高中化學(xué)原子結(jié)構(gòu)教案設(shè)計
原子結(jié)構(gòu)(也可稱為原子模型)是指原子的組成以及部分的搭配和安排。接下來是小編為大家整理的高中化學(xué)原子結(jié)構(gòu)教案設(shè)計，希望大家喜歡!
高中化學(xué)原子結(jié)構(gòu)教案設(shè)計一
●教學(xué)目標(biāo)
1.復(fù)習(xí)原子構(gòu)成的初步知識，使學(xué)生懂得質(zhì)量數(shù)和 X的含義，掌握構(gòu)成原子的粒子間的關(guān)系.
2.使學(xué)生了解關(guān)于原子核外電子運動特征的常識.
3.了解核外電子排布的初步知識，能畫出1~18號元素的原子結(jié)構(gòu)示意圖.
4.培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力、抽象思維能力、科學(xué)的分析推理能力及對所學(xué)知識的應(yīng)用能力.
5.使學(xué)生認(rèn)識物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的性質(zhì).
●教學(xué)重點
原子核外電子的排布規(guī)律
●教學(xué)難點
1.原子核外電子運動的特征
2.原子核外電子的排布規(guī)律
●課時安排
2課時
啟發(fā)、誘導(dǎo)、設(shè)問、激疑、形象比喻、討論、練習(xí)、講述
●教學(xué)用具
投影儀、膠片、畫面一樣的音樂賀卡和普通賀卡、鐵鎖、電腦
●教學(xué)過程
第一課時
[引言]
[教師舉起兩張外表一樣的生日賀卡]
[師]同學(xué)們，我這兒有兩張生日賀卡，現(xiàn)在我把它們打開，請大家說出它們最明顯的不同點在哪里?
[教師打開賀卡]
[生]一個會響，一個不會響.
[師]如果你想要知道這張音樂賀卡為什么會發(fā)出美妙動聽的聲音，你首先想要做的是什么?
[生]拆開看看!
[師]對!也就是說首先要了解它的結(jié)構(gòu).我們知道，一種物質(zhì)之所以區(qū)別于另一種物質(zhì)，是由于它們具有不同的性質(zhì).而它們的性質(zhì)又決定于它們各自的結(jié)構(gòu).因此，我們很有必要掌握有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識.然而，自然界的物質(zhì)太多太多，如果我們不假思索地去一個一個地進行認(rèn)識的話，既耗時間又費精力，這顯然是不切合實際的.這就需要我們在研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出一些規(guī)律，并以此來指導(dǎo)我們的實踐.
本章我們就來學(xué)習(xí)這方面的內(nèi)容.
[板書]第五章 物質(zhì)結(jié)構(gòu) 元素周期律
[師]研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)首先要解剖物質(zhì).我們知道，化學(xué)變化中的最小粒子是原子，化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)就是原子的重新組合，那么，是不是任何兩個或多個原子的接觸都能生成新物質(zhì)呢?舉例說明.
[引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)前面學(xué)過的知識來進行分析，如H2與F2在冷暗處就能反應(yīng)，而H2和I2在常溫下卻不反應(yīng);Na與O2常溫下迅速反應(yīng)生成Na2O，而真金卻不怕火煉;再如稀有氣體等等……]
[師]為什么常溫下氫原子與氟原子“一拍即合”，而氫原子與氖原子卻“老死不相往來”呢?
要知其究竟，必須揭開原子內(nèi)部的秘密，即認(rèn)識原子的結(jié)構(gòu).
[板書]第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu)(第一課時)
[師]關(guān)于原子結(jié)構(gòu)，我們在初中就已熟悉.請大家說出構(gòu)成原子的粒子有哪些?它們怎樣構(gòu)成原子的?
[生]構(gòu)成原子的粒子有質(zhì)子、中子、電子三種;其中，質(zhì)子和中子構(gòu)成了原子的原子核，居于原子中心，電子在核外做高速運動.
[師]很好，下面我們用如下形式把它表示出來.
[板書]一、原子結(jié)構(gòu)
[師]下面，我們通過下表來認(rèn)識一下構(gòu)成原子的粒子及其性質(zhì).
