当前课程知识点：大学化学 > 第三章 原子结构与元素周期律 > 3.3核外电子排布-多电子原子核外电子运动的描述 > Video
同学们好
下边我们继续
关于原子结构和原子核外
电子排布的学习
在前边我们介绍了
四个量子数以及
核外电子的运动的波函数
那么今天呢 我们要在
鲍林的核外多电子
原子结构的能级近似图方面
跟大家介绍有关相应的内容
前面我们介绍了
鲍林是我们化学
第四个里程碑的奠基人
也是量子化学理论
建设和发展过程当中
发挥作用最大的
著名的化学家
他在讨论波函数的解析
以及四个量子数
与核外多电子的
运动状态时
考虑了电子
在原子轨道当中的
排列状况的不同
给出了相应的
核外电子的能级近似图
在这张图当中
我们可以看到
从离核最近的1s轨道开始
依次随着主量子数
角量子数的变化
而把能级由最低到高
依次的排列起来
所不同的是
在这里我们发现
4s和3d轨道
两者的位置发生了交错
同时5s、4d和4f
也有类似的情况
那么到底发生了什么呢
为什么原来由
主量子数和角量子数
决定的核外电子运动的状态
会在轨道能级
由低到高的排列当中
出现了这样的能级的交错呢
要揭开这个迷
我们还要从核外多电子的
运动状态上入手
来一一的解析其中的原因
首先当角量子数相同
而主量子数不同的时候
我们很自然的就会注意到
那么 不同的主量子数
主量子数越高
原子轨道的能级越高
这样对于s轨道和p轨道的规律
是完全相同的
而当主量子数相同
而角量子数不同的时候
原子轨道的能量
会随着l值的增加而增高
比如我们常见的
2p轨道的能量
就比2s轨道的能量要来得高
相应的4f就比4d的轨道能量高
而4d又会高于4p
4p呢 又会高于4s
当主量子数和角量子数
都不相同的时候
这时候就容易出现
我们前面提到的
原子轨道排列的
能级交错现象
这种现象
它的内在的原因是什么呢
经过研究人们发现
多电子原子核外的电子
它们在运动过程当中
不仅遵从自己的波函数
遵从自己的量子数的
这样的一个运动规律
同时由于核外存在的多个电子
这样的电子它们在距核
相似的区域内运动的时候
彼此之间会发生相互作用
这个作用就导致
电子不仅会受到原子核的吸引
同时还会受到其它电子的排斥
同学们很容易从这里去理解
因为电子虽然和原子核
它们的电性相反
彼此是相互吸引的
但是
同时在核外运动的电子
它们的电性是相同的
同号是相斥的
那么这种排斥作用呢
就相当于削弱了
原子核对核外电子的吸引作用
由于这种电子与电子之间
同号的相斥作用
而导致的
原子核对于核外电子的
吸引力变弱
这种现象我们称为屏蔽效应
如果从这张示意图上
我们就更容易能够看到
屏蔽效应的作用机理
在原子核外由多个电子
它们处在不同的轨道上
绕核在进行各自的运动
对于一个外层电子来讲
它和核之间的相互作用
处于正和负电两者之间的
相互吸引作用
但是由于在它与核之间
存在着其它的轨道上运动的
带有负电性的电子
这些电子势必会对核外的电子
形成相应的
同号相斥的排斥作用
而这种排斥作用
就降低了电子和核之间
本有的吸引作用
因而会对这样一个
处在外层的电子
产生相应的屏蔽效应
由于屏蔽效应的存在
就降低了原子核
对核外电子的吸引
这时候
原来以我们的原子序数
或者是原子核当中的质子数
来计量的正电与负电
之间的相互作用就被减弱了
减弱以后
这种新的基础上
所形成的相互作用
我们要用一个
新的物理参量来描述
我们用有效核电荷数
Z*来表示
由于屏蔽效应
电子所受到的实际的作用
要比原来的核电荷数
或者是我们的原子序数
所来得吸引作用要小
因此有效核电荷数
是表示的是实际的
由于屏蔽效应的作用情况下
而电子与核之间
所产生的吸引力的大小
要了解有效核电荷数
我们还要领悟
另外一个新的物理量
叫屏蔽常数
我们用σ来表示
一般来说主量子数越大
σ就会相应越大
同学们可以理解
因为主量子数越大
相当于电子所处的能级越高
它离核越远
这时候在远离
原子核的这样的一个空间当中
出现其它电子的机会就越多
因此n越大
屏蔽常数就会越大
当在同一能层当中
n相同的时候
这时候如果
我们的角量子数越大
也就意味着它的电子亚层
所处的位置离核越远
那么这样的状况也会导致
屏蔽作用越大
也就是σ越大
为了精确的量度σ常数的大小
我们就需要把有效核电荷数
和我们的核电荷之间
建立起一个数学的关系
这个数学的关系呢
就是有效核电荷数
等于真实的核电荷数
与屏蔽常数之差
而屏蔽常数的大小
不仅与它所处的n和l有关
而且经过量子化学的计算
人们已经总结出了斯莱特规则
我们根据查表的方式
就可以依据n和l的取值
来确定在不同的亚层当中
σ的大小
有了相应的
这样一个物理参数以后
我们就可以代入以下的公式
来计算多电子原子中
电子的能量
从这样的一个数学方程当中
我们可以看到
多电子的原子当中
电子的能量
不再是与我们普通的电荷数
或者原子序数平方成正比
而是与有效
核电荷数的平方成正比
如果我们把有效核电荷数
代入相应的计算公式
我们就会发现
多电子原子的
它的核外电子的能量
实际上是与它所受到的
屏蔽常数的综合作用
以及原有的核电荷数之间
这样一个平方的关系
如果当我们的
有效核电荷数是1的时候
主量子数也是1
我们会惊奇的发现
这个数字和最早玻尔来计算
核外单电子运动模型的时候
电子的能量
等于-13.6eV
是完全一致的
这就是量子力学
在解释我们的
核外电子运动状态的时候
关于它能量描述的
一个统一性的表现
斯莱特在1930年
根据核外电子的运动状态
以及n、l取值的规律
将核外电子呢 分为
相关的几个轨道组
这个轨道组的分类
以n为主线分布低能量的轨道
像1s、2s、2p、3s、3p、3d等
当能级高于3d以后
这时候就要把相应的4s、4p
4d和4f作为单独的组来分
在这些组当中
外组的电子
对于内组没有屏蔽作用
比如说2s和2p
就不会对1s的电子的轨道
产生屏蔽的作用
这点非常的好理解
因为它的位置
要比我们1s电子
更远离原子核
同时
同组的电子间
会产生屏蔽效应
原因是
它们在彼此的轨道上相近
这个时候
他们相互之间的屏蔽常数
要取0.35
但是1s轨道上是特殊的
1s轨道上的两个电子
它们之间的屏蔽常数呢
是取0.30
这是大量的实验
最后证明的斯莱特取值规则
当要考虑次外层的电子
对于外层电子的影响作用时
σ一般要取0.85
小于等于n-2
也就是次外层以内的
更内层的电子
它们对于主量子数为n的
电子的屏蔽常数要取1.00
也就是说2s和2p
它们受到1s的作用的时候
这时候他们的屏蔽作用
我们可以取0.85
如果对于3s和3p来讲
1s对它的作用
我们这时候就要取1.00
同时如果被屏蔽的
是nd和nf轨道上的电子
则位于其前面轨道的
各轨道电子对的屏蔽作用
都取1.00
也就是说
当我们被屏蔽的是3d
4d或者是4f
那么简单了
我们考虑4f电子的时候
只要把前面
各轨道组当中的电子
依次都记作
屏蔽常数为1.00
就可以了
但是同学们要注意
这样的取值方案
只是对于nd和nf轨道的电子
是这样
如果我们屏蔽的是
s和p轨道组
我们还要按原来的
n-1和n-2
内层和次内层
对于我们的n层
电子的屏蔽效应
分别来取0.85和1
掌握了斯莱特规则
我们就可以很方便的了解
屏蔽效应所产生的导致
核电荷数降低
以及有效核电荷数
与核电荷数
以及屏蔽常数之间的
数学关系
这样我们就可以
很方便的来计算
多电子原子核外
电子的能量状态
