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1、第四章 原子結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu) 自然界的物質(zhì)種類繁多，性質(zhì)各異。不同物質(zhì)在性質(zhì)上的差異是由于物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同而引起的。在化學(xué)反應(yīng)中，原子核不變，起變化的只是核外電子。要了解物質(zhì)的性質(zhì)及其變化規(guī)律，有必要先了解原子結(jié)構(gòu)，特別是核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?！ ∫?、核外電子運(yùn)動(dòng)的特征 我們知道，地球沿著固定軌道圍繞太陽運(yùn)動(dòng)，地球的衛(wèi)星（月球或人造衛(wèi)星）也以固定的軌道繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)。這些宏觀物體運(yùn)動(dòng)的共同規(guī)律是有固定的軌道，人們可以在任何時(shí)間內(nèi)同時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)出它們的運(yùn)動(dòng)速度和所在位置。電子是一種極微小的粒子，質(zhì)
2、量為9.1×10-31kg，在核外的運(yùn)動(dòng)速度快（接近光速）。因此電子的運(yùn)動(dòng)和宏觀物體的運(yùn)動(dòng)不同。和光一樣，電子的運(yùn)動(dòng)具有微粒性和波動(dòng)性的雙重性質(zhì)。對(duì)于質(zhì)量為m，運(yùn)動(dòng)速度為v的電子，其動(dòng)量為：P=mv 其相應(yīng)的波長(zhǎng)為：λ=h/P=h/mv（4-1） 式（4-1）中，左邊是電子的波長(zhǎng)λ，它表明電子波動(dòng)性的特征，右邊是電子的動(dòng)量P（或mv），它表明電子的微粒性特征，兩者通過普朗克常數(shù)h聯(lián)系起來。 實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于具有波動(dòng)性的微粒來說，不能同時(shí)準(zhǔn)確地確定它在空間的位置和動(dòng)量（運(yùn)動(dòng)速度）。也就是說電子的位置測(cè)得
3、愈準(zhǔn)時(shí)，它的動(dòng)量（運(yùn)動(dòng)速度）就愈測(cè)不準(zhǔn)，反之亦然。但是用統(tǒng)計(jì)的方法，可以知道電子在原子中某一區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的幾率。圖4-1 氫原子五次瞬間照像圖4-2 若干張氫原子瞬間照片疊印 電子在原子核外空間各區(qū)域出現(xiàn)的幾率是不同的。在一定時(shí)間內(nèi)，在某些地方電子出現(xiàn)的幾率較大。而在另一些地方出現(xiàn)的幾率較小。對(duì)于氫原子來說，核外只有一個(gè)電子。為了在一瞬間找到電子在氫原子核外的確切位置，假定我們用高速照相機(jī)先給某個(gè)氫原子拍五張照片，得到圖4-1所示的五種圖象，⊕?代表原子核，小黑點(diǎn)表示電子。如果給這個(gè)氫原子照幾萬張照片，疊
4、加這些照片（圖4-2）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)原子核外的一個(gè)電子在核外空間各處都有出現(xiàn)的可能，但在各處出現(xiàn)的幾率不同。如果用小黑點(diǎn)的疏密來表示電子在核外各處的幾率密度（單位體積中出現(xiàn)的幾率）大小，黑點(diǎn)密的地方，是電子出現(xiàn)幾率密度大的地方；疏的地方，是電子出現(xiàn)幾率密度小的地方，如圖4-3所示。像這樣用小黑點(diǎn)的疏密形象地描述電子在原子核外空間的幾率密度分布圖象叫做電子云。所以電子云是電子在核外運(yùn)動(dòng)具有統(tǒng)計(jì)性的一種形象表示法。圖4-3 氫原子的電子云圖 4-4氫原子電子云界面圖 從圖4-3中可見，氫原子的電子
5、云是球形的，離核越近的地方其電子云密度越大。但是由于離原子核越近，球殼的總體積越小，因此在這一區(qū)域內(nèi)黑點(diǎn)的總數(shù)并不多。而是在半徑為53pm附近的球殼中電子出現(xiàn)的幾率最大，這是氫原子最穩(wěn)定狀態(tài)。為了方便，通常用電子云的界面表示原子中電子云的分布情況。所謂界面，是指電子在這個(gè)界面內(nèi)出現(xiàn)的幾率很大（95%以上），而在界面外出現(xiàn)的幾率很?。?%以下）?！ 《?、核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 電子在原子中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可n，l，m，ms四個(gè)量子數(shù)來描述?！ 。ㄒ唬┲髁孔訑?shù)n 主量子數(shù)n是用來描述原子中電子出現(xiàn)幾率最大區(qū)域離核
6、的遠(yuǎn)近，或者說它是決定電子層數(shù)的。主量子數(shù)的n的取值為1，2，3…等正整數(shù)。例如，n=1代表電子離核的平均距離最近的一層，即第一電子層；n=2代表電子離核的平均距離比第一層稍遠(yuǎn)的一層，即第二電子層。余此類推。可見n愈大電子離核的平均距離愈遠(yuǎn)?！ ≡诠庾V學(xué)上常用大寫拉丁字母K，L，M，N，O，P，Q代表電子層數(shù)。主量子數(shù)（n）1234567電子層符號(hào)KLMNOPQ 主量子數(shù)n是決定電子能量高低的主要因素。對(duì)單電子原子來說，n值愈大，電子的能量愈高。但是對(duì)多電子原子來說，核外電子的能量除了同主量子數(shù)n有關(guān)以
7、外還同原子軌道（或電子云）的形狀有關(guān)。因此，n值愈大，電子的能量愈高這名話，只有在原子軌道（或電子云）的形狀相同的條件下，才是正確的。 ?。ǘ└绷孔訑?shù)l 副量子數(shù)又稱角量子數(shù)。當(dāng)n給定時(shí)，l可取值為0，1，2，3…（n-1）。在每一個(gè)主量子數(shù)n中，有n個(gè)副量子數(shù)，其最大值為n-1。例如n=1時(shí)，只有一個(gè)副量子數(shù)，l=0，n=2時(shí)，有兩個(gè)副量子數(shù)，l=0，l=1。余此類推。按光譜學(xué)上的習(xí)慣l還可以用s，p，d，f等符號(hào)表示。l0123光譜符號(hào)spdF 副量子數(shù)l的一個(gè)重要物理意義是表示原子軌道（或電子
8、云）的形狀。L=0時(shí)（稱s軌道），其原子軌道（或電子云）呈球形分布（圖4-5）；l=1時(shí)（稱p軌道），其原子軌道（或電子云）呈啞鈴形分布（圖4-6）；…圖4-5s電子云圖4-6p電子 副量子數(shù)l的另一個(gè)物理意義是表示同一電子層中具有不同狀態(tài)的亞層。例如，n=3時(shí)，l可取值為0，1，2。即在第三層電子層上有三個(gè)亞層，分別為s，p，d亞層。為了區(qū)別不同電子層上的亞層，在亞層符號(hào)前面冠以電子層數(shù)。例如，2s是第二電子層上的亞層，3
