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1、无机及分析化学无机及分析化学（第三版）（第三版）武汉高校无机及分析化学编写组 编著武汉高校出版社 授课老师 肖正辉 第一篇第一篇 无机化学部分无机化学部分绪论绪论化学是自然科学的一门重要学化学是自然科学的一门重要学科。探讨范围很广，包括若干科。探讨范围很广，包括若干 学术分支，而且各分支之间学术分支，而且各分支之间的学习内容相互交叉渗透。当的学习内容相互交叉渗透。当代，人们不行以避开化学的众代，人们不行以避开化学的众多基础学问，去单独地进行某多基础学问，去单独地进行某一门专业化学的探讨。一门专业化学的探讨。为了便于系统地学习和驾驭各为了便于系统地学习和驾驭各门专业化学的理论学问，人们门专业化学
2、的理论学问，人们在高校化学的教学过程中，设在高校化学的教学过程中，设立了基础化学。目的是让同学立了基础化学。目的是让同学们在深化学习各自的专科化学们在深化学习各自的专科化学之前，先奠定一些必备的化学之前，先奠定一些必备的化学基础学问。基础学问。四大基础化学：四大基础化学：l无机化学l有机化学l物理化学l分析化学（结构化学）一、无机化学探讨的对象一、无机化学探讨的对象l 无机化学是化学领域中发展最早的一个分支。从广义上说，可以引用莫勒（Moeller）定义：l “除去碳氢化合物和其大多数衍生物外，无机化学是对全部元素和它的化合物的性质、反应进行试验探讨和理论说明。”l但对于简洁的含碳化合物，如：
3、二氧化碳、碳酸盐、氰化物等，还是属于无机化学探讨的对象。可见，专科无机化学探讨的领域 是多么地广泛。二、基础无机化学学习的内容二、基础无机化学学习的内容 （包括一般化学、工程化学（包括一般化学、工程化学等）等）l物理化学部分（化学热力学、化学动力学）l结构化学部分（原子结构、分子结构）l化学反应部分（酸碱、沉淀、配位和氧化还原反应）l元素及其化合物的性质（简介）l 本教材删略了物理化学部分的两章，其中本课程涉及到的必备学问，我们将在适当的时候给与补充。三、如何学习无机化学三、如何学习无机化学l留意基础学问的学习和驾驭l课堂抓住重难点，课后系统学习该驾驭的内容l留意高校和中学学习方法的差异l 第
4、一章第一章 原子结构与元素周期律原子结构与元素周期律本章学习要点本章学习要点：l原子核外电子运动有何特征？l多电子原子中核外电子有什么分布规律？l如何理解元素周期律？1-1 量子概念的提出量子概念的提出 及波尔的氢原子模型及波尔的氢原子模型一、物质结构的概念和发展史一、物质结构的概念和发展史 物质结构物质结构：本课程主要探讨原子结构和：本课程主要探讨原子结构和分子结构分子结构1、波义尔（英）的、波义尔（英）的“元素元素”概念（概念（1661年年 怀疑派化学家）怀疑派化学家）2、拉瓦锡（法）的化学革命、拉瓦锡（法）的化学革命 （贝歇尔和（贝歇尔和施塔尔）施塔尔）（1777年年 燃烧概念；燃烧概念
5、；1778-1780年年 化学纲要）化学纲要）3、道尔顿（英）的原子论、道尔顿（英）的原子论 （1803年引入年引入化学元素原子量概念；化学元素原子量概念；1808年年 化学哲学化学哲学新体系新体系4、阿佛加德罗（意）的分子论、阿佛加德罗（意）的分子论（1811年）年）5、门捷列夫（俄）的元素周期律（、门捷列夫（俄）的元素周期律（1869元元素属性和原子量）素属性和原子量）二、十九世纪末物理学的三大发觉二、十九世纪末物理学的三大发觉 （牛顿创立经典力学体系；牛顿创立经典力学体系；迈尔、焦迈尔、焦耳、波尔兹曼等发觉能量守恒和转化定耳、波尔兹曼等发觉能量守恒和转化定律，以及热力学和统计力学理论体系
6、；律，以及热力学和统计力学理论体系；法拉第、麦克斯维尔等创立经典电磁学法拉第、麦克斯维尔等创立经典电磁学理论体系；统称当时物理学三大支柱）理论体系；统称当时物理学三大支柱）1、X射线的发觉射线的发觉 1895年年12月月28日，伦琴（德）一种日，伦琴（德）一种新的射线新的射线初步报告初步报告2、放射性的发觉、放射性的发觉 1896年，贝克勒尔（法），贝克勒尔年，贝克勒尔（法），贝克勒尔射线射线3、电子的发觉、电子的发觉 1897年年4月月30日，日，J.J.汤姆逊（英），汤姆逊（英），公布公布“电子电子”的发觉；的发觉；1911年，他的学生，卢瑟福，提出了年，他的学生，卢瑟福，提出了“原子有核