[投影展示表5-1]
表5-1 構(gòu)成原子的粒子及其性質(zhì)
構(gòu)成原子的粒子 電子 質(zhì)子 中子 電性和電量 1個電子帶1個單位負(fù)電荷 1個質(zhì)子帶1個單位正電荷 不顯電性 質(zhì)量/kg 9.109×10-31 1.673×10-27 1.675×10-27 相對質(zhì)量① 1/1836(電子與質(zhì)子質(zhì)量之比) 1.007 1.008 注①是指對12C原子質(zhì)量的1/12(1.661×10-27 kg)相比較所得的數(shù)值.
[師]通過上表我們知道，構(gòu)成原子的粒子中，中子不顯電性，質(zhì)子帶正電，電子帶負(fù)電.
我這兒有一把鐵鎖，(舉起鐵鎖)接觸它是否會有觸電的感覺?
[生]不會.
[問題探究]金屬均由原子構(gòu)成，而原子中又含有帶電粒子，那它為什么不顯電性呢?
[生]可能是正負(fù)電荷互相抵消的緣故吧!
[師]對，因為原子內(nèi)部，質(zhì)子所帶正電荷和電子所帶負(fù)電荷電量相等、電性相反，因此原子作為一個整體不顯電性.從原子的結(jié)構(gòu)我們可知，原子核帶正電，它所帶的電荷數(shù)——核電荷數(shù)決定于核內(nèi)質(zhì)子數(shù)，我們用Z來表示核電荷數(shù)，便有如下關(guān)系：
[板書]核電荷數(shù)(Z)=核內(nèi)質(zhì)子數(shù)=核外電子數(shù).
[師]下面，我們再來深入了解一下原子核與原子的關(guān)系.
[問]誰能形象地比喻一下原子核和原子的體積的相對大小?
[生]甲回答：如果把原子比作一座十層大樓，原子核就像放置在這所大樓中央的一個櫻桃.
乙回答：如果假設(shè)原子是一座龐大的體育場，而原子核只相當(dāng)于體育場中央的一只螞蟻.
[師]回答得很好，甲比喻說明對初中的知識掌握很牢固;乙比喻說明大家對新課的預(yù)習(xí)很到位.
確切地講，原子核的體積只占原子體積的幾千萬億分之一.原子核雖小，但并不簡單，它是由質(zhì)子和中子兩種粒子構(gòu)成的，幾乎集中了原子的所有質(zhì)量，且其密度很大.
[投影展示有關(guān)原子核密度的資料]原子核密度很大，假如在1cm3的容器里裝滿原子核，則它的質(zhì)量就相當(dāng)于1.2×108t，形象地可以比喻為需要3000輛載重4 t的卡車來運載.
[師]其實，從表5-1中所示電子、質(zhì)子、中子的相對質(zhì)量也可得出原子的質(zhì)量主要集中在原子核上的結(jié)論.從表中可看出，質(zhì)子和中子的相對質(zhì)量均近似等于1，而電子的質(zhì)量只有質(zhì)子質(zhì)量的1/1836，如果忽略電子的質(zhì)量，將原子核內(nèi)所有質(zhì)子和中子的相對質(zhì)量取近似值加起來，所得數(shù)值便近似等于該原子的相對原子質(zhì)量，我們把其稱為質(zhì)量數(shù)，用符號A表示.中子數(shù)規(guī)定用符號N表示.則得出以下關(guān)系：
[板書]質(zhì)量數(shù)(A)=質(zhì)子數(shù)(Z)+中子數(shù)(N)
[師]這樣，只要知道上述三個數(shù)值中的任意兩個，就可推算出另一個數(shù)值來.
在化學(xué)上，我們用符號 X來表示一個質(zhì)量數(shù)為A、質(zhì)子數(shù)為Z的具體的X原子.比如 C表示質(zhì)量數(shù)為12，原子核內(nèi)有6個質(zhì)子和6個中子的碳原子.
[問題探究]“ O”與“O”所表示的意義是否相同?
[生] O表示原子核內(nèi)有8個中子的氧原子，而O除表示一個氧原子外，還可表示氧元素.
