天津大學無機化學原子結(jié)構(gòu)與元素周期性全省公開課一等獎全國示范課微課金獎?wù)n件

2024/5/7無機化學第一節(jié)原子與元素無機化學多媒體電子教案

第五章原子結(jié)構(gòu)和元素周期性

第一節(jié)原子與元素1/712024/5/7無機化學5-1-3原子軌道能級5-1-3

原子軌道能級日光經(jīng)過棱鏡分光，可得到紅、橙、黃、綠、青、藍、紫連續(xù)改變譜帶裝有低壓高純H2(g)放電管所發(fā)出光,經(jīng)過棱鏡分光后，在可見光區(qū)波長范圍內(nèi)，能夠觀察到不連續(xù)四條譜線aa為連續(xù)光譜氫原子光譜

δγβαnm410.2434.1486.1656.3aaHHHH為帶狀光譜2/712024/5/7無機化學氫原子中電子在原子核周圍有確定半徑和能量圓形軌道中運動。電子在這些軌道上運動不吸收能量或放出能量波爾氫原子模型nEn/J1-2.179

10-18

2-5.45

10-19

3-2.42

10-19

4-1.36

10-19

5

-8.72

10-20

6-6.05

10-20

n越小,離核越近,軌道能量越低,勢能值越負n3/712024/5/7無機化學處于激發(fā)態(tài)電子不穩(wěn)定，要跳回到能量較低軌道,以光形式放出能量(即光譜譜線對應(yīng)能量)正常狀態(tài)下，原子中電子盡可能在離核最近、能量最低軌道上運動(基態(tài))波爾氫原子模型基態(tài)激發(fā)態(tài)(電子處于能量較高狀態(tài))吸收能量(躍遷)放出能量En(2)-En(1)=hν

h—Planck常數(shù)ν—光頻率4/712024/5/7無機化學

０-0.445-0.605-0.872-1.36-2.42-5.45-21.79E/10-19J∞7654321n121.6nm120.6nm97.25nm94.98nm93.78nm93.14nm656.5nm486.1nm434.1nm410.2nm397.2nmHHHHHα

β

γ

δ

ε如氫原子光譜中Hα線En2-En1=hν

h—Planck常數(shù)ν—光頻率

ν===4.57

1014s-1

En3-En2

-2.42

10-19J-(-5.45

10-19J)

h

6.626

10-34J·s

λ3→2===656.5nm

ν3→24.57

1014s-1

c(光速)

3

108m·s-1

5/712024/5/7無機化學嚴重不足。只能解釋單電子原子(或離子)光譜普通現(xiàn)象，不能解釋多電子原子光譜成功地解釋了氫原子和類氫原子(如He+、Li2+)光譜現(xiàn)象,推進了原子結(jié)構(gòu)發(fā)展

波爾氫原子模型波爾理論缺點，促使人們?nèi)パ芯亢徒⒛苊枋鲈觾?nèi)電子運動規(guī)律量子力學原子模型6/712024/5/7無機化學第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)近代概念第五章原子結(jié)構(gòu)和元素周期性

第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)近代概念無機化學多媒體電子教案

7/712024/5/7無機化學原子結(jié)構(gòu)近代概念電子波粒二象性概率和概率密度原子軌道電子云量子數(shù)8/712024/5/7無機化學5.2.1電子波粒二象性20世紀初人們已經(jīng)發(fā)覺，光不但有微粒性質(zhì)，而且有波動性質(zhì)，即含有波粒二象性。1924年，LouisdeBroglie(德布羅意)認為：質(zhì)量為m,

運動速度為υ粒子，對應(yīng)波長為：λ=h/mυ=h/p，h=6.626×10-34J·s，Plank常量。1927年，Davissson和Germer應(yīng)用Ni晶體進行電子衍射試驗，證實電子含有波動性。9/712024/5/7無機化學5.2.2概率和概率密度概率：電子在原子核外空間某處出現(xiàn)機率。

