一个用来描述微观粒薛定谔依据波、粒二象性概念提出了一个用来描述微观粒子运动基本方程子运动基本方程-薛定谔方程薛定谔方程(就好象牛顿力学方程就好象牛顿力学方程是用来描述宏观物体运动状态基本方程一样是用来描述宏观物体运动状态基本方程一样)波函数；波函数；E体系总能量；体系总能量；V体系势能；体系势能；m微粒质量；微粒质量；h普朗克常数。普朗克常数。它是一个二阶偏微分方程，求解比较复杂，这不是本课程它是一个二阶偏微分方程，求解比较复杂，这不是本课程任务。该方程每一个合理解任务。该方程每一个合理解，就表示微粒运动一个可能就表示微粒运动一个可能运动状态运动状态,不是一个详细数值，而是包含三个常数项（不是一个详细数值，而是包含三个常数项（n,l,m）和三个空间坐标变量（）和三个空间坐标变量（x,y,z）函数式，用）函数式，用 n.l.m(x,y,z)表示表示第15页波函数波函数波函数波函数不是一个详细数值，而是一个用空间坐标不是一个详细数值，而是一个用空间坐标(如直角如直角坐标坐标x、y、z或球坐标或球坐标r、)来描述微观粒子运动数来描述微观粒子运动数学表示式。学表示式。例例n=2、l=0、m=0时时r为电子离原子核距离，为电子离原子核距离，a0为玻尔半径为玻尔半径当当n、l、m值发生改变时值发生改变时，表示式也随之发生改变表示式也随之发生改变由薛定谔方程求解得到波函数由薛定谔方程求解得到波函数能够表征核外电子运动状能够表征核外电子运动状态。所以习惯上又将波函数称为原子轨道，不过这个原子态。所以习惯上又将波函数称为原子轨道，不过这个原子轨道与玻尔原子模型中所指原子轨道是截然不一样。前者轨道与玻尔原子模型中所指原子轨道是截然不一样。前者指电子在原子核外运动某个空间范围，后者指原子核外电指电子在原子核外运动某个空间范围，后者指原子核外电子运动某个确定圆形轨道。子运动某个确定圆形轨道。第16页1.1.三个量子数三个量子数三个量子数三个量子数v主量子数主量子数n主量子数主量子数n是决定核外电子离核平均距离和电子能量高是决定核外电子离核平均距离和电子能量高低主要参数，可取值低主要参数，可取值1，2，3，正整数。，正整数。n值越大，值越大，表示电子离核平均距离越远，电子能量越高。常据表示电子离核平均距离越远，电子能量越高。常据n值值不一样，将电子划分为若干能层或电子层，并对应地给不一样，将电子划分为若干能层或电子层，并对应地给出各能层名称和符号为：出各能层名称和符号为：n=1234电子层名称电子层名称第一层第一层第二层第二层第三层第三层第四层第四层电子层符号电子层符号KLMN对于氢原子，其电子能量高低仅决定于对于氢原子，其电子能量高低仅决定于n第17页v角量子数角量子数l角量子数角量子数l又称为副量子数。它决定波函数又称为副量子数。它决定波函数(原子轨道原子轨道)形状，也是决定能量次要原因形状，也是决定能量次要原因l取值受取值受n限制限制l可取可取0123(n-1)光谱学上光谱学上s轨道轨道pdf也称也称s亚层亚层,p亚层亚层轨道形状轨道形状球球双球双球花瓣花瓣更复杂花瓣更复杂花瓣比如比如n=2时，时，l可取可取0和和1两个数，分别表示为两个数，分别表示为2s轨道和轨道和2p轨道轨道第18页v磁量子数磁量子数m磁量子数磁量子数m决定波函数决定波函数(原子轨道原子轨道)在空间取向。每一在空间取向。