无机和分析化学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

上页上页下页下页目录目录返回返回无机及分析化学重庆大学化学化工学院重庆大学化学化工学院季金苟第1页上页上页下页下页目录目录返回返回第第 1 章章原子结构和原子结构和元素周期律元素周期律第2页上页上页下页下页目录目录返回返回1.1 1.1 核外电子运动状态核外电子运动状态1.1.1 氢原子光谱和氢原子光谱和Bohr理论理论自然界连续光谱自然界连续光谱试验室连续光谱试验室连续光谱氢原子光谱氢原子光谱第3页上页上页下页下页目录目录返回返回不连续、线状，不连续、线状，是很有规律是很有规律.氢原子光谱特征氢原子光谱特征:与与日日光光经经过过棱棱镜镜后后得得到到七七色色连连续续光光谱谱不不一一样样,原原子子受受高高温温火火焰焰、电电弧弧等等激激发发时时,发发射射出出来来是是不不连连续续线线状状光光谱谱.每每种种元元素素原原子子都都有有其其特特征征波波长长光光谱谱线线,它它们们是是当当代代光光谱谱分分析析基基础础.氢氢原原子子发发射射光光谱谱是是全全部部原原子子发发射射光光谱谱中中最最简简单单，发发出出可见光、紫外光和红外光。可见光、紫外光和红外光。第4页上页上页下页下页目录目录返回返回 氢氢原原子子光光谱谱由由五五组组线线系系组组成成,任任何何一一条条谱谱线线波波数数(wave wave numbernumber)都都满满足足简简单单经经验验关关系式系式:名字名字n1n2Lyman 系系Balmer系系Paschen系系Brackett系系Pfund系系123452,3,4,3,4,5,4,5,6,5,6,7,6,7,8,如：对于如：对于BalmerBalmer线系处理线系处理n=3 红红 （H）n=4 青青 （H）n=5 蓝紫蓝紫 （H）n=6 紫紫 （H）第5页上页上页下页下页目录目录返回返回 氢氢原原子子核核内内只只有有一一个个质质子子，核核外外只只有有一一个个电电子子，它它是是最最简简单单原原子子.在在氢氢原原子子内内，这这个个电电子子核核外外是是怎怎样样运运动动？这这个个问问题题表表面面看看来来似似乎乎不不太太复复杂杂，但但却却长长久久使使许许多多科科学学家家既既神神往往又又困困扰扰，经历了一个生动而又波折探索过程经历了一个生动而又波折探索过程.19，28岁Bohr在前人基础上，建立了Bohr理论。玻尔理论玻尔理论第6页上页上页下页下页目录目录返回返回Bohr Bohr 理论理论主要内容主要内容玻尔19提出氢原子量子力学模型基于下述3条假定：关于固定轨道概念关于固定轨道概念 玻尔模型认为玻尔模型认为,电子只能在若干圆形固定轨道上绕核运动。电子只能在若干圆形固定轨道上绕核运动。激发态激发态:指除基态以外其余状态指除基态以外其余状态.各激发态能量随各激发态能量随 n n 值值增大而增高。电子只有从外部吸收足够能量时才能抵达增大而增高。电子只有从外部吸收足够能量时才能抵达激发态。激发态。能级能级：轨道不一样能量状态统称为能级。轨道不一样能量状态统称为能级。电子只能在电子只能在有确定半径和能量定态轨道上运动有确定半径和能量定态轨道上运动,且不辐射能量且不辐射能量。基态基态:n n 值为值为 1 1 定态。定态。通常电子保持在能量最低这一基通常电子保持在能量最低这一基态态。基态是能量最低即最稳定状态。基态是能量最低即最稳定状态。第7页上页上页下页下页目录目录返回返回关于轨道能量量子化概念关于轨道能量量子化概念 即即电电子子轨轨道道角角动动量量L L只只能能等等于于h h/(2/(2)整整数数倍倍(量量子子化化条条件件）：从从距距核核最最近近一一条条轨轨道道算算起起,n n值值分分别别等等于于1,1,2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7 7。依依据据假假定定条条件件算算得得 n n=1 1 时时允允许许轨轨道道半半径径为为 53 53 pm,pm,这就是著名这就是著名玻尔半径玻尔半径。