量子力學認為，原子中個別電子運動軌跡是無法確定，亦即沒有確定軌道，這一點是與經(jīng)典力學有標準差異。不過原子中電子在原子核外分布還是有規(guī)律：核外空間一些區(qū)域電子出現(xiàn)概率較大，而另一些區(qū)域電子出現(xiàn)概率較小。概率密度：電子在原子核外空間某處單位體積內(nèi)出現(xiàn)概率。10/712024/5/7無機化學5.2.3原子軌道1.波函數(shù)Schr?dinger方程11/712024/5/7無機化學直角坐標(x,y,z)與球坐標(r,θ,φ)轉(zhuǎn)換222zyxr++=cosrz=qsinsinry=φqcossinrx=φq()()φq,,

,,

rΨzyxΨ

()()φq,YrR

=12/712024/5/7無機化學

在量子力學中是用波函數(shù)和與其對應(yīng)能量來描述微觀粒子運動狀態(tài).

原子中電子波函數(shù)ψ既然是描述電子云運動狀態(tài)數(shù)學表示式,而且又是空間坐標函數(shù),其空間圖象能夠形象地了解為電子運動空間范圍,俗稱”原子軌道”.為了防止與經(jīng)典力學中玻爾軌道相混同,又稱為原子軌函(原子軌道函數(shù)之意),亦即波函數(shù)空間圖象就是原子軌道,原子軌道數(shù)學表示式就是波函數(shù).13/712024/5/7無機化學波函數(shù)物理意義Ψ2

：原子核外出現(xiàn)電子概率密度。

電子云是電子出現(xiàn)概率密度形象化描述。14/712024/5/7無機化學2.原子軌道角度分布圖

將波函數(shù)角度分布部分（Y）作圖，所得圖象就稱為原子軌道角度分布圖。

如氫原子1s軌道波函數(shù)為：

Ψ1s=(1/πa03)1/2e-r/a0其中徑向部分為：R10(r)=2(1/a0)3/2*e-r/a0角度部分為：Y00=(1/4π)1/215/712024/5/7無機化學對于2p軌道16/712024/5/7無機化學+－30°60°θ17/712024/5/7無機化學18/712024/5/7無機化學5.2.4電子云1.概率密度

在光波動方程中，ψ代表電磁波電磁場強度。因為：光強度∝光子數(shù)目/V（體積）=光子密度而光強度又與電磁場強度（ψ）絕對值成正比：光強度∝|ψ|2

所以，光子密度是與|ψ|2成正比。同理，在原子核外某處空間，電子出現(xiàn)概率密度（ρ）也是和電子在該處強度（ψ）絕對值平方成正比：ρ∝|ψ|219/712024/5/7無機化學2.電子云

為了形象地表示核外電子運動概率分布情況，化學上慣用小黑點分布疏密表示電子出現(xiàn)概率密度相對大小。小黑點較密地方，表示概率密度較大，單位體積內(nèi)電子出現(xiàn)機會多。用這種方法來描述電子在核外出現(xiàn)概率密度分布所得空間圖象稱為電子云。20/712024/5/7無機化學

既然概率密度可直接用|Ψ|2來表示，那么以|Ψ|2作圖可得到電子云近似圖像。為作圖方便講|Ψ|2分為角度部分|Y|2和徑向部分R2。|Y|2圖像稱為電子云角度分布圖。21/712024/5/7無機化學

電子云角度分布圖與原子軌道角度分布圖相同，但有兩點不一樣：(1)原子軌道分布圖有正、負之分，而電子云角度分布圖均為正值；(2)電子云角度分布圖比原子軌道角度分布圖瘦些，這是因為Y值小于1，所以|Y|2更小。22/712024/5/7無機化學n=3,l=2,m=023/712024/5/7無機化學n=3,l=224/712024/5/7無機化學n=3,l=225/712024/5/7無機化學n=3,l=226/712024/5/7無機化學n=3,l=227/712024/5/7無機化學5.2.5量子數(shù)1.主量子數(shù)（n）主量子數(shù)(n)12345電子層：第一層第二層第三層第四層第五層電子層符號：KLMNOn值越小，該電子層離核越近，其能級越低。n值越大，該電子層離核越遠，其能級越高。主量子數(shù)(n)為正整數(shù)。28/712024/5/7無機化學2.副量子數(shù)（l）

n值確定后，副量子數(shù)(l)可為零到(n-1)正整數(shù)。其中每一個l值代表一個電子亞層，也代表原子軌道一個形狀。副量子數(shù)（l）：012345電子亞層符號：spdfgh

