原 子 结 构.

Presentation on theme: "原 子 结 构."— Presentation transcript:

1 原 子 结 构

2 实物微粒的运动特征 波粒二象性

3 比较实物微粒和宏观物体的特征可见： 宏观物体同时具有确定的坐标和动量，可用牛顿力学描述，而实物微粒没有同时确定的坐标和动量，需用量子力学描述； 宏观物体有连续可测的运动轨迹，可追踪各个物体的运动轨迹加以分辨，实物微粒具有概率分布的特性，不可能分辨出各个粒子的轨迹；

4 宏观物体可处于任意的能量状态，体系的能量可以为任意的连续变化的数值，实物微粒只能处于某些确定的能量状态，能量的改变不能取任意的连续变化的数值，只能是分立的，即量子化的；
直径处于纳米量级的粒子，如纳米材料，常常出现既不同于宏观物体，又不同于实物微粒的特性，称之为介观粒子。

5 实物微粒波的物理意义与机械波（水波、声波）和电磁波等不同。机械波是介质质点的振动，电磁波是电场和磁场的振动在空间传播的波，而实物微粒波的本质正有待阐明。
实物微粒波的强度反映实物微粒出现概率的大小，故称概率波。 实物微粒的波动性是和微粒行为的统计性联系在一起的。 实物微粒的状态可用波函数(x,y,z)来表示。

6 为了证实电子、中子等微粒具有波动性而设计的电子衍射、中子衍射实验，后来发展为测定晶态、非晶态等物质的有力工具，成为X射线衍射实验的补充。
电子显微技术 透射电子－－透射电子显微镜（TEM） －－扫描透射显微镜（STEM） －－电子衍射（电子衍射分析 二次电子－－扫描电子显微镜（SEM）

7 Schrödinger方程的物理意义： 对于一个质量为m，在势能为V的势场中运动的微粒来说，其每一个定态可用满足这个方程的合理解的波函数来描述，与每一个相应的常数E就是微粒处在该定态时的总能量。

8 对于原子来说， 核外电子的运动状态用波函数描述， 称之为原子轨道。
表示空间某点电子出现的概率密度，即单位体积内电子出现的概率 电子云。

9 在解原子体系的Schrödinger方程的过程中，引入了三个量子数n,l,m，即波函数由n,l,m决定，取值分别为：
电子层:K L M N =0, 1, 2, 3,     n-1, n个值 亚层 : s, p, d, f     m=0, 1,  2,  3    (2l+1)

10 主量子数n： 电子层 n=1, 2, 3, 4 …… K L M N 氢原子及类氢离子中电子的能量公式： 单电子体系中主量子数n决定体系的能量， n越大电子离核平均距离越远，能量越高。 H原子 E4s E3d

11 角量子数l 亚层 l=0, 1, 2, 3,..n n个值, s, p, d, f.... 磁量子数m m=0, 1,  2,  3.  l (2l+1) l=0 m=0, s l=1 m=0,  px,py,pz l=2 m=0, 1,  2 自旋量子数ms

12 n,l,m一确定，电子的运动状态就确定，或者说原子轨道就确定。
n=1, l=0，m= 即 1s态 或 1s轨道 n=2, l=0，m= 即 2s态 或 2s轨道 n=2, l=1，m=0，1 即 2p态 或 2p轨道 （2px,2py,2pz） n=3, l=0，m= 即 3s态 或 2s轨道 n=3, l=1，m=0，1 即 3p态 或 3p轨道 （3px,3py,3pz） n=3, l=2，m=0，1， 2 即 3d态 或 3d轨道 （ 3dxy,3dxz,3dyz,3dz2,3dx2-y2 ）

13 1s 2s 2p(px,py,pz) 3s 3p(px,py,pz) 3d( dxy,dxz,dyz,dz2,dx2-y2) 4s 4p(px,py,pz) 4d( dxy,dxz,dyz, dz2,dx2-y2) 4f…

