普通化学第九章 原子结构和元素周期律ppt课件

1、2021-10-1412021-10-1412021-10-141 第九章第九章 原子构造和元素周期律原子构造和元素周期律第一节第一节 微观粒子的运动特征微观粒子的运动特征第二节第二节 核外电子运动形状核外电子运动形状第三节第三节 基态原子核外电子排布基态原子核外电子排布第四节第四节 原子构造与元素周期律原子构造与元素周期律 2021-10-1422021-10-1422021-10-142原子的构成、原子核的构成是怎样的原子的构成、原子核的构成是怎样的? 物质性质 物质构造 分子构造 原子构造 物质是由分子组成，分子是由原子组成，原子是由原子核和核外电子组成，原子核在化学变化中不发生变化，而

2、核外的电子发生变化，因此要想搞清楚物质构造，必需搞清楚原子核外的电子排布。2021-10-1432021-10-1432021-10-1439-1-1 氢原子光谱和玻尔实际氢原子光谱和玻尔实际 一、氢原子光谱一、氢原子光谱 太阳光、白炽灯光都是延续光谱。发光二极管等发出的太阳光、白炽灯光都是延续光谱。发光二极管等发出的光是不延续的光，呈线状，又称线状光谱。光是不延续的光，呈线状，又称线状光谱。 第一节第一节 微观粒子的运动特征微观粒子的运动特征The electromagnetic spectrum 2021-10-1442021-10-1442021-10-144氢原子受激发而发出的光谱是线

3、状氢原子受激发而发出的光谱是线状光谱，并且是最简单的一种原子光光谱，并且是最简单的一种原子光谱谱氢原子光谱特征氢原子光谱特征:不延续的不延续的,线状的线状的. 有规律有规律第一节第一节 微观粒子的运动特征微观粒子的运动特征2021-10-1452021-10-1452021-10-145 1913年，瑞典物理学家里德堡年，瑞典物理学家里德堡(JRRydberg)在大量实验的在大量实验的根底上提出了概括谱线波长之间关系的阅历公式：根底上提出了概括谱线波长之间关系的阅历公式： = R( ) Rydberg方程方程11n12n22 里德堡方程计算出的氢原子光谱波长与实验结果非常一致，里德堡方程计算出

4、的氢原子光谱波长与实验结果非常一致，但里德堡不能解释公式所用数值的意义。但里德堡不能解释公式所用数值的意义。 二、玻尔实际二、玻尔实际 1913年由丹麦物理学家玻尔年由丹麦物理学家玻尔(MBohr)提出玻尔原子构造实提出玻尔原子构造实际：际： 1、原子中电子只能在一定的轨道上绕核运动，这种以核为、原子中电子只能在一定的轨道上绕核运动，这种以核为圆心的轨道是不延续的，轨道的角动量必需是圆心的轨道是不延续的，轨道的角动量必需是 h/2 的整数倍。的整数倍。电子在固定轨道上运动不吸收能量也不辐射能量。电子在固定轨道上运动不吸收能量也不辐射能量。 2、电子在不同的定态轨道上运动时，原子具有的能量是不、

5、电子在不同的定态轨道上运动时，原子具有的能量是不同的，能量最低的叫基态，其他皆为激发态。同的，能量最低的叫基态，其他皆为激发态。第一节第一节 微观粒子的运动特征微观粒子的运动特征2021-10-1462021-10-1462021-10-146 En = 2.181018(Z2/n2) (J) rn = 52.9 (n2/Z) (pm) 式中式中Z为原子序数，为原子序数，n =1, 2, 3 的正整数。的正整数。 n越大，电子能越大，电子能量越高它离核也就越远。量越高它离核也就越远。 3、电子在轨道之间的运动是腾跃的，也称为跃迁。原子中的、电子在轨道之间的运动是腾跃的，也称为跃迁。原子中的电子

6、从高能态跃迁到低能态时，能量就以光子的方式放出，构成电子从高能态跃迁到低能态时，能量就以光子的方式放出，构成不延续光谱。不延续光谱。 = E/h = (E2 E1)/h h = 6.6261034 Js (Plank常数常数 玻尔实际胜利地解释了氢原子光谱，并提出了原子能级玻尔实际胜利地解释了氢原子光谱，并提出了原子能级和主量子数等概念，在精细分光镜下发现每一条谱线均分裂为几和主量子数等概念，在精细分光镜下发现每一条谱线均分裂为几条靠得很近的谱线。在磁场内，各谱线还可以分裂为几条谱线条靠得很近的谱线。在磁场内，各谱线还可以分裂为几条谱线谱线的精细构造。波尔实际无法解释。谱线的精细构造。波尔实际

