大学无机化学经典课件：原子结构共69页

电子的能级
电子在原子中具有不同的能级，每个 能级对应不同的电子轨道和能量状态。
电子的运动
电子在原子核外以极高的速度运动， 形成“电子云”或“概率分布”。
原子核与电子的关系
电荷平衡
原子核的正电荷与电子的负电荷 相互平衡，使得整个原子呈电中
性。
引力与斥力
原子核与电子之间存在引力和斥力， 引力使得电子被束缚在原子核周围， 斥力则使得电子不会塌缩到原子核 中。
电负性是衡量元素在化合物中吸引电子能力 相对大小的标度，电负性越大，元素的非金 属性越强。
元素周期表的应用
预测未知元素的性质
根据已知元素的性质和周期律， 可以预测未知元素的性质。
指导新材料的研发
利用元素周期表中的元素性质， 可以指导新材料的研发，如超导 材料、半导体材料等。
指导化学反应
利用元素周期表中的元素性质， 可以指导化学反应的进行，如选 择合适的催化剂、反应条件等。
3
汤姆生的“葡萄干面包”模型 发现电子后，提出原子由带正电的“面包”和嵌 在其中的带负电的“葡萄干”（电子）组成。
原子结构研究的重要性
01
02
03
理解物质本质
原子是构成物质的基本单 元，研究其结构有助于理 解物质的本质属性。
推动科技发展
原子结构的深入研究为量 子力学、核能利用、材料 科学等领域的发展奠定了 基础。
性质。
原子结构与元素性质的关系
原子半径
电离能
原子半径的大小与元素的化学性质密切相关， 原子半径越大，原子核对核外电子的吸引力 越小，元素的金属性越强。
电离能的大小反映了原子失去电子的难易程 度，电离能越小，原子越容易失去电子，元 素的金属性越强。

1914年， 佛兰克和赫兹用实验测定了电子从原子中电离出来所需的能量，从而直截了当地证实了玻尔的基本设想。
6、电子云模型：量子力学来描述核外电子运动
添加标题
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因此，我们必须放弃玻尔的简单原子模型，以“电子云”的模型代替它。
1926 年，薛定格用波函数来描述微观粒子的运动状态, 建立了波函数所遵从的微分方程。
h：普朗克常数（6.626 10-3 4 J·s）， x 表示位置的测不准量； P 表示动量的测不准量。
具有波粒二象性的微观粒子，不可能同时准确测定其速度和位置。
01
测不准原理到底说明什么呢？
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
03
因此，核外电子的运动规律，只能用统计方法指出它在核外某处出现的可能性，即概率大小。
02
核外电子不可能沿着一条玻尔理论所指的固定轨道运动。
玻尔原子模型：已踏在量子力学的门坎
电子绕核圆周运动，但不辐射电磁波。 电子只在一些特定的轨道上运动。
1913 年, 玻尔对核外电子大胆地提出了具有历史意义的三点假设:
只有当电子从一个稳定轨道跃迁到另一个稳定轨道上时，才释放或吸收光子。
获1922 年诺贝尔物理学奖－对原子结构、原子辐射的研究
但是，玻尔理论毕竟只是经典力学与量子物理的混合物，其理论本身存在固有的内在矛盾，这种矛盾在日新月异的实验物理和理论物理中暴露无遗， 终于在十几年之后让位于新的量子论－量子力学。
3
2
4
1
第3节 氢核外电子的运动状态
经典波（如水波）： 可用波动方程来准确描述其运动轨迹。 具有波粒二象性的电子是否也有相应的波动方程呢?
1926年，奥地利物理学家薛定谔，提出了著名的薛定谔方程
描述微观粒子运动状态的方程式（二阶偏微分方程）

3. 四个量子数(n、l、m、ms)：物理意义、取值范围及相互关系
•
解薛定谔方程必须先确定三个量子数，即n,l,m ；除此之外，
由于电子还要作自旋运动，因此需引入描述电子自旋特征的第
四个量子数ms——自旋量子数。
•
这些量子数对所描述的电子的能量、原子轨道或电子云的
形状和空间伸展方向以及多电子原子核外电子的排布是非常重
5. 氢原子光谱：特征谱线！氢谱
6. 玻尔的三个基本假设：
(1) 定态轨道理论：原子中的电子不能任意地绕核旋转，而只能
在一些符合一定条件的轨道上运动，即 电子 pmvrn h
不放出能量，轨道为稳定轨道，此状态称基态；
2
(2) 轨道能级的概念：电子运动的轨道不同能量就不同，离 核 越远能量越高；电子尽可能处于离核较近(低能量)的轨道；电 子运动所处的能量状态称为能级，电子所处轨道的能量是量子
原子轨道：波函数的图象称为原子轨道。
但必须注意：这里的原子轨道的含义不同于宏观物体的运动 轨道（如铁轨），它是指电子云的分布情况或电子的一种空间运 动状态，换句话说，将一定空间取向的电子云，看作是一个原子 轨道。例如s电子云为球形，只有一条轨道(各方向取向相同)；p 电子云为哑铃形，有三个取向(px , py , pz)，因此有三条轨道；而d 电子云有五条轨道；f 电子云有七条轨道。
电子层结构的特征，并结合原子参数熟悉元素性质周 期性的变化规律。
图1 道尔顿原子模型
§1.1 原子的含核模型
1. “枣糕模型”： 1903年W.汤姆生(1824~1907)提出， 原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球内，电子 则镶在球里，原子受到激发后，电子振动，产生光谱。
图2 汤姆生原子模型