第8页上页上页下页下页目录目录返回返回关于能量吸收和发射关于能量吸收和发射 玻玻尔尔模模型型认认为为,只只有有当当电电子子从从较较高高能能态态(E E2 2)向向较较低低能能态态(E E1 1)跃跃迁迁时时,原原子子才才能能以以光光子子形形式式放放出出能能量量,光光子子能能量量大大小小决决定定于跃迁所包括两条轨道间能量差：于跃迁所包括两条轨道间能量差：E=EE=E2 2 E E1 1=h h E E:轨道能量轨道能量：光频率：光频率 h:h:PlanckPlanck常量常量第9页上页上页下页下页目录目录返回返回 计算氢原子电离能计算氢原子电离能波尔理论成功之处波尔理论成功之处 解释了解释了 H H 及及 HeHe+、Li Li2+2+、B B3+3+原子光谱原子光谱 说明了原子稳定性说明了原子稳定性 对其它发光现象（如光形成）也能解释对其它发光现象（如光形成）也能解释 不能解释氢原子光谱在磁场中分裂不能解释氢原子光谱在磁场中分裂波尔理论不足之处波尔理论不足之处 不能解释氢原子光谱精细结构不能解释氢原子光谱精细结构 不能解释多电子原子光谱不能解释多电子原子光谱第10页上页上页下页下页目录目录返回返回Question Question 请计算氢原子第一电离能是多少？请计算氢原子第一电离能是多少？（氢原子第一电离能氢原子第一电离能）第11页上页上页下页下页目录目录返回返回1.1.2 1.1.2 核外电子核外电子波粒二象性波粒二象性描述微观物体运动规律需求呼唤物理学新概念诞生！描述微观物体运动规律需求呼唤物理学新概念诞生！人们对物质和能量认识是否只看到了硬币一面？人们对物质和能量认识是否只看到了硬币一面？19,19,普朗克普朗克(Plank MPlank M)提出了表示光能量提出了表示光能量(E E)与频率与频率()关系关系方程方程,即著名普朗克方程：即著名普朗克方程：E E=h h式中式中h h叫普朗克常量叫普朗克常量(Planck constantPlanck constant),),其值为其值为6.626106.62610-34-34 Js.Js.普朗克认为普朗克认为,物体只能按物体只能按hh整数倍整数倍(比如比如1,2,31,2,3等等)一份一份一份一份地吸收或释出光能地吸收或释出光能,而不可能是而不可能是0.5,1.6,2.30.5,1.6,2.3等任何非整数倍等任何非整数倍.这这就是所谓能量量子化概念就是所谓能量量子化概念.第12页上页上页下页下页目录目录返回返回The The photoelectricphotoelectric effect effect 爱爱因因斯斯坦坦认认为为,入入射射光光本本身身能能量量也也按按普普朗朗克克方方程程量量子子化化,并并将将这这一一份份份份数数值值为为E E能能量量叫叫光光子子(photonsphotons),),一一束束光光线线就就是是一一束束光光子子流流.频频率率一一定定光光子子其其能能量量都都相相同同,光光强强弱弱只只表表明明光光子子多多少少,而而与每个光子能量无关与每个光子能量无关.爱爱因因斯斯坦坦对对光光电电效效应应成成功功解解释释最最终终建建立立了了以以波波微微粒粒性性概概念念为为基础一门学科叫量子力学基础一门学科叫量子力学(quantumquantum mechanicsmechanics).).光电效应光电效应:物质因为吸收光子而产生电物质因为吸收光子而产生电现象。现象。19,19,爱爱因因斯斯坦坦(Einstein Einstein A A)成成功功地地解解释释了了光光电电效效应应(photoelectric photoelectric effecteffect),),每每种种金金属属都都有有一一个个特特征征最最小小频频率率(叫叫临临界界频频率率),),低低于于这这一一频频率率光光线线不不论论其其强强度度多多大大和照射时间多长和照射时间多长,都不能造成光电效应都不能造成光电效应.第13页上页上页下页下页目录目录返回返回另一面谁来翻开？另一面谁来翻开？波微粒性波微粒性造造成成了了人人们们对对波波深深层层次次认认识识，产产生生了了讨讨论论波波微微粒粒性性概概念念为为基基础础 学学 科科 量量 子子 力力 学学（quantum mechanicsquantum mechanics）.钱币一面已被翻开！钱币一面已被翻开！EinsteinEinstein 光子学说光子学说The photoelectric effect波微粒性试验波微粒性试验The experiment of particle of wavePlankPlank 量子论量子论The Planck equation第14页上页上页下页下页目录目录返回返回德布罗意关系式德布罗意关系式-微粒波动性微粒波动性 微粒波动性直接证据微粒波动性直接证据 电子衍射和绕射电子衍射和绕射 在在光光波波粒粒二二象象性性启启发发下下，德德布布罗罗意意提提出出一一个个假假想想.