原子結(jié)構(gòu)礎(chǔ)PPT課件

1、第第5 5章章 原子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)原子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)chapter 5 the base of atomic structure1 1初步了解原子核外電子運(yùn)動(dòng)的近代概念、原子能級(jí)、初步了解原子核外電子運(yùn)動(dòng)的近代概念、原子能級(jí)、波粒二象性、原子軌道（波函數(shù)）和電子云概念波粒二象性、原子軌道（波函數(shù)）和電子云概念. .2 2了解四個(gè)量子數(shù)對(duì)核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述，掌握了解四個(gè)量子數(shù)對(duì)核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述，掌握四個(gè)量子數(shù)的物理意義、取值范圍四個(gè)量子數(shù)的物理意義、取值范圍. .3 3熟悉熟悉 s、p、d 原子軌道的形狀和方向原子軌道的形狀和方向. . 4 4理解原子結(jié)構(gòu)的近似能級(jí)圖，掌握原子核外電子排布理解原子

2、結(jié)構(gòu)的近似能級(jí)圖，掌握原子核外電子排布的一般規(guī)則和的一般規(guī)則和 s、p、d、f 區(qū)元素的原子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)區(qū)元素的原子結(jié)構(gòu)特點(diǎn). . 本章教學(xué)要求本章教學(xué)要求6 6了解化學(xué)鍵的本質(zhì)、共價(jià)鍵鍵長(zhǎng)、鍵角等概念；了解化學(xué)鍵的本質(zhì)、共價(jià)鍵鍵長(zhǎng)、鍵角等概念；7 7了解雜化軌道理論的要點(diǎn)，并能用該理論說(shuō)明一些分了解雜化軌道理論的要點(diǎn)，并能用該理論說(shuō)明一些分子的空間構(gòu)型；子的空間構(gòu)型；8 8了解分子間力和晶體結(jié)構(gòu)及其對(duì)物理性質(zhì)的影響。了解分子間力和晶體結(jié)構(gòu)及其對(duì)物理性質(zhì)的影響。 本章教學(xué)要求本章教學(xué)要求5 5學(xué)學(xué)會(huì)從原子的電子層結(jié)構(gòu)了解元素性質(zhì)，熟悉原子半會(huì)從原子的電子層結(jié)構(gòu)了解元素性質(zhì)，熟悉原子半徑、電離能、電

3、子親合能和電負(fù)性的周期性變化徑、電離能、電子親合能和電負(fù)性的周期性變化. .5.1 原子結(jié)構(gòu)的近代概念原子結(jié)構(gòu)的近代概念 the recent concept of atomic structure 本章教學(xué)內(nèi)容5.2 多電子原子的電子分布方式和周期系多電子原子的電子分布方式和周期系 the electronic distribution of many electron atom & periodic system5.3 化學(xué)鍵與分子間相互作用力化學(xué)鍵與分子間相互作用力 chemical bond & intermolecular force5.4 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)cryst

4、al structure5.1.1 波函數(shù)（波函數(shù)（wave function ）5.1.2 電子云（電子云（electron cloud） 5.1 原子結(jié)構(gòu)的近代概念原子結(jié)構(gòu)的近代概念 the recent concept of atomic structure夸夸克克質(zhì)質(zhì)子子中中子子原子核原子核電子電子原子原子( (離子離子) )微觀微觀宇宇宙宙 單質(zhì)單質(zhì)化合物化合物星星體體宏觀宏觀納米納米材料材料化學(xué)研究的對(duì)化學(xué)研究的對(duì)象象分子分子本章涉及的結(jié)構(gòu)部分本章涉及的結(jié)構(gòu)部分原原子子結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)化化學(xué)學(xué)鍵鍵分子分子間力間力氫原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)模型：波爾模型氫原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)模型：波爾模型 (the

5、 quantum mechanical model of the structure of hydrogen atom bohr model)不連續(xù)的、線狀的；不連續(xù)的、線狀的； 是很有規(guī)律的是很有規(guī)律的. .氫原子光譜特征氫原子光譜特征: :8the electromagnetic spectrum jn1n1102.179222118hve5.1.1 波函數(shù)（波函數(shù)（wave function ）著名的普朗克方程著名的普朗克方程：e = hv(1)h叫普朗克常量叫普朗克常量(planck constant), 值為值為 6.62610-34 js. 光的波粒二象性：光的波粒二象性：相對(duì)論中

