第5章-原子结构与元素周期性课件.ppt
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- 原子结构 元素 周期性 课件
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1、第五章第五章 原子结构与元素周期性原子结构与元素周期性5.1 原子与原子结构初探原子与原子结构初探5.2 核外电子运动状态的描述核外电子运动状态的描述5.4 原子性质的周期性原子性质的周期性5.3 原子中电子的分布原子中电子的分布原子结构的研究对象n原子由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成;n发生化学变化时,只涉及核外电子运动状态的变化;n研究原子结构主要是研究核外电子的运动状态。5.1 原子与原子结构初探5.1.1 原子的组成-公元前公元前400年,希腊哲学家年,希腊哲学家Democritus 提出万物由提出万物由“原子原子”产生的思想产生的思想“原子不可分割原子不可分割”原子内有极小的核
2、,该核带有所有的正电荷和几乎全原子内有极小的核,该核带有所有的正电荷和几乎全部的质量,核外电子绕核运动部的质量,核外电子绕核运动存在问题n按照按照Rutherford 的行星式原子结构理论及经典的的行星式原子结构理论及经典的电磁学理论,绕核高速运动的电子,由于在作圆电磁学理论,绕核高速运动的电子,由于在作圆周运动时具有很大的向心力及向心加速度,将会周运动时具有很大的向心力及向心加速度,将会不断地地向原子核靠近,最后坠入原子核上(即不断地地向原子核靠近,最后坠入原子核上(即原子的毁灭)。原子的毁灭)。n电子在绕核运动时将连续不断地以电磁波的形式电子在绕核运动时将连续不断地以电磁波的形式辐射能量,
3、且辐射的电磁波的频率应是连续不断辐射能量,且辐射的电磁波的频率应是连续不断地改变的,由此可以得到的原子光谱也应是连续地改变的,由此可以得到的原子光谱也应是连续的。的。但实际上,原子不会自行毁灭,各种原子的发射但实际上,原子不会自行毁灭,各种原子的发射光谱是光谱是不连续不连续的线状光谱。这些问题说明:按的线状光谱。这些问题说明:按Rutherford 的行星式原子结构理论及经典的电磁的行星式原子结构理论及经典的电磁学理论来描述核外电子的运动是不符合事实的。学理论来描述核外电子的运动是不符合事实的。如何描述核外电子的运动规律?如何描述核外电子的运动规律?1.光和电磁辐射5.1.2 氢原子光谱与氢原
4、子光谱与BohrBohr理论理论连续光谱:一束白光通过三棱镜折射后,可以分解为赤橙连续光谱:一束白光通过三棱镜折射后,可以分解为赤橙黄绿青蓝紫等不同波长的光谱,这些光谱是连续的。黄绿青蓝紫等不同波长的光谱,这些光谱是连续的。红 橙 黄 绿 青 蓝 紫u线状光谱:以火焰、电弧、电火花或其他方法线状光谱:以火焰、电弧、电火花或其他方法灼烧化合物时,化合物能发出不同波长或频率灼烧化合物时,化合物能发出不同波长或频率的光线,这些光线通过三棱镜折射,由于折射的光线,这些光线通过三棱镜折射,由于折射率的不同,在屏幕上得到一系列不连续的谱线,率的不同,在屏幕上得到一系列不连续的谱线,称为线状光谱。称为线状光
5、谱。2.氢原子光谱是线状光谱氢原子光谱是线状光谱n在抽成真空的放电管中充入少量氢气,在抽成真空的放电管中充入少量氢气,通过高压放电,氢气可以产生玫瑰红色通过高压放电,氢气可以产生玫瑰红色的可见光、紫外光和红色光,利用三棱的可见光、紫外光和红色光,利用三棱镜可将这些光线分成一系列按波长大小镜可将这些光线分成一系列按波长大小排列的线状光谱。排列的线状光谱。氢原子光谱特征氢原子光谱特征:不连续的,线状的。不连续的,线状的。有规律有规律12215s)121(10289.3nvn=3 红(H)n=4 青(H)n=5 蓝紫(H)n=6 紫(H)Balmer线系一般通式:一般通式:波数波数=1/=RH (1