7、无法解释。第一节第一节 微观粒子的运动特征微观粒子的运动特征2021-10-1472021-10-1472021-10-147最高能量最高能量轨道轨道电子在这些定态轨道上电子在这些定态轨道上运动时，既不吸收能量运动时，既不吸收能量又不放出能量。又不放出能量。吸收能量，吸收能量，跃迁。跃迁。放出能量，放出能量，回到基态。回到基态。第一节第一节 微观粒子的运动特征微观粒子的运动特征2021-10-1482021-10-1482021-10-148三三 电子的波粒二象性电子的波粒二象性 1、实物粒子的波粒二象性、实物粒子的波粒二象性 9.1 实物粒子的运动特征实物粒子的运动特征 1924 年，法国年

8、轻的物理学家年，法国年轻的物理学家 L. de Broglie ( 1892 1987 )指出，对于光的本质的研讨，人们长期以来注重其动摇指出，对于光的本质的研讨，人们长期以来注重其动摇性而忽略其粒子性；与其相反，对于实物粒子的研讨中，人性而忽略其粒子性；与其相反，对于实物粒子的研讨中，人们过分注重其粒子性而忽略了其动摇性。们过分注重其粒子性而忽略了其动摇性。 L. de Broglie 从从 Einstein 的质能联络公式的质能联络公式 E = m c 2 和光子和光子的能量公式的能量公式 E = h 的联立出发，进展推理：的联立出发，进展推理：l=l=hmcchmchmc22 用用 P

9、表示动量，那么表示动量，那么 P = mc ，故有公式，故有公式2021-10-1492021-10-1492021-10-149 式子的左侧动量式子的左侧动量 P 是表示粒子性的物理量，而右侧波长是表示粒子性的物理量，而右侧波长 是表示动摇性的物理量。二者经过公式联络起来。是表示动摇性的物理量。二者经过公式联络起来。 de Broglie 以为具有动量以为具有动量 P 的微观粒子，其物质波的波长的微观粒子，其物质波的波长为为 ，Ph=l 1927 年，年， de Broglie 的预言被电子衍射实验所证明，这种物的预言被电子衍射实验所证明，这种物 质波称为质波称为 de Broglie 波。

10、波。 l=hP 研讨微观粒子的运动时，不能忽略其动摇性研讨微观粒子的运动时，不能忽略其动摇性 。 微观粒子具有波粒二象性。微观粒子具有波粒二象性。9.1 实物粒子的运动特征实物粒子的运动特征2021-10-14102021-10-14102021-10-1410感光屏幕感光屏幕薄晶体片薄晶体片衍射环纹衍射环纹电子枪电子枪电子束电子束 电子衍射实验表示图电子衍射实验表示图用电子枪发射高速电子经过薄晶体片射击感光荧屏，用电子枪发射高速电子经过薄晶体片射击感光荧屏，得到明得到明暗相间的环纹，类似于光波的衍射环纹。暗相间的环纹，类似于光波的衍射环纹。9.1 实物粒子的运动特征实物粒子的运动特征2021

11、-10-14112021-10-14112021-10-14119-1-3 、测不准原理、测不准原理 海森堡的测不准原理海森堡的测不准原理 Heisenberg uncertainty principle 假设我们能设计一个实验准确测定微粒的位置假设我们能设计一个实验准确测定微粒的位置, , 那就不能准确测定其那就不能准确测定其动量动量, , 反之亦然反之亦然. .假设我们准确地知道微粒在哪里假设我们准确地知道微粒在哪里, , 就不能准确地知道它就不能准确地知道它从哪里来从哪里来, , 会到哪里去会到哪里去; ;假设我们准确地知道微粒在怎样运动假设我们准确地知道微粒在怎样运动, , 就不能准就

12、不能准确地知道它此刻在哪里确地知道它此刻在哪里. .x p h/(4) 具有波粒二象性的电子，已不再遵守经典力学规律，它们的运动没具有波粒二象性的电子，已不再遵守经典力学规律，它们的运动没有确定的轨道，只需一定的空间几率分布，即电子的动摇性与其微粒行为有确定的轨道，只需一定的空间几率分布，即电子的动摇性与其微粒行为的统计性规律相联络的统计性规律相联络. 因此因此, 实物的微粒波是概率波实物的微粒波是概率波, 性质上不同于光波的一性质上不同于光波的一种波种波. 动摇力学的轨道概念与电子在核外空间出现时机最多的区域相联络动摇力学的轨道概念与电子在核外空间出现时机最多的区域相联络. 但是，测不准关系