6、的質(zhì)能聯(lián)系定律：相對(duì)論中的質(zhì)能聯(lián)系定律：emc2.(2)聯(lián)立聯(lián)立(1)(2)式，得：式，得：h/ /mc.(3)c光速，值為光速，值為3108ms-1-1體現(xiàn)波動(dòng)性體現(xiàn)波動(dòng)性體現(xiàn)粒子性體現(xiàn)粒子性 電子的波粒二象性：電子的波粒二象性：19241924年，法國(guó)年輕的物理學(xué)家德布羅意年，法國(guó)年輕的物理學(xué)家德布羅意(louis de broglie)提出實(shí)物粒子、電子提出實(shí)物粒子、電子 、原子等也具、原子等也具有波粒二象性：有波粒二象性：h/ /mv vv v 實(shí)物粒子運(yùn)動(dòng)速率實(shí)物粒子運(yùn)動(dòng)速率(ms-1-1)1927年，通過(guò)電子衍射證實(shí)了德布羅意的假設(shè)。年，通過(guò)電子衍射證實(shí)了德布羅意的假設(shè)。matte

7、r wave電子的衍射電子的衍射圖圖電子的波動(dòng)性是電子許多行為的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。電子的波動(dòng)性是電子許多行為的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。電子的一次行為并不能確定其出現(xiàn)的具體位置。電子的一次行為并不能確定其出現(xiàn)的具體位置。概率波概率波短短時(shí)時(shí)間間長(zhǎng)長(zhǎng)時(shí)時(shí)間間微觀粒子電子：微觀粒子電子：17631m.s1010kg,109.10mm107.36 ,sm10m107.36 ,sm109171016宏觀物體子彈宏觀物體子彈：m = 1.0 10-2 kg, = 1.0 103 m s-1, = 6.6 10-35 mquestion question 波粒二象性是否只有微觀物體才具有？波粒二象性是否只有微觀物體才具有？mh

8、以波的微粒性以波的微粒性（即能量量子（即能量量子化概念）為基化概念）為基礎(chǔ)建立了他的礎(chǔ)建立了他的氫原子模型氫原子模型. .h+ h h- d he等則以微粒波等則以微粒波動(dòng)性為基礎(chǔ)建動(dòng)性為基礎(chǔ)建立起原子的波立起原子的波動(dòng)力學(xué)模型動(dòng)力學(xué)模型. .波爾波爾薛定鱷薛定鱷 如果某一物理量的變化是不連續(xù)的，而是以某如果某一物理量的變化是不連續(xù)的，而是以某一最小單位作跳躍式的增減，這一物理量就是量子化一最小單位作跳躍式的增減，這一物理量就是量子化的，其最小單位就稱這一物理量的的，其最小單位就稱這一物理量的(quantum)。 一、微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征一、微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征 原子的量子力學(xué)模型原子的量子力學(xué)模

9、型 1.量子性量子性 如宏觀物體所帶的電荷量從如宏觀物體所帶的電荷量從q q增加到增加到q q+ +dq q ，q qdq q，但，但dq q所包含的電子個(gè)數(shù)卻是很大的所包含的電子個(gè)數(shù)卻是很大的( (例如例如1 1庫(kù)侖的電荷庫(kù)侖的電荷量為量為6.246.24 10101818個(gè)電子的電量個(gè)電子的電量) ) 從宏觀上從宏觀上q qq q+d+dq q可以認(rèn)為是連續(xù)變化的?？梢哉J(rèn)為是連續(xù)變化的。 在微觀領(lǐng)域里，一個(gè)在微觀領(lǐng)域里，一個(gè)微觀粒子如果是一個(gè)離微觀粒子如果是一個(gè)離子，所帶電荷只有一個(gè)子，所帶電荷只有一個(gè)或幾個(gè)電子，從而離子或幾個(gè)電子，從而離子所帶電荷的變化，如所帶電荷的變化，如a- a2-

10、 a3-，就不能認(rèn)，就不能認(rèn)為是連續(xù)變化的，而是為是連續(xù)變化的，而是跳躍式的變化。跳躍式的變化。 氫原子核外電子氫原子核外電子所處的能級(jí)是不所處的能級(jí)是不連續(xù)的，即電子連續(xù)的，即電子所具有的能量是所具有的能量是量子化的。量子化的。當(dāng)電子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)當(dāng)電子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)上是時(shí)，粒子能量的改變是能級(jí)上是時(shí)，粒子能量的改變是跳躍的。跳躍的。4. 海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理 （heisenberg uncertainty principle ）2.波粒二象性波粒二象性 德布羅依波德布羅依波或物質(zhì)波：實(shí)物微粒除具有粒子性外，還具或物質(zhì)波：實(shí)物微粒除具有粒子性外，還具有波的

11、性質(zhì)，這波稱為有波的性質(zhì)，這波稱為(matter wave)。 h/mv v 概率密度：?jiǎn)挝惑w積的概率。概率密度：?jiǎn)挝惑w積的概率。 概率波：電子運(yùn)動(dòng)在空間出現(xiàn)的概率可以由波的強(qiáng)概率波：電子運(yùn)動(dòng)在空間出現(xiàn)的概率可以由波的強(qiáng)度表現(xiàn)出來(lái)，因此電子及其微觀粒子波（物質(zhì)波），度表現(xiàn)出來(lái)，因此電子及其微觀粒子波（物質(zhì)波），又稱概率波。又稱概率波。3.微觀粒子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)性微觀粒子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)性x p h/(2)即不可能同時(shí)測(cè)得電子的精確位置和精確動(dòng)量即不可能同時(shí)測(cè)得電子的精確位置和精確動(dòng)量 ！薛定鍔方程薛定鍔方程二、核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的近代描述二、核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的近代描述0v)(ehm8zyx22222222

