第五章原子結(jié)構(gòu)和元素周期系

1、第五章第五章 原子結(jié)構(gòu)和元素周期系原子結(jié)構(gòu)和元素周期系第一節(jié)第一節(jié) 核外電子的運(yùn)動(dòng)核外電子的運(yùn)動(dòng)一、玻爾理論：一、玻爾理論：P111倒倒L71.在原子中，電子只能沿著一定能量的軌道在原子中，電子只能沿著一定能量的軌道運(yùn)動(dòng)，這些軌道稱(chēng)為穩(wěn)定軌道。運(yùn)動(dòng)，這些軌道稱(chēng)為穩(wěn)定軌道。2.電子在不同的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)具有不同的能量，電子電子在不同的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)具有不同的能量，電子運(yùn)動(dòng)時(shí)所處的能量狀態(tài)稱(chēng)為能級(jí)。運(yùn)動(dòng)時(shí)所處的能量狀態(tài)稱(chēng)為能級(jí)。3.當(dāng)電子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道時(shí)，才有能量當(dāng)電子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道時(shí)，才有能量的吸收或放出。的吸收或放出。E2 -E1 = E =h2nBE優(yōu)點(diǎn)：成功解釋了氫原子

2、光譜的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。優(yōu)點(diǎn)：成功解釋了氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。局限性：不能解釋多電子原子光譜以及氫原子光譜局限性：不能解釋多電子原子光譜以及氫原子光譜 的精細(xì)結(jié)構(gòu)。的精細(xì)結(jié)構(gòu)。E2 -E1 = E =h二、原子的量子力學(xué)模型：二、原子的量子力學(xué)模型：1. 微觀粒子的波粒兩象性微觀粒子的波粒兩象性光的波粒光的波粒兩象性兩象性光的干涉、衍射現(xiàn)象光的干涉、衍射現(xiàn)象波動(dòng)性波動(dòng)性光電效應(yīng)光電效應(yīng)粒子性粒子性1927年的電子衍射實(shí)驗(yàn)：年的電子衍射實(shí)驗(yàn)：2.測(cè)不準(zhǔn)原理：測(cè)不準(zhǔn)原理：hpxx：確定微粒位置的不準(zhǔn)量確定微粒位置的不準(zhǔn)量p：確定微粒動(dòng)量的不準(zhǔn)量確定微粒動(dòng)量的不準(zhǔn)量 h: 普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)電子的位置和運(yùn)

3、行速度無(wú)法同時(shí)確定。電子的位置和運(yùn)行速度無(wú)法同時(shí)確定。三、核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述三、核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述1.四個(gè)量子數(shù)四個(gè)量子數(shù)主量子數(shù)主量子數(shù)n:即電子層數(shù)即電子層數(shù)表示電子離核的遠(yuǎn)近以及電子所處能級(jí)的高低。表示電子離核的遠(yuǎn)近以及電子所處能級(jí)的高低。 n =1， 2，3， 4， 5電子層符號(hào)電子層符號(hào) K，L，M，N，O n值越大，電子離核越遠(yuǎn)，電子所處能級(jí)越高。值越大，電子離核越遠(yuǎn)，電子所處能級(jí)越高。角量子數(shù)角量子數(shù)l :（即電子亞層）確定原子軌道的（即電子亞層）確定原子軌道的形狀。形狀。 在多電子原子中，在多電子原子中，n和和l 一起決定電子能級(jí)。一起決定電子能級(jí)。 l 的取值的取值

4、0，1，2，3（n -1）電子亞層符號(hào)電子亞層符號(hào) s, p, d, f. 每一種每一種l值表示原子軌道或電子云的一種形狀值表示原子軌道或電子云的一種形狀l=0 S亞層亞層 電子云呈球狀電子云呈球狀 l=1 p亞層亞層 電子云呈啞鈴狀電子云呈啞鈴狀 l=2 d亞層亞層 電子云呈花瓣?duì)铍娮釉瞥驶ò隊(duì)?磁量子數(shù)磁量子數(shù)m:描述原子軌道或電子云在空間描述原子軌道或電子云在空間的伸展方向。的伸展方向。m的取值的取值 m=0 0，1，2 ，3 l m和和l的關(guān)系和它們確定的空間取向數(shù)的關(guān)系和它們確定的空間取向數(shù)l m 空間取向數(shù)空間取向數(shù) 原子軌道數(shù)原子軌道數(shù) 0S亞層亞層 一種一種1012（-1,0,

