無機及分析化學1：第二章 原子結構與元素周期系

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1、無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23第二章 原子結構與 元素周期系無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/232 21 1 玻爾理論玻爾理論2 22 2 核外電子運動的特殊性及運核外電子運動的特殊性及運動狀態的描述動狀態的描述2 23 3 多電子原子核外電子排布多電子原子核外電子排布2 24 4 原子結構與元素周期律原子結構與元素周期律第二章第二章 原子結構與元素周期系原子結構與元素周期系無機及分析化學無機及分析化學1 第二

2、章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/232 21 1 玻爾理論玻爾理論 德謨克利特德謨克利特(原子原子)十八世紀質量守恒定律、十八世紀質量守恒定律、定組成定律、倍比定律定組成定律、倍比定律 1787 1787年道爾頓的原子論年道爾頓的原子論 18111811年原子分子論年原子分子論1919世紀末一系列實驗證明原子世紀末一系列實驗證明原子可以再分，可以再分，18971897年湯姆遜發現電子，提出原子模型年湯姆遜發現電子，提出原子模型 1911 1911年盧瑟福行星式原子模型年盧瑟福行星式原子模型普朗克量子論普朗克量子論愛因斯坦光子論愛因斯坦光子論

3、玻爾理論玻爾理論量子力學理論。量子力學理論。人類認識物質世界簡史：人類認識物質世界簡史：無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23一、氫原子一、氫原子光譜光譜光源光譜：光源光譜：光源光譜：光源光譜：連續光譜連續光譜連續光譜連續光譜 線狀光譜線狀光譜線狀光譜線狀光譜無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23光源的光源的無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023

4、/10/23410.2、434.1、486.1486.1、656.3nmHH、HH、HH、HH 無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23氫原子光譜氫原子光譜無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23n 1、n2為為正整數；正整數；n2 n 1 R R=3.28910=3.2891015 15 S S-1-1BydbengBydbeng經驗公式經驗公式(里德堡方程里德堡方程)：氫原子光譜的特征：氫原子光譜的特征：氫原子光譜的特征

5、：氫原子光譜的特征：不連續光譜，即線狀光譜不連續光譜，即線狀光譜;其頻率具有一定的規律其頻率具有一定的規律什什么么規規律律呢呢？無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23愛因斯坦的光子學說愛因斯坦的光子學說愛因斯坦的光子學說愛因斯坦的光子學說普朗克的量子化學說普朗克的量子化學說普朗克的量子化學說普朗克的量子化學說氫原子的光譜實驗氫原子的光譜實驗氫原子的光譜實驗氫原子的光譜實驗盧瑟福盧瑟福盧瑟福盧瑟福的有核模型的有核模型的有核模型的有核模型 1913 1913 1913 1913年英國劍橋大學的學生年英國劍橋大學

6、的學生年英國劍橋大學的學生年英國劍橋大學的學生BohrBohr在在在在的基礎上，建立了的基礎上，建立了的基礎上，建立了的基礎上，建立了BohrBohr理論理論理論理論.二、二、玻爾理論玻爾理論無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/231.1.普朗克量子論普朗克量子論19001900年年年年,普朗克普朗克普朗克普朗克(Plank MPlank M)提出了表達光子的提出了表達光子的提出了表達光子的提出了表達光子的能量能量能量能量(E E)與頻率與頻率與頻率與頻率()關系的方程關系的方程關系的方程關系的方程,即著名的

7、普朗克即著名的普朗克即著名的普朗克即著名的普朗克方程：方程：方程：方程：E E=h h其中其中其中其中h h叫普朗克常量叫普朗克常量叫普朗克常量叫普朗克常量,其值為其值為其值為其值為6.626106.62610-34-34Js.Js.普朗克認為普朗克認為,物質只能按物質只能按h的整數倍的整數倍(例如例如1,2,3等等)一份一份地吸收或釋出光能一份一份地吸收或釋出光能,而不可能而不可能是是0.5，1.6，2.3等任何非整數倍等任何非整數倍.這就是所謂這就是所謂的的能量量子化能量量子化概念概念.無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-

8、12023/10/232.2.玻爾理論的基本假設玻爾理論的基本假設（1 1 1 1）定態軌道定態軌道:核外電子在一定能量的軌道運核外電子在一定能量的軌道運核外電子在一定能量的軌道運核外電子在一定能量的軌道運動動動動,既不吸收能量也不放出能量既不吸收能量也不放出能量既不吸收能量也不放出能量既不吸收能量也不放出能量(定態定態定態定態)?；鶓B：基態：能量最低的定態。能量最低的定態。激發態：激發態：能量高于能量高于基態基態的定態。的定態。1911年年盧瑟福提出原子的瑟福提出原子的“有核有核結構模型構模型”無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-20