他他于于1924 1924 年说：年说：德布罗意关系式德布罗意关系式 一个伟大思想诞生一个伟大思想诞生 1924 1924年，年，Louis de BroglieLouis de Broglie认为：认为：质量为质量为 mm,运动速度为运动速度为v v 粒子粒子,对应波对应波长为：长为：h h 为PlanckPlanck 常量这就是著名这就是著名 德布罗意关系式德布罗意关系式.“过过去去，对对光光过过分分强强调调波波性性而而忽忽略略它它粒粒性性；现现在在对对电电子子是是否否存存在在另另一一个个倾倾向向，即即过过分分强强调调它它粒粒性性而忽略它波性而忽略它波性.”.”电子射线电子射线第15页上页上页下页下页目录目录返回返回 不不是是，包包含含宏宏观观物物体体如如运运动动着着垒垒球球和和枪枪弹弹等等都都可可按按德德布布罗罗意意公公式式计计算算它它们们波波长长.因因为为宏宏观观物物体体波波长长极极短短以以致致无无法法测测量量，所所以以宏宏观观物物体体波波长长就就难难以以觉觉察察，主主要要表表现现为为粒粒性性，服服从从经经典典力力学学运运动动规规律律.只只有有象象电电子子、原原子子等等质质量量极极小小微微粒粒才才含含有有与与x x射射线线数数量量级级相相近近波波长长,然然而而，如如此此短短波波长长在在普普通通条件下仍不易显现出来条件下仍不易显现出来.波粒二象性是否只有微观物体才含有？波粒二象性是否只有微观物体才含有？第16页上页上页下页下页目录目录返回返回1.1.3 1.1.3 海森堡不确定原理海森堡不确定原理(uncertaintyuncertainty principle)principle)微观粒子不一样于宏观物体，它们运动无轨迹可言，即在一微观粒子不一样于宏观物体，它们运动无轨迹可言，即在一确定时间没有一确定位置。确定时间没有一确定位置。海森堡测不准原理海森堡测不准原理 （Heisenberg uncertainty principle Heisenberg uncertainty principle）假如我们能设计一个试验准确测定微粒位置假如我们能设计一个试验准确测定微粒位置,那就不能准确那就不能准确测定其动量测定其动量,反之亦然反之亦然.x p h 假假如如我我们们准准确确地地知知道道微微粒粒在在那那里里,就就不不能能准准确确地地知知道道它它从从那那里里来来,会会到到那那里里去去;假假如如我我们们准准确确地地知知道道微微粒粒在在怎怎样样运运动动,就不能准确地知道它此刻在就不能准确地知道它此刻在那里那里.即即不可能同时测得电子准确位置和准确动量不可能同时测得电子准确位置和准确动量 ！第17页上页上页下页下页目录目录返回返回 主要暗示主要暗示不可能存在不可能存在 RutherfordRutherford 和和 BohrBohr 模型中模型中行星绕太阳那样电子轨道行星绕太阳那样电子轨道 含含有有波波粒粒二二象象性性电电子子，已已不不再再恪恪守守经经典典力力学学规规律律，它它们们运运动动没没有有确确定定轨轨道道，只只有有一一定定空空间间几几率率分分布布，即即电电子子波波动动性性与与其其微微粒粒行行为为统统计计性性规规律律相相联联络络.所所以以,实实物物微微粒粒波波是是概概率率波波,波波动动力力学学轨轨道道概概念念与与电电子子在在核核外外空空间间出出现现机机会会最最多多区区域域相相联络联络.不不过过，测测不不准准关关系系不不是是限限制制人人们们认认识识程程度度，而而是是限限制制经经典典力力学学适适用用范范围围，说说明明微微观观体体系系运运动动有有更更深深刻刻规规律律在在起起作作用，这就是量子力学所反应规律用，这就是量子力学所反应规律.第18页上页上页下页下页目录目录返回返回描述电子运动状态四个量子数描述电子运动状态四个量子数 薛定锷方程和波函数薛定锷方程和波函数 波函数图形描述波函数图形描述1.1.4 1.1.4 核外电子运动状态近代描述核外电子运动状态近代描述第19页上页上页下页下页目录目录返回返回 量子力学(波动力学)模型是迄今最成功原子结构模型,它是19以海森堡(Heisenberg W)和薛定锷(Schrodinger E)为代表科学家们经过数学方法处理原子中电子波动性而建立起来.