7、行星模型。原子有核行星模型。”三、经典物理学的三大危机三、经典物理学的三大危机1、黑体辐射、黑体辐射 当加热黑色物体当加热黑色物体(black body)时，能放射时，能放射各种波长的电磁波，假如认为该波是带电各种波长的电磁波，假如认为该波是带电粒子做机械运动发出的，其能量应由振幅粒子做机械运动发出的，其能量应由振幅来确定，在频率维，应当是连续变更的。来确定，在频率维，应当是连续变更的。其实不然。其实不然。2、光电效应、光电效应 1902年，勒纳德（德）用各种频率的光照年，勒纳德（德）用各种频率的光照射钠汞合金，发觉只有频率高于确定下限射钠汞合金，发觉只有频率高于确定下限的光，才能放逐出电子。
8、而且，被逐出的的光，才能放逐出电子。而且，被逐出的电子的运动速度只同光的频率有关，而同电子的运动速度只同光的频率有关，而同光的强度无关。光的强度无关。3、氢原子光谱、氢原子光谱 假如将装有高纯、低压氢气的放电管所发假如将装有高纯、低压氢气的放电管所发出的光，通过棱镜分光，在屏幕上可见光出的光，通过棱镜分光，在屏幕上可见光区内得到不连续的红（区内得到不连续的红（656.3nm）、绿蓝）、绿蓝（486.1nm）紫）紫（434.0nm）（）（410.2nm）等特征谱线。）等特征谱线。l光和连续光谱光和连续光谱(m)红红 橙橙 黄黄 绿绿 青青 蓝蓝 紫紫l氢原子光谱氢原子光谱四、量子概念的提出与发展
9、四、量子概念的提出与发展1、普朗克（、普朗克（Planck）提出能量子假说）提出能量子假说1900年年12月月24日（量子诞生日），普朗克日（量子诞生日），普朗克（德）向德国物理学会宣读关于正常光谱能（德）向德国物理学会宣读关于正常光谱能量分布定律的理论之论文。提出一个划时代量分布定律的理论之论文。提出一个划时代的、革命性的大胆假设：的、革命性的大胆假设：“物体在放射和吸取物体在放射和吸取辐射时，能量不是连续的变更的，而是以确定辐射时，能量不是连续的变更的，而是以确定数量值的整数，跳动式地变更的。数量值的整数，跳动式地变更的。”也就是说，也就是说，在辐射的放射和吸取过程中，能量不是无限可在辐射
10、的放射和吸取过程中，能量不是无限可分的，而是有一个最小的单元。该不行分的最分的，而是有一个最小的单元。该不行分的最小单元小单元，普朗克称之为，普朗克称之为“能量子能量子”或或“量子量子”。用。用“”表示之。表示之。=h（普朗克常数（普朗克常数 h =6.62610-34 Js；为辐射频率）为辐射频率）辐射的总能量为：辐射的总能量为：E =n =n h（n 为正整数，为正整数，）普朗克提出的量子概念是近代物理学中最普朗克提出的量子概念是近代物理学中最重要的概念之一。他第一次把能量不连续的思重要的概念之一。他第一次把能量不连续的思想引入物理学，指出光能与频率关系，使物理想引入物理学，指出光能与频率
11、关系，使物理学遇到的很多疑难问题迎刃而解。学遇到的很多疑难问题迎刃而解。在量子力学引导下，微观粒子学快速发展在量子力学引导下，微观粒子学快速发展为为 20 世纪物理学的主流。世纪物理学的主流。但在当时，普朗克的量子概念却遇到了百但在当时，普朗克的量子概念却遇到了百般的冷遇和抵触般的冷遇和抵触 （1911 1914 1915）2、爱因斯坦（德）提出光量子假说、爱因斯坦（德）提出光量子假说 正值普朗克的量子论受到百般冷遇时，爱因斯坦是正值普朗克的量子论受到百般冷遇时，爱因斯坦是第一个支持、贯彻并努加以发展量子概念的人。第一个支持、贯彻并努加以发展量子概念的人。1905年年3月，在关于光的产生和转化
12、的推想性观点一文月，在关于光的产生和转化的推想性观点一文中，他提出了中，他提出了“光量子光量子”（后被路易斯命名为（后被路易斯命名为“光子光子”）的）的假说。他认为：假说。他认为：“一束光是由具有粒子特征的光子所组一束光是由具有粒子特征的光子所组成的，每一个光子的能量与光的频率成正比。成的，每一个光子的能量与光的频率成正比。”光子的能量为：光子的能量为：=mc2=h 动量为：动量为：p=mc=h/c=h/在金属晶体中，电子受到整个晶体场的束缚，光子撞在金属晶体中，电子受到整个晶体场的束缚，光子撞击激发出电子，须要克服电子受电场束缚的最小能量击激发出电子，须要克服电子受电场束缚的最小能量（脱出功
13、（脱出功），只有当光的频率大于确定值，光子的运），只有当光的频率大于确定值，光子的运动能量动能量 h 时，才能激发出电子，剩余的能量则转时，才能激发出电子，剩余的能量则转化为电子的运动能量，反应为场外运动速度。到此，爱化为电子的运动能量，反应为场外运动速度。到此，爱因斯坦运用普朗克的量子理论，成功地说明白新的光电因斯坦运用普朗克的量子理论，成功地说明白新的光电效应。效应。1909年，爱因斯坦进一步提出：年，爱因斯坦进一步提出：“理论物理学发展的下理论物理学发展的下一阶段，将会出现关于光的新理论。该理论将会把光的一阶段，将会出现关于光的新理论。该理论将会把光的波动性与光的微粒学说统一起来。波动性
