无机化学原子结构课件.ppt
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- 无机化学 原子结构 课件
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1、第六章第六章 原子结构原子结构 分子是构成物质的最小单元,而原子是构成分子的基本单元。种类繁多的物质,其性质不相同。物质在性质上的不同是由于物质内部结构引起的。在化学反应中,原子核并不发生变化,只有核外电子的运动状态发生变化。6-1 微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性一、氢光谱和玻尔理论1)氢原子光谱近代原子结构理论的建立是从研究氢原子光谱开始的。H:=656.2 nmH:=486.1 nmH:=434.0 nmH:=410.2 nm1885年,巴尔麦(Balmer,瑞士,中学教师)公式:)121(10097373.11227nn=3,4,5,6,7时,能很精确地得到H,H,H,H,H.
2、谱线的波长。当时已知可见光区有14条谱线。1913年,里德堡(Rydberg,Ruidian 瑞典光谱学家)公式适用于所有氢光谱的通式(红外-可见-紫外):1712212221m10097373.1,)11(1里德堡常数为正整数,RnnnnnnR氢原子光谱数据与经典力学的矛盾。2)玻尔理论)玻尔理论玻尔理论(1913)的基础普朗克量子论(1900)爱因斯坦光子学说(1905)Max Planck(1858-1947)Nobel prize winner for physics in 1918Albert Einstein(1879-1955)Nobel prize winner for phy
3、sics in 1921 N.H.D.Bohr(1885-1962)Nobel prize winner in 1922光子学说:光既是一种波,也有粒子性。当能量以光的形式传播时,其最小单位是光量子,简称光子(photon),E=hv p=h/把光的波动和粒子性联系起来了。普朗克量子论:物质吸收和发射能量是不连续的,即量子化的。只能以一最小单位一份一份地方式吸收或发射能量。能量的最小单位是能量子,简称量子(quantum)。玻尔理论的要点(玻尔1922年获得诺贝尔物理奖):电子只能在符合一定条件的特定(有确定的半径和能量)轨道上运动,电子在这些轨道运动的角动量M必须满足h/2的整数倍。电子在这
4、些符合量子化条件的轨道上运动时,处于稳定状态,既不吸收能量,也不放出能量。这些轨道叫定态轨道。2hnrmMe电子轨道离核愈远,能量愈高。当原子中的电子处于离核最近的轨道时,处于最低的能量状态(基态),当原子获得能量,跃迁到能量更高的轨道上(激发态),电子的能量是量子化的,它不可能处于两个允许的相邻轨道的能量之间。当电子从一种高能量状态向低能量状态跃迁时,能量以光辐射的形式发射出来。其能量大小决定于两轨道能级之间的能量差(玻尔频率规则)。E=E2-E1=hvr2222hnrmrZekrmee2222242ZemkhnrnhZekehnmZkrkZerrkZeEEmEEEren222222224d
5、21势势势动2224212nhZemkEen根据玻尔理论和经典力学原理,玻尔计算了类氢原子的运动速度、能量和轨道半径。对氢原子:r=n20.529 10-10 m=n2 52.9 pm 当n=1时,r1=a0=52.9 pm (玻尔半径,即氢原子处于基态的半径)J10179.2218nEn当n=1时,r1=B,E1=-A,氢原子处于基态的能量当n=2时,r2=4B,E2=-A/4,氢原子处于激发态的能量当n=3时,r3=9B,E3=-A/9,氢原子处于激发态的能量当n 时,r,En=0。氢原子从高能级跃迁到低能级时,辐射能的频率v为:)11(10179.222211821nnhhEEvnn)1
6、1(10097.1122217nn定义:B=52.9 pmA=2.17910-18J1927年,戴维逊(Davisson C J)和盖革(Geiger H)在镍单晶上的反射实验以及汤姆逊(G.P.Thomson)的电子衍射实验证实了德布罗依假设。这种实物微粒所具有的波为德布罗依波,或物质波。玻尔理论的不足之处:虽然能解释氢光谱,但不能解释多电子原子光谱,甚至不能解释氢光谱的精细结构和电子在磁场中的分裂。二、微观粒子的波粒二象性(1)光的波粒二象性mhph(2)微观粒子的波粒二象性1924年法国理论物理学家德布罗依(de Broglie,1929年获得诺贝尔物理奖)提出了微观粒子的波粒二象性。高
7、速运动的微观粒子的波长为:x px h因为px=m vx x vx h/m对于微观粒子,动量测得愈准确,则相应的位置就愈不准确。测不准关系并不意味着微观粒子的运动是不可认识的,只是说明不能把微观粒子和宏观物体一样用经典力学处理。测不准原理正是反映了微观粒子具有波粒二象性,是对微观粒子运动规律认识的深化量子力学规律。测不准原理表明微观系统的运动有其特殊的规律。海森堡测不准原理否定了玻尔提出的原子结构模型。B汤姆逊衍射实验1937年诺贝尔奖G.P.ThomsonWerner Heisenberg 三、海森堡测不准原理(Heisenberg uncertainty principle)1932年诺贝
