氢原子的结构

《氢原子的结构》由会员分享，可在线阅读，更多相关《氢原子的结构（56页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第第 九九 章章 原子结构和元素周期律原子结构和元素周期律9-1 氢原子的结构及核外氢原子的结构及核外电子运动的特征电子运动的特征粒子散射实验粒子散射实验原子的有核模型原子的有核模型原子的质量集中在原子核上原子的质量集中在原子核上一、氢原子的结构一、氢原子的结构(氢原子的氢原子的Bohr模型模型)1、能级假说能级假说:电子沿固定轨道绕核电子沿固定轨道绕核运动，轨道上的电子有特定的能量运动，轨道上的电子有特定的能量值，称为值，称为能级能级（energy level）。）。1,2,3n,nRE2H2、能级间的跃迁能级间的跃迁:当电子的能量由当电子的能量由一个能级改变到另一个能级一个能级改变到另一个

2、能级,称为称为跃迁（跃迁（transition）。）。二、核外电子运动的二、核外电子运动的波粒二象性波粒二象性（particle-wave duality）小小 结结核外电子运动的两大特征核外电子运动的两大特征 量子化特征量子化特征 波粒二象性波粒二象性三、测不准原理三、测不准原理 x px h/4Heisenberg W：无法同时测定微观粒无法同时测定微观粒子的位置和动量。子的位置和动量。微观粒子的运动无确定的运动轨迹微观粒子的运动无确定的运动轨迹用用量子力学量子力学来描述微观粒子在空间来描述微观粒子在空间出现的概率及特征出现的概率及特征9-2 核外电子运动状态的描述核外电子运动状态的描述

3、波函数波函数和和电子云电子云一、波函数（一、波函数（wave function）Schrdinger方程方程0)(222222228VEhmzyx(x、y、z)或或(r、)叫做波函数，叫做波函数，也称为原子轨道也称为原子轨道(atomic orbital)。(r、)=R(r)Y(、)R函数函数波函数的径向部分或径向波函数的径向部分或径向波函数波函数(radial wave function)，是电，是电子与核距离子与核距离r的函数；的函数；Y函数函数波函数的角度部分或角度波函数的角度部分或角度波函数波函数(angular wave function)，是，是方位角方位角和和的函数。的函数。s态

4、波函数态波函数p态波函数态波函数pxpzpyd态波函数态波函数 注注 意意1、可看作在可看作在x、y、z三维空间里能找到三维空间里能找到该运动电子的一个区域，即该运动电子的一个区域，即原子轨道原子轨道；2、每一个每一个代表核外电子的某种代表核外电子的某种运动状运动状态态，并有相应确定的能量，并有相应确定的能量En3、与与Bohr原子轨道不同；原子轨道不同；4、波函数在不同角度有正负之分，正负、波函数在不同角度有正负之分，正负号是函数值符号，反映电子的波动性号是函数值符号，反映电子的波动性。二、概率密度和电子云二、概率密度和电子云|2表示核外某点的概率密度。表示核外某点的概率密度。即即:在该点附

5、近微单位体积内电子出在该点附近微单位体积内电子出现的概率。现的概率。电子云（电子云（electron cloud）：表示电：表示电子在核外空间概率密度分布情况的子在核外空间概率密度分布情况的几何图形。几何图形。如：氢原子如：氢原子1s电子云的图形电子云的图形p轨道电子云轨道电子云d轨道电子云轨道电子云三、四个量子数三、四个量子数主量子数主量子数n角动量量子数角动量量子数l磁量子数磁量子数mn、l、m取值一定取值一定并加以合理组合并加以合理组合确定电子的确定电子的自旋方向自旋方向自旋角动量自旋角动量量子数量子数s一个合理的波函一个合理的波函数（原子轨道）数（原子轨道）（一）主量子数（一）主量子数