14、与光的微粒学说统一起来。”这就是著名的这就是著名的“光的波粒二象性！光的波粒二象性！”3、里德堡常数、里德堡常数 1885年，巴尔末（年，巴尔末（Balmer瑞士）探讨氢原子光谱，得瑞士）探讨氢原子光谱，得阅历公式：阅历公式：1913年，里德堡（年，里德堡（Rydberg 瑞典瑞典)提出了概括氢原子光谱中各谱提出了概括氢原子光谱中各谱线间普遍联系的阅历公式：线间普遍联系的阅历公式：n1 n2（皆为正整数）（皆为正整数）Balmer线系 五、玻尔（五、玻尔（Bohr）的氢原子模型）的氢原子模型 玻尔（玻尔（18851962），丹麦物理学家，），丹麦物理学家，20世世纪世界一流科学家。原子结构理论
15、之父。纪世界一流科学家。原子结构理论之父。诞生于哥本哈根教授家庭，诞生于哥本哈根教授家庭，1911年博士年博士毕业毕业在曼彻斯特跟随卢瑟福从事原子结构探讨在曼彻斯特跟随卢瑟福从事原子结构探讨，对，对“原子有核行星模型原子有核行星模型”评价：评价：“这个模型可以把这个模型可以把原子原子的化学性质和放射性截然区分开来。的化学性质和放射性截然区分开来。”他把卢他把卢瑟福瑟福的模型、巴尔末的模型、巴尔末里德堡的阅历公式以及普里德堡的阅历公式以及普朗克朗克爱因斯坦的量子论结合起来进行综合探讨，爱因斯坦的量子论结合起来进行综合探讨，于于1913年，正式提出玻尔氢原子模型：年，正式提出玻尔氢原子模型：1、定
16、态轨道概念、定态轨道概念 原子核外电子只能在有确定半径和能量的原子核外电子只能在有确定半径和能量的若干圆形的特定轨道上绕核运动若干圆形的特定轨道上绕核运动“定态轨道定态轨道”，此时电子处于稳定状态，此时电子处于稳定状态“定态定态”，电子在，电子在定态轨道运动时，既不吸取也不辐射能量。定态轨道运动时，既不吸取也不辐射能量。2 2、轨道能级的概念、轨道能级的概念、轨道能级的概念、轨道能级的概念电子在不同的定态轨道上运动时，其运动能量不同。离核越远的电子在不同的定态轨道上运动时，其运动能量不同。离核越远的电子，运动能量越大。轨道的这些不同的能量状态称为电子，运动能量越大。轨道的这些不同的能量状态称为
17、“能级能级”。其中，电子处于自己能量最低的状态，叫其中，电子处于自己能量最低的状态，叫“基态基态”。3 3、原子线状光谱的产生、原子线状光谱的产生、原子线状光谱的产生、原子线状光谱的产生当当原子原子受到电弧、火花、光电等外界能量激发时，其核外电子受到电弧、火花、光电等外界能量激发时，其核外电子获得获得能量，电子能量，电子就会从基态跃迁到与其能量相应的就会从基态跃迁到与其能量相应的“激发态激发态”。即能量。即能量相对较高的状态。相对较高的状态。激发态很不稳定，电子会自发地从激发态返回基激发态很不稳定，电子会自发地从激发态返回基态或较低的能级，同时以辐射光的形式释放出多余的能量。其能量态或较低的能
18、级，同时以辐射光的形式释放出多余的能量。其能量的大小取决于基态（或过渡态）与激发态的能量差（的大小取决于基态（或过渡态）与激发态的能量差（E）。）。E=EE=E2 2-E-E1 1 =h=h原子核外各定态轨道之间的能量之差是不连续的，只是一个个确定原子核外各定态轨道之间的能量之差是不连续的，只是一个个确定的数值。因此，激发态原子辐射的光也只能是单频率的一条条线状的数值。因此，激发态原子辐射的光也只能是单频率的一条条线状的谱线。的谱线。121.6nm102.6nm97.25nm94.98nm93.78nm93.14nm656.5nm486.1nm434.1nm410.2nm397.2nm1234
19、567E/10-19J-21.79-1.36-2.42-5.45-0.872-0.605-0.4450氢原子轨道能级示意图氢原子轨道能级示意图nl关于玻尔理论的探讨关于玻尔理论的探讨l 玻尔的原子结构理论，突破了经典物玻尔的原子结构理论，突破了经典物理学理论的束缚，它是通理学理论的束缚，它是通l向物质结构新理论的重要台阶，是量子向物质结构新理论的重要台阶，是量子理论发展的一个里程碑。理论发展的一个里程碑。l1、玻尔理论的成功之处、玻尔理论的成功之处l 说明白说明白 H 及及 He+、Li2+、Be3+的原子的原子光谱；光谱；l 说明白原子的稳定性；说明白原子的稳定性；l 对其他发光现象（如射线
