第十章原子结构和元素周期律PPT课件

1、Atomic Structure and Periodic Properties of Elements第一节 量子力学基础及核外电子运动特性 一. 氢光谱和氢原子的Bohr模型1.Rutherford的原子有核模型（nuclear model）一. 氢光谱和氢原子的Bohr模型2.氢原子的线状光谱（line spectrum）第一节 量子力学基础及核外电子运动特性 白光散射连续光谱。H原子受激发线状光谱。 3.Bohr 的氢原子模型电子沿固定轨道绕核运电子沿固定轨道绕核运动，不吸收也不辐射能动，不吸收也不辐射能量，称为定态。量，称为定态。 轨道能量称为能级。轨道能量称为能级。能量最低时，为基

2、态，其它能量较高的状态都称为激发态。一. 氢光谱和氢原子的玻尔（ Bohr ）模型第一节 量子力学基础及核外电子运动特性 原子由一种定态（能级原子由一种定态（能级E1）跃迁到）跃迁到另一种定态（能级另一种定态（能级E2）。）。 跃迁所吸收或辐射光子的能量等于跃迁所吸收或辐射光子的能量等于跃迁前后能级的能量差：跃迁前后能级的能量差：E = h = | E E | 普朗克常量普朗克常量 h = 6.62610-34 Js。 一. 氢光谱和氢原子的玻尔（ Bohr ）模型第一节 量子力学基础及核外电子运动特性 一. 氢光谱和氢原子的Bohr模型不能解释多电子原子光谱，不能说明氢原子光谱的精细结构。电

3、子等微观粒子的运动不遵守经典物 理学规律。第一节 量子力学基础及核外电子运动特性 二. 电子的波粒二象性1.光子既有波动性又有粒子性，称为波粒二象性光子既有波动性又有粒子性，称为波粒二象性（particle-wave duality）。）。光作为电磁波，有波长光作为电磁波，有波长或频率或频率，能量，能量E= h光子作为粒子，又有动量光子作为粒子，又有动量p=mc运用运用Einstein方程式方程式E=mc2及及=c/，得到得到=h/mc第一节 量子力学基础及核外电子运动特性 二. 电子的波粒二象性2.de Broglie关系式（de Broglie relation） 法国物理学家法国物理学家

4、de Broglie 类比光的波粒二象性，类比光的波粒二象性，指出微观粒子如电子、原子等，都具有波动性，指出微观粒子如电子、原子等，都具有波动性，并导出了其关系式：并导出了其关系式： p为粒子的动量，为粒子的动量，m为质量，为质量，为速度；为速度；为粒子为粒子波波长。波波长。 微观粒子的波动性和粒子性通过普朗克常量微观粒子的波动性和粒子性通过普朗克常量h联联系和统一起来。系和统一起来。mhph第一节 量子力学基础及核外电子运动特性 二. 电子的波粒二象性3.Davisson和和Germer实验实验 1927年，美国物理学家年，美国物理学家Davisson C和和Germer L用电子束代替用电

5、子束代替X射线，用镍晶体薄层射线，用镍晶体薄层作为光栅进行衍射实验，得到与作为光栅进行衍射实验，得到与X射线衍射类射线衍射类似的图像，证实了电子的波动性。似的图像，证实了电子的波动性。第一节 量子力学基础及核外电子运动特性 二. 电子的波粒二象性4.电子波是概率波电子波是概率波(probability wave) 电子波是统计性的。让电子穿越晶体，每电子波是统计性的。让电子穿越晶体，每次到达底片的位置是随机的，多次重复以后，次到达底片的位置是随机的，多次重复以后，底片某个位置上电子到达的概率就显现出来。底片某个位置上电子到达的概率就显现出来。第一节 量子力学基础及核外电子运动特性 三. 不确定