13、不是限制人们的认识限制，而是限制经典力学的适但是，测不准关系不是限制人们的认识限制，而是限制经典力学的适用范围，阐明微观体系的运动有更深化的规律在起作用，这就是量子力学用范围，阐明微观体系的运动有更深化的规律在起作用，这就是量子力学所反响的规律所反响的规律. .即不能够同时测得电子的准确位置和准确动量即不能够同时测得电子的准确位置和准确动量 ！第一节第一节 微观粒子的运动特征微观粒子的运动特征2021-10-14122021-10-14122021-10-1412 一、一、 波函数和量子数波函数和量子数 为了描画电子在核外的运动形状，为了描画电子在核外的运动形状，1926年薛定谔年薛定谔(ES

14、chrodinger)提出了粒子的动摇方程即薛定谔方程。但求解方提出了粒子的动摇方程即薛定谔方程。但求解方程非常复杂。程非常复杂。第二节第二节 核外电子运动形状核外电子运动形状 )(822222222VEhmzyx=波函数波函数是描画原子核外空间电子运动形状的数学函数式。量是描画原子核外空间电子运动形状的数学函数式。量子力学常借用经典力学中描画宏观物体运动的子力学常借用经典力学中描画宏观物体运动的“轨道概念，轨道概念，把波函数叫做原子轨道把波函数叫做原子轨道波函数波函数 = = 薛定锷方程的合了解薛定锷方程的合了解 = = 原子轨原子轨道道 2021-10-14132021-10-141320

15、21-10-1413( r， ， ) = R( r ) Y( 、 ) 量子力学中描画核外电子量子力学中描画核外电子 在空间运动的数学函数式，即原子轨道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轨道能量动能与势能总和 m微粒质量，微粒质量，h普朗克常数普朗克常数x,y, z 为微粒的空间坐标为微粒的空间坐标 (x,y,z) 波函数波函数第二节第二节 核外电子运动形状核外电子运动形状 对于由3个变量决议的波函数，在空间难以画出其图形，可以从角度部分和径向部分来分别讨论。2021-10-14142021-10-14142021-10-1414球坐标：球坐标： x = r sin c

16、os y = y sin sin z = r cos (=0180, = 0360)径向波函数径向波函数R n, l (r) , l, m ( r, , f ) = , l, m ( r, , f ) =Y l,m ( q, f )角度波函数角度波函数为了更方便求解波函数，常把直角坐标方程为了更方便求解波函数，常把直角坐标方程换成球极坐标方程。而换成球极坐标方程。而( r，)又可分又可分为随为随( r )变化的径向部分和随角度变化的径向部分和随角度 (，)变化的角度部分。变化的角度部分。第二节第二节 核外电子运动形状核外电子运动形状 2021-10-14152021-10-14152021-1

17、0-1415Schodinger方程是一个二阶偏微分方程，可以有无穷多的解 。需求引进三个参量量子数，才干解出确定的有意义的解E和 。为了求出能真正代表电子运动形状的合了解，必需引入量子化条件，即三个量子数, 是解薛定谔方程所引入的量子化条件. 主量子数n 角量子数l 磁量子数m 三个量子数是相互制约的，一组特定的 n、l、m 就可以解出一个相应的波函数 n,l,m , 也就得到一个相应的电子运动形状。第二节第二节 核外电子运动形状核外电子运动形状 2021-10-14162021-10-14162021-10-14161主量子数主量子数 n (principal quantum number

18、)J10179. 2218nE=二、二、 描画电子运动形状的四个量子数描画电子运动形状的四个量子数 决议电子能量，对于氢原子及类氢离子的单电子体系，电子能量独一决议于决议电子能量，对于氢原子及类氢离子的单电子体系，电子能量独一决议于n n 确定电子出现几率最大处离核的远近确定电子出现几率最大处离核的远近 不同的不同的n n 值，对应于不同的电子壳层值，对应于不同的电子壳层主量子数：主量子数： 1 1、 2 2、 3 3、 4 4、 5 5、 6 6、 7 7 电子层符号：电子层符号： K K、L L、M M、N N、O O、P P、Q Q 第二节第二节 核外电子运动形状核外电子运动形状 202

