高考化學(xué)專題復(fù)習(xí) 第八章 原子結(jié)構(gòu)教案
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第八章 原子結(jié)構(gòu) 一、教學(xué)基本要求 1．氫原子結(jié)構(gòu)的近代概念 了解微觀粒子運(yùn)動(dòng)特征；了解原子軌道(波函數(shù))、幾率密度和電子云等核外電子運(yùn)動(dòng)的近代的概念；熟悉四個(gè)量子數(shù)對核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述；熟悉s、p、d原子軌道的形狀和伸展方向。 2． 電子原子結(jié)構(gòu) 掌握原子核外電子分布原理，會(huì)由原子序數(shù)寫出元素原子的電子分布式和外層電子構(gòu)型；掌握元素周期系和各區(qū)元素原子或離子的電子層結(jié)構(gòu)的特征；根據(jù)元素原子的電子分布式能確定元素在周期表中的位置。了解有效核電荷、屏蔽效應(yīng)的概念；熟悉原子半徑、有效核電荷、電離能、電子親合能、電負(fù)性、主要氧化值等周期性變化規(guī)律，以了解元素的有關(guān)性質(zhì)。 二、學(xué)時(shí)分配: 講 授 內(nèi) 容 學(xué)時(shí)數(shù)(6.0) 1．氫原子結(jié)構(gòu)的近代概念 2.0 2．多電子原子結(jié)構(gòu) 4.0 三、教學(xué)內(nèi)容 8.1引言 從19世紀(jì)末，隨著科學(xué)的進(jìn)步和科學(xué)手段的加強(qiáng)，在電子、放射性和x射線等發(fā)現(xiàn)后，人們對原子內(nèi)部的較復(fù)雜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)越來越清楚。1911年盧瑟福(Rutherford E)建立了有核原子模型，指出原子是由原子核和核外電子組成的，原子核是由中子和質(zhì)子等微觀粒子組成的，質(zhì)子帶正電荷，核外電子帶負(fù)電荷。 在一般化學(xué)反應(yīng)中，原子核并不發(fā)生變化，只是核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變。因此原子核外電子層的結(jié)構(gòu)和電子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，特別是原子外電子層結(jié)構(gòu)，就成為化學(xué)領(lǐng)域中重要問題之一。 原子中核外電子的排布規(guī)律和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的研究以及現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)理論的建立，是從對微觀粒子的波粒二象性的認(rèn)識(shí)開始的。 8.2氫原子結(jié)構(gòu)的近代概念 8.2.1微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征 1.微觀粒子的波粒二象性 光的干涉、衍射現(xiàn)象表現(xiàn)出光的波動(dòng)性，而光壓、光電效應(yīng)則表現(xiàn)出光的粒子性。稱為光的波粒二象性。光的波粒二象性可表示為λ= h/p= h /mυ 式中，m是粒子的質(zhì)量，υ是粒子運(yùn)動(dòng)速度 p是粒子的動(dòng)量。 1924年，法國理論物理學(xué)家德布羅依(de Broglie L V)在光的波粒二象性的啟發(fā)下，大膽假設(shè)微觀粒子的波粒二象性是具有普遍意義的一種現(xiàn)象。他認(rèn)為不僅光具有波粒二象性，所有微觀粒子，如電子、原子等也具有波粒二象性。 1927年，德布羅依的大膽假設(shè)就由戴維遜(Davisson C J)和蓋革(Geiger H)的電子衍射實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。圖8-1是電子衍射實(shí)驗(yàn)的示意圖。