原子结构与周期系

1 第七章原子结构与周期系 前言原子结构理论的发展简史一 道尔顿 J Dolton 的原子理论 19世纪初二 卢瑟福 E Rutherford 的行星式原子模型 20世纪初三 玻尔 N bohr 原子模型 20世纪初四 量子力学原子模型 20世纪20年代 2 第一节核外电子运动的特征 了解 一 量子化特性能量的量子化 能量变化 发射 吸收等 是不连续的 是某一基本量 即量子 的整数倍 量子的能量为 E h 变化总能量为 E nh 二 波粒二象性电子衍射实验证明了电子运动具有与光相似的波动性 波粒二象性是所有微观粒子 电子 原子等 运动的一个重要特性 h p h m 3 第二节核外电子运动状态的描述 量子力学原子模型一 薛定谔方程 了解 量子力学中描述核外电子在空间运动的数学函数式 即原子轨道E 轨道能量 动能与势能总和 m 微粒质量 h 普朗克常数x y z为微粒的空间坐标 x y z 波函数 4 二 波函数和原子轨道 轨函 了解 将直角坐标转换为球极坐标后 得 n l m r Rn l r Yl m 径向部分角向部分解薛定谔方程可得到一系列的数学解 波函数 但并不是所有的解都是合理的 为了得到核外电子运动状态合理的解 要求一些物理量必须是量子化的 从而引进了三个量子数n l m 解薛定谔方程 就是解出对应一组n l m的波函数 n l m r 及其相应的能量En l 5 波函数 n l m 原子轨函 原子轨道 是量子力学中描述原子核外电子运动状态的数学函数式 它的图像表示某一电子的运动状态 即在核外空间范围内电子出现的概率 为了描述电子自旋运动的特征 又引入了一个自旋量子数ms 本课程只定性解释解波函数得出的结论 6 三 四个量子数1 主量子数n 电子层 n 1 2 3 4 正整数 它决定电子离核的远近和能级 2 角量子数l 分层 电子亚层 l 0 1 2 3 n 1 l n 以s p d f 表示它决定了原子轨道或电子云的形状 也是决定多电子原子中电子能量的因素 3 磁量子数mm描述原子轨道在空间的伸展方向 m 0 1 2 3 l m l 一种取向相当于一个轨道 共可取2l 1个数值 n和l相同 m不同的轨道其能级相同 称为等价轨道或简并轨道 重要 7 4 自旋量子数msms 1 2 表示电子在核外运动有自旋相反的两种运动状态 通常用 和 表示 几点说明 1 原子中每个电子的运动状态可用四个量子数 n l m ms 来描述 2 泡利不相容原理 在同一原子中 不能有四个量子数完全相同的两个电子存在 每个原子轨道最多能容纳两个电子 并且自旋相反 8 3 多电子原子中电子能量与n和l有关单电子原子中电子能量只与n有关即 单电子原子E1s E2s E3s E4s E2p E3p E4p E5p E3d E4d E5d E6d Ens Enp End Enf 多电子原子E1s E2s E3s E4s E2p E3p E4p E5p E3d E4d E5d E6d Ens Enp End Enf 9 核外电子运动的可能状态数 10 例 下列各组用四个量子数描述的核外电子运动状态是否合理 为什么 1 n 2 l 1 m 0 ms 1 2合理2p能级 2 n 3 l 3 m 2 ms 1 2不合理 因取值l n 3 n 3 l 2 m 2 ms 1 2合理3d能级 4 n 4 l 2 m 3 ms 1 2不合理 因取值m l 5 n 2 l 1 m 1 ms 1不合理 因ms只能取 1 2或 1 2 四个量子数取值的相互限制关系 l n m l ms 1 2 11 四 概率 几率 密度和电子云1 概率与概率密度把电子在某空间区域内出现的机会叫概率 几率 代表核外空间某处单位微体积中电子出现的概率 即概率密度 2 电子云概率密度的一种图像表示法电子云 用小黑点分布疏密来表示电子在核外某处出现概率密度的相对大小的图像 