5、+1）(-2,-1,0,+1,+2)p亞層亞層 三種三種3d亞層亞層 五種五種5等價(jià)軌道：等價(jià)軌道：n、l相同的軌道。相同的軌道。即即 m l原子軌道的空間取向原子軌道的空間取向sxzpxxzpyxypzxzdxyxydyzyzdxzxzdx2-y2xydz2xz自旋量子數(shù)自旋量子數(shù)ms:表示電子的自旋，描述電表示電子的自旋，描述電子自身運(yùn)動(dòng)特征。子自身運(yùn)動(dòng)特征。ms: 2121符號(hào)：符號(hào)： 結(jié)論：每個(gè)電子層的原子軌道數(shù)是結(jié)論：每個(gè)電子層的原子軌道數(shù)是n2個(gè)，可個(gè)，可 容納電子數(shù)容納電子數(shù)2n2。 量子數(shù)與原子軌道量子數(shù)與原子軌道nl軌道軌道m(xù)軌道數(shù)軌道數(shù)101s0 1 12012s2p0-1

6、, 0, 1 1 4 330123s3p3d0+1, 0, -1+2, +1, 0, 1, -2 1 9 3 5401234s4p4d4f0+1, 0, -1+2, +1, 0, -1, -2+3, +2, +1, 0, -1, -2, -3 1 16 3 5 72.波函數(shù)和原子軌道波函數(shù)和原子軌道波函數(shù)波函數(shù) 是由是由n、l、m決定的數(shù)學(xué)函數(shù)決定的數(shù)學(xué)函數(shù) 式，是薛定諤方程的解。式，是薛定諤方程的解。mln,原子軌道（或波函數(shù)）：描述電子在原子核原子軌道（或波函數(shù)）：描述電子在原子核 外可能出現(xiàn)的空間區(qū)域。外可能出現(xiàn)的空間區(qū)域。（注：原子軌道（注：原子軌道固定軌道）固定軌道）原子軌道角度分布

7、圖：原子軌道角度分布圖：P122圖圖5-15),()(),(YR徑向徑向部分部分角度部分角度部分3.概率密度和電子云概率密度和電子云2概率密度概率密度 ：核外電子在空間某處單位：核外電子在空間某處單位 體積內(nèi)出現(xiàn)的概率大小。體積內(nèi)出現(xiàn)的概率大小。電子云：電子在核外空間出現(xiàn)概率密度分布電子云：電子在核外空間出現(xiàn)概率密度分布的形象化描述。的形象化描述。電子云角度分布圖：電子云角度分布圖：P123圖圖5-16電子云的角度分布圖和相應(yīng)的原子軌道的角度分布圖是電子云的角度分布圖和相應(yīng)的原子軌道的角度分布圖是相似的，它們之間主要區(qū)別有兩點(diǎn)：相似的，它們之間主要區(qū)別有兩點(diǎn)： a.電子云的角度分布圖比原子軌道

8、角度分布圖電子云的角度分布圖比原子軌道角度分布圖“瘦瘦” ； b.原子軌道角度分布圖有正、負(fù)之分，而電子云的角度原子軌道角度分布圖有正、負(fù)之分，而電子云的角度分布圖均為正值。分布圖均為正值。第二節(jié)第二節(jié) 原子核外電子的排布原子核外電子的排布一、多電子原子的能級(jí)一、多電子原子的能級(jí)1.鮑林近似能級(jí)圖：鮑林近似能級(jí)圖：P124圖圖5-17（1）Ens Enp End Enf (即即n相同，相同，l 越大，能量越高）越大，能量越高）（2）E1s E2s E3s E4s (即即l 相同，相同， n越大，能量越高）越大，能量越高）（3）能級(jí)順序：）能級(jí)順序：1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p

9、,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p 1.能量最低原理：能量最低原理： 電子在原子軌道上的分布要盡可能使整個(gè)原子電子在原子軌道上的分布要盡可能使整個(gè)原子系統(tǒng)能量最系統(tǒng)能量最 低。即按照近似能級(jí)圖中各能級(jí)的低。即按照近似能級(jí)圖中各能級(jí)的順序由低到高填充電子。順序由低到高填充電子。 2. 2. 泡利不相容原理泡利不相容原理 每個(gè)原子軌道最多容納每個(gè)原子軌道最多容納2個(gè)電子，而且這兩個(gè)電子，而且這兩個(gè)電子自旋方向必須相反。個(gè)電子自旋方向必須相反。 各亞層最多可容納電子數(shù)：各亞層最多可容納電子數(shù)： s2 p6 d10 f14二、核外電子排布的規(guī)則二、核外電子排布的規(guī)則3.3.洪特規(guī)則洪特規(guī)則 在