[師]為了熟記 X所表示意義及A、Z、N之間的關(guān)系，請同學(xué)填寫下表：
[投影練習(xí)]
粒子符號 質(zhì)子數(shù)(Z) 中子數(shù)(N) 質(zhì)量數(shù)(A) 用 X表示為 ①O 8 ? 18 ? ②Al ? 14 27 ? ③Ar 18 22 ? ? ④Cl ? ? ? Cl ⑤H ? ? ? H [答案]①10 O?、?3 Al ③40 Ar?、?7 18 35 ⑤1 0 1
[師]由以上計算我們可得出，組成原子的各粒子之間的關(guān)系可以表示如下：
[板書] 原子 X
[問題探究]是不是任何原子核都是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的?
[生]不是，如上述練習(xí)中 H原子，核內(nèi)無中子，僅有一個質(zhì)子.
[問題探究]假如原子在化學(xué)反應(yīng)中得到或失去電子，它還會顯電中性嗎?
[生]不會，原子失去或得到電子后，成為帶電的原子——離子，不顯電中性;形成的帶正電荷的粒子叫陽離子，帶負(fù)電荷的粒子叫陰離子.
[問題探究]離子所帶電荷數(shù)與原子在化學(xué)反應(yīng)中失去或得到的電子數(shù)之間有什么聯(lián)系?
[生]離子所帶電荷數(shù)與原子在化學(xué)反應(yīng)中失去或得到的電子數(shù)相等，失去幾個電子，陽離子就帶幾個單位的正電荷，得到幾個電子，陰離子就帶幾個單位的負(fù)電荷.
[師]回答得很好.即：
[講解并板書]離子所帶電荷數(shù)=質(zhì)子數(shù)-核外電子數(shù)
[師]這樣，我們就可根據(jù)粒子的核內(nèi)質(zhì)子數(shù)與核外電子數(shù)的關(guān)系，來判斷出一些粒子是陽離子還是陰離子.
請大家口答下列問題：
[投影]1.當(dāng)質(zhì)子數(shù)(核電荷數(shù))>核外電子數(shù)時，該粒子是________離子，帶________電荷.
2.當(dāng)質(zhì)子數(shù)(核電荷數(shù))________核外電子數(shù)時，該粒子是陰離子，帶________電荷.
[答案]1.陽 正 2.< 負(fù)
[師]根據(jù)以上結(jié)論，請大家做如下練習(xí).
[投影練習(xí)]填寫表中空白.
粒子符號 質(zhì)子數(shù) 電子數(shù) ①S2- ? ? ②Xn+ x ? ③Ym- ? y ④NH ? ? ⑤OH- ? ? [學(xué)生活動，教師巡視，并指正錯誤]
[答案]①16 18 ②x-n?、踶-m?、?1 10?、? 10
[小結(jié)]本節(jié)課我們重點講了原子結(jié)構(gòu)及構(gòu)成原子的各粒子之間的關(guān)系及其性質(zhì)，它是幾代科學(xué)家經(jīng)過近半個世紀(jì)的努力才得出來的結(jié)論.
[作業(yè)]1.用 X符號的形式表示出10種原子.
2.課本第94頁，二、1、2.
●參考練習(xí)
1.某粒子用 Rn-表示，下列關(guān)于該粒子的敘述正確的是( )
A.所含質(zhì)子數(shù)=A-n B.所含中子數(shù)=A-Z
C.所含電子數(shù)=Z+n D.所帶電荷數(shù)=n
2.某元素Mn+核外有a個電子，該元素的某種原子的質(zhì)量數(shù)為A，則該原子的核內(nèi)中子數(shù)為( )
A.A-a+n B.A-a-n
C.A+a-n D.A+a+n
參考答案：1.BC(D選項所帶電荷數(shù)應(yīng)標(biāo)明正負(fù))
2.B
●板書設(shè)計
第五章 物質(zhì)結(jié)構(gòu) 元素周期律
第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu)(第一課時)
一、原子結(jié)構(gòu)
原子 X
核電荷數(shù)(Z)=核內(nèi)質(zhì)子數(shù)=核外電子數(shù)
質(zhì)量數(shù)(A)=質(zhì)子數(shù)(Z)+中子數(shù)(N)
離子所帶電荷數(shù)=質(zhì)子數(shù)-核外電子數(shù)
●教學(xué)說明
本節(jié)教材是在學(xué)生初中學(xué)習(xí)過的《原子》的基礎(chǔ)上來進一步學(xué)習(xí)有關(guān)原子結(jié)構(gòu)知識的.由于本節(jié)教學(xué)內(nèi)容無演示實驗，理論性較強，學(xué)生對此處的內(nèi)容容易產(chǎn)生枯燥感.為此，采用了舊中引新、設(shè)問激疑的方法，對學(xué)生進行精心的引導(dǎo)，并結(jié)合形象的比喻，讓學(xué)生親自參與到學(xué)習(xí)新知識的過程中來，最后通過對所學(xué)知識的應(yīng)用——練習(xí)，使本節(jié)課的知識得以鞏固.
