《工程化学》物质结构基础

1、第四章物质结构基础物质结构问题，包括：原子结构分子结构化学键晶体结构 近代结构理论认为，核外电子的运动具有三大特征：1. 量子化特征；2. 波粒二象性；3. 统计性。第一节 原子结构与周期系一、核外电子运动的特殊性1. 量子化特征实验依据：线状光谱氢原子光谱其中n（量子数）为正整数，且 n1 n2 。 根据N.Bohr理论，（氢原子）核外电子的运动轨道：定态轨道半径 定态轨道电子能量r = n2ao （ao=52.9pm） 可见，核外电子的能量是不连续的能级。核量子轨道电子能级 当电子在两个轨道间跃迁时，电子吸收或释放的能量对应的电磁波（谱线）便也是不连续的。于是便产生了线状光谱。氢原子能级和

2、氢光谱产生的示意图巴尔麦系莱曼系巴新系德布罗依提出：微观粒子都具有波粒二象性。这种波称为德布罗依波或物质波。光的波粒二象性：波动性：干涉、衍射现象；粒子性：原子光谱、光电效应光照射到金属表面时，金属有电子逸出。 2. 波粒二象性 1927年的电子衍射实验电子衍射环纹是有限数目电子大量次行为无限数目电子少量次行为统计的结果所以，电子波（物质波）是统计波。 1927 年，海森堡指出，对于具有波粒二象性的微观粒子，不可能同时准确测定它们在某瞬间的位置和速度（或动量）。3. 测不准原理式中： x 表示位置测不准量， P 表示动量测不准量，h 为普朗克常数 （6.626 1034Js）， 为圆周率，m

3、为质量，v 表示速度的测不准量。 薛定谔方程二、原子轨道和电子云：波函数E：系统的总能量V：系统的势能m：电子的质量h：普朗克常数x，y，z：空间直角坐标将直角坐标( x，y，z )转换成球坐标OxyzP(r, )Pr 波函数是描述原子核外电子运动状态的数学表达式，称为原子轨道。 解方程时引入三个量子数：n、l、 m。 只有它们经过合理组合, nlm才有合理解。当n=1，l=0，m=0 解薛定锷方程，可得1. 波函数与原子轨道注意：这里原子轨道不同于宏观物体的运动轨道，也不同于玻尔所说的固定轨道。2. 概率密度与电子云氢原子 1s 电子云示意图 量子力学证明，可以用 |2 表示电子在核外某处出

4、现的概率密度。概率密度：电子在核外某处单位体积内出 现的概率。电子云：是电子在核外出现概率密度大小的形象化描述。黑点密集的区域电子出现的机会多，|2 的值大，即概率密度大；反之概率密度小。s 电子云的界面图(电子出现概率达到95的等密度面)1s 电子云| |2 r 图3. 四个量子数 核外电子运动的状态可以用四个量子数来描述。主量子数 n角量子数 l磁量子数 m自旋量子数 ms n, l和m三个量子数确定电子在空间运动的轨道，称为原子轨道。自旋量子数 ms规定电子自旋运动状态。(1) 主量子数n 物理意义：表示核外电子离核的远近和原子轨道能量的高低或电子所在的电子层数。 取值范围：n = 1,

5、 2, 3, , 正整数 n值越小，电子离核越近，能量越低。 n值越大，电子离核越远，能量越高。核外电子能量的高低主要决定于主量子数。主量子数n123456电子层一二三四五六符号KLMNOP主量子数与电子层的对应关系氢原子核外电子能量值决定于主量子数。(2) 角量子数 l物理意义: -决定原子轨道或电子云的形状； -决定同一电子层中亚层的数目； -多电子原子中，核外电子的能量除了取 决于主量子数 n，还与角量子数 l 相关； -主量子数 n相同，角量子数 l 越大亚层 能量越高。取值范围： l = 0, 1, 2, 3, , n1取值数目 = n值 角量子数 0123亚层符号spdf轨道形状球

6、形哑铃形花瓣形角量子数与电子亚层、轨道形状的对应关系主量子数与角量子数的关系n1234电子层KLMNl00 10 1 20 1 2 3亚层1s2s 2p3s 3p 3d4s 4p 4d 4f(3) 磁量子数m 同一亚层(n, l 相同)，原子轨道能量相同， 称为等价轨道或简并轨道。 取值范围： m = 0, 1,2, l 物理意义：表示原子轨道或电子云在空间的 伸展方向。磁量子数与能量无关。 取值数目 = 2l + 1p、d、f 分别有3、5、7个等价轨道。 n = 2 l = 1: E2px= E2py= E2pzl, m 取值与轨道名称的关系5012230111s00亚层轨道数轨道名称ml

7、2p态：n =2 , l =1 , m = +1,0, 1 3d态：n=3, l=2, m=0,1, 2(4)自旋量子数 ms 物理意义：决定电子在空间的自旋方向。 取值： 用向上和向下的箭头 ( 和 ) 来表示。Stern-Gerlach 实验nl轨道m轨道数101s01202s0112p+1,0, 13303s0113p+1,0, 1323d+2,+1,0, 1, 25404s0114p+1,0, 1324d+2,+1,0, 1, 2534f+3,+2,+1,0, 1, 2, 37 量子数与原子轨道 16941 n、l、m 和 ms 决定核外电子运动状态。其中 ms 确定电子的自旋方向。只

8、有四个量子数的合理组合才能表示某一种运动状态下的一个电子。 n、l、m 决定一个原子轨道。或用带有三个量子数下标的波函数 nlm 表示一个原子轨道。小结 n、l 决定一个能级。(1) 填充合理的量子数： n= _, l=2, m=0, ms=1/2; n=2, l=_, m=+1, ms= 1/2; n=4, l=2, m=_, ms=+1/2; n=2 , l=0, m=0, ms=_。 3的正整数10, 1,21/2(2) 3d 能级对应的主量子数 n = , 角量子数 l = , 最大的磁量子数 m = 。322填空(4) n = 3, l = 1, m = 1不合理 ( l = 0,

9、m = 0; l = 1, m =1 )判断下列量子数是否合理？(1) n = 2, l = 1, m = 0(6) n = 2, l = 3, m = 2(2) n = 2, l = 2, m = 1(3) n = 3, l = 0, m = 0(5) n = 2, l = 0, m = 1合理不合理 ( l = 1 )合理合理不合理 ( m = 0或l = 1 )原子轨道的角度分布图：以Y(,)对、 做图。4. 原子轨道和电子云的图像原子轨道的径向分布图：以R(r)对r做图。电子云的角度分布图：以Y 2(,)对、 做图。电子云径向分布图：以R2(r) 对r做图。nlm (r,) = Rnl

10、 (r) Ylm (,) 1s原子轨道角度分布图为一球面。1s 轨道角度部分：+30602pz原子轨道的角度分布图0306090120180cos10.8660.500.51YpzR0.866R0.5R00.5RR2pz 轨道角度部分：s、p、d 原子轨道的角度分布图。原子轨道的角度分布图(立体图)s、p、d电子云的角度分布图2) 电子云的角度分布图原子轨道和电子云的角度分布图a. 原子轨道b. 电子云 从外形上看，电子云的角度分布图比原子轨道的角度分布图要“瘦”些； 电子云的角度分布图与原子轨道的角度分布图相似，主要有两点区别： 原子轨道角度分布图有正负之分，而电子云的角度分布图全为正。 无论是原子轨道的角度分布图还是电子云的角度分布图，都不是电子运动的轨迹，而是两种函