第二原子结构与周期系

1、原子结构与周期系原子结构模型的演变原子结构模型的演变18031803年，道尔顿原子模型年，道尔顿原子模型19041904年，汤姆孙原子模型年，汤姆孙原子模型19111911年，卢瑟福原子模型年，卢瑟福原子模型19131913年，波尔原子模型年，波尔原子模型1927192719351935年，电子云模型年，电子云模型第一节第一节 核外电子运动的特征核外电子运动的特征一、量子化特征一、量子化特征二、波粒二象性二、波粒二象性 辐射能的吸收和发射是以基本量的一小份、一辐射能的吸收和发射是以基本量的一小份、一小份整数倍作跳跃式的增或减，是不连续的，这种过程小份整数倍作跳跃式的增或减，是不连续的，这种过程

2、叫做能量的量子化。这个基本量的辐射能叫做量子。叫做能量的量子化。这个基本量的辐射能叫做量子。 电子的运动和光一样具有波动性和粒子性，即电子的运动和光一样具有波动性和粒子性，即波粒二象性。波粒二象性。氢原子光谱氢原子光谱 原子被激发能发出不同波长的光线，通过棱镜后，原子被激发能发出不同波长的光线，通过棱镜后，可以得到一系列按照波长顺序排列的不连续的清晰亮线，可以得到一系列按照波长顺序排列的不连续的清晰亮线，这样的光谱叫做线状光谱或原子发射光谱。这样的光谱叫做线状光谱或原子发射光谱。 太阳光太阳光连续光谱连续光谱波长（频率）连续波长（频率）连续不具有量子化特征不具有量子化特征H410.2H434.

3、0H486.1H656.3氢原子光谱可以证明这样一个事实：原子中电子运动的能量是不连续的，是量子化的。原子中电子运动的能量是不连续的，是量子化的。 波尔原子模型波尔原子模型核外电子在固定轨道上运动核外电子在固定轨道上运动稳定轨道必须符合量子化条件稳定轨道必须符合量子化条件J10179. 2218nE电子处于激发态时不稳定，可跃迁到离核较近能级较低的电子处于激发态时不稳定，可跃迁到离核较近能级较低的 轨道上放出能量轨道上放出能量12EEh定态：基态、激发态定态：基态、激发态Bohr1885年生于丹年生于丹麦麦1922年获年获Nober奖奖波尔原子模型成功之处和缺陷说明了激发态原子发光的原因解释了

4、氢原子光谱和类氢原子光谱的规律性指出了原子结构量子化特性，提出了量子数 n 的概念不能解释多电子原子、分子或固体的光谱不能解释氢原子光谱的精细结构mvhph生于生于1892年，物质波动年，物质波动假说的创始人。假说的创始人。1929年年获获Nober奖奖德布罗意的预言德布罗意的预言1924年，法国年轻的物理学家德布罗意在从事量子论研年，法国年轻的物理学家德布罗意在从事量子论研究时，受光的波粒二象性的启发，大胆提出：微观粒子究时，受光的波粒二象性的启发，大胆提出：微观粒子都具有波粒二象性。并预言：都具有波粒二象性。并预言：像电子等具有质量像电子等具有质量m、运动速度、运动速度v的微粒，与其相应的

5、波的微粒，与其相应的波长的关系式为：长的关系式为：电子衍射实验 1927年，戴维逊和革尔麦应用Ni晶体进行电子衍射实验，证实电子具有波动性。证明了电子运动具有波动性证明了德布罗意的预言波粒二象性是所有微观粒子运动的一个重要特性。宏观粒子看不到波粒二象性是由于其质量太大，波长太小。 同年英国的Thomson GP将电子束通过金箔也得到电子衍射图。 Thomson JJ（祖父）证明了电子的粒子性，1906年获Nober奖； Thomson GP（孙子）证明电子的波动性，1937年获Nober奖。三、海森堡测不准关系三、海森堡测不准关系 量子力学认为：原子中的电子等微观粒子，由于质量子力学认为：原子

6、中的电子等微观粒子，由于质量很小，速度极快，具有波粒二象性，因此不可能同时量很小，速度极快，具有波粒二象性，因此不可能同时准确测定电子的运动速度和空间位置。准确测定电子的运动速度和空间位置。hpx根据量子力学理论，对微观粒子如电子的运动状态，只根据量子力学理论，对微观粒子如电子的运动状态，只能用统计的方法，做出概率性（电子出现的机会）的描能用统计的方法，做出概率性（电子出现的机会）的描述，而不能用经典力学的固定轨道来描述。述，而不能用经典力学的固定轨道来描述。 第二节第二节 核外电子运动状态的描述核外电子运动状态的描述 量子力学原子模型量子力学原子模型0)(28e2222222VEhmzyx描