10、在n、l 相同的等價(jià)軌道上排布的電子將盡相同的等價(jià)軌道上排布的電子將盡可能分占不同的軌道，且自旋方向相同?？赡芊终疾煌能壍?，且自旋方向相同。 4.洪特規(guī)則洪特規(guī)則特例特例 全充滿：全充滿： p6, d10, f14半充滿：半充滿： p3, d5, f7 全空：全空： p0, d0, f0 相對(duì)穩(wěn)定相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)的狀態(tài)例：例：N： 1s2 2s2 2p31s2p2sP亞層處于亞層處于半充滿半充滿例：試寫(xiě)出下列原子的核外電子排布式：例：試寫(xiě)出下列原子的核外電子排布式： 8O、 24Cr、 28Ni、 29Cu、 20Ca 核外電子排布注意點(diǎn)：核外電子排布注意點(diǎn)：電子填充按能級(jí)由低到高，但書(shū)寫(xiě)排布

11、式按電子填充按能級(jí)由低到高，但書(shū)寫(xiě)排布式按 主量子數(shù)次序。即主量子數(shù)次序。即3d寫(xiě)在寫(xiě)在4s前前原子失電子的順序按核外電子排布式從外原子失電子的順序按核外電子排布式從外 層到內(nèi)層。層到內(nèi)層。a.原子實(shí)：原子實(shí)：P127倒倒L1某原子的內(nèi)層電子分布與相應(yīng)某原子的內(nèi)層電子分布與相應(yīng) 的稀有氣體原子的電子分布相同的那部的稀有氣體原子的電子分布相同的那部 分可用該稀有氣體符號(hào)加上方括弧表分可用該稀有氣體符號(hào)加上方括弧表 示，稱(chēng)為原子實(shí)。示，稱(chēng)為原子實(shí)。b.價(jià)層電子排布式：外層電子排布式價(jià)層電子排布式：外層電子排布式主族元素：價(jià)電子層主族元素：價(jià)電子層 = 最外層最外層副族元素：價(jià)電子層電子包括次外層副

12、族元素：價(jià)電子層電子包括次外層d電子，電子， 再次外層再次外層f電子和最外層電子電子和最外層電子核外電子排布表達(dá)方式核外電子排布表達(dá)方式三、屏蔽效應(yīng)三、屏蔽效應(yīng)Z*：有效核電荷有效核電荷Z：原子的核電荷數(shù)：原子的核電荷數(shù) ：屏蔽常數(shù)屏蔽常數(shù) 1. Z* = Z - 屏蔽效應(yīng)屏蔽效應(yīng): : 內(nèi)層電子和同層電子對(duì)某一電子的內(nèi)層電子和同層電子對(duì)某一電子的 排斥作用勢(shì)必削弱原子核對(duì)該電子排斥作用勢(shì)必削弱原子核對(duì)該電子 的吸引，這種作用稱(chēng)為屏蔽效應(yīng)。的吸引，這種作用稱(chēng)為屏蔽效應(yīng)。（5）對(duì)于）對(duì)于nd或或nf電子，同亞層電子間電子，同亞層電子間 =0.35， 其它內(nèi)層對(duì)該電子其它內(nèi)層對(duì)該電子 =1.00（

13、1）外層電子對(duì)內(nèi)層電子無(wú)屏蔽）外層電子對(duì)內(nèi)層電子無(wú)屏蔽 0。2. 的取值的取值（2）同層電子間）同層電子間0.35，但，但1s內(nèi)電子間內(nèi)電子間 0.30。（3）第）第(n-1)層電子對(duì)第層電子對(duì)第n層電子層電子0.85。（4）第（）第（n-2）層電子及其以內(nèi)層電子對(duì)第）層電子及其以內(nèi)層電子對(duì)第n層層 電子電子 1.00。例：求例：求Fe的原子核作用在最外層電子上的的原子核作用在最外層電子上的Z*。解：解：26Fe ： 1s22s22p6 3s23p63d64s2Z*= 26 - ( 1 0.35 + 14 0.85 + 10 1.0) = 3.75例：用屏蔽效應(yīng)解釋為什么例：用屏蔽效應(yīng)解釋為什