12、 方程中既包含體現(xiàn)微粒性的物理量方程中既包含體現(xiàn)微粒性的物理量m , , 也包含體現(xiàn)波動(dòng)性的物理量也包含體現(xiàn)波動(dòng)性的物理量; ; 求解薛定鍔方程求解薛定鍔方程, , 就是求得波函數(shù)就是求得波函數(shù)和和 能量能量 e ; ; 解得的不是具體的數(shù)值解得的不是具體的數(shù)值, , 而是包括三個(gè)而是包括三個(gè) 常數(shù)常數(shù) ( (n, l, m) )和三個(gè)變量和三個(gè)變量( (x,y,z) )的函數(shù)的函數(shù) 式式n, l, m ( (x,y,z) ;) ;如果如果(x,y,z)有一確定的表達(dá)式，則可在空間坐有一確定的表達(dá)式，則可在空間坐標(biāo)中描出其波的圖形標(biāo)中描出其波的圖形意義：意義：描述原子核外電子出現(xiàn)在原子周圍某描

13、述原子核外電子出現(xiàn)在原子周圍某位置的位置的概率概率(非運(yùn)動(dòng)軌跡非運(yùn)動(dòng)軌跡) 為了得到合理解為了得到合理解, , 三個(gè)常數(shù)項(xiàng)三個(gè)常數(shù)項(xiàng)( (量子數(shù)量子數(shù)) )只能按一只能按一 定規(guī)則取值定規(guī)則取值( (n, l, m) ) 數(shù)學(xué)上可以解得許多個(gè)數(shù)學(xué)上可以解得許多個(gè)(z,y,z) , 但其物理意義但其物理意義 并非都合理并非都合理; 有合理解有合理解(n, l, m 的取值合理的取值合理)的函數(shù)式叫做波函的函數(shù)式叫做波函 數(shù)數(shù)(wave functions) n, l, m ( (x,y,z) )波函數(shù)波函數(shù)n, l, m ( (x,y,z) ) = = 薛定鍔方程的合理解薛定鍔方程的合理解=“原

14、子軌道原子軌道”形象性名形象性名稱稱波函數(shù)波函數(shù)n, l, m ( (x,y,z) )20 r : 徑向坐標(biāo)徑向坐標(biāo), 決定了球面決定了球面 的大小的大小: 角角坐標(biāo)坐標(biāo): 角角坐標(biāo)坐標(biāo), 直角坐標(biāo)直角坐標(biāo)( x, y, z)與球坐標(biāo)與球坐標(biāo) (r,) 的轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換 cossinsincossinrzryrx ,rr),(zyxy y222zyxr-r(r) ,rr),(ln,zyxmml, l,y ym ml,l,n,n,徑向分布函數(shù)徑向分布函數(shù)角度分布函數(shù)角度分布函數(shù)r(r)r作圖作圖徑向分布圖徑向分布圖y(,) ,作圖作圖角度分布圖角度分布圖p 軌道軌道角度分布圖角度分布圖1s,2s,3

15、s軌道的徑向分布圖軌道的徑向分布圖含三含三個(gè)量子數(shù)個(gè)量子數(shù)n、l、m的的n,l,m(x,y,z) ，它們決定了它們決定了波波函數(shù)的形狀！函數(shù)的形狀！ 2.波函數(shù)與量子數(shù)波函數(shù)與量子數(shù)求解薛定鍔方程求解薛定鍔方程 (x,y,z) 的具體表達(dá)式的具體表達(dá)式正如直線方程正如直線方程y(x)=ax+b中中a、b的合理取值決的合理取值決定了其圖形的形狀一樣：定了其圖形的形狀一樣：a0，b0，yxa0，b0，yxa0，yxa0，b0，yx(1)主量子數(shù)主量子數(shù)n(principal quantum number):jn102.179e218 與電子能量有關(guān)；與電子能量有關(guān)； 確定電子出現(xiàn)幾率最大處離核的距

16、離；確定電子出現(xiàn)幾率最大處離核的距離； 不同的不同的n 值，對(duì)應(yīng)于不同的電子殼層值，對(duì)應(yīng)于不同的電子殼層 . .( (正整數(shù)正整數(shù)).).k l m n o.對(duì)于對(duì)于h：(2)角量子數(shù)角量子數(shù)l (angular momentum quantum):反映波函數(shù)反映波函數(shù)(即原子軌道，簡(jiǎn)稱軌道即原子軌道，簡(jiǎn)稱軌道)的形狀的形狀 l =0，1，2 ，3 (n-1 )(亞層亞層) 對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于 s，p，d， f （未命名未命名）軌道符號(hào)）軌道符號(hào)取值取值: 與與角動(dòng)量有關(guān)，對(duì)于多電子原子角動(dòng)量有關(guān)，對(duì)于多電子原子, , l 也也 與與e 有關(guān)，有關(guān)， l ，e s 軌道軌道球形球形p 軌道軌道啞鈴形