7、述微观粒子运动的波动方程： 一、薛定谔方程一、薛定谔方程薛定谔解薛定谔方程可以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 。1933年获年获Nober奖奖二、波函数和原子轨道（轨函）解薛定谔方程时，将三维直角坐标转换成球极坐标： ),()(),(,mllnmlnYrRr)()()(),(,rRrlnmln径向部分角度部分所谓解薛定谔方程，就是解出对应一组n，l，m的波函数及其相应的能量En，l。 注意： 原子轨道宏观物体的运动轨道和波尔假设的固定轨道的原子轨道宏观物体的运动轨道和波尔假设的固定轨道的概念是不同的概念是不同

8、的 ，它代表原子核外电子的一种运动状态，或电，它代表原子核外电子的一种运动状态，或电子在空间某处出现的概率。子在空间某处出现的概率。(r)：是量子力学中描述电子运动状态（能 量、范围）的数学函数表达式，可称为 原子轨函原子轨函；原子轨道：由波函数画出来的图像；描述出电子在 核外空间出现的概率达到95%的区域。三、四个量子数三、四个量子数Y主量子数主量子数nY角量子数角量子数lY磁量子数磁量子数mY自旋量子数自旋量子数ms三、四个量子数三、四个量子数Y主量子数主量子数nY角量子数角量子数lY磁量子数磁量子数mY自旋量子数自旋量子数ms代表电子离核的远近。代表电子离核的远近。n的取值的取值:123

9、4567电子层电子层一一二二三三四四五五六六七七电子层符号电子层符号KLMNOPQ离核平均距离离核平均距离近近 远远决定电子运动能量高低的主要因素。决定电子运动能量高低的主要因素。三、四个量子数Y主量子数nY角量子数角量子数lY磁量子数mY自旋量子数ms描述原子轨道的形状。描述原子轨道的形状。决定多电子原子中能量的次要因素。决定多电子原子中能量的次要因素。n值值l取值取值l值值轨道符号轨道符号轨道形状轨道形状100s球形对称球形对称20，11p哑铃形哑铃形30，1，22d花瓣形花瓣形40，1，2，33f4gn0，1，2（n1）l只能取小于只能取小于n的正整数。的正整数。三、四个量子数Y主量子数

10、nY角量子数lY磁量子数磁量子数mY自旋量子数ms描述原子轨道在空间的伸展方向。描述原子轨道在空间的伸展方向。m只能取小于或等于只能取小于或等于l的整数。的整数。l0m0只有一种取向，无方向性只有一种取向，无方向性s轨道轨道sl1m1，0，1有三种取向，三个等价轨道有三种取向，三个等价轨道p轨道轨道px，py，pzl2m2,1,0,1,2有五种取向，五个等价轨道有五种取向，五个等价轨道d轨道轨道dxy，dxz，dyz，dz2，dx2y2l3m3,2,1,0,1,2,3有七种取向，七个等价轨道有七种取向，七个等价轨道f轨道轨道n、l、m一起决定电子的运动“轨道”三、四个量子数Y主量子数nY角量子

11、数lY磁量子数mY自旋量子数自旋量子数ms描述电子自旋状态：顺时针自旋和逆时针自旋。取值时只能取 1/2。不是解薛定谔方程得来的。n、l、m、ms一起决定电子的运动状态一起决定电子的运动状态结论：结论：当当n，l取值相同时，则电子的能量相同。取值相同时，则电子的能量相同。 对于对于n和和l相同、相同、m不同的轨道其能量基本相同，我们称不同的轨道其能量基本相同，我们称 为等价轨道或简并轨道。为等价轨道或简并轨道。 nlln轨道轨道符号符号m可以取的值可以取的值轨道数轨道数各电子层各电子层轨道数轨道数最多允许的最多允许的运动状态数运动状态数101s0112202s014812p1，0，13303s

12、0191813p1，0，1323d2,1,0,1,25404s01163214p1，0，1324d2,1,0,1,2534f3,2,1,0,1,2,37电子云电子云习惯上用小黑点分布的疏密来表示电子在某处出现概率密度的相对大小，用这种方法得到的空间图像就像天空的云雾一样，我们形象的称为电子云电子云。 将电子出现概率密度相等的点连成曲面的图称为等概率密度剖面界面图等概率密度剖面界面图 。曲面内电子云出现的概率达95作为界面，再将黑点除去来表示电子云的形状，这样的图像即为电子云剖面界面图电子云剖面界面图。 角向部分角向部分角向部分只与量子数角向部分只与量子数l，m有关，而与主量子数有关，而与主量子

