《工科化學(xué)》課件第二章 原子結(jié)構(gòu)和元素周期律

2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍1主要內(nèi)容§2.3多電子原子核外電子的運動狀態(tài)與周期律§2.1原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概述§2.2原子的量子力學(xué)模型§2.4元素的性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍2本章要求1、了解近代微觀粒子結(jié)構(gòu)的初步概念；了解微觀粒子的波粒二象性、能量量子化和統(tǒng)計解釋。2、了解波函數(shù)、原子軌道、電子云、能級的基本概念。3、掌握n，l，m，ms四個量子數(shù)及其物理意義；理解s，p，d原子軌道和電子云角度分布圖的特征。4、理解原子軌道的能級組，屏蔽效應(yīng)理論及有效核電荷的計算。5、掌握核外電子的分布原則及電子分布式的書寫，元素周期律和周期表，元素性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系；理解原子半徑、鑭系收縮、元素的電離能、電子親和能、電負性、氧化數(shù)、金屬性和非金屬性的概念及其周期變化規(guī)律。2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍3科學(xué)發(fā)展的一般規(guī)律：定律假說通過大量實驗來驗證理論學(xué)說思維活動在實踐中應(yīng)用并不斷修正客觀現(xiàn)象科學(xué)實驗生產(chǎn)實踐重現(xiàn)總結(jié)§2.1原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概述2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍4一、含核的原子模型

§2.1原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概述

古中國和古希臘的物質(zhì)結(jié)構(gòu)學(xué)說；

道爾頓的原子學(xué)說（1808）：原子不可分；

盧瑟福的含核原子模型（1911

）。二、玻爾的原子模型

（一）氫原子光譜

人們對原子中電子的分布和運動狀態(tài)的了解，起初受到光譜的啟發(fā)。2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍5二、玻爾的原子模型

（一）氫原子光譜

光和電磁輻射光是電磁波，即是電磁輻射的一種形式。

電磁輻射包括無線電波、TV波、微波、紅外、可見光、紫外X射線、γ射線和宇宙射線。

可見光的波長范圍是400nm至700nm。如白光通過玻璃三棱鏡時，所含不同波長的光可折射成紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等沒有明顯分界線的光譜，這類光譜稱為連續(xù)光譜。2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍6二、玻爾的原子模型

光和電磁輻射光是電磁波，即是電磁輻射的一種形式。（一）氫原子光譜

氫原子光譜

原子（包括氫原子）得到能量（高溫、通電）會發(fā)出單色光，經(jīng)過棱鏡分光得到線狀光譜。

即：原子光譜屬于不連續(xù)光譜。每種元素都有自己的特征線狀光譜。

經(jīng)典電磁輻射理論與原子光譜實驗事實存在哪兩個方面的矛盾？2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍7

穩(wěn)定軌道（stableorbital）具有固定的能量，沿此軌道運動的電子，稱為處在定態(tài)的電子，它不吸收能量，也不發(fā)射能量

1、在原子中，電子不是在任意軌道上繞核運動，而是在一些符合一定條件（從量子論導(dǎo)出的條件）的軌道上運動。2、電子在不同軌道上運動時具有不同的能量，通常把這些具有不連續(xù)能量的狀態(tài)稱為能級（energylevel）。

玻爾氫原子能級為：n稱為量子數(shù)（quantumnumber），其值可取1，2，3…等任何正整數(shù)。B為常數(shù)，其值等于2.18

10-18J。

3、當電子從某一軌道躍遷到另一軌道時，有能量的吸收或放出。其頻率可由兩個軌道的能量差E決定：E2-E1=E=h

h為普朗克常量，其數(shù)值為6.626181034Js。

原子結(jié)構(gòu)理論的幾點假設(shè)：（二）玻爾氫原子理論（1913）2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍8

創(chuàng)新性（三）對玻爾理論的評價

首先引入量子化的概念，解釋了氫原子光譜為不連續(xù)光譜,提出了原子軌道能級的概念。

局限性

（1）未能完全沖破經(jīng)典力學(xué)連續(xù)概念，只是在假設(shè)的基礎(chǔ)上認為地提出氫原子能級的量子化條件。

（3）未考慮其運動的波動性，僅采用了宏觀軌道的概念。

（2）不能解釋多電子原子（核外電子數(shù)大于1的原子）、分子或固體的光譜。亦不能解釋氫光譜的每條譜線實際上還可分裂為兩條譜線的現(xiàn)象。2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍9

