原子軌道的空間取向自旋量子數(shù)（課堂PPT）

1、1Chapter 1 物質(zhì)結(jié)構(gòu) 元素周期律1.1 原子結(jié)構(gòu) 原子核外電子排布2核外電子排布核外電子排布1第一層第一層 第二層第二層 第三層第三層 第四層第四層 第五層第五層 第六層第六層 第七層第七層 K L M N O P Q 在含有多個(gè)電子的原子里，在含有多個(gè)電子的原子里，電子的能量并不相同。能量低電子的能量并不相同。能量低的電子通常在離核近的區(qū)域運(yùn)的電子通常在離核近的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，能量高的電子通常在離和動(dòng)，能量高的電子通常在離和核遠(yuǎn)的區(qū)域運(yùn)動(dòng)。核遠(yuǎn)的區(qū)域運(yùn)動(dòng)。 通常用電子層來表示這種離通常用電子層來表示這種離核遠(yuǎn)近的不同區(qū)域。核遠(yuǎn)近的不同區(qū)域。能量逐漸升高能量逐漸升高3核外電子排布規(guī)律核外電

2、子排布規(guī)律規(guī)律規(guī)律1: 1: 各電子層最多可容納的電子數(shù)為各電子層最多可容納的電子數(shù)為 2n2n2 2（n n表示電子層序數(shù)）；表示電子層序數(shù)）；規(guī)律規(guī)律2 2：原子核外電子排布時(shí)，最外層不原子核外電子排布時(shí)，最外層不 超過超過8 8個(gè)電子，次外層不超過個(gè)電子，次外層不超過1818 個(gè)，倒數(shù)第三層不超過個(gè)，倒數(shù)第三層不超過3232個(gè)。個(gè)。電子層電子層 K L M N O容納最多電子數(shù)容納最多電子數(shù) 2 8 18 32 50 4核外電子運(yùn)動(dòng)的波粒二象性核外電子運(yùn)動(dòng)的波粒二象性2光的波粒二象性光的波粒二象性光的波動(dòng)性光的波動(dòng)性: : 光在傳播過程中會(huì)產(chǎn)生干涉、光在傳播過程中會(huì)產(chǎn)生干涉、 衍射等現(xiàn)象

3、，具有波的特性；衍射等現(xiàn)象，具有波的特性；光的粒子性：光的粒子性：光在與實(shí)物作用時(shí)，表現(xiàn)出光在與實(shí)物作用時(shí)，表現(xiàn)出粒子的特性。粒子的特性。 光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，為說明光的光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，為說明光的一切行為，只能說光具有一切行為，只能說光具有波粒二象性波粒二象性。5電子的波粒二象性電子的波粒二象性 19231923年德布羅依（年德布羅依（de Broglie）在光的波粒二象性的啟發(fā)下，大膽在光的波粒二象性的啟發(fā)下，大膽預(yù)言了電子也具有波粒二象性，并預(yù)言了電子也具有波粒二象性，并推導(dǎo)出德布羅依關(guān)系式：推導(dǎo)出德布羅依關(guān)系式：=h/P=h/mv h:普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，6.

4、62610-34Js德布羅意德布羅意L. de Broglie法國物理學(xué)家法國物理學(xué)家獲獲1929年年Nobel物理獎(jiǎng)物理獎(jiǎng)6Heisenberg測不準(zhǔn)原理測不準(zhǔn)原理具有波粒二象性的微具有波粒二象性的微觀粒子，不能同時(shí)測觀粒子，不能同時(shí)測準(zhǔn)其位置和速度（動(dòng)準(zhǔn)其位置和速度（動(dòng)量）。如果微粒的運(yùn)量）。如果微粒的運(yùn)動(dòng)位置測得愈準(zhǔn)確，動(dòng)位置測得愈準(zhǔn)確，則相應(yīng)的速度愈不易則相應(yīng)的速度愈不易測準(zhǔn)，反之亦然。測準(zhǔn)，反之亦然。海森堡海森堡Werner Carl Heisenberg1902-1972德國物理學(xué)家德國物理學(xué)家獲獲1932年年Nobel物理獎(jiǎng)物理獎(jiǎng)722hhxPxm v 或式中 x 表示位置測不準(zhǔn)

