原子轨道奥赛优课细讲.ppt

原子轨道原子轨道·价键轨道价键轨道·分子轨道分子轨道atomic orbitalvalence orbitalmolecular orbital1 1教育课资教育课资原子轨道ATOMAtomic orbitals2 2教育课资教育课资3 3教育课资教育课资4 4教育课资教育课资 5 5教育课资教育课资6 6教育课资教育课资7 7教育课资教育课资Niels Bohr1885 – 19621922年获诺贝尔物理奖 106号元素被命名为Bohrium中文名称元素符号 Bh8 8教育课资教育课资9 9教育课资教育课资1010教育课资教育课资 谱　　线　　　谱　　线　　　 Hα Hβ　　 Hγ Hδ Hε … 编编 号号(n) １　　　２　　１　　　２　　 ３　　３　　 ４　　４　　 ５　　５　　 　　 波波 长长 /nm　　　　 656.279 486.133 434.048 410.175 397.009　　　　 …里德堡常数里德堡常数 RH=1.09677×107m-1 巴尔麦方程巴尔麦方程里德堡方程里德堡方程1111教育课资教育课资m-电子质量，v-电子线速度，r-电子线性轨道的半径） εo=L = mvr离心力＝向心力离心力＝向心力角动量角动量量子化条件量子化条件角动量量子化角动量量子化氢原子氢原子的的电离能电离能电子跃迁电子跃迁释放的释放的光子能量光子能量1212教育课资教育课资电子性轨道上的线速度：电子性轨道上的线速度：电子性轨道上的线速度：电子性轨道上的线速度：电子绕原子核运行的轨道半径：电子绕原子核运行的轨道半径：电子绕原子核运行的轨道半径：电子绕原子核运行的轨道半径：     n n = 2 = 2 的轨道能计算：的轨道能计算：的轨道能计算：的轨道能计算：1313教育课资教育课资1414教育课资教育课资NIELS BO H RThe structure of the atomNobel Lecture, December 11, 19221515教育课资教育课资1616教育课资教育课资德布罗依 对玻尔 行星轨道上运行的电子能处于定态而不 释放能量的解释——电子是一个波在玻尔行星轨道上运行的电子是一个驻波，图像如下：半波长的n倍等于圆周长。

后来的认识否定了德布罗依对行星轨道的图像，但电子处于定态时是一个驻波的认识被证实了 De Broglie1717教育课资教育课资1818教育课资教育课资电子电子 具有波粒二象性具有波粒二象性现代原子核外电子运动模型现代原子核外电子运动模型1919教育课资教育课资2020教育课资教育课资苍苍蝇蝇头头部部的的电电子子显显微微镜镜照照片片2121教育课资教育课资烟烟草草花花叶叶病病毒毒的的电电子子显显微微镜镜照照片片2222教育课资教育课资单单晶晶的的电电子子衍衍射射谱谱图图2323教育课资教育课资驻波的振幅图驻波的振幅图一维驻波一维驻波Ψ＝＝f(x)2424教育课资教育课资二维驻波二维驻波Ψ＝＝f(x.y)三维驻波三维驻波Ψ＝＝f(x.y.z)n=1n=2?2525教育课资教育课资核外电子的定态是三维驻波核外电子的定态是三维驻波n n一维波的振幅在二维空间里呈现一维波的振幅在二维空间里呈现一维波的振幅在二维空间里呈现一维波的振幅在二维空间里呈现n n二维波的振幅在三维空间里呈现二维波的振幅在三维空间里呈现二维波的振幅在三维空间里呈现二维波的振幅在三维空间里呈现n n三维波的振幅如何呈现？三维波的振幅如何呈现？三维波的振幅如何呈现？三维波的振幅如何呈现？2626教育课资教育课资核外电子运动状态　　　　六、核外电子运动状态的描述六、核外电子运动状态的描述　　　　在量子力学处理氢原子核外电子的理论模型中，在量子力学处理氢原子核外电子的理论模型中，最基本的方程叫做最基本的方程叫做薛定谔方程薛定谔方程，是由奥地利科学家，是由奥地利科学家薛薛定谔定谔（（E.Schrödinger 1887-1961）在）在1926年提出来的。