當(dāng)經(jīng)過電位差加速的電子束A入射到鎳單晶B上，觀察散射電子束的強(qiáng)度和散射角的關(guān)系，結(jié)果得到完全類似于單色光通過小圓孔那樣得到的衍射圖像，如圖所示。這表明電子確實(shí)具有波動(dòng)性。電子衍射實(shí)驗(yàn)證明德布羅依關(guān)于微觀粒子波粒二象性的假設(shè)是正確的。 圖8-1電子衍射實(shí)驗(yàn) 電子的粒子性只需通過下面實(shí)驗(yàn)即可證實(shí)：陰極射線管內(nèi)兩極之間裝一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的小飛輪，當(dāng)陰極射線打在小飛輪上，小飛輪即可旋轉(zhuǎn)，說明電子是有質(zhì)量、有動(dòng)量的粒子，亦即具有粒子性。 2．微觀離子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)性 在經(jīng)典力學(xué)中，一個(gè)宏觀粒子在任一瞬間的位置和動(dòng)量是可以同時(shí)準(zhǔn)確測定的。例如發(fā)出一顆炮彈，若知道它的質(zhì)量、初速及起始位置，根據(jù)經(jīng)典力學(xué)，就能準(zhǔn)確地知道某一時(shí)刻炮彈的位置、速度(或動(dòng)量)。換言之，它的運(yùn)動(dòng)軌道是可測知的。而對具有波粒二象性的微觀粒子則不同，現(xiàn)在已證明：由于它們運(yùn)動(dòng)規(guī)律的統(tǒng)計(jì)性．我們不能像在經(jīng)典力學(xué)中那樣來描述它們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即不能同時(shí)準(zhǔn)確地測定它們的速度和空間位置。 1927年海森伯(Heisenberg W)提出了測不準(zhǔn)原理(uncertainty principle)，ΔxΔP=h Δx為粒子位置的不確定度， ΔP 為粒子動(dòng)量的不確定度。 由此可見，對于宏觀物體可同時(shí)準(zhǔn)確測定位置和動(dòng)量(或速度)，即不確定原理對宏觀物體實(shí)際上不起作用，而該原理卻很好地反映了微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征。表明具有波動(dòng)性的微觀粒子與服從經(jīng)典力學(xué)的宏觀粒子有完全不同的特點(diǎn)。 8.2.2 核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)描述 一、 波函數(shù)y和電子云 1．波函數(shù) 1926年，薛定諤根據(jù)波粒二象性的概念提出了一個(gè)描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的基本方程—薛定諤方程。薛定諤方程是一個(gè)二階微分方程： 當(dāng)將這個(gè)方程用于氫原子時(shí)，求解這個(gè)方程，就能把氫原子系統(tǒng)的波函數(shù)y和能量E求出來。r是核與電子的距離，代入上式，得到原子軌道和電子云的分布圖——波函數(shù)的空間圖像。但求解過程很復(fù)雜，下面只介紹求解得到的一些基本概念。 2．電子云 氫原子核外只有一個(gè)電子，設(shè)想核的位置固定，而電子并不是沿固定的軌道運(yùn)動(dòng)，由于不確定關(guān)系，也不可能同時(shí)測定電子的位置和速度。但我們可以用統(tǒng)計(jì)的方法來判斷電子在核外空間某一區(qū)域出現(xiàn)的機(jī)會(huì)(概率)是多少。設(shè)想有一個(gè)高速照相機(jī)能攝取電子在某一瞬間的位置。然后在不同瞬間拍攝成千上萬張照片，若分別觀察每一張照片，則它們的位置各不相同，似無規(guī)律可言，但如果把所有的照片疊合在一起看，就明顯地發(fā)現(xiàn)電子的運(yùn)動(dòng)具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律性，電子經(jīng)常出現(xiàn)的區(qū)域是在核外的一個(gè)球形空間。