17、啞鈴形-d軌軌道道有有兩兩種種形形狀狀-l 決定了決定了的角度函數(shù)的形狀的角度函數(shù)的形狀 the allowed values for angular momentum quantum number, lnl 1 2 3 4(subshell symbol0000s111p22d3f 亞層數(shù)亞層數(shù)1234ss,ps,p,ds,p,d,f 角量子數(shù)角量子數(shù) l 的容許值的容許值 與角動(dòng)量的取向有關(guān)，取向是量子化的與角動(dòng)量的取向有關(guān)，取向是量子化的 m可取值：可取值： 0，1, 2l m值決定了值決定了角度函數(shù)的空間取向角度函數(shù)的空間取向 m 值相同的軌道互為等價(jià)軌道值相同的軌道互為等價(jià)軌道(或稱

18、簡(jiǎn)并軌道或稱簡(jiǎn)并軌道)（3） 磁量子數(shù)磁量子數(shù)m ( magnetic quantum number)the allowed values for magnetic quantum number, mlm軌道數(shù)軌道數(shù) 0(s) 1(p) 2(d) 3(f) 0 1 0 1 2 1 0 1 2 3 2 1 0 1 2 31357spdf p軌道軌道( (l = 1, = 1, m = = +1, 0, -1) +1, 0, -1) m 三種取值三種取值, , 三 種 取 向三 種 取 向 , , 三條等價(jià)三條等價(jià)( (簡(jiǎn)簡(jiǎn)并并) ) p 軌道軌道. .s 軌道軌道(l = 0, m = 0 )

19、: : m 一一種取值種取值, ,空間一種取向空間一種取向, ,一條一條s 軌道軌道. .+-+-+d d 軌道軌道(l = 2, m = +2, +1, 0, -1, -2) : : m 五五種取值種取值, ,空間五種取向空間五種取向, ,五條等價(jià)五條等價(jià)( (簡(jiǎn)并簡(jiǎn)并) ) d d 軌道軌道. .+-+- f f 軌道軌道 (l = 3, m = +3, +2, +1, 0, -1, -2,-3 ) : : m 七種取值七種取值, , 空間七種取向空間七種取向, , 七條等價(jià)七條等價(jià)( (簡(jiǎn)并簡(jiǎn)并) ) f 軌道軌道. .由上面的討論知道由上面的討論知道 n, l, m 一定一定, 軌道也

20、確定軌道也確定nlm 軌道符號(hào)軌道符號(hào) 電子層號(hào)電子層號(hào) 亞電子層數(shù)亞電子層數(shù)0 0 1s k (軌道數(shù)軌道數(shù))1(s) 0 0 2s21-1 0+12px2py2pz l 2(s,p) 0 0 3s-1 0+13px3py3pz1230,123dxy,3dyz,3dzx 3dz2, 3dx2-y2m 3(s,p,d) 1(軌道數(shù)軌道數(shù)= 1+3=4)(軌道數(shù)軌道數(shù)=1+3+5=9)（4） 自旋量子數(shù)自旋量子數(shù) ms (spin quantum number) 描述電子繞自軸旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)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自旋運(yùn)動(dòng)使電子具有類似于微磁體的行為 ms 取值

21、取值+1/2和和- -1/2，分別用，分別用和和表示表示 想象中的電子自旋想象中的電子自旋: : 兩種可能的自旋方向兩種可能的自旋方向: : 正向正向(+1/2)和反向和反向(-1/2) 產(chǎn)生方向相反的磁場(chǎng)產(chǎn)生方向相反的磁場(chǎng) 相反自旋的一對(duì)電子相反自旋的一對(duì)電子, , 磁場(chǎng)相互抵消磁場(chǎng)相互抵消. . electron spin visualizednssn核外電子運(yùn)動(dòng)核外電子運(yùn)動(dòng)軌道運(yùn)動(dòng)軌道運(yùn)動(dòng)自旋運(yùn)動(dòng)自旋運(yùn)動(dòng)與一套量子數(shù)與一套量子數(shù)（n, l, m, ms)及其能級(jí)及其能級(jí)(ei)相對(duì)應(yīng)相對(duì)應(yīng)描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的方法方法四個(gè)量子數(shù)四個(gè)量子數(shù) n l mms取值要合理取值要合理

