第一章 原子结构和元素周期律（课件）-《无机化学》同步教学（国防大学出版社）

无机化学 第一章 原子结构和元素周期律 第一节 原子的组成与核外电子排布 第二节 元素周期律与元素周期表 第三节 元素基本性质的周期性 第一节 原子的组成与核外电子排布 原子的组成 一、 在20世纪30年代，人们已经认识到原子是由处于原子中心的带正电荷的原子核和核外带负电荷的电子构成的。由于原子核跟核外电子的电量相同，电性相反，所以原子呈电中性。原子很小，半径约为10-10m；原子核更小，它的体积约为原子体积的1/1012。如果把原子比喻成一座庞大的体育场，则原子核只相当于体育场中央的一只蚂蚁。因此原子内部有相当大的空间，电子就在这个空间内绕着原子核作高速运动。 第一节 原子的组成与核外电子排布 原子核 1. 根据对天然放射元素的研究发现，原子核是由质子和中子构成的。一个质子带一个单位的正电荷，中子不带电荷，所以原子核的电荷数是由原子核内质子数决定的；又因一个电子带一个单位负电荷，所以核内质子数等于核外电子数。用符号Z表示核电荷数，则 核电荷数(Z)=核内质子数=核外电子数 第一节 原子的组成与核外电子排布 如果忽略电子的质量，再把质子、中子的相对质量取近似整数1，则原子的相对质量在数值上近似等于质子数与中子数的和。化学上把原子中质子数与中子数的和称为原子质量数，用符号A表示，若中子数用符号N表示，则 原子质量数(A)=质子数(Z)＋中子数(N) 第一节 原子的组成与核外电子排布 同位素 2. 元素是具有相同核电荷数(即质子数)的同一类原子的总称。也就是说，同种元素的原子的质子数是相同的，但通过近代科学研究发现，它们的中子数不一定相同。如氢元素有三种原子，它们的构成和名称见表1-1。 第一节 原子的组成与核外电子排布 第一节 原子的组成与核外电子排布 这三种原子的质子数均为1，都是氢元素，用符号H表示。这种具有相同质子数而中子数不同的同一种元素的多种原子互称同位素，如氕称氘、氚为同位素，氘、氚也称氕为同位素。同位素的质子数相同，化学性质也几乎相同，所以质子数是区别不同元素的根据。 几乎所有的元素都有同位素，少则几种，多则十几种。在天然存在的某种元素里，不论是游离态还是化合态，各种同位素的原子所占的该元素总原子数的百分比一般是不变的，这个百分比叫做“丰度”。 第一节 原子的组成与核外电子排布 同理，根据同位素的原子质量数，可以计算出该元素的近似相对原子质量。 在自然界中存在的各种同位素共有三百多种，而人造同位素则达一千五百多种。这些同位素有的是稳定的，称为稳定同位素；有的同位素的原子核不稳定，会自发放射出射线，称为放射性同位素。 第一节 原子的组成与核外电子排布 原子轨道 二、 为了研究电子等微观粒子的运动规律，首先必须解决如何描述微观粒子的运动状态的问题。由于电磁波可用波函数Ψ来描述，而量子力学从微观粒子具有波粒二相性出发，认为微粒运动状态也可以用波函数来描述。微观粒子是在三维空间中运动的，因此它的运动状态必须用三维空间伸展的波来描述，也就是说，这种波函数是空间坐标（x，y，z）的函数，表示为Ψ（x，y，z）。 第一节 原子的组成与核外电子排布 波函数Ψ是量子力学中描述核外电子在空间运动状态的数学函数式，即一定的波函数表示电子的一种运动状态，这种运动状态由于历史的原因被人们称为原子轨道。但是，这里的原子轨道的含义不同于宏观物体的运动轨道，也不同于玻尔所说的(圆形)固定轨道，它指的是电子的一种空间运动状态，可以理解为电子在原子核外运动的某个空间范围。为了避免与经典力学中的玻尔轨道相混淆，原子轨道又被称为原子轨函(原子轨道函数之意)，亦即波函数的空间图像就是原子轨道，原子轨道的数学表示式就是波函数。为此，原子轨道与波函数常作同义词混用。 第一节 原子的组成与核外电子排布 （2）每个波函数Ψ都具有对应的能量E； 波函数的意义有如下三个方面： （1）波函数Ψ是描述核外电子运动状态的数学函数式； （3）波函数绝对值的平方︱Ψ︱2表示电子在核外空间某处单位体积内出现的概率，即概率密度。 第一节 原子的组成与核外电子排布 波函数Ψ是一个与坐标有关的量，解薛定鄂方程时，为了方便起见，将直角坐标变换为球坐标。在直角坐标系中的空间任一点可以用(x，y，z)来描述，在球坐标中的这一点也可以用（r，θ，Φ）来描述。Ψ原是直角坐标的函数Ψ(x，y，z)，经变换后，则成为球坐标的函数Ψ（r，θ，Φ）。利用数学上的分离变量法，可将Ψ（r，θ，Φ）表示成R(r)和Y（θ，Φ）两部分，即 Ψ（r，θ，Φ）=R(r)·Y（θ，Φ）(1-1) 第一节 原子的组成与核外电子排布 将波函数Ψ的角度分布部分Y随θ、Φ变化作图，所得的图像就称为原子轨道的角度分布图，其剖面图如图1-1(a)所示。 原子轨道的角度分布图表示