年提出来的薛定谔方程是一个二阶偏微分方程，它的自变量是核薛定谔方程是一个二阶偏微分方程，它的自变量是核外电子的坐标（直角坐标外电子的坐标（直角坐标x，，y，，z或者极坐标或者极坐标r，，q q，，f f），），它的因变量是电子波的振幅（它的因变量是电子波的振幅（Y Y）　　　　给定电子在符合原子核外稳定存在的必要、合理给定电子在符合原子核外稳定存在的必要、合理的条件时（如的条件时（如Y Y的取值必须是连续的、单值的，也就是的取值必须是连续的、单值的，也就是坐标一定时电子波的振幅是唯一的单值，是连续的函坐标一定时电子波的振幅是唯一的单值，是连续的函数，等等），薛定谔方程得到的每一个解就是核外电数，等等），薛定谔方程得到的每一个解就是核外电子的一个子的一个定态定态，它，它具有一定的能量（具有一定的能量（E E）），具有一个电，具有一个电子波的振幅随坐标改变的的函数关系式子波的振幅随坐标改变的的函数关系式[ [Y Y=f(x,y,z)或或Y Y= =f( (r,q,f,q,f)] )]，称为，称为振幅方程或波动方程振幅方程或波动方程2727教育课资教育课资薛定谔方程薛定谔方程Ψ1＝f1(x,y,z)=f1(r,φ,θ)=R1(r)Y1(φ,θ)Ψ2＝f2(x,y,z)Ψ3＝f3(x,y,z) …Ys=Ypx=Ypz=Ypy=...2828教育课资教育课资2929教育课资教育课资3030教育课资教育课资3131教育课资教育课资3232教育课资教育课资3333教育课资教育课资3434教育课资教育课资3535教育课资教育课资3636教育课资教育课资3737教育课资教育课资3838教育课资教育课资3939教育课资教育课资4040教育课资教育课资P = 0.9    电子出现的概率为电子出现的概率为90%          r = 2.6 ao  4141教育课资教育课资4242教育课资教育课资4343教育课资教育课资4444教育课资教育课资4545教育课资教育课资描述核外电子的图像描述核外电子的图像n n波函数的角度分布图像波函数的角度分布图像•波函数的球面概率图像波函数的球面概率图像•电子云图像电子云图像4646教育课资教育课资角度分布图像角度分布图像q q q q0 0151530304545606075759090Y Y0.4890.4890.4720.4720.4230.4230.3450.3450.2440.2440.1260.1260 0q q q q1801801651651501501351351201201051059090Y Y-0.489-0.489-0.472-0.472-0.423-0.423-0.345-0.345-0.244-0.244-0.126-0.1260 00.472+-yz15°4747教育课资教育课资电子云生成图电子云生成图4848教育课资教育课资S电子的电子云图1s2s3s4949教育课资教育课资2p电子云3p电子云5050教育课资教育课资3dx2-y2电子云5151教育课资教育课资1s 2s 2pD D函数图形与电子云图形的关系函数图形与电子云图形的关系5252教育课资教育课资3s 3px5353教育课资教育课资5454教育课资教育课资2s 2s 电子的原子轨道图电子的原子轨道图5555教育课资教育课资 2pz 2px 2py电子云轮廓图电子云轮廓图5656教育课资教育课资5757教育课资教育课资几种常见描述核外电子的图形对比几种常见描述核外电子的图形对比n n角函数图角函数图Y Y,  , Y Y2 2( (不涉及能层）不涉及能层） Ψ Ψ( (r r, ,θ θ. .φ φ)=)=R R( (r r)· )·Y Y( (θ θ. .φ φ) )n n电子云黑点图电子云黑点图( (Ψ Ψ2 2) )n n电子云轮廓图电子云轮廓图n nD D函数图像函数图像( (r r2 2R R2 2) )电子云黑点图与轮廓图电子云黑点图与轮廓图DY2Ψ Ψ2 2 YΨ Ψ2 2 Ψ Ψ2 2 5858教育课资教育课资1s, 2s, 3s电子云轮廓图和剖面图电子云轮廓图和剖面图5959教育课资教育课资s轨道和轨道和p轨道的轨道的Y 图像和图像和Y2 图像图像6060教育课资教育课资d 轨道的轨道的 Y 和和Y2 图像图像6161教育课资教育课资 f 轨轨 道道 的的 Y 和和Y2 图像图像6262教育课资教育课资对在三维空间里可制作电子云黑点图的理解对在三维空间里可制作电子云黑点图的理解6363教育课资教育课资计算机模拟的Cu2O晶体的Cu-O键电子云旅旅美美中中国国学学者者ZOU ZOU Jian-MingJian-Ming等等用用X X衍衍射射和和电电子子衍衍射射结结合合的的技技术术研研究究了了赤赤铜铜矿矿的的Cu-OCu-O键键的的性性质质，，按按3d3d轨轨道道与与4s4s轨轨道道发发生生杂杂化化形形成成sdsd杂杂化化轨轨道道的的模模型型，，计计算算了了d d轨轨道道的的电电子子移移向向4s4s轨轨道道形形成成的的电电子子空空穴穴的的电电子子云云图图象象，，结结果果令令人人振振奋奋地地得得到到一一个个与与教教科科书书上上画画的的d dZ Z2 2轨轨 道道 十十 分分 相相 似似 的的 计计 算算 机机 图图 象象[ [NatureNature 401401，，4949（（19991999））] ]。