每一个取向就相当于一个轨道个取向就相当于一个轨道.m取值受取值受l限制限制它可取：它可取：0，1，2，3，l,共可取共可取2l+1个个比如，当比如，当n=2,l=1时时m可取可取0，1三个数，它表示三个数，它表示2p轨道在空间有三个取向，故轨道在空间有三个取向，故2p轨道有三个，常记为轨道有三个，常记为2px、2py、2pz第19页nlm轨道名称轨道名称12233344440010120123000,+1,-100,+1,-10,+1,-1,+2,-200,+1,-10,+1,-1,+2,-20,+1,-1,+2,-2,+3,-31s2s2p3s3p3d4s4p4d4f氢原子轨道与三个量子数关系氢原子轨道与三个量子数关系第20页当三个量子数值确定后，波函数当三个量子数值确定后，波函数(原子轨道原子轨道)函数表示函数表示式也就确定了，即薛定谔方程解确定了。所以能够式也就确定了，即薛定谔方程解确定了。所以能够说，要描述波函数说，要描述波函数(原子轨道原子轨道)可用三个量子数来描可用三个量子数来描述。述。例当例当n=2、l=0、m=0时时,波函数波函数(2,0,0)即即2s轨道，其轨道，其函数表示式为函数表示式为第21页在量子力学中引进了第四个量子数在量子力学中引进了第四个量子数-自旋量子数自旋量子数ms将一束将一束Ag原子流经过窄缝再经过磁场，结果原子流在磁原子流经过窄缝再经过磁场，结果原子流在磁场中分裂成两束。这是因为场中分裂成两束。这是因为Ag最外层电子是最外层电子是5s1，原子中原子中5s电子自旋有两种方向，磁矩恰好相反。这些电子自旋有两种方向，磁矩恰好相反。这些Ag原子在原子在经过磁场时，有一部分向左偏转，另一部分则向右偏转。经过磁场时，有一部分向左偏转，另一部分则向右偏转。证实电子有自旋运动试验示意图证实电子有自旋运动试验示意图与与n、l、m不一样，自旋量子数不一样，自旋量子数ms不是解薛定谔方程时引不是解薛定谔方程时引出，而是依据电子自旋运动发觉而提出，所以出，而是依据电子自旋运动发觉而提出，所以ms取值不受取值不受n、l、m限制，仅有两个可能取值：限制，仅有两个可能取值：+1/2或或-1/2，分别对，分别对应于电子两种自旋状态应于电子两种自旋状态这么，描述电子在核外运动能够用四个量子数来描述这么，描述电子在核外运动能够用四个量子数来描述第22页思思思思 考考考考 题题题题v2px、2py、2pz三个轨道能量相同吗三个轨道能量相同吗?v存在存在2d轨道吗轨道吗?第23页22波函数波函数波函数波函数(原子轨道原子轨道原子轨道原子轨道)角度分布图角度分布图角度分布图角度分布图波函数表示式可用直角坐标波函数表示式可用直角坐标(x,y,z)，也可用球坐标也可用球坐标(r,)来描述。但通常对于原子核外运动电子来说，来描述。但通常对于原子核外运动电子来说，用球坐标更加好。二者转化关系为用球坐标更加好。二者转化关系为x=rsincosy=rsinsinz=rcosR(r):波函数径向部分，它只随距离波函数径向部分，它只随距离r而改变而改变Y(,):波函数角度部分，它随角度波函数角度部分，它随角度(,)而改变而改变这么薛定谔方程解形式就有这么薛定谔方程解形式就有(x,y,z)转化为转化为(r,)。在在数学上可将数学上可将(r,)函数分解成两部分函数乘积：函数分解成两部分函数乘积：第24页下表给出了氢原子几个波函数下表给出了氢原子几个波函数(a0=玻尔半径玻尔半径)第25页以以pz为例来说明怎样画原子轨道角度分布图为例来说明怎样画原子轨道角度分布图1）列式）列式0306090120180cos10.870-0.5-1Y0.490.420-0.24-0.493）作图）作图是与是与z轴夹角，必须要有一个轴夹角，必须要有一个z轴，另外可轴，另外可取取x、y中任意一个，中任意一个，如取如取xz平面作图。又因为平面作图。又因为y与与无无关，所以该关，所以该xz平面图还要绕平面图还要绕z轴旋轴旋转转180，所得立体图才是所得立体图才是pz原子轨原子轨道角度分布图道角度分布图2）列表）列表第26页S、p原子轨道角度分布图以下原子轨道角度分布图以下pxpypzS第27页思索题思索题:波函数角度分布图中正负号代表什么波函数角度分布图中正负号代表什么?