6、性原理(uncertainty principle) Heisenberg指出，无法同时确定微观粒指出，无法同时确定微观粒子的位置和动量：子的位置和动量： x pxh/4 x粒子在粒子在x方向的位置误差。方向的位置误差。 px动量在动量在x方向的误差。方向的误差。 不确定性不确定性原理意味着原理意味着微观粒子运动不存在既确微观粒子运动不存在既确定位置又有确定速度的运动轨迹。定位置又有确定速度的运动轨迹。 第一节 量子力学基础及核外电子运动特性 一. 波函数及四个量子数的物理意义 1.波函数波函数 （wave function） 原子中电子具有波动性，奥地利物理学家原子中电子具有波动性，奥地利物

7、理学家Schrdinger导出导出Schrdinger方程，方程的解方程，方程的解波函数波函数 ，用来描述电子的运动状态。，用来描述电子的运动状态。第二节 氢原子结构的量子力学解释 VEhmzyx222222228Schrdinger方程方程：空间直角坐标zyx,常数：Planckh：势能V：能量E波函数： ：质量m 1926年奥地利物理学家年奥地利物理学家Schrdinger建立著名的建立著名的描述核外电子运动状态的波动方程描述核外电子运动状态的波动方程 量子力学中把波函数量子力学中把波函数又称为原子轨道。又称为原子轨道。2.| |2的意义的意义 本身物理意义并不明确，但本身物理意义并不明确

8、，但| |2却有明却有明确的物理意义。表示在原子核外空间某点处电确的物理意义。表示在原子核外空间某点处电子出现的概率密度（子出现的概率密度（probability density），即），即在该点处单位体积中电子出现的概率。在该点处单位体积中电子出现的概率。3.电子云（electron cloud） 图形图形a是基态氢原子是基态氢原子|2的立体图，的立体图，b是剖面图是剖面图。黑色深的地方概率密度大，浅的地方概率密。黑色深的地方概率密度大，浅的地方概率密度小。概率密度的几何图形俗称电子云。度小。概率密度的几何图形俗称电子云。ab4.原子轨道（原子轨道（atomic orbital）描述原子中单

9、个电子运动状态的波函数描述原子中单个电子运动状态的波函数常称常称作原子轨道。作原子轨道。原子轨道仅仅是波函数的代名词，绝无经典力原子轨道仅仅是波函数的代名词，绝无经典力学中的轨道含义。学中的轨道含义。严格地说原子轨道在空间是无限扩展的，但一严格地说原子轨道在空间是无限扩展的，但一般把电子出现概率在般把电子出现概率在99%的空间区域的界面作的空间区域的界面作为原子轨道的大小。为原子轨道的大小。合理的波函数合理的波函数必须满足一些整数条件，否则必须满足一些整数条件，否则将为零，将为零， | |2也为零，即空间没有电子出现。也为零，即空间没有电子出现。这些整数条件分是这些整数条件分是n、l、m，称为

10、量子数（，称为量子数（quantum number） 。 n、l 和和 m 这三个量子数的取值一定时，就确定这三个量子数的取值一定时，就确定了一个原子轨道，即波函数了一个原子轨道，即波函数n,l,m。5.主量子数（主量子数（principal quantum number）符号符号 n， n 也称为电子层（也称为电子层（shell）。）。取任意正整数值，即取任意正整数值，即n = 1，2，3， 它是决定电子能量的主要因素。它是决定电子能量的主要因素。决定电子离核的平均距离，决定电子离核的平均距离，n 愈大，电子离核愈大，电子离核距离愈远，原子轨道也愈大。距离愈远，原子轨道也愈大。电子层用下列符

11、号表示：电子层用下列符号表示：电子层n1234 符号KLMN 6.轨道角动量量子数（轨道角动量量子数（orbital angular momentum quantum number）角量子数角量子数 符号符号 l ，取小于，取小于 n 的正整数和零的正整数和零 l = 0、1、2、3 (n 1)，共，共n个值个值l 称为电子亚层或能级（称为电子亚层或能级（subshell 或或sublevel）。它决定原子轨道的形状。它决定原子轨道的形状。在多电子原子中在多电子原子中 l 和和 n共同决定电子能量高低。共同决定电子能量高低。当当 n 一定，一定，l 愈大，原子轨道能量越高。愈大，原子轨道能量越