该该图图象象的的获获得得被被美美国国《《化化学学与与工工程程》》杂杂志志选选为为19991999年年美美国国五五大大化化学学新闻之一新闻之一6464教育课资教育课资核外电子运动状态能层能层   能级能级 轨道轨道 可能空间运动状态数可能空间运动状态数 可能运动状态数可能运动状态数一一(K)    1s    1s    1       2二二(L)     2s    2s    1       2　　　　　　　　　　    2p  2px,2py,2pz        3        6三三(M)   3s   3s    1        2　　　　　　　　　　     3p  3px,3py,3pz    3              6　　 　　 　　 　　 　　   3d 3dxy,3dyz,3dxz,　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　   3dx2-y2,3dz2              5                               10 四四(N)   4s    1个轨道个轨道   1              2　　　　　　　　　　   4p    3个轨道个轨道   3                 6　　　　　　　　　　    4d    5个轨道个轨道   5      10　　　　　　　　   4f7个轨道个轨道   7      146565教育课资教育课资基态原子电子组态　　　　(3)能能量量最最低低原原理理——基基态态原原子子是是处处于于最最低低能能量量状状态的原子。

态的原子　　　　能能量量最最低低原原理理认认为为，，基基态态原原子子核核外外电电子子的的排排布布力力求使整个原子的能量处于最低状态求使整个原子的能量处于最低状态　　　　随随核核电电荷荷数数递递增增，，大大多多数数元元素素的的电电中中性性基基态态原原子子的的电电子子按按如如下下顺顺序序填填入入核核外外电电子子运运动动轨轨道道，，叫叫做做构构造造原理　　　　电电子子先先填填最最外外层层的的ns，，后后填填次次外外层层的的(n-1)d，，甚甚至填入倒数第三层的至填入倒数第三层的(n-2)f的规律叫做的规律叫做“能级交错能级交错”　　　　请请注注意意：：能能级级交交错错现现象象是是电电子子随随核核电电荷荷递递增增填填充充电电子子次次序序上上的的交交错错,并并不不意意味味着着先先填填能能级级的的能能量量一一定定比比后填能级的能量低后填能级的能量低6666教育课资教育课资6767教育课资教育课资　　　　随随核核电电荷荷数数递递增增,电电子子每每一一次次从从填填入入ns能能级级开开始始到填满到填满np能级能级,称为建立一个周期，于是有：称为建立一个周期，于是有：         周期周期: ns开始开始→np结束结束      同周期元素的数目同周期元素的数目     第一周期：第一周期：1s2     第二周期：第二周期：2s，，2p8     第三周期：第三周期：3s，，3p8     第四周期：第四周期：4s，，3d，，4p18     第五周期：第五周期：5s，，4d，，5p18     第六周期：第六周期：6s，，4f，，5d，，6p32     第七周期：第七周期：7s，，5f，，5d，，... ? 基态原子电子组态6868教育课资教育课资　　周期系中有约　　周期系中有约20个元素的基态电中性原子的电子个元素的基态电中性原子的电子组态（组态（electron configuration，又叫，又叫构型或排布构型或排布)不符合不符合构造原理，其中的常见元素是：构造原理，其中的常见元素是：元素元素         按构造原理的组态按构造原理的组态          实实测测组组态态　　　　　　　　(24Cr)   1s22s22p63s23p63d44s2     1s22s22p63s23p63d54s1 (29Cu) 1s22s22p63s23p63d94s2     1s22s22p63s23p63d104s1(42Mo)  