穩(wěn)定軌道（四）幾個基本概念

在原子中一些符合一定條件（從量子論導(dǎo)出的條件）的軌道。

穩(wěn)定軌道的特點——具有固定的能量。

定態(tài)電子

能級——具有不連續(xù)能量的狀態(tài)。

穩(wěn)定軌道上運動的電子，不吸收能量，也不發(fā)射能量

基態(tài)——軌道離核最近，能量最低，這時的能量狀態(tài)。

激發(fā)態(tài)——除基態(tài)以外的任何能級狀態(tài)。2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍10一、微觀粒子的運動特征§2.2原子的量子力學(xué)模型

1.量子性

量子：物理量的不連續(xù)變化即量子化，即以某一最小單位作跳躍式的增減，該最小單位就稱這一物理量的量子（quantum）。

如物體所帶的電荷量從Q增加到Q+dQ，Q>>dQ，但dQ所包含的電子個數(shù)卻是很大的(例如1庫侖的電荷量為6.24

1018個電子的電量)

微觀上：一個微觀粒子如果是一個離子，所帶電荷只有一個或幾個電子，從而離子所帶電荷的變化，如A-

A2-

A3-，就不能認為是連續(xù)變化的，而是跳躍式的變化。

宏觀上：Q

Q+dQ可以認為是連續(xù)變化的。2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍11

波粒二象性：與光子一樣，電子、質(zhì)子、中子、原子和分子等微觀粒子都具有波動和粒子兩重性質(zhì)。2.波粒二象性

德布羅依波或物質(zhì)波：實物微粒除具有粒子性外，還具有波的性質(zhì)，這種波稱為德布羅依波或物質(zhì)波（matterwave）。

德布羅依預(yù)言高速運動電子的波長為：m—電子的質(zhì)量；

—電子運動的速率，h—普朗克常量。

波動性的實驗證明2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍12

概率密度：單位體積的概率。3、微觀粒子運動的統(tǒng)計性

在空間某一點波的強度和粒子出現(xiàn)的概率密度成正比。

衍射實驗：

用強度很弱的電子流，即讓電子一個一個地通過晶體到達底片時，底片上就會出現(xiàn)一個一個顯示電子微粒性的斑點，如圖a，但斑點的位置無法預(yù)言，似乎是毫無規(guī)則地分散在底片上。

若時間足夠長，斑點最后會形成和強電子流所得的衍射圖案一樣，顯示了電子的波動性，如圖b所示。2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍13

對大量粒子行為而言，衍射強度大的地方，出現(xiàn)粒子的數(shù)目就多，強度小的地方出現(xiàn)粒子數(shù)目就少；

對一個粒子的行為而言，通過晶體后粒子所到達的地方是不能預(yù)測的，但衍射強度大的地方，粒子出現(xiàn)的機會也多（概率大），而強度小的地方，粒子出現(xiàn)的機會也少（概率?。?/p>

衍射強度大小即表示波的強度大小，即電子出現(xiàn)概率的大小。

概率波：電子運動在空間出現(xiàn)的概率可以由波的強度表現(xiàn)出來，因此電子及其微觀粒子波（物質(zhì)波）又稱概率波。

概率密度：單位體積的概率。3、微觀粒子運動的統(tǒng)計性

衍射實驗：2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍141.薛定鍔方程二、核外電子運動狀態(tài)的近代描述

形式：

求解：

常將直角坐標的函數(shù)

(x,y,z)，經(jīng)坐標變換后，成為球極坐標的函數(shù)

(r,

,

,)

，再用分離變量法將

(r,

,

)表示成為R(r)和Y(

,

)兩部分，Y(

,

)又可分為

(

)和

(

)。

變換關(guān)系如圖：

(r,

,

)=R(r)

Y(

,

)Y(

,

)=

(

)

(

)

R(r)只與電子離核半徑有關(guān)，故稱為波函數(shù)的徑向部分；

Y(

,

)只與

、

兩個角度有關(guān)，故稱為波函數(shù)的角度部分。2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍15

在解R(r)方程時，要引入一個參數(shù)n，在解

(

)方程時要引入另一個參數(shù)l，在解

(

)方程時還要引入一個參數(shù)m。

2、波函數(shù)與原子軌道

n稱為主量子數(shù)，l稱為角量子數(shù)，m稱為磁量子數(shù)。它們的取值范圍分別是：

n=1，2，3，4，…7

l=0，1，2，3，…，n-1，共可取n個數(shù)值。

m=0，

1，

2，

3，…，

。共可取2l+1個數(shù)值。

解薛定鍔方程，可得波函數(shù)的徑向部分Rnl(r)和角度部分Ylm(

,

)

原子軌道：在量子力學(xué)中，三個量子數(shù)都有確定值的波函數(shù)稱為原子軌道。

原子軌道波函數(shù)等價于2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍16

微觀粒子的波函數(shù)

