成套高中化学化学竞赛辅导无机化学教案08原子结构.docx
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成套高中化学化学竞赛辅导无机化学教案08原子结构
8--原子结构
[教学要求]
1.了解氢原子光谱、Bohr原子结构理论、电子的波粒二象性、量子化和能级等概念。
2.了解原子轨道、概率密度、概率、电子云等概念。
熟悉四个量子数的名称、符号、取值和意义。
熟悉s、p、d原子轨道与电子云的形状和空间伸展方向。
3.掌握多电子原子轨道近似能级图和核外电子排布的规律。
能熟练写出常见元素原子的核外电子排布;并能确定他们在周期表中的位置。
4.掌握周期表中元素的分区、结构特征、熟悉原子半径、电离能、电子亲和能和电负性的变化规律。
[教学重点]
1.量子力学对核外电子运动状态的描述。
2.基态原子电子组态的构造原理。
3.元素的位置、结构、性质之间的关系。
[教学难点]
1.核外电子的运动状态。
2.元素原子的价电子构型。
[主要内容]
1.核外电子运动的特殊性:
核外电子运动的量子化特征。
核外电子运动的波粒二象性。
2.核外电子运动状态的描述:
波函数、电子云及其图象表示(径向与角度分布图)。
波函数、原子轨道和电子云的区别与联系。
四个量子数(主量子数n,角量子数l,磁量子数m,自旋量子数ms)。
3.核外电子排布和元素周期表;多电子原子的能级(屏蔽效应,钻穿效应,近似能级图)。
核外电子排布原理和电子排布(能量最低原理,保里原理,洪特规则)。
原子结构与元素周期性的关系(元素性质呈周期性的原因,电子层结构和周期的划分,电子层结构和族的划分,电子层结构和元素的分区)。
4.元素某些性质的周期性,原子半径,电离势,电子亲和势,电负性
[教学内容]
§8.1原子结构的Bohr理论
8.1.1历史的回顾
Dalton原子学说(1803年)------Thomson“西瓜式”模型(1904年)------Rutherford核式模型(1911年)-------Bohr电子分层排布模型(1913年)
量子力学模型(1926年)
8.1.2氢原子光谱
1.光和电磁辐射
2.氢原子光谱
氢原子光谱特征:
1、不连续光谱,即线状光谱
2、其频率具有一定的规律
氢原子光谱由五组线系组成:
n1=1时,即紫外区的莱曼(Lyman)系;
n1=2时可见区的巴尔麦(Balmer)系;
n1=3、4、5时依次为红外区的帕邢(Paschen)系、布莱克特(Brackett)系和芬得(Pfund)系.
任何一条谱线的波数(wavenumber)都满足里德堡关系式:
式中v为波数,RH为里德堡常量,n2>n1
8.1.3Bohr原子结构理论
Plank量子论(1900年):
微观领域能量不连续。
Einstein光子论(1903年):
光子能量与光的频率成正比
E=hν
E—光子的能量,ν—光的频率,h—Planck常量
Bohr理论(三点假设):
①核外电子只能在有确定半径和能量的轨道上运动,且不辐射能量;
②通常,电子处在离核最近的轨道上,能量最低——基态;原子获得能量后,电子被激发到高能量轨道上,原子处于激发态;
③从激发态回到基态释放光能,光的频率取决于轨道间的能量差。
E:
轨道的能量;ν:
光的频率;h:
Planck常数6.626x10-34J.S
波尔理论的成功之处:
a)解释了H及He+、Li2+、B3+的原子光谱
b)说明了原子的稳定性
c)对其他发光现象(如X光的形成)也能解释
d)计算氢原子的电离能
波尔理论的不足之处:
a)不能解释氢原子光谱的精细结构
b)不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂
c)不能解释多电子原子的光谱
§8.2微观粒子运动的基本特征
8.2.1微观粒子的波粒二象性
人们当年研究光时,只考虑到光的波动性,到了麦克斯韦,波动性已经发展到顶峰.而Planck提出的光电效应,指出光具有粒子性,也为人们所忽略.通过光的干涉,衍射及其光电效应实验,证明光具有波粒二象性。
在光的波粒二象性的启发下,于1924年法国博士德布罗意提出一种假想.大胆假定光的波粒二象性不仅表示光的特性,而且表示所有像电子,质子,中子,原子等实物微粒的特性。
LouisdeBroglie认为:
质量为m,运动速度为v的粒子,动量为p,相应的波长为:
λ=h/p=h/mv
这就是著名的deBroglie关系式,反映粒子性的p、m、v和反映波动性的λ通过Planck常数h定量的联系在一起。
8.2.2不确定原理与微观粒子运动的统计规律
牛顿力学中的经典描述:
已知有一质点,质量为m,则有:
F=ma(a为加速度)根据速度方程:
可以准确测定质点的速度(动量)和位置.对于宏观物体而言,这一结论无疑是绝对正确的.而对于微观粒子是怎样的呢?