1s22s22p63s23p63d104s24p64d45s2                                         1s22s22p63s23p63d104s24p64d55s1  (47Ag) 1s22s22p63s23p63d104s24p64d95s2　　                                        1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1 (79Au) 1s2···4s24p64d104f145s25p65d96s1                                        1s2···4s24p64d104f145s25p65d106s1 基态原子电子组态6969教育课资教育课资基态原子电子组态表：基态电中性原子的电子组态表：基态电中性原子的电子组态1  氢氢H   1s12  氦氦He  1s23  锂锂Li  [He] 2s14  铍铍Be [He] 2s25  硼硼B   [He] 2s22p16  碳碳C   [He] 2s22p27  氮氮N   [He] 2s22p38  氧氧O   [He] 2s22p49  氟氟F    [He] 2s22p510氖氖Ne  1s2 2s22p611钠钠Na [Ne] 3s112镁镁Mg [Ne] 3s213铝铝Al   [Ne] 3s23p114硅硅Si    [Ne] 3s23p2 15磷磷P     [Ne] 3s23p3 16硫硫S     [Ne] 3s23p4 17氯氯Cl    [Ne] 3s23p5 18氩氩Ar  1s22s22p63s23p6 19钾钾K     [Ar] 4s120钙钙Ca   [Ar] 4s221钪钪Sc    [Ar] 3d14s222钛钛Ti     [Ar] 3d24s223钒钒V      [Ar] 3d34s224铬铬Cr*   [Ar] 3d54s125锰锰Mn    [Ar] 3d54s226铁铁Fe      [Ar] 3d64s227钴钴Co     [Ar] 3d74s228镍镍Ni      [Ar] 3d84s2“电子仁电子仁”或或“电子实电子实”价电子层价电子层 价层电子价层电子 不不符符合合构构造造原原理理 7070教育课资教育课资基态原子电子组态表：表：  基态电中性原子的电子组态基态电中性原子的电子组态29铜铜Cu*[Ar] 3d104s130锌锌Zn   [Ar] 3d104s231镓镓Ga  [Ar] 3d104s24p132锗锗Ge  [Ar] 3d104s24p233砷砷As  [Ar] 3d104s24p334硒硒Se  [Ar] 3d104s24p435溴溴Br  [Ar] 3d104s24p536氪氪Kr  [Ar] 3d104s24p637铷铷Rb  [Kr] 5s138锶锶Sr   [Kr] 5s239钇钇Y    [Kr] 4d15s240锆锆Zr   [Kr] 4d25s241铌铌Nb*[Kr] 4d45s142钼钼Mo*[Kr] 4d55s143锝锝Tc    [Kr] 4d55s244钌钌Ru*[Kr] 4d75s145铑铑Rh*[Kr] 4d85s146钯钯Pd*[Kr] 4d1047银银Ag*[Kr] 4d105s148镉镉Cd  [Kr] 4d105s249铟铟In   [Kr] 4d105s25p150锡锡Sn  [Kr] 4d105s25p251锑锑Sb  [Kr] 4d105s25p352碲碲Te  [Kr] 4d105s25p453碘碘I     [Kr]4d105s25p554氙氙Xe  [Kr] 4d105s25p655铯铯Cs  [Xe] 6s156钡钡Ba  [Xe] 6s27171教育课资教育课资元 素 周 期 系　　　　“长式长式”周期表周期表——每个周期占一个横排。