它表示它表示角度部分角度部分Y(,)函数值正负。对它了解可类比函数值正负。对它了解可类比于经典机械波中含有波峰和波谷部分，波峰和波谷含于经典机械波中含有波峰和波谷部分，波峰和波谷含有不一样相位，符号就有有不一样相位，符号就有+、-号。因为电子也含有波号。因为电子也含有波动性，所以在不一样地方，符号也有动性，所以在不一样地方，符号也有+、-号号(在后面讨在后面讨论化学键时会应用到论化学键时会应用到+、-号号)，以下列图所表示。，以下列图所表示。没有明确物理意义，没有明确物理意义，物理意义是经过物理意义是经过2来反应出来反应出来。来。第28页5.2.3电子云电子云电子与光子一样，含有波粒二象性电子与光子一样，含有波粒二象性光子：光子：光波动性可知，光强度光波动性可知，光强度光波振幅平方光波振幅平方光粒子性可知，光强度光粒子性可知，光强度光子密度光子密度波动性和粒子性统一起来，光振幅平方波动性和粒子性统一起来，光振幅平方光子密度光子密度利用类比喻法可得，电子波波函数平方利用类比喻法可得，电子波波函数平方(2)电子出电子出现概率现概率(几率几率)密度密度(用用表示表示)。所以可认为：波函数平方所以可认为：波函数平方(2)可用来反应电子在空间可用来反应电子在空间某位置上单位体积内出现概率大小即概率密度。某位置上单位体积内出现概率大小即概率密度。2=R2Y2第29页波函数平方波函数平方(2)角度部分角度部分Y2(,)随角度随角度、改变改变图形反应了电子出现在核外各个方向上概率密度分图形反应了电子出现在核外各个方向上概率密度分布规律布规律(可经过作图方法得到可经过作图方法得到)。第30页波函数平方波函数平方(2)径向部分径向部分R2(r)随随r改变图形反应了电改变图形反应了电子出现概率密度离核远近关系子出现概率密度离核远近关系R1s2径向分布图径向分布图上图表示，在氢原子中靠近原子核处上图表示，在氢原子中靠近原子核处1s电子电子概率密度最概率密度最大，随大，随r r增大，概率密度快速下降。增大，概率密度快速下降。第31页将将1s2角度分布图与径向分布图结合起来，就得到完整角度分布图与径向分布图结合起来，就得到完整1s电子在空间出现概率密度模型。电子在空间出现概率密度模型。假若用黑点疏密程度来表示概率密度大小话，则基态氢假若用黑点疏密程度来表示概率密度大小话，则基态氢原子原子1s电子概率密度图为电子概率密度图为(此图称为电子云此图称为电子云)电子云电子云注意：黑点并不代表氢原子中电子数目注意：黑点并不代表氢原子中电子数目(氢原子中只有氢原子中只有1 1 个电子个电子)，而只代表基态氢原子中这，而只代表基态氢原子中这1 1个电子在瞬间出现个电子在瞬间出现可能位置。可能位置。黑点密地方，表示黑点密地方，表示该处电子出现概率该处电子出现概率密度较大密度较大黑点疏地方，表示黑点疏地方，表示该处电子出现概率该处电子出现概率密度较小密度较小第32页S、p电子云角度分布图电子云角度分布图(Y2(,)Spxpypz第33页思思考考题题比较电子云角度分布图与原子轨道角度分布图？比较电子云角度分布图与原子轨道角度分布图？电子云角度分布图电子云角度分布图原子轨道角度分布图原子轨道角度分布图第34页思思考考题题电子云图中原点到图形上任一点连线电子云图中原点到图形上任一点连线长短代表什么长短代表什么?代表了该连线方向上电子出现概率密代表了该连线方向上电子出现概率密度相对大小。度相对大小。