5、量，P 表示動(dòng)量測不準(zhǔn)量， h 為普朗克常數(shù) (6.626 10-34Js)， 為圓周率， m 為質(zhì)量，v 表示速度的測不準(zhǔn)量。Heisenberg測不準(zhǔn)原理測不準(zhǔn)原理8電子云的概念電子云的概念 假想將核外一個(gè)電子每個(gè)瞬間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行攝影。并假想將核外一個(gè)電子每個(gè)瞬間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行攝影。并將這樣數(shù)百萬張照片重疊，得到如下的統(tǒng)計(jì)效果圖，形象將這樣數(shù)百萬張照片重疊，得到如下的統(tǒng)計(jì)效果圖，形象地稱為電子云圖。地稱為電子云圖。 電子云沒有明確的邊界，在離核很遠(yuǎn)的地方，電子仍有出電子云沒有明確的邊界，在離核很遠(yuǎn)的地方，電子仍有出現(xiàn)的可能，但實(shí)際上在離核現(xiàn)的可能，但實(shí)際上在離核200300pm以外的

6、區(qū)域，電子以外的區(qū)域，電子出現(xiàn)的概率可以忽略不計(jì)。出現(xiàn)的概率可以忽略不計(jì)。核外電子運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)核外電子運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)29四四個(gè)個(gè)量量子子數(shù)數(shù) 主量子數(shù)主量子數(shù)n 1，2，3，4 角量子數(shù)角量子數(shù)l 0，1，2，3，(n-1)，共，共 n 個(gè)取值個(gè)取值 磁量子數(shù)磁量子數(shù)m 0， 1， 2， l，共共2l+1個(gè)取值個(gè)取值 自旋量子數(shù)自旋量子數(shù)ms 核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述10主量子數(shù)主量子數(shù) n取值取值 1, 2, 3, 4, n 為正整數(shù)為正整數(shù)(自然數(shù)自然數(shù)) 能量量子化能量量子化光譜學(xué)上用光譜學(xué)上用 K , L , M , N , 表示表示意義意義 ： 表示電子離核平均

7、距離遠(yuǎn)近及電子能量高低的量表示電子離核平均距離遠(yuǎn)近及電子能量高低的量子數(shù)。子數(shù)。n= 1表示第一層表示第一層(K層層)，能量最低，離核最，能量最低，離核最近。近。n的數(shù)值大，電子距離原子核遠(yuǎn)，則具有較高的數(shù)值大，電子距離原子核遠(yuǎn)，則具有較高的能量。的能量。11主量子數(shù)主量子數(shù)n1234567電子層電子層一一二二三三四四五五六六七七符號(hào)符號(hào)KLMNOPQ主量子數(shù)主量子數(shù) n12角量子數(shù)角量子數(shù) l用來描述核外電子運(yùn)動(dòng)所處原子軌道（或電子云）用來描述核外電子運(yùn)動(dòng)所處原子軌道（或電子云）形狀的，也是決定電子能量的次要因素。形狀的，也是決定電子能量的次要因素。 對(duì)于確定對(duì)于確定的主量子數(shù)的主量子數(shù) n

8、 ，角量子數(shù)，角量子數(shù) l 可以為可以為 0, 1, 2, 3, 4, ( n-1 )， 共共 n 個(gè)取值，光譜學(xué)上依次用個(gè)取值，光譜學(xué)上依次用 s , p , d , f , g , 表示表示 。意義意義 角量子數(shù)角量子數(shù) l 決定原子軌道的形狀決定原子軌道的形狀 l 0 1 2 3 4 符號(hào)符號(hào) s p d f g 13角量子數(shù)角量子數(shù) ln = 4 時(shí)：時(shí)：l = 0 表示表示 s 軌道，能量最低，形狀為球形，即軌道，能量最低，形狀為球形，即4s 軌道；軌道；l = 1 表示表示 p 軌道，形狀為啞鈴形，軌道，形狀為啞鈴形，4p 軌道；軌道；l = 2 表示表示 d 軌道，形狀為花瓣形，

