无机及分析化学课件 第5章

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1、无机及分析化学山东理工大学化工学院陈克勋Tel：13616431587E-mail:kxch@sdut.edu.cnkexunchen@ustc.edu第5章原子结构与元素周期律5.1核外电子的运动状态5.2原子核外电子的排布和元素周期系5.3元素某些性质与原子结构的关系5.1核外电子的运动状态5.1.1氢原子光谱和Bohr理论1.氢原子光谱将一只装有氢气的放电管，通过高压电流，氢原子被激发后的光通过分光镜，在屏幕上可见光区内得到不连续的红、青、蓝、紫、紫五条明显的特征谱线。这种谱线是线状的，所以称为线状光谱，它又是不连续的，所以也称不连续光谱。线状光谱是原子受激后从原子内部辐射出来

2、的，因而又称为原子光谱。HδHγHβHα410.2434.0486.1656.3不连续光谱,即线状光谱其频率具有一定的规律n=3,4,5,6经验公式：氢原子光谱特征：Rydberg经验公式：RH为Rydberg常数，等于1.097×107m-12.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。h为Planck常数，等于6.626×10-34J·sR也称为Rydberg常数，其值为2.

3、179×10-18J这即是氢原子的电离能R的意义为电离能与普朗克常数的比根据量子化条件，可推求出氢原子核外电子运动轨道的能量公式：或从而所以式中常数项为可见计算结果与光谱实验确定的常数极其吻合。玻尔原子模型的局限性玻尔原子模型冲破了经典物理中能量连续变化的束缚，引入了量子化条件，成功地解释了经典物理无法解释的氢原子结构和氢原子光谱的关系。但将其用于解释多电子原子光谱时却产生了较大的误差。主要因为玻尔原子模型只是人为地加入一些量子化条件，并未完全摆脱经典力学的束缚，不能够完全揭示微观粒子运动的特征和规律。5.1.2核外电子运动的波粒二象性光具有波粒二象性,光的波动性主要表现于光存在干涉

4、,衍射等性质,光的粒子性可以由光电效应等现象来证明。1924年，法国物理学家德布罗意（DeBroglie）预言：假如光具有波粒二象性，那么微观粒子在某些情况下，也能呈现波动性。LouisdeBroglie认为：质量为m，运动速度为υ的粒子，相应的波长为：λ=h/mv=h/p，h=6.626×10-34J·s，Plank常量。1927年,戴维逊(DavissonC.J)和革尔麦(Germer.L.H)用已知能量的电子在晶体上的衍射实验证实了德布罗意的预言。一束电子经过金属箔时，得到了与X射线相象的衍射条纹。后来还相继发现质子、中子等粒子流均能产生衍射现象，具有宏观物体难以表现出来的波动

5、性，而这一点恰恰是经典力学所没有认识到的。5.1.3不确定原理5.1.4核外电子运动状态的近代描述1.波函数和原子轨道1926年，奥地利物理学家薛定谔（SchrÖdinger）根据波粒二象性的概念，提出一个描述微观粒子运动的基本方程------薛定谔方程。德国物理学家海森堡指出：对微观粒子，不能同时准确测出它在某一瞬间的运动速率（或动量）和位置.x·p≈h动量误差位置误差对于氢原子来说,E是体系的总能量,等于势能和动能之和;V是势能;m是电子的质量;h是Planck常数;x，y，z是空间坐标;ψ为波函数，也就是SchrÖdinger方程式的解。原子轨道原子中描述单个电子运动状态的

6、波函数习惯上称为“原子轨道”，这里“轨道”只是波函数的一个代名词，代表原子中电子的一种运动状态，它和玻尔理论中的轨道是完全不同的概念。在描述原子核外电子运动状态及化学键的形成过程中，原子轨道的图形更直观，更有利于说明问题。为了求解Ψ的方便，常将直角坐标系（x,y,z）变换为球极坐标系（r,θ,φ）由此，薛定谔方程变为：Ψ（x，y，z）=R（r）Y（θ，φ）。式中R（r）部分仅是r的函数，称为Ψ的径向部分。Y（θ，φ）部分是θ，角的函数，称为Ψ的角度部分。解一个体系的薛定谔方程，一般可以得到一系列的波函数方程，方程式的每一个合理的解就代表体系中电子的一种可能的运动状态。在求解Ψ的径

7、向部分R（r）时，引入主量子数n。在求解Ψ的角度部分Y（θ，φ）时，引入角量子数l和磁量子数m。2.波函数的径向部分和角度部分222zyxr++=cosrz=qsinsinry=φqcossinrx=φq()()φq,,,,rΨzyxΨ()()φq,YrR=氢原子的基态即n=1，l=0，m=0的条件下，解SchrÖdinger方程得到的波函数为：其中径向部分角度部分xzy是一种球形对称分布xzy3.概率密度和电子云电子在核外空间某处单位微体积内出现的概