对于微观粒子,由于其具有特殊的运动性质(波粒二象性),不能同时准确测定其位置和动量。
1927年,海森堡(Heisthberg)提出测不准原理.其数学表达式为:
Δx·Δp≥h/(4π)
Δx—微观粒子位置的测量偏差
Δp—微观粒子的动量偏差
即不可能同时测得电子的精确位置和精确动量,微观粒子的运动不遵循经典力学的规律。
重要暗示:
不可能存在Rutherford和Bohr模型中行星绕太阳那样的电子轨道
某电子的位置虽然测不准,但可以知道它在某空间附近出现的机会的多少,即几率的大小可以确定.因而可以用统计的方法和观点,考察其运动行为.
§8.3氢原子结构的量子力学描述
8.3.1Schrodinger方程与波函数
根据微观粒波粒二象性的概念,联系驻波的波动方程并应用德布罗依关系式,提出了描述微观粒子运动规律的波动方程--Schrodinger方程,从而建立了近代量子力学理论.
波函数的物理意义
对一个质量为m,在势能为V的势场中运动的电子来说,有一个有这个电子稳定态相联系的波函数ψ,方程合理的解ψ表示电子运动的某一稳定状态,与ψ相对应的E表示电子这一稳定状态下具有的能量.
1.坐标变换
球坐标(r,θ,φ)与直角坐标系的关系
r:
径向坐标,决定了球面的大小
θ:
角坐标,由z轴沿球面延伸至r的弧线所表示的角度.
φ:
角坐标,由r沿球面平行xy面延伸至xz面的弧线所表示的角度.
2.解常微分方程引入三个量子数
求解球极坐标下的薛定谔方程,可得ψ(r,θ,φ)与相应的E,但这些解不一定都是合理的解,应加以一定的条件限制,在量子力学中引入三个量子数n,l,
m来限制它们,则ψ表示为ψn,l,m(r,θ,φ)。
经过坐标变换后将SchrÖdinger方程变量分离:
对应一组合理的n,l,m取值只有一个确定的波函数,每一个波函数表示核外电子的一种运动状态,在量子力学中借用经典力学ψn,l,m(r,θ,φ)的轨道概念,把波函数ψn,l,m(r,θ,φ)称为原子轨道.
8.3.2量子数
1.主量子数n
意义:
表示原子的大小,核外电子出现的最大几率区域离核的远近,有“层”的含义,和角量子数l一起决定电子能量的高低.
不同的n值,对应于不同的电子壳层
n的取值1 2 3 4 5……..(能层)
能层符号KLMNO……..
对于单电子体系,n决定了电子的能量.n的数值大,电子距离原子核远,则具有较高的能量.
同时,n大,决定r比较大,即原子比较大.
2.角量子数l
意义:
决定了原子轨道的形状.表示同一电子层中有不同状态的电子亚层.