對于多電子來說，同一電子層中l(wèi)值越小，該電子亞層能級越低。29/712024/5/7無機化學3.磁量子數(shù)(m)

磁量子數(shù)(m)取值決定于l值，可取(2l+1)個從-l到+l（包含零在內(nèi)）整數(shù)。每一個m值代表一個含有某種空間取向原子軌道。4.自旋量子數(shù)(ms)

自旋量子數(shù)(ms)只有+1/2或-1/2這兩個數(shù)值，其中每一個值表示電子一個自旋方向（如順時針或逆時針方向）。30/712024/5/7無機化學第三節(jié)原子中電子分布第五章原子結(jié)構(gòu)和元素周期性

第三節(jié)原子中電子分布無機化學多媒體電子教案

31/712024/5/7無機化學5-３-1基態(tài)原子中電子分布原理5-3-1

基態(tài)原子中電子分布原理泡利不相容原理——每一個原子軌道，最多只能容納兩個自旋方向相反電子.能量最低原理——原子為基態(tài)時，電子盡可能地分布在能級較低軌道上，使原子處于能級最低狀態(tài).洪德規(guī)則——在同一亞層等價軌道中電子盡可能地單獨分布在不一樣軌道上,且自旋方向相同.如7N1s22s22p31s2s2p32/712024/5/7無機化學5-3-2多電子原子軌道能級5-3-2多電子原子軌道能級6s5s4s3s2s1s6p5p4p3p2p5d4d3d4fPONMLK1s2p2s3p3s4p3d4s5p4d5s6p5d4f6s1.能級K<L<M<N<O<P3.同一原子，不一樣電子亞層有能級交織現(xiàn)象如E5s<E4d<E5p

2.同一電子層：

Ens<Enp<End<Enf

近似能級圖33/712024/5/7無機化學它是從周期系中各元素原子軌道圖中歸納出普通規(guī)律,不能反應(yīng)每種元素原子軌道能級相對高低,所以是近似。對近似能級圖幾點說明只能反應(yīng)同一原子內(nèi)各原子軌道能級相對高低,不能比較不一樣元素原子軌道。

只能反應(yīng)同一原子外電子層中原子軌道能級相對高低，不能反應(yīng)內(nèi)電子層中原子軌道能級相對高低。電子在軌道上能級與原子序數(shù)相關(guān)。34/712024/5/7無機化學5-３-３基態(tài)原子中電子分布5-3-3基態(tài)原子中電子分布(2)2s(4)3s(1)1s(6)4s(9)5s(16)7s(3)2p(12)6s(5)3p(8)4p(11)5p(15)6p(19)7p(7)3d(10)4d(14)5d(18)6d(13)4f(17)5f應(yīng)用核外電子填入軌道次序圖，依據(jù)泡利不相容原理、能量最低原理、洪德規(guī)則，能夠?qū)懗鲈卦雍送怆娮臃植际?如19K1s22s22p63s23p64s1

26Fe1s22s22p63s23p63d64s2核外電子填入軌道次序35/712024/5/7無機化學19種元素原子外層電子分布有例外基態(tài)原子電子分布其中：29Cu1s22s22p63s23p63d104s1全充滿24Cr1s22s22p63s23p63d54s1半充滿一樣有：46Pd、47Ag、79Au一樣有：42Mo、64Gd、96Cm當電子分布為全充滿(p6、d10、f14)、半充滿(p3、

d5、f7)、全空(p0、d0、f0)時,原子結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定

例外還有：41Nb、44Ru、45Rh、57La、58Ce、78Pt、89Ac、90Th、91Pa、92U、93Np36/712024/5/7無機化學基態(tài)原子價層電子構(gòu)型價層——價電子所在亞層價層電子構(gòu)型——指價層電子分布式ⅠA0一11s1ⅡAⅢAⅣAⅤAⅥAⅦA21s2二345678910三1112ⅢBⅣBⅤBⅥBⅦBⅧⅠBⅡB131415161718四192021222324252627282930313233343536五373839404142434445464748495051525354六555671727374757677787980818283848586ns1~2

