《原子的空间结构》课件2

《原子的空间结构》课程目标理解原子结构掌握电子排布认识化学键应用原子理论了解原子的基本组成部分，包学习电子在原子中的排列方式，理解化学键的种类和形成原理，将原子理论应用于解释物质的括原子核、质子、中子和电子包括电子层、电子亚层和电子包括离子键、共价键和金属键性质和化学反应，并了解其在轨道科学研究和日常生活中的意义什么是原子物质的基本单元原子是构成所有物质的最小单元，是化学反应的基本粒子极小的尺度原子非常小，直径约为10^-10米，肉眼无法看见多种元素组成自然界存在着100多种元素，每种元素都由特定类型的原子构成持续不断运动原子处于不停的运动状态，其运动方式决定了物质的不同形态原子的结构原子核1原子核位于原子中心，包含质子和中子，占原子质量的绝大部分电子云2电子在原子核外空间运动，形成电子云，电子云是电子在原子核外空间出现概率的分布图电子层3电子云可以被划分成不同的电子层，不同电子层上的电子具有不同的能量原子核质子和中子质子中子原子核由带正电的质子和不带电的中子组成每个质子带一个单位的正电荷，决定了原子中子不带电，与质子共同构成原子核的质量核的电荷数，也决定了元素的种类质子和中子质量相近强核力结合质子和中子的质量非常接近，约为

1.67×10^-27千克质子和中子在原子核中被强大的强核力束缚在一起，形成原子核的稳定结构电子质量很小2电子的质量非常小，约为

9.11×10^-31千克，负电荷是质子质量的1/18361电子带负电荷，其电荷量与质子的电荷量大快速运动小相等，符号相反电子在原子核外空间高速运动，形成电子云，3其运动遵循量子力学的规律电子云概率分布电子云是电子在原子核外空间出现概率的分布图，而不是电子的实际轨迹形状多样电子云的形状和大小取决于电子在原子中的能量和角动量，可以是球形、哑铃形等量子力学描述电子云的形状和大小可以用量子力学来描述，它描述了电子在原子核外空间的运动状态电子层能量层电子云可以被划分成不同的电子层，每个电子层对应一个特定的能量值电子排布电子按照能量递增的顺序填充不同的电子层，电子层越靠近原子核，能量越低化学性质决定电子层上的电子数决定了原子的化学性质，原子最外层电子决定了原子的化学反应能力量子数41主量子数角动量量子数描述电子能量，数值越大，能量越高描述电子轨道形状，数值决定了电子轨道类型，例如s轨道、p轨道、d轨道等23磁量子数自旋量子数描述电子轨道在空间中的取向，数值决定了电子轨道在空间中的方向描述电子的内禀角动量，数值表示电子自旋方向，可以是+1/2或-1/2电子轨道电子配对泡利不相容原理1一个原子轨道最多只能容纳两个电子，且两个电子的自旋方向相反洪特规则2当多个原子轨道能量相同时，电子首先单独占据不同的轨道，然后才配对电子排布规律3电子排布遵循一定的规律，确保原子的稳定性，从而决定了元素的化学性质能量层层K1最靠近原子核的电子层，能量最低，最多容纳2个电子层L2第二层电子层，能量比K层高，最多容纳8个电子层M3第三层电子层，能量比L层高，最多容纳18个电子层N4第四层电子层，能量比M层高，最多容纳32个电子亥氏规则电子排布规律亥氏规则是电子排布的另一个重要原则，它帮助我们理解电子在原子中的排列方式稳定与不稳定最外层电子化学反应12原子最外层电子数决定了原子不稳定的原子会通过化学反应的稳定性，最外层电子数为8时，来获得或失去电子，以达到最原子最稳定外层电子数为8的稳定状态稳定元素3稀有气体元素的最外层电子数都为8，因此它们非常稳定，不易发生化学反应原子半径原子大小周期性变化原子半径是指原子核中心到最外层电子云边缘的距离，是衡量原原子半径在元素周期表中呈现周期性变化，同一周期从左到右，子大小的一个指标原子半径逐渐减小；同一主族从上到下，原子半径逐渐增大离子化能失去电子的难易程度离子化能是指从一个气态原子中移去一个电子所需要的能量，反映了原子失去电子的难易程度周期性变化离子化能也呈现周期性变化，同一周期从左到右，离子化能逐渐增大；同一主族从上到下，离子化能逐渐减小电负性吸引电子的能力1电负性是指原子在形成化学键时吸引电子的能力，反映了原子吸引电子的强弱程度周期性变化2电负性也呈现周期性变化，同一周期从左到右，电负性逐渐化学键类型增大；同一主族从上到下，电负性逐渐减小3电负性差异决定了化学键的类型，电负性差异越