本身沒有明確的物理意義，但||2的物理意義明確：||2代表微粒在空間某點出現(xiàn)的概率密度。

注意：原子軌道的含義不同于宏觀物體的運動軌道，也不同于玻爾所說的固定軌道，它指的是電子的一種空間運動狀態(tài)。

3、概率密度和電子云

概率密度：單位體積內(nèi)的概率

(probabilitydensity)

電子云：||2在原子核外空間電子出現(xiàn)概率的大小的圖形(electroncloud)。

電子云沒有明確的邊界，在離核很遠的地方，電子仍有出現(xiàn)的可能，但實際上在離核300pm以外的區(qū)域，電子出現(xiàn)的概率可以忽略不計。2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍172、當氫原子處于激發(fā)態(tài)時，也就是說在更多的能級上有分布概率時，將得到各種復(fù)雜的電子云的圖形。1、對于氫原子，只有1個電子，圖中黑點的數(shù)目并不代表電子的數(shù)目，而只代表1個電子在某個瞬間出現(xiàn)的可能位置。

3、為了使問題簡化，也可以分別從兩個不同的側(cè)面來反映電子云，即畫出電子云的徑向分布圖和角度分布圖。

幾點說明：2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍18

（1）主量子數(shù)n

（principalquantumnumber）4、四個量子數(shù)的物理意義

描述電子層能量的高低次序和離核遠近的參數(shù)。即主量子數(shù)決定了電子在核外出現(xiàn)概率最大的區(qū)域離核的平均距離。

電子在原子核外不同殼層區(qū)域內(nèi)（電子層）運動，具有不同的能級。在光譜學(xué)上另用一套拉丁字母表示電子層，其對應(yīng)關(guān)系為：主量子數(shù)(n)123456…電子層KLMNOP…2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍19

描述電子云的不同形狀,形狀不相同，能量稍有差別。l值可以取從0到n-1的正整數(shù)，l=0，1，2，…，（n-1），共可取n個數(shù)。l的數(shù)值受n的數(shù)值限制。（2）角量子數(shù)l

（azimuthalquantumnumber）

n=1(K層)：l=0(s態(tài))，只有1s一個亞層。原子軌道（或電子云）球形對稱，或稱s軌道（或s電子云）。n=2(L層)：l=0(s態(tài))，l=1(p態(tài))，有2s,2p兩個亞層。其中l(wèi)=1時，原子軌道（或電子云）呈紡棰形（或啞鈴形）分布。n=3(M層)：l=0(s態(tài))，l=1(p態(tài))，l=2(d態(tài))，有3s,3p,3d三個亞層。其中l(wèi)=2時，原子軌道（或電子云）呈花瓣形分布。n=4(N層)：l=0(s態(tài))，l=1(p態(tài))，l=2(d態(tài))，l=3(f態(tài))，有4s,4p,4d,4f四個亞層。其中l(wèi)=3時，原子軌道（或電子云）形狀復(fù)雜

結(jié)論：l值反映了波函數(shù)即原子軌道（或簡稱軌道）的形狀。每種值表示一類原子軌道的形狀，其數(shù)值常用光譜符號表示：l=0，1，2，3的軌道分別稱為s、p、d、f軌道。2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍20

描述原子軌道（電子云）的空間伸展方向。（3）磁量子數(shù)m

（magneticquantumnumber）

m值受l值的限制，可取從+l到-l

，包括0在內(nèi)的整數(shù)值，故l確定后m可有2l+1個數(shù)值。

原子軌道：常把n、l和m都確定的電子運動狀態(tài)稱之為該電子的原子軌道。

等價軌道： n和l相同的幾個原子軌道能量等同,稱為等價軌道或簡并軌道。如3個p軌道等。

（4）自旋量子數(shù)ms

（spinquantumnumber）

電子不僅繞核旋轉(zhuǎn)，還繞著本身的軸作自旋運動。

用（

）（

）或+1/2和-1/2兩個值，分別代表電子順時針和逆時針的兩個自旋方向。

總結(jié)：四個量子數(shù)結(jié)合，才可說明電子在原子中所處的狀態(tài)。若表示能級只要二個量子數(shù)（n，l）即可。2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍21

四個量子數(shù)的一般情況n1234l（

=0，1，2，…，（n-1）0s0,1s,p0,1,2s,p,d0,1,2,3s,p,d,fm（＝2l+1）軌道數(shù)1(n2)1+3(n2)1+3+5(n2)1+3+5+7(n2)ms(+1/2、-1/2）電子數(shù)2(2n2)2(1+3)=8

(2n2)2(1+3+5)=18(2n2)2(1+3+5+7)=32(2n2)2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍22

