第一章 原子結構和元素周期性_第1頁
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文檔簡介

第一章原子結構和元素周期性第1頁,課件共56頁,創作于2023年2月1無機化學的學習內容和學習方法1.學習內容:2.學習方法:(1)上課認真聽講,做好筆記;(2)善于歸納、總結;(3)學會自己看書;(4)變多做題為多思考。第2頁,課件共56頁,創作于2023年2月2(5)重視化學實驗(6)運用記憶規律,探索記憶方法,增強記憶能力五、交待事情

1.習題:每周第二~三節課間介紹典型題目解題思路,并交作業。要求:1.要抄題目,2.解題規范,3.不要抄襲。

2.參考書:

天津大學:《無機化學》(第三版)華東理工大學:《現代化學基礎》上海大學:《工程化學》第3頁,課件共56頁,創作于2023年2月3第一章原子結構和元素周期性1-1原子結構理論的發展概況1-2量子力學的原子模型1-3核外電子排布與元素周期表1-4原子性質的周期性第4頁,課件共56頁,創作于2023年2月41-1原子結構理論的發展概況1-1-1原子的含核模型1911年,英國物理學家盧瑟福,α粒子散射實驗原子的中心有一個帶正電的原子核,電子在它的周圍旋轉。原子的直徑10-10m電子的直徑10-15m原子核的直徑10-16m~10-14m第5頁,課件共56頁,創作于2023年2月5

1-1-2原子的玻爾模型㈠原子光譜太陽光——波長連續變化的色帶——連續光譜。氣態原子(如NaCl)——幾條色帶——不連續光譜。第6頁,課件共56頁,創作于2023年2月6㈡氫原子光譜氫原子光譜是最簡單的一種原子光譜,對它的研究也比較詳盡。氫原子光譜實驗如圖所示,

氫原子光譜在可見光區有四條比較明顯的譜線,如圖,通常用HαHβHγHδ來標志。這個光譜系叫Balmer系。

在一個熔接著兩個兩極,且抽成高真空的玻璃管內,裝進高純的低壓氫氣,然后,在兩極上施加很高的電壓,使低壓氫氣放電,氫原子在電場的激發下發光,若使這種光線經狹縫,再通過棱鏡分光后,可得含有幾條譜線的線狀光譜——氫原子光譜。

第7頁,課件共56頁,創作于2023年2月71913年玻爾(N.Bohr)在普朗克的量子論(1900)、愛因斯坦的光子學說(1905)和盧瑟福的有核原子模型(1911)的基礎上,提出了原子結構理論的三點假設。

㈢玻爾的氫原子模型

⑴定態假設

⑵頻率公式

⑶量子化規則電子繞核旋轉,作圓周運動,在一定軌道上運動的電子具有一定的能量,稱為“穩定狀態”。簡稱“定態”。電子在定態軌道上運動,并不輻射能量。能量最低的定態稱“基態”,其他的定態稱為“激發態”。原子中電子可以由一定態跳到另一定態,在此過程中放出或吸收輻射,其頻率ν則由下式決定:

ΔE=hυ=E2-E1

(E2>E1)上式稱為Bohr頻率公式。原子的各種可能存在的定態軌道有一定的限制,

P=n·h/2π(n=1,2,3,······)n稱為量子數第8頁,課件共56頁,創作于2023年2月8

光譜的不連續性正來自原子中能量的不連續性。氫原子在正常狀態總是處于能量最低的基態,當原子受到光照射或放電等作用時,吸收能量,原子中的電子跳到能量較高的激發態。原子處于這種激發態總是不穩定的,總是傾向于回到能級較低的軌道。當電子由能量較高的各軌道跳回到能量較低的各軌道,放出能量而成為不同頻率的光,因而產生許多系列的譜線。玻爾認為,氫光譜可見光區各譜線(稱為巴爾麥系)的產生是由于電子由能級較高的軌道跳回到n=2的軌道放出輻射能的結果。他對這些譜線的波長進行計算,計算值與實驗值十分吻合。電子由能級較高的軌道跳回到n=3的軌道,得到氫的紅外光譜,稱為帕遜系,跳回到n=1的軌道,得到的是氫的紫外光譜,稱為來曼系。玻爾理論的應用第9頁,課件共56頁,創作于2023年2月9玻爾理論合理的是:核外電子處于定態時有確定的能量;原子光譜源自核外電子的能量變化。在原子中引入能級的概念,成功地解釋了氫原子光譜,在原子結構理論發展中起了重要的作用。玻爾提出的模型卻遭到了失敗。因為它不能說明多電子原子光譜,也不能說明氫原子光譜的精細結構。這是由于電子是微觀粒子,不同于宏觀物體,電子運動不遵守經典力學的規律。而有本身的特征和規律。玻爾理論雖然引入了量子化,但并沒有完全擺脫經典力學的束縛,它的電子繞核運動的固定軌道的觀點不符合微觀粒子運動的特性,因此原子的玻爾模型不可避免地要被新的模型所代替--即原子的量子力學模型。