9、軌道，形狀為花瓣形，4d 軌道；軌道；l = 3 表示表示 f 軌道，能量最高，形狀復(fù)雜軌道，能量最高，形狀復(fù)雜, 4f 軌道軌道14磁量子數(shù)磁量子數(shù) m描述原子軌道（或電子云）在空間伸展方向的量描述原子軌道（或電子云）在空間伸展方向的量子數(shù)。子數(shù)。 M取值：取值：0, 1, 2, 3, l，共有（，共有（2l+1）個(gè)）個(gè)數(shù)值數(shù)值意義意義 m 決定原子軌道的空間取向決定原子軌道的空間取向Eg. 若若l=3，則，則m=0, 1, 2, 3 共共7個(gè)值。個(gè)值。15磁量子數(shù)磁量子數(shù) m當(dāng)當(dāng)l=0時(shí)，時(shí)，m=0，即，即s亞層只有一個(gè)伸展方向；亞層只有一個(gè)伸展方向；當(dāng)當(dāng)l=1時(shí)，時(shí)，m=-1,0,+1，

10、即，即p亞層有亞層有3個(gè)伸展方向，個(gè)伸展方向， 分別沿直角坐標(biāo)系的分別沿直角坐標(biāo)系的x,y,z軸方向伸展，依次稱為軸方向伸展，依次稱為 px,py,pz;當(dāng)當(dāng)l=1時(shí)，時(shí)，m=-2，-1，0，+1，-1，-2，即，即d亞層有亞層有5 個(gè)伸展方向，依次稱為個(gè)伸展方向，依次稱為dxy，dyz，dxz，d x2y2，dz2;依此類推，軌道依此類推，軌道f亞層有亞層有7個(gè)伸展方向。個(gè)伸展方向。16原子軌道的空間取向原子軌道的空間取向sxzpxxzpyxypzxzdxyxydyzyzdxzxzdx2-y2xydz2xz17自旋量子數(shù)自旋量子數(shù) ms描述電子自旋方式的量子數(shù)，描述電子自旋方式的量子數(shù)，用用

11、 ms 表。表。ms稱為自旋量子數(shù)，取值只有兩個(gè)，稱為自旋量子數(shù)，取值只有兩個(gè)，+ 和和 。電子的自旋方式只有兩種，通常。電子的自旋方式只有兩種，通常用用 “ ” 和和 “ ”表示表示順時(shí)針、逆時(shí)針順時(shí)針、逆時(shí)針。18填充允許的量子數(shù)填充允許的量子數(shù)n =2 l =( ) m =1 ms=+1/2n =2 l =1 m =( ) ms=+1/2n =3 l =0 m =( ) ms=+1/2n =( ) l =2 m =0 ms=+1/2n =2 l =( ) m = -1 ms=+1/2n =4 l =( ) m =0 ms=+1/2n = 4 l = 2 m =( ) ms= 1/2 1

12、0,1 0 3 1 0 0, 1, 219n = 2, l = 1, m = 0n = 2, l = 2, m = -1n = 3, l = 0, m = 0n = 3, l = 1, m = 1n = 2, l = 0, m = -1n = 2, l = 3, m = 2 合理 l = 1 合理 合理 m = 0或l=1 l=0,1; m=0, 1 或n3請(qǐng)找出不合理的量子數(shù)請(qǐng)找出不合理的量子數(shù)20填表填表7351軌道個(gè)數(shù)3120角量子數(shù)5432主量子數(shù)存在存在存在不存在存在是否存在5f4p3d2d2s電子組態(tài)21近似能級(jí)圖近似能級(jí)圖 近似能級(jí)圖是按原子軌道的能量高低順序近似能級(jí)圖是按原子軌