这种每个周期占一个横排这种三角形周期表能直观地看到元素的周期发展，但不易三角形周期表能直观地看到元素的周期发展，但不易考察纵列元素（从上到下）的相互关系，而且由于太考察纵列元素（从上到下）的相互关系，而且由于太长，招致排版和印刷的技术困难长，招致排版和印刷的技术困难7272教育课资教育课资元 素 周 期 系　　宝塔式或滴水　　宝塔式或滴水钟式周期表这种钟式周期表这种周期表的优点是能周期表的优点是能够十分清楚地看到够十分清楚地看到元素周期系是如何元素周期系是如何由于核外电子能级由于核外电子能级的增多而螺旋性发的增多而螺旋性发展的，但它们的每展的，但它们的每个横列不是一个周个横列不是一个周期，纵列元素的相期，纵列元素的相互关系也不容易看互关系也不容易看清7373教育课资教育课资　　长式周期表的主表从左到右可分为　　长式周期表的主表从左到右可分为s区，区，d区，区，ds区，区，p区区4个区，有的教科书把个区，有的教科书把ds区归入区归入d区；副表区；副表(镧镧系和锕系系和锕系)是是f区元素区元素元 素 周 期 系7474教育课资教育课资价键轨道价键轨道n n原子轨道组合形成价键轨道原子轨道组合形成价键轨道原子轨道组合形成价键轨道原子轨道组合形成价键轨道n n价键轨道是定域轨道价键轨道是定域轨道价键轨道是定域轨道价键轨道是定域轨道n n              电子在两个原子核间运动电子在两个原子核间运动电子在两个原子核间运动电子在两个原子核间运动n n共价键共价键共价键共价键          n n              键合电子对的电子分别由两个原子提供键合电子对的电子分别由两个原子提供键合电子对的电子分别由两个原子提供键合电子对的电子分别由两个原子提供n n配价键和配位键配价键和配位键配价键和配位键配价键和配位键n n            键合电子对的电子由一方给予，另一方接受，键合电子对的电子由一方给予，另一方接受，键合电子对的电子由一方给予，另一方接受，键合电子对的电子由一方给予，另一方接受，也称给予也称给予也称给予也称给予- -接受键。

接受键n n            电子对给予体称为路易斯碱电子对给予体称为路易斯碱电子对给予体称为路易斯碱电子对给予体称为路易斯碱n n            电子对接受体称为路易斯酸电子对接受体称为路易斯酸电子对接受体称为路易斯酸电子对接受体称为路易斯酸n n孤对电子占据的轨道也被按价键轨道处理孤对电子占据的轨道也被按价键轨道处理孤对电子占据的轨道也被按价键轨道处理孤对电子占据的轨道也被按价键轨道处理7575教育课资教育课资价键轨道的分类价键轨道的分类n ns-s-轨道轨道n np-p-轨道轨道n nd-d-轨道轨道n n杂化轨道杂化轨道n n sp-sp-轨道轨道n n spsp2 2- -轨道轨道n n spsp3 3- -轨道轨道n n dspdsp2 2- -轨道轨道n n d d2 2spsp2 2- -轨道轨道n n d d2 2spsp3 3- -轨道轨道7676教育课资教育课资用用VSEPR判断杂化轨道模型判断杂化轨道模型AXnEm=AYn+mn nAYAY2 2AYAY3 3AYAY4 4AYAY5 5AYAY6 6n nCOCO2 2 BF BF3 3 SiClSiCl4 4PClPCl5 5SFSF6 6n nBeClBeCl2 2 CO CO3 32-2- NHNH3 3 SFSF4 4BrFBrF5 5 n nHCN OHCN O3 3 H H2 2O O ClFClF3 3 XeFXeF4 4n n sp sp sp sp2 2 spsp3 3 dspdsp3 3 d d2 2spsp3 3 7777教育课资教育课资配位化学杂化轨道模型配位化学杂化轨道模型n nMXMX2 2 MX MX3 3 MX MX4 4 MXMX5 5 MX MX6 6n n sp sp2 2 sp sp2 2 sp sp3 3 dsp dsp3 3 d d2 2spsp3 3n n n n dsp dsp2 2 d d2 2spsp2 2 sp sp3 3d d2 27878教育课资教育课资分子轨道分子轨道n n分子轨道是分子中的电子轨道分子轨道是分子中的电子轨道n n分子轨道由原子轨道组合而得分子轨道由原子轨道组合而得n n原子轨道组合成分子轨道时，轨道的总数不变原子轨道组合成分子轨道时，轨道的总数不变n n分子轨道按轨道的能量大小分为成键轨道、反键分子轨道按轨道的能量大小分为成键轨道、反键轨道和非键轨道轨道和非键轨道n n分子轨道按对称性分为分子轨道按对称性分为s-s-轨道、轨道、p-p-轨道等轨道等n n原子轨道组合成分子轨道遵循能量相近原理、最原子轨道组合成分子轨道遵循能量相近原理、最大重叠原理和对称匹配原理大重叠原理和对称匹配原理n n电子在基态分子中的分子轨道中填充遵循能量最电子在基态分子中的分子轨道中填充遵循能量最低原理、泡利原理和洪特规则。

低原理、泡利原理和洪特规则7979教育课资教育课资。