玻爾理論的成功與不足之處第10頁,課件共56頁,創作于2023年2月10量子力學是研究電子、原子、分子等微粒運動規律的科學。微觀粒子運動不同于宏觀物體運動,其主要特點是量子化和波粒兩象性。1-2原子的量子力學模型1-2-1微觀粒子及其運動的特性

一、波粒二象性

㈠光的波粒二象性光波動性干涉,衍射(空間傳播時)粒子性光電效應,光壓(進行能量交換時)由E=mc2和E=hυ

可得:P=mc粒子性波動性㈡德布羅依波(LouisdoBroglie)=E/c=hυ/c=h/λ1924年提出,實物粒子都具有波粒二象性

λ=h/mv1927年,假設被電子衍射實驗證實。(DivissionandGermeer)第11頁,課件共56頁,創作于2023年2月11二、微觀粒子運動的統計性問題:1、物質波是一種怎樣的波?2、核外運動的電子究竟有沒有規律可循?電子衍射實驗結構討論:電子的波動性是大量微粒運動所表現出來的性質,是微粒行為的統計性的結果。亮環紋處表明衍射強度大,電子出現的數目多;暗環紋處則表明衍射強度小,電子出現的數目少。對一個電子而言,亮環紋處表明衍射強度大,電子出現的概率大;暗環紋處則表明衍射強度小,電子出現的概率小。物質波稱為概率波,核外電子的運動具有概率分布的規律。第12頁,課件共56頁,創作于2023年2月121926年,奧地利科學家薛定鍔在考慮實物微粒的波粒兩象性的基礎上,通過光學和力學的對比,把微粒的運動用類似于光波動的運動方程來描述。1-2-2核外電子運動狀態的近代描述物理意義:對于一個質量為m,在勢能為V的勢場中運動的微粒來說,薛定諤方程的每一個合理的解Ψ,就表示該微粒運動的某一定態,與該解Ψ相對應的能量值即為該定態所對應的能級。㈠薛定諤方程解薛定諤方程的步驟:球極坐標球極坐標與直角坐標的關系第13頁,課件共56頁,創作于2023年2月13㈡波函數與原子軌道R(r)主量子數n=1,2,3,······,∞;Θ(θ)角量子數

l=0,1,2,······,n-1;Φ(φ)磁量子數m=0,±1,±2,······,±lΨ2s2s原子軌道Ψ2p2p原子軌道Ψ3d3d原子軌道例如:n=1l=0m=0Ψ100(x,y,z)Ψ1s1s原子軌道n=2l=0m=0Ψ200(x,y,z)n=2l=1m=0Ψ210(x,y,z)n=3l=2m=0Ψ320(x,y,z)通常,l=0l=1l=2l=3s態p態d態f態波函數與原子軌道是同義詞,指的是電子的一種空間運動狀態。第14頁,課件共56頁,創作于2023年2月14波函數Ψ本身很難說有明確的物理意義,只能籠統說是表示原子中電子的運動狀態。|Ψ|2卻有明確的物理意義,代表微粒在空間某點出現的概率密度。㈢概率密度和電子云把電子在核外出現的概率密度大小用小黑點的疏密來表示,這樣得到的圖像稱為電子云。第15頁,課件共56頁,創作于2023年2月15問題:①電子在離核多遠的空間區域運動?具有多大的能量?②原子軌道或電子云呈什么形狀?③原子軌道或電子云在空間的伸展方向如何?㈣四個量子數⑴主量子數(n)

主量子數是描述電子層能量的高低次序和電子云離核遠近的參數。取值n=1,2,3,·······,nn 1 2 3 4 5 6 …電子層 K L M N O P …n值越小,電子表示離核越近,能量越低。第16頁,課件共56頁,創作于2023年2月16角量子數用來描述原子軌道(或電子云)形狀或者說描述電子所處的亞層。與多電子原子中電子的能量有關。⑵角量子數(l)角量子數的取值為:0,1,2,3,······,n-1

l 0 1 2 3 4 …光譜符號 s p d f g …電子云形狀球形啞鈴形花瓣形復雜多電子原子中電子的能量取決于主量子數(n)和角量子數(l)一般而言,n相同,l越大,電子的能量越高