22、3, 33, 3，1, 11, 14,3,-1, 4,3,-1, 2 21 1question question 寫出與軌道量子數(shù)寫出與軌道量子數(shù) n = 4, l = 2, m = 0 的原子軌道名稱的原子軌道名稱. 4drepresentations of the five d orbitals(4dxy/4dyz/4dzx/4dx2-y2/4dz2)5.1.2 電子云電子云（electron cloud）=“原子軌道原子軌道”波函數(shù)波函數(shù)n, l, m ( (x,y,z) ) ,rr),(ln,zyxmml, l,y ym ml,l,n,n,原子軌道原子軌道徑向分布圖徑向分布圖角度分布圖

23、角度分布圖意義：描述電子意義：描述電子在原子核外可能在原子核外可能出現(xiàn)的空間區(qū)域出現(xiàn)的空間區(qū)域圖圖借用物理學(xué)中光波及其光密度等概念，可得到借用物理學(xué)中光波及其光密度等概念，可得到 ：2反映電子在空間某位置上單位體積內(nèi)出反映電子在空間某位置上單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率大小，即概率密度?，F(xiàn)的概率大小，即概率密度。 ,rr),(ln,zyxmml, l,y ym ml,l,n,n, ,rr),(2ln,22zyxmml, l,y ym ml,l,n,n,圖形圖形概率密度概率密度圖形圖形概率密度的概率密度的徑向分布圖徑向分布圖圖形圖形概率密度的概率密度的角度分布圖角度分布圖用黑點(diǎn)的疏密表示概率密度的圖形用黑

24、點(diǎn)的疏密表示概率密度的圖形稱稱電子云電子云 (electron clouds)圖圖原子軌道原子軌道()的角度分的角度分布示意圖布示意圖( (平面圖平面圖）1s軌道軌道 電子云電子云（2 2）的角度分布示意圖的角度分布示意圖 1s電子云電子云 區(qū)別？區(qū)別？有有+、-之分之分無(wú)無(wú)+、-之分之分2pz軌道圖形 cos43),(y22cos43),(y2pz軌道電子云圖形有有+、-之分之分無(wú)無(wú)+、-之分之分區(qū)別區(qū)別3p電子云的徑向分布示意圖電子云電子云軌道中云層最密的區(qū)域。軌道中云層最密的區(qū)域。軌道與電子云的區(qū)別軌道與電子云的區(qū)別：原子軌道原子軌道特定能量的電子在核外空間出現(xiàn)最多區(qū)域；特定能量的電子在

25、核外空間出現(xiàn)最多區(qū)域；注意：注意： 電子云中一個(gè)小黑點(diǎn)絕不代表一個(gè)電子電子云中一個(gè)小黑點(diǎn)絕不代表一個(gè)電子, 不妨將不妨將密密麻麻的小黑點(diǎn)看作某個(gè)特定電子在空間運(yùn)動(dòng)時(shí)留密密麻麻的小黑點(diǎn)看作某個(gè)特定電子在空間運(yùn)動(dòng)時(shí)留下的下的“足跡足跡” 不是一個(gè)科學(xué)術(shù)語(yǔ)不是一個(gè)科學(xué)術(shù)語(yǔ)只是一種形象化比喻只是一種形象化比喻39p軌道軌道的三種的三種角度分布圖角度分布圖s 電子云電子云( (球形球形) )+-+-+p電子云的角電子云的角度分布圖度分布圖40d d 軌道軌道五種五種角度角度取向取向+-+-d d 電子云電子云角角度分布圖度分布圖d d 電子云電子云角角度分布圖度分布圖41 f f 電子云的角度分布圖電子

26、云的角度分布圖 原子軌道和和電子云的圖象原子軌道和和電子云的圖象( (稍作了解稍作了解) )圖圖1.1.s s、p p、d d原子軌道的角度分布剖面圖原子軌道的角度分布剖面圖 圖圖2. s2. s，p p，d d電子云角度分布剖面圖電子云角度分布剖面圖 5.2 多電子原子的電子分布方式和周期系多電子原子的電子分布方式和周期系 the electronic distribution of many electron atom & periodic system5.2.2 核外電子分布原理和核外電子分布方式核外電子分布原理和核外電子分布方式(principle and mode of ex

27、tranclear electronic distribution )5.2.1 多電子原子軌道能級(jí)圖多電子原子軌道能級(jí)圖 （energy level portrayal of many electron atomic orbital)5.2.3 原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的周期性規(guī)律原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的周期性規(guī)律(the periodic reguration of atomic structure and quality )5.2.1多電子原子軌道的能級(jí)多電子原子軌道的能級(jí) (the energy level of many-electron atoms)1 鮑林近似能級(jí)圖鮑林近似能級(jí)圖 （portray