该模型不但能够预言氢发射光谱(包含玻尔模型无法解释谱线),而且也适合用于多电子原子,从而更合理地说明核外电子排布方式.Heisenberg WHeisenberg WSchrodinger ESchrodinger E第20页上页上页下页下页目录目录返回返回几个基本概念几个基本概念:电子云、电子自旋、核外电子可能运动状态电子云、电子自旋、核外电子可能运动状态电子云形状电子云形状-处于一定能层而又含有一定形状电子云电子处于一定能层而又含有一定形状电子云电子称为称为能级能级(energy level)(energy level)如如:1S:1S、3S3S、3P3P、3d3d、4f4f能级。能级。电子云在核外空间扩展程度电子云在核外空间扩展程度-核外电子能量大小分层称核外电子能量大小分层称为为能层能层(energy shell)(energy shell)，如，如K K、L L、MM、NN能层能层.1 1、电电子子云云是是电电子子在在原原子子核核外外空空间间概概率率密密度度分分布布形形象象描描述述。处于不一样定态电子电子云图像含有不一样特征，主要包含：处于不一样定态电子电子云图像含有不一样特征，主要包含：第21页上页上页下页下页目录目录返回返回电子云图像电子云图像xyzzxzxyspzpypxxzyxzyzydxydxzdyzddxy22-z2_电子云在空间取向电子云在空间取向-轨道（轨道（orbitalorbital）电）电子在核外空间概率密度子在核外空间概率密度 较大区域。较大区域。第22页上页上页下页下页目录目录返回返回2 2、电子自旋、电子自旋 核外电子除了绕原子核高速运动外，还核外电子除了绕原子核高速运动外，还绕绕自己轴自旋。自己轴自旋。自旋只有自旋只有2 2种相反方向种相反方向-顺时针和逆时针方向。顺时针和逆时针方向。3 3、核外电子可能、核外电子可能 运动状态运动状态 含有一定空间运动状态又有一定自旋状态电子称为含有含有一定空间运动状态又有一定自旋状态电子称为含有一定运动状态电子。一定运动状态电子。第23页上页上页下页下页目录目录返回返回（1 1）主量子数主量子数 n n(principal quantum numberprincipal quantum number)描述电子运动状态描述电子运动状态四个量子数四个量子数 与电子能量相关与电子能量相关.对于氢原子，电子能量唯一决定于对于氢原子，电子能量唯一决定于n n 确定电子出现几率最大处离核距离确定电子出现几率最大处离核距离 不一样不一样n n 值，对应于不一样电子能层值，对应于不一样电子能层 n n取值取值 .(能层能层)能层符号能层符号 K L M N O.K L M N O.像像玻玻尔尔固固定定轨轨道道一一样样,波波动动力力学学轨轨道道也也由由量量子子数数所所要要求求.不不一一样样是是,原原子子轨轨道道用用三三个个量量子子数数而而不不像像玻玻尔尔轨轨道道只只用用一一个个量量子子数描述数描述.第24页上页上页下页下页目录目录返回返回 描绘了原子轨道形状，描绘了原子轨道形状，对于多电子原子对于多电子原子,l也与也与E E 相关相关 l 取值取值 0 0，1 1，2 2，3 3 n n-1(-1(亚层或能级）亚层或能级）能级符号能级符号s,p,d,fs,p,d,f.（2 2）角量子数角量子数l l(angular momentum quantum umberangular momentum quantum umber)The allowed values for angular momentum quantum number,lnl1234(subshell symbol0000s111p22d3f第25页上页上页下页下页目录目录返回返回d轨道有两种形状轨道有两种形状：花瓣形：花瓣形、梅花形、梅花形 s 轨道轨道球形球形p 轨道轨道哑铃形哑铃形(纺锤形纺锤形)第26页上页上页下页下页目录目录返回返回 描述了原子轨道在空间伸层方向，有几个伸层描述了原子轨道在空间伸层方向，有几个伸层方向，就有几个原子轨道方向，就有几个原子轨道 与角动量取向相关，取向是量子化与角动量取向相关，取向是量子化 mm可取可取 0 0，1,21,2l l（3 3）磁量子数磁量子数m (magnetic quantum numberm (magnetic quantum number)The allowed values for magnetic quantum number,mLmnumber of orbital 0(s)1(p)2(d)3(f)0 1 0 1 2 1 0 1 2 3 2 1 0 1 2 31357第27页上页上页下页下页目录目录返回返回 p p 轨道轨道(l l=1,=1,m m=+1,0,-1)=+1,0,-1)m m 三种取值三种取值,三种取向三种取向,三条等价三条等价(简并简并)p p 轨道轨道.s s 轨道轨道(l l=0,=0,m m=0)=0):m m 一一种取值种取值,空间一个取向空间一个取向,一条一条 s s 轨道轨道.