无机及分析化学 PPT课件第5章 原子结构与元素周期律.ppt

无机及分析化学 山东理工大学 化工学院 陈克勋 Tel E-mail: kxch@sdut.edu.cn kexunchen@ustc.edu 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的，因而又称为原子光谱。 1926年，奥地利物理学家薛定谔（ Schr?dinger）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。 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。 基态氢原子电子云呈球状，如右图所示。应当注意，对于氢原子来说，只有一个电子，图中黑点的疏密只代表电子在某一瞬间出现的可能性。 峰越高，表明峰值所对应的距离处电子出现的概率越大，反之亦然； 峰数= n - l，如4S：4-0= 4个峰；2P：2-1=1个峰； l相同时，n越大、峰越多、主峰离核越远、能量越高，说明原子轨道基本是分层排布的：1S?2S ? 3S ? 4S n相同时，l越小，峰越多，主峰虽离核越远，但小峰离核越近，即“钻穿效应”强。如4S第一小峰钻到比3d离核更近处（能级交错）。 1．电子层能级相对高低为KLMN…。 2．同一原子同一电子层内，对多电子原子来说，电子间的相互作用造成同层能级的分裂，各亚层能级的相对高低为EnsEnpEndEnf。 3．同一电子亚层内，各原子轨道能级相同。如：Enpx=Enpy=Enpz。 4．同一原子内，不同类型的亚层之间，有能级交错的现象。例如：E4sE3dE4p,E5sE4dE5p,E6sE4fE5dE6P。 5.2.3 原子的电子层结构与元素周期系 5.2 原子核外电子的排布和元素周期系 原子轨道的能量主要与主量子数n有关。对于氢原子来说，其原子轨道能量只与n有关。对于多电子原子来说，原子轨道的能量还与角量子数l和原子序数有关。 1939年，鲍林（L.Pauling）根据原子光谱实验，对周期系中各元素原子轨道能级图进行分析归纳，总结出多电子原子中原子轨道能级图,以表示原子轨道之间的能量的相对高低顺序 1. Pauling的原子轨道近似能级图与徐光宪的n+0.7l 5.2.1 多电子原子的能级 (19) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) 多电子原子的近似能级图有如下特点： 2. Cotton原子轨道能级图 原子序数 能量 1962年，F.A.Cotton提出了原子轨道能量与原子序数的关系图。原子轨道的能量在很大程度上决定于原子序数。当电子按原子序数增大的顺序填入各电子层时，核电荷也依次增大，原子核对电子的吸引增强，因此原子轨道的能量随着原子序数的增大而降低；另一方面，随着原子序数的增大，原子轨道能级降低的幅度不同，各轨道能级之间的相对位置也会随之改变，产生相交现象。 3. 屏蔽效应和钻穿效应 （1）屏蔽效应和轨道能量 在多电子原子中，电子不仅受到原子核的吸引，而且电子和电子之间存在着排斥力，某一电子受其它电子排斥作用的结果，与原子核对电子的吸引作用正好相反，故可认为其它电子屛蔽或减弱了原子核对该电子的吸引作用，则实际作用在该电子上的核电荷 Z*= Z - ?, ? 称为屛蔽常数， Z* 称为有效核电荷，这种因受其它电子排斥，而使指定电子感受到的核电荷（即有效核电荷）减小的作用称为屛蔽效应。 粗略的说：内层电子对外层电子的屏蔽作用较大；同层电子间的屏蔽作用较小；外层电子对内层电子的屏蔽作用可忽略。 从量子力学观点看，电子可以出现在原子内任何地方，因此，外层电子也有可能出现在离核很近处，这种电子渗入原子内部而更靠近核的本领称为钻穿，电子钻到核附近、回避其他电子屏蔽作用、使其能量降低的作用，称为钻穿效应。 （2）钻穿效应 钻穿效应可以解释能级分裂和能