9、14-12023/10/23(2)量子化條件電子在穩定軌道上運動不釋放能量，其繞核電子在穩定軌道上運動不釋放能量，其繞核電子在穩定軌道上運動不釋放能量，其繞核電子在穩定軌道上運動不釋放能量，其繞核運動的角動量滿足角動量運動的角動量滿足角動量運動的角動量滿足角動量運動的角動量滿足角動量量子化量子化量子化量子化條件：條件：條件：條件：p p必須必須必須必須等于等于等于等于h h/2/2的整倍數的整倍數的整倍數的整倍數軌道的能量軌道的能量軌道的能量軌道的能量(能級能級能級能級):):E En n=-=-2.179102.17910-18-18/n n2 2 J Jn 取正整數，故軌道能量不連續取正整

10、數，故軌道能量不連續(量子化量子化)。軌道的能量軌道的能量:En=-13.6/n2 ev 無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23 通常，通常，電子處在離核最近的軌道上，能量電子處在離核最近的軌道上，能量最低最低基態基態；原子得能量后，電子被激發到原子得能量后，電子被激發到高能軌道上，原子處于高能軌道上，原子處于激發態激發態。從激發態回到基態釋放光能，光的頻率取決于軌道間的能量差。E2E1E2E1（3 3）躍遷規則E=E2-E1=h無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化

11、學院 2013-2014-12023/10/23 光光 譜譜釋放能量釋放能量E=E2-E1=h 電子電子 基態基態E1高能態高能態(激發態激發態)E2獲得能量，獲得能量，躍遷遷無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23氫原子軌道能級氫原子軌道能級氫原子軌道能級氫原子軌道能級無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23 計算氫原子的電離能計算氫原子的電離能計算氫原子的電離能計算氫原子的電離能3.3.3.3.波爾理論的成功之處波爾理論

12、的成功之處波爾理論的成功之處波爾理論的成功之處 解釋了解釋了解釋了解釋了 HH及及及及 HeHe+、LiLi2+2+、BeBe3+3+的原子光譜的原子光譜的原子光譜的原子光譜WavetypeHWavetypeHaaHHbbHHggHHddCalculatedvalue/nm656.2486.1434.0410.1Calculatedvalue/nm656.2486.1434.0410.1Experimentalvalue/nm656.3486.1434.1410.2Experimentalvalue/nm656.3486.1434.1410.2 說明了原子的穩定性說明了原子的穩定性說明了原子的

13、穩定性說明了原子的穩定性 對其他發光現象（如光的形成）也能解釋對其他發光現象（如光的形成）也能解釋對其他發光現象（如光的形成）也能解釋對其他發光現象（如光的形成）也能解釋無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/234.4.玻爾理論的不足玻爾理論的不足不能解釋氫原子光譜在磁場中的分裂不能解釋氫原子光譜在磁場中的分裂不能解釋氫原子光譜的精細結構不能解釋氫原子光譜的精細結構不能解釋多電子原子的光譜不能解釋多電子原子的光譜無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-201

14、4-12023/10/23 微觀粒子運動的主要特點：微觀粒子運動的主要特點：微觀粒子運動的主要特點：微觀粒子運動的主要特點：能量量能量量能量量能量量子化子化子化子化和和和和波粒二象性。波粒二象性。波粒二象性。波粒二象性。衡量微觀物體性質的物理量是不連續衡量微觀物體性質的物理量是不連續衡量微觀物體性質的物理量是不連續衡量微觀物體性質的物理量是不連續的，它們只能以某個最小單位作跳躍式的的，它們只能以某個最小單位作跳躍式的的，它們只能以某個最小單位作跳躍式的的，它們只能以某個最小單位作跳躍式的增減，這樣不連續的物理量稱為增減，這樣不連續的物理量稱為增減，這樣不連續的物理量稱為增減，這樣不連續的物理量

15、稱為量子化量子化量子化量子化，微觀世界中的不連續性稱為量子性。微觀世界中的不連續性稱為量子性。微觀世界中的不連續性稱為量子性。微觀世界中的不連續性稱為量子性。注意注意無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23 (1)德布羅依的預言德布羅依的預言:1.1.電子的波粒二象性電子的波粒二象性電子等電子等實物粒子實物粒子也有波粒二象性。也有波粒二象性。一、微觀粒子的波粒二象性一、微觀粒子的波粒二象性一、微觀粒子的波粒二象性一、微觀粒子的波粒二象性2 22 2 核外電子運動的特殊性及核外電子運動的特殊性及運動狀態的描述運

