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文檔簡介

1、原子結(jié)構(gòu)和元素周期表,第一章,達(dá)爾頓原子論相對原子質(zhì)量原子的起源和演化原子結(jié)構(gòu)的保羅行星模型氫原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)模型基態(tài)原子配置元素周期系元素周期性,主要內(nèi)容,重難點(diǎn),1 .氫原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)模型2 .基態(tài)原子配置3 .元素周期系4 .元素周期性,教學(xué)方法同種原子質(zhì)量相同, 不同種類的原子質(zhì)量不同的原子不能再分成一個原子不變成另一個原子化學(xué)反應(yīng)只是改變了原子的結(jié)合方式,將反應(yīng)前的物質(zhì)變成反應(yīng)后的物質(zhì)。 達(dá)爾頓原子論,1805年,達(dá)爾頓明確提出了他的原子論。 這個理論的要點(diǎn)是,每種化學(xué)元素都有原子,同種原子質(zhì)量相同,不同種類的原子質(zhì)量不同,有的原子不會再分開,有的原子不會變成別的原子。化學(xué)反應(yīng)

2、只是改變了原子的結(jié)合方式,反應(yīng)前的物質(zhì)會變成反應(yīng)后的物質(zhì)。 達(dá)爾頓用自己的原子論導(dǎo)出倍比定律,當(dāng)兩種元素化合得到多個化合物時,實(shí)驗(yàn)證明這些化合物中元素的質(zhì)量比具有整數(shù)倍的比例關(guān)系,如碳和氧有兩種化合物的一氧化碳和二氧化碳,其中碳和氧的質(zhì)量比為4:3和8:3 道爾頓提出了原子量的概念,但沒能正確給出很多元素的原子量。 道爾頓獨(dú)斷地認(rèn)為,由于“思考經(jīng)濟(jì)原則”可以認(rèn)定水分子由一個氫原子和一個氧原子構(gòu)成,所以弄錯了氧的原子量。 道爾頓是代表原子的符號,是第一個元素符號。 圖中他給出的許多分子組成都是錯誤的。 這不僅是想象用歷史的教訓(xùn)揭示科學(xué)的真理,也不能遵循達(dá)爾頓提出的所謂“思想經(jīng)濟(jì)原則”,客觀世界的

3、復(fù)雜性不會因?yàn)槿嘶蛘咧饔^想法的簡單化而改變。 達(dá)爾頓原子論大大推動了化學(xué)的發(fā)展,1818年和1826年,瑞典的化學(xué)家貝澤里烏斯(C-L. Berzelius 1779-1848 )通過大量的實(shí)驗(yàn)正確確定了當(dāng)時已知的化學(xué)元素的原子量,糾正了達(dá)爾頓原子量的錯誤值,得到了化學(xué)發(fā)展把對于貝塞琉原子量(1818和1826 )、1-2原子質(zhì)量(原子量)、元素、原子編號和元素符號,具有一定的原子負(fù)荷數(shù)(等于核內(nèi)質(zhì)子數(shù))的原子稱為(化學(xué))元素。 按(化學(xué))元素的原子能發(fā)電負(fù)荷數(shù)進(jìn)行排序,得到的編號稱為原子編號。 每個元素都有一個用拉丁字母表示的元素符號。 在某些情況下,元素符號可以表示元素,可以表示該元素的原

4、子,也可以表示該元素的原子。核素、同位素和同位素豐度,核素是具有一定質(zhì)子數(shù)和一定中子數(shù)的原子(的總稱)。 元素具有一定質(zhì)子數(shù)的原子。 同位素質(zhì)子數(shù)相同中子數(shù)不同的原子(的總稱)。 同量異位素核數(shù)相同,質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)不同的原子(的總稱)。 同中子素具有一定中子數(shù)的原子(的總稱)。 穩(wěn)定核素、放射性核素、單核素元素、多核素元素通常在元素符號的左上下角加上數(shù)字作為核素符號。 核素符號左下角的數(shù)字是該核素原子核中的質(zhì)子數(shù),左上角的數(shù)字稱為該核素的質(zhì)量數(shù),即核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的和。 具有相同原子負(fù)荷數(shù)、不同中子數(shù)的核素屬于同一元素,在元素周期表中占據(jù)同一位置,稱為同位素。 某種元素的各種天然同位素的分率