1、原子軌道的角度分布圖（即：波函數(shù)的角度分布圖）

三、原子軌道和電子云的圖像

用圖形表示Yl,m的數(shù)值大小隨角度

，

的變化。

以|

|2作圖得到的圖像。

2、電子云的角度分布圖

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：

（1）原子軌道角度分布圖有正、負之分，而電子云的角度分布圖因角度函數(shù)經(jīng)平方后無正、負之分；

（2）電子云的角度分布圖比原子軌道角度分布圖“瘦”，因角度函數(shù)Y<l，所以Y2值比Y值更小。

2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍23（1）原子軌道的徑向部分3、徑向分布圖

原子軌道的徑向部分又稱徑向波函數(shù)R(r)。以R(r)對r作圖，表示任何角度方向上，R(r)隨r變化的情況。氫原子的徑向波函數(shù)2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍24

表示電子出現(xiàn)概率密度和離核遠近關(guān)系。（2）電子云的徑向部分

4s,3d態(tài)電子云的徑向分布函數(shù)圖

徑向分布圖對討論原子軌道能級高低、屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)很有用。

2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍25第二章原子結(jié)構(gòu)和元素周期律主講人：石建軍工科化學(xué)2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍26主要內(nèi)容§2.3多電子原子核外電子的運動狀態(tài)與周期律§2.1原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概述§2.2原子的量子力學(xué)模型§2.4元素的性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍27

一、多電子原子的原子軌道能級§2.3多電子原子核外電子的運動狀態(tài)與周期律

1、鮑林近似能級圖和能級組

來源：光譜實驗

意義：反映了核外電子填充的一般順序

1s；2s,2p；3s,3p；4s,3d,4p；5s,4d,5p；6s,4f,5d,6p；7s,5f…

近似能級圖：將原子核外的原子軌道能量按由低到高排列出來，所得的能量相對大小關(guān)系圖。

能級組：能量較接近的原子軌道所形成的組。

能級組的存在，是周期表中化學(xué)元素可劃分為各個周期及每個周期應(yīng)有元素數(shù)目的根本原因。2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍28

（1）各電子層能級相對高低為K<L<M<N…

從能級圖中可以看出：

（2）同一原子同一電子層內(nèi)，各亞層能級的相對高低為：

（4）同一原子內(nèi)，不同類型的亞層之間，有能級交錯現(xiàn)象，如E4s<E3d<E4p。

注意：Pauling能級圖（1）不能完全反映出每種元素的原子軌道能級的相對高低，有例外（2）不能用此圖來比較不同元素原子軌道能級的相對高低。Ens<Enp<End<Enf…

（3）同一電子亞層，各原子軌道能級相同：Enpx=Enpy=Enpz2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍29

（1）原子的外層電子，（n+0.7l）越大，電子能量越高。（2）離子的外層電子，（n+0.4l）越大，電子能量越高。（3）原子或離子的較深的內(nèi)層電子，能量高低基本上取決于主量子數(shù)n。

徐光憲的能級高低順序規(guī)律：

能級交錯：

ns能級均低于(n-1)d，即n大的亞層的能量反而比n值小的能量為低的現(xiàn)象。2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍30

（1）屏蔽效應(yīng)和屏蔽常數(shù)2、屏蔽效應(yīng)及有效核電荷數(shù)

屏蔽效應(yīng)：多電子原子中其余電子抵消核電荷對指定電子的作用。

屏蔽常數(shù)

：反映其余電子抵消核電荷能力強弱的經(jīng)驗常數(shù)。多電子原子結(jié)構(gòu)復(fù)雜。先比較中性氦原子與氦離子：

由于He原子的兩個電子相互排斥，相當于一個電子對另一個電子產(chǎn)生了電荷屏蔽，削弱了核電荷對該電子的的吸引力，意味著He原子的核電荷Z(=2)被Z*(=2-σ)代替；He+為單電子類氫系統(tǒng)，其能量公式與結(jié)果為：而實驗表明從He原子中移走一個電子需要的能量為3.939×l0-18J2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍31

（1）屏蔽效應(yīng)和屏蔽常數(shù)2、屏蔽效應(yīng)及有效核電荷數(shù)

屏蔽效應(yīng)：多電子原子中其余電子抵消核電荷對指定電子的作用。

屏蔽常數(shù)

：反映其余電子抵消核電荷能力強弱的經(jīng)驗常數(shù)。

屏蔽常數(shù)