6、n （principal quantum number）1、意义意义：表示离核平均距离的远：表示离核平均距离的远近，决定电子的近，决定电子的能量能量高低。高低。2、取值取值：n=1、2、3等正整数。等正整数。电子层符号电子层符号K、L、Mn 和和 l 的关系的关系 电子层电子层主量子数主量子数 （n）角动量量角动量量子数（子数（l）符符 号号K101sL2 0 12s 2pM30 1 23s 3p 3dN40 1 2 34s 4p 4d 4f第第n电子层，就有电子层，就有n种不同形状的轨道。种不同形状的轨道。（二）轨道角动量量子数（二）轨道角动量量子数l（orbital angular mom

7、entum）1、意义意义：代表电子的角动量，代表电子：代表电子的角动量，代表电子在空间不同角度出现的几率，决定轨道和在空间不同角度出现的几率，决定轨道和电子云的电子云的形状形状，与主量子数共同决定电子，与主量子数共同决定电子的的能量能量。2、取值取值：受：受n的限制，只能取的限制，只能取0和小于和小于n的的正整数。正整数。即：即：l=0、1、2、3（n-1）电子亚层电子亚层 s、p、d、f（三）磁量子数（三）磁量子数m （magnetic quantum number）1、意义意义：决定原子轨道在空间的：决定原子轨道在空间的取向取向。2、取值取值：受：受l的限制，只能取从的限制，只能取从+l到

8、到-l的的一切整数（含一切整数（含0）。）。m=0、1、2、3lm总共可取（总共可取（2l+1）个数值，代表）个数值，代表（2l+1）种取向。）种取向。lm原子轨道及取向原子轨道及取向spd0 0 只有一个轨道只有一个轨道 1 0、1 2 0、1、2 共有五种取向共有五种取向，dxy、dyz、dxz、dx2-y2、dz2l 与与 m之间的关系之间的关系 共有三种取向，共有三种取向，px、py、pz 3个轨道个轨道n电子电子层层l能能级级m轨道轨道数数轨道轨道总数总数1K01s0112L02s01412p0、+1、-133M03s01913p0、+1、-1323d0、+1、-1、+2、-254M

9、04s011614p0、+1、-1324d0、+1、-1、+2、-2534f0、+1、-1、+2、-2、+3、-37 n、l、m三者的关系三者的关系 小小 结结1、n、l、m三个量子数的取值是相互三个量子数的取值是相互制约的；制约的；2、n、l、m的每一个合理组合确定一个的每一个合理组合确定一个原子轨道：原子轨道：n：决定：决定电子层电子层l：确定：确定形状形状m：确定空间：确定空间取向取向决定决定能量能量3、每个电子层的轨道总数为每个电子层的轨道总数为n2。（四）自旋角动量量子数（四）自旋角动量量子数 s （spin angular momentum ）1、意义意义：表示电子的自旋状态；：表

10、示电子的自旋状态；2、取值取值：s=+1/2和和-1/2 或用或用表示表示 结结 论论2、在同一个原子中，不可能有四个在同一个原子中，不可能有四个量子数完全相同的两个电子。量子数完全相同的两个电子。3、每个电子层最多容纳的电子总数每个电子层最多容纳的电子总数为为2n2。1、n、l、m、s的每一个合理组合，的每一个合理组合，代表核外代表核外电子电子的一种可能运动状态。的一种可能运动状态。例如：例如：n=2，l=1表示第表示第2电子层的电子层的p亚层，该亚层亚层，该亚层共有共有3个轨道，最多可容纳个轨道，最多可容纳6个电子。这六个电子个电子。这六个电子的运动情况可分别用下列各组量子数来表示：的运动

11、情况可分别用下列各组量子数来表示：电子电子序数序数123456nlmms21 21021 21021 21+121 21+121 21-121 21-12P2P2P9-3 电子组态和元素周期表电子组态和元素周期表一、多电子原子的能级一、多电子原子的能级 由于电子的相互排斥对核电荷由于电子的相互排斥对核电荷的部分抵消作用。的部分抵消作用。n不同，不同，l相同时，相同时，n越大，内层电子越大，内层电子的屏蔽作用越强，其能量越高。的屏蔽作用越强，其能量越高。例如：例如：E1sE2s E3sH22RnZE 1、屏蔽效应屏蔽效应外层电子为回避其它电子的屏蔽作外层电子为回避其它电子的屏蔽作用而向内层渗透的