第28页上页上页下页下页目录目录返回返回d d 轨道轨道(l l=2,=2,m m=+2,+1,0,-1,-2)=+2,+1,0,-1,-2):m m 五五种取值种取值,空间五种取向空间五种取向,五条等价五条等价(简并简并)d d 轨道轨道.第29页上页上页下页下页目录目录返回返回 f f 轨道轨道(l l=3,=3,m m=+3,+2,+1,0,-1,-2,-3)=+3,+2,+1,0,-1,-2,-3):m m 七种取值七种取值,空间七种取向空间七种取向,七条等价七条等价(简并简并)f f 轨道轨道.本课程本课程不要求不要求记住记住 f f 轨道轨道详细形状详细形状!第30页上页上页下页下页目录目录返回返回（4 4）自旋量子数自旋量子数 mms s(spin quantum numberspin quantum number)描述电子绕自轴旋转状态描述电子绕自轴旋转状态 自旋运动使电子含有类似于微磁体行为自旋运动使电子含有类似于微磁体行为 mms s 取值取值+1/2+1/2和和-1/2-1/2，分别用，分别用和和表示表示 想象中电子自旋想象中电子自旋 两种可能自旋方向两种可能自旋方向:正向正向(+1/2)(+1/2)和反向和反向(-1/2)(-1/2)产生方向相反磁场产生方向相反磁场 相反自旋一对电子相反自旋一对电子,磁场相互抵消磁场相互抵消.Electron spin visualizedMagnetic fieldscreenSmall clearance spaceSilver atomic raykiln第31页上页上页下页下页目录目录返回返回由上面讨论知道由上面讨论知道 n n,l l,mm 一定一定,轨道也确定轨道也确定 l 0 1 2 3Orbital s p d f比如比如:n=2,l=0,m=0,2s n=3,l=1,m=0,3p n=3,l=2,m=0,3d核外电子运动核外电子运动轨道运动轨道运动自旋运动自旋运动与一套量子数相对应（自然也有与一套量子数相对应（自然也有1 1个能量个能量E Ei i)n lm ms第32页上页上页下页下页目录目录返回返回Question Question 写出与轨道量子数写出与轨道量子数 n=n=4 4,l=,l=2 2,m=,m=0 0 原子轨道名称原子轨道名称.原原子子轨轨道道是是由由 n,n,l,l,m m 三三个个量量子子数数决决定定.与与 l l=2 2 对对应应轨轨道道是是 d d 轨轨道道.因因为为 n n=4 4,该该轨轨道道名名称称应应该该是是 4 4d.d.磁磁量量子子数数 m m=0 0 在在轨轨道道名名称称中中得得不不到到反反应应,但但依依据据我我们们迄迄今今学学过过知知识识,4 4d d 轨道是不一样伸展方向轨道是不一样伸展方向 5 5 条条 4 4d d 轨道之一轨道之一.Representations of the five d orbitals第33页上页上页下页下页目录目录返回返回 描述核外电子空间运动状态波函数及其图像描述核外电子空间运动状态波函数及其图像SchrdingerSchrdinger方程与量子数方程与量子数 方程中既包含表达微粒性物理量方程中既包含表达微粒性物理量 mm,也包含表达波也包含表达波 动性物理量动性物理量;求解薛定锷方程求解薛定锷方程,就是求得波函数就是求得波函数和能量和能量 E E;解得解得不是详细数值不是详细数值,而是包含三个常数而是包含三个常数(n n,l l,mm)和三个变量和三个变量(r r,)函数式函数式n n,l l,m m(r r,););数学上能够解得许多个数学上能够解得许多个n n,l l,m m(r r,),),但其物理意义但其物理意义 并非都合理并非都合理;第34页上页上页下页下页目录目录返回返回波动力学成功波动力学成功:轨道能量量子化不需在建立数学关系式时事先假定轨道能量量子化不需在建立数学关系式时事先假定.波函数波函数=薛定锷方程合了解薛定锷方程合了解=原子轨道原子轨道 为了得到合了解为了得到合了解,三个常数项只能按一定规则取值三个常数项只能按一定规则取值,很自然地得到前面量子数很自然地得到前面量子数.