13、数n无关。无关。 原子轨道的角度分布剖面图原子轨道的角度分布剖面图xz+ +xyz+ +- -xz- -+ +x- -+ +xyyzxzxyxz+ +- -+ +- -+ +- -+ +- -+ +- -+ +- -+ + +- - -+ + +- - -s spxpypzd dxy yd dyzyzd dxzxzd dx2y2x2y2d dz2z2五、波函数和电子云的空间形状五、波函数和电子云的空间形状yY2pxyzxY2pxyz22pxYxyzxyz2p2yYxyz2p2zYxyzzY2p3. 3d态：n=3, l=2, m=0,2, 12d3zxyzyzd3xyzxzd3xyzxyd3x

14、yz22d3yx xyz小结：量子数与电子云的关系小结：量子数与电子云的关系 n：决定：决定电子的运动能量电子的运动能量 l：描述：描述原子轨道的形状原子轨道的形状 mi：描述描述原子轨道在空间不同原子轨道在空间不同 角度的取向角度的取向 电子云的角度分布剖面图电子云的角度分布剖面图xzxyzxzxxyyzxzxyxzs spxpypzd dxy yd dyzyzd dxzxzd dx2y2x2y2d dz2z2状状 态态原子轨道原子轨道电子云电子云角向角向部分部分Yl,m(, )Yl,m(, )2图形图形哑铃形哑铃形哑铃形哑铃形胖、胖、瘦瘦胖胖瘦瘦函数函数值值有有“”、“”值值无无“”、“”

15、值值物理物理意义意义不表示原子轨道不表示原子轨道形状形状不表示电子云的不表示电子云的形状形状原子轨道和电子云角向分布图的区别原子轨道和电子云角向分布图的区别第三节第三节 原子核外电子排布和元素周期系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一、多电子原子的原子轨道电子填充电子填充能级序能级序鲍林原子轨道鲍林原子轨道 近似能级图近似能级图1. 屏蔽效应屏蔽效应屏蔽效应：内层电子抵消一些核电荷对外层电子的屏蔽。内层电子抵消一些核电荷对外层电子的屏蔽。J)(10179.22218nZE为屏蔽常数，可用 Slater 经验规则算得。Z= Z*，Z* 有效核电荷数有效核电荷数 外层电子钻进内层

16、，受外层电子钻进内层，受到核的较强的吸引作用。到核的较强的吸引作用。2s,2p轨道的径向分布图3d 与与 4s轨道的径向分布图轨道的径向分布图2. 2. 钻穿效应钻穿效应二、原子核外电子的排布与电子结构二、原子核外电子的排布与电子结构核外电子排布的三原则核外电子排布的三原则基态多电子原子核外电基态多电子原子核外电子排布时总是先占据能子排布时总是先占据能量最低的轨道，当低能量最低的轨道，当低能量轨道占满后，才排入量轨道占满后，才排入高能量的轨道，以使整高能量的轨道，以使整个原子能量最低。个原子能量最低。能量最低原理能量最低原理保利不相容原理保利不相容原理在同一原子中不可能在同一原子中不可能有四个

17、量子数完全相有四个量子数完全相同的两个电子同时存同的两个电子同时存在，每个原子轨道最在，每个原子轨道最多能容纳两个电子，多能容纳两个电子，且这两个电子自旋方且这两个电子自旋方向相反向相反1s2s2p3s1s2s2p3s洪特规则洪特规则电子在能量相同的轨道（即电子在能量相同的轨道（即简并轨道）上排布时，总是简并轨道）上排布时，总是尽可能以自旋相同的方向，尽可能以自旋相同的方向，分占不同的轨道。分占不同的轨道。简并处于轨道全充满，半简并处于轨道全充满，半充满或全空的这些状态都充满或全空的这些状态都是能量较低的稳定状态。是能量较低的稳定状态。1s2s2p1s2s2p3d4s3d4s15626224s

18、3d3p3s2p2s1s Cr 24：Z半满全满规则：半满全满规则： 当轨道处于全满、半满时，原子较稳定。当轨道处于全满、半满时，原子较稳定。Z = 26 Fe：1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 110626224s3d3p3s2p2s1s Cu 29：ZN：1s2 2s2 2p3154s3dAr原子芯原子芯称为Ar 4s3dAr110三、原子的电子层结构和元素周期系原子的电子层结构原子的电子层结构可以根据核外电子排布三原则来书写。但有例外，如：4d35s24d45s14d65s24d75s14f26s24f15d16s2一、原子的电子层结构和元素周期系一、原子的电子层结