12、高。电子亚层用下列符号表示：电子亚层用下列符号表示：能级符号spdfl0123角量子数角量子数 l l的取值 0，1，2，3n1 对应着 s, p, d, f. (亚层) l决定原子轨道的形状，在多电子原子中也决定电子的能量。 s p d 轨道形状 球形 哑铃形 花瓣形xzyyY2pxyzyzd3xyz7.磁量子数（磁量子数（magnetic quantum number） 符号符号 m ，取值，取值m = 0、1、2，l它决定原子轨道的空间取向。它决定原子轨道的空间取向。相同能级的轨道能量相等，称为简并轨道或等相同能级的轨道能量相等，称为简并轨道或等价轨道（价轨道（equivalent or

13、bital）。）。 磁量子数磁量子数 m m可取 0，1, 2l ； 其值决定原子轨道的空间伸展方向。xyzzY2pxY2pxyzyY2pxyz3. 3d态：n=3, l=2, m=0,2, 12d3zxyzyzd3xyzxzd3xyzxyd3xyz22d3yx xyz简并轨道简并轨道 多电子原子中，当n、l相同而m不同时，轨道能量相同，空间伸展方向不同，这种轨道称为简并轨道。 l 0 1 2 3 s p d fm 0 0,1 0,1,2 0,1,2, 3 1 3 5 78.自旋磁量子数（自旋磁量子数（spin magnetic quantum number）符号符号 s ，取，取+1/2和和

14、-1/2两个值。两个值。表示电子自旋的两种相反方向，也可用箭头符号表示电子自旋的两种相反方向，也可用箭头符号和和表示。表示。电子运动状态由电子运动状态由 n、l、m、 s确定。确定。P172，6 题题例(1) n = 3的原子轨道可有哪些轨道角动量量子数和磁 量子数？该电子层有多少原子轨道？ (2) Na原子的最外层电子处于3s亚层，试用n、l、 m 、 s量子数来描述它的运动状态。解(1) 当 n = 3，l = 0，1，2； 当 l = 0，m = 0； 当 l = 1，m = -1，0，+1； 当 l = 2，l = -2，-1，0，+1，+2； 共有9个原子轨道。 (2) 3s亚层的n

15、 = 3、l = 0、m = 0，电子的运动状态可表 示为3，0，0，+1/2（或- 1/2 ）。 第二节 氢原子结构的量子力学解释 量子数组合和原子轨道数主量子数n轨道角动量量子数l磁量子数m波函数同层轨道数 （n2）容纳电子数（2n2）1001s122002s481012pz 2px 2py第二节 氢原子结构的量子力学解释 量子数组合和原子轨道数主量子数n轨道角动量量子数l磁量子数m波函数同层轨道数 （n2）容纳电子数（2n2）3003s9181013pz 3px 3py20123dz2 3dxy 3dxz3dyz 3dx2-y2第二节 氢原子结构的量子力学解释 第三节 多电子原子的结构一

16、. 多电子原子的能级Pauling 的近似能级：E1s E2s E2pE3s E3pE4sE3dE4p 第三节 多电子原子的原子结构二原子的电子组态（electronic configuration）基态原子的电子排布三原则基态原子的电子排布三原则 ：Pauli不相容原理不相容原理(Pauli exclusion principle) 同一原子中不可能有同一原子中不可能有2个电子具有四个完全相同的个电子具有四个完全相同的量子数。量子数。例如：例如：Ca原子的两个原子的两个4s电子电子 一个是（一个是（4,0,0,1/2），）， 另一另一 个则是（个则是（4,0,0,-1/2）。）。能量最低原理

