基礎(chǔ)化學(xué)（第3版）課件：第十章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表

原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表2 原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)(atomic structure)知識(shí)是深層次認(rèn)識(shí)物質(zhì)知識(shí)是深層次認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的基礎(chǔ)。人類(lèi)對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，探索了幾千年。世界的基礎(chǔ)。人類(lèi)對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，探索了幾千年?，F(xiàn)代量子力學(xué)現(xiàn)代量子力學(xué)(quantum mechanics)揭示了微觀世界粒子揭示了微觀世界粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。 原子由原子核和核外高速運(yùn)動(dòng)的電子組成。在化學(xué)原子由原子核和核外高速運(yùn)動(dòng)的電子組成。在化學(xué)反應(yīng)中，原子核不發(fā)生變化，只是核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反應(yīng)中，原子核不發(fā)生變化，只是核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變。所以本章重點(diǎn)是用量子力學(xué)的觀點(diǎn)研究核外發(fā)生改變。所以本章重點(diǎn)是用量子力學(xué)的觀點(diǎn)研究核外電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，闡述元素性質(zhì)發(fā)生周期性變化與核外電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，闡述元素性質(zhì)發(fā)生周期性變化與核外電子排布即電子組態(tài)電子排布即電子組態(tài)(electronic configuration)的內(nèi)在聯(lián)的內(nèi)在聯(lián)系。系。 1. 原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)史原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)史從遠(yuǎn)古哲學(xué)到從遠(yuǎn)古哲學(xué)到舊量子論舊量子論 2. 量子力學(xué)的概念：量子力學(xué)的概念：波粒二象性波粒二象性 、不不確定原理確定原理、薛定諤方程、薛定諤方程第一節(jié)第一節(jié)核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及特征核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及特征2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表4 1. 公元前五世紀(jì)希臘唯物主義哲學(xué)家認(rèn)為一切事物公元前五世紀(jì)希臘唯物主義哲學(xué)家認(rèn)為一切事物都是原子和虛空組成。都是原子和虛空組成。 2. 到十九世紀(jì)初，英國(guó)科學(xué)家到十九世紀(jì)初，英國(guó)科學(xué)家Dalton 提出了著名的提出了著名的原子學(xué)說(shuō)。原子學(xué)說(shuō)。 3. 1904年，英國(guó)科學(xué)家年，英國(guó)科學(xué)家Thomson提出了原子提出了原子“棗糕棗糕模型模型” 。 4. 1911年年Rutherford提出了提出了“行星系式行星系式”原子模型。原子模型。一、原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)史和舊量子論一、原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)史和舊量子論 2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表5 5. 1913年，年，Bohr 在牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)上吸收了德國(guó)在牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)上吸收了德國(guó)Planck M的量子論，建立了的量子論，建立了“定態(tài)原子模型定態(tài)原子模型”。 Bohr理論要點(diǎn)：理論要點(diǎn)： （1）核外電子在一定的軌道上運(yùn)動(dòng)，在這些軌道上）核外電子在一定的軌道上運(yùn)動(dòng)，在這些軌道上運(yùn)動(dòng)的電子不放出能量也不吸收能量，電子處于某種運(yùn)動(dòng)的電子不放出能量也不吸收能量，電子處于某種“定態(tài)定態(tài)”（stationary state）。）。2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表6 （2）在一定的軌道上運(yùn)動(dòng)的電子具有一定的能量）在一定的軌道上運(yùn)動(dòng)的電子具有一定的能量E, E只能取某些由量子化條件決定的數(shù)值，而不能處于兩只能取某些由量子化條件決定的數(shù)值，而不能處于兩個(gè)相鄰軌道之間。氫原子核外電子能量公式為個(gè)相鄰軌道之間。氫原子核外電子能量公式為 （ n = 1,2,3,4 ） 當(dāng)當(dāng)n = 1時(shí)，稱(chēng)為氫原子的基態(tài)時(shí)，稱(chēng)為氫原子的基態(tài)(ground state)。 n2的時(shí)，稱(chēng)為氫原子的激發(fā)態(tài)的時(shí)，稱(chēng)為氫原子的激發(fā)態(tài)(excited state)。J102.181822 nZE2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表7 （3）激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子回到較低能量的狀態(tài)時(shí)，）激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子回到較低能量的狀態(tài)時(shí)，能量差以光的形式發(fā)射出來(lái)，兩個(gè)軌道能量差決定光量能量差以光的形式發(fā)射出來(lái)，兩個(gè)軌道能量差決定光量子的能量子的能量h為為Plank常數(shù)，常數(shù)，h = 6.62610-34Js。12EEh 2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表82022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表9 Bohr 理論成功地解釋了氫原子的不連續(xù)光譜，獲得理論成功地解釋了氫原子的不連續(xù)光譜，獲得了了1922年諾貝爾物理獎(jiǎng)。但是，他未能沖破經(jīng)典物理學(xué)年諾貝爾物理獎(jiǎng)。但是，他未能沖破經(jīng)典物理學(xué)的束縛，不能解釋多電子原子光譜，甚至不能說(shuō)明氫原的束縛，不能解釋多電子原子光譜，甚至不能說(shuō)明氫原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)。他的理論屬于舊量子論。子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)。他的理論屬于舊量子論。 