6、/n12 1/n22)(n=1,2,3,4,5,)玻尔模型理论玻尔模型理论n为了解释氢光谱,为了解释氢光谱,1913年,年,28岁的丹麦岁的丹麦物理学家物理学家Bohr 在在Rutherford 行星式原子行星式原子结构模型基础上,根据德国科学家、量结构模型基础上,根据德国科学家、量子理论之父子理论之父Plank 的的“振子能量量子化振子能量量子化”假说及假说及 Einstein 的光子学说,提出了原的光子学说,提出了原子结构的玻尔模型理论。子结构的玻尔模型理论。3 Bohr理论 三点假设:核外电子只能在有确定半径和能量的轨道上运动,这些轨道的能量状态不随时间改变,称为定态轨道,在定态运动时,
7、电子不吸收或辐射能量;不同的定态轨道能量不同。电子处在离核最近的轨道上,能量最低基态;原子获得能量后,电子被激发到高能量轨道上,原子处于激发态;从激发态回到基态释放光能,光的频率取决于轨道间的能量差。玻尔理论虽然成功地解释了氢原子光谱,但是却不能解释多电子原子的光谱,因为玻尔理论的基础仍然建筑在经典物理学的基础上。而微观粒子的运动有其特殊的规律性,已不能用经典力学的理论来描述,而只能用量子力学的理论来解释。5.2 核外电子运动状态的描述5.2.1 电子运动的波粒二象性经典物理学理论认为,粒子是具有一定形状、大经典物理学理论认为,粒子是具有一定形状、大小及质量的实物体,而波(声波、光波)才具有小
8、及质量的实物体,而波(声波、光波)才具有波长和频率,只有波才能发生衍射和干涉。波长和频率,只有波才能发生衍射和干涉。随着科学的发展,人们发现光除了具有波动性一随着科学的发展,人们发现光除了具有波动性一面外,还存在微粒性一面:光可以产生光电效应。面外,还存在微粒性一面:光可以产生光电效应。也就是说,也就是说,光具有波粒二象性光具有波粒二象性 电子电子的粒子性已为人所知,关键是是否具有的粒子性已为人所知,关键是是否具有波动性波动性呢?呢?1924年,德布罗依Louis de Broglie提出电子等实物粒子同样有波粒二象性,认为:质量为 m,运动速度为的粒子,相应的波长为:1927年,Daviss
9、son和Germer应用Ni晶体进行电子衍射实验,证实电子具有波动性。=h/mv=h/p,h=6.62610-34Js,Plank常量。如何理解电子运动的波动性呢?5.2.2 概 率单个电子运动无法预测,即没有确定的轨道,电子衍射明暗相间的环纹,又说明电子运动是有规律采用统计的方法可以对电子衍射给出合理的解释;在衍射亮环纹处,衍射强度大,电子出现的机会多,即在衍射亮环纹处,衍射强度大,电子出现的机会多,即概率大;相应的暗环纹处,衍射强度小,电子出现的机概率大;相应的暗环纹处,衍射强度小,电子出现的机会少,即概率小;会少,即概率小;电子在原子核外空间单位体积内出现的概率,称为电子在原子核外空间单
10、位体积内出现的概率,称为概率概率密度密度电子的波动性是与其行为的统计性相联系的。电子的波动性是与其行为的统计性相联系的。电子的粒子性不同于经典粒子,波动性也不同于机械波和电磁波,其波粒二象性不是粒子行和波动性的简单加和,电子运动的是符合统计规律的,需要新的理论来描述。VEhmzyx2222222285.2.3.Schrdinger薛定谔方程常数:Planckh:势能V:能量E波函数:质量m描述核外电子运动状态的波函数,它是电子的空间坐标x,y,z的函数 对于一个质量为m,在势能为V的势场中运动的微粒来说,薛定谔方程的每个合理的解,就表示该微粒运动的某一个稳定状态-原子轨道;n解得的不是一个具体
11、的数值,而是包括三个常数项(n,l,m)和三个变量(x,y,z)的函数式,用n.l.m(x,y,z)表示n与该解相应的能量值就是该定态所对应的能级。n薛定谔方程的物理意义:薛定谔方程的物理意义:5.2.4 量子数求解Schrdinger时为获得合理的解,引入三个量子数n,l,m 来限制它们,表示为:(n,l,m)(x,y,z)n:主量子数,取自然数,n=1,2,3,4,5;l:副(角)量子数,l 取0 n-1 间的整数,l=0,1,2,n-1;m:磁量子数,m 取 m l 的整数,m=0,1,2,l 1)主量子数)主量子数n:q它在确定电子运动的能量时起决定性的作用,它表它在确定电子运动的能量
