?122??????1???1?1??E1?1?1?2r1? ?
能E1。
按求解单电子原子Schrodinger方程的方法即可求出单电子波函数?1(1)及相应的原子轨道
上述分析同样适合于电子2，因此，电子2的Schrodinger方程为：
?122??????2???2?2??E2?2?2?2r2? ?
?2电子2的单电子波函数和相应的能量分别为2??和E2。He原子的波函数可写成两单电子
波函数之积：
??1,2???1?1?g?2?2?
He原子的总能量为：
E?E1?E2
2s2p He原子激发态????11角动量加和后L=1，故轨道角动量和轨道磁距分别为：
hh?22?2?
??L?L?1??c?2?cML?L?L?1?
【2.15】Li原子的3个电离能分别为I1=5.39eV,I2=75.64eV,I3=122.45eV,请计算Li原子的1s电子结合能.
解：根据电子能的定义，可写出下列关系式： Li（1s22s1）
?Li+（1s22s0） ?Li2+（1s12s0） ?Li3+（1s02s0）
ELi?1s22s0?ELi1s22s1?I1???? （1） （2） （3）
Li+（1s22s0）
ELi2?1s12s0?ELi?1s22s0?I2????Li2+（1s12s0）
ELi3?1s02s0?ELi2?1s12s0?I3????根据电子结合能的定义，Li原子1s电子结合能为：
?E1s????ELi??1s12s1??ELi?1s22s1????
23?0.85??32ELi?1s12s1??13.6eV?2?13.6eV???122而
??138.17eV （4）
ELi1s22s1???I1?I2?I3????5.39?75.64?122.45?eV??
??203.48eV （5） 所以
E1s???(4)?(5)??(5)?(4)
或
??203.48eV???138.17eV???65.3eV
ELi1s22s1?ELi?1s2??I1????
ELi?1s2?ELi?1s1??I2?????
2ELi2?1s2?ELi?1s12s1?E???
1s电子结合能为：
?3???E?13.6eV?222?3?0.85??13.6?4eV?15.7eV
E1s?ELi1s22s1?ELi?1s12s1????
?15.7eV?5.39eV?75.64eV??65.3eV
?E?I1?I2
【2.16】已知He原子的第一电离能I1=24.59eV,试计算: (a)第二电离能; (b)基态能量;
(c)在1s轨道中两个电子的互斥能; (d)屏蔽常数;
(e)根据(d)所得结果求H-的基态能量. 解：
（a）He原子的第二电离能I2是下一电离过程所需要的最低能量，即： He+（g）?He2+（g）＋c
I2??E?EHe2??EHe??0?EHe???EHe?EHe?
He+ 是单电子“原子”，可按单电子原子能级公式计算，因而：
（b）从原子的电离能的定义出发，按下述步骤推求He原子基态的能量：
He（g）?He+（g）＋e
由（1）式得：
I2??EHe??22?????13.595eV?2??54.38eV1??
I1?EHe??EHe （1） （2）
He+（g）?He2+（g）＋e
I2?EHe2??EHe?EHe?EHe??I1将（2）式代入，得：
EHe?EHe??I1?EHe2??I2?I1
??
推而广之，含有n个电子的多电子原子A，其基态能量等于各级电离能之和的负值，即：
??24.59eV?54.38eV??78.97eVEA???Iini?1
（c）用J（s，s）表示He原子中两个1s电子的互斥能，则：
?0??I1?I2????I1?I2?
EHe?2EHe??J?s,s? J?s,s??EHe?2EHe?
??78.97eV?2???54.38eV?
?29.79eV也可直接由I2I1减求算J（s，s），两法本质相同。
2?2????????13.595eV???221????
EHe（d）
（e）H是核电荷为1的两电子“原子”，其基组态为（1s）2，因而基态能量为：
????78.97eV?EHe??2????2????13.595eV?2?13.595eV?2????????
?2?1.704?0.3
－
1212
EH????13.595eV??1?????2??
2???13.595eV??1?0.3???2?? ??13.32eV
2【2.17】用Slater法计算Be原子的第一到第四电离能,将计算结果与Be的常见氧化态联系起来.