的近似計算規(guī)則：

①寫出原子的電子分布式；②將原子中的電子按如下分組：

1s；2s,2p；3s,3p；3d；4s,4p；4d；4f；5s,5p；5d…

③內(nèi)層電子對指定電子的屏蔽常數(shù)數(shù)值規(guī)定如下：

a、位于被屏蔽電子右邊各組的電子，對被屏蔽電子的＝0

一般來說，內(nèi)層電子對外層電子的屏蔽作用大。

b、1s軌道上的2個電子相互間=0.3，其他同一軌道上其余電子被屏蔽電子的=0.35；2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍32

c、(n-1)層軌道上每一個電子對被屏蔽的ns或np電子的

=0.85，(n-2)層軌道及其以內(nèi)的每一個電子對n軌道電子的

=1.0；

d、被屏蔽電子為nd或nf時，則位于它左邊的每一個電子對它的

=1.0。

④將原子中其余電子對被屏蔽電子的屏蔽常數(shù)求和：

，即得其余電子對指定電子總的屏蔽常數(shù)

。例題

結(jié)論：在核電荷為Z的主量子數(shù)相同的條件下，屏蔽常數(shù)

越大，有效核電荷Z*越小，核對該電子的吸引力就越小，因此該層的電子的能量就越高。

3、鉆穿效應(yīng)

鉆穿效應(yīng)：由于電子鉆穿而引起能量發(fā)生變化的現(xiàn)象。

結(jié)果：降低了其他電子對它的屏蔽作用，起到了增加有效核電荷，降低軌道能量的作用。電子鉆穿得愈靠近核，其能量愈低。鉆穿效應(yīng)能很好地解釋能級交錯現(xiàn)象。

2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍333、鉆穿效應(yīng)

鉆穿效應(yīng)：由于電子鉆穿而引起能量發(fā)生變化的現(xiàn)象。

結(jié)果：降低了其他電子對它的屏蔽作用，起到了增加有效核電荷，降低軌道能量的作用。電子鉆穿得愈靠近核，其能量愈低。鉆穿效應(yīng)能很好地解釋能級交錯現(xiàn)象。

在原子核附近出現(xiàn)的概率較大的電子，可更多地避免其余電子的屏蔽，受到核的較強的吸引而更靠近核，這種進入原子內(nèi)部空間的作用叫做鉆穿效應(yīng)。

鉆穿作用與原子軌道的徑向分布函數(shù)有關(guān)。l愈小的軌道徑向分布函數(shù)的個數(shù)愈多，第一個峰鉆得愈深，離核愈近。2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍34

1、核外電子分布的三個原則

二、多電子原子核外電子的分布及周期律

（l）能量最低原理（lowestenergyprinciple）

核外電子總是分布到能量最低的軌道。

（2）泡利不相容原理（exclusionprinciple）—有三種表達形式

在同一個原子內(nèi)沒有四個量子數(shù)完全相同的電子；

同一個原子中沒有運動狀態(tài)完全相同的電子；

任何一個原子軌道最多能容納兩個電子，且兩電子自旋方向相反

以四個量子數(shù)作不同的合理組合，可算出電子主層、亞層的軌道數(shù)和電子數(shù)的最大容量。例題

2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍35

在同一亞層的各個軌道(等價軌道)上，電子將盡可能以自旋平行的方向分占不同的軌道。

（3）洪特規(guī)則（Hund'srule）

洪特規(guī)則的特例

等價軌道全充滿（p6，d10，f14）、半滿（p3，d5，f7）或全空狀態(tài)是比較穩(wěn)定的。

例如：N：2s22p32025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍36

2、基態(tài)原子中電子分布

原子的電子結(jié)構(gòu)分布式：

表示原子的電子層結(jié)構(gòu)的式子，簡稱電子分布式。

書寫基態(tài)原子的電子結(jié)構(gòu)分布式的簡要步驟：（1）寫出原子軌道能級順序1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p……；

（2）按上述三原則在每個軌道上排布電子，直至原子核外的電子全部排完。

（3）將相同主量子數(shù)的各亞層按s,p,d的順序整理得。

原子實：原子中除去最高能級組以外的原子實體，常用稀有氣體元素符號加方括號來表示。如[Ar]等

如35Br的電子分布式寫成[Ar]3d104s24p5，26Fe原子電子分布式寫成[Ar]3d64s2，29Cu可寫成[Ar]3d104s1

而不是[Ar]3d94s2

等。2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍37例1練習：例2

寫出溴原子的電子分布式。解：

Br元素原子的電子分布式為：

1s22s22p63s23p63d104s24p52025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍38

小竅門：（1）掌握惰性氣體元素的原子序數(shù)，寫出惰性氣體元素的原子實2He，10Ne，18Ar，36Kr，54Xe，86Rn（2）用所要排布的原子的原子序數(shù)減去合適原子實的原子序數(shù)，剩余的電子排在原子實之外，即原子實以外的能級組上。如 鐳88Ra可表示成（86+2）