比如在比如在pz电子云角度分布图中，电子云角度分布图中，z轴正、轴正、负方向上，原点到图形上点连线最负方向上，原点到图形上点连线最长，表示长，表示pz电子在电子在z轴正、负方向上轴正、负方向上出现概率密度最大；在出现概率密度最大；在x-y平面上连平面上连线长度等于零，表示线长度等于零，表示pz电子在电子在x-y平平面上出现概率密度等于零。面上出现概率密度等于零。第35页l电子在核外出现概率一方面与概率密度有关，其次与空间体积有关。l 概率=概率密度体积=|2 d l以基态氢原子为例，如果考虑离核距离为 r,厚度为 dr 薄层球壳内电子出现概率,则 概率概率=|1s|24r2dr令令D(r)=|1s|24r2D(r)称为称为径向分布函数径向分布函数第36页靠近核时靠近核时,概率密度概率密度|1s|2最大，但最大，但r最小，球壳体积最小最小，球壳体积最小远离核时远离核时,概率密度概率密度|1s|2变小，但变小，但r增大，球壳体积增大增大，球壳体积增大这两个改变趋势相反原因相乘就出现极大值。这两个改变趋势相反原因相乘就出现极大值。图中存在极大值点，此点可由图中存在极大值点，此点可由D(r)对对r导数导数=0求出，恰好求出，恰好在在r=a0处。这表明，在处。这表明，在r=a0=53pm处。厚度为处。厚度为dr薄层薄层球壳内电子出现概率比任何其它地方厚度相同球壳内要球壳内电子出现概率比任何其它地方厚度相同球壳内要大。大。将将D(r)对对r作图，所得图称为作图，所得图称为径向分布函数图径向分布函数图第37页量子力学模型中，基态氢原子核外量子力学模型中，基态氢原子核外1个电子是在个电子是在r=a0处出现概率最大，在其它地方也有出现，只是处出现概率最大，在其它地方也有出现，只是出现概率较小。出现概率较小。玻尔模型中，基态氢原子核外玻尔模型中，基态氢原子核外1个电子就是在个电子就是在r=a0处球壳上出现，其它地方不出现。处球壳上出现，其它地方不出现。归纳：归纳：1）不论是原子轨道角度分布图还是电子云角度）不论是原子轨道角度分布图还是电子云角度分布图，都不是电子运动轨迹，而是两种函数图形，分布图，都不是电子运动轨迹，而是两种函数图形，每种图形所代表意义不一样。每种图形所代表意义不一样。2）除）除s轨道外，其它轨道角度分布图含有方向轨道外，其它轨道角度分布图含有方向性，即有性，即有+、-号，这是共价键含有方向性根本原因。号，这是共价键含有方向性根本原因。第38页5.3核外电子分布核外电子分布5.3.1鲍林近似能级图鲍林近似能级图第39页由图可看出由图可看出(1)当当l相同时，轨道能量随相同时，轨道能量随n增大而升高增大而升高如如E1sE2sE3sE4s(2)当当n相同时，轨道能量随相同时，轨道能量随l增大而升高。这种现象增大而升高。这种现象称称能级分裂能级分裂如如E4sE4pE4dE4f(3)当当n、l均不一样时，有时均不一样时，有时会会出现出现能量交织能量交织如如E4sE3d等等电子填充次序图电子填充次序图第40页5.3.2科顿原子轨道能级图科顿原子轨道能级图(原子轨道能量和原子序数之间关系原子轨道能量和原子序数之间关系原子轨道能量和原子序数之间关系原子轨道能量和原子序数之间关系)原子轨道能量原子轨道能量随原子序数增随原子序数增大而降低。大而降低。伴随原子序数伴随原子序数增大，原子轨增大，原子轨道产生能级交道产生能级交织现象。织现象。怎样解释以上能级次序呢？怎样解释以上能级次序呢？19号，号，20号号:E4sE3d第41页5.3.3基态原子中核外电子分布基态原子中核外电子分布核外电子分布遵照三个基本原理核外电子分布遵照三个基本原理l泡利不相容原理泡利不相容原理内容：同一个原子中不可能有四个量子数完全相同两个电内容：同一个原子中不可能有四个量子数完全相同两个电子存在。子存在。