第5章原子结构与周期系(讲授5学时) Chapter 5 Structure of atoms and periodic table 本章教学内容: 核外电子运动状态。波函数。电子云。四个量子数 原子核外电子分布和周期系。 本章教学要求 (1)联系原子核外电子运动的特征(量子化、波粒二象性、统计性),了解波函数、 四个量子数和电子云的基本概念,了解S,P,d波函数和电子云的角度分布 示意图 (2)掌握周期系元素的原子的核外电子分布的一般规律及与长式周期表的关系, 明确原子(及离子)的外层电子分布和周期表的分区情况。了解元素的基本 性质在周期表中的递变情况 本章教学重点: a)核外电子运动的特征,波函数、四个量子数和电子云的基本概念; b)S,P,d波函数和电子云的角度分布示意图 c)原子核外电子分布式,周期表的分区 d)元素性质的周期性。 本章习题:P128:1,3,7,10,11,14,16
29 第 5 章 原子结构与周期系（讲授 5 学时） Chapter 5 Structure of atoms and periodic table 本章教学内容： 核外电子运动状态。波函数。电子云。四个量子数。 原子核外电子分布和周期系。 本章教学要求： (1)联系原子核外电子运动的特征(量子化、波粒二象性、统计性)，了解波函数、 四个量子数和电子云的基本概念，了解 S，P，d 波函数和电子云的角度分布 示意图 (2)掌握周期系元素的原子的核外电子分布的一般规律及与长式周期表的关系， 明确原子（及离子）的外层电子分布和周期表的分区情况。了解元素的基本 性质在周期表中的递变情况。 本章教学重点： a) 核外电子运动的特征，波函数、四个量子数和电子云的基本概念； b) S，P，d 波函数和电子云的角度分布示意图； c) 原子核外电子分布式，周期表的分区； d) 元素性质的周期性。 本章习题： P128：1,3,7,10,11,14,16
前面几章主要应用化学热力学和化学动力学的概念讨论了物质间进行反应 的可能性和现实性,从宏观上表明了各物质性质的差异。为了深入理解物质的 性质及其变化规律的根本原因,还必须进一步研究物质的微观结构 本篇主要将讨论电子在核外的运动状态和核外电子分布的一般规律,以及 周期系与原子结构的关系。并介绍化学键、分子的空间构型及晶体类型等有关 分子结构和晶体结构的基础知识。 5.1氢原子结构的近代概念 5.1.1核外电子的运动状态 (1)氢原子光谱和玻尔理论 连续光谱按一定顺序连续分布的不同波长的光谱。 原子光镨(线光谱)——原子受激发后从原子内部辐射出来的光谱。 氢原子光谱红色镨线 A=656. 3nm H 蓝绿色谱线=4861nm 兰色谱线=434.nm 紫色谱线 λ=410.lnm 玻尔理论 l)定态轨道的概念 2)轨道能级的概念及轨道能级量子化的概念 氢原子核外电子的轨道能量为: 1312kJ E n=1.2.3.4…正整数 n值越大,能量越髙,离核越远。反之n值越小,能量越低,离核越近。能量 最低的状态叫基态,其余的叫激发态。 当氢原子核外电子在n=1的轨道上运动时,半径a0=529pm——玻尔半径 3)激发态原子发光的原因
30 前面几章主要应用化学热力学和化学动力学的概念讨论了物质间进行反应 的可能性和现实性，从宏观上表明了各物质性质的差异。为了深入理解物质的 性质及其变化规律的根本原因，还必须进一步研究物质的微观结构。 本篇主要将讨论电子在核外的运动状态和核外电子分布的一般规律，以及 周期系与原子结构的关系。并介绍化学键、分子的空间构型及晶体类型等有关 分子结构和晶体结构的基础知识。 5.1 氢原子结构的近代概念 5.1.1 核外电子的运动状态 (1) 氢原子光谱和玻尔理论 连续光谱——按一定顺序连续分布的不同波长的光谱。 原子光镨（线光谱） ——原子受激发后从原子内部辐射出来的光谱。 氢原子光谱 红色镨线 λ=656.3nm Hα 蓝绿色谱线 λ=486.1nm Hβ 兰色谱线 λ=434.1nm Hγ 紫色谱线 λ=410.1nm Hδ 玻尔理论 1) 定态轨道的概念 2) 轨道能级的概念及轨道能级量子化的概念 氢原子核外电子的轨道能量为： 2 1312 n kJ E − = − n=1. 2. 3. 4.… 正整数 n 值越大，能量越高，离核越远。反之 n 值越小，能量越低，离核越近。能量 最低的状态叫基态，其余的叫激发态。 当氢原子核外电子在 n=1 的轨道上运动时，半径 a0=52.9pm——玻尔半径 3) 激发态原子发光的原因
玻尔理论成功的解释了氢原子光谱产生的原因及规律性,解决了以下几个问题: ●氢原子为什麽是线光谱,是由于轨道的能量是量子化的,发射光的频率也 是量子化的,因此氢原子光谱不是连续光谱,而是线光谱 提出了电子运动能量量子化的概念 对氢原子光谱频率的计算结果与实验结果十分吻和 玻尔理论的局限性: ●不能解释氢原子光谱的精细结构 不能解释多电子原子的光谱 不能解决化学键形成的本质原因 (2)微观粒子的波粒二象性 德布罗意假设。电子、原子、分子等实物微粒除了具有粒子性外,同样具有波 动性,其波长满足下列公式: 元=h=h P×1 式中h—普朗克常数 m电子的质量 V电子的运动速率 德布罗意的假设不久就被电子衍射实验所证实了 (3)微观粒子的几率分布规率 两个概念:几率统计方法 从电子衍射实验说明,衍射环纹是电子无数次行为的统计结果。因此,电子波 是一种具有统计性的几率波 同样的道理,核外电子的运动具有几率分布的规律 综上所述,原子核外电子的运动具有三大特征 量子化—线光谱 波粒二象性—物质波 统计性 几率波