取值:
受主量子数n的限制,
l的取值0,1,2,3……n-1(亚层或能级)
能级符号s,p,d,f…...
原子轨道的形状取决于l,例如:
n=4,
l=0:
表示轨道为第四层的4s轨道,形状为球形
l=1:
表示轨道为第四层的4p轨道,形状为哑铃形
l=2:
表示轨道为第四层的4d轨道,形状为花瓣形
l=3:
表示轨道为第四层的4f轨道,形状复杂
单电子原子,电子能量只与主量子数n有关
Ens=Enp=End=Enf
在多电子原子中,电子的能量由n和l共同决定。
多电子原子,当n相同时,l越大,轨道能量越高.
Ens<Enp<End<End
3.磁量子数m
决定原子轨道的空间取向,每一个空间取向就相当于一个原子轨道.其取值受角量子数l的限制.
m可取0,±1,±2……±l 共(2l+1)个取值,表示有(2l+1)个原子轨道.
原子轨道的能量与m无关,m值相同的轨道能量相等互为等价轨道
4.自旋量子数ms
描述电子绕自轴旋转的状态
自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为
ms取值+1/2和-1/2,分别用↑和↓表示
小结:
8.3.3概率密度与电子云
概率密度是空间某单位体积内料子出现的概率.
Ψ2的物理意义是表达微粒在空间某点单位体积内出现的概率,即概率
密度..因为根据玻恩统计解释,微粒波的强度与波函数(Ψ2)成正比.
电子云是电子在原子核外空间概率密度(Ψ2)分布的形象描述。
电子云
图象中的每一个小黑点表示电子出现在核外空间的一次概率(不表示一个电子),概率密度越大,电子云图象中的小黑点越密。
氢原子的各种状态的径向分布图如下
8.3.4原子轨道与电子云的空间图像
原子轨道和电子云的角度分布图:
波函数与电子云对比表
§8.4多电子原子结构
8.4.1多电子原子轨道能级
n值相同时,轨道能级则由l值决定,例:
E(4s) E(4f).这种现象叫能级分裂. l值相同时,轨道能级只由n值决定,例: E(1s) n和l都不同时出现更为复杂的情况,主量子数小的能级可能高于主量子数 大的能级,即所谓的能级交错.能级交错现象出现于第四能级组开始的各能级组中,例如第六能级组的E(6s)<E(4f)<E(5d). 1.Pauling近似能级图 2.Cotton原子轨道能级图 从图中可以看出: n相同的氢原子轨道的简并性。 原子轨道的能量随原子序数的增大而降低。 随着原子序数的增大,原子轨道产生能级交错现象。 3.屏蔽效应 什么叫屏蔽作用? 对一个指定的电子而言,它会受到来自内层电子和同层其它电子负电荷的排斥力,这种球壳状负电荷像一个屏蔽罩,部分阻隔了核对该电子的吸引力. σ为屏蔽常数,可用Slater经验规则算得。 Z-σ=Z*,Z*——有效核电荷数 说明: 不同电子所受的屏蔽作用不同.其大小与角量子数l有关: l大的电子,受屏蔽大,能量高; l小的电子,受屏蔽小,能量升高的幅度小. 对于运动状态不同的电子,或n相同,l不同的原子轨道,有: Ens<Enp <End<Enf 4.钻穿效应 电子进入原子内部空间,受到核的较强的吸引作用(使自身能量下降)可以从径向分布函数图加以解释: n相同时,l愈小的电子,钻穿效应愈明显: ns>np>nd>nf,Ens<Enp<End<Enf。 8.4.2核外电子的排布 1.基态原子的核外电子排布原则 (1)能量最低原理: 电子在原子轨道中的排布,要尽可能使整个原子系统能量最低。 (2)Pauli不相容原理: 每个原子轨道中最多容纳两个自旋
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- 成套 高中化学 化学 竞赛 辅导 无机化学 教案 08 原子结构