16、動狀態的描述波長波長質量質量速率速率動量動量普朗克常數，等于普朗克常數，等于6.62619610-34Js無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23電子衍射實驗證實了電子衍射實驗證實了電子的波動性電子的波動性1927，美國美國C.DavissonandL.Germar電子衍射實驗電子衍射實驗無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23 (3)(3)(3)(3)可用幾率和幾率密度描述微觀粒子可用幾率和幾率密度描述微觀粒子可用幾率和幾

17、率密度描述微觀粒子可用幾率和幾率密度描述微觀粒子的運動規律的運動規律的運動規律的運動規律(1)(1)(1)(1)電子的波動性是電子電子的波動性是電子電子的波動性是電子電子的波動性是電子運動的統計結果運動的統計結果運動的統計結果運動的統計結果(2)(2)(2)(2)電子波是幾率波電子波是幾率波電子波是幾率波電子波是幾率波 電子波在空間任意一點的強度與微電子波在空間任意一點的強度與微電子波在空間任意一點的強度與微電子波在空間任意一點的強度與微觀粒子在該點出現的幾率成正比。觀粒子在該點出現的幾率成正比。觀粒子在該點出現的幾率成正比。觀粒子在該點出現的幾率成正比。.實物波的統計解釋實物波的統計解釋無機

18、及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23 對于微觀粒子，不可能同時準確測對于微觀粒子，不可能同時準確測定其定其速率速率與與位置位置（位置與動量）。（位置與動量）。x粒子的位置不確定量粒子的位置不確定量 粒子的粒子的運動速率運動速率不確定量不確定量.海森堡測不準原理海森堡測不準原理無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23二、波函數和原子軌道二、波函數和原子軌道1.1.波函數波函數波函數波函數量子力學認為量子力學認為微觀粒子的運動狀

19、態微觀粒子的運動狀態可用波函數可用波函數來描述。來描述。微觀粒子是在三微觀粒子是在三維空間作運動，因此它的運動狀況須用維空間作運動，因此它的運動狀況須用三維空間伸展的波來描述。波函數三維空間伸展的波來描述。波函數是是空間坐標空間坐標(x、y、z)的函數。的函數。無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/2322282m+（EV）=0 x2y2z2h2薛定諤方程是二階偏微分方程：薛定諤方程是二階偏微分方程：波函數波函數的求算的求算薛定諤方程Where:Where:波函數波函數波函數波函數（原子軌道）（原子軌道）（原子

20、軌道）（原子軌道）EE軌道能量（動能與勢能軌道能量（動能與勢能軌道能量（動能與勢能軌道能量（動能與勢能V V總和）總和）總和）總和）mm電子質量電子質量電子質量電子質量h h、常數常數常數常數x x、y y、zz電子位置的三維坐標電子位置的三維坐標電子位置的三維坐標電子位置的三維坐標注意：注意：注意：注意：原子軌道是指電子的一種空間狀態，波函數原子軌道是指電子的一種空間狀態，波函數原子軌道是指電子的一種空間狀態，波函數原子軌道是指電子的一種空間狀態，波函數就是描述核外電子空間運動狀態的數學表達式。就是描述核外電子空間運動狀態的數學表達式。就是描述核外電子空間運動狀態的數學表達式。就是描述核外電

21、子空間運動狀態的數學表達式。無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23 2 2 表示核外電子在某一區域的概率密度。核外電子概率密度可用小黑點的疏密形象化表示，稱為電子云電子云。概率：概率：電子在核外空間某電子在核外空間某區出現的機會區出現的機會概率概率密度概率概率密度微體積微體積|2 2 dvdv無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23在求解過程中，出現了三組在求解過程中，出現了三組常數常數n、l、m，它們有一定的取值要求；只

22、有當它們有一定的取值要求；只有當n、l、m符合取值要求時，符合取值要求時，schrodinger方程才有合方程才有合理解，因此，被稱為理解，因此，被稱為量子數。三個量子數對應一個特定的波函數，三個量子數對應一個特定的波函數，即三個量子數可以描述電子運動狀態。此即三個量子數可以描述電子運動狀態。此外，還有一個描述電子自旋特征的量子數外，還有一個描述電子自旋特征的量子數ms。22282m+（EV）=0 x2y2z2h2無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/234 4 4 4個量子數個量子數個量子數個量子數主量子數主

23、量子數（n）角量子數角量子數（l）磁量子數磁量子數（m）自旋量子數自旋量子數（ms）無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23 意義意義意義意義:表示電子所處的電子層、電子離核的表示電子所處的電子層、電子離核的表示電子所處的電子層、電子離核的表示電子所處的電子層、電子離核的遠近和電子能量的高低。遠近和電子能量的高低。遠近和電子能量的高低。遠近和電子能量的高低。1.1.主量子數（n）n 123456電子層電子層 取值取值:為為1，2，3n等正整數，目前只取至等正整數，目前只取至7。n值越大，離核就越遠，軌道能量越