13、道的能量高低順序排列的，能量相近的劃為一組，成為能級(jí)排列的，能量相近的劃為一組，成為能級(jí)組，共七個(gè)能級(jí)組。組，共七個(gè)能級(jí)組。 能級(jí)組的存在，是周期表中化學(xué)元素可劃分為能級(jí)組的存在，是周期表中化學(xué)元素可劃分為各個(gè)周期及每個(gè)周期應(yīng)有元素?cái)?shù)目的根本原因。各個(gè)周期及每個(gè)周期應(yīng)有元素?cái)?shù)目的根本原因。 對(duì)于對(duì)于4、5、6、7能級(jí)組，在一個(gè)能級(jí)中包含不能級(jí)組，在一個(gè)能級(jí)中包含不同電子層的能級(jí)現(xiàn)象稱為能級(jí)交錯(cuò)同電子層的能級(jí)現(xiàn)象稱為能級(jí)交錯(cuò)22多電子原子中的能級(jí)圖多電子原子中的能級(jí)圖能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象23l l 相同，相同，n 越大，能量越高越大，能量越高 Eg. E1sE2sE3sE4s; E2pE3pE4pE5p

14、.l n 相同，相同，l 越大，能量越高越大，能量越高 同一主層中各亞層能級(jí)產(chǎn)生差別的現(xiàn)象叫做同一主層中各亞層能級(jí)產(chǎn)生差別的現(xiàn)象叫做能能級(jí)分裂級(jí)分裂. Eg. E2sE2p; EnsEnp L M N （1）同一軌道組的電子之間）同一軌道組的電子之間=0.35,1s組為組為0.30； （2）被屏蔽電子為）被屏蔽電子為ns，np時(shí)，時(shí)，(n-1)軌道組的每個(gè)軌道組的每個(gè)電子的電子的=0.85，小于，小于(n-1)軌道組的每個(gè)電子的軌道組的每個(gè)電子的=1.00，被屏蔽電子為，被屏蔽電子為nd,nf時(shí)位于它左邊的各軌時(shí)位于它左邊的各軌道組的每個(gè)電子的道組的每個(gè)電子的=1.00。屏蔽效應(yīng)屏蔽效應(yīng)29

15、在原子核附近出現(xiàn)的概率較大的電子，可更多地在原子核附近出現(xiàn)的概率較大的電子，可更多地避免其余電子的屏蔽，受到核的較強(qiáng)的吸引而更避免其余電子的屏蔽，受到核的較強(qiáng)的吸引而更靠近核，這種進(jìn)入原子內(nèi)部空間的作用叫做靠近核，這種進(jìn)入原子內(nèi)部空間的作用叫做鉆穿鉆穿效應(yīng)。效應(yīng)。 與屏蔽效應(yīng)相反，外層電子有鉆穿效應(yīng)。外層角與屏蔽效應(yīng)相反，外層電子有鉆穿效應(yīng)。外層角量子數(shù)小的能級(jí)上的電子，如量子數(shù)小的能級(jí)上的電子，如4s電子能鉆到近核電子能鉆到近核內(nèi)層空間運(yùn)動(dòng)，這樣它受到其他電子的屏蔽作用內(nèi)層空間運(yùn)動(dòng)，這樣它受到其他電子的屏蔽作用就小，受核引力就強(qiáng)，因而電子能量降低，造成就小，受核引力就強(qiáng)，因而電子能量降低，造

16、成E（4s）E(3d) 。 鉆穿能力：鉆穿能力： ns np nd nf 能級(jí)分裂結(jié)果：能級(jí)分裂結(jié)果： Ens Enp End 3p 3d31核核外外電電子子排排布布原原理理能量最低原理能量最低原理泡利不相容原理泡利不相容原理洪特規(guī)則洪特規(guī)則32能量最低原理能量最低原理按照近似能級(jí)圖，核外電子總是盡先排布在按照近似能級(jí)圖，核外電子總是盡先排布在能量最低的軌道上，當(dāng)能量最低的軌道排滿能量最低的軌道上，當(dāng)能量最低的軌道排滿后，電子才依次排布在能量較高的軌道上。后，電子才依次排布在能量較高的軌道上。電子先填充能量低的軌道，后填充能量高的電子先填充能量低的軌道，后填充能量高的軌道。盡可能保持體系的能量