28、al of pauling approximation energy level )2 科頓能級(jí)圖科頓能級(jí)圖 （cotton energy level portray )pauling,l.c.(1901-1994)1 鮑林近似能級(jí)圖鮑林近似能級(jí)圖 n 值相同時(shí)值相同時(shí),軌道能級(jí)則軌道能級(jí)則由由 l 值決定值決定, 例例: e(4s) e(4p) e(4d) e(4f ). 這種現(xiàn)象這種現(xiàn)象叫叫 能級(jí)分裂能級(jí)分裂. l 值相同時(shí)值相同時(shí), 軌道能級(jí)只軌道能級(jí)只由由 n 值決定值決定, 例例: e(1s) e(2s) e(3s) 4n4時(shí)出現(xiàn)時(shí)出現(xiàn)能能級(jí)交錯(cuò)級(jí)交錯(cuò).如如e(4s) e(3d ),

29、 e(5s) e(4d), e(6s) e(4f)e(5d), a qualitative energy-levels diagram for many-electron atomse2. 科頓能級(jí)圖科頓能級(jí)圖此圖不是順序圖此圖不是順序圖! ! h 原子軌道能量只與原子軌道能量只與 n 有關(guān)有關(guān), 其它原子軌道均發(fā)生能級(jí)分裂其它原子軌道均發(fā)生能級(jí)分裂. 各種同名軌道的能量毫無(wú)例外各種同名軌道的能量毫無(wú)例外地隨原子序數(shù)增大而下降地隨原子序數(shù)增大而下降. 從從sc 開(kāi)始開(kāi)始, 第第4周期元素的周期元素的 3d 軌道能級(jí)低于軌道能級(jí)低于4s. 但但3d 過(guò)渡金屬被過(guò)渡金屬被氧化時(shí)氧化時(shí), 4s 軌道

30、都先于軌道都先于3d 軌道失軌道失去電子去電子.鮑林圖上反映不出這種情況鮑林圖上反映不出這種情況 ！5.2.2 核外電子分布原理和核外電子分布方式核外電子分布原理和核外電子分布方式(principle and mode of extranclear electronic distribution )1. 最低能量原理最低能量原理(aufbau principle) :電子總是優(yōu)先占據(jù)可供占據(jù)的能量最低的軌道電子總是優(yōu)先占據(jù)可供占據(jù)的能量最低的軌道, , 占滿能量較低的軌道后才進(jìn)入能量較高的軌道占滿能量較低的軌道后才進(jìn)入能量較高的軌道. . 根據(jù)順序圖根據(jù)順序圖, , 電子填入軌道時(shí)遵循下列次序

31、：電子填入軌道時(shí)遵循下列次序： 一、核外電子分布的三個(gè)原一、核外電子分布的三個(gè)原理理1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p注意：注意：鉻鉻(z = 24)之前的原子嚴(yán)格遵守這一順序之前的原子嚴(yán)格遵守這一順序, 之后的原子有時(shí)出現(xiàn)例外之后的原子有時(shí)出現(xiàn)例外.如：如：ar 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6k 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 (或或 ar4s1 ) 2.泡利不相容原理泡利不相容原理(pauli exclusion principle)： 同一原子中不能存在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的電子同一原子中不

32、能存在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的電子, , 即即同一原子中不能存在四個(gè)量子數(shù)完全相同的電子同一原子中不能存在四個(gè)量子數(shù)完全相同的電子. .quantum numbernlm mselectric aelectric b221100+1/2-1/2例如：例如：推論：推論：一個(gè)軌道最多只能容納一個(gè)軌道最多只能容納2個(gè)自旋相反的電子；個(gè)自旋相反的電子；每個(gè)電子層可容納的最多電子數(shù)為每個(gè)電子層可容納的最多電子數(shù)為2n2。怎樣推算出各層怎樣推算出各層( (shell)shell)和各亞層和各亞層( (subshellsubshell) )電子的最大容量電子的最大容量? ?question question nl

33、m 軌道符號(hào)軌道符號(hào) 軌道數(shù)軌道數(shù)容納電子數(shù)容納電子數(shù)0 0 1s 1(s) 0 0 2s21-1 0+12px2py2pz4(s,p) 0 0 3s-1 0+13px3py3pz1230,123dxy,3dyz,3dzx 3dz2, 3dx2-y29(s,p,d) 1212=2222=8232=18(b) ar 3d53. 洪德規(guī)則洪德規(guī)則 (hunds rule)： 電子分布到電子分布到等價(jià)軌道等價(jià)軌道時(shí)，總是盡先以相同的自旋時(shí)，總是盡先以相同的自旋狀態(tài)分占軌道狀態(tài)分占軌道. .即在即在n和和l 相同的軌道上分布電子，將相同的軌道上分布電子，將盡可得分布在盡可得分布在 m 值不同的軌道上，

