第八章原子结构和元素周期律da.docx

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第八章原子结构和元素周期律

（8学时）

教学重点：

1．核外电子运动的特殊性，波函数和电子云的图形；

2．运用轨道填充顺序图，按照核外电子填充原理，写出常见元素的电子构型；

3．掌握各类元素电子构型的特征；

4．掌握电离能、电子亲和能、电负性等概念以及在周期表中的递变规律。

人类认识原子结构的简单历史

人类的认识总是由浅至深，由表观至本质逐渐深入的。

化学是在分子、原子、离子等层次上研究物质的组成、结构、性能、相互变化及变化过程中能量关系的科学，也就是说是在研究分子分割为原子层次上的运动规律。

人类对分子、原子的认识在近一两百年逐渐由一些经验定律发展成为现代的科学理论模型。

有关原子结构的研究主题体现在：

原子是由什么组成的？

它们是怎样组成原子的？

人类认识原子结构的发展历程可概括如下：

（1）1803年，道尔顿提出了原子的“刚球模型”。

他认为一切物质是由不可再分割的原子组成的。

同种类原子完全相同，不同种类原子不同。

（2）1898年，汤姆逊提出了原子的“浸入模型”。

电子发现后，他提出电子浸于“均匀分布的正电性球体”的原子模型。

（3）1911年，卢瑟福提出了原子的“含核模型”。

α－粒子散射实验发现原子中正电荷不是“均匀分布”的。

他提出“原子中正电荷密集在一个很小的、坚实的、叫做原子核的区域内。

围绕着它作高速运动的电子的数目等于核的正电荷数。

”

（4）1913年，玻尔提出了原子的“行星式原子模型”。

在含核原子模型及普朗克量子论的基础上，引入量子化条件成功解释了氢原子光谱的规律性，提出“核外电子在固定轨道上绕核运动”的原子行星模型。

（5）1926年，薛定谔提出了原子的“原子波动力学模型”。

在核外电子运动波粒二象性的基础上，融合玻尔固定能级思想、海森堡测不准原理、德布罗依电子波动性的创见，提出：

“电子是围绕着原子核的三维波”。

第一节氢原子光谱和玻尔理论

本课程不系统地、定量地介绍量子化学。

原子的化学性质和电子在原子核外怎样运动密切相关，本节重点就电子不同于宏观物体的主要特点：

（1）量子化特性；

（2）波粒二象性的主要实验依据和重要结论作一简单介绍。

一氢原子光谱

连续光谱：

太阳光或白炽灯发出的白光，通过玻璃三棱镜时，所含不同波长的光可折射成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等没有明显分界线的光谱（波长连续变化），这类光谱称为连续光谱。