12、现象。用而向内层渗透的现象。各种电子钻穿能力大小顺序：各种电子钻穿能力大小顺序：ns np nd nf Ens Enp End Enfn相同，相同，l不同时，不同时，l越大，其能量越高。越大，其能量越高。2、钻穿效应钻穿效应近似能级图近似能级图3、能能 级级 交交 错错 现现 象象 规规 律律n 3，无能级交错现象，无能级交错现象n 4，EnsE（n-1）dEnpn 6，EnsE（n-2）fE（n-1）d EnpE1s E2s E2p E3s E3p E4s E3d E4p E5s E4d 能级顺序能级顺序(energy order)：二、原子的二、原子的电子组态电子组态（electronic

13、 confi-guration）及电子排布规律）及电子排布规律1、Pauli不相容原理：不相容原理：同一原子中，不可能有四个量子同一原子中，不可能有四个量子数完全相同的两个电子。数完全相同的两个电子。即：即：每个原子轨道最多只能容纳每个原子轨道最多只能容纳两个自旋方向相反的电子两个自旋方向相反的电子。2、能量最低原理能量最低原理：电子在原子轨道的排布总是尽可电子在原子轨道的排布总是尽可能先占据能量最低的轨道，而使能先占据能量最低的轨道，而使原子体系的总能量最低。原子体系的总能量最低。3、Hund规则规则电子在能量相同的几个原子轨道（等电子在能量相同的几个原子轨道（等价轨道或简并轨道）上排布时，

14、总是价轨道或简并轨道）上排布时，总是尽可能以自旋相同的方向，分占不同尽可能以自旋相同的方向，分占不同的轨道。的轨道。例如：例如：N原子核外电子排布为原子核外电子排布为 1s22s22p31s2s2p Hund 规则补充规定规则补充规定 简并轨道全充满（简并轨道全充满（p6、d10、f14）、半）、半充满（充满（p3、d5、f7）和全空（）和全空（p0、d0、f0）的状态比较稳定。）的状态比较稳定。Cr原子原子1s22s22p63s23p63d54s1Cu原子原子1s22s22p63s23p63d104s1ArAr三、原子的电子层结构与元素周期表三、原子的电子层结构与元素周期表（一）周期（一）周

15、期（period）的划分）的划分周期周期=元素原子元素原子最外层的主量子数最外层的主量子数各周期的元素数目等于相应能级组各周期的元素数目等于相应能级组中各原子轨道可容纳的电子总数。中各原子轨道可容纳的电子总数。（二）（二）族（族（group）的划分）的划分将外层电子结构相同或相似的元素排将外层电子结构相同或相似的元素排成一列，称为族。成一列，称为族。主族（主族（A族）：族）：A A族族电子最后填充在最外层的电子最后填充在最外层的s轨道或轨道或p轨道上；轨道上；主族数主族数=最外层电子数最外层电子数 特特 点点副族（副族（B族）：族）：B B 族族电子最后填充在电子最后填充在d 轨道或轨道或 f

16、 轨道上、轨道上、(n-2)f、(n-1)d、ns电子都是价层电子；电子都是价层电子；B、B族：族：族数族数=最外层电子数最外层电子数 B B族：族：族数族数=最外层电子数最外层电子数+次外层次外层d 电子数电子数 B 族：族：(n-1)d和和ns电子总数为电子总数为810价电子价电子主族元素主族元素：最外层电子：最外层电子副族元素副族元素：除最外层电子，：除最外层电子，还包括次外层的还包括次外层的d电子、电子、(n-2)f层的部分电子。层的部分电子。（三）（三）元素分区元素分区按照最后一个电子填充在哪按照最后一个电子填充在哪个能级上，可将元素周期表个能级上，可将元素周期表中的元素分成五个区。