从前面的介绍我们发现
屏蔽效应是使
我们的核外电子
所受到核的吸引作用力变弱
但是电子由于
它是一种几率波
它可以根据自己的轨道
在空间的任何角度
任何时间都是有可能出现的
只是它出现的概率
与它的波函数的
模的平方成正比
这一点同学们在前两节当中
已经有了这样知识的储备
由于电子按照它的波函数
按照概率波的方式在运动
所以电子不会像最初
人们想象的那样
在行星轨道上
固定的尺度范围内运动
电子特别是外层电子
在某个瞬间
它会穿越内层
而进入到离原子核更近的位置
这样做的结果
是使电子与核之间的距离更近
从而回避了
内层和次内层电子
对外层电子的屏蔽作用
那么这种钻穿的效应呢
就使原来运用在
高能量轨道的电子的能量
平均化
这种效应就是所谓的
钻穿效应
钻穿效应从本质上
它可以减少
内层和次内层电子
对于外层电子的屏蔽现象
同时可以使
核和电子之间的作用增强
钻穿的结果
降低了其它电子
对于外层电子的屏蔽作用
从而起到了
有效增加核电荷数的目的
从而降低了原子轨道的能量
因此在我们的能级近似图当中
就出现了4s和3d的
能级交错现象
钻穿效应对于
主量子数相同时
角量子数越高
外层电子对于内层电子
钻穿作用会越强
因此我们的ns会大于np大于nd
然后会大于nf
从能量上来看
我们的ns的轨道能量
反而是最低的
我们的nf轨道的能量是最高的
由于屏蔽效应的作用
4s轨道的能量
和3d轨道的能量
发生能级交错
这当中对于屏蔽效应来讲
因为4s会比3d更靠外
所以它有更大的
这样的一个屏蔽作用
作用于4s电子上
同时对于钻穿效应来讲
由于4s轨道的几何位置
离核更远
所以它有更强的钻入到核内
或者是钻入到距核
更近的距离的
范围内的这样的趋势
两者综合作用的结果
致使4s它的轨道的能量
会低于3d轨道的能量
产生相应的能级交错
这种交错的现象
同时还出现在5s和4d
6s、4f和5d等等
这样的一些
轨道的能级交错当中
为了更好的定量的来研究
能级交错这样的一个数学规律
中国化学家徐光宪院士
通过大量的光谱实验总结
找到了主量子数与角量子数
和能级交错之间的数学关系
这就是著名的n+0.7l规则
那么徐先生发现
如果我们把原子轨道的
主量子数
与角量子数的0.7倍
进行数学加和
这时候
数值高的就放到后边
数值低的就放到前边
这样的规律整好可以印证
我们在前边通过
屏蔽效应和钻穿效应
总结出来的
能级近似图当中的
能级交错规律
我们来看
对于3d来讲
主量子数是3
角量子数是2
我们可以计算出来n+0.7l
应该是4.4
而对4s来讲
主量子数是4
角量子数却是0
如果按照同样的式子来计算
最后发现n+0.7l是4
那么同学们
你们来说能级低的是哪一个
非常好
肯定是4s轨道
那么在能级交错的时候
首先应该排的是哪一个呢
就是n+0.7l数值要低的
这样一个4s轨道
然后才会去排n+0.7l
这样的一个结果当中
高于4s的4.4的3d轨道
所以通过这样一个
简单的数学运算
同学们就不需要
再去盲目的去强记
到底是先是4s还是先是3d
还是先是5s还是先是4d
这样的一个容易纠结的问题
只要我们很好的掌握了
徐先生帮我们总结的n+0.7l
这样一个能级交错的规律
我们就可以在纷繁的
这样的一个结构当中
牢牢的把握住
能级交错的它的真谛
同时鲍林前面的
能级近似图当中
有许多的上下的位置
并不是那样的清晰
同学们在使用和记住的时候
都不是特别方便
如果我们借助n+0.7l规则
我们就很容易从1s开始
通过123456这样的排列
把原来不容易记忆的
鲍林的能级近似图
变成非常方便记忆的
能级近似图
这个方法供同学们
以后在学习和运用当中参考
这就是多电子的原子核外
电子排列规律的
一个典型的处理方法
有关这部分内容
我们今天就介绍到这
-1.1 不一样的大学化学
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-1.2 化学体系的建立
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-1.3 应该了解的化学
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-1.4 课程学习的必要准备
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-第一章 绪论--第一章 习题
-2.1 物质的聚集状态—物质的相与相变
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-2.1 物质的聚集状态—气体—理想气体与实际气体
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-2.1 物质的聚集状态—气体—实际气体的状态方程
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-2.1 物质的聚集状态—液体
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-2.1 物质的聚集状态—固体—单晶多晶与非晶结构；晶体的宏观性质
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-2.1 物质的聚集状态—固体—晶体的对称性
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-2.1 物质的聚集状态—等离子体
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-2.1 物质的聚集状态—液晶
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-2.1 物质的聚集状态—等离子、液晶与平板显示技术
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-2.2 溶液的性质—溶液的特点与分类
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-2.2 溶液的性质—气体、液体和固体的溶解
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-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—饱和蒸气压降低
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-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—稀溶液的沸点升高
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-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—溶液的凝固点降低
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性— 溶液的渗透压