如用小黑點(diǎn)表示一張照片上電子的位置，如疊合起來就如圖8-2所示。 離核愈近處，黑點(diǎn)愈密，它如同帶負(fù)電的云一樣，把原子核包圍起來，這種想像中的圖形就叫做電子云，圖(a)電子在核附近出現(xiàn)的概率密度最大。概率密度隨r的增加而減少。圖(b)是一系列的同心球面，一個(gè)球面代表一個(gè)等 密度面，在一個(gè)等密度面上概率密度相等。圖中的數(shù)字表示概率密度的相對大小，同樣離核愈近，概率密度愈大，其值規(guī)定為1。圖(c)是電子云的界面圖，它表示在界面內(nèi)電子出現(xiàn)的概率(如95％以上)。 概率密度代表單位體積中電子出現(xiàn)的概率。 二、原子軌道和電子云的圖像 圖8-2 電子云和界面圖 電子運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)由波函數(shù)ψ來描述，|ψ|2則是電子在核外空間出現(xiàn)的幾率密度。處于不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子，它們的ψ各不相同，其|ψ|2 也不同。 在波函數(shù)ψ(r、q、f)=R(r)Θ(q)Φ(f)中，R(r)與r有關(guān)，可以用以討論徑向的分布；其他兩個(gè)函數(shù)與電子出現(xiàn)在什么角度(q和f)有關(guān)，將兩個(gè)函數(shù)可以合并起來，用以討論角度分布。 即令：Θ(q)Φ(f)=Y(q、f) Y(q、f)稱為角度波函數(shù)，于是波函數(shù)ψ可以寫為 ψ(r、q、f)= R(r)Y(q、f) 下面分別討論原子軌道和電子云角度分布圖。波函數(shù)ψ的角度部分是Y(q、f)。若以Y(q、f)對q、f ，作圖則得到波函數(shù)的角度分布圖，若以Y2(q、f)對q、f 作圖，得到電子云的分布圖(即概率密度的分布圖)。 1. ψ的角度分布圖 原子軌道的角度分布圖的具體作法是：從球極坐標(biāo)原點(diǎn)出發(fā)，引出各條方向?yàn)?q、f 的直線，取它們的長度等于相應(yīng)的Y(q、f) 值，將所有這些直線的端點(diǎn)連起來，在空間形成的曲面即為原子軌道的角度分布圖。因?yàn)閅(q、f) 只與l、m有關(guān)，與n無關(guān)。 2. |ψ|2的角度分布圖 如前所述，把|ψ|2在空間中的分布叫做電子云，它形象地表示電子在空間出現(xiàn)的概率密度的大小。 把波函數(shù)的角度部分Y(q、f)取平方后Y2(q、f)對（q、f) 作圖就得到電子云角度分布圖。 電子云的角度分布圖與相應(yīng)的波函數(shù)的角度分布圖是相似的，但有區(qū)別： 波函數(shù)的角度分布圖中Y有正負(fù)，電子云的角度分布圖Y2則無正負(fù)。 而且由于Y(q、f)<1，取平方后其值更小，所以電子云角度分布圖稍“瘦長”些。圖8-3是 s、p、d電子云的角度分布圖。 圖8-3 s、p、d電子云的角度分布圖 三、 四個(gè)量子數(shù) 要描述原子中各電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，需用四個(gè)參數(shù)確定。 1．主量子數(shù) n 主量子數(shù) (主電子層數(shù)) n=1， 2， 3， 4， 5， 6，7，… 電子層符號(hào): K，L，M，N，O，P…. 物理意義：主量子數(shù)n是描述電子離核的遠(yuǎn)近程度的參數(shù)，電子運(yùn)動(dòng)的能量主要由主量子數(shù)n來決定，n值越大，電子的能量越高。 2．角量子數(shù) l 角量子數(shù) l 的取值為0，1，2，3…，(n-1)， 在光譜學(xué)上分別以 s，p，d，f，…表示。 意義：角量子數(shù) l是描述電子云形狀。 當(dāng)n相同時(shí) ，不同的 l 值(即不同的電子云形狀)對能量值也稍有影響，且與 l值成正比，例如：當(dāng)主量子數(shù)同為n時(shí)，有如下的關(guān)系：Ens下載提示(請認(rèn)真閱讀)
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