第五章：原子結(jié)構(gòu)和元素周期律

1、本章重點(diǎn)：本章重點(diǎn)：v1.核外電子的運(yùn)動狀態(tài) v2.電子的排布規(guī)則v3.周期律本章難點(diǎn)：本章難點(diǎn)：v1.原子結(jié)構(gòu)與元素周期表和周期系的關(guān)系第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子：原子：由原子核和電子組成，原子核又由質(zhì)子和中子組由原子核和電子組成，原子核又由質(zhì)子和中子組 成。帶電性：成。帶電性： 核電核數(shù)核外電子數(shù)核電核數(shù)核外電子數(shù) 化學(xué)反應(yīng)不涉及原子核的變化，而只是改變了核化學(xué)反應(yīng)不涉及原子核的變化，而只是改變了核外電子的數(shù)目或運(yùn)動狀態(tài)。外電子的數(shù)目或運(yùn)動狀態(tài)。 那么核外電子的運(yùn)動狀態(tài)是怎樣的呢？人們對原那么核外電子的運(yùn)動狀態(tài)是怎樣的呢？人們對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識過程：子結(jié)構(gòu)的認(rèn)

2、識過程：電子的波粒二象性電子的波粒二象性 電子衍射是一切波動的共同特性，由此充分證電子衍射是一切波動的共同特性，由此充分證明了高速運(yùn)動的電子流，除有粒子性外，也有波動明了高速運(yùn)動的電子流，除有粒子性外，也有波動性，叫做電子的波粒二象性。性，叫做電子的波粒二象性。 電子的衍射實(shí)驗(yàn)電子的衍射實(shí)驗(yàn)第一節(jié)原子核外電子的運(yùn)動狀態(tài)第一節(jié)原子核外電子的運(yùn)動狀態(tài)核外電電子運(yùn)動狀態(tài)運(yùn)動狀態(tài)電子衍射實(shí)驗(yàn)表明，電子的運(yùn)動并不服從經(jīng)典電子衍射實(shí)驗(yàn)表明，電子的運(yùn)動并不服從經(jīng)典力學(xué)力學(xué)(即牛頓力學(xué)即牛頓力學(xué))規(guī)律，因?yàn)榉辖?jīng)典力學(xué)的質(zhì)點(diǎn)規(guī)律，因?yàn)榉辖?jīng)典力學(xué)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動時(shí)有確定的軌道，在任一瞬間有確定的坐標(biāo)和運(yùn)動時(shí)有確定的

3、軌道，在任一瞬間有確定的坐標(biāo)和動量。動量。微觀粒子運(yùn)動的統(tǒng)計(jì)性：微觀粒子運(yùn)動的統(tǒng)計(jì)性：考察電子衍射實(shí)驗(yàn)，考察電子衍射實(shí)驗(yàn)，若電子流很強(qiáng)，則很快得到明暗相間若電子流很強(qiáng)，則很快得到明暗相間的衍射環(huán)紋的衍射環(huán)紋顯示波動性顯示波動性；若電子流強(qiáng)度很小，電子一個(gè)一個(gè)從若電子流強(qiáng)度很小，電子一個(gè)一個(gè)從陰極燈絲飛出，底片上會出現(xiàn)一個(gè)一陰極燈絲飛出，底片上會出現(xiàn)一個(gè)一個(gè)的點(diǎn)個(gè)的點(diǎn)顯示電子具有粒子性顯示電子具有粒子性。經(jīng)一。經(jīng)一定時(shí)間同樣得到明暗相間的衍射環(huán)紋。定時(shí)間同樣得到明暗相間的衍射環(huán)紋。亮環(huán)紋亮環(huán)紋處，衍射強(qiáng)度大，電子出現(xiàn)的機(jī)會多，即幾率大；處，衍射強(qiáng)度大，電子出現(xiàn)的機(jī)會多，即幾率大；暗環(huán)紋處則相反。

4、暗環(huán)紋處則相反。量子力學(xué)認(rèn)為，原子中核外電子的運(yùn)動不象經(jīng)典力學(xué)量子力學(xué)認(rèn)為，原子中核外電子的運(yùn)動不象經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為的那樣有確定的軌道，應(yīng)如何正確描述微觀粒子認(rèn)為的那樣有確定的軌道，應(yīng)如何正確描述微觀粒子的運(yùn)動？的運(yùn)動？VEhmzyx222222228核外電子運(yùn)動狀態(tài)的描述核外電子運(yùn)動狀態(tài)的描述波函數(shù)與原子軌道波函數(shù)與原子軌道 奧地利科學(xué)家奧地利科學(xué)家薛定諤薛定諤（E.Schrdinger 1887-1961）在）在1926年年將德布羅意的物理概念用數(shù)學(xué)形式表示，而導(dǎo)出量子力學(xué)中最將德布羅意的物理概念用數(shù)學(xué)形式表示，而導(dǎo)出量子力學(xué)中最基本的薛定諤方程，建立波動力學(xué)?；镜难Χㄖ@方程，建立波動力學(xué)。

