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第 1 章 原子结构和元素周期性

第 1 章 原子结构和元素周期性. 元素周期表. 一 . 原子结构 Atomic Structure. 历史发展 实验基础 基本结构. Particle Location Charge Mass(amu) Proton Nucleus +1 1.0 Neutron Nucleus 0 1.0 Electron Around nucleus -1 0.00055. 化学： 电子排布与化学性质 之间的关系. 原子光谱. 连续光谱（自然界）. 连续光谱 ( 实验室）.

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第 1 章 原子结构和元素周期性

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Presentation Transcript

  1. 第1章 原子结构和元素周期性 元素周期表

  2. 一. 原子结构 Atomic Structure • 历史发展 • 实验基础 • 基本结构 ParticleLocationChargeMass(amu) Proton Nucleus +1 1.0 Neutron Nucleus 0 1.0 Electron Around nucleus -1 0.00055 化学： 电子排布与化学性质之间的关系

  3. 原子光谱

  4. 连续光谱（自然界）

  5. 连续光谱(实验室）

  6. c =  电磁波连续光谱

  7. 氢原子光谱: 线谱 和Borh量子化模型

  8. 二. 微观粒子的运动规律 1、波粒二象性, 法国Louis de Broglie ( 1924) 粒子的微粒性和波动性的关系 能量 E = h, E =mv2= pc=h 动量 p = h/ 能量和动量： E, p粒 性 频率和波长： ， 波性 De Broglie关系 = h / p=h /mv

  9. 例： 子弹，m = 2.5 × 10-2 kg, v = 300 ms-1; 电子，me = 9.1×10-31 kg, v = 5.9×10-5 ms-1; 波长： 子弹 = h / (mv) = 6.6×10-34 / (2.5 × 10-2 300) = 8.8  10-35 (m)主要为粒性 电子 = h / (mv) = 6.6×10-34 / (9.1 × 10-31 5.9×10-5) = 12  10-10 (m) = 1.2 nm波粒二象性

  10. 波函数（）和 Schrődinger方程 1926年，奥地利 Schrődinger   Schrődinger 方程（对于单电子体系）： 2/x2 + 2/y2 + 2/z2 + 82m/h2(E-V) = 0 其中，波函数，反映了电子的波性；m(质量)，E(动能)，V(势能)，等反映了电子的粒性。

  11. 一. 量子力学用于微观粒子的要点 • 微观粒子的波粒二象性，电子的运动状态用波函数(r,,)描述，可为正，负或零 • 解Schrödinger方程可得到相应的量子数，2表示波函数在空间的几率密度，即电子云的密度 • 能量量子化，非连续性，量子数为正整数（自旋量子数除外）

  12. 二、四个量子数及其物理意义 1、主量子数n, n为1，2，3，4等正整数。n无穷大时，能量为零，基态时, n=1, 能量最低（负值），n越大，能级越高。直观可以认为n为原子外电子排列的层数。E  -1/n2

  13. 2、 角量子数l （轨道角动量）, l为0，1，2，...n-1正整数，共有n个，它表示原子轨道（或波函数）的角度分布，即电子云的形状。例如，当l = 0, 1, 2, 3 时，原子轨道分别用s, p, d, f表示。当n相同时，不同l 的原子轨道称为亚层。l越大，能量越高。例如，主量子数n = 2 时，l可以为 0，1，即原子轨道可以有2s, 2p, 两个亚层，2p 电子的能量高于2s。 s轨道 p轨道 d轨道 l = 0 l = 1 l = 2

  14. 3、磁量子数ml ,轨道角动量在磁场方向的分量，表示原子轨道在空间的取向，数值可以是0，1，2，....l，对于某个运动状态，可以有2l+1个磁量子数。例如l＝1，ml可以为 0，1三个不同的取向，用px, py, pz表示。 l＝2, ml可以为 0，1 , 2, 五个不同的取向，用dxy, dyz, dxz, dx2-y2, dz2表示

  15. 4、自旋磁量子数ms，自旋角动量在磁场方向的分量，电子自旋有顺时针和逆时针两个方向，因此，自旋磁量子数为1/2。4、自旋磁量子数ms，自旋角动量在磁场方向的分量，电子自旋有顺时针和逆时针两个方向，因此，自旋磁量子数为1/2。

  16. s轨道的轮廓图(l=0， ms=0,) p轨道的轮廓图(l=1， ml=0, 1) 电子云密度为0的平面是节面

  17. d轨道的轮廓图 ( l=2， ml=0, 1, 2 )