19、构和元素周期系二、二、元素性质的周期性元素性质的周期性1. 原子的电子层结构和元素周期系原子的电子层结构和元素周期系原子的电子层结构与族的划分能级组能 级组 数周期数电 子层 数元 素数 目最大电子容量1s一11222s2p二22883s3p三33884s3d4p四4418185s4d5p五5518186s4f5d6p六6632327s5f6d7p七7723未满结论：周期数能级组数电子层数族数价电子层上电子数（参与反应的电子）最高氧化值第一种划分方法价电子层为参与反应的电子层主族：价电子层为nsnp副族：价电子层为(n-1)snp第二种划分方法每一列为一族，共分18族。原子的电子层结构与元素的

20、分区原子的电子层结构与元素的分区s区p区d区ds区f 区最后一个电子填充在s轨道上，包括碱金属和碱土金属两族，他们都是活泼金属。s区元素最后一个电子填充在p轨道上，包括AA五个族，大部分为非金属元素。p区元素最后一个电子填充在d轨道上，包括BB，又称为过渡元素，都是金属元素。d区元素最后一个电子填充在d轨道上或s轨道上，包括B和B，都是金属元素，与s区元素的区别在于其次内层d轨道上的电子是全满的。ds区元素最后一个电子填充在f轨道上上，包括La系和Ac系元素，都是金属元素，每系各元素的化学性质极为相似。f区元素第四节 元素某些性质的周期性一、原子半径共价半径同种元素的两原子以共价单键结合时，它

21、同种元素的两原子以共价单键结合时，它们核间距离的一半。们核间距离的一半。范德瓦尔斯半径在分子晶体中，相邻分子间两个邻近的非在分子晶体中，相邻分子间两个邻近的非成键原子的核间距离的一半。成键原子的核间距离的一半。金属半径在金属晶体中，相邻的两个接触原子它们在金属晶体中，相邻的两个接触原子它们的核间距离的一半。的核间距离的一半。原子半径的变化规律同一周期短周期： 原子半径随原子序数增大而减小长周期： 原子半径随原子序数增大而减小，但过渡元素原子半径变化不大同 一 族主 族：原子半径随原子序数增大而增大副 族：原子半径随原子序数增大而增大，但原子半径增大不明显影响因素：影响因素： 核外电子层数和有效

22、核电荷数核外电子层数和有效核电荷数主族元素主族元素125 132 145 161 r/pm Cr V Ti Sc 第四周期元素 元素的原子半径变化趋势元素的原子半径变化趋势137 143 159 173 r/pm WTa Hf Lu 第六周期元素146 143 160 181 r/pm Mo Nb Zr Y 第五周期元素 镧系元素从左到右，原子半径减小幅度更小，这是由于新增加的电子填入外数第三层上，对外层电子的屏蔽效应更大，外层电子所受到的 Z* 增加的影响更小。镧系元素从镧到镱整个系列的原子半径减小不明显的现象称为镧系收缩镧系收缩。二、电离势 元素的一个气态原子在基态时，失去一个电子成为气态

23、的+1价离子时所需要的能量，称为该元素的第一电离势，通常用符号“I1”表示。 电离势的大小表示原子失去电子的倾向，从而可说明元素的金属性强弱。电离势越小，则该元素在气态时金属性越强。同上定义第二电离势“I2” 、第三电离势“I3”等等。且一般有4321IIII电离势的变化规律电离势的变化规律同一周期短周期： 电离势随原子序数增大而增大长周期： 电离势随原子序数增大而总体趋势增大同 一 族主 族：电离势随原子序数增大而减小副 族：电离势随原子序数增大变化幅度较小且不规则影响因素：影响因素： 核外电子层数和原子半径以及有效核电荷数核外电子层数和原子半径以及有效核电荷数11molkJ2 .520 )

24、g(LieLi(g)I1332molkJ11815 )g(Lie(g)LiI122molkJ1 .7298 )g(Lie(g)LiI:加呈现出周期性变化电离能随原子序数的增三、电子亲和势 元素的一个气态原子在基态时获得一个电子成为气态的负一价离子所放出的能量，称为该元素的第一电子亲和势，通常用符号“E1”表示。 元素的电子亲和势也可衡量元素的金属性强弱，电子亲和势的值越小，说明元素的原子获得电子形成负离子的趋势越小，所以非金属性越弱。 同上定义第二电子亲和势“E2”等。第一电子亲和势一般是正值，但第二电子亲和势是负值。电子亲和势的变化规律从左至右随着原子序数的增大，元素的第一电子亲和势总体趋势是增大的。影响因素：影响因素： 核外电子层数和原子半径