8、尔物理奖6-2 氢原子核外电子的运动状态氢原子核外电子的运动状态一、薛定谔方程微粒的波动方程1)薛定谔方程薛定谔(Schrdinger E,1933年获得诺贝尔物理奖)在 1926年提出,0)(822222222VEhmzyx总能量势能电子质量普朗克常数x,y,z为空间坐标薛定谔方程的解是一系列波函数 的具体函数表达式,这些波函数与所描述的运动状态(即在空间某范围内出现的几率)密切相关。2)波函数 的物理意义:(x,y,z)是描述核外电子运动状态的数学表达式,电子的运动规律受该表达式控制,但具体的物理意义不明确。|2的物理意义:空间上某一点电子出现的概率密度。也就是空间某点(x,y,z)附近微
9、体积内出现的概率。在空间某点(x,y,z)附近体积d 的概率为:dp=|(x,y,z)|2d3)氢原子的波函数:从薛定谔方程求解氢原子波函数的步骤:坐标变换,空间直角坐标(x,y,z)球坐标(r,)。目的:使势能涉及尽可能少的变量,使运算简单。rkzeV2222zyxr坐标变换后,分离变量:(r,)=R(r)Y(,)引入3个参数项,目的:保证解的合理性。n=1,2,3,主量子数l=0,1,2,3,n-1 角量子数m=0,1,2,3,l 磁量子数量子数对于一组合理的n,l,m取值,则有一个确定的波函数:(r,)n,l,m 简写为:(n,l,m)即一个原子轨道(对应电子的一个运动状态)zxyp(r
10、,)Oy=r sin sinx=r sin cosz=r cos 222zyxrr n l mn=1 (1,0,0)1s 一个轨道 光谱学上把 l,=0,1,2,3分别记为s,p,d,f。(2,0,0)2s (2,1,1)2pn=2 (2,1,-1)2p 4个轨道 (2,1,0)2pn1223334444l0010120123m00-1,0,+10-1,0,+1-2,-1,0,+1,+20-1,0,+1-2,-1,0,+1,+2-3,-2,-1,0,+1,+2,+3轨道名称轨道名称1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f轨道数轨道数11313513574916氢原子轨道与三个量子数的关系氢原子
11、轨道与三个量子数的关系根据薛定谔方程得到的氢原子在各轨道上的能量为:J)10179.2(1822nzE E1s E2s=E2p E3s=E3p=E3d.二、波函数和电子云图坐标变换后,分离变量:(r,)=R(r)Y(,)R(r):径向部分Y(,):角度部分氢原子的若干波函数见表6-2(p129)氢原子的若干波函数(a0为玻尔半径)轨道 (r,)R(r)Y(,)0/301area0/3012area4102/030)2(2141areara02/030)2(81areara41cos)(214102/030arearacossin)(214102/030arearacossin)(214102/
12、030areara02/030)(241arearacossin43cossin43cos4302/030)(241areara02/030)(241areara1s2s2pz2px2py1)波函数角度分布图 角度部分:Y(,)cos43zpY+-=90=30=60 xz(r,)=R(r)Y(,)1.00c 0.87c 0.50c 0 -0.50c -0.87c -1.00cY cos 0 30 60 90 120 150 180 不同角的Y值(令 )c4323210212311原子轨道角度分布图原子轨道角度分布图41),(:s 1Y二、波函数和电子云图2)电子云角度分布图(或|2 的角度分布
13、图)Y2(,)可以理解为在不同角度上电子云出现的概率密度的相对大小。二、波函数和电子云图3)电子云径向分布图 径向部分:R(r)R(r)没有明确的物理意义。|2的物理意义为概率密度。rr+dr概率p=概率密度体积=|24r2dr|2=R2Y 2 对于球形,即s的41Y概率p=R2Y 24r2dr=R2 4r2dr=R2r2dr 41R2r2 的物理意义:半径为r 的单位厚度薄球壳内电子出现的概率。以R2r2 r作图就得到径向分布图氢原子电子云径向分布图1)1s轨道电子云径向分布图在r=52.9pm处有峰值。52.9pm恰好等于玻 尔理论中基态氢原子的轨道半径。2)对于s态,出现峰值最大的个数正
14、好等于n。电子云径向分布图中峰的数目为n-l。3)n越大,电子距核平均距离越远;n相同,电子距核距离相近。4)电子云的总体空间分布图象 三、四个量子数1)主量子数n n=1,2,3,n,表示电子离核的远近,决定电子的层数。J10179.2218nE对氢原子:n=1Kn=2.Ln=3.Mn=4.N凡是n相同的电子组成一个电子层。三、四个量子数2)角量子数 l l=0,1,2,3,n-1,反映电子在空间不同角度的分布,决定原子轨道或电子角度部分的形状。l =0 1 2 3 4符号 s p d f g形状 球形 哑铃 花瓣 n=1 1个l值,l=0 (s)n=2 2个l值,l=0,1 (s,p)n=
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