见p137图7 7 12 五 波函数和电子云的空间形状要用波函数 的角向部分Y和径向部分R才能完整描述原子轨道和电子云的实际图像 n l m r Rn l r Yl m 原子轨道径向部分角向部分 13 一 波函数的角向部分1 原子轨道角度分布图原子轨道角度分布图的绘制 了解 a 解薛定谔方程 可解出对应n l m的一系列波函数 n l m r 即Rn l r 和Yl m b 以Yl m 在球极坐标中作图 可得原子轨道角度分布图 说明 a Yns是常数 与 角度无关 ns原子轨道角度分布图是一个球面 其它轨道则与 角度有关 b 原子轨道角向部分Yl m 只与l m有关 与n无关 因此 不同电子层n的s p d f原子轨道角度分布图相似 重要 14 s p d各种原子轨道的角度分布剖面图 1 P140图7 13 15 s p d各种原子轨道的角度分布剖面图 2 P140图7 13 16 2 电子云角度分布图 2n l m r R2n l r Y2l m 电子云径向部分角向部分电子云角度分布图的绘制 了解 以Y2l m 在球极坐标中作图 可得电子云角度分布图 说明 a Y2ns是常数 与 角度无关 ns电子云角度分布图是一个球面 其它轨道则与 角度有关 b 电子云角向部分Y2l m 只与l m有关 与n无关 因此 不同电子层n的s p d f电子云角度分布图相似 17 s p d各种电子云的角度分布图 参见P138图7 9 P141图7 14 18 例 简述原子轨道角度分布图与电子云角度分布图的区别 答 原子轨道角度分布图与电子云角度分布图的图形是类似的 主要区别有两点 a 原子轨道角度分布图胖一些 而电子云的角度分布图要瘦一些 这是由于Yl m 值小于1 而Y2l m 值更小 b 原子轨道角度分布图上有 和 之分 而电子云的角度分布图上均为 值 这是由于Y值虽有 和 但却都是 值 19 第三节原子核外电子排布和元素周期系一 多电子原子的原子轨道能级单电子原子中 只考虑原子核对电子的吸引 电子能量只与n有关 即 1s 2s 2p 3s 3p 3d 多电子原子中 电子能量不仅要考虑原子核对其的吸引 还应考虑各轨道电子之间的相互排斥作用 电子能量与n和l有关 即 1s 2s 2p 3s 3p 20 一 鲍林原子轨道近似能级图 重要 21 1 将能级相近的原子轨道排为一个能级组 目前有7个能级组 2 鲍林近似能级图表示多电子原子中 原子轨道能级的高低顺序 与n和l有关 3 能级交错 了解 例如 E4s E3d E5s E4d E6s E4f E5d 1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p 22 二 原子核外电子的排布与电子结构 一 核外电子排布的原则1 能量最低原理在基态时 核外电子总是尽可能分布到能量最低的轨道 使整个体系的能量最低 具体可按鲍林近似能级图依次充填电子1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p2 泡利不相容原理在同一原子中 不可能有四个量子数完全相同的两个电子存在 每个原子轨道最多能容纳两个电子 并且自旋相反 重要 23 3 洪特规则在等价轨道 n和l相同 中 电子尽可能单独占据各等价轨道 且自旋方向相同 电子成对能 如 p3而不是洪特规则的特例 等价轨道全充满 半充满或全空的状态是比较稳定的 如 全充满p6 d10 f14半充满p3 d5 f7全空p0 d0 f0 电子云整体为一球形对称状态 比较稳定 24 二 原子的电子结构例写出原子序数为8 11的元素的符号及电子结构式和电子轨道式 元素符号电子结构式电子轨道式O1s22s22p4Na1s22s22p63s1原子实体例 Ne 代表1s22s22p6 Ar 代表1s22s22p63s23p6 Kr 