24、高值越大，離核就越遠，軌道能量越高n值也表示一個電子層。（注：根據光譜實驗的結果，將主量子數相同的電子歸并在一起稱為一個電子層將主量子數相同的電子歸并在一起稱為一個電子層。）對應的電子層符號為K，L，M，N，O，P，Q。對應關系：無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/232.2.角量子數(副量子數副量子數)l 意義意義意義意義:代表角動量的大小和原子軌道的形狀，代表角動量的大小和原子軌道的形狀，代表角動量的大小和原子軌道的形狀，代表角動量的大小和原子軌道的形狀，對于多電子原子還影響電子的能量。是對于多電子原子還

25、影響電子的能量。是對于多電子原子還影響電子的能量。是對于多電子原子還影響電子的能量。是決定原子軌決定原子軌決定原子軌決定原子軌道（或電子云）形狀道（或電子云）形狀道（或電子云）形狀道（或電子云）形狀的量子數的量子數的量子數的量子數,表示每一主層中不同表示每一主層中不同表示每一主層中不同表示每一主層中不同的亞層。的亞層。的亞層。的亞層。l=0 時，核外電子的運動狀態與角度無關，原子軌道是球形對稱的，稱為s 軌道軌道(或s s亞層亞層)。取值取值:為為0 0，1 1，2 2，3 3n-1的的正整數。正整數。l=1 時，原子軌道是紡棰形（或啞鈴形）分布，稱為p 軌道軌道（或p p亞層亞層）。p軌道沿

26、某一直角坐標軸的方向有最大值。l=2 時，原子軌道呈花瓣形分布，稱為d d 軌道軌道（或d d亞層亞層）無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23各電子層內的亞層數：各電子層內的亞層數：n=1l=01sn=2l=02sl=12pn=3l=23dl=13pl=0 3s無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23l=04sl=14pl=24d l=34fn=4無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大

27、化學院 2013-2014-12023/10/23各電子層內的亞層數nl=0l=1l=2 l=3 l=4 亞層數11s122s2p233s3p3d344s4p4d4f455s5p5d5f5g5無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23當l0時，m=0,只有1個s 軌道，呈球形對稱，無方向性；當l1時，m0，1，p 軌道有3個空間取向,沿x軸、y軸、z軸方向伸展的分別稱px、py、pz軌道；當l2時，m0，1，2，d 軌道有5種空間取向；當l3時，m0，1，2，3，f 軌道共有7種空間取向.3磁量子數（m）意義：

28、意義：意義：意義：決定原子中電子繞核運動的軌道決定原子中電子繞核運動的軌道決定原子中電子繞核運動的軌道決定原子中電子繞核運動的軌道角動量在外磁場方向上的分量，即角動量在外磁場方向上的分量，即角動量在外磁場方向上的分量，即角動量在外磁場方向上的分量，即決定原子決定原子決定原子決定原子軌道在空間的伸展方向及軌道數目軌道在空間的伸展方向及軌道數目軌道在空間的伸展方向及軌道數目軌道在空間的伸展方向及軌道數目。取值：取值：0，1；2；l無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23各亞層的軌道數各亞層的軌道數亞層亞層空間取向

29、空間取向軌道數軌道數s亞層亞層l=0mL=02l+1=1p亞層亞層l=1mL=0，12l+1=3d亞層亞層l=2mL=0，1，22l+1=5 f亞層亞層l=3mL=0，1，2，32l+1=7無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23 原子軌道原子軌道 以上以上n，l，mL三個量子數結合起來，三個量子數結合起來，便確定了核外電子的一個空間運動狀態便確定了核外電子的一個空間運動狀態（即（即原子軌道原子軌道），包括軌道的大小、形），包括軌道的大小、形狀和空間取向。狀和空間取向。無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原

30、子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23意義：意義：表示電子自旋運動方向表示電子自旋運動方向取值：取值：+，-4.自旋量子數(ms)兩種可能的自旋方向兩種可能的自旋方向:正向正向(ms=+1/2)和反向和反向(ms=-1/2),一般用一般用“”“”來表示。來表示。產生方向相反的磁場產生方向相反的磁場相反自旋的一對電子相反自旋的一對電子,磁場相互抵消磁場相互抵消.無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23四個量子數四個量子數n、l、mL、ms的意義的意義1.描述電子的

31、運動狀態；描述電子的運動狀態；如如3s1（3，0，0，+1/2）；2.確定各層與亞層能容納電子的限量確定各層與亞層能容納電子的限量2n2；3.確定核外電子的排布情況；確定核外電子的排布情況；4.核外電子分層排布，元素在周期表中周期、核外電子分層排布，元素在周期表中周期、族、區的劃分。族、區的劃分。無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23四、波函數和電子云的空間圖像 波函數波函數(x x