5、薛定諤方程是一個(gè)二階偏薛定諤方程是一個(gè)二階偏微分方程，它的自變量是核外電子的坐標(biāo)（直角坐標(biāo)微分方程，它的自變量是核外電子的坐標(biāo)（直角坐標(biāo)x，y，z或或者極坐標(biāo)者極坐標(biāo)r，q q，f f），），它的因變量是電子波的振幅（它的因變量是電子波的振幅（Y Y）。）。：勢能V：能量E波函數(shù)： ：質(zhì)量m常數(shù)：Planckh聯(lián)系了微觀粒子的波動性和粒子性核外電電子運(yùn)動狀態(tài)運(yùn)動狀態(tài)為了得到電子運(yùn)動狀態(tài)合理的解，必須引用只能為了得到電子運(yùn)動狀態(tài)合理的解，必須引用只能取某些整數(shù)值的三個(gè)參數(shù)，稱它們?yōu)榱孔訑?shù)，這三個(gè)取某些整數(shù)值的三個(gè)參數(shù)，稱它們?yōu)榱孔訑?shù)，這三個(gè)量子數(shù)可取的數(shù)值及它們的關(guān)系如下：量子數(shù)可取的數(shù)值及它們

6、的關(guān)系如下：主量子數(shù)：主量子數(shù)：n=1,2,3,4角量子數(shù)：角量子數(shù)：l=0,1,2,(n-1)磁量子數(shù)：磁量子數(shù)：m=0,1,2,3,l 通過一組特定的通過一組特定的n，l，m值就可得到相應(yīng)的值就可得到相應(yīng)的波函數(shù)波函數(shù)(r,) n，l，m ，并求出相應(yīng)的能量值，并求出相應(yīng)的能量值E 。 例如，例如， 1，0，0 ，2，0，0 ，2，1，0 l=0狀態(tài)為狀態(tài)為s態(tài)，態(tài)， l=1的狀態(tài)為的狀態(tài)為p態(tài)態(tài), l=2的狀態(tài)為的狀態(tài)為d態(tài)，態(tài)， l=3的狀態(tài)為的狀態(tài)為f態(tài)。因此，上述為態(tài)。因此，上述為1s 、2s 、2p。波函數(shù)波函數(shù) 是量子力學(xué)描述核外電子運(yùn)動狀態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)式，即用一定的波函數(shù)表示電

7、子的一種運(yùn)動狀態(tài)。因此波函數(shù)和原子軌道是同義詞，它只是反映了核外電子運(yùn)動狀態(tài)表現(xiàn)出的波動性和統(tǒng)計(jì)性規(guī)律。波函數(shù)是包含三個(gè)常數(shù)項(xiàng)n、l、m的空間坐標(biāo)x,y,z的函數(shù).直角坐標(biāo)直角坐標(biāo)( x,y,z)與球坐標(biāo)與球坐標(biāo)(r,)的轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換 222zyxr+ + += =cosrz= =sinsinry= =cossinrx= =( () )( () ), , rn,l,mzyxn,l ,m ( ( ) )( () ),YrR= =) r (Rfq),(Y波波函數(shù)的徑向部分函數(shù)的徑向部分波函數(shù)的角度部分波函數(shù)的角度部分 p(r, ,)pr xyzo量子數(shù)量子數(shù)核外電電子運(yùn)動狀態(tài)運(yùn)動狀態(tài)核外電子空間運(yùn)動

8、狀態(tài)的描述核外電子空間運(yùn)動狀態(tài)的描述由于電子的波函數(shù)是一個(gè)三維空間函數(shù)，很難用由于電子的波函數(shù)是一個(gè)三維空間函數(shù)，很難用適當(dāng)?shù)暮唵蔚膱D形表示清楚，通常我們是把作為三維適當(dāng)?shù)暮唵蔚膱D形表示清楚，通常我們是把作為三維坐標(biāo)坐標(biāo)x，y，z的函數(shù)的振幅的函數(shù)的振幅Y Y首先轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)首先轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)r，,的函數(shù)的函數(shù)：Y=Y=f(x,y,z) )Y Y= =f( (r, ,) )然后再把函數(shù)然后再把函數(shù)Y Y分解成分解成分解成兩個(gè)函數(shù)的乘積：分解成兩個(gè)函數(shù)的乘積：Y=Y=f( (r, ,) )Y Y=R(r)Y(,) )其中其中R只是離核距離只是離核距離r的函數(shù)的函數(shù),而而Y只是方位角只是方位角,的函