代表1s22s22p63s23p63d104s24p6 25 例写出原子序数为24 28 29 38 50的元素的符号及电子结构式和外围电子构型 解元素符号电子结构式外围电子构型 价电子构型 Cr Ar 3d54s13d54s1Ni Ar 3d84s23d84s2Cu Ar 3d104s13d104s1Sr Kr 5s25s2Sn Kr 4d105s25p25s25p2 按鲍林近似能级图排布电子 再调整同一电子层排在一起 26 原子失去或得到电子是从最外层开始的 例元素符号原子价电子构型离子价电子构型Cr3d54s1Cr3 3d3Ni3d84s2Ni2 3d8Cu3d104s1Cu 3d10Cu2 3d9Sn5s25p2Sn2 5s2Cl3s23p5Cl 3s23p6O2s22p4O2 2s22p6 27 三 原子的电子层结构和元素周期系 一 原子的电子层结构见p151 153表7 6以及元素周期表 主族元素 第4周期副族和 B B元素 完全符合核外电子排布三原则 第5 6周期副族元素以及镧系 锕系元素 有少部分 例外 情况 要以实验结果为准 掌握1 36号元素名称 元素符号 电子结构等 28 二 原子的电子层结构与周期的划分原子的电子层结构呈现周期性变化 导致元素性质呈现周期性变化 能级组的划分是周期划分的本质原因 第7周期是不完全周期 周期数 能级组数 电子层数例根据外围电子构型判断元素在第几周期 3s23p2 第3周期 3d104s1 第4周期 4s1 第4周期 4d15s2 第5周期 5s25p5 第5周期 5d76s2 第6周期 例外 46Pd 4d10 第5周期 只有4个电子层 29 30 三 原子的电子层结构与族的划分8个主族 A族 A A A为稀有气体元素 8个副族 B族 B B B包含3个纵列 价电子层 外围电子 参与化学反应的电子层 1 A族 A Ans1 2 A Ans2np1 6主族的族数 价电子数 最高氧化值 2 B族 族数最高氧化值 B B n 1 d10ns1 2ns电子数部分价电子数 B B n 1 d1 5ns1 2价电子数价电子数 B n 1 d6 10ns0 2部分价电子数部分价电子数 31 例根据外围电子构型判断元素在第几族 3s23p2 A 3d104s1 B 4s1 A 4d15s2 B 5s25p5 A 5d76s2 B 32 四 原子的电子层结构与元素的分区按价电子构型的特点 分为五个区 s区 A A ns1 2 都是活泼金属 p区 A A ns2np1 6 大部分为非金属 d区 B B n 1 d1 10ns0 2 都是金属 ds区 B B n 1 d10ns1 2 都是金属 f区 镧系 57 71号元素 和锕系 89 103号元素 n 2 f1 14 n 1 d0 2ns2 都是金属 33 第四节元素某些性质的周期性一 原子半径概念 了解 1 共价半径 同种元素的两个原子以共价单价结合时 核间距离的一半 2 范德华半径 在分子晶体中 相邻分子间两个邻近的非成键原子的核间距离的一半 3 金属半径 在金属晶体中 相邻的两个接触原子的核间距离的一半 共价半径 金属半径 范德华半径 34 一 同一周期元素原子半径的变化短周期 1 2 3 从左到右 原子半径逐渐减小 变化幅度较大 最后稀有气体的原子半径变大 范德华半径 长周期 4 5 6 从左到右 原子半径逐渐减小 指总体趋势 过渡元素有起伏 变化幅度较小 二 同一族元素原子半径的变化主族元素 自上而下 原子半径逐渐增大 副族元素 自上而下 原子半径逐渐增大 指总体趋势 有例外 变化幅度较小 第五 六周期元素原子半径非常接近 镧系收缩 35 四 元素的电负性概念 在分子中 元素原子吸引电子的能力叫元素的电负性 常用鲍林电负性 一 同一周期元素的电负性的变化同一周期 自左至右 电负性逐渐增大 总体趋势 过渡元素变化较不规则 二 同