另外，本節(jié)教材的第一部分內(nèi)容，用原子結(jié)構(gòu)或構(gòu)成原子的粒子的相互關(guān)系做標(biāo)題更為合適.此處，采取了前者.
第二課時
[引言]從上一節(jié)課我們所學(xué)的知識可以知道：原子核相對于原子很小，即在原子內(nèi)部，原子核外，有一個偌大的空間供電子運動，那么，電子在核外的運動與宏觀物體是否相同?我們又怎樣來描述核外電子的運動呢?下面我們就來探討這個問題.
[板書]第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu)(第二課時)
二、原子核外電子運動的特征
[師]請大家觀察以下物體運動的特點，并注意它們的運行軌跡是否確定.
[電腦演示以下運動]1.物質(zhì)的自由落體運動;2.火車的運動;3.炮彈的拋物線運動;4.天體的運行;5.氫原子的一個電子在核外閃爍運動.
[討論]核外電子的運動規(guī)律跟宏觀物體的運動規(guī)律有什么不同?
[生]1.宏觀物體的運動有固定的方向，電子沒有.
2.宏觀物體的運動有確定的路線，電子沒有.
[講述]正如大家所述，宏觀物體的運動，如天體的運行、導(dǎo)彈的發(fā)射、車輛的行駛等，它們都有確定的軌道，我們可用宏觀物體的運動規(guī)律準(zhǔn)確地測出它們某一時刻所處的位置和運動速度，可以描畫出它們的運動軌跡.
當(dāng)電子在原子核外很小的空間內(nèi)作高速運動時，其運動規(guī)律跟普通物體不同.它們沒有確定的軌道，因此，我們不能準(zhǔn)確地測定電子在某一時刻所處的位置和運動速度，也不能描畫出它的運動軌跡.
那么，我們應(yīng)該如何去描述核外電子的運動呢?讓我們先來研究氫原子核外唯一的一個電子的運動特點.
[電腦顯示]氫原子核外一個電子的運動示意圖(由慢到快)
[師]我們看到，當(dāng)電子的運動速度加快時，在原子核周圍有一團云霧，我們形象地稱它為“電子云”——電子形成的云霧之意.
[問]氫原子核外只有一個電子，它怎么能形成一團云霧呢?
[啟發(fā)]這是由于電子在核外的運動速度太快(2.2×106 m·s-1)，使我們眼花繚亂的結(jié)果.
[問]大家有沒有在什么地方見過類似的現(xiàn)象?
[引導(dǎo)學(xué)生進行聯(lián)想]
[生]1.快速進退錄像帶時，與此情景有點相似.
2.武打影片里，形容劍舞得快時，舞劍人的周圍常是一團劍影.
3.科幻動畫片里，飛牒的運行及爭斗場面.
4.風(fēng)車快速旋轉(zhuǎn)時的現(xiàn)象.
[師]好，大家的聯(lián)想很豐富.以上場面，都有一個共同的特點——快.電子的運動速度更快得多.因此，在核的周圍形成帶負(fù)電的電子云便好理解了.由于電子難以捕捉，又沒有確定的軌道，我們在描述核外電子的運動時，只能指出它在原子核外空間某處出現(xiàn)機會的多少.