有合了解函数式叫做有合了解函数式叫做 波函数波函数(Wave functionsWave functions),),它们以它们以n n,l l,m m 合理取值合理取值 为前提为前提.第35页上页上页下页下页目录目录返回返回 r r:径向坐标径向坐标,决定了球面大小决定了球面大小:角角坐标坐标,由由 z z轴沿球面延伸至轴沿球面延伸至 r r 弧线所表示角度弧线所表示角度.:角角坐标坐标,由由 r r 沿球面平行沿球面平行xyxy面延伸面延伸 至至xzxz面面弧线所表示角度弧线所表示角度.直角坐标直角坐标(x,y,zx,y,z)与球坐标与球坐标(r r,)转换转换 xyzM(x,y,z)第36页上页上页下页下页目录目录返回返回波函数图形描述波函数图形描述将将SchrdingerSchrdinger方程方程变量分离：变量分离：径向径向波函数波函数R n,l (r)y y n,l,m (r,q q,f f)=Y l,m (q q,f f)角度角度波函数波函数径向波函数径向波函数:表明表明q q,f f一定时，波函数一定时，波函数y y随随r r而改变情况。而改变情况。角度波函数角度波函数:表明表明r r 一定时，波函数一定时，波函数y y随随q q,f f 而改变情况。而改变情况。第37页上页上页下页下页目录目录返回返回波函数波函数径向分布图径向分布图 (以以氢原子氢原子1 1s s轨道轨道为例为例)取取不不一一样样 r r 值值,代代入入波波函函数数式式中中进进行行计算计算,以计算结果对以计算结果对 r r 作图作图.曲线怎样绘得曲线怎样绘得?曲线含义曲线含义:对于氢原子对于氢原子1 1s s轨道径向部分：轨道径向部分：R(r)R(r)只与只与r r相关，当相关，当r r从从0 0趋于趋于时，时，R R从最从最大值趋于大值趋于0 0。对于氢原子对于氢原子1 1s s轨道角度部分：轨道角度部分：第38页上页上页下页下页目录目录返回返回波函数波函数角度分布图角度分布图 (以以氢原子氢原子 2 2p px x轨道为例轨道为例)经过坐标原点画出若干条射线经过坐标原点画出若干条射线,每条对应一组每条对应一组 值值;将该组将该组值代入波函数式值代入波函数式(见上见上)中进行计算中进行计算,以计算结果以计算结果 标在该射线上某一点标在该射线上某一点;用一样方法标出其它射线上点用一样方法标出其它射线上点,然后将全部点相联然后将全部点相联,得得 沿沿 x x 轴伸展哑铃形面轴伸展哑铃形面.第39页上页上页下页下页目录目录返回返回波函数角度分布图第40页上页上页下页下页目录目录返回返回 波动力学中波函数波动力学中波函数 对应于经典物理学中光波振幅对应于经典物理学中光波振幅;经典物理学中经典物理学中,光强度与振幅平方成正比光强度与振幅平方成正比;波动力学波动力学 中中,微粒波微粒波 强度与强度与 波函数平方波函数平方(2 2)相联络相联络;2 2 物理意义是概率密度物理意义是概率密度.因为依据玻恩统计解释因为依据玻恩统计解释,微粒微粒 波波强强度度(2 2)表表示示微微粒粒在在空空间间某某点点单单位位体体积积内内出出现现概概率率,即即电电子云子云.一一条条轨轨道道是是一一个个数数学学函函数数,极极难难阐阐述述其其详详细细物物理理意意义义.它它不不是是行行星星绕绕太太阳阳运运行行“orbit”orbit”，不不是是火火箭箭弹弹道道，也也不不是是电电子子在在原原子子中中运运动动路路径径,只只能能将将其其想想象象为为特特定定电电子子在在原原子子核核外外可能出现某个区域数学描述可能出现某个区域数学描述.从波函数从波函数 (r r,)到电子云到电子云2 2 (r r,)第41页上页上页下页下页目录目录返回返回电子云角度分布图电子云角度分布图xyzzxzxyspzpypxxzyxzyzydxydxzdyzddxy22-z2_ 酷似波函数角度分布图，但电子云“瘦”一些.叶瓣不再有“+”“+”、“-”“-”之分.要求切记：s s,p p,d d 电子云形状及其在空间伸展方向.第42页上页上页下页下页目录目录返回返回径向电子云分布径向电子云分布:电子云在空间某一区域点出现概率电子云在空间某一区域点出现概率 概率密度概率密度(2)该区域体积（该区域体积（dVdV）概率2dV24r2dr 概率 D(r)dr 纵坐标:D(r)=4 4r r 2 22 2 径向电子云分布图:D(r)对r作图 4 4rr2 22 2曲线是4 4r r 2 2曲线和2 2 曲线合成曲线.