20、的形成）也对其他发光现象（如射线的形成）也能说明；能说明；l 计算氢原子的电离能。计算氢原子的电离能。l2、玻尔理论的不足之处、玻尔理论的不足之处l1、玻尔理论违反了经典的物理学理论；、玻尔理论违反了经典的物理学理论；l2、玻尔理论又没有从根本上抛弃经典的、玻尔理论又没有从根本上抛弃经典的物理学理论。物理学理论。l 因此，玻尔的原子结构理论并不是一因此，玻尔的原子结构理论并不是一个统一、完整的理论体系。个统一、完整的理论体系。l 它是经典科学理论和现代量子力学理它是经典科学理论和现代量子力学理论的论的“混合物混合物”。1-2 原子核外电子的运动状态原子核外电子的运动状态一、微观粒子的波粒二象性
21、一、微观粒子的波粒二象性1、德布罗意（、德布罗意（Lonis De Brogile）波长波长 1924年，他在博士论文关于量子理论年，他在博士论文关于量子理论的探讨中，提出一个大胆假设：的探讨中，提出一个大胆假设：“包括包括电子在内的一切实物粒子，只要能在空间电子在内的一切实物粒子，只要能在空间自由运动，都具有波动性自由运动，都具有波动性”。粒子运动。粒子运动能量（能量（E）和动量（）和动量（p）与相应的波长和）与相应的波长和频率之间有如下关系：频率之间有如下关系：v：物体运动速度；：物体运动速度；即为即为De BrogileDe Brogile波长波长波长波长2 2、电子束的衍射现象、电子束
22、的衍射现象、电子束的衍射现象、电子束的衍射现象19271927年初，戴维逊（年初，戴维逊（年初，戴维逊（年初，戴维逊（DavisssonDavissson美）和革末美）和革末美）和革末美）和革末（GermerGermer）应用应用应用应用 Ni Ni晶体进行电子衍射试验，即让一束电子穿过晶体进行电子衍射试验，即让一束电子穿过晶体进行电子衍射试验，即让一束电子穿过晶体进行电子衍射试验，即让一束电子穿过镍箔后，投射到感光荧屏上，得到了一系列明暗交镍箔后，投射到感光荧屏上，得到了一系列明暗交镍箔后，投射到感光荧屏上，得到了一系列明暗交镍箔后，投射到感光荧屏上，得到了一系列明暗交替的同心圆图案。类似于
23、光的衍射环，证明电子具替的同心圆图案。类似于光的衍射环，证明电子具替的同心圆图案。类似于光的衍射环，证明电子具替的同心圆图案。类似于光的衍射环，证明电子具有与光相像的波动性。有与光相像的波动性。有与光相像的波动性。有与光相像的波动性。1927 1927年年年年5 5月，月，月，月，G.PG.P汤姆逊（英）使电子束分别穿过汤姆逊（英）使电子束分别穿过汤姆逊（英）使电子束分别穿过汤姆逊（英）使电子束分别穿过10-10-8 m 8 m 厚的厚的厚的厚的铜、银、锡等金属箔，都产生了类似的衍射现象。铜、银、锡等金属箔，都产生了类似的衍射现象。铜、银、锡等金属箔，都产生了类似的衍射现象。铜、银、锡等金属箔
24、，都产生了类似的衍射现象。3 3、微观粒子波动性的探讨、微观粒子波动性的探讨、微观粒子波动性的探讨、微观粒子波动性的探讨 （1 1）、）、）、）、微观粒子的波动性，仅仅是统计学意义上微观粒子的波动性，仅仅是统计学意义上微观粒子的波动性，仅仅是统计学意义上微观粒子的波动性，仅仅是统计学意义上的概念，它绝不是通常意义上的波动，如：水波、的概念，它绝不是通常意义上的波动，如：水波、的概念，它绝不是通常意义上的波动，如：水波、的概念，它绝不是通常意义上的波动，如：水波、声波等！单个电子的声波等！单个电子的声波等！单个电子的声波等！单个电子的 运动行为人类尚未可知。运动行为人类尚未可知。运动行为人类尚未
25、可知。运动行为人类尚未可知。（2 2）、承认）、承认）、承认）、承认“波粒二象性波粒二象性波粒二象性波粒二象性”不代表人类就真的驾驭不代表人类就真的驾驭不代表人类就真的驾驭不代表人类就真的驾驭了光的本质。了光的本质。了光的本质。了光的本质。二、量子力学的创立二、量子力学的创立1、海森伯（、海森伯（W.Heisenberg）创立创立矩阵力学矩阵力学 1925年年7月，关于一些运动学和月，关于一些运动学和力学关系的量子论的重新说明、关力学关系的量子论的重新说明、关于量子力学。于量子力学。2、薛定谔（、薛定谔（Schrdinger)创创立波动力学立波动力学 1926年，年，16月连续发表月连续发表4