32、,y,zy,z)(r r,)無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23角度分布圖角度分布圖Y(,)(r r,)=)=R R(r r)Y Y(,)通常把原子軌道分成通常把原子軌道分成:徑向分布圖徑向分布圖R(r)徑向波函數徑向波函數由n、l 決定角度波函數角度波函數由l、m 決定無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-1202

33、3/10/23半徑為半徑為r的球面積的球面積4r2，厚度為厚度為r球殼，球殼，概率密度為概率密度為 21.1.徑向分布圖徑向分布圖令令D(r)=4r2 2D(r)：徑向分布函數，徑向分布函數，表示電子在半徑為表示電子在半徑為r的球面上單位厚度的球殼夾層內出現的概率。的球面上單位厚度的球殼夾層內出現的概率。概率概率密度概率概率密度微體積微體積|2 2 dv dv4r2r 2D(r)r無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23D(r)對對r作圖：作圖：徑向分布圖徑向分布圖無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結

34、構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/232.2.角度分布圖角度分布圖原子軌道的角度原子軌道的角度分布圖分布圖Yl,m(,)角度分布函數角度分布函數Y Y(,)在不同的在不同的,角角的相應的的相應的Y Y 值，在空間形成一個閉合的曲值，在空間形成一個閉合的曲面，這個圖形就叫面，這個圖形就叫波函數的角度分布圖波函數的角度分布圖。電子云的角度分電子云的角度分布圖布圖Y 2l,m(,)無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23原子軌道原子軌道與電子云電子云波函數角度分布圖比較無

35、機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23注意：注意：注意：注意：角度分布圖角度分布圖角度分布圖角度分布圖:與與與與l l，mm有關，與有關，與有關，與有關，與n n無關無關無關無關原原子子軌軌道道角角度度分分布布剖剖面面圖圖電電子子云云角角度度分分布布剖剖面面圖圖無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/232 23 3 多電子原子多電子原子核外電子排布核外電子排布一、屏蔽與鉆穿效應一、屏蔽與鉆穿效應1.1.屏蔽效應屏蔽效應:在多電

36、子原子，被研究電子受在多電子原子，被研究電子受其他電子其他電子的的 “屏蔽作用屏蔽作用 ”，使得原子核對某電子的吸引力減弱，使得原子核對某電子的吸引力減弱，能量升高。這種能量效應，稱為能量升高。這種能量效應，稱為 “屏蔽效應屏蔽效應”內層電子對外層電子的屏蔽內層電子對外層電子的屏蔽 屏蔽效應的大小，可用屏蔽常數屏蔽效應的大小，可用屏蔽常數表示：表示：*為有效核電荷數為有效核電荷數;為核電荷數。為核電荷數。*=-無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23 多電子原子中，原子軌道能量不多電子原子中，原子軌道能量不但

37、與但與 n n 有關，而且與有關，而且與 l l 有關：有關：無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23uu 屏蔽規則：屏蔽規則：內層電子對外層電子的屏蔽作用大內層電子對外層電子的屏蔽作用大同層電子間的屏蔽作用較小同層電子間的屏蔽作用較小外層電子對內層電子無屏蔽作用外層電子對內層電子無屏蔽作用多電子原子中，多電子原子中，l 相同相同n不同的電子：不同的電子：E1sE2sE3sE2pE3pE4pE3dE4dE5d n值值 越大越大 受受屏蔽屏蔽 越多越多 能量能量 越高越高無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原

38、子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23 外層電子外層電子回避其他電子回避其他電子的屏蔽作用的屏蔽作用,更更多的鉆到近核多的鉆到近核處處,受到較多核受到較多核電荷吸引，從電荷吸引，從而使軌道能量而使軌道能量降低的現象，降低的現象，稱為稱為鉆穿效應。鉆穿效應。2.2.鉆穿效應鉆穿效應:無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23能級分裂現象能級分裂現象:E2s E2p由于鉆穿效應而導致出現：n 相同，相同，l 越小，鉆穿效應越大：越小，鉆穿效應越大：EnsEnp End

39、 Enf Eng無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23多電子原子中多電子原子中n、l 都不相同時，都不相同時，n值大值大的亞層反而比的亞層反而比n值小的亞層的能量低的現象稱值小的亞層的能量低的現象稱為能級交錯為能級交錯E4s E3d能級交錯現象：能級交錯現象：E5s E4dE6s E4f無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23二、多電子原子的原子軌道近似能級圖二、多電子原子的原子軌道近似能級圖無機及分析化學無機及分析化學1

