2018高中化学 第1章 原子结构 1.1.2 量子力学对原子核外电子运动状态的描述

自主思考 2.引入角量子数 l 解决了什么问题? 提示:引入角量子数 l 解决了多电子原子多条谱线的问题,例如钠原子, 处于 n=4 状态的电子跃迁到 n=3 的状态时,会产生多条谱线的问题。
一二
(3)磁量子数 m:在没有外磁场时,量子数 n、l 相同的状态的能量是相同 的;有外磁场时,这些状态的能量就不同,我们用磁量子数 m 来标记这些状态, 对于每一个确定的 l,m 值可取 0,±1,±2,…±l,共(2l+1)个状态。磁量子数用来 描述核外电子的空间运动方向。
一二
2.原子轨道的图形描述和电子云 (1)原子轨道的图形描述。 s 轨道在三维空间分布的图形为球形,即该原子轨道具有球对称性;p 轨 道空间分布的特点是分别相对于 x、y、z 轴对称,因此,p 原子轨道在空间的 分布分别沿 x、y、z 方向。 (2)电子云。 由于电子的质量非常小、运行速度极快,人们不能同时准确地测定它的 位置和速度。但原子核外的电子运动状态表现出按概率分布的统计规律, 可以形象地用电子云描述原子中电子的运动状态。这种形象地描述电子在 空间单位体积内出现的概率大小的图形称为电子云图。 注意:量子力学中的轨道的含义是电子在核外空间经常出现的区域轮 廓,与玻尔轨道的含义完全不同,它既不是圆周轨道,也不是其他经典意义上 的固定轨迹。
探究一
探究二
提示:原子的线状光谱产生于原子核外的电子在不同的、能量量子化的 轨道之间的跃迁。多电子原子光谱中原有的谱线之所以能分裂为多条谱线, 可能是量子数 n 标记的核外电子运动状态包含多个能量不同的“轨道”,电 子在不同能量的“轨道”之间跃迁时产生的谱线就会增多。
探究一
探究二
2.如何比较电子的能量的高低? 提示:在多电子原子中,电子填充原子轨道时,原子轨道能量的高低存在 如下规律: (1)相同电子层上原子轨道能量的高低:ns<np<nd。 (2)不同电子层形状相同的原子轨道能量的高低:1s<2s<3s;2p<3p<4p。 (3)相同电子层形状相同的原子轨道能量的高低:2px=2py=2pz。
一二
1.原子轨道与四个量子数 根据量子力学理论,原子中的单个电子的空间运动状态可以用原子轨
道来描述,而每个原子轨道由三个只能取整数的量子数 n、l、m 共同描述。 (1)主量子数 n: n 的取值为正整数 1,2,3,4,5,6…对应的符号为
K,L,M,N,O,P 等。一般而言,n 越大,电子离核的平均距离越远,能量越高,因 此,将 n 值所表示的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ子运动状态称为电子层。
探究一
探究二
原子轨道 ●问题导引●
1.玻尔只引入一个量子数 n,能比较好地解释了氢原子线状光谱产生的
原因;但复杂的光谱解释不了。实验事实:在氢原子中 n=2
n=1 时,
得到两条靠得很近的谱线,与此类比,在钠原子中 n=4 靠得很近的谱线。
n=3 得到两条
钠原子的部分光谱
为什么在通常条件下,钠原子中的处于 n=4 的电子跃迁到 n=3 的状态 时,在高分辨光谱仪上看到的不是一条谱线,而是两条谱线?
自主思考 3.引入磁量子数 m 解决了什么问题? 提示:引入磁量子数 m 解决了在外磁场的作用下,某一特定跃迁原来产 生的一条谱线都可能分裂为多条的问题。
一二
(4)自旋磁量子数 ms:高分辨光谱实验事实揭示核外电子还存在着一种 奇特的量子化运动,人们称其为自旋运动。人们用自旋磁量子数 ms 来标记 电子的自旋运动状态,处于同一原子轨道上的电子自旋运动状态只能有两 种,分别用“↑”和“↓”来表示。
探究一
探究二
●名师精讲●
核外电子运动状态的描述 1.电子层:在含有多个核外电子的原子中,电子的能量往往是不同的。人 们根据电子的能量差异和主要运动区域的不同,认为核外电子分别处于不 同的电子层(或能层)上。原子中由里向外的电子层数 n 可取 1,2,3,4,5 等正 整数,对应的电子层符号分别为 K,L,M,N,O 等,能量依次升高。 2.能级:处于同一电子层的电子,能量也可能不同,还可以把它们分成能 级,并用 s,p,d,f 等符号表示。每一电子层的能级数等于该层的层数(n):第一 层只有 1 个能级(1s),第二层有 2 个能级(2s 和 2p),第三层有 3 个能级 (3s,3p,3d),依次类推。
第2课时 量子力学对原子核外电子运 动状态的描述
情境导入 核外电子运动有什么
特点?
课程目标
1.能说出:原子结构的量子力学模型,了解电 子云的概念。 2.能知道:原子轨道的图像是原子轨道在空间的 一种形象化表示,并能辨认不同的原子轨道示意 图。 3.能利用:n、l、m、ms 这四个量子数描述核外电 子的运动状态。
一二
小结:主量子数 n 对应着电子层;主量子数 n 和角量子数 l 对应着 n 电 子层中的能级;主量子数 n,角量子数 l 和磁量子数 m 对应着 n 电子层中 l 能 级中的原子轨道;自旋磁量子数 ms 描述的是电子的自旋性质。这样,原子中 的单电子运动状态可用由量子数 n、l、m 确定的原子轨道来描述,并取两种 自旋状态中的一种。所以,描述一个电子的运动状态,要用四个量子数:n,l,m 和 ms。
自主思考 1.引入主量子数 n 解决了什么问题? 提示:引入主量子数 n 解决了氢原子光谱为线状光谱而不是连续光谱 的问题。
一二
(2)角量子数 l:对于确定的 n 值,l 共有 n 个值:0,1,2,3…,(n-1),对应的符 号分别为 s、p、d、f 等。若两个电子所取的 n、l 值均相同,就表明这两个 电子具有相同的能量。我们用能级来表示具有相同 n、l 值的电子运动状态, 在一个电子层中,l 有多少个取值,就表示该电子层有多少个能级。可见,同一 电子层内的电子根据能量的不同,可以分成不同的能级,第 n 电子层内有 n 个能级,如在 K 层中只有 1 个 s 能级;在 L 层中有 1 个 s 能级和 1 个 p 能 级;在 M 层中有 1 个 s 能级、1 个 p 能级和 1 个 d 能级;等等。
(5)原子轨道:我们通常把 n、l 和 m 共同确定的原子核外电子的空间运 动状态称为原子轨道。
若 l=0,表示 s 能级,m=0,即 s 能级中有 1 个原子轨道。 若 l=1,表示 p 能级,m=0,+1,-1,代表在空间有三个伸展方向,即 p 能级中 有 3 个能量相同的原子轨道。 若 l=2,表示 d 能级,m=0,+1,-1,+2,-2,代表在空间有五个伸展方向,即 d 能 级中有 5 个能量相同的原子轨道。 若 l=3,表示 f 能级,f 能级有 7 个伸展方向不同的轨道。 对于第 n 层的 s 轨道,记作 ns;对于第 n 层的 3 个 p 轨道,分别记作 npx、 npy、npz。