26、篇论文，题篇论文，题目同为作为本征值问题目同为作为本征值问题的量子化探讨，他接受量子论思想和的量子化探讨，他接受量子论思想和波粒二象性的概念，波粒二象性的概念，将光学方程和力学方程进行类比，总结将光学方程和力学方程进行类比，总结出了用以描述微观出了用以描述微观粒子（电子）运动特征的力学方程式粒子（电子）运动特征的力学方程式薛定谔方程式。薛定谔方程式。波函数波函数E体系的总能量体系的总能量V体系的势能体系的势能h普朗克常数普朗克常数m微粒的质量微粒的质量x、y、z微粒的空间坐标微粒的空间坐标 三、海森伯提出测不准原理三、海森伯提出测不准原理 海森伯，大数学家玻恩的学生，海森伯，大数学家玻恩的学生
27、，物理学家、哲学物理学家、哲学家、社会活动家。家、社会活动家。20世纪著名的创世纪著名的创新思想家。新思想家。1927年到哥本哈根高校，同保利、年到哥本哈根高校，同保利、狄拉克等一大狄拉克等一大批著名学者一起跟随玻尔探讨原子批著名学者一起跟随玻尔探讨原子结构。结构。海森堡指出：对微观粒子，不能海森堡指出：对微观粒子，不能同时精确测出它在某一瞬间的运动同时精确测出它在某一瞬间的运动速率（或动量）和位置。速率（或动量）和位置。海森海森堡的测不准原理堡的测不准原理 1927年年3月，关于量子论的运月，关于量子论的运动学和力学的直觉内容一文，提动学和力学的直觉内容一文，提出出“测不准关系测不准关系”：
28、X*P=h E*t=h电子的运动遵循海森堡电子的运动遵循海森堡的测不准原理，即它的的测不准原理，即它的某个坐标被确定的愈精某个坐标被确定的愈精确，则相应的动量的确确，则相应的动量的确定愈不精确，反之亦然。定愈不精确，反之亦然。具有波粒二象性的电子，具有波粒二象性的电子，不再遵守经典力学，它不再遵守经典力学，它们的运动没有确定的轨们的运动没有确定的轨道，只有一定的空间概道，只有一定的空间概率分布。率分布。四、核外电子运动状态的近代描述（四、核外电子运动状态的近代描述（难点难点）1、波函数和原子轨道、波函数和原子轨道vv 求求求求解解解解薛薛薛薛定定定定谔谔谔谔方方方方程程程程,就就就就是是是是求
29、求求求得得得得波波波波函函函函数数数数 的的的的数数数数学学学学表表表表达达达达式式式式和和和和相相相相对对对对能量能量能量能量 E;E;vv 解得的解得的解得的解得的 不是具体的数值不是具体的数值不是具体的数值不是具体的数值,而是包括三个常数而是包括三个常数而是包括三个常数而是包括三个常数(n,l,m)(n,l,m)和和和和vv 三个变量三个变量三个变量三个变量(r,)(r,)的函数式的函数式的函数式的函数式n,l m(r,)n,l m(r,)，在三维可画图，在三维可画图，在三维可画图，在三维可画图;vv 有合理解的函数式叫做有合理解的函数式叫做有合理解的函数式叫做有合理解的函数式叫做 波函
30、数波函数波函数波函数(Wave functions)(Wave functions)波函数波函数 =薛定谔方程的合理解薛定谔方程的合理解 =原子轨道原子轨道 波函数波函数(x,y,z)(x,y,z)是描述原子核外电子运动状态的数学函数式，由于电子是描述原子核外电子运动状态的数学函数式，由于电子运动具有统计学意义上的运动具有统计学意义上的“波动性波动性”，所以才称之为，所以才称之为“波函数波函数”。又由于又由于它是人们在寻求它是人们在寻求“原子轨道原子轨道”的过程中演化出来的，所以的过程中演化出来的，所以人们习惯把波函人们习惯把波函数称作为原子轨道。数称作为原子轨道。但但它不是原子核外电子运行的
31、轨道。它不是原子核外电子运行的轨道。它就类似于它就类似于（x-ax-a）2 2+（y-by-b）2 2+（z-cz-c）2 2-r-r2 2=0=0 这样的数学函数式。这样的数学函数式。2、波函数的径向分布和角度分布、波函数的径向分布和角度分布 由于电子是在以原子核为中心的球形范围内运动的，由于电子是在以原子核为中心的球形范围内运动的，为了求为了求解薛定谔方程之便利，人们将直角坐标系解薛定谔方程之便利，人们将直角坐标系(x,y,z)转化为转化为球面标球面标系（系（r,），并进行变量分别。），并进行变量分别。(x,y,z)=(r,)=R(r)*Y(,)x=r sinx=r sin cos cos