氢原子光谱的特点是在可见区有四条比较明显的谱线， 通常用 H，H，H，H 来表示
氢原子的线状光谱
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火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
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火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
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火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
氢原子光谱和玻尔模型
Na光谱
所有波长
红
橙
黄绿
青蓝
紫
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火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
E = h
式中 E 为光子的能量， 为光子的频率，h 为 Planck 常数，其值为 6.62610-34 Js。物质以光的形式吸收或放 出的能量只能是光量子能量的整数倍。
电量的最小单位是一个电子的电量。 我们将以上的说法概括为一句话，在微观领域中能量、 电量是量子化的。量子化是微观领域的重要特征，后面我 们还将了解到更多的量子化的物理量。
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火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
玻尔提出的三点假设： 1）稳定轨道的概念 2） 电子在离核越远的轨道上运 动，能量越大 3） 处于激发态的电子不稳定，可以跃迁到离核 较近的轨道上同时释放出光能
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火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去

宏观粒子子弹 m 1.0 102 kg, v 1.0 103 m.s 1
6.6 1035 m
显然，包括宏观物体如运动着的垒球和枪弹等都可按德布罗依 公式计算它们的波长。由于宏观物体的波长极短以致无法测量，所以宏观 物体的波长就难以察觉，主要表现为粒性，服从经典力学的运动规律。只 有象电子、原子等质量极小的微粒才具有与 x射线数量级相近的波长才符 合德布罗依公式，然而如此短的波长在一般条件下仍不易显现出来。
地面接收降水
一个个雨滴，不能是半个雨滴完成
雨滴有大有小 相当于较大的雨滴，落到地面的动能较大 相当于较小的雨滴，落到地面的动能较小 21
波尔模型基础四----爱因斯坦光子学说
1905年爱因斯坦成功地解释了光电效应， 将能量量子化概念扩展到光本身，即入 射光本身的能量也按普朗克方程量子化, 并将这一份份数值为1的能量叫光子 （photons），一束光线就是一束光子流， 频率一定的光子其能量都相同，光的强 弱只表明光子的多少，而与每个光子的 The 能量无关。
题表面看来似乎不太复杂，但却长期使许多科学家既神往又 困扰，经历了一个生动而又曲折的探索过程。 卢瑟福的有核模型 Bohr在
氢原子的光谱实验 普朗克的量子化学 的基础上，建立了Bohr理论.
爱因斯坦的光子学说
波粒二象性
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波尔模型基础三--普朗克的量子化学
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波粒二象性—解决原子结构问题的“总开关”
波尔理论的基本内容（2）
关于轨道能量量子化的概念。电子轨道角动量的量子化也 意味着能量量子化，即原子只能处于上述条件所限定的几 个能态，不可能存在其他能态： 定态(stationary state)：所有这些允许能态之统称，核 外电子只能在有确定半径和能量的定态轨道上运动，且不 辐射能量； 基态(ground state): n 值为 1 的定态，通常电子保持 在能量最低的这一基态， 基态是能量最低即最稳定的状 态。 激发态(excited states):除基态以外的其余定态，各激 发态的能量随 n 值增大而增高，电子只有从外部吸收足 26 够能量时才能到达激发态。