14 例:下列各组量子数中,哪些是合理的?（鲁科） (A) n=2,l=1,m=0 (B) n=2,l=2,m=-1 (C) n=3,l=0,m=0 (D) n=4,l=1,m=1 (E) n=2,l=0,m=-1 (F) n=4,l=3,m=4 例:下列能级符号正确的是（人教） (A)6s (B)2d (C)3f (D)7p 例:下列各能层中不包含 p能级的是 (A) N (B) M (C)L (D)K

15 屏蔽效应：在多电子原子中,对某一指定电子来说，其它电子对它的排斥作用，相当于部分地抵消（或削弱）了原子核对该电子的吸引作用。电子所感受到的核电荷（有效核电荷Z*）要比原子核电荷Z小，其能级因此而升高。
有效核电荷：多电子原子中，某一指定电子实际感受到的核电荷。 多电子原子中单个电子的能量公式

16 多电子原子中的每一个电子不但自身受其它电子的屏蔽，而且也对其它电子起屏蔽作用。电子离核的平均距离越大，它被其它电子屏蔽的越好，而它对其它电子的越差。 n越大，r越大，感受到的Z*越小，能量越高。 l相同时， n越大，能量越高: E1s<E2s<E3s<E4s E2p<E3p<E4p

17 K原子: E4s E3d 钻穿效应：指定电子i避开其余电子的屏蔽，其电子云钻到近核区，受到较大的核电荷吸引作用，能级降低的效应。
电子的钻穿效应愈大，其它电子对它的屏蔽作用就愈小，电子受核的吸引力增大，能量就降低。 不同轨道上运动的电子其钻穿的本领不同,一般来说: ns>np>nd>nf 多电子其原子轨道能量的高低次序: Ens<Enp<End<Enf K原子: E4s E3d

18 多电子原子中，原子轨道能量由n和l决定： ① n和l相同的轨道，能量相同； ② n相同，l不同的轨道， l越大，能量越高；
各种轨道能级高低的顺序不是固定不变的，随着原子序数的改变和电子填充的情况不同而有所变化。

19 原子核外电子排布三原则： 1．Pauli不相容原理： 一个原子中不可能存在两个具有相同的四个量子数的电子，或每个原子轨道上最多只能容纳两个自旋相反的电子。

20 2．能量最低原理 在不违背Pauli原理的条件下，电子在各轨道上的排布方式应使整个原子能量处于最低状态。 原子能量的高低除取决于轨道能量外，还与电子之间的相互作用能有关。 综合上述因素，北大徐光宪院士提出用（n+0.7l）的数值来判断原子能量的高低。 1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,5p,6s,4f,5d,6p,7s,

21 3．Hund规则 在一组能量相同的轨道上（简并轨道），自旋平行电子数越多，能量越低。 此外，作为Hund规则的特例，简并轨道处于全满或半满的状态时，能量较低，比较稳定。 全满：s2,p6,d10,f14 半满：s1,p3,d5,f7

22 离子的电子排布：北大徐光宪院士提出用（n+0
离子的电子排布：北大徐光宪院士提出用（n+0.4l）的数值来判断原子失电子的先后顺序。 1s,2s,2p,3s,3p,3d, 4s, 4p, 26Fe 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 Fe2+ 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6

23 原子轨道轮廓图： 将的大小和正负的轮廓图像在直角坐标中表达出来，反应在空间的分布情况。

24 原子中电子排布在不同的轨道上，轨道的形状、轨道能级的高低及电子的排布情况的差异使不同的原子显示出不同的电离能、电子亲和能、电负性、原子或离子的半径等性质。这些由原子结构决定的物理量的数值，称为原子结构参数，它们是理解原子性质的基础。

25 如何理解元素的金属性与金属活动性？ 金属性是指金属原子的性质，容易失去电子的称金属性强，容易得到电子的称非金属性强。失电子能力的大小用电离能来表示，得到电子能力的大小用电子亲合能来表示，综合考虑原子得失电子的能力用电负性表示。电负性是判断元素金属性的重要参数，电负性小，易失去电子，金属性强，反之，非金属性强。电负性的大小与原子的核电荷、原子半径、电子层排布、最外层的电子数有关。因为核外电子排布有周期性，所以金属性和非金属性呈周期性变化。