推论：同一个原子轨道推论：同一个原子轨道(可由可由n,l,m三个量子数所确定三个量子数所确定)上，上，最多只能容纳最多只能容纳2个自旋方向相反电子。个自旋方向相反电子。思索题：思索题：s、p、d、f轨道各最多可容纳几个电子轨道各最多可容纳几个电子?应用：依据泡利不相容原理和各电子层轨道数目可推出每应用：依据泡利不相容原理和各电子层轨道数目可推出每个电子层最多可容纳电子数为个电子层最多可容纳电子数为2n2。如如当当n=2时，最多可容纳电子数为时，最多可容纳电子数为222=8第42页v最低能量原理最低能量原理原理：核外电子排布时在不违反原理：核外电子排布时在不违反Pauli原理前提下总是尽原理前提下总是尽可能优先占据能量低轨道，以使系统能量处于最低。可能优先占据能量低轨道，以使系统能量处于最低。（电子填充次序图）（电子填充次序图）l洪特规则洪特规则规则：规则：(1)电子在等价轨道电子在等价轨道(n、l均相同轨道均相同轨道)上排布时，上排布时，总是尽可能分占不一样轨道，而且自旋方向相同。即尽总是尽可能分占不一样轨道，而且自旋方向相同。即尽可能先占据可能先占据m不一样轨道，且自旋量子数不一样轨道，且自旋量子数ms相同。这么相同。这么排布可使整个原子能量最低。排布可使整个原子能量最低。(2)当等价轨道上电子处于全满、半充满或全空状态当等价轨道上电子处于全满、半充满或全空状态时，原子能量较低，原子比较稳定。即含有以下电子层时，原子能量较低，原子比较稳定。即含有以下电子层结构原子是比较稳定结构原子是比较稳定全充满：全充满：p6、d10、f14半充满：半充满：p3、d5、f7全全空：空：p0、d0、f0第43页思索题：思索题：6C电子排布为电子排布为1s22s22p2，2p上上2个电子有以下三个电子有以下三种可能排布，依据洪特规则应是哪一个种可能排布，依据洪特规则应是哪一个?A B C思索题：思索题：24Cr电子排布？电子排布？答答1s22s22p63s23p63d54s1说明说明1)按最低能量原理是按最低能量原理是3d44s2，但依据洪特规则应是，但依据洪特规则应是3d54s12)电子填充次序为：电子填充次序为：1s22s22p63s23p64s13d5。写电子排写电子排布式时应将布式时应将n从小到大，应写成从小到大，应写成1s22s22p63s23p63d54s13）为书写方便、简单，通常可将电子排布式中内层已到）为书写方便、简单，通常可将电子排布式中内层已到达稀有气体电子层结构部分用稀有气体符号加方括号来表达稀有气体电子层结构部分用稀有气体符号加方括号来表示，表示为示，表示为Ar3d54s1第44页外层电子排布式外层电子排布式(外层电子构型、价电子构型）外层电子构型、价电子构型）如如16S外层电子排布式为：外层电子排布式为：3s23p424Cr外层电子排布式为：外层电子排布式为：3d54s1说明说明对主族和零族元素，外层电子排布式指最外层对主族和零族元素，外层电子排布式指最外层s和和p上上电子排布电子排布对副族元素，外层电子排布式指最外层对副族元素，外层电子排布式指最外层s电子和次外电子和次外层层d电子排布电子排布对镧系、锕系元素，外层电子排布式指最外层对镧系、锕系元素，外层电子排布式指最外层s电子、电子、次外层次外层d电子及倒数第三层电子及倒数第三层f电子排布电子排布第45页5.3.4元素周期系与核外电子分布关系元素周期系与核外电子分布关系1周期、族与外层电子构型关系周期、族与外层电子构型关系元素在周期表中所处周期数元素在周期表中所处周期数=该元素原子电子层数该元素原子电子层数如如硫：硫：1s22s22p63s23p4，电子层数为电子层数为3，第，第3周期周期元素在周期表中所处主族数元素在周期表中所处主