Ens<Enp<End<Enf

n和l

相同的電子具有相同的能量,構成一個能級。如:2s3p4d第17頁,課件共56頁,創作于2023年2月17⑶磁量子數

磁量子數用來描述原子軌道(或電子云)在空間的伸展方向。磁量子數的取值:m=0,±1,±2,±3,·······,±l磁量子數(m)與電子的能量無關。一組n,l,m確定的電子運動狀態稱為原子軌道。例如:l=0,m=0一個伸展方向一個s軌道

l=1,m=0,±1三個伸展方向三個p軌道

l=2,m=0,±1,±2五個伸展方向五個d軌道上述l

相同的幾個原子軌道能量是等同的,這樣的軌道稱作等價軌道或簡并軌道。第18頁,課件共56頁,創作于2023年2月18⑷自旋量子數(ms)自旋量子數用來描述電子自旋運動的自旋量子數的取值:m=±小結:n——電子層n,l——能級n,l,m——原子軌道n,l,m,ms

——核外電子的運動狀態第19頁,課件共56頁,創作于2023年2月191-2-3原子軌道和電子云的圖像㈠角度部分Ψnlm(r,θ,φ)=Rnl(r)Ylm(θ,φ)徑向分布函數角度分布函數如:氫原子的角度部分【s軌道】

Ys是一常數與(q,f)無關,故原子軌道的角度部分為一球面,半徑為:【pz軌道】

節面:當cosq=0時,Y=0,q=90°

我們下來試做一下函數在yz平面的圖形。波函數的角度部分圖Yl,m(q,f)與主量子數無關,Yl,m(q,f)的球極坐標圖是從原點引出方向為(q,f)的直線,長度取Y的絕對值,所有這些直線的端點聯系起來的空間構成一曲面,曲面內根據Y的正負標記正號或負號。并稱它為原子軌道的角度部分圖。第20頁,課件共56頁,創作于2023年2月20q0153045607590Y0.4890.4720.4230.3450.2440.1260q18016515013512010590Y-0.489-0.472-0.423-0.345-0.244-0.12600.472+-yz15°注意:波函數的Y圖象是帶正負號的,“+”區的Y函數的取正值,“–”區的Y函數取負值。它們的“波性”相反。其物理意義在2個波疊加時將充分顯示:“+”與“+”疊加波的振幅將增大,“–”與“–”疊加波的振幅也增大,但“+”與“–”疊加波的振幅將減小。這一性質在后面討論化學鍵時很有用。第21頁,課件共56頁,創作于2023年2月21電子云的角度分布圖|Ylm|2

~θ,φ作圖Y2圖形比Y瘦一點,而且沒有正負號。由于│cos│總是小于或等于1,故│cos2│的值總是在│cos│小的地方更小,并且cos2

≧0,sin2

≧0。第22頁,課件共56頁,創作于2023年2月22㈡徑向部分電子云的密度是隨半徑而變的。各不同原子軌道的電子云分布情況都不同,一般如下圖形來表示。第23頁,課件共56頁,創作于2023年2月23㈢徑向分布函數及徑向分布圖在此球殼中發現電子的幾率為|Ψ|2·4πr2dr令D(r)=4πr2|Ψ|2D(r)稱為徑向分布函數,表示電子在離核半徑為r的“無限薄球殼”(dr)里電子中出現的幾率.D值越大表明在這個球殼里電子出現的幾率越大。因而D函數可以稱為電子球面幾率圖象以D(r)為縱坐標,以r為橫坐標,作圖,可得徑向分布圖。討論離核距離為r的球殼中電子出現的幾率?氫原子核外電子的D函數圖象3s3d3p2s2p1s第24頁,課件共56頁,創作于2023年2月241-3原子的電子結構與元素周期系1-3-1多電子原子的能級㈠鮑林近似能級圖能量相近的能級劃為一組,稱為能級組