  18. H原子轨道的径向分布

  19. E=0 多电子原子的原子轨道能级图 E= -13.595 eV (H原子 ）

  20. 多电子原子的能级图

  21. 三、基态原子的电子排布 （1）电子排布的三条基本原理 保里（Pauli）不相容原理，在一个原子中，不可能4个量子数完全相同。或者说一个原子轨道上最多只能排列两个电子，必须自旋相反。 （2）能量最低原理，能量高低由主量子数n和角量子数l 决定。n相同时，l 越大，能量越高， l 相同时，n越大，能量越高，例如，能量顺序1s <2s<3s<4s......, 3s<3p<3d。 （3）洪特（Hund）规则。在能量相等的轨道上，电子尽量自旋平行（高自旋） 能级顺序

  22. 核外电子填充顺序

  23. 核外电子的排布顺序： 1s2 <2s2 <2p6< 3s2< 3p6< 4s2< 3d10< 4p6< 5s2< 4d10< 5p6< 6s2< 4f14< 5d10< 6p6< 7s2< 5f14< 6d10< 7p6…

  24. 1s2 <2s2 <2p6< 3s2< 3p6< 4s2< 3d10< 4p6< 5s2< 4d10< 5p6< 6s2< 4f14< 5d10< 6p6< 7s2< 5f14< 6d10< 7p6… 练习：写出下列原子的核外电子排布 Ca (20) Zn (30) Ti (22) Fe (26) Br (35) Kr (36)

  25. 四、元素周期表 （1）7个周期，18族（旧的分法：I－VIIIA，I－VIIIB族，或主副族） 周期数为n, 即最大的主量子数

  26. （2）按价电子组态分为5个区 s 区(n-1)s2(n-1)p6ns1-2 1，2族，即碱金属，碱土金属（主族） d 区(n-1)s2(n-1)p6(n-1)d1-9ns1-23－10族，过渡金属（副族） （ds 区(n-1)s2(n-1)p6(n-1)d10ns1-2 11，12族，铜锌分组） p 区(n-1)s2(n-1)p6ns2np1-6 13－18族（主族） f 区(n-2)f1-14(n-1)s2(n-1)p6(n-1)d0-2ns2镧系，锕系元素

  27. 元素周期表中的区域划分

  28. 五、元素周期性 （1）电离能，定义，气态原子失去一个电子变为气态离子所需的能量（I1） 规律：同一周期，碱金属电离能最小，例如Cs，光电阴极材料，稀有气体最大 同一主族，n越大，电离能越小 （2）亲和能 气态原子得到一个电子放出的能量，卤素最大，稀有气体，碱土及碱金属为0，不能准确测定 （3）电负性，，原子对成键电子吸引力的大小，综合亲和能及电负性，Pauling or mulliken 电负性值，卤素最大（F）

  29. 周期表中部分元素的电负性

  30. 金属，电负性小，大约<2， 非金属，电负性大，大约>2 判断化合物的键型，＝A-B 大，离子键 小，共价键 =0, 非极性共价键 离子性%=1-exp[-1/4(A-B)2] HF 19% ; HCl 11%, HBr 4%, ZnS 18%; NaCl 67%; CsF 93%

  31. 元素周期表中的原子半径变化规律

  32. 主族原子的半径比较

  33. 元素周期表中第一电离能的变化

  34. 六、化合物性质的周期性 （1）氧化态和化学性质 s区，p区 最高氧化态数＝1，2，3，4，5，6，7 d区 最高氧化态数=族数（8族前） f区 +3价为主 s区 K (Ar)4s1ds区 Cu (Ar)3d104s1 Rb(Kr)5s1 Ag (Kr) 4d105s1 Cs (Xe)6s1 Au (Xe) 5d106s1

  35. （2）化合物键型的分布 s区和p区，典型活泼金属和非金属，离子键 NaCl 有共价键成分 ZnS GaP p区和p区 共价键，小分子CCl4 SO2 Cl2 无机大分子：SiO2，B2O3（属原子晶格） d区和d区, Fe Cu金属晶格 离子键 共价键 金属键

  36. 七、原子光谱和光电子能谱 原子光谱：包括原子吸收，原子发射，X光荧光光谱，内层电子跃迁的能量决定，和化学环境无关。 元素的指纹鉴定。 例如：H原子的电子从n=3 跃迁到n=2的能量为： =656.5nm ( H的 Balmer系的谱线）

  37. H原子光谱 Na原子光谱 chap.7, p15

  38. 光电子能谱：UPS, XPS, 被激发的电子动能（即结合能）决定，和化学环境、原子的氧化态有关。化合物中原子的周围环境及元素分析。 Eu2+, Eu3+氧化态不同，Al和Al2O3，固体中的Fe (II)和Fe(III) CH3-CH2-OH H周围的化学环境不同，结合能不同。 表面和体相的结合能不同。

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