[Rn]7s2

鉛82Pb可表示成（54+28）

[Xe]4f145d106s26p2

銀47Ag可表示成（36+11）

[Kr]5d105s1

外層電子分布式：只涉及化學(xué)反應(yīng)的外層電子的分布式

注意：（1）外層電子分布式與最外層電子分布式稍有區(qū)別。（2）上述方法并不全部適用所有元素，有19種元素的原子核外電子分布例外，部分遵從洪特規(guī)則。

2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍39

失電子的順序與電子填序順序有時是不同的，失電子總是先從原子核外最外層開始，然后是次外層。

3、簡單基態(tài)陽離子的電子分布

基態(tài)原子外層電子填充順序：ns

(n-2)f

(n-1)d

np

價電子電離順序為：np

ns

(n-1)d

(n-2)f

如Pb2+離子可表示成（54+26），外層電子分布為：

[Xe]4f

145d106s2

價層電子：影響元素化學(xué)性質(zhì)的電子層上的電子。

2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍40

元素周期律的基礎(chǔ)：

三、元素的原子結(jié)構(gòu)和周期系

原子電子層結(jié)構(gòu)的周期性的變化，造成了元素性質(zhì)的周期性變化，將這種變化以表格形式反映出來即為元素周期表。

長式周期表的結(jié)構(gòu)：

一個特短周期（第一周期）、兩個短周期（第二、三周期）、兩個長周期（第四、五）、一個特長周期（第六周期）和一個不完全周期（第七周期），共七個周期。（自學(xué)）2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍412025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍42

比較原子的電子結(jié)構(gòu)和元素周期系關(guān)系得如下結(jié)論：四、原子結(jié)構(gòu)和周期律（1）元素在周期表中的原子序數(shù)等于該元素原子的核電荷數(shù)或核外電子數(shù)。

（2）元素在周期表中的周期數(shù)等于該元素原子的電子層數(shù)或最高能級組數(shù)。

（3）在周期表中，同一周期元素的原子結(jié)構(gòu)依次遞變，它們的性質(zhì)也依次遞變，各元素的性質(zhì)出現(xiàn)周期性

（4）周期表中元素的分族是原子的電子構(gòu)型所作分類的結(jié)果。

（5）同族元素在化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)上的類似性，決定于原子最外電子層結(jié)構(gòu)的類似性，而同族元素在性質(zhì)上的遞變則決定于電子層數(shù)的依次增加。

2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍43

Mn[Ar]3d54s2；

Tc[Kr]4d55s2

Re[Xe]4f145d54s2

例如VIIB族，最外層電子數(shù)與次外層d電子數(shù)之和是7，外電子構(gòu)型相同為(n-1)d5ns2：

注意：上述規(guī)則，對VIIIB不完全適用。

結(jié)論：元素性質(zhì)的周期性，決定于原子的電子層結(jié)構(gòu)的周期性，這就是周期系實質(zhì)

族：性質(zhì)相似的元素排成的縱行。

主族：族數(shù)等于最外層電子數(shù)。

副族：對次外層電子數(shù)在8~18之間的元素，其族數(shù)等于最外層電子數(shù)與次外層d電子數(shù)之和。2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍44

周期表中的元素除了按周期和族劃分外，還可按元素的原子在哪一亞層增加電子，把它們劃分為s，p，d，ds，f五個區(qū)：

五、原子的電子層結(jié)構(gòu)與元素的分區(qū)（1）s區(qū)元素：包括IA和IIA族，最外電子層的構(gòu)型為ns1~2。（5）f區(qū)元素：包括鑭系和錒系元素。電子層結(jié)構(gòu)在f亞層上增加電子，外電子層的構(gòu)型為(n-2)f1~14(n-1)d0~2ns2。（2）p區(qū)元素：包括IIIA到VIIIA族，最外電子層的構(gòu)型為ns2np1~6。（3）d區(qū)元素：包括IIIB到VIIIB族的元素，外電子層的構(gòu)型為(n-1)d1~9ns1~2（Pd為(n-1)d10ns0）。（4）ds區(qū)元素：包括IB和IIB族的元素，外電子層的構(gòu)型為(n-1)d10ns1~2。2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍45主要內(nèi)容§2.3多電子原子核外電子的運動狀態(tài)與周期律§2.1原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概述§2.2原子的量子力學(xué)模型§2.4元素的性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍46