34、且自旋相同。值不同的軌道上，且自旋相同。 例如：例如：(2)(2)s s、p p、d d 和和f f亞層中未成對(duì)電子的最大數(shù)目為亞層中未成對(duì)電子的最大數(shù)目為1 1、3 3、5 5和和 7 7； ar 4s2洪德規(guī)則結(jié)果洪德規(guī)則結(jié)果實(shí)驗(yàn)測(cè)定：實(shí)驗(yàn)測(cè)定： 順磁性順磁性有未成對(duì)電子；有未成對(duì)電子； (1)(1)電子總數(shù)為偶數(shù)的原子電子總數(shù)為偶數(shù)的原子( (分子和離子分子和離子) )也可能含有未成對(duì)電子也可能含有未成對(duì)電子反磁性反磁性無(wú)未成對(duì)電子無(wú)未成對(duì)電子 mn(a)question question 根據(jù)根據(jù)hunds rule, 下列哪一種是下列哪一種是氮原子氮原子( (7 7n) )的實(shí)際電子

35、排布的實(shí)際電子排布? ? 1s 2s 2px 2py 2pz 1s 2s 2px 2py 2pz 1s 2s 2px 2py 2pz1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 262622例，例， 22ti的電子分布式為：的電子分布式為：2洪德規(guī)則的洪德規(guī)則的特例特例： 等價(jià)軌道在全充滿等價(jià)軌道在全充滿(p6, d10, f 14)、半充滿、半充滿(p3, d 5, f 7)或全空或全空(p0, d 0, f 0)狀態(tài)時(shí)比較穩(wěn)定。狀態(tài)時(shí)比較穩(wěn)定。二、核外電子分布方式和外層電子分布式二、核外電子分布方式和外層電子分布式1.電子分布電子分布(方方)式式 多電子原子核外電子分布的表達(dá)式。多電子原子核外

36、電子分布的表達(dá)式。(遵從核外電子分布的三個(gè)原理遵從核外電子分布的三個(gè)原理)1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s262622225mn的電子分布式為：的電子分布式為：1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 26262521s 2s 2p 3s 3p 3d 4s26265221s 2s 2p 3s 3p2622424cr的電子分布式：的電子分布式：1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 26262421s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 2626101229cu的電子分布式：的電子分布式：1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s2626512洪德規(guī)則洪德規(guī)則的特例的特例2.外層電子分布

37、式外層電子分布式(簡(jiǎn)稱外層電子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱外層電子結(jié)構(gòu))化學(xué)反應(yīng)中有電子增減的電子層，稱之?；瘜W(xué)反應(yīng)中有電子增減的電子層，稱之。3s23p6mn2+：又如：又如：3s23p63d517cl：3s23p61s 2s 2p 3s 3p 3d 4s262622225mn： 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s262652222ti：cl- - ：1s 2s 2p 3s 3p2622516s：3s23p6s2-2-：ti4+： 徐光憲徐光憲 原子軌道能量計(jì)算原子軌道能量計(jì)算(n+0.7l )近似規(guī)律近似規(guī)律:(n+0.7l )值越大，原子軌道能量越高，反之亦然。值越大，原子軌道能量越高，反之亦然。離子

38、外層電子能量高低順序：離子外層電子能量高低順序： (n+0.4l )值越大，能量越高。值越大，能量越高。結(jié)論結(jié)論 ：原子總是先失去最外層電子：原子總是先失去最外層電子 1s 2s 2p 3s 3p262243s23p6mn2+： 3s23p63d517cl：3s23p625mn： 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s262652222ti：cl- - ：1s 2s 2p 3s 3p2622516s：3s23p6s2-2-：ti4+：1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s26262225.2.3 原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的周期性規(guī)律原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的周期性規(guī)律(the periodic regurat

39、ion of atomic structure and quality )一、原子結(jié)構(gòu)與元素周期律一、原子結(jié)構(gòu)與元素周期律核外電子層數(shù)相等的原子核外電子層數(shù)相等的原子按原子序數(shù)按原子序數(shù)z從小從小( (左左) )到大到大( (右右) )排成一行排成一行稱為周期稱為周期周期數(shù)周期數(shù)=該元素原子核外電子層數(shù)該元素原子核外電子層數(shù)原子原子外層外層電子數(shù)相等的原子電子數(shù)相等的原子按原子序數(shù)按原子序數(shù)z從小從小( (上上) )到大到大( (下下) )排成一列排成一列稱為族稱為族共有共有7個(gè)周期個(gè)周期共有共有18列列16個(gè)族。個(gè)族。主族主族元素及第元素及第、副族副族：族數(shù)族數(shù)=最外層電子數(shù)最外層電子數(shù)第第