17、（能量最低原理（Aufbau principle）基态原子电子排布时，总是先占据能量最低的基态原子电子排布时，总是先占据能量最低的轨道。当低能量轨道占满后，才排入高能量的轨道。当低能量轨道占满后，才排入高能量的轨道，以使整个原子能量最低。轨道，以使整个原子能量最低。例例1：H ：1s1； He ：1s2； Li ：1s22s1。例例2： 19K：1s22s22p63s23p64s1Hund规则（规则（Hunds rule）电子在能量相同的轨道（简并轨道）上排布时电子在能量相同的轨道（简并轨道）上排布时，尽可能以自旋相同的方向，分占不同轨道，尽可能以自旋相同的方向，分占不同轨道，这样的排布方式总

18、能量最低。这样的排布方式总能量最低。例：例：7N：1s22s22p3，三个，三个2p电子的运动状态：电子的运动状态： （2,1,0, 1/2 ） ；（；（2,1,1, 1/2 ） ；（；（2,1,-1 , 1/2 ） 用原子轨道方框图表示：用原子轨道方框图表示：7N1s 2s 2pHund规则的补充规定：规则的补充规定：简并轨道全充满、半充满、或全空，是能量较简并轨道全充满、半充满、或全空，是能量较低的稳定状态。低的稳定状态。例：例： 24Cr：1s22s22p63s23p63d54s1 29Cu：1s22s22p63s23p63d104s1 电子组态的写法电子组态的写法 原子的电子组态：原子

19、的电子组态：电子填充按近似能级顺序进行电子填充按近似能级顺序进行但电子组态必须按电子层排列但电子组态必须按电子层排列例：例： 21Sc的电子组态的电子组态1s22s22p63s23p63d14s2填充电子时填充电子时4s比比3d能量低，先填能量低，先填4s，后填，后填3d，但形成离子时，先失去但形成离子时，先失去4s电子，电子，3d仍然是内层仍然是内层轨道。电离时轨道。电离时Sc失去失去1个个4s电子而不是电子而不是3d电子电子。 原子的电子组态：原子的电子组态：把内层用稀有气体的元素符号加方括号表示为原把内层用稀有气体的元素符号加方括号表示为原子芯子芯(atomic kernel)。例：例：

20、20Ca：1s22s22p63s23p64s2 写作写作Ar 4s2， 26Fe： Ar3d64s2； 47Ag：Kr4d105s1离子的电子组态离子的电子组态：仿照原子电子组态方式书写仿照原子电子组态方式书写例如：例如： 26Fe ：Ar3d4s； S轨道先排，先失轨道先排，先失第三节 多电子原子的结构例按电子排布的规律，写出按电子排布的规律，写出22号元素钛的基态电号元素钛的基态电子组态。子组态。解钛的基态电子排布式为：钛的基态电子排布式为： 1s22s22p63s23p63d24s2 。第三节 多电子原子的结构二 原子的电子组态 （electronic configuration）价电子

21、（价电子（valence electron）：）：化学反应中原子芯部分的电子结构不变化，改变的是价化学反应中原子芯部分的电子结构不变化，改变的是价电子。电子。价电子所处的电子层称为价电子层（价电子所处的电子层称为价电子层（valence shell）。）。例：例： 20Ca：1s22s22p63s23p64s2 ,价层电子组态价层电子组态4s2 26Fe:1s22s22p63s23p63d64s2 ,价层电子组态价层电子组态3d64s2 21Sc:1s22s22p63s23p63d14s2,价层电子组态价层电子组态3d14s2 1.能级组和元素周期能级组和元素周期能级组能级组ns到到np为第为

22、第n能级组，能级组，(n-1)d或或(n-2)f也属于也属于第第n能级组。能级组。不同能级组能量差别不同能级组能量差别大，同一能级组内各大，同一能级组内各能级之间能量差别小能级之间能量差别小。一. 原子的电子组态与元素周期表第四节 元素周期表与元素性质的周期性 元素周期（元素周期（period）能级组对应周期。能级组对应周期。元素的数目与能级元素的数目与能级组最多能容纳的电组最多能容纳的电子数目一致。子数目一致。例预测第预测第7周期完成时共有多少个元素。周期完成时共有多少个元素。 解第第7周期从周期从7s能级开始填充电子，然后依次是能级开始填充电子，然后依次是5f、6d、7p。 7s能级有能级