[投影展示](在通常狀況下氫原子電子云示意圖)
[講述]圖中的每一個小黑點表示電子曾在那里出現(xiàn)過一次.黑點多的地方——也即電子云密度大的地方，表明電子在核外空間單位體積內(nèi)出現(xiàn)機會多，反之，出現(xiàn)的機會少.從這張圖中，我們可以看出，氫原子的核外電子在離核遠的地方單位體積內(nèi)出現(xiàn)的機會少，在離核近的地方單位體積內(nèi)出現(xiàn)的機會多.
因此，原子核外電子運動的特征是：
[板書并講述]運動速度快，沒有確定的軌道，可用電子云形象地表示.
[問題探究]A.電子云是籠罩在原子核外的云霧;B.小黑點多的區(qū)域表示電子多;C.小黑點疏的區(qū)域表示電子出現(xiàn)的機會少;D.電子云是用高速照相機拍攝的照片.
[生]這是從不同角度考查對電子云的理解的.核外電子的運動規(guī)律可用電子云來描述，小黑點的疏密程度與電子出現(xiàn)機會多少相對應(yīng)，C是正確的，而B是錯誤的.電子云是一種形象的描述形式，并非真有帶負(fù)電的云霧包圍著原子核，因此，不可能用高速照相機拍攝下來，因而A和D都錯.
[過渡]在氫原子的核外，只有一個電子，運動情況比較簡單.對于多電子原子來講，電子運動時是否會在原子內(nèi)打架?它們有沒有一定的組織性和紀(jì)律性呢?下面我們就來學(xué)習(xí)有關(guān)的知識.
[板書]三、原子核外電子的排布
[講解]科學(xué)研究證明，多電子原子中的電子排布并不是雜亂無章的，而是遵循一定規(guī)律.通常，能量高的電子在離核較遠的區(qū)域運動，能量低的電子在離核較近的區(qū)域運動.這相當(dāng)于看足球比賽，觀眾中坐在最外面的人往往是活動余地最大的(能量高)，而里面的人往往是活動余地較小的(相當(dāng)于能量低的電子);我們可以把他們的座位分為甲、乙、丙、丁等不同的區(qū)域.同樣，我們可以把核外電子運動的不同區(qū)域按能量由低到高，分為1、2、3、4……等不同的電子層，并分別用符號K、L、M、N……來表示.
[講解并板書]1.電子層的劃分
電子層(用n表示)1、2、3、4……
電子層符號 K、L、M、N……
離核距離 近 遠
能量高低 低 高
[師]核外電子的分層運動，又叫核外電子的分層排布.科學(xué)研究證明，電子一般總是盡先排布在能量最低的電子層里，即最先排布K層，當(dāng)K層排滿后，再排布L層，等等.那么，每個電子層最多可以排布多少個電子呢?電子的分層排布遵循什么規(guī)律呢?
為了解決這個問題，我們首先研究一下稀有氣體元素原子電子層排布的情況.
[投影]稀有氣體元素原子電子層排布
核電荷數(shù) 元素名稱 元素符號 各電子層的電子數(shù) K L M N O P 2 氦 He 2 ? ? ? ? ? 10 氖 Ne 2 8 ? ? ? ? 18 氬 Ar 2 8 8 ? ? ? 36 氪 Kr 2 8 18 8 ? ? 54 氙 Xe 2 8 18 18 8 ? 86 氡 Rn 2 8 18 32 18 8 [師]請同學(xué)們仔細觀察表中數(shù)據(jù)，能找出一些什么規(guī)律呢?
[學(xué)生甲]K層、L層、M層最多能排布的電子數(shù)目是2、8、18.
[學(xué)生乙]不論原子有幾個電子層，其最外層中的電子數(shù)目最多只有8個(氦原子是2個).
[學(xué)生丙]原子最外電子層中有8個電子(最外層為K層時，最多只有2個電子)的結(jié)構(gòu)是相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu).
[師]很好.下面請同學(xué)們根據(jù)以上規(guī)律和在初中學(xué)習(xí)的部分元素原子結(jié)構(gòu)示意圖的知識，討論并填寫課本91頁表5-3.
[學(xué)生活動，教師巡視，并指正錯誤]
[問題探究]核外電子的分層排布，所遵循的規(guī)律是什么?