5、組成(原子百分率)稱為同位素豐度。 例如,氧的同位素的豐度為f(16O)=99.76%、f(17O)=0.04%f、(18O)=0.20%,氟等單核元素、同位素的豐度為f。有些元素的同位素豐度隨樣品而變化,通常同位素豐度是指從地殼(包括巖石、水、大氣)到樣品范圍的多樣品平均值。 如果采樣范圍擴(kuò)大,則需要特別注明。 原子的質(zhì)量、原子質(zhì)量單位有u單位的核素一個原子的質(zhì)量稱為該核素的原子質(zhì)量。 1u等于核素12C原子質(zhì)量的1/12。 有的資料把a(bǔ)mu和mu作為原子質(zhì)量單位的記號,在高分子化學(xué)中把原子質(zhì)量的單位稱為“達(dá)爾頓”。 1u取決于核素12C的一個原子的質(zhì)量的測定。 最近的數(shù)據(jù)將1u=1.660

6、566(9)10-24 g的核素質(zhì)量與12C的原子質(zhì)量的1/12之比稱為核素的相對原子質(zhì)量。 核素的相對原子質(zhì)量在數(shù)值上與核素的原子質(zhì)量相等,維數(shù)為1。 元素的相對原子質(zhì)量(原子量)、元素的相對原子質(zhì)量(長期以來被稱為原子量)。 根據(jù)國際原子量和同位素豐度委員會1979年的定義,原子量是指元素的1摩爾質(zhì)量相對于核素12C的1摩爾質(zhì)量的1/12的比。 這個定義表明元素的相對原子質(zhì)量(原子量)是純數(shù)。 單核元素的相對原子質(zhì)量(原子量)等于該元素的核素的相對原子質(zhì)量。 多核種元素的相對原子質(zhì)量(原子量)與該元素的天然同位素的相對原子質(zhì)量的加權(quán)平均值相等。 加權(quán)平均值是將幾個數(shù)值分別乘以1個權(quán)重相加。

7、 相對于元素的相對原子質(zhì)量(原子量),這個權(quán)重是同位素的豐度。 若用Ar表示多核種元素相對原子質(zhì)量,則Ar=f iMr,I式中: fi同位素的豐度; Mr,I同位素相對于原子質(zhì)量,1-3原子的起源和進(jìn)化,宇宙的初氫燃燒,氦燃燒,碳燃燒過程,e過程重元素的誕生宇宙大爆炸理論的是非,1-4原子構(gòu)造的玻爾行星模型,氫原子光譜,分光器測量物質(zhì)放射或吸收的光的波長,拍攝各種各樣的光譜圖光譜圖就像“指紋”能夠識別人一樣,能夠識別形成光譜的元素。 在光譜分析中發(fā)現(xiàn)了銫、銣、氦、鎵、銦等多種元素。 然而,到本世紀(jì)初,只知道物質(zhì)在高溫或電激發(fā)下發(fā)光,而發(fā)光機(jī)理并不知道各種元素具有特定的光譜,但為什么不同的元素具

8、有不同的光譜卻不知道。 氫、氦、鋰、鈉、鋇、汞、氖的發(fā)光光譜(從上到下),氫光譜是所有元素光譜中最簡單的光譜。 在可見光區(qū)中,所述光譜包括若干分離的線性光譜線,其波長和符號如下:光譜線hhhh編號(n) 1 2 3 4 5波長/nm 656.279486.133434.048410.175397.009,從紅到紫1883年,瑞士巴爾默(J.J.Balmer 1825-1898 )發(fā)現(xiàn)在光譜波長()和編號(n )之間存在以下經(jīng)驗(yàn)方程式:里德堡(j.r.rydberg18555 ),氫的紅外光譜和紫外光譜的光譜當(dāng)1=2時,得到的是可見光譜的光譜線,稱為巴爾邁體系,當(dāng)n1=3時,得到氫的紅外光譜,稱