曲线在 r r=53 pm 处出现极大值,表明电子在距核53 pm 单位 厚度球壳内出现概率最大，恰好等于氢原子玻尔半径.第43页上页上页下页下页目录目录返回返回径向电子云分布径向电子云分布:D(r)=4r 22D(r)r作图第44页上页上页下页下页目录目录返回返回1 1 鲍林近似能级图鲍林近似能级图2 2 屏蔽和穿钻屏蔽和穿钻Pauling,L.C.(1901-1994)Pauling,L.C.(1901-1994)1.1.原子核外电子排布和元素周期系原子核外电子排布和元素周期系第45页上页上页下页下页目录目录返回返回1.2.1 1.2.1 鲍林近似能级图鲍林近似能级图 n n 值相同时值相同时,轨道能级则由轨道能级则由 l l 值决定值决定,例例:E E(4(4s s)E E(4(4p p)E E(4(4d d)E E(4(4f f).).这种现象叫这种现象叫能级分裂能级分裂.l l 值相同时值相同时,轨道能级只由轨道能级只由 n n 值决定值决定,n n和和l l都都不不一一样样时时出出现现更更为为复复杂杂 情况情况,主量子数小能级主量子数小能级 可能高于主量子数大能级可能高于主量子数大能级,即所谓即所谓能级交织能级交织.徐光宪：徐光宪：E En+0.7ln+0.7lA qualitative energy-levels diagram for many-electron atoms第46页上页上页下页下页目录目录返回返回对鲍林能级图主要说明对鲍林能级图主要说明对鲍林能级图主要说明对鲍林能级图主要说明 鲍林能级图只适合用于多电子原子鲍林能级图只适合用于多电子原子.即不适合用于氢原子即不适合用于氢原子和类氢原子和类氢原子,氢原子和类氢原子不存在能级分裂现象氢原子和类氢原子不存在能级分裂现象,自然也自然也谈不上能级交织谈不上能级交织.鲍林能级图严格意义上只能叫鲍林能级图严格意义上只能叫“次序图次序图”,”,次序是指轨道次序是指轨道被填充次序或被填充次序或 电子填入轨道次序电子填入轨道次序.换一个说法，填充次序并换一个说法，填充次序并不总是能代表原子中电子实际能级！不总是能代表原子中电子实际能级！比如比如MnMn原子原子(Z=25),Z=25),最先最先1818个电子填入个电子填入 n n=1=1、2 2和和3 39 9条轨道条轨道,接下来接下来2 2个电子填个电子填入入4 4s s 轨道轨道,最终最终5 5个电子填入次序图中能级最高个电子填入次序图中能级最高3 3d d 轨道轨道.不不过过,假如你由此得假如你由此得MnMn原子中原子中3 3d d电子能级高于电子能级高于4 4s s电子电子”，那，那就错了就错了.金属锰与酸反应生成金属锰与酸反应生成MnMn2+2+,失去失去2 2个电子属于个电子属于4 4s s 而而非非 3 3d d ！第47页上页上页下页下页目录目录返回返回1.2.2 1.2.2 屏蔽和穿钻屏蔽和穿钻 什么叫屏蔽作用什么叫屏蔽作用？对一个指定电子而言对一个指定电子而言,它会受到来自内它会受到来自内 层电子和同层其它电子负电荷排斥力层电子和同层其它电子负电荷排斥力,这种球壳状负电荷这种球壳状负电荷 像一个屏蔽罩像一个屏蔽罩,部分阻隔了查对该电子吸引力部分阻隔了查对该电子吸引力.（1 1）屏蔽效应（屏蔽效应（Shielding effectShielding effect）：屏蔽参数：屏蔽参数第48页上页上页下页下页目录目录返回返回 假假如如将将球球形形屏屏蔽蔽罩罩携携带带负负电电荷荷视视为为集集中中于于原原子子核核上上点点电电荷荷,净净效效果果则则相相当当于于核核真真实实正正电电荷荷 Z Z(原原子子序序)降降至至某某一一数数 Z Z*(有有 效效 核核 电电 荷荷).).降降 低低 数数 值值 叫叫 屏屏 蔽蔽 参参 数数(，shielding shielding parametersparameters).).什么物理量表示屏蔽作用大小？什么物理量表示屏蔽作用大小？