2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表10 （一）波粒二象性（一）波粒二象性 德布羅意在光的波粒二象性德布羅意在光的波粒二象性(waveparticle duality)啟發(fā)下，于啟發(fā)下，于1924年大膽假設(shè)所有微觀粒子如電子也具有年大膽假設(shè)所有微觀粒子如電子也具有波粒二象性。他將光的二象性的公式應(yīng)用到微粒上，提波粒二象性。他將光的二象性的公式應(yīng)用到微粒上，提出了出了“物質(zhì)波物質(zhì)波(matter wave)”公式。對(duì)于質(zhì)量為公式。對(duì)于質(zhì)量為m，速率速率為為 的微粒，動(dòng)量為的微粒，動(dòng)量為p ，其波長(zhǎng)其波長(zhǎng) 為為mhph 二、量子力學(xué)的概念二、量子力學(xué)的概念2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表11 1927年物理學(xué)家戴維遜年物理學(xué)家戴維遜(Davisson)和革末和革末(Germer)用用電子束代替光束通過(guò)金屬單晶光柵進(jìn)行的電子衍射實(shí)驗(yàn)電子束代替光束通過(guò)金屬單晶光柵進(jìn)行的電子衍射實(shí)驗(yàn)證明了德布羅意的假設(shè)。證明了德布羅意的假設(shè)。電電子子源源晶晶體體2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表12 電子的波動(dòng)性需要電子的波動(dòng)性需要從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來(lái)理解。從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來(lái)理解。電子在空間任意一點(diǎn)衍電子在空間任意一點(diǎn)衍射波的強(qiáng)度與電子在此射波的強(qiáng)度與電子在此處出現(xiàn)的概率密度成正處出現(xiàn)的概率密度成正比。所以，電子波是概比。所以，電子波是概率波率波(probability wave)。 2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表13 電子波的物理意義與經(jīng)典的機(jī)械波和電磁波均不同。電子波的物理意義與經(jīng)典的機(jī)械波和電磁波均不同。 機(jī)械波是介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)在空間的傳播，電磁波是機(jī)械波是介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)在空間的傳播，電磁波是電磁場(chǎng)的振動(dòng)在空間的傳播。電磁場(chǎng)的振動(dòng)在空間的傳播。 電子波并無(wú)類(lèi)似直接的物理意義，只反映電子在空電子波并無(wú)類(lèi)似直接的物理意義，只反映電子在空間各區(qū)域出現(xiàn)的概率大小。間各區(qū)域出現(xiàn)的概率大小。2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表14 （二）不確定原理（二）不確定原理 海森堡海森堡(W. Heisenberg) *認(rèn)為，描述微觀粒子的運(yùn)認(rèn)為，描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，無(wú)法同時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)定粒子的位置和動(dòng)量，從動(dòng)狀態(tài)時(shí)，無(wú)法同時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)定粒子的位置和動(dòng)量，從而得出了測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系而得出了測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系hpxx4 2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表15 （三）（三）Schrodinger方程和波函數(shù)方程和波函數(shù)0)(822222222 VEhmzyx2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表16 (x,y,z)是描述氫原子核外運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)，稱(chēng)是描述氫原子核外運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)，稱(chēng)為波函數(shù)為波函數(shù)(wave function)。 (x,y,z) 本身物理意義不明確，但波函數(shù)絕對(duì)值的平本身物理意義不明確，但波函數(shù)絕對(duì)值的平方卻有明確的物理意義，即方卻有明確的物理意義，即|2表示在空間某處電子出表示在空間某處電子出現(xiàn)的概率密度現(xiàn)的概率密度(probability density)，即在該點(diǎn)周?chē)渭丛谠擖c(diǎn)周?chē)挝惑w積中電子出現(xiàn)的概率位體積中電子出現(xiàn)的概率。 波函數(shù)波函數(shù)(x,y,z)也稱(chēng)為原子軌道。也稱(chēng)為原子軌道。2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表17 量子力學(xué)沿用了玻爾理論中原子軌道量子力學(xué)沿用了玻爾理論中原子軌道(atomic orbital)的稱(chēng)謂，將波函數(shù)的稱(chēng)謂，將波函數(shù)仍稱(chēng)為原子軌道。但此原子仍稱(chēng)為原子軌道。但此原子軌道與玻爾理論中的原子軌道涵義截然不同。玻爾理論軌道與玻爾理論中的原子軌道涵義截然不同。玻爾理論認(rèn)為基態(tài)氫原子的原子軌道是半徑一定的球形軌道，如認(rèn)為基態(tài)氫原子的原子軌道是半徑一定的球形軌道，如基態(tài)氫原子電子的軌道為半徑基態(tài)氫原子電子的軌道為半徑52.9pm的球形軌道。而量的球形軌道。而量子力學(xué)中，基態(tài)氫原子的原子軌道是隨空間坐標(biāo)變化的子力學(xué)中，基態(tài)氫原子的原子軌道是隨空間坐標(biāo)變化的波函數(shù)。波函數(shù)。第二節(jié)第二節(jié)氫原子的波函數(shù)和量子數(shù)氫原子的波函數(shù)和量子數(shù) 1. 四個(gè)量子數(shù)及其意義四個(gè)量子數(shù)及其意義 2. 波函數(shù)及電子云的角度部分圖形波函數(shù)及電子云的角度部分圖形 3. 徑向分布函數(shù)圖徑向分布函數(shù)圖2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表19 一、氫原子的波函數(shù)一、氫原子的波函數(shù) 氫原子的波函數(shù)氫原子的波函數(shù) 可分為兩部分可分為兩部分 是由是由 n 和和l 確定的只與半徑確定的只與半徑r有關(guān)的函數(shù)，稱(chēng)有關(guān)的函數(shù)，稱(chēng)為波函數(shù)的徑向部分或?yàn)椴ê瘮?shù)的徑向部分或 徑向波函數(shù)徑向波函數(shù) (radial wave function)。 是由是由l 和和m 確定的與方位角確定的與方位角 、 有關(guān)的有關(guān)的函數(shù)，稱(chēng)為波函數(shù)的角度部分或角度波函數(shù)函數(shù)，稱(chēng)為波函數(shù)的角度部分或角度波函數(shù)(angular wave function)。)