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-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—反渗透现象
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-第二章 物质的聚集状态与溶液的性质--第二章习题
-3.1原子核外电子运动的描述-原子结构理论的发展
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-3.1原子核外电子运动的描述-核外单电子运动的量子化模型
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-3.1原子核外电子运动的描述-电子运动的特点
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-3.2电子运动的波函数与原子轨道- 电子运动的波函数与原子轨道
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-3.2电子运动的波函数与原子轨道-量子数的取值与原子轨道
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-3.2电子运动的波函数与原子轨道-自旋量子数的取值原则
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-3.3核外电子排布-多电子原子核外电子运动的描述
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-3.3核外电子排布-基态原子核外电子的排布
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-3.4元素周期律-元素周期律与元素周期表
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-3.4 元素周期律-元素性质的周期性
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-3.4元素周期律-电子结构与元素性质
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-第三章 原子结构与元素周期律--第三章 小论文
-第三章 原子结构与元素周期律--第三章 习题
-4.1 离子键理论—离子键理论
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-4.1 离子键理论—离子键价键构型
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-4.1 离子键理论—离子半径与离子晶体的结构
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-4.2 共价键理论—经典路易斯理论
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-4.2 共价键理论—现代价键理论
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-4.2 共价键理论—共价键的性质
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道的理论要点
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道类型（一）
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道类型（二）
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-4.3 杂化轨道理论—不等性杂化轨道理论
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-4.4 价层电子对互斥理论（VSEPR）I
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-4.4 价层电子对互斥理论（VSEPR）II
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-4.5 分子轨道理论-分子轨道的建立
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-4.5 分子轨道理论-分子轨道能级图
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-4.5 分子轨道理论-异核双原子分子和离子
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-4.6 分子间作用力-分子的极性
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-4.6 分子间作用力-分子间作用力
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-4.7 氢键
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-第四章 分子结构与化学键理论--第四章 小论文
-第四章 分子结构与化学键理论--第四章 习题
-5.1 配合物的基本特征-配合物的形成
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-5.1 配合物的基本特征-配合物的命名规则
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-5.2 配合物的化学键理论-配位学说
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-5.2 配合物的化学键理论-配合物价键理论
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-5.2 配合物的化学键理论-晶体场理论
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-5.3 配合物化学键理论的应用-配合物的几何异构现象
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-5.3 配合物化学键理论的应用晶体场理论的应用（一）
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-5.3 配合物化学键理论的应用晶体场理论的应用（二）
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-第五章 配位化学概论--第五章 习题
-6.1化学反应中的能量变化-化学热力学基本概念(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-化学热力学基本概念(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-热力学第一定律