(n-1)d1~9ns1~2

ns2np1~6(n-1)d10ns1~237/712024/5/7無機化學5-3-4簡單基態(tài)陽離子電子分布基態(tài)原子外層電子填充次序：→ns→(n-2)f→(n-1)d→np價電子電離次序：→np→ns→(n-1)d→(n-2)f5-3-4

簡單基態(tài)陽離子電子分布例26Fe1s22s22p63s23p63d64s2或[Ar]3d64s2

Fe2+1s22s22p63s23p63d6或[Ar]3d6原子實——原子中除去最高能級組以外原子實體經(jīng)驗規(guī)律38/712024/5/7無機化學5-3-5元素周期系與核外電子分布關(guān)系ⅠA0一1

ⅡAⅢAⅣAⅤAⅥAⅦA2

二345678910三1112ⅢBⅣBⅤBⅥBⅦBⅧⅠBⅡB131415161718四192021222324252627282930313233343536五373839404142434445464748495051525354六555671*727374757677787980818283848586七8788103*1041051061071081091101111125-3-5元素周期系與核外電子分布關(guān)系鑭系575859606162636465666768697071錒系8990919293949596979899100101102103Sddspfns1~2

(n-1)d1~9ns1~2

(n-1)d10ns1~2ns2np1~6

(n-2)f0~14(n-1)d0~2ns2

最終一個電子普通填入次外層d亞層區(qū)最終一個電子普通填入次外層d亞層最終一個電子填入s亞層39/712024/5/7無機化學ⅠA0一1

ⅡAⅢAⅣAⅤAⅥAⅦA2

二345678910三1112ⅢBⅣBⅤBⅥBⅦBⅧⅠBⅡB131415161718四192021222324252627282930313233343536五373839404142434445464748495051525354六555671*727374757677787980818283848586七8788103*1041051061071081091101111125-3-5元素周期系與核外電子分布關(guān)系鑭系575859606162636465666768697071錒系8990919293949596979899100101102103Sddspfns1~2

(n-1)d1~9ns1~2

(n-1)d10ns1~2ns2np1~6

(n-2)f0~14(n-1)d0~2ns2

區(qū)最終一個電子填入外層p亞層最終一個電子普通填入外數(shù)第三層f亞層40/712024/5/7無機化學5-3-5元素周期系與核外電子分布關(guān)系區(qū)依據(jù)最終一個電子填入亞層確定最終一個電子填入亞層區(qū)最外層s亞層s最外層p亞層p普通為次外層d亞層d普通為次外層d亞層,且為d10ds普通為外數(shù)第三層f亞層f41/712024/5/7無機化學5-3-5元素周期系與核外電子分布關(guān)系族依據(jù)區(qū)和最外層、次外層電子數(shù)確定區(qū)族s、p主族(A)，族數(shù)＝最外層電子數(shù)d副族(B)族數(shù)＝(最外層＋次外層d)電子數(shù)ds副族(B)，族數(shù)＝最外層電子數(shù)f鑭系、錒系

42/712024/5/7無機化學5-3-６元素周期表5-3-6元素周期表元素在周期表位置(周期、區(qū)、族)取決于該元素原子核外電子分布例20Ca寫出電子排布式1s22s22p63s23p64s2周期數(shù)＝電子層數(shù)第四面期最終一個電子填入s亞層s區(qū)元素族數(shù)＝最外層電子數(shù)＝2

ⅡA

Ca為第四周期、ⅡA族元素43/712024/5/7無機化學元素在周期表位置(周期、區(qū)、族)取決于該元素原子核外電子分布例24Cr寫出電子排布式1s22s22p63s23p63d54s1周期數(shù)＝電子層數(shù)第四面期最終一個電子填入次外層d亞層d區(qū)元素族數(shù)＝(最外層+次外層d)電子數(shù)＝(1+5)=6

ⅥBCr為第四周期、ⅥB族元素44/712024/5/7無機化學元素在周期表位置(周期、區(qū)、族)取決于該元素原子核外電子分布例47Ag寫出電子排布式[Kr]4d105s1周期數(shù)＝電子層數(shù)第五周期最終一個電子填入次外層d亞層，而d電子數(shù)為10ds區(qū)元素族數(shù)＝最外層電子數(shù)＝1