[學(xué)生回答，教師補充并板書]2.核外電子的排布規(guī)律
(1)各電子層最多容納的電子數(shù)是2n2(n表示電子層)
(2)最外層電子數(shù)不超過8個(K層是最外層時，最多不超過2個);次外層電子數(shù)目不超過18個;倒數(shù)第三層不超過32個.
(3)核外電子總是盡先排布在能量最低的電子層，然后由里向外從能量低的電子層逐步向能量高的電子層排布.
[師]以上規(guī)律是相互聯(lián)系的，不能孤立地機械地套用.
知道了原子的核電荷數(shù)和電子層的排布規(guī)律以后，我們就可以畫出原子結(jié)構(gòu)示意圖.
如鈉原子的結(jié)構(gòu)示意圖可表示為 ，請大家說出各部分所表示的含義.
高中化學(xué)原子結(jié)構(gòu)教案設(shè)計二
學(xué)習(xí)目標(biāo)
【知識與技能】
1、通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，你將會了解原子結(jié)構(gòu)的發(fā)展史。
2、通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，你將會知道原子的行星模型結(jié)構(gòu)。
【過程與方法】
1、通過本節(jié)課的活動——(粒子散射實驗的探究過程，你將會初步學(xué)會“提出假設(shè)、實驗驗證、分析現(xiàn)象、得出結(jié)論”的探究途徑和建立模型研究微觀結(jié)構(gòu)的方法。
2、通過學(xué)習(xí)化學(xué)史和化學(xué)哲學(xué)思想，你將會學(xué)會信息處理的方法，并通過思考、合作與交流，理性認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)。
【情感、態(tài)度與價值觀】
1、通過這節(jié)課感知宏觀物質(zhì)和微觀物質(zhì)的差異，你會建立基本的物質(zhì)觀、微粒觀和原子觀。
2、通過科學(xué)探究和科學(xué)建模體驗科學(xué)家科學(xué)研究的方法，你將會感受到科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)求實、不斷突破的思想。
3、通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，你將會體驗到科學(xué)探究的樂趣。
4、通過本節(jié)的學(xué)習(xí)，了解古代莊子的思想，激發(fā)學(xué)生的愛國熱情。
學(xué)習(xí)重點 原子的行星模型結(jié)構(gòu)特點
學(xué)習(xí)難點 建立物質(zhì)觀、微粒觀、原子觀;理解(粒子散射實驗并認(rèn)識原子的行星模型結(jié)構(gòu)特點
教學(xué)過程
[新課引入]播放PPT兩個和尚的對話，創(chuàng)設(shè)物質(zhì)是由微粒組成的化學(xué)情景。
[思考與交流] 活動一
1、聆聽老和尚和小和尚的對話，他們的對話中包含哪些觀點?
2、原子是構(gòu)成物質(zhì)的一種基本微粒，原子還可以再分嗎?
[投影]觀看視頻，了解西方從德國哲學(xué)家德謨克利特到道爾頓，再到湯姆生對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識過程。
高中化學(xué)原子結(jié)構(gòu)教案設(shè)計三
一、教學(xué)基本要求
1.氫原子結(jié)構(gòu)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。
電子原子結(jié)構(gòu)
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(gòu)型;掌握元素周期系和各區(qū)元素原子或離子的電子層結(jié)構(gòu)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(yīng)的概念;熟悉原子半徑、有效核電荷、電離能、電子親合能、電負(fù)性、主要氧化值等周期性變化規(guī)律，以了解元素的有關(guān)性質(zhì)。
二、學(xué)時分配：
講 授 內(nèi) 容 學(xué)時數(shù)(6.0) 1.氫原子結(jié)構(gòu)的近代概念 2.0 2.多電子原子結(jié)構(gòu) 4.0
三、教學(xué)內(nèi)容
§8.1引言
從19世紀(jì)末，隨著科學(xué)的進步和科學(xué)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(fù)雜結(jié)構(gòu)的認(rèn)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(fù)電荷。
在一般化學(xué)反應(yīng)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(jié)構(gòu)和電子運動的規(guī)律，特別是原子外電子層結(jié)構(gòu)，就成為化學(xué)領(lǐng)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(jié)構(gòu)理論的建立，是從對微觀粒子的波粒二象性的認(rèn)識開始的。
§8.2氫原子結(jié)構(gòu)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(yīng)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(xué)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(shè)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(rèn)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(shè)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(dāng)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(guān)系，結(jié)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(guān)于微觀粒子波粒二象性的假設(shè)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(zhuǎn)的小飛輪，當(dāng)陰極射線打在小飛輪上，小飛輪即可旋轉(zhuǎn)，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(xué)中，一個宏觀粒子在任一瞬間的位置和動量是可以同時準(zhǔn)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(xué)，就能準(zhǔn)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(xué)中那樣來描述它們的運動狀態(tài)，即不能同時準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(xué)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)?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(dāng)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)?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(fù)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(shè)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(guān)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(shè)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(fù)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、?、?)=R(r)Θ(?)Φ(?)中，R(r)與r有關(guān)，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(?和?)有關(guān)，將兩個函數(shù)可以合并起來，用以討論角度分布。
即令：Θ(?)Φ(?)=Y(?、?)
