五、电子云与原子轨道 原子核外电子是如何运动的呢? 20世纪初,丹麦科学家玻尔把原子类比为太阳系,提出 了原子的行星模型,认为核外电子像行星绕着太阳运行那样绕 着原子核运动。1916年,玻尔因此获得诺贝尔物理奖。然而 在后来的10年间,玻尔建立的行星模型被现代量子力学理论 彻底否定了。 现代量子力学指岀,不可能像描述宏观运动物体那样,确 概率 probability 定一定状态(如1s,25,2p……)的核外电子在某个时刻处于 原子核外空间何处,而只能确定它在原子核外各处出现的概率 图1-10是氢原子的基态电子(即15电子)的概率分布图。 ·资料卡片 许多宏观事物也尺能用概半描述,例如,在你的口袋里装着 1D个大小相等的小球,45个红球,40个巅球,15个台球,每 次摸出一个球再放回去,你不可能确定每欢接出的是娜种颤色的 图1-101s电子在原子核外 球,終而,只要捩球的次数足够多,就可以皆定,出红球、薰 出现的惯率分布图 球、白球的概率分别为45%、40%和15% 图1-10是在一定时间间隔内电子在原子核外出现概率 统计,电子每出现一次,在图中就增加一个小点,可以想象成三 你手持一架噬拟的高速照相机拍摄电子,然后把所有照片叠加 在一起得到的图像,由此得到的概率分布图看起来像一片云 雾,因而被形象地称作电子 电子云 electron cloud 为了描绘电子云的形状,人们通常按图1-11的方式制作三 电子云的轮廓图。 图1-11电子云轮席图的制作过程
制作电子云轮廓图是为了表送电子云轮廓的形状,给出电 子在核外空间里经常出现的区域。轮廓的大小不影响绘图的目 的,只需在绘制不同电子的电子云轮廓图时标准一致即可。例 汝,常把电子出现的概率约为90%的空间圈出来。人们把这 种电子云轮廓图称为原子轨道。例如,图1-12是1s、23、35原子轨道 atomic orbital 的原子轨道图,图1-13是p能级的原子轨道图 图1-125能级的原子轨道图 从图1-12可见,s电子的原子轨道都是球形的(原子核位 汙于球心),能层序数越大,原子轨道的半径越大。这是由于 s,2s, …电子的能量依次增高,电子在离核更远的区域 出现的概率逐渐增大,电子云越来越向更大的空间扩展。这是 不难理解的,打个比喻,神州五号必须侬靠推动(提供能量〕 汗能克服地球引力上天,2s电子比1s电子能量高,克服原子 核的吸引在离核更远的空间出现的概率就比15大,因而2s电 子云必然比1s电子云更扩散 P, 图13p能级的原子轨道图 从图1-13可见,跟s电子不同,p电子的原子轨道是纺锤 形的,每个p能级有3个原子轨道,它们相互垂直,分别以 p,、p.和p为符号,而且,p电子原子轨道的平均半径也随H 堙大而增大
起学 第二周期元素基态原子的电子排布如图1-14所示(图中 每个方框代表一个原子轨道,每个箭头代表一个电子) 评口酬口评口团团↑困计奸 C 图1-14第二同期元紫基态原子的电子推布图 由图1-14总结 每个原子轨道里最多只能容纳几个电子? 2,当电子排布在同一能级时,有什么规律? 量子力学告诉我们:is能级各有1个轨道,冲能级各有 3个轨道,i能级各有5个轨道,能级各有7个轨道…… 泡利原理 回顾每个能级最多可容纳的电子数:#5,ν,,;… Pauli exclusion principl 能级分别最多可容纳2×1,2×3,2X5,2×7……个电子 洪特规列Hund' s tules 有了原子轨道的概念,你更清楚了:上述1,3,5,7……是 s,,vd,,…能级里的原子轨道数,而它们分别乘以2 是由于每个轨道里最多只能容纳2个电子,通常称为电子对, 用方向相反的箭头“+”表示 1个原子轨道里最多只能容纳2个电子,而且自旋方向相 反(用“十↑”表示),这个原理是由泡利(Paui首先提出 的,称为泡利原理。在同一个原子轨道里的电子的自旋方向是 不同的,电子自旋可以比喻成地球的自转,自旋只有两种方 向:顺时针方向和逆时针方向。 当电子排布在同一能级的不同轨道时,总是优先单独占据 一个轨道,而且自旋方向相同,这个规则是由洪特(Hund 首先提出的,称为洪特规则
习 1.以下能级符号正确的是() ,5 B C.3「 2.下列各绝层中不包含p能级的是() A N B M C. L K 3.下列能级中轨道数为3的是() A,s能级 B.p能级 C.d能级 D.「能级 4下列各原子或离子的电子排布式错误的是( AK+ 1323: 2p33 3p6 BF152:2p5 C.s-1=22s22p3s23 D.Ar1s2s22p353323p 下列关于图1-1D的说法中,正确的是() A.通常用小黑点来表示电子的多少 B.小黑点密表示在该核外空间的电子数多 C.小黑点密表示在该核外空间的单位体积内电子出现的概率大 D.通常用小黑点来表示电子绕核作高速圆周运动 6,以下电子排布式是不是基态原子的电子排布? 1.1 C.122p5 322322p? 7.按构造原埋写出第9.17、35号元囊的基态原子的电子排布式.它们的核外电子分别有几层? 最外层电子数分别为多少? 8.在元周期表中找出钠和硫,按构原埋写出它们的电子排布式,并预言它们的跟高化合价和 虽低化合价
2原子结构与元素的性质 、原子结构与元素周期表 门捷列夫周期表中每一周期的第一个元素(除第一周期外 是锂、钠、钾、铷、铯、钫——碱金属。你能根据构造原理写出 它们的电子排布吗? 硪金属子序数期基态原子的电子排布 1s2s或[He]2s 锂钠钾伽铯 1322322p53或[NE]3s 122043s53p4x或[A门]as 37 五1s2=2p23s23p53d4s24p55或[Kr]5 55 六12222p5333p23d"4s34p4d°55p6或[Xe1]6s 这表明,随着元素原子的核电荷数递增,每到出现碱金 元素周期系 属,就开始建立一个新的电子层,随后最外层上的电子逐渐增 he pericdic sy stEm多,最后达到B个电子,出现稀有气体;然后又开始由碱金属 of the elements 到稀有气体,如此循环往复—这就是元素周期系中的一个个 元素周期表 周期,例如,第11号元素钠到第18号元素氩的最外层电子排 the periodic table o the Elements 布重复了第3号元素锂到第10号元素氖的最外层电子排 布——从1个电子到8个电子;再往后,尽管情形变得复杂 些,但每个周期的第1个元素的原子最外电子层总是1个电 子,最后一个元素的原子最外电子层总是B个电子。可见,元 素周期系的形成是由于元素的原子核外电子的排布发生周期性 的重复。 由于随着核电荷数的递增,电子在能级里的填充顺序遵循 构造原理,元素周期系的周期不是单调的,每一周期里元素的 数目并不总是一样多,而是随周期序号的递增渐渐增多,同 时,金属元素的数目也逐渐增多 周期 二三四五六七 元素数目 8 1818 金属元素数目0 14 15