族数=该元素原子最外层电子数该元素原子最外层电子数如如氯：氯：1s22s22p63s23p5，最外层电子数为最外层电子数为7，A元素在周期表中所处副族数需详细分析元素在周期表中所处副族数需详细分析外层电子构型外层电子构型(n-1)dns：d、s电子数和为电子数和为37，BB，如，如24Cr3d54s1，Bd、s电子数和为电子数和为810，如，如26Fe3d64s2，外层电子构型外层电子构型(n-1)d10ns1-2，、B，如，如30Zn3d104s2，B零族元素最外层电子数为零族元素最外层电子数为8或或2第46页2元素在周期表中分区元素在周期表中分区元素外层电子构型呈周期性改变，可将周期表分成元素外层电子构型呈周期性改变，可将周期表分成5个个区，即区，即s区、区、p区、区、d区、区、ds区、区、f区区第47页5.3.5简单基态阳离子电子分布简单基态阳离子电子分布依据鲍林近似能级图，得到基态原子核外电子填充次序。依据鲍林近似能级图，得到基态原子核外电子填充次序。每个能级组轨道能量高低次序为：每个能级组轨道能量高低次序为：ns(n-2)f(n-1)dnp这实际是空轨道能量次序，当电子一旦埴入后，有些轨这实际是空轨道能量次序，当电子一旦埴入后，有些轨道能量会发生改变道能量会发生改变(因为屏蔽效应和钻穿效应因为屏蔽效应和钻穿效应)，所以所以失电子次序为：失电子次序为：npns(n-1)d(n-2)f第48页小资料：元素周期表发觉小资料：元素周期表发觉小资料：元素周期表发觉小资料：元素周期表发觉十九世纪最初二十五年，发觉了十九世纪最初二十五年，发觉了20种新元素。伴随已知元素种新元素。伴随已知元素数目标不停增加，一些元素之间物理和化学性质相同性变得更显数目标不停增加，一些元素之间物理和化学性质相同性变得更显著了，化学家们寻求能将相同元素进行分类一些自然标准。著了，化学家们寻求能将相同元素进行分类一些自然标准。18，迪贝拉艾纳发觉，在许多情况下相同元素能排列成原子量，迪贝拉艾纳发觉，在许多情况下相同元素能排列成原子量依次增加三素组依次增加三素组(即以三个为一组排列即以三个为一组排列)。1860年，意大利化学家卡尼扎罗在卡尔斯鲁厄国际化学会议上，年，意大利化学家卡尼扎罗在卡尔斯鲁厄国际化学会议上，设法使到会者相信阿佛加德罗假设是正确，这么氧、碳、氮和其设法使到会者相信阿佛加德罗假设是正确，这么氧、碳、氮和其它一些元素在原子量方面不一致性被消除了，便有可能依据元素它一些元素在原子量方面不一致性被消除了，便有可能依据元素原子量将元素进行有意义分类。原子量将元素进行有意义分类。1869年，英国化学家纽兰宣读了一篇题为年，英国化学家纽兰宣读了一篇题为“八偶律及原子量之八偶律及原子量之间数学关系根源间数学关系根源”论文，在此论文中，他讨论了一张按原子量增论文，在此论文中，他讨论了一张按原子量增加次序排列元素表，并试图证实在这系列中每八个元素重复出现加次序排列元素表，并试图证实在这系列中每八个元素重复出现相同物理性质，遗憾是因为当初还有许多元素未发觉，使八偶律相同物理性质，遗憾是因为当初还有许多元素未发觉，使八偶律未能很好地保持。未能很好地保持。第49页在深入研究元素原子量与原子价时，俄国化学家门捷列夫发在深入研究元素原子量与原子价时，俄国化学家门捷列夫发觉各种元素原子量能够相差很大，但不一样元素原子价变动范围觉各种元素原子量能够相差很大，但不一样元素原子价变动范围却很小，而且有许多元素含有相同原子价。在比较同价元素性质却很小，而且有许多元素含有相同原子价。在比较同价元素性质时，他发觉它们性质非常相同，而且全部一价元素都是经典金属时，他发觉它们性质非常相同，而且全部一价元素都是经典金属元素；七价都是经典非金属；四价元素性质介于金属和非金属之元素；七价都是经典非金属；四价元素性质介于金属和非金属之间，这就使他坚信各种元素之间一定存在统一规律性。