()()( ,YrRzy,x,l,mn,ln,l,m )(zy,x,n,l,m)(rRn,l)( ,Yl,m 2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表20 cossinrx sinsinry rzcos )()( )()( ,YrR,r,zy,x,l,mn,ln,l,mn,l,m 222zyxr 2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表21 （一）主量子數(shù)（一）主量子數(shù) (principal quantum number) 主量子數(shù)以主量子數(shù)以n來(lái)表示，可取任意非零正整數(shù)，即來(lái)表示，可取任意非零正整數(shù)，即 n1、2、3、 主量子數(shù)主量子數(shù)n反映了電子在核外空間出現(xiàn)概率最大的反映了電子在核外空間出現(xiàn)概率最大的區(qū)域離核的遠(yuǎn)近，是決定多電子能量的主要因素。一般區(qū)域離核的遠(yuǎn)近，是決定多電子能量的主要因素。一般認(rèn)為認(rèn)為n值越大，電子出現(xiàn)概率最大的區(qū)域距核越遠(yuǎn)，能值越大，電子出現(xiàn)概率最大的區(qū)域距核越遠(yuǎn)，能量越高。量越高。),( )()(mlnf,r,zy,x,n,l,mn,l,m 二、原子軌道和量子數(shù)二、原子軌道和量子數(shù)2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表22 對(duì)于單電子原子來(lái)說(shuō)，對(duì)于單電子原子來(lái)說(shuō)，n是決定電子能量的唯一因素是決定電子能量的唯一因素,n值越大，電子的能量越高。值越大，電子的能量越高。 例如，例如，H、He+、 Li2+ 、Be3+，它們核外電子的能量它們核外電子的能量由下式確定由下式確定n = 1、2、3、4；Z 為核電荷數(shù)。為核電荷數(shù)。21822.18 10JZEn 2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表23 n 值相同的電子在離核平均距離相近的核外空間區(qū)值相同的電子在離核平均距離相近的核外空間區(qū)域運(yùn)動(dòng)的概率較大，故通常將域運(yùn)動(dòng)的概率較大，故通常將n值相同的電子稱(chēng)為同層值相同的電子稱(chēng)為同層電子，其所在區(qū)域俗稱(chēng)為電子層。電子，其所在區(qū)域俗稱(chēng)為電子層。 當(dāng)當(dāng)n1、2、3、4時(shí)，相應(yīng)用光譜學(xué)符號(hào)時(shí)，相應(yīng)用光譜學(xué)符號(hào)K、L、M、N來(lái)表示。來(lái)表示。2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表24 （二）軌道角動(dòng)量量子數(shù)（二）軌道角動(dòng)量量子數(shù) (orbital angular momentum quantum number) 軌道角動(dòng)量量子數(shù)用軌道角動(dòng)量量子數(shù)用li表示（下角注表示（下角注 i 指特定粒子指特定粒子,為為方便，以后略去下標(biāo)），其取值受主量子數(shù)方便，以后略去下標(biāo)），其取值受主量子數(shù)n的限制的限制,可可取包括取包括0在內(nèi)的正整數(shù)，即在內(nèi)的正整數(shù)，即 l0、1、2、3(n-1)共可取共可取n個(gè)值。軌道角動(dòng)量量子數(shù)個(gè)值。軌道角動(dòng)量量子數(shù)l決定原子軌道和電子決定原子軌道和電子云的形狀，并在多電子原子中配合主量子數(shù)云的形狀，并在多電子原子中配合主量子數(shù)n 一起決定一起決定電子的能量。電子的能量。2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表25 軌道角動(dòng)量量子數(shù)軌道角動(dòng)量量子數(shù)l也稱(chēng)為能級(jí)或亞層。通常也稱(chēng)為能級(jí)或亞層。通常 l 0、1、2、3 的能級(jí)分別稱(chēng)為的能級(jí)分別稱(chēng)為 s、p、d、f 能級(jí)或能級(jí)或 s、p、d、f 亞層。亞層。 n2時(shí)，時(shí)，l =0、1即即L層上有兩個(gè)亞層，分別為層上有兩個(gè)亞層，分別為 s、p。 n3時(shí)，時(shí)，l =0、1、2即即M層上有三個(gè)亞層，分別為層上有三個(gè)亞層，分別為 s、p、d。2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表26 n 和和 l 都相同的原子軌道能級(jí)相同，稱(chēng)為等價(jià)軌道都相同的原子軌道能級(jí)相同，稱(chēng)為等價(jià)軌道或簡(jiǎn)并軌道，以或簡(jiǎn)并軌道，以n、l值命名。例如，值命名。例如，n=2，l0的稱(chēng)的稱(chēng)2s電電子亞層或能級(jí)；子亞層或能級(jí)；n3，l1的稱(chēng)為的稱(chēng)為3p電子亞層或能級(jí)等電子亞層或能級(jí)等等。等。2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表27 （三）磁量子數(shù)（三）磁量子數(shù) (magnetic quantum number) 磁量子數(shù)用磁量子數(shù)用mi表示（下角注表示（下角注i指特定粒子，以后略去指特定粒子，以后略去下標(biāo)），其取值受軌道角動(dòng)量量子數(shù)下標(biāo)），其取值受軌道角動(dòng)量量子數(shù) l 的限制的限制 m=0、1、2、3l m共有共有2l+1個(gè)數(shù)值。磁量子數(shù)個(gè)數(shù)值。磁量子數(shù)m決定原子軌道和電子云決定原子軌道和電子云在空間的伸展方向在空間的伸展方向, 故故 s、p、d、f 軌道依次有軌道依次有1、3、5、7 種取向。種取向。2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表28 三個(gè)量子數(shù)三個(gè)量子數(shù)n、l、m確定一個(gè)原子軌道即波函數(shù)確定一個(gè)原子軌道即波函數(shù) 。 例如，當(dāng)例如，當(dāng)n=1，l只能取只能取0，m也只能取也只能取0，n、l、m三三個(gè)量子數(shù)的組合方式只有個(gè)量子數(shù)的組合方式只有(1,0,0)，與之一一對(duì)應(yīng)的原子，與之一一對(duì)應(yīng)的原子軌道只有一個(gè)，即軌道只有一個(gè)，即1s軌道。用波函數(shù)軌道。用波函數(shù) 表示即為表示即為 或或 。n,l,m1,0,01sn,l,m2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表29 當(dāng)當(dāng)n = 2，l 1時(shí)，時(shí)，m 只能取只能取 -1、0 和和 1，n、l、m三個(gè)量子數(shù)的組合方式有三個(gè)量子數(shù)的組合方式有( 2 , 1 , -1 )、( 2 , 1 , 0 )和和( 2 , 1 , 1 )，表示了，表示了 2p 原子軌道在空間的三個(gè)不同的伸展方向，原子軌道在空間的三個(gè)不同的伸展方向，用波函數(shù)用波函數(shù) 表示即為表示即為 、 、 第第n電子層上可以有電子層上可以有n2個(gè)原子軌道。個(gè)原子軌道。n,l,m2,1,02,1,-112,1,2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表30主量子數(shù)主量子數(shù)n軌道角動(dòng)量軌道角動(dòng)量 量子數(shù)量子數(shù)l磁量子數(shù)磁量子數(shù)m波函數(shù)波函數(shù)同一電子層的同一電子層的軌道數(shù)（軌道數(shù)（n2）10012004101、1sz2px2py2p2s2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表31主量子數(shù)主量子數(shù)n軌道角動(dòng)量軌道角動(dòng)量 量子數(shù)量子數(shù)l磁量子數(shù)磁量子數(shù)m波函數(shù)波函數(shù)同一電子層的同一電子層的軌道數(shù)（軌道數(shù)（n2）3009101、201、2、3sz3p2z3d2y2x3dxy3dxz3dyz3dx3py3p2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表32 【例例9-3】n = 4的電子層有幾個(gè)亞層？