宋天佑版无机化学 第6章 原子结构和元素周期律

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第6章 原子结构和元素周期律§6-1 近代原子结构理论的确立 §6-2 微观粒子运动的特殊性 §6-3 核外电子的运动状态的描述

§6-4 核外电子的排布§6-5 元素周期表 §6-6 元素基本性质的周期性

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§6-1 近代原子结构理论的确立一、氢原子光谱二、玻尔理论微观粒子的波粒二 象性 三、波函数和原子轨道 四、几率密度和电子云

五、波函数与电子云的分布图

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一、氢原子光谱

原子

原子核(正电)核反应中发生变化 核外电子(负电)化学反应中发生变化

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1.连续光谱与不连续光谱连续:某些物理量的变化没有最小单位.t,l,v等不连续:某些物理量的变化有最小单位.电量q

不连续是微观世界的重要特征，是量子化条件。

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单原子(离子)气体做光源

不连续光谱(原子光谱或线状光谱)

每种元素的原子都有自己的特征光谱，不同元 素的原子光谱各不相同----光谱分析。

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2.氢原子光谱Hα Hβ H γH δ

700

600 1 1 R( 2 2 ) 2 n

500

400

λ/nm

( n 3 ,4 ,5 ,6 )

—巴尔麦公式

4条谱线频率分别为： 656.5nm,486.1nm,434.0nm,410.2nm

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所有区域(红外、紫外、可见)氢原子光谱： R(1 n2 1

1 n2 2

) 3 . 289 10

15

(

1 n2 1

1 n2 2

)

n 2 n 1 , n 1、 2 均为正整数 , R 为里得堡常数 n

谱线频率的特征:

氢原子光谱的谱线频率不是任意变化的，而是 随着两个正整数的改变而做跳跃式的变化，即氢 原子光谱为不连续光谱。

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3.玻尔理论⑴稳定轨道：核外电子是在一些符合一定条件的 轨道上运动。这些轨道具有固定的能量，称稳定 轨道。在此轨道上运动的电子不放出能量，也不 吸收能量。

⑵轨道能级：不同的稳定轨道能量不同，电子离 核越远，能量越高。离核最近的轨道能量最低， 称基态；电子获得能量跃迁到离核较远、能量较 高的状态为激发态。

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氢原子核外电子的能量与其所处轨道的关系： En=-13.6/n2(eV)(n为正整数)

电子运动的轨道半径r=52.9×10-12n2(m)n=1,E1= -13.6 eV,r1=12×52.9 pm(玻尔半径) 随n的增加，电子离核越来越远，能量越来越 高，当n→∞,意味着电子完全脱离原子核的电 场引力，E=0(最大) n=1,电离能=13.6×1.6×10-22×6.02×1023

=1311.6kJ· -1 mol

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⑶激发态原子发光的原因 处于激发态的电子极不稳定，它会迅速 回到能量较低的轨道，并以光子的形式释放 出能量。所以激发态原子能发光。

可见光紫外

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波尔理论与里德堡经验公式：氢原子 E E 2 E1 h ( 13 . 6 n2 2

13 . 6 n2 1

) 1 . 6 10 19

19

6 . 626 10 1 n2 2

34

13 . 6 1 . 6 10 6 . 626 1015

34

(

1 n 1 n2 2 2 1

)

)

3 . 289 10

(

1 n2 1

理论

推导与实验结果完全相同。即波尔理论能较好 地解释氢原子光谱产生的原因和规律性。

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波尔理论与巴尔麦经验公式： 3 2 3 . 289 10 4 . 57 10 c 15

(

1 22 1

)

1 32

)

14 8

(s

3 10

4 . 57 10 656 . 5 nm

14

6 . 565 10

7

( cm )

Hα:λ=656.3nm 只能解释单电子原子或离子光谱的一般现象， 不能解释谱线的分裂和多电子原子光谱，更不能 用它进一步研究化学键的形成等。

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§6-2 微观粒子运动的特殊性1.光的波粒二象性衍射和干涉-波动性E h mc h c mc2 2

光电效应-粒子性2.电子的波粒二象性

p mc

h

1924年德布罗意预言：一些实物粒子 (如电 子、中子、质子等)也具有波粒二象性，其波长 为 = h/m

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电子衍射实验

电子衍射实验证明了电子具有粒子性和波动 性。波粒二象性是微观粒子的基本属性之一。

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宏观物体是否具有波粒二象性？如：1克运动速度为300米/秒的子弹 = h/m =6.626×10-34/(10-3 ×300)表现波动性时 波长约为 2.21 × 10-33m。

3. 测不准原理 德国物理学家海森保提出微观 粒子的位臵与动量之间存在着测不准关系，即 x· h/2π, x· p υ h/2πm (h为普朗克 常数：6.626 10 -34 , x和 p 分别为位臵 和动量不确定量)。根据测不准原理，粒子位臵 的测量准确度越大( x越小),其动量的准确 度就会愈小( p越大),反之亦然。

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对于宏观物体 m=10克的物体， x = 0.1mm(已相当准确), 10 -28 m.s-1,远远小于可测量的限度范围，表明测不准原理对于 宏观物体实际上不起作用。

对于电子m=9.11×10-31Kg,其大小数量级为10-10 m,则其位臵的合理 准确度至少要达到 x≥10-11 m,根据测不准原理，电子速 度的不准确度为 108 m.s-1,这已与电子的本身速度相 当。

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确定电子位臵的同时，其速度就测 不准，要同时测准其位臵和速度是不 可能的

表明电子运动的固定轨道已不复存在。否定了玻尔理论中核外电子运动有 固定轨道的观点。

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§6-3 核外电子运动状态的描述1.薛定谔方程-微观粒子运动所遵循的基本方程2 8 m (E V) 0 2 2 2 2 x y z h2 2 2

ψ(波塞)-波函数：不是具体的数，而是描 述微观粒子运动状态的数学表达式。是空间坐标x、 y、z的函数。ψ(x、y、z)。 m:粒子的质量;E:体系的总能量；V:势能 m、E、V-体现微粒性；ψ-体现波动性

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解方程就是要解出微观粒子(如电子)每一种

可能的运动状态所对应的波函数ψ和能量E,方程的每一个合理的解ψ就代表体系中电子的一种可 能的运动状态。 为解方程

,将直角坐标ψ(x、y、z)转化为球 坐标ψ(r、θ、φ)

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