9、數(shù)。的函數(shù)。R叫做叫做徑向分布函數(shù)徑向分布函數(shù)，Y叫做叫做角度分布函數(shù)角度分布函數(shù)。s，px，py，pz，dz2，dx2y2，dxy，dxz和和dyz的的Y函數(shù)函數(shù)的的圖象圖象。zxypzYYszxyYpyYpxzyx+-+-zyx-+-zyxyz+-+-zxYdz2Yd2x -y2YYYdxy+-zyxddyzxz核外電電子運(yùn)動狀態(tài)運(yùn)動狀態(tài)由于由于1s,2s,3s,.的振幅在角度分布的差別并沒有差的振幅在角度分布的差別并沒有差別別它們的振幅不隨方位角它們的振幅不隨方位角,的變動而變動的變動而變動，因而，因而，一個(gè)圖象一個(gè)圖象Ys圖象就表達(dá)了所有不同能層的圖象就表達(dá)了所有不同能層的s軌道；同理

10、，軌道；同理，一個(gè)一個(gè)Ypx圖象表達(dá)了所有不同能層的圖象表達(dá)了所有不同能層的px軌道，軌道，.。注意：波函數(shù)的注意：波函數(shù)的Y圖象是帶正負(fù)號的，圖象是帶正負(fù)號的，“+”區(qū)的區(qū)的Y函數(shù)的取正值，函數(shù)的取正值，“”區(qū)的區(qū)的Y函數(shù)取負(fù)值。它們的函數(shù)取負(fù)值。它們的“波波性性”相反。其物理意義在相反。其物理意義在2個(gè)波疊加時(shí)將充分顯示：個(gè)波疊加時(shí)將充分顯示：“+”與與“+”疊加波的振幅將增大，疊加波的振幅將增大，“”與與“”疊加疊加波的振幅也增大，但波的振幅也增大，但“+”與與“”疊加波的振幅將減小。疊加波的振幅將減小。這一性質(zhì)在后面討論化學(xué)鍵時(shí)很有用。這一性質(zhì)在后面討論化學(xué)鍵時(shí)很有用。 根據(jù)量子力根據(jù)

11、量子力學(xué)學(xué)理理論論，電電子不是沿著固定子不是沿著固定軌軌道道繞繞核旋核旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，而是在原子核周，而是在原子核周圍圍的空的空間間很快地很快地運(yùn)動運(yùn)動著。因此，我著。因此，我們們不能肯定不能肯定電電子在某一瞬子在某一瞬間間在空在空間間的什的什么么位置上。但位置上。但這并這并不是不是說電說電子子運(yùn)動沒運(yùn)動沒有有規(guī)規(guī)律律性，大量性，大量電電子的子的運(yùn)動運(yùn)動或一或一個(gè)電個(gè)電子的千百萬次子的千百萬次運(yùn)動運(yùn)動具有一定的具有一定的規(guī)規(guī)律性?？梢月尚浴？梢越y(tǒng)計(jì)統(tǒng)計(jì)的方法推算出的方法推算出電電子子在空在空間間出出現(xiàn)現(xiàn)的幾率大小。的幾率大小。電電子子運(yùn)動運(yùn)動具有一定的幾具有一定的幾率分布率分布規(guī)規(guī)律。律。END核外電

12、電子運(yùn)動狀態(tài)運(yùn)動狀態(tài)對于不能同時(shí)確定其位置與時(shí)間的事物，需要換對于不能同時(shí)確定其位置與時(shí)間的事物，需要換一種描述方式，即用一種描述方式，即用“幾率幾率”來描述。來描述。許多宏觀事物也需要用幾率才能描述。例如，一許多宏觀事物也需要用幾率才能描述。例如，一個(gè)技術(shù)穩(wěn)定的射箭選手，我們并不能肯定他射出的第個(gè)技術(shù)穩(wěn)定的射箭選手，我們并不能肯定他射出的第幾根箭會射中靶心，但可以給出這根箭射中靶心的百幾根箭會射中靶心，但可以給出這根箭射中靶心的百分率，也就是幾率。我們不可能得知他射出分率，也就是幾率。我們不可能得知他射出100根箭時(shí)根箭時(shí)每一根箭落在哪里，但是，若在他射完每一根箭落在哪里，但是，若在他射完1