40、 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/231.1.保里保里(PauliPauli)不相容原理不相容原理(W.PaulisExclusionPrinciple)同一原子中不可能同一原子中不可能有兩個電子處于完全相有兩個電子處于完全相同的運動狀態。同的運動狀態。三、原子核外電子的排布三、原子核外電子的排布n,l,mn,l,mLL,m,ms s無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23 即即:同一原子中不可能有四個量子數完全相同一原子中不可能有四個量子數完全相同的

41、兩個電子存在。同的兩個電子存在。如如n、l、mL相同時，相同時，ms 取值必不同，取值必不同，ms=+,ms=。換句話說，換句話說，每條原子軌道最多只能容納兩每條原子軌道最多只能容納兩個電子，且這兩個電子自旋方向必相反。個電子，且這兩個電子自旋方向必相反。每個軌道每個軌道每個軌道每個軌道(n,l,mn,l,mLL)無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/232.2.能量最低原理能量最低原理(Thelowestenergyprincipl)電子排布時，盡可能使體系的能電子排布時，盡可能使體系的能量最低，則電子必須先

42、填充在能量最量最低，則電子必須先填充在能量最低的原子軌道上，然后依次填充到能低的原子軌道上，然后依次填充到能量較高的原子軌道上。量較高的原子軌道上。無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23根根據據多多電電子子原原子子的的近近似似能能級級圖圖和和能能量量最最低低原原理理填填入入順順序序如如左左:無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/233.3.洪特規則洪特規則(F.HundsRule)及特例及特例 在在n 和和 l相同的簡并軌道

43、上分布的電相同的簡并軌道上分布的電子，將盡可能占據子，將盡可能占據 mL 不同的軌道，且不同的軌道，且自旋平行。自旋平行。當等價軌道中的電子處于全充滿當等價軌道中的電子處于全充滿(6,d 10,f 14)、半充滿、半充滿(3,5,f 7)或全空或全空(0,0,f 0)時，原子的能量最時，原子的能量最低，體系最穩定。低，體系最穩定。洪特洪特(FriedrichHund、18961997)德國理論物理學家,1896年生于德國萊茵河下游卡爾斯魯厄。1925年從大量光譜實驗數據中總結出這條經驗規律。但后來得到量子力學計算的證明。無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農

44、大化學院 2013-2014-12023/10/23核外電子排布的幾種表示方法核外電子排布的幾種表示方法1.原子結構示意圖2.軌道表示式3.電子排布式4.價電子層結構式無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23軌道表示式軌道表示式(軌道圖示軌道圖示)1s22s22p2 電子排布式電子排布式電子排布式電子排布式1 1s s2 22s2s2 22p2p3 31 1s s2 22s2s2 22p2p4 4核外電子排布表示核外電子排布表示實例：實例：1s2s2p3s3p15P：無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子

45、結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23例如例如 15 15P:P:電子排布式：電子排布式：1s2 2s2 2p6 3s2 3p3可簡寫為：可簡寫為：Ne3s2 3p3原子實原子實原子芯原子芯2424CrCr：1s1s222s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p663d3d554s4s1 12929CuCu：1s1s222s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p663d3d10104s4s1 112Mg Ne 3s224Cr Ar 3d54s129Cu Ar 3d104s1 1212MgMg：1s1s222s2s2 22p2p6 6

46、 3s3s2 2無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23價電子層結構式價電子層結構式:例如例如:以下原子的價電子層結構式以下原子的價電子層結構式 12Mg：3s229Cu：3d104s1 15 15P:P:3s3s2 23p3p3 3 2828Ni:Ni:3d3d8 84s4s2 2價電子價電子價電子價電子價電子層價電子層價電子層價電子層價電子層結構價電子層結構價電子層結構價電子層結構(構型構型構型構型)無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-1

47、2023/10/23(1)書寫電子排布式時，為表示電子是書寫電子排布式時，為表示電子是分分層排布的，將層排布的，將n相同的寫在一起，相同的寫在一起，按層書寫按層書寫，書寫順序為：，書寫順序為：1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f5(2)電子真正往軌道填充時，是電子真正往軌道填充時，是按軌道能按軌道能量由低到高量由低到高，順序為：，順序為：1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p(3)化學反應中化學反應中,失電子時按照失電子時按照(1)的相的相反順序失電子反順序失電子注注 意意 無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農

48、大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23例如例如：2929CuCu 電子排布式電子排布式:1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1電子填入軌道的順序電子填入軌道的順序:1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s13d10注意：電子排布式的書寫順序電子排布式的書寫順序和和電子電子填入軌道的順序填入軌道的順序是有區別的！是有區別的！說明：上述三定律屬于經驗規律，并非適用與所有原子。無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/231.1.周期周期 每一能級組組成一個周期每一能級組組