相應(yīng)的軌道角的電子層有幾個(gè)亞層？相應(yīng)的軌道角動(dòng)量量子數(shù)分別是多少？寫(xiě)出每個(gè)亞層的符號(hào)；每個(gè)動(dòng)量量子數(shù)分別是多少？寫(xiě)出每個(gè)亞層的符號(hào)；每個(gè)亞層有幾個(gè)軌道？寫(xiě)出每個(gè)軌道的軌道符號(hào)和亞層有幾個(gè)軌道？寫(xiě)出每個(gè)軌道的軌道符號(hào)和3個(gè)量個(gè)量子數(shù)。子數(shù)。 【解解】第四層有第四層有4個(gè)亞層，相應(yīng)的軌道角動(dòng)量量子個(gè)亞層，相應(yīng)的軌道角動(dòng)量量子數(shù)分別是數(shù)分別是l =0、1、2、3。亞層的符號(hào)分別為。亞層的符號(hào)分別為4s、4p、4d、4f。 4s亞層有一個(gè)軌道：軌道符號(hào)為亞層有一個(gè)軌道：軌道符號(hào)為4s，量子數(shù)組合為，量子數(shù)組合為（4，0，0）。）。2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表33 4p 亞層有三個(gè)軌道：亞層有三個(gè)軌道：4pz（4，1，0）、）、4px、4py的量子數(shù)組合分別為（的量子數(shù)組合分別為（4，1，1）。）。 4d 亞層有亞層有5個(gè)軌道：軌道符號(hào)為個(gè)軌道：軌道符號(hào)為 、 、 、 、 。量子數(shù)組合分別為（。量子數(shù)組合分別為（4，2，0）（）（4，2，1）（）（4，2，2）。）。 4f 亞層有亞層有7個(gè)軌道。軌道符號(hào)本書(shū)不作要求。其個(gè)軌道。軌道符號(hào)本書(shū)不作要求。其n = 4，l = 3，m 分別為分別為3、2、1、0、-1、-2、-3。2z3d2y2x3dxy3dxz3dyz3d2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表34 （四）自旋角動(dòng)量量子數(shù)（四）自旋角動(dòng)量量子數(shù)(spin angular momentum quantum number) 自旋角動(dòng)量量子數(shù)用自旋角動(dòng)量量子數(shù)用si表示，其取值只有表示，其取值只有 +1/2 和和-1/2，分別表示順時(shí)針和逆時(shí)針兩種自旋運(yùn)動(dòng)，通常也，分別表示順時(shí)針和逆時(shí)針兩種自旋運(yùn)動(dòng)，通常也可分別用符號(hào)可分別用符號(hào)“”和和“”表示。表示。 在同一原子軌道中，可容納兩種相反自旋方向的電在同一原子軌道中，可容納兩種相反自旋方向的電子，成為成對(duì)電子，它們具有相同的能量。子，成為成對(duì)電子，它們具有相同的能量。2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表35 四個(gè)量子數(shù)四個(gè)量子數(shù) n、l、m、s 可以確定一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)可以確定一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。狀態(tài)。 每個(gè)電子層可容納的電子數(shù)每個(gè)電子層可容納的電子數(shù) 2n2 個(gè)。個(gè)。2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表36 【例例9-4】 已知基態(tài)已知基態(tài)Na原子的價(jià)電子處于最外層的原子的價(jià)電子處于最外層的3s軌道，試用軌道，試用n、l、m、s量子數(shù)來(lái)描述它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。量子數(shù)來(lái)描述它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 【解解】 最外層最外層3s軌道的三個(gè)量子數(shù)為軌道的三個(gè)量子數(shù)為n = 3、l = 0、m = 0所以所以3s電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可表示為電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可表示為3，0，0，+1/2或或3，0，0，-1/22022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表37 【問(wèn)題問(wèn)題】四個(gè)量子數(shù)說(shuō)明了核外電子的哪些運(yùn)動(dòng)狀四個(gè)量子數(shù)說(shuō)明了核外電子的哪些運(yùn)動(dòng)狀態(tài)？態(tài)？ 【解解】1. 電子的能量；電子的能量；2. 電子出現(xiàn)概率密度最大的電子出現(xiàn)概率密度最大的區(qū)域距核的遠(yuǎn)近；區(qū)域距核的遠(yuǎn)近；3. 電子出現(xiàn)概率密度最大的區(qū)域的形電子出現(xiàn)概率密度最大的區(qū)域的形狀；狀；4. 電子的自旋狀態(tài)。電子的自旋狀態(tài)。2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表38 【問(wèn)題】說(shuō)明【問(wèn)題】說(shuō)明s、3s、3s1、2p、3d所分別代表的意所分別代表的意義并寫(xiě)出所對(duì)應(yīng)的量子數(shù)。義并寫(xiě)出所對(duì)應(yīng)的量子數(shù)。 【解】【解】s代表一種能級(jí)或原子軌道，其對(duì)應(yīng)的量子數(shù)代表一種能級(jí)或原子軌道，其對(duì)應(yīng)的量子數(shù)為為l = 0，m = 0，其空間角度分布圖象為球形。其空間角度分布圖象為球形。 3s代表第代表第3電子層中的電子層中的s能級(jí)或原子軌道，其對(duì)應(yīng)的能級(jí)或原子軌道，其對(duì)應(yīng)的量子數(shù)為量子數(shù)為n3，l = 0，m = 0。 3s1代表第代表第3電子層中的電子層中的s原子軌道上原子軌道上1個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其對(duì)應(yīng)的量子數(shù)為狀態(tài)，其對(duì)應(yīng)的量子數(shù)為n3，l = 0，m = 0，s = +1/2或或-1/2。2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表39 2p代表第代表第2電子層中的電子層中的p能級(jí)，其對(duì)應(yīng)的量子數(shù)為能級(jí)，其對(duì)應(yīng)的量子數(shù)為n = 2，l = 1，m 可取值可取值-1，0或或+1，表示在空間的三個(gè)伸，表示在空間的三個(gè)伸展方向，用波函數(shù)展方向，用波函數(shù) 表示即為表示即為 、 、也可表示為也可表示為 、 、z2px2py2p2,1,012,1,2,1,-1n,l,m2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表40 3d代表第代表第3電子層中的電子層中的d能級(jí)，其對(duì)應(yīng)的量子數(shù)能級(jí)，其對(duì)應(yīng)的量子數(shù)為為n3，l = 2，m 可取值可取值-2、-1、0、+1、+2表表示在空間的五個(gè)伸展方向，即波函數(shù)示在空間的五個(gè)伸展方向，即波函數(shù) 、 、 、 、2z3d2y2x3dxy3dxz3dyz3d2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表41 （二）氫原子軌道的角度分布圖（二）氫原子軌道的角度分布圖 1. s軌道角度分布圖軌道角度分布圖 s軌道的角度波函數(shù)是一個(gè)常數(shù)。