13、00根箭后，可根箭后，可以得到無須記錄射箭時(shí)序的幾率分布圖。以得到無須記錄射箭時(shí)序的幾率分布圖。描述核外電子不用軌跡，也無法確定它的軌跡，描述核外電子不用軌跡，也無法確定它的軌跡，但可以用幾率，但可以用幾率，用電子出現(xiàn)在核外空間各點(diǎn)的幾率分用電子出現(xiàn)在核外空間各點(diǎn)的幾率分布圖來描述。布圖來描述。幾率（概率）幾率（概率）電子在核外空間某一區(qū)域出現(xiàn)的機(jī)會；電子在核外空間某一區(qū)域出現(xiàn)的機(jī)會； 表示：電子在核外空間某處單位微體積內(nèi)出現(xiàn)表示：電子在核外空間某處單位微體積內(nèi)出現(xiàn) 的幾率的幾率 即即幾率密度；幾率密度；2幾率幾率 = 幾率密度幾率密度體積體積電子云電子云以小黑點(diǎn)疏密描述電子在核外出現(xiàn)的幾率以

14、小黑點(diǎn)疏密描述電子在核外出現(xiàn)的幾率 密度分布的空間圖象。密度分布的空間圖象。 是電子在核外空間出現(xiàn)的幾率密度大小的形象化描述是電子在核外空間出現(xiàn)的幾率密度大小的形象化描述s電子云：球形對稱電子云：球形對稱p電子云：無柄啞鈴形，電子云：無柄啞鈴形，px py pzd電子云：花瓣形，電子云：花瓣形，222zyxxzyzxyddddd幾率密度和電電子云表示方法表示方法幾率密度分布的幾種表示方法幾率密度分布的幾種表示方法 1s (b) 1s )a (2界面圖電子云的圖及電子云的r的空間圖象的空間圖象yY2pxyzxY2pxyz22pxYxyzxyz2p2yYxyz2p2zYxyzzY2p(2)電子云的

15、角度分布圖態(tài)兩者的區(qū)別？第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律 四個(gè)量子數(shù)四個(gè)量子數(shù)1. 1.主量子數(shù)主量子數(shù) n n 主量子數(shù)表示電子離核的平均距離，n 越大，電子離核平均距離越遠(yuǎn)， n 相同的電子離核平均距離比較接近，即所謂電子處于同一電子層。 電子離核越近，其能量就越低，因此電子的能量隨n的增大而升高。 主量子數(shù) n 的取值數(shù)為從 1 開始的正整數(shù) (1,2,3,4 ) 。第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律 n 是決定電子能量的主要量子數(shù)。 n值又代表電子層數(shù)，不同的電子層用不同的符號表示：電子層能量高低順序： KLMNOP KLMNOP 第五章第五章

16、 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律 2.2.角量子數(shù)角量子數(shù) l l 角量子數(shù) ( 又稱副量子數(shù) )l 是用來描述不同亞層的量子數(shù)。 一個(gè)電子層還可分為若干個(gè)能量稍有差別、原子軌道形狀不同的亞層。 各種形狀的原子軌道各種形狀的原子軌道 l 的取值受 n 的制約，可以取從 0 到 n-1 的正整數(shù)。 每個(gè) l 值代表一個(gè)亞層。第一電子層只有一個(gè)亞層，第二電子層有兩個(gè)亞層，以此類推。亞層用光譜符號 s ， p ， d ， f 等表示。第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律 角量子數(shù)、亞層符號及原子軌道形狀的對應(yīng)關(guān)系如下： 同一電子層中，隨著l數(shù)值的增大，原子軌道能量也依次升

17、高，EnsEnsEnpEnpEndEndEnfEnf。故從能量角度講，每一個(gè)亞層有不同的能量，常稱之為相應(yīng)的能級。與主量子數(shù)決定的電子層間的能量相比，角量子數(shù)決定的亞層間的能量差要小得多。第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律 3. 3. 磁量子數(shù)磁量子數(shù) mm 就是用來描述原子軌道在空間的伸展方向的。磁量子數(shù) (m) 的取值當(dāng)角量子數(shù)為 l 時(shí)， m 的取值可以從+l到-l 并包括 0 在內(nèi)的整數(shù)。即 m 0 ， 1 ，2 ， l 。 亞層中 m 取值個(gè)數(shù)與 l 的關(guān)系是 ( 2l+1) ，即 m 取值有 ( 2l +1) 個(gè)。每個(gè)取值表示亞層中的一個(gè)有一定空間伸展方向的軌道

18、。因此一個(gè)亞層中m有幾個(gè)數(shù)值，該亞層中就有幾個(gè)伸展方向不同的軌道。等價(jià)軌道 n,l 值相同的軌道能量相同，所以稱為等價(jià)軌道或簡并軌道 。第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律 主量子數(shù)、角量子數(shù)、磁量子數(shù)的關(guān)系主量子數(shù)、角量子數(shù)、磁量子數(shù)的關(guān)系第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律 4.4.自旋量子數(shù)自旋量子數(shù) 描述電子自旋運(yùn)動的量子數(shù)稱為自旋量子數(shù) 取值為 +1/2 和 -1/2 ，符號用“”和“”表示。由于自旋量子數(shù)只有 2 個(gè)取值，因此每個(gè)原子軌道最多能容納 2 個(gè)電子。 四個(gè)量子數(shù)就能夠比較全面地描述一個(gè)核外電子的運(yùn)動狀態(tài)。 此外，由n值可以確定l的最大