（见课件4，6页或课本课件4页）

气态原子被火花、电弧或其他方法激发产生的光，经棱镜分光后，得到波长不连续的线状光谱，这种线状光谱称为原子光谱。

氢原子光谱是最简单的原子光谱：

（见课件7页）

装有氢气的氢光谱管通以高压电流，氢气被解离生成氢原子（H2→2H），氢原子受到激发成为激发态氢原子（H→H*）。

激发态氢原子不稳定，向基态跃迁时释放的能量以光的形式辐射出来（H*→H，E＝hγ），H*所发出的光经过分光镜就得到氢原子光谱。

它在可见光区（400----760nm）有四条比较明显的谱线，分别用Hα、Hβ、Hγ、Hδ表示。

此外，在红外区和紫外区也有一系列不连续的光谱。

其在可见区的光谱见图：

λ（nm）

410.2434.1486.1656.3

Hδ（紫）Hγ（蓝）Hβ（绿）Hα（红）

氢原子光谱特征：

（1）不连续的线状光谱。

在红外区、可见区、紫外区都呈现多条具有特征波长的谱线。

Hα、Hβ、Hγ、Hδ等为可见区的主要特征谱线。

（2）从长波到短波（Hα→Hδ），谱线间的距离越来越小，表现出明显的规律性。

可见光区的几条谱线称为巴尔麦系，频率用下面的公式可正确表示出来。

ν＝R∞c（1/22-1/n2）

R∞：

里德堡常数，1.097×107m-1

R∞c：

3.289×1015s-1（c=3×108ms-1）

n>2的正整数，ν的单位是s-1，依据λ＝c/ν可求出谱线的波长。

n=3---Hαn=4---Hβ

n=5---Hγn=6---Hδ

氢原子光谱其它区域谱线的频率公式为：

ν＝R∞c（1/n12-1/n22）

n2>n1，且都是正整数

n1＝1时，为远紫外区的拉曼系。

n1＝2时，为可见光区的巴尔麦系。

n1＝3时，为近红外区的帕邢系。

注意：

某一瞬间一个氢原子（只有一个电子）只能放出一个光子，许多氢原子才能放出不同的谱线。

实验中同时观察到全部谱线，是无数个氢原子受激发至高能级，尔后又回到低能级的结果。

对氢原子光谱这样明显的规律性，几十年来都未能得到满意解释。

直到1913年玻尔提出其原子模型的假设才成功解释了氢原子光谱的成因和规律。

二玻尔理论

1.量子论----不连续性

（1）1900年Planck:

微观领域能量是不连续的即量子化，物质吸收或放出的能量总是一个最小能量单位的整数倍---能量子

（2）1905年Einstein:

以光形式传播的能量，其最小单位叫光量子（光子）。

光子能量：

E=hν。

物质以光的形式吸收或放出的能量只能是光子能量的整数倍。

（3）电量的最小单位是一个电子的电荷量

量子化是微观领域的重要特征。

能量、电量、角动量等表征微观粒子运动状态的某些物理量只能是不连续变化----量子化

2.氢原子模型的假设--玻尔理论

*玻尔在经典物理学理论的基础上加上了量子化条件，提出了氢原子模型的假设，其中心内容有：

（1）原子核外有一系列特定轨道，核外电子在这些有确定半径和能量的轨道上运动。

注意：

这些半径和能量只能取某些由量子化条件决定的分立数值。

根据量子化条件，求出氢原子核外轨道的能量公式：

E=-13.6/n2（ev）

=-2.179×10-18/n2（J）

1ev=1.6×10-19焦耳，

n=1,2,3,4……

E1=-13.6ev,

E2=-13.6/22ev,

E3=-13.6/32ev,…..

（2）通常条件下电子尽可能处于离核最近，能量最低的轨道上，既不放出能量，也不吸收能量，即处于基态。

（3）受到外界能量激发时，电子跃迁到高能轨道上，原子和电子处于激发态。

电子跃迁回低能量轨道时以光的形式放出能量，光的频率取决于轨道间的能量差

由于玻尔提出的这几点假设能成功地解释氢原子光谱，所以就称为玻尔理论。

*玻尔理论的意义和结论：

I说明了原子可以稳定存在。

原子在正常或稳定状态时，电子尽可能地处于能量最低的轨道，这种状态称为基态。

氢原子处于基态时，电子在n=1的轨道上运动，能量最低，为-13.6ev；其半径为52.9pm，称为玻尔半径。

II说明氢原子线状光谱的成因。

通常氢原子核外电子处于基态，没有能量的吸收和放出，因此不发光。

在加热或通电条件下，电子吸收能量，由n=1的轨道跳到n=2,3,4…的轨道上，这时电子能量高，处于激发态，它不稳定又跳回到能量较低的轨道，以光子形式把多余的能量放出来。