Y(?、?)稱為角度波函數(shù)，于是波函數(shù)ψ可以寫為
ψ(r、?、?)= R(r)Y(?、?)
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(?、?)。若以Y(?、?)對?、? ，作圖則得到波函數(shù)的角度分布圖，若以Y2(?、?)對?、? 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(biāo)原點出發(fā)，引出各條方向為 ?、? 的直線，取它們的長度等于相應(yīng)的Y(?、?) 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(?、?) 只與l、m有關(guān)，與n無關(guān)。
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(?、?)取平方后Y2(?、?)對(?、?) 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(yīng)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(fù)，電子云的角度分布圖Y2則無正負(fù)。
而且由于Y(?、?)<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(xué)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(dāng)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(dāng)主量子數(shù)同為n時，有如下的關(guān)系：Ens
3.磁量子數(shù)m
磁量子數(shù)m的量子化條件是取值0，±1，± 2，± 3…±l。
磁量子數(shù)表示原子軌道在空間的一種伸展方向。l=0時，m只取一個值，即m=0，表示亞層只有一個軌道。當(dāng)l=1時，m=0，± 1，px、py和pz這三種不同伸展方向的軌道能量是相同的
4.自旋量子數(shù)ms
電子除繞核運動外，其自身還做自旋運動。為了描述核外電子自旋狀態(tài)，引入第四個量子數(shù)—自旋量子數(shù)ms，根據(jù)量子力學(xué)的計算規(guī)定：ms只可能取+1/2和-1/2，用以表示兩種不同的自旋狀態(tài)，通常用正反兩個箭頭?和?來表示。
綜上所述，主量子數(shù)和角量子數(shù)決定原子軌道的能量;角量子數(shù)決定原子軌道的形狀;磁量子數(shù)決定原子軌道的空間取向或原子軌道的數(shù)目;自旋量子數(shù)電子運動的自旋狀態(tài)。也就是說，電子在核外運動的狀態(tài)可以用四個量子數(shù)來描述。
例已知核外某電子的四個量子數(shù)n=2 l=1 m=-1 ms=+1/2
則這是指第二電子層、p亞層2Px 2Py軌道上自旋方向以+1/2為特征的那一個電子。
§8.3多電子原子結(jié)構(gòu)
8.3.1原子結(jié)構(gòu)的周期性
一 、屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)
在原子軌道的能級圖上出現(xiàn)能級交錯的原因，來源于屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)。下面分別介紹。
1.屏蔽效應(yīng)
氫原子核外只有1個電子，這個電子僅受到原子核的作用，氫原子的波動方程可精確求解。但是在多電子原子中，每一個電子不僅受到帶Z個電荷的原子核的吸引，而且還受到(Z-1)個電子的排斥。故至今尚未能對除氫原子或類氫原子以外的微觀粒子運動方程精確求解，因此對多電子原子系統(tǒng)是采取近似的方法。
在多電子原子中，核電荷對某個電子的吸引力，因其它電子對該電子的排斥而被削弱的作用稱為屏蔽效應(yīng)
令 Z’=Z - ?i，其中Z’是有效核電荷數(shù)。?i 為屏蔽常數(shù)。