19、1-10-14172021-10-14172021-10-1417 与角动量有关，对于多电子原子与角动量有关，对于多电子原子, l , l 也与也与E E 有关有关 l l 的取值的取值 0 0，1 1，2 2，3n-1(3n-1(亚层亚层 s, p, d, f. s, p, d, f. l l 决议了决议了的角度函数的外形的角度函数的外形2 角量子数角量子数l (angular momentum quantum umber) The allowed values for angular momentum quantum number, lnl1234亚层符号亚层符号0000s111p22d3

20、fs 轨道轨道球形球形p 轨道轨道哑铃形哑铃形d轨轨道道有有两两种种形形状状第二节第二节 核外电子运动形状核外电子运动形状 2021-10-14182021-10-14182021-10-1418 与角动量的取向有关，取向是量子化的与角动量的取向有关，取向是量子化的 m m可取可取 0 0，1, 1, 22l l 值决议了值决议了角度函数的空间取向角度函数的空间取向 m m 值一样的轨道互为等价简并轨道值一样的轨道互为等价简并轨道3 磁量子数磁量子数m ( magnetic quantum number)The allowed values for magnetic quantum numbe

21、r, mLm轨道个数轨道个数 0(s) 1(p) 2(d) 3(f) 0 1 0 1 2 1 0 1 2 3 2 1 0 1 2 31357简并度简并度=2m+1第二节第二节 核外电子运动形状核外电子运动形状 2021-10-14192021-10-14192021-10-1419 p 轨道(l = 1, m = +1, 0, -1) m 三种取值, 三种取向, 三条等价(简并) p 轨道.s s 轨道轨道(l = 0, m = 0 ) : (l = 0, m = 0 ) : m m 一种取值一种取值, , 空间一种取向空间一种取向, , 一条一条 s s 轨道轨道. .第二节第二节 核外电子

22、运动形状核外电子运动形状 2021-10-14202021-10-14202021-10-1420d d 轨道轨道(l = 2, m = +2, +1, 0, -1, -2) : (l = 2, m = +2, +1, 0, -1, -2) : m m 五种取值五种取值, , 空间五种取向空间五种取向, , 五条等价五条等价( (简并简并) d ) d 轨道轨道. .第二节第二节 核外电子运动形状核外电子运动形状 2021-10-14212021-10-14212021-10-1421 f 轨道轨道 ( l = 3, m = +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3 ) : m 七种

23、取值七种取值, 空间七种取向空间七种取向, 七条等价七条等价(简并简并) f 轨道轨道.第二节第二节 核外电子运动形状核外电子运动形状 2021-10-14222021-10-14222021-10-14224 自旋量子数自旋量子数 ms (spin quantum number) 描画电子绕自轴旋转的形状描画电子绕自轴旋转的形状 自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为 ms ms 取值取值+1/2+1/2和和-1/2-1/2，分别用，分别用和和表示表示 想象中的电子自旋想象中的电子自旋 两种能够的自旋方向两种能够的自旋方向: 正向正向(+1/2)和反向和反向

24、(-1/2) 产生方向相反的磁场产生方向相反的磁场 相反自旋的一对电子相反自旋的一对电子, 磁场相互抵消磁场相互抵消. Electron spin visualized第二节第二节 核外电子运动形状核外电子运动形状 2021-10-14232021-10-14232021-10-1423由上面的讨论知道由上面的讨论知道 n, l, m 一定一定, 轨道也确定轨道也确定例如例如: n =2, l =0, m =0, 2s n =3, l =1, m =0, 3pz n =3, l =2, m =0, 3dz2核外电子运动核外电子运动轨道运动轨道运动自旋运动自旋运动与一套量子数相对应自然也有与一套

25、量子数相对应自然也有1个能量个能量Ei)n lm ms第二节第二节 核外电子运动形状核外电子运动形状 2021-10-14242021-10-14242021-10-1424例：写出与轨道量子数例：写出与轨道量子数 n = 4, l = 2, m = 0 n = 4, l = 2, m = 0 的原子轨道称的原子轨道称号号. . 原子轨道是由原子轨道是由 n, l, m n, l, m 三个量子数决议的三个量子数决议的. . 与与 l = 2 l = 2 对对应的轨道是应的轨道是 d d 轨道轨道. . 由于由于 n = 4, n = 4, 该轨道的称号应该是该轨道的称号应该是 4d. 4d.