40、-族：族： 族數(shù)族數(shù)=最外層電子數(shù)最外層電子數(shù)+次外層次外層d電子數(shù)電子數(shù)第第族族(含含3列列)：最外層電子數(shù)最外層電子數(shù)+次外層次外層d電子數(shù)電子數(shù)=810分區(qū)：分區(qū)： s區(qū)、區(qū)、p區(qū)、區(qū)、d區(qū)、區(qū)、ds區(qū)、區(qū)、f區(qū)：區(qū)：s區(qū)區(qū)p區(qū)區(qū)d區(qū)區(qū)ds區(qū)區(qū)f區(qū)區(qū)原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律a0族族1aaa2 s區(qū)區(qū)ns1ns2 p區(qū)區(qū)ns2np1 ns2np63bb b b4 d區(qū)區(qū)(n-1)d1ns2(n-1)d8ns2 ( 有例外有例外) ds區(qū)區(qū)(n-1)d10ns1(n-1)d8ns2567原子外層電子構(gòu)型與周期表分原子外層電子構(gòu)型與周期表分區(qū)區(qū)鑭系元素鑭系元素f 區(qū)區(qū)(n-2)

41、f1ns2(n-2)f14ns2 (有例外有例外)錒系元素錒系元素 適用金屬元素適用金屬元素 固體中測(cè)定兩個(gè)最鄰近固體中測(cè)定兩個(gè)最鄰近原子的核間距一半原子的核間距一半 適用非金屬元素適用非金屬元素 測(cè)定單質(zhì)分子中兩個(gè)相測(cè)定單質(zhì)分子中兩個(gè)相鄰原子的核間距一半鄰原子的核間距一半原子半徑原子半徑(atomic radius) 嚴(yán)格地講，由于電子云沒(méi)有邊界，原子半徑嚴(yán)格地講，由于電子云沒(méi)有邊界，原子半徑也就無(wú)一定數(shù)也就無(wú)一定數(shù). .但人總會(huì)有辦法的但人總會(huì)有辦法的. .迄今所有的原迄今所有的原子半徑都是在結(jié)合狀態(tài)下測(cè)定的子半徑都是在結(jié)合狀態(tài)下測(cè)定的. . 共價(jià)半徑共價(jià)半徑(covalent radiu

42、s)二、原子半徑的周期性變化二、原子半徑的周期性變化 金屬半徑金屬半徑(metallic radius)rrr60atomic radii (pm)li157be112mg160na191ca197k235rb250sr215ba224cs272sc164mo140cr129mn137tc135re137os135ru134fe126co125rh134ir136pt139pd137ni125cu128ag144au144hg155cd152zn137ti147v135nb147y182hf159ta147w141lu172zr160b88c77n74o66f64al143si118p110s

43、104cl99ge122ga153tl171in167br114as121se104sn158sb141te137i133bi182pb175source:wells a f,structural inorganic chemistry,5th edn.clarendon press,oxford(1984).總趨勢(shì)：同周期主族元素總趨勢(shì)：同周期主族元素(0(0族除外族除外) )：隨著原子序數(shù)的：隨著原子序數(shù)的 增大增大, ,原子半徑自左至右減小原子半徑自左至右減小. .同族元素：上同族元素：上下，原子半徑增大下，原子半徑增大( (過(guò)渡元素變化不明顯過(guò)渡元素變化不明顯) ).r2r1.原子半徑

44、的周期性變化原子半徑的周期性變化 (1)第第族中的族中的fe、co、ni的最高氧化值為的最高氧化值為 +3，ru 和和os為為8； 三、元素的氧化值三、元素的氧化值：1.主族元素主族元素：同周期從左同周期從左右右最高氧化值最高氧化值=族數(shù)族數(shù)2.副族元素總體：副族元素總體：同周期從左同周期從左右右最高氧化值最高氧化值=族族數(shù)數(shù)但有例外：但有例外：(2)ib族中族中cu、ag、au的最高氧化值分別為的最高氧化值分別為+2、+1、+3； (3) 副族元素有多變的化合價(jià)。副族元素有多變的化合價(jià)?；衔镏心吃厮鶐问诫姾傻臄?shù)化合物中某元素所帶形式電荷的數(shù)值值族族iiibivbvbvibviibvii

45、iibiib元素元素 sctivcr mnfeconicuzn氧氧化化值值+3+3+4+3+4+5+2+3+6+2+4+6+7+2+3+2+3+2+3+2+2第第ivb族元素主要氧化值族元素主要氧化值四、電離能：四、電離能： 元素的原子在氣態(tài)時(shí)失去電子所需吸收的能量元素的原子在氣態(tài)時(shí)失去電子所需吸收的能量r(g)- - e- - r+(g)- i1稱為第一電離能稱為第一電離能 (kjmol-1-1)r+ (g)- - e- - r2+ (g)-i2稱為第二電離能稱為第二電離能 (kjmol-1-1).電離能電離能(i )意義：意義：反映了原子得失電子的難易。反映了原子得失電子的難易。顯然，顯然，i 越大，越大，失電子越難失電子越難，元素的金屬性元素的金屬性 ，影響影響i 因素：因素：原子的核電荷原子的核電荷z，原子半徑原子半徑r,同周期元素，左同周期元素，左 右，右，z，i 電子構(gòu)型電子構(gòu)型，r，i 。同主族：上同主族：上下，下， z， i