32、y=r siny=r sin sin sinz=r cosz=r cosr r=径向波函数径向波函数径向波函数径向波函数角度波函数角度波函数角度波函数角度波函数确定曲面的几何图形确定曲面的几何图形确定曲面的大小确定曲面的大小Y(Y(,)：R(r)R(r)：将波函数的角度分布将波函数的角度分布 Y(,)Y(,)部分随部分随(,)(,)的变的变化作图，所得图化作图，所得图 原子轨道的角度分布图，而图形原子轨道的角度分布图，而图形的空间范围（大小），则由波函数的径向分布的空间范围（大小），则由波函数的径向分布 R(r)R(r)确定。如各电子层的确定。如各电子层的 S S 轨道：轨道：a0=52.9p
33、mBoar半径半径1s1s角度分布角度分布角度分布角度分布再如各电子层的再如各电子层的 P P 轨道：轨道：Y（pZ）=R cosY(pZ)与与无关无关 从从从从0 1800 180计算计算计算计算 Y(pY(pZ Z)值值值值在在在在XOZXOZXOZXOZ平面作平面作平面作平面作Y(pY(pY(pY(pZ Z Z Z)的平面图。的平面图。的平面图。的平面图。再绕再绕再绕再绕OZOZOZOZ轴旋转轴旋转轴旋转轴旋转360360360360XOZ+P PZ Z角度分布角度分布角度分布角度分布虽然已知的元素有一百多种，对应的原虽然已知的元素有一百多种，对应的原子轨道也是五十多个，但是，其归属的子
34、轨道也是五十多个，但是，其归属的波函数的角度分布波函数的角度分布 Y(Y(,)所画出所画出的图形外貌，人类目前已知的却只有四的图形外貌，人类目前已知的却只有四类。即：类。即：s s、p p、d d、f f。采用同样的方法分别可画出采用同样的方法分别可画出采用同样的方法分别可画出采用同样的方法分别可画出（f f 轨道目前还难以绘出）轨道目前还难以绘出）见教材见教材1414页（图页（图1-61-6、1-71-7）y(x,y,z)(x,y,z)在在 三三y维空间所绘出的维空间所绘出的图形，没有明确的图形，没有明确的物理意义。物理意义。y为了赐予波函数为了赐予波函数确定的物理意义，确定的物理意义，人们
35、又一次参照了人们又一次参照了光的波粒二象性！光的波粒二象性！3 3、概率密度（、概率密度（）和电子云）和电子云如如如如光的粒子学说光的粒子学说光的强度光的强度光的强度光的强度 I I 光的波动学说光的波动学说光的强度光的强度光的强度光的强度 I I 振幅平方振幅平方概率密度：电子在原子核外空间某处单位微体积内出现的概率。概率密度：电子在原子核外空间某处单位微体积内出现的概率。2 f f 光子密度光子密度光子密度光子密度2 概率：电子在原子核外空间某微体积内出现的次数。概率：电子在原子核外空间某微体积内出现的次数。现在再对现在再对 2 2 作作图，如下：图，如下：见教材见教材 16 16 页（图
36、页（图119 9）电子云：电子云：电子云：电子云：电子电子在原子核外空间在原子核外空间出现的概率密度（出现的概率密度（）的形象化描述。的形象化描述。在中学常用小黑点的疏密来在中学常用小黑点的疏密来 表示各点概率密度的大小（如图表示各点概率密度的大小（如图a）。）。1s1s1s1s的的的的-r r r r关系曲线与电子云图关系曲线与电子云图关系曲线与电子云图关系曲线与电子云图1s1s1s1s电子云界面图电子云界面图电子云界面图电子云界面图电子云的界面图：电子云的界面图：取某一个等概率密度的曲取某一个等概率密度的曲面作为界面，使该界面内能包面作为界面，使该界面内能包括核外电子运动出现概率的括核外电
37、子运动出现概率的 90%90%或或 95%95%，用这个界面来，用这个界面来表示电子云的形态，叫做电子表示电子云的形态，叫做电子云的界面图（图云的界面图（图b b）。）。4 4 4 4、电子云的角度分布与径向分布、电子云的角度分布与径向分布、电子云的角度分布与径向分布、电子云的角度分布与径向分布(1)(1)(1)(1)、电子云的角度分布图、电子云的角度分布图、电子云的角度分布图、电子云的角度分布图 （|Y|2|Y|2|Y|2|Y|2）对对对对|Y|2|Y|2|Y|2|Y|2作图，即可得电子云的角度分布图，电子作图，即可得电子云的角度分布图，电子作图，即可得电子云的角度分布图，电子作图，即可得电
38、子云的角度分布图，电子云的角度分云的角度分云的角度分云的角度分布图类似于波函数的角度分布图布图类似于波函数的角度分布图布图类似于波函数的角度分布图布图类似于波函数的角度分布图 （p 16 p 16 p 16 p 16 图图图图19)19)19)19)。但有两。但有两。但有两。但有两点区分：点区分：点区分：点区分：vv原子轨道的角度分布有原子轨道的角度分布有原子轨道的角度分布有原子轨道的角度分布有“+”+”+”+”、“-”-”-”-”，而电子云的角度分布图均为正值。，而电子云的角度分布图均为正值。，而电子云的角度分布图均为正值。，而电子云的角度分布图均为正值。vv电子云角度分布图比原子轨道的要电