19、限量(幾個(gè)亞層或能級)；由l值又可以確定m的最大限量(幾個(gè)伸展方向或幾個(gè)等價(jià)軌道)，這樣就可推算出各電子層和各亞層上的軌道總數(shù)。第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律 核外電電子運(yùn)動狀態(tài)運(yùn)動狀態(tài)例：當(dāng)主量子數(shù)例：當(dāng)主量子數(shù)n=4時(shí)，有幾個(gè)能級？各個(gè)能級有時(shí)，有幾個(gè)能級？各個(gè)能級有幾個(gè)軌道？最多可容納多少電子？幾個(gè)軌道？最多可容納多少電子？解：決定軌道電子所處能級由兩個(gè)量子數(shù)解：決定軌道電子所處能級由兩個(gè)量子數(shù)n和和l決決定；決定一個(gè)原子軌道需要三個(gè)量子數(shù)定；決定一個(gè)原子軌道需要三個(gè)量子數(shù)n、l和和m；在每在每一個(gè)軌道中可以有二個(gè)自旋方向相反的電子。一個(gè)軌道中可以有二個(gè)自旋方向相

20、反的電子。當(dāng)當(dāng)n=4時(shí)時(shí),l=0,1,2,3 即即s,p,d,f四個(gè)能級；每一能級四個(gè)能級；每一能級的空間運(yùn)動狀態(tài)數(shù)的空間運(yùn)動狀態(tài)數(shù)(軌道數(shù)軌道數(shù)2l+1)分別為分別為1,3,5,7總軌道數(shù)為總軌道數(shù)為16個(gè)，最多可容納個(gè)，最多可容納32個(gè)電子。個(gè)電子。例：下列各組量子數(shù)哪些是不合理，為什么？例：下列各組量子數(shù)哪些是不合理，為什么？(1)n=2,l=1,m=0 (2) n=2,l=2,m=-1 (3)n=3,l=0,m=-1 (4) n=3,l=2,m=-2例：寫出下列各組量子數(shù)缺少的量子數(shù)。例：寫出下列各組量子數(shù)缺少的量子數(shù)。(1)n=3,l=?,m=-2,ms=+1/2 (2)n=4, l

21、=1, m=?, ms=?本節(jié)內(nèi)容小結(jié)：本節(jié)內(nèi)容小結(jié)：由于由于電電子具有波粒二象性，又表子具有波粒二象性，又表現(xiàn)現(xiàn)出量子化特征，所以出量子化特征，所以核外核外電電子子運(yùn)動沒運(yùn)動沒有固定的有固定的軌軌跡，但具有按幾率分布的跡，但具有按幾率分布的統(tǒng)計(jì)統(tǒng)計(jì)規(guī)規(guī)律性；律性；可用可用Schrdinger方程描述方程描述電電子的子的運(yùn)動運(yùn)動； 波函波函數(shù)數(shù)是描述核外是描述核外電電子子運(yùn)動狀態(tài)運(yùn)動狀態(tài)的的數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)表表達(dá)達(dá)式，式，滿滿足一定足一定條條件的方程的每一件的方程的每一個(gè)個(gè)合理的解就表示合理的解就表示電電子某一子某一可能的可能的穩(wěn)穩(wěn)定定狀態(tài)狀態(tài)；也；也稱稱原子原子軌軌道道或或原子原子軌軌函函或或軌軌道

22、函道函數(shù)數(shù)原子原子軌軌道道的空的空間圖間圖象，以象，以的角度分布的角度分布圖圖作作為為近似描述；近似描述；以以 的空的空間圖間圖象象電電子云表示子云表示電電子在核外空子在核外空間間出出現(xiàn)現(xiàn)的的 幾率密度；幾率密度；2以四以四個(gè)個(gè)量子量子數(shù)來數(shù)來確定核外每一確定核外每一個(gè)電個(gè)電子的子的運(yùn)動狀態(tài)運(yùn)動狀態(tài)。END軌道：與氫原子類似，其電子運(yùn)動狀態(tài) 可描述為1s, 2s, 2px, 2py, 2pz, 3s能量：與氫原子不同, 能量不僅與n有關(guān), 也與l有關(guān); 在外加磁場的作用下, 還 與m有關(guān)。多電子原子軌道能級多電子原子軌道能級Pauling近似能級圖第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元