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-6.1化学反应中的能量变化-恒温与恒压热效应(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-恒温与恒压热效应(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-反应进度
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-6.1化学反应中的能量变化-热化学方程式与盖斯定律(一)
--Video
-6.1化学反应中的能量变化-热化学方程式与盖斯定律(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-标准摩尔反应热的计算(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-标准摩尔反应热的计算(二)
--Video
-6.2 化学平衡-可逆反应与平衡常数
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-6.2 化学平衡-化学平衡的规则
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-第六章 化学反应中的能量变化与化学平衡--第六章 习题
-7.1 自发过程与自发反应（一）
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-7.1 自发过程与自发反应（二）
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-7.2 熵与热力学第二定律—熵
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-7.2 熵与热力学第二定律—熵与Entropy
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-7.2 熵与热力学第二定律—热力学第二定律
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-7.3 热力学第三定律与与孤立系统熵判据—热力学第三定律
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-7.3 热力学第三定律与与孤立系统熵判据—孤立系统熵判据
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-7.4 吉布斯自由能判据-吉布斯自由能（一）
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-7.4 吉布斯自由能判据-吉布斯自由能（二）
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-7.4 吉布斯自由能的判据—标准吉布斯自由能的计算
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-7.4 吉布斯自由能的判据—反应方向的标准吉布斯自由能判据
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-7.4 吉布斯自由能的判据—非标准状态下自发反应方向性的判据
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-7.4 吉布斯自由能判据—吉布斯-亥姆霍兹方程
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-7.5 化学反应方向的影响因素—勒夏特列原理与化学反应的方向（一）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—勒夏特列原理与化学反应的方向（二）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—温度、压力对化学反应方向的影响实例（一）
--Video
-7.5 化学反应方向的影响因素—温度、压力对化学反应方向的影响实例（二）
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-第七章 化学反应的方向--第七章 小论文
-第七章 化学反应的方向--第七章 习题
-8.1 化学反应速率-化学反应的方向与反应速率
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-8.1 化学反应速率-化学反应速率的表示方式
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应的速率方程的建立（一）
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应的速率方程的建立（二）
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程-一级反应速率方程
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程-二级反应速率方程
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-温度对化学反应速率的影响
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-碰撞理论（一）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-碰撞理论（二）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-过渡态理论（一）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-过渡态理论（二）
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-8.4 催化剂对化学反应速率的影响
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-第八章 化学动力学基础--第八章 习题
-9.1 酸碱平衡—酸碱定义（一）
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-9.1 酸碱平衡—酸碱定义（二）
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-9.1 酸碱平衡—水的解离平衡
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（一）
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（二）
