高中化学竞赛辅导-第六章原子的电子结构

《高中化学竞赛辅导-第六章原子的电子结构》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第六章原子的电子结构Dalton的原子论为十九世纪化学的迅速发展奠定了基础。有了这种理论，使我们对于化学式和化学反应过程中质量关系、能量关系的理解大为简便。分子运动论（分子动理论）是建基于原子论的，它使我们把气体的性能同组成气体分子的性质联系起来。现在准备将原子论再向另一个方向引伸，着眼于解释分子的几何形状、化合物的原子化合比以及化学反应能力等性质。为了处理这几方面的问题，我们必须首先对原子的电子结构有一定程度的了解。在第二章，我们曾经介绍过有关原子一般性质的实验和理论知识。原子是由一个中心带正电的核以及一群环绕在核周围的带负电的电子所组成。原子核非常之小，直径大

2、小约在10－5nm左右，但却占有原子的几乎全部质量。根据这个模型，原子核是由和它的质量、电荷相适应的一定数量的中子和质子组成的。原子核所含质子数目是原子所属的元素的特征，并称为该元素的原子序数。因为电子与质子的电荷相等，符号相反，所以一个原子序数为Z的中性原子，核外应该有Z个电子。这些电子就在直径约为0.2到0.3mm的球形空间范围内运动。原子很容易获得或失去一到两个电子，形成带电的粒子——离子。离子与形成该离子的原子在化学性质上大不相同。6.1原子和分子内电子的某些特征二十世纪以来，原子或分子内的电子行为一直是实验与理论两方面广泛研究的课题。然而必须承认，直至目

3、前，除最简单的原子外，我们对原子的详细的电子结构知识仍是很不充分的。关于这个问题的研究虽曾取得许多进展，但还有更多的工作有待我们去完成。在本教程范围内，我们将介绍原子和分子内电子排布近代模型的某些特色。从组成原子的原子核与电子的角度去理解化学物质的性质，主要的困难在于：微小粒子（例如原子、分子、原子核，特别是电子）与宏观物体（例如台球和转动着的车轮）不同，看来遵守着另一类能量与运动定律。我们日常处理的体系所具有的质量要比原子和分子的质量大得多，并遵守着由IsaacNewton首先阐明的运动定律。这些定律构成物理学的经典力学部分。微小粒子则遵守另一种似乎不同的力学—

4、—量子力学。（而实际上从真正的意义上说，经典力学乃是量子力学的一个特例，适用于除具有极小质量的粒子以外的所有物体。灰尘颗粒遵守经典力学。）量子力学是量子论的一部分，量子论是创始于二十世纪初的普遍理论。和原子论一样，量子论在其发展过程中经过了许多演化；某些原有的假说被继续保留，而另一些则经过修正或被淘汰。它是现今用来解释电子或其它微小粒子行为的基本理论。在我们阐述与讨论以下三条与化学有关的量子论原则之后，下一节我们将介绍导致量子论建立的某些实验基础。量子论假说1、原子或分子只能存在于以确定能量为特征的某种状态。当原子或分子改变其状态时，必须吸收或者放出一定大小的能量

5、恰能使原子或分子进入另一状态。原子和分子可以具有各种能量。在考虑原子结构时，有一种形式的能量特别重要，这种能量叫电子能。它是由电子在原子核周围的运动、电子与电子之间的作用以及电子与原子核之间的作用所产生的。一个原子只允许有某几种数值的电子能。当电子从一个允许电子能态向另一个允许电子能态过渡时，它必须吸收或者释放出一定的能量以使其自身能量等于终态能量。类似的考虑适用于原子、分子或其它微小粒子所具有的别种形式的能量。除电子能外，平移动能、转动动能与振动动能均受量子论的支配。体系的能量只能以不连续状态存在，称为体系能量的量子化。这类体系的能级变化包含着某种确定数量（“量

6、子”）的能量吸收或释放。2、在原子或分子改变能态的过程中吸收或发射光时，光的波长λ与能量改变值

7、△E

8、的关系由下式表示：

9、△E

10、=hc/λ(6.1)式中h是一个物理常数，叫做Planck常数，c是光速。一束光可以理解为由某些具有粒子特征的光子所组成。每个波长为λ的光子所具有的相应能量等于hc/λ。如果已知Planck常数h为6.626×10－34J·s，光速为2.998×108m/s以及以米为单位的光子波长，就能够很容易地求出以焦耳为单位的光子能量（见例题6.1）。原子或分子由较高能态进入较低能态所失去的能量等于在此跃迁过程中所发射的光子的能量。同样，如果吸收一个

11、光子，原子或分子必将在吸收这个光子的过程中由一个能级跃迁到另一个更高的能级，而这两个能级间的能量差等于被吸收的光子能量。因此，在这些跃迁过程中，总的能量是守恒的。3、原子或分子的允许能态可以用叫做量子数的一套数字来描述。由有关原子与分子能量问题的量子力学数学解中可以得到成套的整数；这些整数可以用来描述各种允许能态，并计算这些能态的能量。这些数就叫做量子数。原子中的每个电子能态都有相应的一组量子数予以确定（见6.5节）。在通常的模型中，量子数与原子内单个电子联系在一起。按照规则，每个电子都有一套量子数。原子内所有电子的所有量子数的完整表达可用来标志该原子所处的能级或

12、量子态。6