高考化學專題復習 第八章 原子結構教案
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第八章 原子結構 一、教學基本要求 1．氫原子結構的近代概念 了解微觀粒子運動特征；了解原子軌道(波函數(shù))、幾率密度和電子云等核外電子運動的近代的概念；熟悉四個量子數(shù)對核外電子運動狀態(tài)的描述；熟悉s、p、d原子軌道的形狀和伸展方向。 2． 電子原子結構 掌握原子核外電子分布原理，會由原子序數(shù)寫出元素原子的電子分布式和外層電子構型；掌握元素周期系和各區(qū)元素原子或離子的電子層結構的特征；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、屏蔽效應的概念；熟悉原子半徑、有效核電荷、電離能、電子親合能、電負性、主要氧化值等周期性變化規(guī)律，以了解元素的有關性質(zhì)。 二、學時分配: 講 授 內(nèi) 容 學時數(shù)(6.0) 1．氫原子結構的近代概念 2.0 2．多電子原子結構 4.0 三、教學內(nèi)容 8.1引言 從19世紀末，隨著科學的進步和科學手段的加強，在電子、放射性和x射線等發(fā)現(xiàn)后，人們對原子內(nèi)部的較復雜結構的認識越來越清楚。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，核外電子帶負電荷。 在一般化學反應中，原子核并不發(fā)生變化，只是核外電子運動狀態(tài)發(fā)生改變。因此原子核外電子層的結構和電子運動的規(guī)律，特別是原子外電子層結構，就成為化學領域中重要問題之一。 原子中核外電子的排布規(guī)律和運動狀態(tài)的研究以及現(xiàn)代原子結構理論的建立，是從對微觀粒子的波粒二象性的認識開始的。 8.2氫原子結構的近代概念 8.2.1微觀粒子的運動特征 1.微觀粒子的波粒二象性 光的干涉、衍射現(xiàn)象表現(xiàn)出光的波動性，而光壓、光電效應則表現(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是粒子運動速度 p是粒子的動量。 1924年，法國理論物理學家德布羅依(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就由戴維遜(Davisson C J)和蓋革(Geiger H)的電子衍射實驗所證實。圖8-1是電子衍射實驗的示意圖。當經(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度和散射角的關系，結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。這表明電子確實具有波動性。電子衍射實驗證明德布羅依關于微觀粒子波粒二象性的假設是正確的。 圖8-1電子衍射實驗 電子的粒子性只需通過下面實驗即可證實：陰極射線管內(nèi)兩極之間裝一個可旋轉的小飛輪，當陰極射線打在小飛輪上，小飛輪即可旋轉，說明電子是有質(zhì)量、有動量的粒子，亦即具有粒子性。 2．微觀離子運動的統(tǒng)計性 在經(jīng)典力學中，一個宏觀粒子在任一瞬間的位置和動量是可以同時準確測定的。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，就能準確地知道某一時刻炮彈的位置、速度(或動量)。換言之，它的運動軌道是可測知的。而對具有波粒二象性的微觀粒子則不同，現(xiàn)在已證明：由于它們運動規(guī)律的統(tǒng)計性．我們不能像在經(jīng)典力學中那樣來描述它們的運動狀態(tài)，即不能同時準確地測定它們的速度和空間位置。 1927年海森伯(Heisenberg W)提出了測不準原理(uncertainty principle)，ΔxΔP=h Δx為粒子位置的不確定度， ΔP 為粒子動量的不確定度。 由此可見，對于宏觀物體可同時準確測定位置和動量(或速度)，即不確定原理對宏觀物體實際上不起作用，而該原理卻很好地反映了微觀粒子的運動特征。表明具有波動性的微觀粒子與服從經(jīng)典力學的宏觀粒子有完全不同的特點。 8.2.2 核外電子運動狀態(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描述微觀粒子運動的基本方程—薛定諤方程。薛定諤方程是一個二階微分方程： 當將這個方程用于氫原子時，求解這個方程，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電子，設想核的位置固定，而電子并不是沿固定的軌道運動，由于不確定關系，也不可能同時測定電子的位置和速度。但我們可以用統(tǒng)計的方法來判斷電子在核外空間某一區(qū)域出現(xiàn)的機會(概率)是多少。設想有一個高速照相機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)電子的運動具有統(tǒng)計規(guī)律性，電子經(jīng)常出現(xiàn)的區(qū)域是在核外的一個球形空間。如用小黑點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，黑點愈密，它如同帶負電的云一樣，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，一個球面代表一個等 密度面，在一個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 電子運動的狀態(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。處于不同運動狀態(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，可以用以討論徑向的分布；其他兩個函數(shù)與電子出現(xiàn)在什么角度(q和f)有關，將兩個函數(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：從球極坐標原點出發(fā)，引出各條方向為 q、f 的直線，取它們的長度等于相應的Y(q、f) 值，將所有這些直線的端點連起來，在空間形成的曲面即為原子軌道的角度分布圖。因為Y(q、f) 只與l、m有關，與n無關。 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，電子云的角度分布圖Y2則無正負。 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、 四個量子數(shù) 要描述原子中各電子的運動狀態(tài)，需用四個參數(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: 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近程度的參數(shù)，電子運動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n相同時 ，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：當主量子數(shù)同為n時，有如下的關系：Ens
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