12、时起决定性的作用,它表示了轨道离核的远近,有示了轨道离核的远近,有“层层”的意义的意义qn 增加,电子的能量随着增加,电子离核平均距离增加,电子的能量随着增加,电子离核平均距离也相应增大。在一个原子内,主量子数相同的电子也相应增大。在一个原子内,主量子数相同的电子都近似地在同一空间范围内运动。都近似地在同一空间范围内运动。q习惯上:习惯上:n=1,2,3,4,5,6,7 时,电子层符号分别时,电子层符号分别为:为:K,L,M,N,O,P,Q。四个量子数四个量子数n,l,m,ms 的意义的意义 2)副量子数)副量子数l:l 取0n-1 间的整数,确定了轨道的形状并对轨道的确定了轨道的形状并对轨道
13、的能量也产生一定的影响。能量也产生一定的影响。不同的不同的l 值,表示不同的轨道,值,表示不同的轨道,l 取值分别为取值分别为0,1,2,3对应以符号对应以符号s,p,d,f 表示,俗称表示,俗称亚层亚层;sPydxy3)磁量子数)磁量子数m:它确定原子轨道在空间的取向,每一个取向就相当于它确定原子轨道在空间的取向,每一个取向就相当于一个轨道,一个轨道,取 m l 的整数,为为2l+1个。个。s 轨道:轨道:l=0,m=0,说明说明s 轨道在空间只有一种取向轨道在空间只有一种取向p 轨道:轨道:l=1,m=0,1,说明说明p 轨道在空间有三种取向轨道在空间有三种取向d 轨道:轨道:l=2,m=
14、0,1,2,说明说明p 轨道在空间有五种轨道在空间有五种取向取向f 轨道:轨道:l=3,m=0,1,2,3,说明说明f 轨道在空间有轨道在空间有七种取向七种取向 4)自磁量子数)自磁量子数ms:q它是根据实验事实提出的:它是根据实验事实提出的:n,l,m 相同的电相同的电子在核外运动时,具有方向相反的两种运动子在核外运动时,具有方向相反的两种运动状态。状态。q这两种状态有不同的这两种状态有不同的“自旋自旋”角动量,其值角动量,其值可取可取+或或 ,这个数字称为自旋量子数。,这个数字称为自旋量子数。常用正反箭头来表示:常用正反箭头来表示:n,l,m 一定,轨道也确定 0 1 2 3 轨道 s p
15、 d f 例如:n=2,l=0,m=0,2s n=3,l=1,m=0,3pz n=3,l=2,m=0,3dz2思考题:当n为3时,l,m 分别可以取何值?轨道的名称怎样?核外电子运动的可能状态核外电子运动的可能状态 主量主量子数子数n电子层电子层 符号符号副量副量子数子数l能级符能级符号号磁量子数磁量子数m各层原子各层原子轨道总数轨道总数电子运动电子运动状态总数状态总数1K01s0122L012s2p00,1483M0123s3p3d00,10,1,29184N01234s4p4d4f00,10,1,20,1,2,316325.2.5 波函数1、基本含义波函数是描述电子运动状态的数学表达式;波
16、函数是空间坐标的函数;波函数的空间图像可以形象地理解为电子运动状态的空间范围,有时俗称“原子轨道”;通过对波函数的具体计算可以得到电子在该状态下的性质,如能量、动量、形状等,(n,l,m)(x,y,z)2、波函数的图像角度分布图和径向分布图n波函数本身是一个三维空间函数,很难直接用简单的图形表示清楚,根据化学结构应用的需要,将其按角度分布图和径向分布图分别表示;直角坐标(x,y,z)与球坐标(r,)的转换 222zyxrcosrz qsinsinry qcossinrxqq,rzyx q,YrRxP(x,y,z)P(r,q,)qrzyOxyz原子轨道角度分布图:S轨道q,Y将波函数将波函数(x
17、,y,z)的角度部分的角度部分 作图作图l=0 m=05.4.2 电离能和电子亲合能电离能和电子亲合能5.4.4 元素的氧化数元素的氧化数波函数角度分布图波函数角度分布图:p轨道轨道l=1,m0,1波函数角度分布图波函数角度分布图:d轨道轨道36l=2,m0,1,2原子轨道角度分布图特点图中正负号不可省,表示波函数数值的正负,并非表示正负电荷;角度分布图与主量子数无关。因此,副量子数相同、主量子数不同的各轨道其角度分布相同;5.2.6 电子云电子云1、概率密度电子在原子核外空间单位体积内出现的概电子在原子核外空间单位体积内出现的概率,称为率,称为概率密度,概率密度,可直接用波函数绝对可直接用波
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