大，离子键的性质越强；电负性差异越小，共价键的性质越强共价键共享电子非极性共价键极性共价键共价键是两个原子通过当两个原子具有相同的当两个原子具有不同的共享电子对而形成的化电负性时，形成的共价电负性时，形成的共价学键，这种共享的电子键称为非极性共价键，键称为极性共价键，共对称为共用电子对共用电子对均匀分布在用电子对偏向电负性较两个原子之间强的原子离子键电子转移离子键是由电负性差异很大的两种原子通过电子转移而形成的化学键，形成带正电的阳离子和带负电的阴离子，并通过静电作用相互吸引金属与非金属离子键通常存在于金属元素和非金属元素之间，例如氯化钠（NaCl）中的钠离子（Na+）和氯离子（Cl-）化合物性质离子化合物通常具有较高的熔点和沸点，在水溶液中易导电，通常为固体金属键自由电子金属键是由金属原子中的自由电子与金属离子之间的静电作用形成的，金属原子释放出最外层电子形成自由电子，这些自由电子可以自由移动，金属离子则排列成金属晶格导电导热性金属键的存在解释了金属的良好导电性和导热性，因为自由电子可以自由移动，从而传递电荷和热能延展性金属键也解释了金属的延展性和韧性，因为金属原子可以相互滑动，而不会破坏金属键氢键特殊作用力极性分子影响性质氢键是分子间的一种特殊作用力，它氢键通常出现在极性分子之间，因为氢键的存在影响了物质的物理性质，存在于含有氢元素和电负性较强的元极性分子中氢原子带部分正电荷，而例如水的高沸点和高熔点，就是氢键素（如氧、氮、氟）的分子之间电负性较强的元素带部分负电荷作用的结果极性分子偶极矩2极性分子具有偶极矩，偶极矩是指分子中正负不对称结构电荷中心之间的距离乘以电荷量1极性分子是指分子中电荷分布不均匀，具有氢键形成正负极性的分子，例如水分子极性分子之间可以形成氢键，氢键是分子间作3用力的一种，比范德华力更强非极性分子对称结构无偶极矩范德华力非极性分子是指分子中电荷分布均匀，没非极性分子没有偶极矩，因为分子中正负非极性分子之间以范德华力为主，范德华有正负极性的分子，例如二氧化碳分子电荷中心重合力是分子间作用力的一种，比氢键更弱分子间作用力范德华力1范德华力是分子间最常见的弱相互作用力，分为伦敦力、偶极-偶极力、偶极-诱导力氢键2氢键是分子间作用力中的一种特殊类型，比范德华力更强，对物质的性质有重要影响影响物质性质3分子间作用力的大小影响了物质的物理性质，例如熔点、沸点、蒸汽压、溶解度等沸点与熔点分子间作用力1物质的沸点和熔点与分子间作用力的大小有关，分子间作用力越强，沸点和熔点越高氢键影响2含有氢键的物质，例如水，由于氢键的强作用力，具有较高的沸点和熔点应用于分离3沸点和熔点差异可以用于分离混合物，例如蒸馏法分离不同沸点的液体固体形态123晶体非晶体性质差异晶体是指原子或分子在空间中呈规则排列的非晶体是指原子或分子在空间中排列无序的晶体和非晶体的物理性质不同，例如晶体具固体，具有固定的熔点和清晰的几何形状固体，没有固定的熔点，没有规则的几何形有各向异性，而非晶体具有各向同性状液体形态流动性表面张力液体具有流动性，可以自由地改变形状，但体积不变，因为液体分液体表面存在着表面张力，这是由于液体内部分子之间相互作用力子之间存在着较弱的相互作用力大于表面分子之间相互作用力造成的气体形态无固定形状可压缩性12气体没有固定的形状和体积，气体可以被压缩，因为气体分可以自由地充满容器，因为气子之间距离很大，可以被压缩体分子之间距离很大，相互作到更小的空间用力很弱气体压强3气体对容器壁产生压强，这是由于气体分子不停地运动，撞击容器壁造成的等离子体物质第四态导电性存在于宇宙等离子体是指物质的第四态，它是由原子等离子体具有良好的导电性，因为它包含等离子体是宇宙中最常见的物质形态，例或分子失去电子形成的带电粒子组成的物自由移动的带电粒子如太阳和恒星都是等离子体质状态物质的三态固态1固态物质具有固定的形状和体积，原子或分子之间通过强烈的相互作用力紧密排列，可以被压缩液态2液态物质具有流动性，没有固定的形状，但具有固定的体积，气态原子或分子之间相互作用力比较弱，可以被压缩3气态物质没有固定的形状和体积，可以自由地充满容器，原子或分子之间距离很远，相互作用力非常弱，可以被压缩原子模型发展道尔顿原子模型道尔顿提出原子是不可分割的实心球体，并提出了原子论，解释了化学反应的本质汤姆逊模型汤姆逊通过阴极