17、中的元素分成五个区。区区最后一个电子最后一个电子填充的能级填充的能级族族外层电子外层电子结构结构s区区p区区d区区ds区区f区区A、Ans1、ns2A A 0族族ns2np16(n-1)d18 ns12B、B(n-1)d10ns1(n-1)d10ns2镧系、锕系镧系、锕系(n-2)f014(n-1)d01ns2s 能级能级p 能级能级d 能级能级 d 能级能级 （全充满（全充满）f 能级能级B B 族族（四）（四）过渡元素过渡元素概念概念过渡元素（过渡元素（transition element）包括包括d区、区、ds区和区和f区的元素。区的元素。过渡元素过渡元素最外层电子数较少，都最外层电子数

18、较少，都是金属元素；在化合物中常有多种是金属元素；在化合物中常有多种氧化值。氧化值。第四节第四节 元素性质的周期性变化规律元素性质的周期性变化规律一、原子半径（一、原子半径（atomic radius）：）：同一周期从左到右同一周期从左到右，主族元素的，主族元素的原子半径逐渐减小；过渡元素原子原子半径逐渐减小；过渡元素原子半径先是缓慢缩小，然后略有增加。半径先是缓慢缩小，然后略有增加。同一主族从上到下同一主族从上到下，原子半径逐，原子半径逐渐增大。渐增大。二、元素的电负性（二、元素的电负性（electronegativity）定义：元素原子在分子中定义：元素原子在分子中吸引成键吸引成键电子的能

19、力电子的能力。同一周期从左到右同一周期从左到右，电负性递增；，电负性递增；同一主族从上到下同一主族从上到下，电负性递减。，电负性递减。Summary An atom consists of a nucleus and electrons occupying the remaining space.We know electron is of wave-particle duality.According to the uncertainty principle,the exact position and speed of an electron can not be known simult

20、aneously.How do we describe the motion of an electron?Usually we use wave function or electron cloud to describe the motion of an electron in an atom.1、Wave function The electron wave function is mathematical description of the electrons wavelike motion in an atom.Each wave function associated with

21、one of the atoms allowed energy states.Wave function is the solution of Schrdingers equation.(r、)=R(r)Y(、)R(r)radical wave function Y(、)angular wave function There are four kinds of atomic orbital as following:s、p、d、f2、Electron cloud The probability density of finding the electron at a particular lo

22、cation is represented by|2.Electron cloud can express the distribution of|2 directly.2(r、)=R2(r)Y2(、)3、Four quantum numberThree features of the atomic orbital are described by three quantum numbers as following:size nshape l orientation m Orbitals with the same n and l values constitute a sublevel;s

23、ublevels with the same n value constitute an energy level.A sublevel with l=0 has one s orbitalA sublevel with l=1 has three p orbitalsA sublevel with l=2 has five d orbitalsA sublevel with l=3 has seven f orbitals In many-electron atoms,we use the fourth quantum number spin angular momentum quantum

24、 number（s）to describe electron spin.4、Electronic configuration 1)The energy order E1s E2s E2p E3s E3p E4s E3d E4p 2)How to gain the electronic configuration of an atom at ground state We must obey the following principles:Pauli Exclusion principleBuilding-up principle(or Aufbau principle)Hunds rule5

25、、Periodic table of elementsThe constitution of periodic table of elements:period:seven periodsgroupmain-group:eight groupssubgroup:eight groups For the main-group elements,valence electrons are in the outer level only.For transition elements,inner d electrons are often involved in reactions.本章基本要求本章基本要求 1 1、掌握、掌握s s、p p、d d波函数的角度分布波函数的角度分布和电子云角度分布图形；和电子云角度分布图形；2 2、掌握原子的电子组态、核外电子、掌握原子的电子组态、核外电子排布规律及用四个量子数表示核外电排布规律及用四个量子数表示核外电子运动状态；子运动状态；3 3、熟悉原子的电子层结构与元素周、熟悉原子的电子层结构与元素周期表及电负性的关系；期表及电负性的关系；4 4、了解核外电子运动的特征。、了解核外电子运动的特征。本章习题本章习题P193194 （6）（）（7）（）（9）（）（11）Exercises：P194 （2）