7s,5f,6d,7p6s,4f,5d,6p5s,4d,5p4s,3d,4p3s,3p2s,2p一1s能級交錯現象

第25頁,課件共56頁,創作于2023年2月25(二)、屏蔽效應和鉆穿效應

屏蔽效應

多電子原子,核電荷為Z,核外就有Z個電子。

Z*=Z-σ把其它電子對某個電子i的作用歸結為抵消了一部分核電荷的作用叫做屏蔽效應。屏蔽效應使得核對電子的引力減小,所以電子具有的能量增大。受屏蔽作用:K<L<M<N<O<P能量:K<L<M<N<O<P第26頁,課件共56頁,創作于2023年2月26鉆穿效應

穿透是指電子具有滲入原子內部空間而更靠近核的本領。電子穿透的結果,降低了其它電子的屏蔽作用,起到增加有效核電荷,降低軌道能量的作用。

對鉆穿效應來講:ns>np>nd>nf受其它電子的屏蔽作用:ns<np<nd<nf原子軌道的能量:ns<np<nd<nf氫原子核外電子的D函數圖象3s3d3p2s2p1s第27頁,課件共56頁,創作于2023年2月271.n不同,l相同時,n值越大,能量E越大。有E1s<E2s<E3s<E4s;E2p<E3p<E4p.因為n值大的電子離核較遠,內層電子較多,受屏蔽大,使Z*減小,核對該電子的吸引力變小,所以能量E大。亦即,受屏蔽作用1s<2s<3s<4s;2p<3p<4p.EA.OE1s<E2s<E3s<E4s;E2p<E3p<E4p.第28頁,課件共56頁,創作于2023年2月282.n相同,l不同時,E∝l,即l值大,E大。有E4s<E4p<E4d<E4f同屬第四電子層的4s,4p,4d,4f軌道,其電子云的徑向分布有很大不同。4s有4個峰,這說明4s電子除有較多機會出現在離核較遠的區域以外,它還能鉆到(或滲入)內部空間靠近核;4p有3個峰,表明4p電子雖也有鉆穿作用,但小于4s;4d有2個峰,其鉆穿作用更小;4f只有1個峰,它幾乎不存在鉆穿作用。可見鉆穿作用是4s>4p>4d>4f。不難理解,電子鉆得越深,它受其它電子的屏蔽作用越小,受核的吸引力越強,因而本身能量也越低。第29頁,課件共56頁,創作于2023年2月293.n,l都不同時,出現能級交錯現象。以E3d和E4s為例。從3d和4s的徑向分布圖可見,4s的主峰雖比3d離核遠。但它還有小峰鉆到核的附近。可以更好地回避其它電子的屏蔽。結果4s雖然n比3d多1,但角量子數l卻比3d少2,這樣,鉆穿效應的增大對軌道能量的降低作用超過了n增大對軌道能量的升高作用。所以出現能級交錯,即E4s<E3d。第30頁,課件共56頁,創作于2023年2月30㈠能量最低原理(也稱建造原理)1-3-2核外電子排布的規則基態原子是處于最低能量狀態的原子。多電子原子在基態時核外電子的排布:總是盡先占據能量最低的軌道。第31頁,課件共56頁,創作于2023年2月31在同一原子中,沒有四個量子數完全相同的電子。言下之意,每一個原子軌道中最多只能容納2個自旋相反的電子。每個電子層中,原子軌道總數為n2。電子總數為2n2.㈡泡利不相容原理㈢洪德規則電子進入n,l相同的等價軌道時,總是盡先占據不同的等價軌道,且自旋平行。洪德規則特例(全、半、空規則):全充滿p6d10f14半充滿p3d5f7全空p0d0f0第32頁,課件共56頁,創作于2023年2月32要求掌握3種電子排布的寫法電子排布式“原子實”寫法價層結構式㈣排布實例

電子排布式①19K1s22s22p63s23p64s1(不是3d1)②24Cr1s22s22p63s23p64s23d44s13d5(全半空規則)3d54s1③29Cu1s22s22p63s23p6