大小大小:外层电子对内层电子可近似看作不产生屏蔽作用外层电子对内层电子可近似看作不产生屏蔽作用 内层电子对外内层电子对外 层电子屏蔽作用较大层电子屏蔽作用较大 Z*=Z-n n相同电子时：相同电子时：各亚层能级高低次序：各亚层能级高低次序：E En ns sEEn np pE E n nd d n pn p n dn d n fn f，这意味着这意味着,亚层轨道电子云按同一次序越来越远离原子核亚层轨道电子云按同一次序越来越远离原子核,造成能级按造成能级按 E E(nsns)E E(npnp)E E(ndnd)过渡元素过渡元素 内过渡元素内过渡元素范德华半径：范德华半径：分子接触半径（单原子分子）稀有气体分子接触半径（单原子分子）稀有气体单独一个原子不存在大小问题单独一个原子不存在大小问题第69页上页上页下页下页目录目录返回返回 第第3 3周期前周期前7 7个元素平均减小个元素平均减小:r r(Na)-(Na)-r r(Cl)/6=191 pm-99 pm/6=15.3 pm(Cl)/6=191 pm-99 pm/6=15.3 pm 第一过渡系第一过渡系1010个元素平均减小个元素平均减小:r r(Sc)-(Sc)-r r(Zn)/9=164 pm-137 pm/9=3.0 pm(Zn)/9=164 pm-137 pm/9=3.0 pm 镧系镧系1515个元素平均减小个元素平均减小:r r(La)-(La)-r r(Lu)/14=188 pm-173pm/14=1.1 pm(Lu)/14=188 pm-173pm/14=1.1 pm第70页上页上页下页下页目录目录返回返回解解 释释:主族元素主族元素:电子逐一填加在最外层电子逐一填加在最外层,对原来最外层上电对原来最外层上电 子屏蔽参数子屏蔽参数()小小,有效核电荷有效核电荷(Z*Z*)快速增大快速增大.比如比如,由由Na(Z=11)Na(Z=11)至至Cl(Z=17),Cl(Z=17),核电荷增加核电荷增加6,6,最外层最外层3 3s s电子感电子感 受到有效核电荷则增加受到有效核电荷则增加4.56(4.56(由由2.512.51增加至增加至7.07 7.07)过渡元素过渡元素:电子逐一填加在次外层电子逐一填加在次外层,增加次外层电子对增加次外层电子对 原来最外层上电子屏蔽较强原来最外层上电子屏蔽较强,有效核电荷增加较小有效核电荷增加较小.内过渡元素内过渡元素:电子逐一填加在外数第三层电子逐一填加在外数第三层,增加电子对增加电子对 原来最外层上电子屏蔽很强原来最外层上电子屏蔽很强,有效核电荷增加甚小有效核电荷增加甚小.第71页上页上页下页下页目录目录返回返回 内部效应内部效应:镧系中相邻元素半径十分靠近镧系中相邻元素半径十分靠近,用普通化学用普通化学 方法将极难分离方法将极难分离.外部效应外部效应:使第使第5 5、6 6两周期同族过渡元素（如两周期同族过渡元素（如Zr-Hf,Zr-Hf,Nb-Ta Nb-Ta等）性质极为相同，往往造成在自然界共生，而且等）性质极为相同，往往造成在自然界共生，而且 相互分离不易相互分离不易.内过渡元素有镧系收缩效应内过渡元素有镧系收缩效应同族元素原子半径改变趋势同族元素原子半径改变趋势 同族元素原子半径自上而下增大:电子层依次增加,有效核 电荷影响退居次要地位.第6周期过渡元素(如Hf,Ta)原子半径与第5周期同族元 素(如Zr,Nb)相比几乎没有增大,这是镧系收缩主要效应 之一.第72页上页上页下页下页目录目录返回返回1.3.2 1.3.2 电离能电离能(ionization energyionization energy)E(g)=E+(g)+e-I 1E+(g)=E 2+(g)+e-I 2I 1 I 2 I 3 I 4 基态气体原子失去最外层一个电子成为气态基态气体原子失去最外层一个电子成为气态+1+1价离子所需价离子所需最小能量叫第一电离能最小能量叫第一电离能,再从正离子相继逐一失去电子所需最再从正离子相继逐一失去电子所需最小能量则叫第二、第三、小能量则叫第二、第三、电离能电离能.各级电离能符号分别用各级电离能符号分别用I I1 1、I I2 2、I I3 3 等表示等表示,它们数值关系为它们数值关系为I I1 1I I2 2I I3 3.这种关系不难了这种关系不难了解解,因为从正离子离出电子比从电中性原子离出电子难得多因为从正离子离出电子比从电中性原子离出电子难得多,而且离子电荷越高越困难而且离子电荷越高越困难.第73页上页上页下页下页目录目录返回返回同族总趋势：同族总趋势：自上至下减小自上至下减小,与原子半径增大趋势一致与原子半径增大趋势一致同周期总趋势：同周期总趋势：自左至右增大自左至右增大,与原子半径减小趋势一致与原子半径减小趋势一致第74页上页上页下页下页目录目录返回返回 各周期中稀有气体原子电离能最高各周期中稀有气体原子电离能最高.第第 A A族元素族元素 Be Be 和和 MgM