軌道的角度波函數(shù)是一個(gè)常數(shù)。原子核位于原點(diǎn)，離核距離相同的點(diǎn)上函數(shù)值處處相等，原子核位于原點(diǎn)，離核距離相同的點(diǎn)上函數(shù)值處處相等，這些點(diǎn)在空間形成一個(gè)球面，球面所在的球體就是這些點(diǎn)在空間形成一個(gè)球面，球面所在的球體就是s軌軌道的圖形，道的圖形， 2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表422022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表43Yl,m( , ) zx0+y2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表44 2. p軌道角度分布圖軌道角度分布圖 p軌道的角度波函數(shù)的值隨方位軌道的角度波函數(shù)的值隨方位角角 和和 的改變而改變。以的改變而改變。以pz軌道為例，軌道為例， 變化如下：變化如下：Ycos43zp 030609012015018010.8660.50-0.5-0.866-1coscos 2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表45Yl,m( , ) zx+153045600 2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表462022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表47zx+0px2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表48yx+0py2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表49 3. d軌道的角度分布圖軌道的角度分布圖 yx0dxy+yx0dxy+2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表50zx0dxz+zx0dxz+2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表51zy0dyz+zy0dyz+2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表52yx0+yx0+2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表53xz0+xz0+2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表54 （二）電子云及其角度分布圖（二）電子云及其角度分布圖 為了表示基態(tài)氫原子核外空間電子出現(xiàn)的概率密度為了表示基態(tài)氫原子核外空間電子出現(xiàn)的概率密度的分布情況，故將空間各處的的分布情況，故將空間各處的 用疏密程度不同的小用疏密程度不同的小黑點(diǎn)表示出來(lái)。這種在單位體積內(nèi)黑點(diǎn)數(shù)與黑點(diǎn)表示出來(lái)。這種在單位體積內(nèi)黑點(diǎn)數(shù)與 成正比成正比的圖形稱(chēng)為電子云的圖形稱(chēng)為電子云(electron cloud)。 2|2|2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表55 將電子云所表示的概率密度相同的各點(diǎn)連成曲面，將電子云所表示的概率密度相同的各點(diǎn)連成曲面，稱(chēng)為等密度面。界面以?xún)?nèi)電子出現(xiàn)概率為稱(chēng)為等密度面。界面以?xún)?nèi)電子出現(xiàn)概率為90%的等密度的等密度面圖形，稱(chēng)為電子云的界面圖，面圖形，稱(chēng)為電子云的界面圖， 2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表562022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表57 用角度波函數(shù)的平方用角度波函數(shù)的平方 可描述核外空間不可描述核外空間不同方位角上電子出現(xiàn)的概率密度變化，由同方位角上電子出現(xiàn)的概率密度變化，由 隨隨方位角方位角 、 的變化作圖得到概率密度角度分布圖，又稱(chēng)的變化作圖得到概率密度角度分布圖，又稱(chēng)為電子云角度分布圖為電子云角度分布圖。2,| ),(| mlY2,| ),(| mlY 2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表58Yl,m( , ) zx0y22022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表592022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表602022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表612022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表622022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表632022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表642022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表652022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表66 電子云角度分布圖與原子軌道的角度分布圖的比較：電子云角度分布圖與原子軌道的角度分布圖的比較： 1. 形狀十分類(lèi)似，但電子云角度分布圖沒(méi)有正負(fù)號(hào)。形狀十分類(lèi)似，但電子云角度分布圖沒(méi)有正負(fù)號(hào)。 2. 電子云的角度分布圖比原子軌道的角度分布圖也電子云的角度分布圖比原子軌道的角度分布圖也要要“瘦瘦”一些。一些。 電子云角度分布圖與電子云的形狀也很相似，但應(yīng)電子云角度分布圖與電子云的形狀也很相似，但應(yīng)注意的是，電子云所描述的是概率密度注意的是，電子云所描述的是概率密度|2，而電子云角而電子云角度分布圖所描述的僅是度分布圖所描述的僅是|Y|2。2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表67 （三）徑向分布函數(shù)圖（三）徑向分布函數(shù)圖(radial distribution function) 徑向分布函數(shù)徑向分布函數(shù)表示電子在以原子核為中心，半徑為表示電子在以原子核為中心，半徑為 r ，微分厚度為微分厚度為 dr 的同心圓薄球殼層內(nèi)出現(xiàn)的概率，即氫原子核外電子在的同心圓薄球殼層內(nèi)出現(xiàn)的概率，即氫原子核外電子在薄球殼層內(nèi)出現(xiàn)的概率與離核距離薄球殼層內(nèi)出現(xiàn)的概率與離核距離 r 的關(guān)系。的關(guān)系。)