原子核的体积只有原子体积的１／１０ １２－ 1５ ，而原 子核的质量却占了原子质量的99.9% 以上 ，所以原子核的
密度高达 1×1013 g· cm-3 （一般物质的密度只有 1×１０ ０
g· cm－３ 数量级）。 根据爱因斯坦 (Einstein)的质能联系方程可以算出，原子 核内蕴藏着异常巨大的潜能。原子正是通过其巨大质量的核
运 动 范 围 运 动 速 度 描 述 方 法
无机化学
8.2 单电子原子的结构
8.2.1 微观粒子的量子化特征
1、 普朗克的量子假说
（1）黑体辐射实验 无反射能力的物体称(绝对)黑体，黑体向四周 辐射的能量称为辐射能。按照经典理论的观点，谐 振子的能量和它的振幅平方成正比，振子的振幅是
连续变化的，因而振子的能量也是连续变化的。然
En = n E
n =1，2，3，„，正整数
能量的这种不连续性，称 ( 能量 ) 量子化，最小 能量单元称为 ( 能 ) 量子。由于它与黑体辐射的频率 成正比，相当于一个光子的能量，又称为光量子：
也就是说， 质子数相同的原子属于同种元素 。但质子数相
同的原子，中子数不一定相同，这意味着同种元素中可能 含有不同的原子。 无机化学
8.1 原子的内部组成
元素 将质子数相同的一类单核粒子统称为同一种元素， 用元素符号Ｅ表示。 核素
将质子数和中子数都相同的单核粒子称为同一种核素，
用核素符号 ZA E 表示。 式中左下标Z为质子数，左上标A为核子数(质子数与中子 数之和)，因为它近似等于原子质量的数值，故A又称为 质量数。 无机化学
最小单位作跳跃式的增减，这一物理量就是量子化 的，其变化的最小单位就叫做这一物理量的量子。
普朗克的量子假说，否定了“一切自然过程都是连续的”

• 玻尔理论的成功与不足之处
玻尔理论合理的是：核外电子处于定态时有确定的能 量；原子光谱源自核外电子的能量变化。在原子中引 入能级的概念，成功地解释了氢原子光谱，在原子结 构理论发展中起了重要的作用。
玻尔提出的模型却遭到了失败。因为它不能说明多电 子原子光谱，也不能说明氢原子光谱的精细结构。这 是由于电子是微观粒子，不同于宏观物体，电子运动 不遵守经典力学的规律。而有本身的特征和规律。玻 尔理论虽然引入了量子化，但并没有完全摆脱经典力 学的束缚，它的电子绕核运动的固定轨道的观点不符 合微观粒子运动的特性，因此原子的玻尔模型不可避 免地要被新的模型所代替－－即原子的量子力学模型。
物质波称为概率波，核外电子的运动具有概率分
布的规律。
1-1-3-2 核外电子运动状态的近代描述 ㈠ 薛定谔方程
1粒 92 x 2的 62年波 ，粒 奥两2 y 2 地 象 利性 科的2 z 学基2家础薛上8 h 定，m 2锷通2在过E 考光虑学V 实和 物力 微学0
的对比，把微粒的运动用类似于光波动的运 物理意义动：方对程于来一描个述质。量为m，在势能为V的势场中运动的微 粒来说，薛定谔方程的每一个合理的解Ψ，就表示该微粒运动 的某一定态，与该解Ψ相对应的能量值即为该定态所对应的能 级。
Ψ1s 1s 原子轨道
n = 2 l = 0 m = 0 Ψ200(x,y,z)
Ψ2s 2s 原子轨道
n = 2 l = 1 m = 0 Ψ210(x,y,z)
n = 3 l = 2 m = 0 Ψ320(x,y,z) 通常， l = 0 l = 1 l = 2
Ψ2p
Ψ3d l= 3
1-1-3 原子的量子力学模型
1-1-3-1 微观粒子及其运动的特性

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课件
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3d z2
n课=件 3, l=2, m=0
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3d x2 y2
n=3, l=2
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课件
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3 d xy
n=3, l=2
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课件
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3 d xz
n=3, l=2
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课件
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3 d yz n=3, l=2
光的强度∝|ψ|2
所以，光子密度是与|ψ|2成正比的。同理，在原子核外某
处空间，电子出现的概率密度（ρ）也是和电子在该处的强度
2（019ψ/9/）23 的绝对值平方成正比的课：件 ρ∝|ψ|2
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2. 电子云
为了形象地表示核外电子运动的概 率分布情况，化学上惯用小黑点分布的 疏密表示电子出现概率密度的相对大小。 小黑点较密的地方，表示概率密度较大， 单位体积内电子出现的机会多。用这种 方法来描述电子在核外出现的概率密度 分布所得的空间图象称为电子云。
ν=
En3-En2 h
=
-2.4210-19J- (-5.4510-19J) 6.62610-34J·s
= 4.571014s-1
λ3→2= cν(光3→速2 )= 4.35710180m14·ss--11= 656.5nm
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课件
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波尔氢原子模型
成功地解释了氢原子和类氢原子(如He+、 Li2+)的光谱现象, 推动了原子结构的发展 严重的局限性。只能解释单电子原子(或 离子)光谱的一般现象，不能解释多电子 原子光谱
无机化学多媒体电子教案
第五章 原子结构和元素周期性