IBAg為第五周期、IB族元素45/712024/5/7無機化學元素在周期表位置(周期、區(qū)、族)取決于該元素原子核外電子分布例已知某副族元素A原子，最終一個電子填入3d軌道，族號＝3電子排布式1s22s22p63s23p63d14s2周期數(shù)＝電子層數(shù)=4最終一個電子填入次外層d亞層為d區(qū)元素，最外層電子數(shù)＝2族數(shù)＝電子數(shù)(最外層+次外層d)＝3

則d電子數(shù)=3-2=146/712024/5/7無機化學第四節(jié)原子性質(zhì)周期性第五章原子結(jié)構(gòu)和元素周期性

第四節(jié)原子性質(zhì)周期性無機化學多媒體電子教案

47/712024/5/7無機化學原子電子層結(jié)構(gòu)隨核電荷遞增呈周期性改變，促使原子一些性質(zhì)呈周期性改變

如原子半徑、電離能、電子親合能、電負性48/712024/5/7無機化學5-４-1原子半徑5-４-1

原子半徑共價半徑——兩個相同原子形成共價鍵時，其核間距離二分之一定義d=198pmr(Cl)=99pmd=154pmr(C)=77pm49/712024/5/7無機化學5-４-1

原子半徑金屬半徑——金屬單質(zhì)晶體中，兩個相鄰金屬原子核間距離二分之一定義d=256pmr(Cu)=128pm50/712024/5/7無機化學5-４-1

原子半徑范德華半徑——分子晶體中，兩個相鄰分子核間距離二分之一定義d=320pmr(Ne)=160pm51/712024/5/7無機化學改變規(guī)律IA0一H37IIAⅢAIVAⅤAVIAⅦAHe122二Li152Be111B88C77N70O66F64Ne160三Na168Mg160ⅢBIVBVBVIBⅦBⅧIBIIBAl143Si117P110S104Cl99Ar191四K227Ca197Sc161Ti145V132Cr125Mn124Fe124Co125Ni125Cu128Zn133Ga122Ge122As121Se117Br114Kr198五Rb248Sr215Y181Zr160Nb143Mo136Tc136Ru133Rh135Pa138Ag144Cd149In163Sn141Sb141Te137I133Xe217六Cs265Ba217La173Hf159Ta143W137Re137Os134Ir136Pt136Au144Hg160Tl170Pb175Bi155Po153AtRn非金屬為共價半徑、金屬為金屬半徑、稀有氣體為范德華半徑52/712024/5/7無機化學26021016011060原子半徑/pm族號同一周期d區(qū)元素,自左到右,隨核電荷增加,原子半徑略有減小。IB族開始，反而有所增加53/712024/5/7無機化學鑭系元素,自左到右,隨核電荷增加,原子半徑總趨勢遲緩減小，即鑭系收縮210200190180170原子半徑/pm原子序數(shù)銪4f76s254/712024/5/7無機化學26021016011060原子半徑/pm族號因為鑭系收縮，至使后面五、六周期同族元素(如Zr與Hf、Nb與Ta、Mo與W)性質(zhì)極為相同55/712024/5/7無機化學26021016011060原子半徑/pm族號同一主族元素，自上往下，原子半徑逐步增大56/712024/5/7無機化學26021016011060原子半徑/pm族號同一副族元素(除ⅢB外),自上往下,原子半徑普通略有增大。五、六周期同族元素原子半徑十分相同57/712024/5/7無機化學5-４-2電離能和電子親合能5-４-2

電離能和電子親合能第一電離能(I1)——基態(tài)中性氣態(tài)原子失去一個電子形成氣態(tài)陽離子所需能量Mg(g)-e-→Mg+(g)I1=

H1=738kJ·mol-1

第二電離能(I2)——氧化數(shù)為+1氣態(tài)陽離子失去一個電子形成氧化數(shù)為+2氣態(tài)陽離子所需能量Mg+(g)-e-→Mg2+(g)I2=