一、原子半徑（atomicradius）

§2.4元素的性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系

假設(shè)原子呈球形，在固體中原子間相互接觸，以球面相切，這樣只要測出單質(zhì)在固態(tài)下相鄰兩原子間距離的一半就是原子半徑。2、范德華（vanderWaals）半徑

原子半徑的分類1、共價半徑

氣體分子組成的單質(zhì)，原子半徑可以取為分子內(nèi)原子中心距離的一半。

相鄰的不同分子晶體中，兩個非成鍵原子核間距的一半。

在稀有氣體的晶體中，兩個相鄰原子核間距的一半，就是稀有氣體的范德華半徑。

2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍47

金屬晶體中相鄰金屬原子核間距的一半。（3）金屬半徑

原子半徑變化的規(guī)律：

s區(qū)元素和p區(qū)元素：原子半徑顯著遞減；1、同一周期從左向右（1）短周期元素（稀有氣體除外）原子半徑顯著遞減。（2）長周期元素：

d區(qū)元素：原子半徑從左至右遞減較慢，且不規(guī)則。

ds區(qū)元素：原子半徑稍有增大。

f區(qū)元素：原子半徑的遞減微小且不規(guī)則。鑭系元素的原子半徑隨原子序數(shù)的遞增而減小，導(dǎo)致的效應(yīng)稱“鑭系收縮”。鑭系收縮的原因：

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。2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍48原子半徑的周期性變化2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍49

主族元素：原子半徑顯著遞增。原因：電子層數(shù)增加。

2、同一族從上至下：

副族元素：原子半徑的遞增不顯著（IIIB除外），特別是同副族的第二和第三兩個元素(如Zr和Hf；Nb和Ta)原子半徑相差很小。

原因：較復(fù)雜，與鑭系收縮有關(guān)。3、原子半徑對性質(zhì)的影響：

原子半徑小，核電荷對外層電子吸引力強，原子難失電子易于與電子結(jié)合，非金屬性強；

原子半徑大，核電荷對外層電子吸引力弱，原子易失電子，金屬性強。2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍50原子半徑的周期性變化2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍51

元素的氣態(tài)原子在基態(tài)時失去一個電子成為一價氣態(tài)正離子所吸收的最低能量稱為該元素的第一電離能（firstionizationenergy），常用符號I1表示。

二、元素的電離能

從一價氣態(tài)正離子再失去一個電子形成二價正離子所需吸收的最低能量稱第二電離能I2；依次類推

原子核對外層電子的吸引力越強，越不易失去電子，電離能越大

元素的電離能的大小順序是：I1<I2<I3<I4……。

影響電離能大小的因素：

（1）原子半徑：原子半徑越小電離能越大；

（2）核電荷：有效核電荷越多電離能越大（3）電子層結(jié)構(gòu)：最外層電子數(shù)越少，電離能越??；最外層電子數(shù)越多，電離能就越大。2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍52

電離能變化的規(guī)律：（1）同一周期：從左至右電離能增大，但有曲折。

電離能對元素性質(zhì)的影響：原因：電子層結(jié)構(gòu)處于半滿如N（2p3），全滿如Be（2s2）時比較穩(wěn)定，所以它們的電離能不是小于而是大于它們后面一個元素的電離能。稀有氣體的電離能最大，因它們具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)ns2np6（He除外）。

（2）同一主族：由上到下，電離能減小。副族變化不規(guī)則

（1）電離能相近的元素，化學(xué)性質(zhì)相似。

（2）電離能可說明元素的常見化合價。

例：若I2>>I1，元素常呈+1價；若I3>>I2，常呈+2價；2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍53電離能的周期性變化2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍54

使元素的一個基態(tài)的氣態(tài)原子獲得一個電子，形成一價氣態(tài)負離子時所放出的能量，常用EA1表示。

三、電子親和能EA（electronaffinity）

意義：

注意：難失電子，并非一定易與電子結(jié)合。例，稀有氣體EA的大小反映了原子得到電子的難易。

EA的絕對值隨原子半徑的減小，核對外層電子的引力增大而增大。故EA在同一周期中從左至右增加，而同族中從上至下減小。2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍55電子親和能的周期性變化2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍56

電負性是原子在分子中吸引電子的能力

四、元素的電負性

規(guī)律：

意義：

電負性愈大，表示原子吸引電子能力愈強，非金屬性越強。電負性愈小，則金屬性越強。

（1）同一周期元素從左到右電負性逐漸變大，元素的非金屬性也逐漸增強。

（2）同一主族元素從上至下元素的非金屬性依次減小，金屬性增強，電負性降低。副族元素的電負性變化規(guī)律不明顯。

（3）一般金屬的電負性在2.0以下，非金屬的電負性在2.0以上。電負性是衡量各類化合物所屬化學(xué)鍵的標志。請注意與電子親和能的區(qū)別2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍57電負性的周期性變化2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍58