23、素周期律 多電子原子軌道的能級多電子原子軌道的能級軌軌道近似能道近似能級圖級圖第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律 近似能級圖近似能級圖 按照能量由低到高的順序排列，并將能量相近的能級劃歸一組，稱為能級組，以虛線框起來。相鄰能級組之間能量相差比較大。每個(gè)能級組(除第一能級組)都是從s能級開始，于p能級終止。能級組數(shù)等于核外電子層數(shù)。 (1) 同一原子中的同一電子層內(nèi)，各亞層之間的能量次序?yàn)? nsnpndnf (2) 同一原子中的不同電子層內(nèi)，相同類型亞層之間的能量次序?yàn)? 1s2s3s (3) 同一原子中的第三層以上的電子層中，不同類型的亞層之間，在能級組中常出現(xiàn)能級交錯(cuò)現(xiàn)

24、象。例如： 4s3d4p;5s4d5p;6s 4f 5d6p 屏蔽效應(yīng)第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律 第二節(jié)第二節(jié) 原子中電子的排布原子中電子的排布 基態(tài)原子中電子的排布原理1.能量最低原理 原子核外電子的總是優(yōu)先進(jìn)入能量最低的能級，然后依照近似能級圖逐級填入。 基態(tài)原子外層電子填充順序?yàn)閚s(n-2)f(n-1)dnp；而基態(tài)原子失去外層電子的順序?yàn)閚pns(n-1)d(n-2)f。 例如：Fe3+第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律 2.2.泡利不相容原理泡利不相容原理 泡利 (Pauli W) 提出：在同一原子中不可能有四個(gè)量子數(shù)完全相同的 2

25、個(gè)電子。即，在同一軌道上最多只能容納 2 個(gè)自旋方向相反的電子。據(jù)此可以推算出每一電子層上電子的最大容量。第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律 3.3.洪德規(guī)則洪德規(guī)則 洪德 (Hund F) 提出：在同一亞層的等價(jià)軌道上，電子將盡可能占據(jù)不同的軌道，且自旋方向相同 ( 這樣排布時(shí)總能量最低 ) 。例如： 6C 的電子排布為： 其軌道上的電子排布其軌道上的電子排布第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律 規(guī)律規(guī)律：等價(jià)軌道在全充滿、半充滿或全空的狀態(tài)是比較穩(wěn)定的。即： p6或d10或f14全充滿p3或d5或f7半充滿p0或d0或f0全空例如，鉻和銅原子核外電子的

26、排布式 第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律 基態(tài)原子中的電子排布基態(tài)原子中的電子排布 由光譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的原子序數(shù)1109各元素基態(tài)原子中的電子排布情況。其中絕大多數(shù)元素的電子排布與上節(jié)所述的排布原則是一致的，但也有少數(shù)不符合。對此，必須尊重事實(shí)，并在此基礎(chǔ)上去探求更符合實(shí)際的理論解釋。具體排布情況參見教材圖表運(yùn)用三原則討論核外電子排布NeNaKBrCr622221pss16223221spss11626224433221sArspspss或5210521062622443 44333221psdArpsdpspss4333221sdArsdpsp

27、ss或歸納量子數(shù)，電子層，電子亞層之間的關(guān)系量子數(shù)，電子層，電子亞層之間的關(guān)系每個(gè)亞層中每個(gè)亞層中軌道數(shù)目軌道數(shù)目1 3 5 72 6 10 142 8 18 2n2每個(gè)亞層最多每個(gè)亞層最多容納電子數(shù)容納電子數(shù)每個(gè)電子層最多每個(gè)電子層最多 容納的電子數(shù)容納的電子數(shù)主量子數(shù)主量子數(shù) n 1 2 3 4電子層電子層 K L M N角量子數(shù)角量子數(shù) l 0 1 2 3電子亞層電子亞層 s p d fEND第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律 第三節(jié)第三節(jié) 原子核外電子排布與元素周期律原子核外電子排布與元素周期律 周期律周期律 元素以及由其形成的單質(zhì)與化合物性質(zhì)，隨著原子序數(shù) ( 核

28、電荷數(shù) ) 的遞增，呈周期性的變化。這一規(guī)律稱為周期律。元素周期律的圖表形式稱為元素周期表。原子的電子層結(jié)構(gòu)和元素周期系原子的電子層結(jié)構(gòu)和元素周期系第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律 周期與能級組周期與能級組 周期表共分7個(gè)周期。特短周期：第1周期只有2種元素。短周期：第2周期和第3周期各有8種元素。長周期：第4周期和第5周期各有18 種元素。特長周期：第6周期有32種元素。為不完全周期：第7周期預(yù)測有32種元素，尚有幾種元素還待發(fā)現(xiàn)。1、周期的劃劃分根據(jù)原子的電子層結(jié)構(gòu)劃分為七個(gè)周期根據(jù)原子的電子層結(jié)構(gòu)劃分為七個(gè)周期周期名稱稱周期數(shù)數(shù)元素?cái)?shù)數(shù)目最高能級組級組原子軌軌道電電