H2=1451kJ·mol-1其余依次類推...基態(tài)氣態(tài)原子失去電子變?yōu)闅鈶B(tài)陽離子，克服核電荷對電子引力所消耗能量電離能(I)58/712024/5/7無機化學氣態(tài)原子失去電子變?yōu)闅鈶B(tài)陽離子，克服核電荷對電子引力所消耗能量電離能(I)Mg(g)-e-→Mg+(g)InIn/(kJ·mol-1)I1737.7I21450.7I37732.8I410540I513628I617905I721704I825856I1<I2<I3<I4<...Mg+(g)-e-→Mg2+(g)...電離能用來衡量氣態(tài)原子失去電子難易電離能越小，原子越易失去電子電離能越大，原子越難失去電子59/712024/5/7無機化學電離能(I)2160186015601260960660360I1/(kJ·mol-1)原子序數(shù)HeNeLiXeNaArKrKRbCsHNPSbAs同一周期主族元素，從左到右，電離能逐步增大同一周期副族元素，從左到右，電離能改變不規(guī)律60/712024/5/7無機化學電離能(I)2160186015601260960660360I1/(kJ·mol-1)原子序數(shù)HeNeLiXeNaArKrKRbCsHNPSbAs同一主族元素，從上往下，電離能逐步減小同一副族元素，從上往下，電離能略有增大61/712024/5/7無機化學第一電子親合能(EA1)——基態(tài)氣態(tài)原子得到一個電子形成氣態(tài)陰離子所放出能量

O(g)+e-→O-(g)EA1=-141kJ·mol-1

第二電子親合能(EA2)——氧化數(shù)為-1氣態(tài)陰離子得到一個電子形成氧化數(shù)為-2氣態(tài)陰離子所放出能量

O-(g)+e-→O2-(g)EA2=+780kJ·mol-1其余依次類推...基態(tài)氣態(tài)原子得到電子變?yōu)闅鈶B(tài)陰離子，所放出能量。電子親合能(EA)電子親合能用來衡量氣態(tài)原子得電子難易電子親合能代數(shù)值越小,原子越易得到電子62/712024/5/7無機化學5-4-3電負性5-４-3

電負性(χp)

分子中元素原子吸引電子能力以最活潑非金屬元素原子χp(F)=4.0為基礎(chǔ)，計算其它元素原子電負性值。電負性越大,元素原子吸引電子能力越強,即元素原子越易得到電子,越難失去電子；電負性越小,元素原子吸引電子能力越弱,即元素原子越難得到電子,越易失去電子。

63/712024/5/7無機化學電負性ⅠA一H2.1ⅡAⅢAⅣAⅤAⅥAⅦA二Li1.0Be1.5B2.0C2.5N3.0O3.5F4.0三Na0.9Mg1.2ⅢBⅣBⅤBⅥBⅦBⅧⅠBⅡBAl1.5Si1.8P2.1S2.5Cl3.0四K0.8Ca1.0Sc1.3Ti1.5V1.6Cr1.6Mn1.5Fe1.8Co1.9Ni1.9Cu1.9Zn1.6Ga1.6Ge1.8As2.0Se2.4Br2.8五Rb0.8Sr1.0Y1.2Zr1.4Nb1.6Mo1.8Tc1.9Ru2.2Rh2.2Pa2.2Ag1.9Cd1.7In1.7Sn1.8Sb1.9Te2.1I2.5六Cs0.7Ba0.9Lu1.2Hf1.3Ta1.5W1.7Re1.9Os2.2Ir2.2Pt2.2Au2.4Hg1.9Tl1.8Pb1.9Bi1.9Po2.0At2.2說明：1.鮑林電負性是一個相對值,無單位

2.現(xiàn)已經(jīng)有多套電負性數(shù)據(jù),應(yīng)盡可能采取同一套數(shù)據(jù)64/712024/5/7無機化學4.03.53.02.52.01.51.00.5χp原子序數(shù)HLiFNaBrClKIRbAtCs

同一周期，從左到右,

電負性逐步增大

同一主族，從上到下,

電負性逐步減小

同一副族，從上到下,

ⅢB~ⅤB電負性逐步減小，ⅥB~ⅡB電負性逐步增大65/712024/5/7