9、為個人體系,當(dāng)n1=1時,得到氫的紫外光光譜,稱為來歷曼體系。 玻爾理論,1,行星模型,2,穩(wěn)態(tài)假設(shè),3,量化條件,4,轉(zhuǎn)變規(guī)則,n=1時能量最低,此時能量為2.17910-18J,此時對應(yīng)的半徑為52.9pm,被稱為玻爾半徑的行星軌道和行星模型是玻爾新的量子力學(xué)證明了電子在核之外的所謂“行星軌道”是不存在的。 玻爾理論是合理的:核外電子處于穩(wěn)態(tài)時有確定性能量的原子光譜來源于核外電子的能量變化。這個真理傳承到了后來的量子力學(xué)上。 玻爾理論的基本科學(xué)思想方法承認(rèn)了原子系統(tǒng)穩(wěn)定長期存在的客觀事實(shí),大膽假設(shè)光譜的來源是核外電子的能量變化,以類比的科學(xué)方法形成核外電子的行星模型,并提出量化條件和遷移規(guī)

10、律等革命性概念。1-5氫原子結(jié)構(gòu)(核外電子運(yùn)動)的量子力學(xué)模型、1-5-1波粒二象性、物理學(xué)家們統(tǒng)一了光的粒子說和光的波動說,提出了光的波粒二象性,認(rèn)為光兼?zhèn)淞W有院筒▌有缘亩匦浴?(2)光子的運(yùn)動量(P=mc,E=mc2其中m是光子的質(zhì)量,c是光速)是光的倍率(Y2),這意味著當(dāng)I=h=2/4 (1)光的頻率恒定時,光子的密度()與光的幅度的平方(Y2)成比例: Y2 或者,1-5-2德布羅意關(guān)系式,1927年,年輕法國博士生德布羅意(de Broglie 1892-1987 )在他的博士論文中大膽假設(shè),所有的實(shí)物粒子與光具有相同的波粒二象性,引起科學(xué)界的關(guān)注。 也就是說,顯示光的波粒二象

11、性的關(guān)系式不僅僅是光的特性,也是電子、質(zhì)子、中子、原子等實(shí)物粒子的所有特性。 這給予了該關(guān)系式新的內(nèi)涵,以后稱為用達(dá)布洛伊關(guān)系式:=h/P=h/mv達(dá)布洛伊關(guān)系式修正的各種實(shí)物粒子的質(zhì)量、速度和波長。 實(shí)物粒子的質(zhì)量、速度和波長的關(guān)系,根據(jù)修正計(jì)算,宏觀物體的波長過短,完全無法測定,無法感知,所以對于宏觀物體,無需考察其波動性,對于高速運(yùn)動的質(zhì)量小的微觀物體,例如核外電子,必須考察其波動性。 該關(guān)系式通過大衛(wèi)生和日爾默的電子衍射實(shí)驗(yàn)得到了證實(shí)。 論證了1-5-3海森堡的不確定原理、量子力學(xué)不能用描述宏觀物體運(yùn)動的“軌跡”概念描述微觀物體的運(yùn)動。 所謂“軌跡”是指運(yùn)動中的物體在每個決定的時刻具有

12、決定的位置。 微觀粒子和宏觀物體不同,它們的運(yùn)動沒有軌跡,也就是說在固定的時間里沒有固定的位置。 這可以用海森堡的不確定原理來說明,一個物體相對于運(yùn)動量(mv )的測量偏差(mv )和該物體相對于位置(x )的測量偏差(x )的積為普朗克常數(shù)的數(shù)量級,即,(x)(mv)h/時,其運(yùn)動速度為2.18107m/s,光速已知電子的質(zhì)量為9.110-31kg,如果我們正確地將電子速度的測定設(shè)為v=104m/s,則成為(mv )=9. 11031104 KGM/s=9. 11027 KGM/s的電子的運(yùn)動坐標(biāo)的測定偏差為: x=5. 2731035 kg s=57951012m=5795pm,該電子相當(dāng)