(4)(2,2rRrrDln 2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表68drr2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表691s0 0.1 0.2 0.3 0.4 r/nml=0D(r)1.00.5 02022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表70l=1l=0r/nm 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.4 0.2 02p 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.4 0.2 02sD(r)2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表710 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2D(r)0 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20.3 00.3 00.3 0n=3,l=03sn=3,l=13pn=3,l=23d2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表722022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表733s0 2 4 6 8 10 12 14r (10-10m)D(r)0.050.150.253p0 2 4 6 8 10 12 14r (10-10m)D(r)0.050.150.252022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表742s0 2 4 6 8 10 12 14r (10-10m)D(r)0.100.200.300.402022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表752p0 2 4 6 8 10 12 14r (10-10m)D(r)0.100.200.300.402022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表761s0 2 4 6 8 10 12 14r (10-10m)D(r)0.100.200.300.400.500.600.700.800.901.002022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表77 徑向分布函徑向分布函數(shù)的特點(diǎn)：數(shù)的特點(diǎn)： 1. 1s軌道的軌道的徑向分布函數(shù)圖徑向分布函數(shù)圖在在r52.9pm時(shí)有時(shí)有一個(gè)極大值。但一個(gè)極大值。但概率最大的地方概率最大的地方并不是概率密度并不是概率密度最大的地方。最大的地方。D(r)r2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表78 2. 徑向分布函數(shù)圖中的峰數(shù)有徑向分布函數(shù)圖中的峰數(shù)有(n- l)個(gè)，例如，個(gè)，例如，1s有有1個(gè)峰，個(gè)峰，4s有有4個(gè)峰，個(gè)峰，2p有有1個(gè)峰，個(gè)峰，3p有有2個(gè)峰個(gè)峰 3. 道角動(dòng)量量子數(shù)道角動(dòng)量量子數(shù)l 相同，主量子數(shù)相同，主量子數(shù)n不同時(shí)，主峰不同時(shí)，主峰距核位置不同，距核位置不同，n越小，主峰距核越近，越小，主峰距核越近，n越大，主峰距越大，主峰距核越遠(yuǎn)，好象電子處于某一電子層。核越遠(yuǎn)，好象電子處于某一電子層。2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表79 4.主量子數(shù)主量子數(shù)n相同，軌道角動(dòng)量量子數(shù)相同，軌道角動(dòng)量量子數(shù)l 不同時(shí)，不同時(shí)，ns比比np多一個(gè)離核較近的峰，多一個(gè)離核較近的峰，np又比又比nd多一個(gè)離核較近的多一個(gè)離核較近的峰峰。第一個(gè)峰與核的距離是。第一個(gè)峰與核的距離是 ns np nd nf說(shuō)明說(shuō)明n相同時(shí)相同時(shí), l 越小越小, 電子在核附近出現(xiàn)的可能性越大。電子在核附近出現(xiàn)的可能性越大。2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表80 不同不同 l 的的“鉆穿鉆穿”到核附近的能力不同，鉆穿能力到核附近的能力不同，鉆穿能力的順序是的順序是 ns np nd nf說(shuō)明玻爾理論中假設(shè)的固定軌道是不存在的，外層電子說(shuō)明玻爾理論中假設(shè)的固定軌道是不存在的，外層電子也可以在內(nèi)層出現(xiàn)，這正反映了電子的波動(dòng)性。也可以在內(nèi)層出現(xiàn)，這正反映了電子的波動(dòng)性。第三節(jié)第三節(jié)多電子原子的核外電子排布多電子原子的核外電子排布 1. 多電子原子的能級(jí)、能級(jí)組多電子原子的能級(jí)、能級(jí)組 2. 核外電子排布原則核外電子排布原則 3. 154號(hào)原子核外電子排布號(hào)原子核外電子排布2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表82 （一）屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)（一）屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng) 在多電子原子中，電子不僅受到原子核的吸引，而在多電子原子中，電子不僅受到原子核的吸引，而且電子間還存在著同性相斥作用。內(nèi)層或同層的電子對(duì)且電子間還存在著同性相斥作用。內(nèi)層或同層的電子對(duì)某個(gè)指定電子的排斥，削弱了原子核對(duì)該電子的引力，某個(gè)指定電子的排斥，削弱了原子核對(duì)該電子的引力，相當(dāng)于其他電子對(duì)原子核進(jìn)行了遮擋，這種現(xiàn)象稱(chēng)為相當(dāng)于其他電子對(duì)原子核進(jìn)行了遮擋，這種現(xiàn)象稱(chēng)為屏屏蔽效應(yīng)蔽效應(yīng)(screening effect)。 一、多電子原子的能級(jí)一、多電子原子的能級(jí)2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表83 但電子的高速運(yùn)動(dòng)使我們無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定電子之間的但電子的高速運(yùn)動(dòng)使我們無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定電子之間的排斥力，通常的近似處理方法是將其它電子對(duì)指定電子排斥力，通常的近似處理方法是將其它電子對(duì)指定電子的排斥作用歸結(jié)為對(duì)核電荷的排斥作用歸結(jié)為對(duì)核電荷(Z)的抵消，從而使有效核電的抵消，從而使有效核電荷荷(Z*)降低。抵消的核電荷數(shù)稱(chēng)為屏蔽常數(shù)，用降低。抵消的核電荷數(shù)稱(chēng)為屏蔽常數(shù)，用i 表示，表示，則則 iiZZ 2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表84 這樣多電子原子中電子這樣多電子原子中電子 i 的能量公式可表示為的能量公式可表示為 21822.18 10J iiZEn 2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表85 Slater規(guī)則：規(guī)則： 1. 將核外電子分組：將核外電子分組：(1s), (2s, 2p), (3s,3p), (3d), (4s, 4p), (4d), (4f), (5s, 5p), 2. 外層電子對(duì)內(nèi)層電子的屏蔽作用可以不考慮，即外層電子對(duì)內(nèi)層電子的屏蔽作用可以不考慮，即i= 0； 3. 