间，这就使他坚信各种元素之间一定存在统一规律性。门捷列夫将元素按原子量大小排列起来，发觉象氯和钾这两个门捷列夫将元素按原子量大小排列起来，发觉象氯和钾这两个性质截然不一样元素，其原子量相差不多，而钾和钠原子量相差性质截然不一样元素，其原子量相差不多，而钾和钠原子量相差很大，性质却十分相同。在钾以后元素随原子量增加其性质又显很大，性质却十分相同。在钾以后元素随原子量增加其性质又显示出与钠到氯相类似改变规律。这些有规律现象，使门捷列夫更示出与钠到氯相类似改变规律。这些有规律现象，使门捷列夫更坚信各种元素性质有周期性改变规律存在。坚信各种元素性质有周期性改变规律存在。门捷列夫并不盲目地按原子量排列元素，他坚持认为只有物门捷列夫并不盲目地按原子量排列元素，他坚持认为只有物理性质和化学性质相同元素才能放在同一族中。所以尽管当初在理性质和化学性质相同元素才能放在同一族中。所以尽管当初在第第、第、第族还留有空位，他还是把性质相同砷和磷放在了第族还留有空位，他还是把性质相同砷和磷放在了第族。他还正确地预测了两个还未发觉元素物理和化学性质，以后族。他还正确地预测了两个还未发觉元素物理和化学性质，以后知道这两元素是镓和锗。正是依据只有物理性质和化学性质知道这两元素是镓和锗。正是依据只有物理性质和化学性质第50页相同元素才能放在同一族中这一规则，他看到碲与硫、硒相同，相同元素才能放在同一族中这一规则，他看到碲与硫、硒相同，碘与氯、溴相同，才决定将碲放在碘前面，尽管碲原子量比碘大。碘与氯、溴相同，才决定将碲放在碘前面，尽管碲原子量比碘大。门捷列夫利用元素周期性原理纠正了许多错误。经典例子是铟。门捷列夫利用元素周期性原理纠正了许多错误。经典例子是铟。当初化学家测定铟原子量为当初化学家测定铟原子量为76.6，按门捷列夫分类法，铟就应在，按门捷列夫分类法，铟就应在砷砷(原子量为原子量为74.9)和硒和硒(原子量为原子量为78.9)之间之间,但因为砷和硒是相邻但因为砷和硒是相邻两族元素，它们之间已无空位；门捷列夫又证实了铟性质与铝、两族元素，它们之间已无空位；门捷列夫又证实了铟性质与铝、钛相同，应位于镉和锡之间，于是他断定铟必是在第钛相同，应位于镉和锡之间，于是他断定铟必是在第族元素结族元素结论，并证实了这个结论正确性，他预计铟原子量是论，并证实了这个结论正确性，他预计铟原子量是113，现在公，现在公认是认是114.82。门捷列夫预言准确性引发了人们注意，与此同时元素周期性门捷列夫预言准确性引发了人们注意，与此同时元素周期性分类方法权威性也就被很好地建立了起来。分类方法权威性也就被很好地建立了起来。第51页元素周期表元素周期表第52页5.4原子性质周期性原子性质周期性原子电子层结构含有周期性改变规律，所以与原子结构相原子电子层结构含有周期性改变规律，所以与原子结构相关一些性质，如原子半径、电离能、电负性、金属性和关一些性质，如原子半径、电离能、电负性、金属性和非金属性等也随之展现周期性改变。非金属性等也随之展现周期性改变。5.4.1原子半径原子半径惯用有以下三种。惯用有以下三种。1）共价半径：两个相同原子形成共价键时，其核间距二）共价半径：两个相同原子形成共价键时，其核间距二分之一。例分之一。例Cl-Cl核间距二分之一定为核间距二分之一定为Cl原子共价半径。原子共价半径。第53页2）金属半径：金属单质在晶体中，两个相邻金属原子核）金属半径：金属单质在晶体中，两个相邻金属原子核间距二分之一。例金属铜中两个相邻间距二分之一。例金属铜中两个相邻Cu原子核间距二分原子核间距二分之