原子所释放出光子的频率和能量的关系为：

轨道的能量差E2-E1=hν（光子能量）

ν=c/λ=（E2-E1）/h

E=-13.6/n2（ev）=-2.179×10-18/n2（J）

注：

爱因斯坦光子学说----光是由光子流组成的粒子流，每个光子的能量为E，与其频率ν成正比，与波长成反比。

E＝hν＝hc/λ

ν＝2.179×10-18（1/n12-1/n22）/h

h是普朗克常数，6.626×10-34J.s-1

ν＝3.289×1015（1/n12-1/n22）

正好符合R∞c（1/n12-1/n22）

如果所放出光子的波长在可见光范围内，人们就可看出发光，此时

n1＝2属巴尔麦系（可见光区）；

（见师大14页）

如果n1＝1，发出的光在远紫外区，属拉曼系；

如果n1＝3，发出的光在近红外区，属帕邢系。

由于电子辐射的光子频率仅决定于两轨道的能量差，而两个轨道的能量是确定的，所以频率ν为定值。

由于轨道的能量是不连续的，对应光子的ν、λ也是不连续的，所以原子光谱是不连续的，即为线状光谱。

III提出了能级的概念。

具有一定能量（量子化）的轨道就是一个能级，公式中n1,n2代表不同能级的序号。

原子光谱的产生就是电子在不同能级间跃迁的结果。

IV指出核外电子运动时物理量量子化的特性。

核外电子运动时不仅能量和轨道半径是量子化的，其它物理量也是量子化的。

如

电子作圆周运动的角动量：

M*＝mυr=（h/2π）n

氢原子核外电子运动轨道半径：

r=a0n2,a0=52.9pm

氢原子核外电子运动轨道能量，

E＝-B/n2，B＝2.179×10-18J

存在的问题：

玻尔理论未完全冲破经典物理的束缚，使电子在原子核外的运动采取了宏观物体的固定轨道，没考虑电子运动的另一特性----波粒二象性，因此它不能解释多电子原子的光谱、光谱线在磁场中的分裂以及谱线强度等实验结果。

第二节核外电子运动的波粒二象性

-----微观粒子的基本属性之一

现代科学研究认为微观粒子，无论是光子、电子以及其它基本粒子在极微小的空间内作高速运动时有时显示出波动性，有时显示出粒子性。

这种在不同条件下分别表现为波动和粒子的性质，也就是既具有波动性又具有粒子性，就称为波粒二象性。

一光的波粒二象性：

光的波动性----光能发生衍射和干涉等现象，有波的特征，可用波长或频率来描述。

二十世纪初爱因斯坦成功地解释了光电效应，从而确认光还有粒子性，从而证实光具有波粒二象性。

光电效应：

当一定频率的光照射到某些金属（如钾）表面上时,可以使电子从金属表面逸出,这种现象就称为光电效应。

波动性解释不了光电效应。

波动理论认为光的强度由光波的振幅决定，跟频率无关，只要入射光足够强，就应该能发生光电效应．但事实并非如此．光电效应的产生说明光还具有一定的能量：

E＝hν,

光的粒子性----光的性质可用动量、能量来描述，光的发射、吸收等与实物相互作用有关的现象（如光电效应）中粒子性比较突出。

光既是一种电磁波又是光子流，既具有波动性又具有粒子性。

表征微粒性的物理量（E,P）和表征波动性的物理量（ν、λ）之间有如下关系：

E＝hν,P＝h/λ

普朗克常数把光的波动性和粒子性定量地联系起来。

二德布罗意（deBroglie）预言

1924年法国德布罗意就预言：

“光有二象性，一切实物粒子也有二象性”。

这里实物粒子是指静止质量不等于零的微观粒子，如电子、原子、分子及其它基本粒子。

具有质量m，运动速度υ的粒子，相应物质波的波长：

λ=h/P＝h/mυ

即微观粒子的粒子性用P来体现，波动性用λ来体现，二者通过h定量联系起来。

----微观粒子的二象性。

电子：

me=9.11×10-31kg，υ＝106m.s-1

波长：

λ=h/mυ=6.63×10-34/9.11×10-31×106

＝0.728×10-9m＝728pm

λ＝728pm，与晶体中原子间隔有近似的数值（数量级），而晶体可使X光发生衍射，可设想它也同样可使电子衍射，进而证明电子的波动性。

电子衍射实验----课本课件13页

一束已知能量的电子经过金属箔时，得到与X射线相象的衍射图样。

当一束电子通过极微小的金属晶体的小孔时，可以象光线一样衍射为一圈一圈的环纹，这是由于波的互相干涉的结果。

有的地方波的位相相同，波峰与波峰相遇彼此加强；有的地方波的位相不同，波峰与波谷相遇彼此减弱。

该实验证明：

电子不仅是一种具有一定质量且作高速运动的带电粒子，而且能呈现波动性质。

第三节核外电子的运动状态

一不确定原理

宏观物体可同时用位置和速度两物理量来准确描述其运动状态，或者说可同时准确测定在某一时刻物体的位置和速度，那么对微观粒子如电子的运动状态能否做到此点？

1927年德国的海森堡（Heise