49、成一個周期按能級組中能量的高低排列為按能級組中能量的高低排列為1-7周期周期一、原子的電子層結構與元素周期系一、原子的電子層結構與元素周期系周期數周期數=電子層數電子層數每一周期每一周期ns1開始，開始，ns2np6結束結束。2 2-4-4原子的電子結構與元素周期系原子的電子結構與元素周期系無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/232.2.族族 在周期表中，具有相同價電子構型的在周期表中

50、，具有相同價電子構型的元素排成一列，構成一族。元素排成一列，構成一族。主族主族:最后一個電子填入最后一個電子填入ns或或np能級；能級；主族數等于主族數等于ns和和np軌道上電子數之和。軌道上電子數之和。周期表中共有周期表中共有16個族，個族，7個主族，個主族，7個副族，個副族，1個零族，個零族，1個個族族 價電子 價電子層無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23副族副族：最后一個電子填入最后一個電子填入(n-1)dn-1)d或或(n-2)fn-2)f能級的元素能級的元素;副族數等于副族數等于(n-1n-1)

51、d d nsns軌道上電子軌道上電子數之和（一、二副族除外）。（同一列數之和（一、二副族除外）。（同一列中僅有長周期元素的叫副族元素中僅有長周期元素的叫副族元素）。）。無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/231.1.原子半徑：原子半徑：相鄰核間距的一半相鄰核間距的一半 分為金屬半徑金屬半徑、共價半徑共價半徑和范德華半徑范德華半徑。二、原子結構與元素性質的周期性變化二、原子結構與元素性質

52、的周期性變化無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23原子半徑變化規律：原子半徑變化規律：同周期同周期自左至右自左至右核電荷數依次增加，核對外層電子核電荷數依次增加，核對外層電子的吸引力增強，所以的吸引力增強，所以原子半徑遞減原子半徑遞減。同周期主族元素同周期主族元素r r遞減快；遞減快；副族元素間副族元素間r r遞減慢；遞減慢；鑭系元素鑭系元素r r減少很少。減少很少。無機及分析化學無

53、機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23同一族同一族 同一主族，自上而下，同一主族，自上而下，電子層數電子層數n增多，主增多，主量子數增大，量子數增大，原子半徑就增大原子半徑就增大。同一副族，半徑變化不明顯，同一副族，半徑變化不明顯，特別是特別是5 5、6 6周期周期元素，主要是元素，主要是鑭系收縮鑭系收縮造成的，使得這些相應造成的，使得這些相應的元素化學性質也很相似，難以分離。的元素化學性質也很相似，難以分離。無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023

54、/10/23原子半徑變化規律原子半徑變化規律無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/232.2.電離能電離能I(I(勢勢)M(g)e=M+(g)rHm=I I1 1同一原子：同一原子：I I1 1I I2 2I I3 3正一價離子再失去一個電子成為正二離正一價離子再失去一個電子成為正二離子所子所吸收能量吸收能量稱為第二電離能稱為第二電離能I2恒溫恒壓恒溫恒壓(298.15(298.15K K、100kPa)100kPa)下下標準電離能標準電離能第一電離能用來衡量元素的原子失去電子的難易程度第一電離能用來衡量元素的

55、原子失去電子的難易程度無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23第一電離能變化規律第一電離能變化規律無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/233.3.電子親合能電子親合能(勢勢)E E 處于基態的處于基態的1 1molmol氣態原子氣態原子獲得電子獲得電子生成生成1 1molmol氣態負離子時所氣態負離子時所放出的能量放出的能量，稱為電子親合能（稱為電子親合能（E E）。）。恒溫恒壓（恒溫恒壓（298.15298.15K K、1

56、0105 5PaPa）下，下，標準電子親合能標準電子親合能(E E)與電離能相反，與電離能相反，元素的電子親合能用來衡量元元素的電子親合能用來衡量元素的原子獲得電子的難易程度。素的原子獲得電子的難易程度。親合能數合能數值越大，越大，則氣氣態原子原子結合一個合一個電子子釋放的能量越多，與放的能量越多，與電子子的的結合越合越穩定，表明定，表明該元素的原子越易元素的原子越易獲得得電子，子，故非金屬性越故非金屬性越強。反之亦然。反之亦然。無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原

57、子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/234.4.電負性電負性 電離能和電子親合能分別反映元素原子電離能和電子親合能分別反映元素原子失去和得到電子的能力。失去和得到電子的能力。為了能同時量度這為了能同時量度這兩種性質，鮑林提出了兩種性質，鮑林提出了電負性電負性的概念的概念:電負性電負性是元素的原子在分子中吸引是元素的原子在分子中吸引電子的能力。電子的能力。無法測出絕對值，鮑林以 F=4.0 得其它元素相對值。無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23無機及分析化學無機

58、及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23總總 結結作作 業業p-254.8.10.p-486.12無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23下次內容下次內容第三章第三章化學鍵和分子結構化學鍵和分子