31 玻尔理论成功的解释了氢原子光谱产生的原因及规律性，解决了以下几个问题： ⚫ 氢原子为什麽是线光谱，是由于轨道的能量是量子化的，发射光的频率也 是量子化的，因此氢原子光谱不是连续光谱，而是线光谱。 ⚫ 提出了电子运动能量量子化的概念。 ⚫ 对氢原子光谱频率的计算结果与实验结果十分吻和 玻尔理论的局限性： ⚫ 不能解释氢原子光谱的精细结构。 ⚫ 不能解释多电子原子的光谱。 ⚫ 不能解决化学键形成的本质原因 （2）微观粒子的波粒二象性 德布罗意假设。电子、原子、分子等实物微粒除了具有粒子性外，同样具有波 动性，其波长满足下列公式： 式中 h ——普朗克常数 m——电子的质量 v——电子的运动速率 德布罗意的假设不久就被电子衍射实验所证实了。 （3）微观粒子的几率分布规率 两个概念：几率 统计方法 从电子衍射实验说明，衍射环纹是电子无数次行为的统计结果。因此，电子波 是一种具有统计性的几率波。 同样的道理，核外电子的运动具有几率分布的规律。 综上所述，原子核外电子的运动具有三大特征： 量子化 ——线光谱 波粒二象性——物质波 统计性 ——几率波 m v h p h = =
5.1.2波函数( wave function) 1926年, Schrodinger根据 de broglie物质波的观点,引用电磁波的波动方 程,提出了描述微观粒子运动的波动方程- Schrodinger equation,建立了近代 量子力学理论 ayay. ay. 8T m(e Schrodinger equation中,m为电子质量,E为电子的总能量,V为势能。 (1)波函数的概念 波函数不是一个具体的数值,而是用空间坐标描述波的函数式,在量子力学中, 将描述原子中单个电子运动状态的波的函数式称为波函数,也称为原子轨道 记为vnm(r,O,)或v(r,O,)或vn1m,其中 v(r,O,d)表示为球极坐标的函数。 n,1,m是解 Schrodinger equation产生的三个参数,也成为量子数 1)主量子数n, 取正整数:1,2,3,4,…是确定电子离核远近和能级的主要参数,n越大,则 电子离核的平均距离越远,所处状态的能级越高。 2)量子数l 可取的值为0,1,2,3,4,…(n-1),l的数值受n的数值的限制 1=0,1,2,3的轨道分别称为s,p,d,f轨道 3)量子数m
32 5.1.2 波函数(wave function) 1926 年, Schrodinger 根据 de Broglie 物质波的观点，引用电磁波的波动方 程，提出了描述微观粒子运动的波动方程-Schrodinger equation,建立了近代 量子力学理论。 + 2 2 x + 2 2 y 2 2 2 2 8 ( ) h m E V z − + =0 Schrodinger equation 中，m 为电子质量,E 为电子的总能量,V 为势能。 (1)波函数的概念 波函数不是一个具体的数值，而是用空间坐标描述波的函数式,在量子力学中， 将描述原子中单个电子运动状态的波的函数式称为波函数，也称为原子轨道。 记为 ( , , ) n,l,m r 或 (r, ,) 或 n,l,m ,其中 (r, ,) 表示为球极坐标的函数。 n,l,m 是解 Schrodinger equation 产生的三个参数，也成为量子数. 1) 主量子数 n, 取正整数：1,2，3，4，… 是确定电子离核远近和能级的主要参数，n 越大, 则 电子离核的平均距离越远,所处状态的能级越高。 2）量子数 l , 可取的值为 0,1,2,3,4,…(n-1), l 的数值受 n 的数值的限制， l =0,1,2,3 的轨道分别称为 s, p, d, f 轨道。 3）量子数 m
可取的数值为0,士1,±2,士3..±l 反映波函数的空间取向 量子数取值 轨道名称轨道数 0 0 4 ±1 4s 2 0,±14d ±2 3 0,±1|4f ±2 士3 (2)波函数角度分布图 将波函数vnn(r,O,d)简化成: nm(r,O,)=R(r)·Y(0,中) Y(0,φ)一一波函数角度部分 1)s轨道 与0,φ角无关,为球面,无方向性
33 可取的数值为 0,±1,±2, ±3...± l 反映波函数的空间取向. 量子数取值 n l m 轨道名称 轨道数 1 0 0 1s 1 2 0 0 2s 1 0 2p 4 ±1 2p 4 0 0 4s 1 16 1 0,±1 4p 3 2 0, ±1 ±2 4d 5 3 0, ± 1 ±2 ±3 4f 7 （2）波函数角度分布图 将波函数 ( , , ) n,l,m r 简化成: ( , , ) n,l,m r =R(r) ·Y(θ,φ) Y(θ,φ)——波函数角度部分 1) s 轨道 与θ,φ角无关,为球面,无方向性