射线的实验发现电子，提出原子是一个带正电的球体，电子像“葡萄干”一样镶嵌在其中卢瑟福模型卢瑟福通过α粒子散射实验，发现原子具有核式结构，即原子中心有一个带正电的原子核，电子围绕原子核运动波尔模型波尔在卢瑟福模型的基础上，提出了电子在原子核外特定轨道上运动的理论，并解释了氢原子的光谱量子力学模型量子力学模型是目前最完善的原子模型，它用量子力学描述了电子在原子核外空间的运动状态汤姆逊模型葡萄干布丁模型解释现象汤姆逊将原子比作一个带正电的汤姆逊模型可以解释一些现象，球体，电子像“葡萄干”一样镶例如原子带电性，但无法解释α粒嵌在其中子散射实验的结果局限性汤姆逊模型忽略了原子核的存在，因此无法解释原子的真实结构卢瑟福模型核式结构粒子散射α卢瑟福提出原子中心有一个带正电的α粒子散射实验验证了原子的核式结构，原子核，电子围绕原子核运动少数α粒子被原子核反弹，说明原子核非常小且集中了原子的绝大部分质量波尔模型电子轨道波尔模型假设电子只能在特定的轨道上运动，这些轨道称为能级量子化能量电子在不同能级上运动时，具有不同的能量，能量值是量子化的，只能取特定的值解释光谱波尔模型可以解释氢原子的光谱，解释了原子光谱中出现的谱线量子力学模型量子数量子力学模型用四个量子数来描述电子的运2动状态，分别是主量子数、角动量量子数、电子云磁量子数和自旋量子数量子力学模型用电子云描述电子在原子1核外空间的运动状态，电子云是电子出精确描述现概率的分布图3量子力学模型可以精确地描述电子在原子核外空间的运动状态，解释了原子结构的许多现象原子轨道的性质形状能量12原子轨道有不同的形状，例如s原子轨道具有不同的能量，s轨轨道是球形，p轨道是哑铃形，道能量最低，p轨道能量比s轨d轨道更复杂道高，d轨道能量比p轨道高方向3原子轨道在空间中具有特定的方向，例如p轨道有三个方向，分别指向x、y、z轴量子效应波粒二象性量子化能量不确定性原理电子既具有波的性质，也具有粒子的性质，电子在原子中只能处于特定的能量状态，无法同时精确地测量电子的位置和动量，表现出波动性和粒子性的二象性能量值是量子化的，只能取特定的值因为这两个量之间存在着相互制约的关系电子云图概率分布电子云图表示了电子在原子核外空间出现概率的分布，越亮的区域，电子出现的概率越大扩散效应电子云重叠1当两个原子靠近时，它们的电子云会发生重叠，导致电子云密度发生变化化学键形成2电子云重叠是化学键形成的基础，电子云的重叠程度决定了化学键的强度影响性质3扩散效应影响了物质的性质，例如熔点、沸点、导电性等共振效应电子离域共振效应是指电子在多个原子或原子团之间离域运动，形成共振结构稳定性共振效应使分子更加稳定，因为电子离域运动降低了分子能量影响性质共振效应影响了物质的化学性质，例如反应活性、颜色、酸碱性等化学反应机理断键与成键化学反应是指原子或分子之间通过断裂旧键和形成新键而发生变化的过程电子转移化学反应过程中，电子会在原子或分子之间发生转移，形成新的物质能量变化化学反应通常伴随着能量变化，有的反应会释放能量，有的反应需要吸收能量应用与发展材料科学能源领域医药领域原子理论被广泛应用于材料科学领域，原子理论应用于核能领域，例如核反原子理论应用于药物设计，例如研发例如设计新型材料、提高材料性能等应堆的设计、核武器的制造等新型药物、提高药物疗效等原子理论的意义理解物质本质推动科学发展应用于生活原子理论帮助我们理解物质的本质，解释原子理论的提出促进了化学、物理学等学原子理论的应用改变了人类的生活方式，了物质的结构、性质和变化规律科的发展，也推动了科技的进步例如电子器件、化学工业、医疗保健等课程总结原子结构1我们学习了原子的基本结构，包括原子核、质子、中子和电子，以及电子在原子中的排列方式化学键2我们学习了化学键的种类和形成原理，包括离子键、共价键和金属键，以及氢键的作用物质形态3我们学习了物质的三态，即固态、液态和气态，以及等离子体原子模型发展4我们了解了原子模型的发展历程，从道尔顿原子模型到量子力学模型，以及原子模型的局限性和未来发展方向拓展阅读《化学》《物理化学》大学化学教材，深入介绍化学基大学物理化学教材，介绍化学热础知识，包括原子结构、化学键、力学、化学动力学、量子化学等化学反应等内容《原子与分子物理》大学物理学教材，介绍原子和分子物理学的基本知识，包括原子结构、光谱学、量子力学等。