表示化合物中各原子所帶的電荷(或形式電荷)數(shù)。又稱氧化態(tài)或價態(tài)。

五、氧化數(shù)（oxidationnumber）

確定氧化數(shù)有下述一般規(guī)則：

（3）氫在化合物中的氧化數(shù)一般為+1。僅在與活潑金屬生成的離子型氫化物（如NaH、CaH2）中為-1。

（1）在單質(zhì)中元素的氧化數(shù)為零。

（2）氧在化合物中的氧化數(shù)一般為-2，僅在OF2中為+2；在過氧化物（如H2O2、Na2O2等）中為-1；在超氧化物（如KO2）中為-

（4）堿金屬和堿土金屬在化合物中的氧化數(shù)分別為+1和+2；氟的氧化數(shù)總是-1。

（5）在任何化合物分子中各元素氧化數(shù)的代數(shù)和等于零；在多原子離子中各元素氧化數(shù)的代數(shù)和等于該離子所帶電荷數(shù)。

2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍59

氧化數(shù)是元素在化合狀態(tài)時的形式電荷，它按一定規(guī)則得到，不僅可以有正、負值，而且還可以有分數(shù)。

注意：氧化數(shù)（oxidationnumber）和化合價（valence）的區(qū)別

化合價是指元素在化合時原子的個數(shù)比，它只能是整數(shù)。

（3）在共價化合物中元素的氧化數(shù)和共價數(shù)常不一致。

（1）多數(shù)情況下二者數(shù)值相同，也可混用，但它們在數(shù)值上也有不一致的情況。

（2）在離子化合物中元素的氧化數(shù)等于其離子單原子的電荷數(shù)；

例如在CH4、CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4中，碳的化合價均為4，但其氧化數(shù)分別為-4，-2，0，+2和+4。2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍60

氧化數(shù)決定于價電子的數(shù)目。

氧化數(shù)與電子層結(jié)構(gòu)的關(guān)系

價電子：化學(xué)反應(yīng)中，參與化學(xué)鍵形成的電子。

（2）主族元素（F和O除外）的最高氧化數(shù)等于原子中最外層電子的數(shù)目，也等于該元素所屬的族數(shù)。

規(guī)律：

（1）元素的最高正氧化數(shù)等于價電子的總數(shù)；

（3）過渡元素的氧化數(shù)不規(guī)律，其數(shù)值等于最外層的s電子數(shù)或s電子數(shù)與次外層部分或全部d電子數(shù)（等于或小于6）之和。d區(qū)和ds區(qū)副族元素的最高氧化數(shù)，數(shù)值上等于周期表中所處的族數(shù)（銅、金和汞等許多元素例外）。2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍61

表示元素得失電子能力的物理量。金屬性是指原子失去電子而變成正離子的性質(zhì)，非金屬性是指其原子得到電子而變成負離子的性質(zhì)。

六、金屬性和非金屬性

（2）非金屬性：電子親和能和電負性。

度量因素：

（1）金屬性：電離能和電負性；

規(guī)律性

主族明顯，副族不明顯。

本章完2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍62一、1、（3分）已知硒Se的原子序數(shù)為34，試根據(jù)核外電子排布三原則按照能級由低到高的順序?qū)懗鑫拥脑榆壍滥芗夗樞颍?、（3分）在CH4、CH2Cl2和CCl4中，碳的氧化數(shù)分別為？練習

（選自02級《工科化學(xué)1》試題）四、（15分）已知在40℃時CHCl3的飽和蒸氣壓為49.3kPa，若有4.0L干空氣在40℃、101.3kPa下緩慢通過CHCl3并收集之。試求：（l）被CHCl3所飽和的空氣在該條件下體積應(yīng)是多少立方分米？（2）4.0L干空氣帶走CHCl3多少克？2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍63一、1、1s22s22p63s23p64s23d104p42、-4、0、+4參考答案：

四、飽和了CHCl3的空氣此時的分壓為

101.3kPa-49.3kPa=52.0kPa，飽和后空氣的體積為：

V=4L（101.3/52.0）=7.79Ln(CHCl3)=pV/RT=49.3

103

7.79

10-3/(8.314313.2)=0.147molm(CHCl3)=0.147(12+1+3

35.5)=17.6g2025/5/29工科化學(xué)多媒體課件－石建軍64一、判斷1、原子軌道就是原子核外電子運動的軌道，這與宏觀物體運動軌道的含義相同。............................（）2、在多電子原子中，核外電子的能級只與主量子數(shù)n有關(guān)，n越大，能級越高。......