26、 磁量子数磁量子数 m = 0 m = 0 在轨道称号中得不到反映在轨道称号中得不到反映, , 但根据我们迄今但根据我们迄今学过的知识学过的知识, m = 0 , m = 0 表示该表示该 4d 4d 轨道是不同伸展方向的轨道是不同伸展方向的 5 5 条条 4d 4d 轨道之一轨道之一. . Representations of the five d orbitals第二节第二节 核外电子运动形状核外电子运动形状 2021-10-14252021-10-14252021-10-1425三、原子轨道和电子云空间图象三、原子轨道和电子云空间图象1、概率密度和电子云、概率密度和电子云 1概率密度概率

27、密度 波函数没有明确直观的物理意义，它是表示电子在核外空间运波函数没有明确直观的物理意义，它是表示电子在核外空间运动形状的数学函数式。电子在某一瞬间会在何处出现，这是无法指动形状的数学函数式。电子在某一瞬间会在何处出现，这是无法指定的，更是无法确定的。运用统计方法是可以较直观地看出电子在定的，更是无法确定的。运用统计方法是可以较直观地看出电子在核外出现的时机的。核外出现的时机的。 概率：电子在核外某空间区域出现时机的多少。概率：电子在核外某空间区域出现时机的多少。 概率密度：电子在单位体积内出现的几率概率密度：电子在单位体积内出现的几率 (dN/dV)。 统计学有，概率密度统计学有，概率密度

28、(dN/dV) 大小正比于电子波的波强大小大小正比于电子波的波强大小| |2。 dN = | |2 dV 这样几率密度等同于电子波函数的波强，即几率密度可用这样几率密度等同于电子波函数的波强，即几率密度可用 | |2 来表来表示。示。第二节第二节 核外电子运动形状核外电子运动形状 2021-10-14262021-10-14262021-10-14262电子云电子云 电子云：几率密度电子云：几率密度 | |2 的大小可笼统地用的大小可笼统地用小黑点表示电子出现小黑点表示电子出现的位置假想的疏的位置假想的疏密程度来表示。密程度来表示。 | |2 大，大，对应的点就多；对应的点就多； | |2 小

29、，小，对应的点就少，这种由对应的点就少，这种由小黑点组成的围绕核周小黑点组成的围绕核周围的疏密有致的图形就围的疏密有致的图形就笼统化地称为电子云。笼统化地称为电子云。第二节第二节 核外电子运动形状核外电子运动形状 2021-10-14272021-10-14272021-10-14272、原子轨道和电子云角度分布图象、原子轨道和电子云角度分布图象 前面提到，波函数可以分解成径向函数前面提到，波函数可以分解成径向函数 R( r ) 和角度函数和角度函数Y(、) 部分，讨论空间图象时也只能分开讨论。部分，讨论空间图象时也只能分开讨论。 1波函数的角度分布图波函数的角度分布图(与与n无关，由无关，由

30、m和和l决议决议)zx+zx+zx+yx+ns 轨道轨道npy 轨道轨道npx 轨道轨道npz 轨道轨道 波函数的角度分布图看出：一切的波函数的角度分布图看出：一切的 s (l = 0, m = 0)轨道外形轨道外形均为球形；均为球形； p (l = 1; m = 0, 1) 轨道为双球形组合，但有三个轨道为双球形组合，但有三个空间取向空间取向m 有三个值；有三个值；d (l = 2; m = 0, 1, 2) 轨道的外形轨道的外形为四个对顶椭圆球，有五个空间取向为四个对顶椭圆球，有五个空间取向m 有五个值。有五个值。第二节第二节 核外电子运动形状核外电子运动形状 2021-10-142820

31、21-10-14282021-10-1428 2电子云的角度分布图电子云的角度分布图 由于由于 ( r，) = R( r ) Y(、)那么那么 2( r，) = R2(r) Y2(、)以以 Y2(、) 、 作图即为电子云角度分布图。作图即为电子云角度分布图。zxzxzxyxY 2sY 2pyY 2pxY 2pz比较与阐明比较与阐明原子轨道角度分布图原子轨道角度分布图 电子云角度分布图电子云角度分布图 Y( Y(、) ) 、 作图作图 Y2(Y2(、) ) 、 作图作图 有正、负之分有正、负之分 无正、负之分无正、负之分 比较比较“胖胖 比较比较“瘦瘦第二节第二节 核外电子运动形状核外电子运动形

32、状 2021-10-14292021-10-14292021-10-1429 二几率径向分布图二几率径向分布图 几率密度反映出空间各点附近单位体积内电子出现几率的大小。几率密度反映出空间各点附近单位体积内电子出现几率的大小。 dN = | |2 dV 几率几率 几率密度几率密度 单位体积单位体积上式看出，几率密度大，几率不一定大。上式看出，几率密度大，几率不一定大。 对对ns态来说，电子在空间出现的几率图形是球形。态来说，电子在空间出现的几率图形是球形。 dN = |ns |2 dV = 4r2 |ns |2 dr =D(r) dr D(r) = 4r2|ns |2 D(r) 的意义为：以核为