14、么1919號(hào)元素號(hào)元素K K的最后一的最后一 個(gè)電子排布在個(gè)電子排布在4s4s亞層，而不是亞層，而不是3d3d亞層？亞層？解：解： 19K： 1s22s22p63s23p64s1 Z* = 19 - (8 0.85 + 10 1.0) =2.2最后一個(gè)電子若在最后一個(gè)電子若在3d上上 19K： 1s22s22p63s23p63d1Z* = 19 - (18 1.0) =1.0 由此可見(jiàn)，電子在由此可見(jiàn)，電子在4s上受到的上受到的Z*在在3d上受到上受到的大，因此的大，因此4s能級(jí)比能級(jí)比3d低。低。 E4sE3d第三節(jié)第三節(jié) 元素周期系元素周期系一、原子的電子層結(jié)構(gòu)和元素周期系一、原子的電子層

15、結(jié)構(gòu)和元素周期系1.基態(tài)原子的電子層結(jié)構(gòu)基態(tài)原子的電子層結(jié)構(gòu) ： P127表表5-32.周期表概況：周期表概況：（1）橫的方面：七個(gè)周期）橫的方面：七個(gè)周期（周期以原子核外的電子層數(shù)劃分。周期以原子核外的電子層數(shù)劃分。）一一 特短周期特短周期 2個(gè)元素個(gè)元素二、三二、三 短周期短周期 8個(gè)元素個(gè)元素四、五四、五 長(zhǎng)周期長(zhǎng)周期 18個(gè)元素個(gè)元素六六 特長(zhǎng)周期特長(zhǎng)周期 32個(gè)元素個(gè)元素七七 未完成未完成（2）縱的方面：）縱的方面：16族族18列列（族的劃分以價(jià)層電子數(shù)即核外最高能級(jí)組（族的劃分以價(jià)層電子數(shù)即核外最高能級(jí)組的電子數(shù)為基礎(chǔ)）的電子數(shù)為基礎(chǔ)）（3）整體：周期表劃成）整體：周期表劃成5個(gè)區(qū)

16、個(gè)區(qū)區(qū)區(qū) 族族 價(jià)層電子構(gòu)型價(jià)層電子構(gòu)型 S區(qū)區(qū) A、A ns1 2p區(qū)區(qū) AA 零族零族 ns2np16d區(qū)區(qū) B 族族 (n-1)d19ns12dS區(qū)區(qū) B、B (n-1)d10ns12f區(qū)區(qū) 鑭系、錒系鑭系、錒系 (n-2)f0-14(n-1)d0-2ns2 二、二、 原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)的周期性原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)的周期性（一）有效核電荷（一）有效核電荷Z*（1）同一周期：）同一周期： Z* = Z - 短周期：短周期：d區(qū)左區(qū)左 右，右，Z*增加增加 不多，不多，p區(qū)左區(qū)左 右右 Z*顯著增加。顯著增加。（2）同一族：）同一族： 上上 下，下，Z*增加增加不顯著。不顯著。左左 右，右，Z

17、*顯著增加。顯著增加。長(zhǎng)周期：長(zhǎng)周期：（二）原子半徑（二）原子半徑1.分類(lèi)：分類(lèi)：（1）金屬半徑：）金屬半徑：金屬晶體中相鄰兩個(gè)金屬原金屬晶體中相鄰兩個(gè)金屬原 子的核間距的一半。子的核間距的一半。 （2）共價(jià)半徑：）共價(jià)半徑：同種元素的兩個(gè)原子以共價(jià)鍵結(jié)同種元素的兩個(gè)原子以共價(jià)鍵結(jié)合時(shí)，它們核間距的一半為該原子的共價(jià)半徑。合時(shí)，它們核間距的一半為該原子的共價(jià)半徑。（3）范德華半徑：）范德華半徑：分子晶體中，相鄰分子間兩分子晶體中，相鄰分子間兩個(gè)非鍵結(jié)合的同種原子，其核間距的一半。個(gè)非鍵結(jié)合的同種原子，其核間距的一半。d2.遞變規(guī)律：遞變規(guī)律：（1）短周期中：）短周期中：左左 右，電子層數(shù)相同，

18、右，電子層數(shù)相同，Z* ，核對(duì)外層電子吸引力增加，核對(duì)外層電子吸引力增加，r（2）長(zhǎng)周期：）長(zhǎng)周期：d區(qū)左區(qū)左 右，右，Z*增加增加緩慢緩慢， r緩慢緩慢 （3）在族中變化：）在族中變化：同一主族：上同一主族：上 下下 電子層數(shù)電子層數(shù) r 同一副族：上同一副族：上 下下 r 不顯著不顯著 特別是第特別是第5、6周期由于鑭系收縮造成原子半徑幾乎相等。周期由于鑭系收縮造成原子半徑幾乎相等。鑭系收縮：鑭系收縮： 鑭系元素原子半徑隨原子序鑭系元素原子半徑隨原子序 數(shù)增加而縮小數(shù)增加而縮小(幅度很小幅度很小)的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 由于鑭系收縮使同一副族的第由于鑭系收縮使同一副族的第5，第，第6周期元素周期