17、最低。軌道。盡可能保持體系的能量最低。E1s E2s E3s E4sE3s E3p E3d33能量最低原理能量最低原理 n=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7電子層電子層 K L M N O P Q34在一個(gè)原子中，不可能存在一個(gè)原子中，不可能存在四個(gè)量子數(shù)完全相同的在四個(gè)量子數(shù)完全相同的兩個(gè)電子。一個(gè)原子軌道兩個(gè)電子。一個(gè)原子軌道最多只能容納兩個(gè)電子，最多只能容納兩個(gè)電子，而且這兩個(gè)電子的自旋方而且這兩個(gè)電子的自旋方式必須相反。式必須相反。電子層的最大容量：電子層的最大容量：2n2泡利Wolfgang Pauli1900-1958奧地利裔美國物理學(xué)家獲1945年Nobel物理獎(jiǎng)泡利不相容

18、原理泡利不相容原理35“電子在能量相同的軌電子在能量相同的軌道上分布時(shí)，總是盡道上分布時(shí)，總是盡可能以自旋相同的方可能以自旋相同的方向分占不同的軌道。向分占不同的軌道?！焙樘睾樘谾riderich Hermann Hund1896-1997德國物理學(xué)家德國物理學(xué)家洪特規(guī)則洪特規(guī)則36電子分布到能量相同電子分布到能量相同的等價(jià)（的等價(jià)（簡并簡并，即，即n 相同相同）軌道時(shí)，總是軌道時(shí)，總是盡先以自旋相同（自盡先以自旋相同（自旋平行旋平行）的方向，單的方向，單獨(dú)占據(jù)能量相同的軌獨(dú)占據(jù)能量相同的軌道，即總是以自旋相道，即總是以自旋相同的方式分占盡可能同的方式分占盡可能多的軌道。各軌道保多的軌道。各軌

19、道保持一致，則體系的能持一致，則體系的能量低。量低。洪特規(guī)則洪特規(guī)則6C：1s22s22p21s2s 2px2py2pz1s2s 2px2py2pz7N：1s22s22p337作為作為 Hund 規(guī)則的特例，簡并軌道在全充滿規(guī)則的特例，簡并軌道在全充滿(p6，d10，f14)、半充滿、半充滿(p3，d5，f7)和全空和全空(p0，d0，f0)時(shí)是比較穩(wěn)定的。時(shí)是比較穩(wěn)定的。重要的特例重要的特例:洪特規(guī)則補(bǔ)充洪特規(guī)則補(bǔ)充38基態(tài)原子的電子排布基態(tài)原子的電子排布能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象：電子進(jìn)入軌道的能級(jí)順序能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象：電子進(jìn)入軌道的能級(jí)順序1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p電子由最低能量的電子由最低能量的1s軌道依次填入，每個(gè)軌道最多軌道依次填入，每個(gè)軌道最多只能填入只能填入2個(gè)電子。個(gè)電子。元素電子填到最后能級(jí)組注意元素電子填到最后能級(jí)組注意洪特規(guī)則特例洪特規(guī)則特例主量子數(shù)相同的按主量子數(shù)相同的按角量子數(shù)大小角量子數(shù)大小順序書寫順序書寫1s22s22p63s23p63d54s1主量子數(shù)整理1s22s22p63s23p64s13d5由洪特規(guī)則特例1s22s22p63s23p64s23d4能量最低排布24Cr39核外電子排布表達(dá)方式40Eg.1 分別寫出原子序數(shù)為分別寫出原子序數(shù)為13、19、27、33元元素的原子的電子排