33、中心，电子在离核半径为的意义为：以核为中心，电子在离核半径为 r，厚度为厚度为 dr 的薄球壳内出现的几率。的薄球壳内出现的几率。第二节第二节 核外电子运动形状核外电子运动形状 2021-10-14302021-10-14302021-10-1430 D(r) ：径向分布函数：径向分布函数 D(r) r 作图即为径向分布函数图。作图即为径向分布函数图。 (由由n和和 m决议，与决议，与l无关无关)D(r) r 1sD(r) r 2s2pD(r) r 上图为几率径向分布函数图，此图与几率密度径向分布图上图为几率径向分布函数图，此图与几率密度径向分布图完全不一样。完全不一样。r 1s|ns |2r

34、 2s|ns |2r 2p|ns |2 在在D(r) r 图中，峰数与主量子数和角量子数有关。图中，峰数与主量子数和角量子数有关。 峰数峰数 = n - l 个个 3s有有3个，个，3p有有2个，个，3d有有1个，个，2p有有1个。个。第二节第二节 核外电子运动形状核外电子运动形状 2021-10-14312021-10-14312021-10-1431D(r)r1s2s3sD(r)r3d3p3s 从上图可以看出：从上图可以看出： 1角量子数角量子数 l 一样，主量子数一样，主量子数 n 不同时，不同时， n 增大时，电增大时，电子离核的间隔将添加。子离核的间隔将添加。 2主量子数主量子数 n

35、 一样，角量子数一样，角量子数 l 不同时，不同时， l 增大，那增大，那么峰的个数就减少。么峰的个数就减少。 l 小时，电子在核附近出现的时机较多一些。小时，电子在核附近出现的时机较多一些。图图1 l 一样，一样， n不同时的比较不同时的比较图图2 n 一样，一样， l 不同时的比较不同时的比较第二节第二节 核外电子运动形状核外电子运动形状 2021-10-14322021-10-14322021-10-14329-3-1 多电子原子的能级多电子原子的能级 单电子体系：氢原子、类氢原子的离子等。单电子体系：氢原子、类氢原子的离子等。 电子能量只决议于电子能量只决议于 n ，与，与 l 无关。

36、即：无关。即：En = 2.181018Z2n2(J)En = 13.6Z2n2或：或：(eV) 上式中上式中 Z 为核电荷数，对氢原子来说，为核电荷数，对氢原子来说，Z = 1 。 多电子体系：电子除与核有作用外，电子与电子之间也多电子体系：电子除与核有作用外，电子与电子之间也有作用。有作用。 所以，所以，En = f ( n , l )， n 一样时，一样时， l 增大那么增大那么 En 增大。增大。第三节第三节 基态原子核外电子排布基态原子核外电子排布2021-10-14332021-10-14332021-10-1433 一、屏蔽效应一、屏蔽效应 在多电子原子中，各电子的能量不仅遭到原

37、子核的吸引作在多电子原子中，各电子的能量不仅遭到原子核的吸引作用而且还存在电子之间的排斥作用。我们将内层电子对外层某用而且还存在电子之间的排斥作用。我们将内层电子对外层某个电子的排斥作用归结为使有效核电荷降低的作用，这种使有个电子的排斥作用归结为使有效核电荷降低的作用，这种使有效核电荷降低的作用称为屏蔽效应。效核电荷降低的作用称为屏蔽效应。En = 2.181018(Z )2n2(J) 上式中上式中 (Z ) 就是有效核电荷，这里就是有效核电荷，这里 称为屏蔽常数即被称为屏蔽常数即被抵消的部分核电荷数。抵消的部分核电荷数。 屏蔽效应的大小与电子的主量子数和角量子数有关，普通屏蔽效应的大小与电子

38、的主量子数和角量子数有关，普通情况下，情况下，l 一样一样 n 不同时，不同时， n 值越大，电子离核越远，其遭到值越大，电子离核越远，其遭到的屏蔽作用也越大，能量就越高，如：的屏蔽作用也越大，能量就越高，如： E1s E2s E3s E2p E3p E4p 第三节第三节 基态原子核外电子排布基态原子核外电子排布2021-10-14342021-10-14342021-10-1434 多电子原子中，每个电子对其它电子起屏蔽作用，同时也被其多电子原子中，每个电子对其它电子起屏蔽作用，同时也被其它电子所屏蔽。它电子所屏蔽。 通常在原子核附近出现几率较大的电子可以更好地逃避其它电通常在原子核附近出现