59、結構無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23E2E1E2E1無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23 博學之，審問之，慎思之，明辨之，篤行之。要廣博地學習，詳細地詢問，謹慎地思考，清晰地分辨，切實地實行。無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-20

60、14-12023/10/23 現在為答疑時間，有問題請舉手示意。無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23人莫不知學之有益于己也,然而不能者，嬉戲害人也.人們沒有不知道學習對自己是有好處的，然而其所以不學習，是因貪玩，貪玩真害人哪！無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23 現在為答疑時間，有問題請舉手示意。無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/

61、23 博學之，審問之，慎思之，明辨之，篤行之。要廣博地學習，詳細地詢問，謹慎地思考，清晰地分辨，切實地實行。無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23 現在為答疑時間，有問題請舉手示意。無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23人莫不知學之有益于己也,然而不能者，嬉戲害人也.人們沒有不知道學習對自己是有好處的，然而其所以不學習，是因貪玩，貪玩真害人哪！無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化

62、學院 2013-2014-12023/10/23無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23普朗克普朗克普朗克普朗克量子化量子化量子化量子化理論理論理論理論19001900年年年年,普朗克普朗克普朗克普朗克(Plank MPlank M)提出了表達光提出了表達光提出了表達光提出了表達光子的能量子的能量子的能量子的能量(E E)與頻率與頻率與頻率與頻率()關系的方程關系的方程關系的方程關系的

63、方程,即著名的即著名的即著名的即著名的普普普普朗克方程朗克方程朗克方程朗克方程：E E=h h 其中其中其中其中h h叫普朗克常量叫普朗克常量叫普朗克常量叫普朗克常量,其值為其值為其值為其值為6.62610-34Js.6.62610-34Js.普朗克認為普朗克認為,物質只能按物質只能按h的整數倍的整數倍(例如例如1,2,3等等)一份一份地吸收或釋出光能一份一份地吸收或釋出光能,而不可而不可能是能是0.5,1.6,2.3等任何非整數倍等任何非整數倍.這就是所謂的這就是所謂的能量能量量子化量子化概念概念.無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-

64、2014-12023/10/23無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23 宏觀物體的運動狀態，可以根據經典力學用準確的位置和宏觀物體的運動狀態，可以根據經典力學用準確的位置和速度（或動量）來確定。如人造衛星的運行，人們不僅可以速度（或動量）來確定。如人造衛星的運行，人們不僅可以同時準確地測定它現在的坐標位置和運行速度，而且還能推同時準確地測定它現在的坐標位置和運行速度，而且還能推知它過去和未來的坐標和速度。微觀粒子具有波動性，波會知它過去和未來的坐標和速度。微觀粒子具有波動性，波會發生衍射，人們不能同時準確地

65、測量它的坐標位置和速度。發生衍射，人們不能同時準確地測量它的坐標位置和速度。假如用光測量電子的位置，所用的光波長愈短，物體位置的假如用光測量電子的位置，所用的光波長愈短，物體位置的測量愈準確，但總有誤差測量愈準確，但總有誤差 存在。電子是極小的粒子，要存在。電子是極小的粒子，要準確測定其位置必須使用極短波長的光，根據德布羅意公式準確測定其位置必須使用極短波長的光，根據德布羅意公式p ph/h/，光的波長愈短，光子的動量愈高，當光子與電子相光的波長愈短，光子的動量愈高，當光子與電子相碰撞時就會將動能傳給電子，引起電子動量的大變化，但其碰撞時就會將動能傳給電子，引起電子動量的大變化，但其位置的測量

66、誤差太大。位置的測量誤差太大。19261926年海森堡（年海森堡（HeisenbergHeisenberg）提出了提出了測不準原理，并用數學式表示：測不準原理，并用數學式表示：海森堡（海森堡（海森堡（海森堡（HeisenbergHeisenbergHeisenbergHeisenberg）測不準原理測不準原理測不準原理測不準原理例例:對于對于m=10克的子彈，當其位置精確克的子彈，當其位置精確到到 x1mm，則其速度不確定值為：則其速度不確定值為：顯然對宏觀物體可顯然對宏觀物體可同時準確測定同時準確測定位置位置與與速度速度速度不確定度很大速度不確定度很大例：例：對電子對電子,m=9.11 10-31Kg,半徑半徑 r=10-10m，則則 x至少要達到至少要達到10-11m才相對準確，才相對準確，則其速度則其速度不確定值為：不確定值為：若若m 非常小，則其位置與速度是不能同時準非常小，則其位置與速度是不能同時準確確定的。確確定的。無機及分析化學無機及分析化學1 第二章原子結構與元素周期系山農大化學院山農大化學院 2013-2014-12023/10/23無機及分析化學無機及分析化學1 第