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（三）
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-9.1 酸碱平衡—同离子效应
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（一）
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（二）
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（三）
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-9.2 配位平衡—配合物的解离平衡
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-9.2 配位平衡—配合物解离平衡的移动
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积常数
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积规则（一）
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积规则（二）
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-第九章 酸碱平衡与沉淀溶解平衡--第九章 习题
-10.1 氧化还原反应方程式配平
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-10.2 原电池与电极电势—原电池
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-10.2 原电池与电极电势—电极电势（一）
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-10.2 原电池与电极电势—电极电势（二）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电池电动势的影响（一）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电池电动势的影响（二）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电极电势的影响
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-10.4 电极电势的应用—判断氧化还原反应的方向性
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-10.4 电极电势的应用—判断元素的氧化还原能力
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-10.4 电极电势的应用—判断氧化还原反应进行的程度
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-10.4 电极电势的应用—元素电势图及其应用（一）
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-10.4 电极电势的应用—元素电势图及其应用（二）
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-10.4 电极电势的应用—金属的电化学腐蚀与防护
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-第十章 氧化还原反应与电化学基础--第十章 小论文
-第十章 氧化还原反应与电化学基础--第十章 习题
-无机元素化学-s区元素
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-无机元素化学-p区元素
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-无机元素化学-过渡元素
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-生命化学概论-生命有机化合物官能团
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-生命化学概论-生命元素-碳
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-生命化学概论-生命元素-氧
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-生命化学概论-蛋白质
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-生命化学概论-核酸
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-生命化学概论-糖
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-生命化学概论-金属酶与金属蛋白
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-生命化学概论-药物
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-第十一章 元素与生命化学概论--第十一章 习题
-纳米科学与化学-自然界中的纳米现象
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-纳米科学与化学-微观结构与仿生
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-纳米科学与化学-纳米结构的观察
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-纳米科学与化学-纳米结构与特殊浸润性
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-化学与材料-材料科学领域中的化学问题
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-化学与材料-正渗透与水处理技术
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-化学与材料-相变材料（一）
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-化学与材料-相变材料（二）
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-化学与材料-范德华力与二维材料
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-第十二章 化学与现代科学--第十二章 习题
-大学化学期末考试