13、于玻爾半徑的約110倍(5770倍),1 .波函數(shù)和4個量子數(shù)1 .波函數(shù)和雪定諤方程式是表示微粒子的運(yùn)動狀態(tài)的波函數(shù),x、y、z是微粒子的位置的三維坐標(biāo), 確定v電子勢能的e電子總能量(E-V )是電子的動能,表示雪定諤方程的物理意義:每個方程的合理解,表示電子運(yùn)動的某個穩(wěn)定狀態(tài)。 與該解對應(yīng)的常數(shù)e是該穩(wěn)定狀態(tài)下電子的總能量。 為了得到這個方程式的理解,必須導(dǎo)入3個量子數(shù)。設(shè)用波函數(shù)表示微粒子在三維空間中的運(yùn)動規(guī)則的式為雪定中傷方程式,用波函數(shù)表示微粒子在三維空間中的運(yùn)動規(guī)則的式為雪定中傷方程式,1-5-4氫原子的量子力學(xué)模型,2.4量子數(shù),主量子數(shù)(對應(yīng)于n,能量層),值范圍: n1,在

14、氫原子中,電子能量為: 量子數(shù)(l,對應(yīng)能級)、取值的范圍: l0、1、2、3、 n-1、物理意義:表示電子軌道的形狀和用多電子原子決定主量子數(shù)和電子的能量。 其可取值受n的限制。 在l0、1、2、3.的情況中的每個子層都由相應(yīng)的標(biāo)號s、p、d、f.表示。 量子數(shù)(m,對應(yīng)于軌道)、取值的范圍: m0、1、2、3、 l,物理意義:表示電子軌道在空間的延伸方向,電子運(yùn)動的3個量子數(shù)n、l、m,指定電子的空間運(yùn)動狀態(tài)時n2、l=1時,m的取值可以設(shè)為-1、0、1,3 二,一,一。 稱為p軌道,符號是:2Px、2Py、2Pz P軌道形狀為8字對稱,自旋量子數(shù)(對應(yīng)于ms,自旋狀態(tài))、自旋量子數(shù)不是從

15、氫原子波動方程式解,而是通過氫原子光譜的微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入的。 電子在簡并軌道中運(yùn)動時,磁場也會引起能量的微小變化,線性光譜在磁像素中分裂,因此物理意義:表示電子在原子軌道中運(yùn)動時的自旋方向。 在一個原子上,量子數(shù)完全相同的電子不能存在4個,所以電子的運(yùn)動狀態(tài)可以用4個量子數(shù)記述(n、l、m、ms ),2 .記述波函數(shù)的徑向部分和角度部分、在三維空間運(yùn)動的波函數(shù)可以用球坐標(biāo)表示,記述根據(jù)半徑電子運(yùn)動變化的分布y (,)也稱為波函數(shù)的角度部分,也稱為角度波函數(shù)。 描述電子運(yùn)動隨角度變化的分布的波函數(shù)。 根據(jù)波函數(shù)的放射狀分布圖和角度分布圖,可以直觀地形象性地說明原子的化學(xué)性質(zhì)。 1、波函數(shù)的角度分布圖(也稱為原子軌道角度分布圖)、波函數(shù)的角度分布圖(參照P38 )只與角量子數(shù)有關(guān),比如2p軌道圖形和3p或4p軌道圖形相同,圖形的形狀和符號可以從求解薛定諤方程式得到的波函數(shù)的具體公式中得到。 l=0時,稱為s軌道,稱為球形,符號稱為正。 l=1時,稱為p軌道,有3個簡并軌道,分別稱為px、py、pz軌道,軌道圖形是2個對頂?shù)摹扒驓ぁ?,坐?biāo)軸方向的一邊為正,另一邊為負(fù)。 l=2(d(

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