1s 組內(nèi)電子之間的屏蔽作用為組內(nèi)電子之間的屏蔽作用為i =0.30 ；其余各；其余各組內(nèi)電子之間的屏蔽作用為組內(nèi)電子之間的屏蔽作用為i =0.35 ； 2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表86 4.對(duì)于對(duì)于ns、np電子，內(nèi)層電子，內(nèi)層 (n-1層層)電子對(duì)它的屏蔽作電子對(duì)它的屏蔽作用為用為i= 0.85，離核更近的內(nèi)層離核更近的內(nèi)層(n-2層層)電子對(duì)它的屏蔽作電子對(duì)它的屏蔽作用為用為i =1.00； 5. 對(duì)于對(duì)于nd、nf 電子同一組中其它電子對(duì)它的屏蔽作電子同一組中其它電子對(duì)它的屏蔽作用為用為 i =0.35 ，內(nèi)組，內(nèi)組 電子對(duì)它電子對(duì)它 的的 屏蔽作用為屏蔽作用為i =1.00 。2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表87 【例】基態(tài)鉀原子的電子層結(jié)構(gòu)是【例】基態(tài)鉀原子的電子層結(jié)構(gòu)是 1s22s22p63s23p64s1而不是而不是 1s22s22p63s23p63d1試說(shuō)明之。試說(shuō)明之。 【解】若鉀原子最后一個(gè)電子排布在【解】若鉀原子最后一個(gè)電子排布在4s軌道，則作軌道，則作用在該電子上的有效核電荷數(shù)為用在該電子上的有效核電荷數(shù)為 191.00 100.85 82.20iiZZ 2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表882184s22182192.18 10J1916.8 2.18 10J 46.59 10JiiZEn 2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表89 若鉀原子最后一個(gè)電子排布在若鉀原子最后一個(gè)電子排布在4d軌道，則作用在該軌道，則作用在該電子上的有效核電荷數(shù)為電子上的有效核電荷數(shù)為 191.00 181.00iiZZ 2183d22181922.18 10J1918 2.18 10J 2.42 10J3iiZEn 2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表90 ，所以，基態(tài)鉀原子的電子層結(jié)構(gòu)應(yīng)該是，所以，基態(tài)鉀原子的電子層結(jié)構(gòu)應(yīng)該是 1s22s22p63s23p64s1 而不是而不是 1s22s22p63s23p63d1 4s3dEE2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表912022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表92 （1）對(duì)于）對(duì)于 l 相同相同 n 不同的原子軌道，隨著主量子數(shù)不同的原子軌道，隨著主量子數(shù)的增加，其徑向分布函數(shù)的主峰離核越遠(yuǎn)，原子對(duì)電子的增加，其徑向分布函數(shù)的主峰離核越遠(yuǎn)，原子對(duì)電子的吸引力越弱，同時(shí)受到其它電子的屏蔽作用也就越大，的吸引力越弱，同時(shí)受到其它電子的屏蔽作用也就越大，也就增大，其能量也越高。也就增大，其能量也越高。 123nlnlnlnlEEEE 2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表93 （2）n 相同相同 l 不同時(shí)，不同時(shí)，l 愈小的電子，它本身的鉆穿愈小的電子，它本身的鉆穿能力愈強(qiáng)，離核愈近，它受到其他電子對(duì)它的屏蔽作用能力愈強(qiáng)，離核愈近，它受到其他電子對(duì)它的屏蔽作用就愈弱，能量就愈低就愈弱，能量就愈低 氫原子只有氫原子只有1個(gè)電子，無(wú)屏蔽作用，其激發(fā)態(tài)能量個(gè)電子，無(wú)屏蔽作用，其激發(fā)態(tài)能量與與 l 無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。spdfnnnnEEEE2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表94 (3) n 、l都不同時(shí)。屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)的綜合結(jié)都不同時(shí)。屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)的綜合結(jié)果造成了分裂后的能級(jí)又發(fā)生能級(jí)交錯(cuò)。會(huì)出現(xiàn)果造成了分裂后的能級(jí)又發(fā)生能級(jí)交錯(cuò)。會(huì)出現(xiàn)n小的小的反而能量高的現(xiàn)象，反而能量高的現(xiàn)象， 稱(chēng)為能級(jí)交錯(cuò)稱(chēng)為能級(jí)交錯(cuò)。例如鉀的例如鉀的E3d E4s 。sp2 f1 dnnnnEEEE 2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表95 （1） （2） （3）123nlnlnlnlEEEE spdfnnnnEEEEsp2 f1 dnnnnEEEE 2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表96 （二）多電子原子軌道的能級(jí)圖（二）多電子原子軌道的能級(jí)圖 圖9-10 原子軌道近似能級(jí)圖能能量量與與周周期期 1s2p2s3p3s4p3d4s5p4d3s6p5d4f6s6s6p5d4f5s5p4d4s4p3d3s3p2s2p2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表971s2p7f6f5f4f3d4d5d6d7d3p4p5p6p7p2s3s6s7s5s4s2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表98 基態(tài)多電子原子軌道的能級(jí)高低的定量依據(jù)：基態(tài)多電子原子軌道的能級(jí)高低的定量依據(jù)： n+0.7 l 值愈大，軌道能級(jí)愈高。值愈大，軌道能級(jí)愈高。n+0.7l 值的第一值的第一位數(shù)字相同的各能級(jí)合為一組，稱(chēng)為一個(gè)能級(jí)組。位數(shù)字相同的各能級(jí)合為一組，稱(chēng)為一個(gè)能級(jí)組。 例如：例如： n+0.7l 整數(shù)部分整數(shù)部分 4s 4+0=4 4 3d 3+0.72=4.4 4 4p 4+0.71=4.7 4所以，所以，4s3d4p為同一能級(jí)組。為同一能級(jí)組。2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表99多電子原子能級(jí)組多電子原子能級(jí)組能級(jí)能級(jí)1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6pn + 0.7 l1.02.02.73.03.7 4.0 4.44.75.05.45.7 6.0 6.1 6.46.7能級(jí)組能級(jí)組組內(nèi)電組內(nèi)電子數(shù)子數(shù)2881818322022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表100 根據(jù)徐光憲公式計(jì)算可以明確原子能級(jí)由低到高依根據(jù)徐光憲公式計(jì)算可以明確原子能級(jí)由低到高依次為次為 1s， (2s，2p)， (3s，3p)， (4s，3d，4p)， (5s，4d，5p)， (6s，4f，5d，6p) 括號(hào)表示能級(jí)組。此順序與鮑林近似能級(jí)順序吻合。括號(hào)表示能級(jí)組。此順序與鮑林近似能級(jí)順序吻合。