23、有1个原子轨道，个原子轨道，5f有有7个、个、6d有有5个、个、7p有有3个，共有个，共有16个原子轨道，最多能填满个原子轨道，最多能填满32个电个电子。子。 第第7周期完成时共有周期完成时共有32个元素。个元素。 一. 原子的电子组态与元素周期表2.价层电子组态与族价层电子组态与族族（族（group）：周期表根据价层电子组态，把）：周期表根据价层电子组态，把性质相似的元素归为一族。性质相似的元素归为一族。第四节 元素周期表与元素性质的周期性 2.价层电子组态与族价层电子组态与族主族：主族：周期表中共有周期表中共有IAA 8个主族，其中个主族，其中A族又称族又称0族。族。主族元素的价层电子组态

24、：主族元素的价层电子组态： 内层轨道全充满，外层电子组态是内层轨道全充满，外层电子组态是ns1到到ns2np6。外层电子的总数等于族数。外层电子的总数等于族数。2.价层电子组态与族副族：副族：IBB 8个副族。个副族。特征：特征： (n-1)d或或 (n-2)f轨道填充电子，轨道填充电子， (n-2)f、(n-1)d和和ns都是价层。都是价层。3.元素分区：据价电子组态，周期表分为元素分区：据价电子组态，周期表分为5个区。个区。s区：元素价层电子组态是区：元素价层电子组态是ns1和和ns2，IA和和A族族。p区：价层电子组态是区：价层电子组态是ns2np16，AA，0族族元素。元素。 d区：价

25、层电子组态为区：价层电子组态为(n-1)d18ns2或或(n-1)d9ns1或或(n-1)d10ns0 。ds区：价层电子组态为区：价层电子组态为(n-1)d10ns12，IB和和B族。族。 f区：价层电子组态区：价层电子组态(n-2)f014(n-1)d02ns2，镧系，镧系和锕系。和锕系。第四节 元素周期表与元素性质的周期性 3.元素分区：0(n-1)d18ns2或或(n-1)d9ns1或或(n-1)d10ns0第四节 元素周期表与元素性质的周期性 4.过渡元素过渡元素（transition element）和稀土元素和稀土元素全部副族元素都称为过渡元素。包括全部副族元素都称为过渡元素。包

26、括d区、区、ds区区和和f区的元素。其中镧系和锕系元素称为内过渡区的元素。其中镧系和锕系元素称为内过渡元素（元素（inner transition element）。）。过渡元素原子的最外层电子数较少，除钯外都过渡元素原子的最外层电子数较少，除钯外都只有只有12个电子，所以它们都是金属元素。个电子，所以它们都是金属元素。它们的它们的(n-1)d轨道未充满或刚充满，或轨道未充满或刚充满，或f轨道也轨道也未充满，所以在化合物中常有多种氧化值，性未充满，所以在化合物中常有多种氧化值，性质与主族元素有较大的差别。质与主族元素有较大的差别。第四节 元素周期表与元素性质的周期性 1. 原子半径（atomic radius）共价半径共价半径rc：共价单键结合的共价单键结合的两原子核间距离的一半两原子核间距离的一半van der Waals半径半径rv：单质分单质分子晶体中相邻分子间两个非键子晶体中相邻分子间两个非键合原子核间距离的一半合原子核间距离的一半金属半径金属半径:金属单质的晶体中金属单质的晶体中相邻两个原子核间距离的一半相邻两个原子核间距离的一半第四节 元素周期表与元素性质的周期性 二. 元素性质的周期性变化规律第四节 元素周期表与元素性质的周期性 1.原子半径（atomic radi