19、元素原子半徑幾乎相等，因而它們的物理、化學(xué)性質(zhì)原子半徑幾乎相等，因而它們的物理、化學(xué)性質(zhì) 非非常相似，在自然界中常常彼此共生，難以分離。常相似，在自然界中常常彼此共生，難以分離。 例：例： 鋯鋯(Zr)和鉿和鉿(Hf) 鈮鈮(Nb)和鉭和鉭(Ta) 鉬鉬(Mo)和鎢和鎢(W)（三）電離能（三）電離能I1.定義：定義：P136L9 基態(tài)的氣體原子失去一個(gè)電子基態(tài)的氣體原子失去一個(gè)電子 成為成為+1價(jià)氣態(tài)正離子所需要的能量稱(chēng)價(jià)氣態(tài)正離子所需要的能量稱(chēng) 為第一電離能，用為第一電離能，用 I 1表示。表示。結(jié)論：電離能的大小反映了原子失去電子的難易程度。結(jié)論：電離能的大小反映了原子失去電子的難易程度。

20、 即電離能越高，電子越難失去。即電離能越高，電子越難失去。（注：電離能的大小主要決定于原子的有效核（注：電離能的大小主要決定于原子的有效核電荷、原子半徑和原子的電子層結(jié)構(gòu)。）電荷、原子半徑和原子的電子層結(jié)構(gòu)。）11molkJ2 .520 )g(LieLi(g)I1332molkJ11815 )g(Lie(g)LiI122molkJ1 .7298 )g(Lie(g)LiI例：例：I1 I2 I3 ，原子越來(lái)越難失去電子。原子越來(lái)越難失去電子。2. I1的遞變規(guī)律的遞變規(guī)律（1）同族：）同族：同一主族：同一主族： 上上 下下 Z* 緩慢，電子層緩慢，電子層 數(shù)數(shù) ， r ，核對(duì)外層電子的吸引力減弱

21、，電子，核對(duì)外層電子的吸引力減弱，電子 易失去，易失去，I同一副族：同一副族： 上上 下下 r 不明顯，不明顯，I變化幅度變化幅度 不大。不大。（2）同一周期：左）同一周期：左 右右 Z* , r,核對(duì)外層核對(duì)外層電子的吸引力增強(qiáng)，失電子越來(lái)越難，因此總電子的吸引力增強(qiáng)，失電子越來(lái)越難，因此總的趨勢(shì)的趨勢(shì)I ，但稍有起伏。，但稍有起伏。01020304050607080900510152025HgInCdXeGaZnAsCsRbKrArKSPMgAlNaNeONBBeLiHe電電子子伏伏特特原子序數(shù)原子序數(shù)第一電離能的周期性第一電離能的周期性1.定義：定義：P136倒倒L20基態(tài)的氣態(tài)原子獲得

22、一個(gè)電基態(tài)的氣態(tài)原子獲得一個(gè)電子成為子成為-1價(jià)氣態(tài)負(fù)離子所放出的能量稱(chēng)為電子價(jià)氣態(tài)負(fù)離子所放出的能量稱(chēng)為電子親和能。親和能。（四）電子親合能（四）電子親合能E EA A （ 電子親合能的大小反映了原子得電子的難易程度。電子親合能的大小反映了原子得電子的難易程度。 即電親合能越高，原子越容易得到電子。）即電親合能越高，原子越容易得到電子。）（1）同一周期：從左向右，從左到右，）同一周期：從左向右，從左到右，Z* ，r ，最，最外層電子數(shù)依次增多，趨向于結(jié)合電子形成外層電子數(shù)依次增多，趨向于結(jié)合電子形成 8 電子結(jié)電子結(jié)構(gòu)，構(gòu)，EA 的值增大。的值增大。2. 遞變規(guī)律遞變規(guī)律（2）同一）同一 主族：從上到下，主族：從上到下，Z* 不顯著，不顯著，r ，核對(duì)外，核對(duì)外層電子吸引力層電子吸引力，得電子能力，得電子能力，EA1.定義：定義：P139L4 原子在分子中吸引電子的能力原子在分