26 而金属活动性是指金属单质在水溶液中形成水合离子倾向的能力。金属活动性除与金属原子的电子结构有关外，还与分子结构、晶体结构有关。因为单质不是原子的简单堆积，金属原子间存在着金属键，金属键的强弱用升华热来表示。电极电势是金属在水溶液中形成阳离子趋势大小的标志，是升华热、电离能、水合热的综合结果。 金属活动顺序表基本上是按金属在水溶液中形成低价离子的标准电极电势顺序排列： K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H)Cu Hg Pt Au

27 如何理解非金属性的强弱？ 与电离能一样，电子亲合能只能说明单个原子的性质，不是原子结合成单质的活动性或惰性的标志。
F电子亲合能比Cl小，即得电子的能力比Cl小，但F2单质比Cl2单质活泼得多，因为F-F键能为155kJmol-1,而Cl-Cl键能是 247kJmol-1 ， F2中化学键不牢固，F原子半径小，电子间排斥力大，所以F2是一个非常活泼的单质，而不应说是非常活泼的元素。

28 一般说来，原子、分子并不以自由状态存在，他们是构成单质或化合物的微粒，对于单质与化合物的性质除了原子结构因素外，还有化学键的强弱、电离能、晶格能、水合能等。只有游离原子的性质才表现对原子外层电子结构的直接依从性。单质的性质，不存在对原子序数的依从性。 因此，由原子结构可以说明元素的性质，若要说明单质或化合物的性质，除了考虑原子结构外，还要考虑分子结构和晶体结构，同时还要考虑反应的条件。同一周期或同一族元素组成单质的性质，往往不像单个原子那样有单一方向变化的特点，如果我们只是单从原子结构的规律去解释单质的行为就会犯科学性的错误。

29 “金属原子越易失去电子，金属的化学性质就越活泼”
1mol锌原子失去2mol电子所需能量为2646.9kJ, 1mol铅原子失去2mol电子所需能量为2161.0kJ, 若从上述结论出发，则会得到与事实相反的错误结论：铅的化学性质比锌活泼。 这是将自由原子的性质与由原子所形成的单质或化合物的性质混淆的结果。

30 光谱学家常按主量子数不同对原子轨道分层。把主量子数相同角量子数不同的轨道称为亚层。
n2 (轨道数） n2 (电子数） K层 n= L层 n= M层 n= N层 n= O层 n= P层 n=

31 化学家则根据能量上的某种相似性把由n和l决定的各亚层按如下方式分层：
第1层：1s 第2层：2s 2p 第3层：3s 3p 第4层：4s 3d 4p 第5层：5s 4d 5p 第6层：6s 4f 5d 6p 第7层: 7s 5f 6d 7p 第8层: 8s 5g 6f 7d 8p

32 （2）原子核外出现第一个5g电子的元素的原子序数是多少？
例题、试根据原子结构理论预测： （1）第八周期将包含多少种元素？（人教） 8s 5g 6f 7d 8p （2）原子核外出现第一个5g电子的元素的原子序数是多少？ 第八周期从119号元素起 （3）根据电子排布规律，推断原子序数为114号新元素的外围电子构型，并指出它可能与哪个已知元素的性质最为相似。 第7周期从87号元素起 s 5f 6d 7p 7s2 5f14 6d p2 外围电子构型7s2 7p2 ,与铅（ 6s2 6p2 ）的性质应最为相似。

33 例题、1999年是人造元素丰收年，一年间得到第114、116和118号三个新元素。按已知的原子结构规律，118号元素应是第 周期第__族元素，它的单质在常温常压下最可能呈现的状态是__（气、液、固选一填入）态。近日传闻俄国合成了第166号元素，若已知原子结构规律不变，该元素应是第_ _周期第 族元素。（2000全国初赛题） 第6层：6s 4f 5d 6p 第7层: 7s 5f 6d 7p 第8层: 8s 5g 6f 7d 8p 七 零 气 VIA 八