2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表101 （一）能量最低原理（一）能量最低原理 “系統(tǒng)的能量愈低系統(tǒng)的能量愈低, 愈穩(wěn)定愈穩(wěn)定”, 是自然界的普遍規(guī)律是自然界的普遍規(guī)律。核外電子的排布也遵循這一規(guī)律?；鶓B(tài)多電子原子核。核外電子的排布也遵循這一規(guī)律?；鶓B(tài)多電子原子核外電子排布時(shí)總是先占據(jù)能量最低的軌道，當(dāng)?shù)湍芰寇壨怆娮优挪紩r(shí)總是先占據(jù)能量最低的軌道，當(dāng)?shù)湍芰寇壍勒紳M(mǎn)后道占滿(mǎn)后, 才排入高能量的軌道才排入高能量的軌道 , 以使整個(gè)原子能量最低以使整個(gè)原子能量最低。這就是能量最低原理。這就是能量最低原理。二二 核外電子排布的規(guī)律核外電子排布的規(guī)律2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表102 （二）（二）Pauli不相容原理不相容原理 在同一原子中不可能有四個(gè)量子數(shù)完全相同的在同一原子中不可能有四個(gè)量子數(shù)完全相同的2個(gè)電個(gè)電子同時(shí)存在，這就是泡利不相容原理子同時(shí)存在，這就是泡利不相容原理(Pauli exclusion principle)。 （三）（三）Hund規(guī)則規(guī)則 電子在能量相同的軌道電子在能量相同的軌道(即簡(jiǎn)并軌道即簡(jiǎn)并軌道)上排布時(shí)，總上排布時(shí)，總 是是 盡盡 可能以自旋相同的方向，分占不同的軌道，因可能以自旋相同的方向，分占不同的軌道，因 為為 這這 樣的排布方式總能量最低，這就是洪特規(guī)則樣的排布方式總能量最低，這就是洪特規(guī)則(Hunds rule）。）。2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表103 例如，基態(tài)碳原子的電子排布為例如，基態(tài)碳原子的電子排布為 1s2s22p2 ,若以方若以方框表示一個(gè)原子軌道，則碳原子的核外電子排布的軌框表示一個(gè)原子軌道，則碳原子的核外電子排布的軌道式應(yīng)表示為道式應(yīng)表示為 而不應(yīng)表示為而不應(yīng)表示為 或?；?。 1s2s2p6C6C6C2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表104 簡(jiǎn)并軌道全充滿(mǎn)（如簡(jiǎn)并軌道全充滿(mǎn)（如 p6、d10、f14），），半充滿(mǎn)（如半充滿(mǎn)（如p3、d5 、f7）或全空（如或全空（如p0 、d0 、f0）的這些狀態(tài)都是能量的這些狀態(tài)都是能量較低的穩(wěn)定狀態(tài)。較低的穩(wěn)定狀態(tài)。2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表105 電子排布式的書(shū)寫(xiě)電子排布式的書(shū)寫(xiě) 電子排布式又稱(chēng)為電子組態(tài)，通常僅表現(xiàn)電子層結(jié)電子排布式又稱(chēng)為電子組態(tài)，通常僅表現(xiàn)電子層結(jié)構(gòu)而不表示填充順序，故填充電子時(shí)先填充構(gòu)而不表示填充順序，故填充電子時(shí)先填充4s后填充后填充3d，書(shū)寫(xiě)時(shí)卻仍然先寫(xiě)書(shū)寫(xiě)時(shí)卻仍然先寫(xiě)3d 后寫(xiě)后寫(xiě) 4s。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，內(nèi)層已填充為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，內(nèi)層已填充滿(mǎn)至稀有氣體元素電子層結(jié)構(gòu)的部分用稀有氣體元素符滿(mǎn)至稀有氣體元素電子層結(jié)構(gòu)的部分用稀有氣體元素符號(hào)加方括號(hào)表示，稱(chēng)為原子實(shí)號(hào)加方括號(hào)表示，稱(chēng)為原子實(shí)(atomic kernel)。 電子組態(tài)：電子組態(tài)：electronic confiquration2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表106 【例例】（1）26Fe的電子排布式的電子排布式 1s22s22p63s23p63d64s2可寫(xiě)成可寫(xiě)成 Ar3d64s2 （2）47Ag的電子排布式的電子排布式 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1可寫(xiě)成可寫(xiě)成 Kr 4d105s12022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表107 （3） Fe2+: 1s22s22p63s23p63d64s0 Ar 3d 64s0 Fe3+: 1s22s22p63s23p63d54s0 Ar 3d 54s02022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表108 （4） 24Cr基態(tài)原子的電子排布式基態(tài)原子的電子排布式: 1s22s22p63s23p63d54s1或或 Ar 3d54s1 （5） 22Ti號(hào)元素鈦的基態(tài)電子排布式為：號(hào)元素鈦的基態(tài)電子排布式為： 1s22s22p63s23p63d24s2或或 Ar 3d24s2第四節(jié)第四節(jié) 元素周期表元素周期表2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表110 隨著核電荷數(shù)的遞增，原子的電子組態(tài)出現(xiàn)了周期隨著核電荷數(shù)的遞增，原子的電子組態(tài)出現(xiàn)了周期性的變化，而元素的性質(zhì)隨之呈現(xiàn)的周期性變化規(guī)律稱(chēng)性的變化，而元素的性質(zhì)隨之呈現(xiàn)的周期性變化規(guī)律稱(chēng)為元素周期律，其表現(xiàn)形式通常匯總為元素周期表為元素周期律，其表現(xiàn)形式通常匯總為元素周期表(periodic table of the element)。 元素周期表有元素周期表有7行，即行，即7個(gè)周期。個(gè)周期。 周期數(shù)周期數(shù)=能級(jí)組數(shù)能級(jí)組數(shù)=最外電子層數(shù)最外電子層數(shù)n一、周期與能級(jí)組一、周期與能級(jí)組2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表111 族：原子的外層電子排布（電子組態(tài)）相同或相似族：原子的外層電子排布（電子組態(tài)）相同或相似的元素排成一個(gè)縱列，稱(chēng)為族。的元素排成一個(gè)縱列，稱(chēng)為族。 元素周期表有元素周期表有18個(gè)縱列，個(gè)縱列，7個(gè)縱列為主族，個(gè)縱列為主族，7個(gè)縱列個(gè)縱列為副族，為副族，3個(gè)縱列為族，個(gè)縱列為族，1個(gè)縱列為零族。個(gè)縱列為零族。 二、族與原子的電子組態(tài)二、族與原子的電子組態(tài)2022年年6月月27日星期一日星期一第九章第九章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期表原子結(jié)構(gòu)與元素周期表112 1. 主族主族 凡內(nèi)層軌道全充滿(mǎn)，最后凡內(nèi)層軌道全充滿(mǎn)，最后1個(gè)電子填入個(gè)電子填入ns或或np亞層亞層上的，都是主族元素。上的，都是主族元素。 族數(shù)族數(shù)= ns、np電子數(shù)目之和電子數(shù)目之和 周期表中共有周期表中共有7個(gè)主族，個(gè)主族，AA。 2022年年6月月27日星