39、子云角度分布图比原子轨道的要电子云角度分布图比原子轨道的要电子云角度分布图比原子轨道的要“瘦瘦瘦瘦”些，些，些，些，|Y|Y|Y|Y|2 2 2 2|Y|1|Y|1|Y|1|Y|1。(2)(2)(2)(2)、电子云的径向分布、电子云的径向分布、电子云的径向分布、电子云的径向分布1s 1s 1s 1s 的电子云的电子云的电子云的电子云径向分布径向分布径向分布径向分布dp=Ddp=D（r r）drdr（p 1p 1 图图11)五、四个量子数的概念（重点）五、四个量子数的概念（重点）1、主量子数（、主量子数（n）（1）、）、n 可取值：可取值：1 2 3 4 5 6 7 电子层符号：电子层符号：K
40、L M N O P Q （2）、）、n 物理意义：物理意义：A、电子层；、电子层；B、电子运动范围离核远近；、电子运动范围离核远近；C、主要确定核外电子运动的能量。、主要确定核外电子运动的能量。主量子数是确定电子离核的平均距离主量子数是确定电子离核的平均距离和能级凹凸的主要参数。和能级凹凸的主要参数。值越小，该电子层离核越近，能级越低；值越小，该电子层离核越近，能级越低；离核越远，能量越高。离核越远，能量越高。4f4d4p4s3d3p3s2p2s1s符号符号321021010ln2 2、角（副）量子数（、角（副）量子数（l）（）、（）、l可取值：可取值：（）（）轨道亚层符号：轨道亚层符号：（l
41、 ）（）、每个电子层（）、每个电子层 l可取值的个数：可取值的个数：（）、（）、l l的物理意义：的物理意义：确定原子轨道的图形外貌；：确定原子轨道的图形外貌；：部分确定原子轨道的能量。：部分确定原子轨道的能量。同一电子层，同一电子层，l l值越小，该电子亚层能级越低。例如：值越小，该电子亚层能级越低。例如：、磁量子数（、磁量子数（）（）、（）、可取值：、可取值：、l（）、（）、每个亚层内，每个亚层内，可取值的个数：可取值的个数：l-2、-1、0、+1、+2-1、0、+0mdxy、dyz、dz2、dxz、dx2-y2py、px、pzs轨道符号轨道符号l（）、的物理意义：（）、的物理意义：确定原
42、子轨道或电子云在空间的伸展方向；：确定原子轨道或电子云在空间的伸展方向；：在没有外加磁场下，同一亚层内的各原子轨道能量：在没有外加磁场下，同一亚层内的各原子轨道能量相等相等 等价轨道等价轨道(简并轨道简并轨道)；：在有外加强磁场存在下，简并轨道能量发生分裂。：在有外加强磁场存在下，简并轨道能量发生分裂。、自旋量子数、自旋量子数(m ms s)v 描述电子绕自轴旋转的状态。描述电子绕自轴旋转的状态。v 自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为。自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为。vms 取值取值+1/2和和-1/2，分别用，分别用和和表示表示电子电子自旋运动的方向。自旋运动的方向。电子具有两种微电
43、子具有两种微观状态观状态大小大小相同、符号相反相同、符号相反的磁矩的磁矩（）、（）、m ms s 的可取值：的可取值：+1/2+1/2、-1/2-1/2（不受其他量子数限制不受其他量子数限制）（）、（）、m ms s物理意义：每个原子轨道最多可以容纳两个自旋物理意义：每个原子轨道最多可以容纳两个自旋方向相反的电子。方向相反的电子。、四个量子数的取值要点、四个量子数的取值要点 （）、不连续、量子化；（）、不连续、量子化；（）、相互制约：（）、相互制约：l l；l l；/。课堂练习：课堂练习：、四个量子数中，确定原子轨道能量的是哪几个？、四个量子数中，确定原子轨道能量的是哪几个？答：确定原子轨道能
44、量的是答：确定原子轨道能量的是 n n、l l；主要确定能量的；主要确定能量的是是 n n。2 2、下列波函数合理的是：、下列波函数合理的是：（3,3,13,3,1）（4,-2,14,-2,1）（4,2,04,2,0）（3,2,-23,2,-2）（-3,1,1-3,1,1）（4,-2,-4,-2,-3 3）（2,1,02,1,0，/）（2,2,2,-22,-2，-2-2）（3,0,-1,-3,0,-1,-/）（2,2,1,01,0，0 0）6、原子核外电子运动的可能状态数、原子核外电子运动的可能状态数nlm轨道数道数电子数子数(2n2)K1s00122L2s0428p10、16M3s00921