?i 就是電子i受其他電子排斥而在核的吸引上要把核的正電荷扣除的部分。
2.鉆穿效應(yīng)
由圖8-4中可知不同電子在離核r處球面上出現(xiàn)的概率大小不同。對于n較大的電子(例如3s，3p電子)，出現(xiàn)概率最大的地方離核較遠，但在離核較近的地方有小峰，表明在離核較近的地方電子也有出現(xiàn)的可能.也就是說外層電子可能鉆到內(nèi)層出現(xiàn)在離核較近的地方，這種現(xiàn)象叫做鉆穿效應(yīng)。
圖8-4 4s，3d電子云的徑向分布圖
二. 核外電子排布原理
根據(jù)光譜實驗數(shù)據(jù)以及對元素性質(zhì)周期律的分析，歸納出多電子原子中的電子在核外的排布應(yīng)遵從以下三條原則，即泡利(Pauli)不相容原理、能量最低原理和洪特(Hund)規(guī)則。
1.泡利不相容原理
泡利指出：在同一原子中不可能有四個量子數(shù)完全相同的2個電子同時存在，稱為泡利不相容原理。換言之，每一種運動狀態(tài)的電于只能有1個，在同一軌道上最多只能容納自旋方向相反的2個電子。由于每個電子層中原子軌道的總數(shù)是n2個，因此各電子層中電子的最大容量是2n2個。
2.能量最低原理
在不違背泡利不相容原理的前提下電子在個軌道上的排布方式應(yīng)使整個原子能量處于最低狀態(tài)，即多電子原子在基態(tài)時核外電子總是盡可能地先占據(jù)能量最低的軌道，稱為能量最低原理。
3.洪特規(guī)則
電子在能量相同的軌道(即等價軌道)上排布時，總是盡可能以自旋相同的方向分占不同的軌道，因為這樣的排布方式總能量最低，稱為洪特規(guī)則。
洪特規(guī)則特例：對于同一電子亞層，當(dāng)電子分布為半充滿(p3、d5、f7)、全充滿(p6、d10、f14)和全空(p0、d0、f0)時，電子云分布呈球狀，原子結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。
三、多電子原子軌道的能級
1. 近似能級圖
原子軌道的能量主要與主量子數(shù)有關(guān)，對多電子原子來說，原子軌道的能級還和角量子數(shù)及原子序數(shù)有關(guān)。圖8-5為Pauling近似能級圖。該圖反映核外電子填入軌道的最后順序。
近似能級圖是按原子軌道能量高低的順序排列的，能量相近的能級劃為一組放在一個方框中稱為能級組。不同能級組之間的能量差較大，同一能級組內(nèi)各能級之間的能量差別較小。圖中共列出6組，它們依次是：
第一能級組：1s
第二能級組：2s，2p
第三能級組：3s，3p
第四能級組：4s，3d，4p
第五能級組：5s，4d，5p
第六能級組：6s，4f，5d，6p
第七能級組：7s，5f，6d，7p…
圖8-5 原子軌道近似能級圖
每一個小圓圈代表一個原子軌道。s亞層只有一個原子軌道，p亞層中有3個能量相等的原子軌道。在量子力學(xué)中把能量基本相同的狀態(tài)叫做簡并狀態(tài)。所以p軌道是三重簡并的，這3個原子軌道能量基本相同，只是空間取向不同，所以又稱它們是等價軌道。同樣d亞層的5個d軌道是五重簡并的，f亞層的7個f軌道是七重簡并的。圖8-5反映出：
主量子數(shù)n相同，角量子數(shù)l不同者，它們的能量有微小的差別，l 值越大，能量也越大，即Ens
若角量子數(shù)相同，其能級次序則由主量子數(shù)決定 ，n 越大能量越高，例：如E2p
若主量子數(shù)n和角量子數(shù) l 同時變動時，能量次序就比較復(fù)雜。這種情況常發(fā)生在第三層以上的電子層中，如E4s
核外電子的能級次序，直接關(guān)系到核外電子的排布次序，因此引起許多學(xué)者的關(guān)注。我國化學(xué)家徐光憲教授總結(jié)歸納出一個近似公式，利用(n+0.7l)值的大小，來計算各原于軌道的相對次序，并將所得值的整數(shù)部分相同者，作為一個能級組。
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