离子键。
离子晶体的结构
02
离子晶体中正负离子交替排列，形成空间点阵结构，具有高的
熔点和沸点。
离子键的强度
03
离子键的强度与离子的电荷、半径及电子构型有关，电荷越高、
半径越小，离子键越强。
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共价键与分子结构
2024/1/29
共价键的形成
原子间通过共用电子对形成共价键，共价键具有方向性和饱和性。
分子的极性与偶极矩
大学无机化学完整版ppt课件
2024/1/29
1
目录
2024/1/29
• 无机化学概述 • 原子结构与元素周期律 • 化学键与分子结构 • 化学反应基本原理 • 酸碱反应与沉淀溶解平衡 • 氧化还原反应与电化学基础 • 配位化合物与超分子化学简介
2
01
无机化学概述
Chapter
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反应机理
基元反应和复杂反应、反应机理的推导和表示 方法
反应速率理论
碰撞理论、过渡态理论和微观可逆性原理
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影响反应速率的因素
浓度、温度、催化剂和光照等外部条件对反应速率的影响
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05
酸碱反应与沉淀溶解平衡
Chapter
2024/1/29
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酸碱反应概述
酸碱定义及性质
介绍酸碱的基本概念、性质和分类，包括阿累尼乌斯 酸碱理论、布朗斯台德酸碱理论等。
配位化合物的组成 中心原子或离子、配体、配位数、配位键等。
配位化合物的分类
3
根据中心原子或离子的性质可分为金属配位化合 物和非金属配位化合物；根据配体的性质可分为 单齿配体和多齿配体等。
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O: 1s22s22p4 Na: 1s22s22p63s1
Fe: 1s22s22p63s23p63d64s2
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本章目录
为简化电子排布式，常用“原子实〞替 代部分内电子层，即用加方括号的稀有气 体符号替代原子内和稀有气体具有一样电 子构造的部分内层电子构造，如：
C: [He]2s22p2 Cl: [Ne]3s23p5
能量：与氢原子不同, 能量不仅与n有关, 也与l有关;
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本章目录
Pauling近似能级图
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本章目录
几点阐明：
〔1〕能级图按原子轨道能量的高低顺序排 列，把能量相近的能级划为一组，通常 分为七组。
〔2〕l一样，n越大能量越高； n一样，l越大能量越高。
〔3〕n、l均不同时，能量高低用〔n+0.7 l〕 判别。
〔1〕原子光谱为延续光谱 〔2〕原子的湮灭 与现实不符！
1913年，玻尔结合普朗克的量子论和爱因 斯坦的光子学说，提出玻尔实际，解释了氢 光谱。
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本章目录
3.玻尔〔Bohr〕实际
两点假设： ①核外电子只能在有确定半径和能量的轨 道上运动,且不辐射能量；轨道的角动量是 h/2π的整数倍。
M n h
第六章 原子构造
6.1 微观粒子的波粒二象 6性.2 氢原子核外电子运动形状 6.3 多电子原子核外电子的运动形状 6.4 原子构造和元素周期 律
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章本总章目录
学习要求
1.了解核外电子运动的特殊性－波粒二象性；
2.能了解波函数角度分布图、电子云角度分布图和 电子云径向分布图；
3.掌握四个量子数的量子化条件及其物理意义；掌 握电子层、电子亚层、能级和轨道的含义；

03
电子数等于质子数，决定了元素的化合价。
原子的电子排布
01
02
03
泡利不相容原理
同一能级上不能有两个或 更多的相同自旋状态的电 子。
洪特规则
在等价能级上，电子优先 以自旋方向相同的方式排 列。
能量最低原理
电子优先占据能量最低的 轨道。
原子的能级与跃迁
原子的能级由主量子数、角量子数和磁量子数决 定。
反应。
非金属元素的原子结构与性质
非金属元素原子的最外层电子 数通常较多，容易形成共价键
。
非金属元素在固态下通常呈 现共价晶体或分子晶体，具
有较高的熔点和沸点。
非金属元素在气态和液态时表 现出明显的非金属特性，例如 氧化性、还原性、电负性等。
金属元素的原子结构与性质
01
金属元素原子的最外层电子数较少，容易失去电子成为正离子 。
当原子吸收或释放能量时，电子可以从一个能级 跃迁到另一个能级。
跃迁的能量差决定了光谱线的波长，不同的光谱 线对应于不同的元素和化合物。
02
原子轨道理论
原子轨道的概念与分类
原子轨道的概念
原子轨道是指描述电子在原子核周围 运动状态的波函数。
原子轨道的分类
根据电子云的形状和空间取向，原子 轨道可分为s、p、d、f等类型。
《无机化学原子结构 》ppt课件
xx年xx月xx日
• 原子结构概述 • 原子轨道理论 • 元素周期表与原子结构 • 原子结构与元素性质的关系 • 无机化学中的重要原子结构
目录
01
原子结构概述
原子的基本组成
01
原子由质子、中子和电子组成。
02
质子数决定了元素的种类，而中子数则影响同位素 的种类。