3d104s1

不是3d94s2“原子實”寫法④12Mg1s22s22p63s21s22s22p63s2

Ne12Mg[Ne]3s2“原子實”寫法[Ar]4s1[Ar]3d54s1[Ar]3d104s1通常把內層已達到稀有氣體電子結構的部分稱為“原子實”價電子層結構式,即最高能級組中的電子結構。價層結構式4s13d54s13d104s13s2第33頁,課件共56頁,創作于2023年2月33㈤簡單陽離子的電子分布填充次序:→ns→(n-2)f→(n-1)d→np價電子電離次序:→np→ns→(n-1)d→(n-2)f例如:Cr3+[Ar]3d3不是[Ar]4s13d2第34頁,課件共56頁,創作于2023年2月34電子離去的順序為什么與填入順序不一樣?雖然4s軌道穿透到內層的能力比3d為大,但從圖中可以看出,它們軌道占有空間區域大部分相同(因為幾率積分為1)。并且,4s電子不能很好地屏蔽3d電子,因為4s的主峰位置在3d的外面。因此,當2個電子填入4s軌道后,核電荷相應增加了2個正電荷,這時,作用于3d的有效核電荷增加了,所以3d能量下降,結果4s能量又高于3d。電子填入原子軌道的順序是按能級由低向高依次填入,電子電離的順序則相反,按能級由高向低依次離去。第35頁,課件共56頁,創作于2023年2月351-3-3原子的電子結構和元素周期系㈠原子的電子結構周期元素ⅠA~ⅡAⅢB~ⅧBⅠB~ⅡBⅢA~ⅦA0一1H~2He1s1-21s2二3Li~10Ne2s1-22s22p6三11Na~18Ar3s1-23s23p6四19K~36Kr4s1-23d1-104s23d104s1-24s24p1-53d104s24p6五37Rb~54Xe5s1-24d1-105s24d105s1-25s25p1-54d105s25p6六55Cs~86Rn6s1-25d1-106s25d106s1-26s26p1-54f145d106s26p6

七87Fr7s1-2第36頁,課件共56頁,創作于2023年2月36㈡原子的電子結構與元素的分區根據元素原子價層電子構型的不同,可以把周期表劃分為5個區①

s區元素:最后一個電子填入s軌道的元素。IA,IIA族,電子構型ns1,ns2

。②p區元素:最后一個在填入p軌道的元素,IIIA~VII和0族電子構型 ns2np1~6③d區元素:最后一個在填入d軌道的元素,IIIB~VIIIB族,電子構型(n-1)d1~9ns2④ds區元素:最后一個在填入d軌道的元素,IB~IIB族,電子構型 (n-1)d10ns1~2⑤f區元素:最后一個在填入f軌道的元素,La系、Ac系,電子構型 (n-2)f1~14(n-1)d0~2ns2第37頁,課件共56頁,創作于2023年2月37㈢原子的電子結構與周期的關系電子層數=周期數=能級組數周期內元素數目=能級組內可容納的最多電子數周期能級組原子軌道電子數目元素數目一11s22短周期二22s2p88三33s3p88四44s3d4p1818長周期五55s4d5p1818六66s4f5d6p3232七77s5f6d7p3226未完周期第38頁,課件共56頁,創作于2023年2月38㈣原子的電子結構與族的關系周期表中把性質相似的元素排成縱行,叫做族,共有8個主族(用A表示),8個副族(用B表示)。s區、p區:價層電子數=族數;ds區:最外層電子數=族數;d區:價層電子數=族數;(電子數≥8,均為第8族。如Co,Ni等元素。)f區:都是IIIB族。19K1s22s22p63s23p64s1

24Cr3d54s1四IA四ⅥB78Pt5d96s1六ⅧB第39頁,課件共56頁,創作于2023年2月391-4原子結構與元素性質的關系1-4-1原子參數一、原子半徑單質在固態下相鄰兩原子間距的一般就是原子半徑。共價半徑:同種元素的兩個原子以共價單鍵結合,核間距的一半稱為共價半徑。如:rH=37pm, rF=72pm,rCl=99pm金屬半徑:金屬單質的晶體中,兩個相鄰金屬原子核間距的一半,稱為該金屬原子的金屬半徑。如:rCu=128pm范德華半徑:在分子晶體中,兩個相鄰分子核間距的一半稱為該原子的范德華半徑。如:Cl2—Cl2中, rCl=108pm原子半徑在周期中的變化鑭系收縮第40頁,課件共56頁,創作于2023年2月40衡量原子失去電子能力大小的物理量。定義:元素的氣態原子在基態時失去一個電子變成一價正離子所消耗的能量稱為第一電離能(I1)。

Al(g)–e→Al+(g)I1=578kJ·mol-1從一價氣態正離子再失去一個電子稱為二價正離子所需要的能量稱為第二電離能(I2)。

電離能(I)的大小決定于:①有效核電荷(Z*):有效核電荷增加,電離能增加;②原子半徑(r):原子半徑增大,電離能減小;③原子的電子層結構:8e構型穩定,電離能大。

元素的電離能在周期和族中的變化規律二、電離能(I)第41頁,課件共56頁,創作于2023年2月41衡量獲得電子能力大小的物理量定義:中性氣態原子獲

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