29、子最大容量特短周期121s2短周期282s2p8383s3p8長長周期4184s3d4p185185s4d5p18特長長周期6326s4f5d6p32未完成周期723(未滿滿)7s5f6d7p32預(yù)計(jì)第預(yù)計(jì)第8、9周期有多少種元素？周期有多少種元素？周期與能級組的關(guān)系：周期與能級組的關(guān)系：元素周期的元素周期的劃劃分分實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì)上是按原子上是按原子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)中能中能級組級組高低高低順順序序劃劃分的；分的；元素所在周期元素所在周期數(shù)數(shù)=原子外原子外層電層電子所子所處處最高能最高能級組數(shù)級組數(shù)=電電子子層數(shù)層數(shù)各周期元素各周期元素?cái)?shù)數(shù)目目=最高能最高能級組內(nèi)軌級組內(nèi)軌道所能容道所能容納納的的電電子子總數(shù)

30、總數(shù)原子中外原子中外層電層電子每子每進(jìn)進(jìn)入一入一個(gè)個(gè)新的能新的能級組級組，周期表就出，周期表就出現(xiàn)現(xiàn)一一 個(gè)個(gè)新周期；而外新周期；而外層電層電子子填滿填滿一一個(gè)個(gè)能能級組級組就完成一就完成一個(gè)個(gè)周期；周期； 每一能每一能級組級組中的中的電電子子填填充都充都從從ns1開開始始np6結(jié)結(jié)束束 堿堿金金屬屬稀有稀有氣氣體體由此證明，由此證明， 電子的周期性排布電子的周期性排布元素性質(zhì)的周期性變化元素性質(zhì)的周期性變化 （電子層結(jié)構(gòu)的周期性）（電子層結(jié)構(gòu)的周期性）族的劃分族的劃分第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律 族與價(jià)層電子構(gòu)型族與價(jià)層電子構(gòu)型 價(jià)電子價(jià)電子 是指原子參加化學(xué)反應(yīng)時(shí)

31、，能用于成鍵的電子。價(jià)電子層價(jià)電子層 價(jià)電子所在的亞層統(tǒng)稱為價(jià)電子層，簡稱價(jià)層。價(jià)層電子構(gòu)型價(jià)層電子構(gòu)型 是指價(jià)層電子的排布式，它能反映出該元素原子在電子層結(jié)構(gòu)上的特征。 族族 周期表中共有 18 個(gè)縱行，分為 8 個(gè)主 (A) 族和 8 個(gè)副 (B) 族。 同族元素價(jià)層電子構(gòu)型基本相同 ( 少數(shù)例外 ) ，所以原子、價(jià)層電子構(gòu)型相同是元素分族的實(shí)質(zhì)。 第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律 1. 1.主族元素主族元素 周期表中共有 8 個(gè)主族，即 A A 。其價(jià)層電子構(gòu)型為 ns1 2 或 ns2np1 6 ，價(jià)電子總數(shù)等于其族數(shù)。例如，元素 16S 核外電子排布式是 :1s

32、22s22p63s23p4 ，最后的電子填入 3p 亞層，為主族元素，價(jià)層電子構(gòu)型3s23p4 ，即 A 族。 A 族為稀有氣體。這些元素原子的最外層 (nsnp) 上電子都已填滿，價(jià)層電子構(gòu)型為 ns2np6 ，成為 8 電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu) (He 只有 2 個(gè)電子1s2) 。它們的化學(xué)性質(zhì)很不活潑，故過去曾稱為零族或惰性氣體。 第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律 2.2.副族元素副族元素 周期表中共有 8 個(gè)副族，即 B B B 。凡是原子核外最后一個(gè)電子填入 (n-1)d 或 (n-2)f 亞層上的元素，都是副族元素，也稱過渡元素最后一個(gè)電子填在 (n-2)f 亞層上的元素

33、，稱內(nèi)過渡元素。 過渡元素的價(jià)層電子構(gòu)型:(n-1)d1 10ns1 2 ， B 到 B 族元素原子的價(jià)層電子總數(shù)等于其族數(shù)。第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律 周期表元素分區(qū) 根據(jù)周期、族和原子結(jié)構(gòu)特征的關(guān)系，可將周期表中的元素劃分成五個(gè)區(qū)域。 周期表元素分區(qū)周期表元素分區(qū)s 區(qū)ns12 最后一個(gè)電子s p 區(qū)ns2np16 最后一個(gè)電子p d 區(qū)(n1)d19ns12 (Pd無s電子) 最后一個(gè)電子dds區(qū)(n1)d10ns12 最后一個(gè)電子sf 區(qū)(n2)f114(n1)d02ns2 最后一個(gè)電子f3、區(qū)的劃分例 根據(jù)原子的電子層結(jié)構(gòu)與元素周期表之間的關(guān)系。如果知道了