45、8p10、16d20、1、210N4s0016232p10、16d20、1、210f3-0、1、2、314作业：作业：P44 P44 思索思索 第第 4 4、5 5、6 6、7 7题（不交）；习题题（不交）；习题 第第 8 8 题（交）题（交）P20 P20 表表 12121-3 原子核外电子的排布原子核外电子的排布 (重点重点)和元素周期系和元素周期系一、多电子原子的能级一、多电子原子的能级、原子轨道能级（）主要由、原子轨道能级（）主要由 n 确定确定当当 l 相同时，相同时，n 越大，越大，越大越大、原子轨道能级（）次要由、原子轨道能级（）次要由 l 确定确定当当 n 相同时，相同时，l
46、越大，越大越大，越大、当、当 n 和和 l 都不相同时，主要由都不相同时，主要由n 确定，确定，但有但有“能级交织能级交织”A、Ens E(n-1)d 如：如：E4s E3d；E5s E4d；B、Ens E(n-2)f 如：如：E6s E4 f；E7s E5 f；C、Enp E(n-1)如：如：E5p E4 f；E6p E5 f。、鲍林、鲍林（Pauling）的原子轨道近似能级图的原子轨道近似能级图6s5s4s3s2s1s6p5p4p3p2p5d4d3d4f1s2p2s3p3s5p4d5s6p5d4f6s4p3d4s能量，周期能量，周期（P22P22图图 111414）仅代表核外电子填充依次仅
47、代表核外电子填充依次、柯顿、柯顿 Cotton Cotton 原子轨道能级图原子轨道能级图A A、原子轨道的能量随原子序数、原子轨道的能量随原子序数增大而降低；增大而降低；B B、不同、不同 l l 的原子轨道，其能的原子轨道，其能量降低的趋势不同，从而出现量降低的趋势不同，从而出现“能级交织能级交织”的现象；的现象；C C、原子序数很大时，轨道能量、原子序数很大时，轨道能量下降的趋势渐渐接近，能级交下降的趋势渐渐接近，能级交织现象消逝；织现象消逝；D D、能级交织只在关键的一段；、能级交织只在关键的一段；E E、反映出主量子数相同的氢原、反映出主量子数相同的氢原子轨道能量的简并性。子轨道能量
48、的简并性。（P24 P24 图图 115115）6、屏蔽效应和钻穿效应 A、屏蔽效应：原子核对某电子的吸引力由于其它电子的排斥作用 而被减弱的现象。主要表现在内层电子对外层电子 的屏蔽。可以帮助理解柯顿原子轨道能级图。屏蔽常数与有效核电荷数（z*=z-）：（自学了解）B、钻穿效应：外层电子渗入原子内层空间而接近原子核的现象。屏蔽效应是其他电子对所述电子的屏蔽作用；而钻穿效应是某 所述电子回避其它电子的屏蔽作用。屏蔽效应和屏蔽效应可以 帮助理解能级交织现象。二、核外电子的排布二、核外电子的排布 1、泡利（、泡利（Pauli）不相容原理）不相容原理 在同一原子中不行能存在四个量子数完在同一原子中不
49、行能存在四个量子数完全相同的电子。全相同的电子。意即：每个轨道至多能容纳两个自旋方向相反意即：每个轨道至多能容纳两个自旋方向相反的电子。的电子。2、能量最低原理、能量最低原理 多电子原子处于基态时，多电子原子处于基态时，核外电子的排布，核外电子的排布，在不违反泡利原理在不违反泡利原理 的前提下，优先占据能量较低的轨道，使整个原的前提下，优先占据能量较低的轨道，使整个原子系统能量最低。子系统能量最低。3、洪特（、洪特（Hund）规则）规则 A、在、在 n、l 相同（相同（m不同）的等价轨道上分布不同）的等价轨道上分布电子时，将尽可能占据电子时，将尽可能占据m 值值 不同的轨道，且自旋平行。如：不
50、同的轨道，且自旋平行。如：7N：1s2 2s2 2p3 B、等价轨道在电子全充溢、半充溢、和全空时、等价轨道在电子全充溢、半充溢、和全空时的状态比较稳定。的状态比较稳定。如如:26Fe:1s22s22p63s23p63d64s2；24Fe2+:1s22s22p63s23p63d54s1 47Ag：1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s14 4 4 4、原子核外电子分布式、原子核外电子分布式、原子核外电子分布式、原子核外电子分布式 25Mn 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s230Zn 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10