解：原子或离子 Be（g）→ Be（g）→ Be2（g）→Be3（g）→Be4（g）
电离能＋
＋
＋
＋
(1s)2(2s)2?(1s)2(2s)1?(1s2)?(1s1)?(1s0)14424431424314243123I1I2I3I4组态
根据原子电离能的定义式
In?EAn??EA?n?1??，用Slater法计算Be原子的各级电离能如下：
22?4?0.85?2?0.35?4?0.85?2????I1????13.595eV??2?13.595eV??2222?????7.871eV
2?4?0.85?2???I2????13.595eV???17.98eV22????2I3????13.595eV??4?0.3??2?13.595eV?16??154.8eV?? I4???13.595eV?42??217.5eV
计算结果表明：I4?I3?I2?I1；I2和I1相近（差为10.1eV），I4和I3相近（差为
62.7eV），而I3和I2相差很大（差为136.8eV）。所以，Be原子较易失去2s电子而在化合物中显正2价。
【2.19】写出下列原子能量最低的光谱支项的符号：(a)Si; (b)Mn; (c)Br; (d)Nb; (e)Ni
解：写出各原子的基组态和最外层电子排布（对全充满的电子层，电子的自旋互相抵消，各电子的轨道角动量矢量也相互抵消，不必考虑），根据 Hund规则推出原子最低能态的自旋量子数S，角量子数L和总量子数J，进而写出最稳定的光谱支项。
22Ne3s3p??（a） Si：
?1?0?1
?1?0??1??2
3m?1,S?1;m?1,L?1;L?S?0;P0 L S25Ar4s3d??（b） Mn：
?2555mS?,S?;mL?0,L?0;L?S?;6S5/2222
2105??Ar4s3d4p??1（c） Br：
??0??1
113mS?,S?;mL?1,L?1;L?S?;2P3/2222
14Kr5s4d??（d） Nb：
?2?1?0??1?2
551mS?,S?;mL?2,L?2;L?S?;6D1/2222
28Ar4s3d??（e） Ni：
??2??1??0??1??2
mS?1,S?1;mL?3,L?3;L?S?4,3F4
【2.20】写出Na原子的基组态、F原子的基组态和碳原子的激发态（1s22s22p13p1）存在的光谱支项符号。
解：Na原子的基组态为(1s)(2s)(2p)(3s)。其中1s，2s和2p三个电子层皆充满电子，它们对对整个原子的轨道角动量和自旋角动量均无贡献。Na原子的轨道角动量和自旋
1212L?0,S?S2，故光谱项为角动量仅由3s电子决定：；J只能为2，故光谱支项为S1/2。
2261F原子的基组态为(1s)2(2s)2(2p)5。与上述理由相同，该组态的光谱项和光谱支项只决定于(2p)5组态。根据等价电子组态的“电子----空位”关系，(2p)5组态与(2p)1组态具有相同的项谱。因此，本问题转化为推求(2p)1组态的光谱项和光谱支项。这里只有一个电子，
231112S?1,L?1J?1??J?1??222或22，，故光谱项为P。又因此有两个光谱支项：P3/221/2。 和P对C原子激发态（1s22s22p13p1），只考虑组态(2p)1 (3p)1即可。2p和3p的电子是不等价电子，因而(2p)1 (3p)1组态不受Pauli原理限制，可按下述步骤推求其项谱：由l1?1,l2?1得
3331111L?2,1,0；由s1?12,s2?2得S?1,0。因此可得6个光谱项：D,P,S,D,P,S。根
据自旋----轨道相互作用，每一光谱项又分裂为数目不等的光谱支项，如D，它分裂为
33D3,3D2和3D1等三个支项。6个光谱项共分裂为10个光谱支项：333111D3,3D2,3D1,3P2,3P1,P0,S1,D2,P1,S0。
【2.21】基态Ni原子的可能的电子组态为：（a）[Ar]3d84s2; (b)[Ar]3d94s1，由光谱实验确定其能量最低的光谱支项为3F4。试判断它是哪种组态。
解：分别求出a，b两种电子组态能量最低的光谱支项，与实验结果对照，即可确定正确的电子组态。
3m?1,S?1;m?3,L?3;L?S?4SL组态a：。因此，能量最低的光谱支项为F4，与
光谱实验结果相同。
3m?1,S?1;m?2,L?2;L?S?3SL组态b：。因此，能量最低的光谱支项为D3，
与光谱实验结果不同。
82Ar3d4s??所以，基态Ni原子的电子组态为。
03 共价键和双原子分子的结构化学
【3.8】画出NO的分子轨道示意图，计算键级及自旋磁矩，试比较NO和NO何者的键更强？哪一个键长长一些？
解：NO的价层分子轨道能级示意图如图3.8所示。
?1?(8?3)?2.5键级2
图3.8 NO价层分子轨道能级图
不成对电子数为1，自旋磁矩??1(1?2)?e?1.73?e。
由于NO+失去了1个反键的2π电子，因而键级为3，所以它的化学键比NO化学键强。相应地，其键长比NO的键长短。
【3.9】按分子轨道理论写出NF，NF，NF基态时的电子组态，说明它们的不成对电子数和磁性（提示：按类似O2的能级排）。
解：NF，NF+和
NF-分别是
??OO22O，和的等电子体，它们的基态电子组态、键级、
??2
不成对电子数及磁性等情况如下： “分子” NF NF+ NF- 解：Cl2：
基态电子组态
键级 不成对电子数 2 2.5 1.5
2磁性 顺磁性 顺磁性 顺磁性
KK(1?)2(2?)2(3?)2(1?)4(2?)2 KK(1?)2(2?)2(3?)2(1?)4(2?)1 KK(1?)2(2?)2(3?)2(1?)4(2?)3
2 1 1
2CN的价电子组态和基态光谱项。【3.13】写出Cl2， 22222?3?3z???????????????????
S?0,??0，基态光谱项：?。
n3z3?z3px3py3pz3py1
结构化学基础习题答案 周公度 第4版