34、元素的原子序數(shù)，從而判斷它所在的周期和族。反之，如果已知某元素所在的周期和族，便可寫出該元素原子的電子層結(jié)構(gòu)，也能推知它的原子序數(shù)。掌握 周期表中的位置 原子的電子層結(jié)構(gòu)例3已知 Z=25，寫出原子的電子結(jié)構(gòu)式、名稱、符號及 所屬的周期和族。解：電子結(jié)構(gòu)式 25256262243 4333221sdArsdpspss或名稱 錳 元素符號 Mn 屬d區(qū)元素、位于第四周期、第B族例4已知某元素在周期表中位于第五周期、A族，試寫出 該元素的基態(tài)原子的電子排布式、元素名稱、符號和 原子序數(shù)。解：電子排布式 42104210621062622554 55444333221psdKrpsdpsdpspss

35、或元素名稱 碲 元素符號 Te 原子序數(shù) 52練練習(xí)1已知某元素處于周期表中第四周期、A族，試寫出 該元素原子的電子排布式、原子的核電荷數(shù)和名稱。練習(xí)2已知某元素原子序數(shù)為26，試指出它在周期表中的位 置、名稱和元素符號。5210521062622443 44333221psdArpsdpspssBr或26266262243 4333221sdArsdpspssFe或位于第四周期、族、d區(qū) 元素周期律第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律 第四節(jié)第四節(jié) 元素性質(zhì)的周期性元素性質(zhì)的周期性 1 1、有效核電荷、有效核電荷 屏蔽效應(yīng)：屏蔽效應(yīng)： 在多電子原子中，任一電子不僅受到原子核

36、的吸引，同時(shí)還受到其他電子的排斥。內(nèi)層電子和同層電子對某一電子的排斥作用，勢必削弱原子核對該電子的吸引，這種作用稱為屏蔽效應(yīng)： Z*Z- 有效核電荷Z* 原子序數(shù)(Z) 屏蔽常數(shù)()：被抵消的那部分核電荷第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律 屏蔽效應(yīng)的結(jié)果，使該電子實(shí)際上受到的核電荷 的引力比原子序數(shù) (Z)所表示的核電荷的引力要小。 可見屏蔽常數(shù)可以理解為被抵消的那部分核電荷。 有效核電荷的周期性變化有效核電荷的周期性變化第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律原子結(jié)構(gòu)與元素周期律 2 2、原子半徑、原子半徑 (r) (r) 金屬半徑:測得兩相鄰金屬原子核間距離的一半，稱為該金屬

37、原子的金屬半徑。 共價(jià)半徑:同種元素的兩個(gè)原子以共價(jià)鍵結(jié)合時(shí)，測得它們核間距離的一半，稱為該原子的共價(jià)半徑。范德華半徑:相鄰分子間兩個(gè)非鍵結(jié)合的同種原子，其核間距離的一半，稱為該原子的范德華半徑。金屬半徑金屬半徑 共價(jià)半徑共價(jià)半徑 分子半徑的比較分子半徑的比較 元素性質(zhì)的周期性元素性質(zhì)的周期性示意圖主族元素：從左到右,隨Z,Z, r 減小； 從上到下,隨Z,電子層數(shù), r 增大。過渡元素：從左到右, r 緩慢減?。?從上到下，r增加幅度很小,甚至相等. 主族元素主族元素示意圖125 132 145 161 r/pm Cr V Ti Sc 第四周期元素 元素的原子半徑變化趨勢137 143 15

38、9 173 r/pm WTa Hf Lu 第六周期元素136 143 160 181 r/pm Mo Nb Zr Y 第五周期元素鑭系收縮 鑭系元素從左到右，原子半徑減小幅度更小，這是由于新增加的電子填入外數(shù)第三層上，對外層電子的屏蔽效應(yīng)更大，外層電子所受到的 Z* 增加的影響更小。鑭系元素從鑭到鐿整個(gè)系列的原子半徑減小不明顯的現(xiàn)象稱為鑭系收縮。其結(jié)果為：電離能短周期平均為 10pm；（新增電子填充在（n-1）d 軌道）d區(qū)過渡元素平均為 4pm；f區(qū)鑭系元素平均為 1pm。相鄰原子間減小幅度平均值：（新增電子填充在（n-2）f 軌道）3.電離能11molkJ2 .520 )g(LieLi(g)I 基態(tài)的氣態(tài)原子失去電子成為帶一個(gè)正電荷的氣態(tài)正離子所需要的能量稱為第一電離能，用 I 1表示。 由+1價(jià)氣態(tài)正離子失去電子成為+2價(jià)氣態(tài)正離子所需要的能量稱為第二電離能，用 I