39、几率较大的电子可以更好地逃避其它电子的屏蔽，直接遭到核的较强吸引，故能量较低。我们把外层电子子的屏蔽，直接遭到核的较强吸引，故能量较低。我们把外层电子钻到内层接近原子核的才干称为钻穿效应。钻到内层接近原子核的才干称为钻穿效应。 钻穿效应越大，该电子的能量越低。钻穿效应与原子轨道的径钻穿效应越大，该电子的能量越低。钻穿效应与原子轨道的径向分布函数有关。相对于径向分布函数图来说，钻穿效应与其峰数向分布函数有关。相对于径向分布函数图来说，钻穿效应与其峰数有关。有关。 3s、3p、3d 的主量子数一样，但角量子数不同，的主量子数一样，但角量子数不同， 3s 有三有三 个个峰，其中有两个峰靠核较近；峰，

40、其中有两个峰靠核较近； 3p 有两个峰，第一个峰离核稍远；有两个峰，第一个峰离核稍远； 3d 只需一个峰，它比其它的第一个峰离核都远。这样，钻穿作用只需一个峰，它比其它的第一个峰离核都远。这样，钻穿作用最强的为最强的为 3s，3p 次之，次之， 3d 最差。它们的能量排序为最差。它们的能量排序为 E3s E3p E3d 二、钻穿效应二、钻穿效应第三节第三节 基态原子核外电子排布基态原子核外电子排布2021-10-14352021-10-14352021-10-1435 当当 n 与与 l 都不一样时，有些轨道会发生能级交错景象。都不一样时，有些轨道会发生能级交错景象。 例如，在例如，在 4s

41、和和 3d 轨道中轨道中 4s 轨道的能量就有能够比轨道的能量就有能够比 3d 轨道能量低，即轨道能量低，即 E4s E3d 。这种能级交错景象就是钻穿效。这种能级交错景象就是钻穿效应的结果。应的结果。 特别要阐明的是，能级交错景象只发生在原子序数大于特别要阐明的是，能级交错景象只发生在原子序数大于21以后的原子中，这是由于当电子填充到以后的原子中，这是由于当电子填充到 4s 能级后，装入能级后，装入 3d 能级的电子充任内层电子而屏蔽能级的电子充任内层电子而屏蔽 4s (外层外层)的电子，使的电子，使 4s电子电子能量升高了。能量升高了。 类似还有：类似还有： E5s E4d E6s E4f

42、 E5d E6p 问题：问题： l 一样，一样，n 不同时如何阐明？如：不同时如何阐明？如： E2p E3p E4p n一样，一样， l 不同时又如何阐明？如：不同时又如何阐明？如： E3s E3p E3d l 不同，不同，n 也不同又如何？如：也不同又如何？如： E5s 金属半径金属半径 共价半径共价半径dd第四节第四节 原子的电子层构造与元素周期律原子的电子层构造与元素周期律2021-10-14492021-10-14492021-10-1449 原子半径共价半径随元素周期变化的规律：原子半径共价半径随元素周期变化的规律： 1同一周期主族元素：同一周期主族元素： r左左 r右右 缘由：同一

43、周期主族元素的电子层一样，从左到右核电荷数缘由：同一周期主族元素的电子层一样，从左到右核电荷数添加，电子只添加在同一层上，同一层上的电子对核电荷屏蔽作添加，电子只添加在同一层上，同一层上的电子对核电荷屏蔽作用小，即有效核电荷添加较大，核对外层电子的吸引增大，因此用小，即有效核电荷添加较大，核对外层电子的吸引增大，因此原子半径逐渐减小。原子半径逐渐减小。 同一副族元素同一副族元素 r左左 稍大于稍大于 r右，这种变化较慢。右，这种变化较慢。 缘由：电子依次添加在次外层缘由：电子依次添加在次外层d轨道；而次外层轨道；而次外层d 轨道电子对轨道电子对核电荷的屏蔽作用大，原子半径减少的程度不大。当电子

44、填满到核电荷的屏蔽作用大，原子半径减少的程度不大。当电子填满到 (n-1)d10 或或 (n-2)f14 时，屏蔽作用最大，原子半径会忽然增大。时，屏蔽作用最大，原子半径会忽然增大。 镧系收缩效应：镧系收缩效应： 镧系元素随着原子序数的添加，镧系元素随着原子序数的添加， 电子依次电子依次 填填 充充 在在(n-2)f 上，上，它们离核更近，屏蔽作用更大，使镧系元素原子半径变化更小。它们离核更近，屏蔽作用更大，使镧系元素原子半径变化更小。整个十五个元素从镧到镥只减少了整个十五个元素从镧到镥只减少了11pm。第四节第四节 原子的电子层构造与元素周期律原子的电子层构造与元素周期律2021-10-14

45、502021-10-14502021-10-1450 镧系的原子半径的这种超凡规减少使镧系以后的各过渡镧系的原子半径的这种超凡规减少使镧系以后的各过渡元素的原子半径都相应减少，至使同一副族的第五、六周期元素的原子半径都相应减少，至使同一副族的第五、六周期过渡元素的原子半径相近、性质类似，这种景象称为镧系收过渡元素的原子半径相近、性质类似，这种景象称为镧系收缩效应。缩效应。 2同一族主族元素：同一族主族元素： r下下 r上上 缘由：各族由上到下，核电荷数添加，电子层数增多，缘由：各族由上到下，核电荷数添加，电子层数增多，最外层电子离核间隔增大，原子半径增大。最外层电子离核间隔增大，原子半径增大。

46、 副族元素的原子半径从一到下变化不明显，特别是第五、副族元素的原子半径从一到下变化不明显，特别是第五、六周期的元素，它们的原子半径非常接近。六周期的元素，它们的原子半径非常接近。 例如：例如：rV rNb rTarCr rMo rW第四节第四节 原子的电子层构造与元素周期律原子的电子层构造与元素周期律2021-10-14512021-10-14512021-10-1451 二、元素的电离能二、元素的电离能 ( I ) 定义：从一个基态的气态原子或离子移去一个电子所需求的能定义：从一个基态的气态原子或离子移去一个电子所需求的能量称为元素的电离能。量称为元素的电离能。 从一个气态中性原子移去一个电

47、子构成一个正电荷的离子时所从一个气态中性原子移去一个电子构成一个正电荷的离子时所需求的最低能量称为此元素的第一电离能；从一正离子上再称去一需求的最低能量称为此元素的第一电离能；从一正离子上再称去一个电子成为二价正离子所需求的能量称为第二电离能，如类推。个电子成为二价正离子所需求的能量称为第二电离能，如类推。 Mg (g) Mg+ (g) + e I1 = 742 kJmol-1 Mg+ (g) Mg2+ (g) + e I2 = 1456 kJmol-1 Mg2+ (g) Mg3+ (g) + e I3 = 7746 kJmol-1显然，显然， I1 I2 I3 ，这阐明什么呢？，这阐明什么呢

48、？ 电离能是元素的最根本和最重要的性质之一。元素的电离能越电离能是元素的最根本和最重要的性质之一。元素的电离能越小表示它越容易失去电子，该元素的金属性就越强，反之那么相反。小表示它越容易失去电子，该元素的金属性就越强，反之那么相反。第四节第四节 原子的电子层构造与元素周期律原子的电子层构造与元素周期律2021-10-14522021-10-14522021-10-1452 元素第一电离能随原子序数呈周期性变化关系：元素第一电离能随原子序数呈周期性变化关系： 1同一周期主族元素从左至右第一电离能明显增大。但同一周期主族元素从左至右第一电离能明显增大。但副族元素的第一电离能变化略有添加，不过变化规

49、律不甚明显。副族元素的第一电离能变化略有添加，不过变化规律不甚明显。 2同一主族元素从上到下第一电离能减小；副族元素的同一主族元素从上到下第一电离能减小；副族元素的变化规律不一。变化规律不一。 3同一周期中第一电离能变化有曲折。在同一周期中第一电离能变化有曲折。在Be、N和和Mg、P等处，第一电离能出现一个比相邻元素要大的小尖端。这是等处，第一电离能出现一个比相邻元素要大的小尖端。这是为什么？为什么？ 三、元素的电子亲合能三、元素的电子亲合能 (Y) 定义：元素的一个基态气态原子得到一个电子构成气态一定义：元素的一个基态气态原子得到一个电子构成气态一价负离子时所放出的能量称为该元素的第一电子亲合能价负离子时所放出的能量称为该元素的第一电子亲合能 (Y1)，负一价离子再得到一个电子时所需求的能量称为第二电子亲合负一价离子再得到一个电子时所需求的能量称为第二电子亲合能