奥赛讲义：原子结构和元素周期律

1、奥赛系列讲座：第一讲 原子结构与元素周期律第一节 原子核外电子的运动状态内容摘要1核外电子运动状态能量：量子化电子 理论：1924年，德布罗意首先提出 运动方式：波粒二象性 实验：电子衍射实验证实（1）核外电子运动的特征 （2）核外电子运动状态的描述 主量子数n（n = 1，2，3，4，···）电子层电子层的序数(n)123456符号KLMNOP能量低 高 角量子数l（l = 0，1，···，(n-1) ） 电子亚层取值 l = 0 l = 1l = 2 l = n-1亚层符号 s pd f、g、h.电子云形状球形对称纺棰形（哑铃形）

2、十字花瓣形更为复杂能量类氢原子在电子层数相同的条件下，l的取值与能量无关.多电子原子在电子层数相同的条件下，l的取值越大，能量越高。 磁量子数m （m = 0，±1，±2，···，±l）电子云的伸展方向 （a）当l=0、m=0时，s电子云只有一种伸展方向。其图形为： （b）当l=1，m=0、m=±1时，P电子云有三种不同的伸展方向。其图形为： （c）当l=2，m=0、m=±1、m=±2时，d电子云有五种不同的伸展方向。其图形为：自旋量子数ms（ms = +1/2， -1/2 ）电子的自旋核外电子的运动状态

3、轨道电子的自旋主量子数（电子层）角量子数（电子亚层）磁量子数（电子云的伸展方向） 轨道：具有一定能量和伸展方向的电子云所占据的空间。S电子云（球形） P电子云 亚铃形 PX PY P2三个方向d电子云五个方向（称五个简并轨道）dxy dxz dyz dx2-y2 dz2 f电子云七个方向能量相同的轨道称简并轨道三、核外电子的排布（多电子原子）例1：一个电子处于n=2，=0的运动状态就为2s电子，处于n=2，=1就为2p电子。例2：假定有下列电子的各套量子数，指出哪几套不可能存在，并说明原因。(1)3，2，2，1/2 (2)3，0，-1，1/2 (3)2，2，2，2 (4)1，0，0，0 (5)

4、2，-1，0，1/2 (6)2，0，-2，1/2解：除(1)外都不可能；(2)中=0，m只能为0；(3)中n=2，只能为0或1或-1，ms只能取+1/2或-1/2；(4)中ms只能取+1/2或-1/2；(5)中n=2时，只能为0或1；(6)中=0，m只能为0。（3）每一电子层中电子云的形状、轨道的分布状况和最多可填充的电子数电子层 (n)Kn=1Ln=2 M n=3Nn=4电子亚层 （l）s0s0p1s0p1d2s0p1d2f3电子云的形状及径向分布············电

5、子云的伸展方向（m）000，±100，±10，±1，±200，±10，±1，±20，±1，±2，±3各电子亚层上的简并轨道数1131351357各电子层的轨道总数(n2)14916各电子层最多可填充的电子数（2n2）2818361s2s2p3p3d3s4s4p4d4f5f5g5d5p5s 同一电子亚层上的不同轨道的能量是相等的，这些能量相等的轨道就称为简并轨道。 ······2核外电子排布的基本规律 （1）能量最低原理能量最低原理是自然

6、界普遍适用的法则，同样适用于处于稳定状态（基态）下的原子。即电子在轨道上的分布，必须使整个原子的能量最低，这样体系最稳定。 多电子原子轨道能级图（2）泡利（Pauli）不相容原理 1925年泡利在总结了大量实验结果后指出，在同一原子中不允许两个电子的四个量子数完全相同。这就是著名的泡利不相容原理。换句话说，同一原子的轨道上最多只能容纳两个电子，且自旋相反。 （3）洪特规则 洪特从光谱实验数据总结出了一条规律：电子在简并轨道上分布时，将近可能分占不同的轨道，且自旋相反。 洪特规则的特例当简并轨道全充满或半满或全空时，整个原子的能量较低，亦即较稳定。这就是洪特规则的特例。例3：试写出 (1)24

7、Cr、47 Ag的电子排布式； (2) 13 Al3+、17 Cl-的轨道表示式。3电子分层排布的实验证明：电离能电离能：气态原子（或离子）失去电子生成离子（或高价离子）所需要的能量（kJ/mol）【练习二】1已知多电子原子中，下列电子具有如下量子数（n、l、m、ms），其中能量最高的电子是 （A）2，1，1，-1/2 （B）3，1，-1，-1/2 （C）3，0，0，-1/2 （D）3，2，-2，-1/22下列元素的原子的第一电离能最大的是 （A）N （B）O （C）P （D）B3某原子核外的5个电子的量子数分别列于下表。写出它们的轨道符号，并按它们轨道能量高低次序排列（如有能量相同的，需注明

8、）编号n l m ms轨道符号轨道能量高低排列4 0 0 +1/23 1 -1 -1/23 2 0 +1/23 2 -2 -1/23 0 0 -1/24A、B、C、D都是短周期元素，原子半径D>C>A>B。其中A、B处于同一周期，A、C处于同一主族。C原子核内的质子数等于A、B原子核内的质子数之和，C原子最外层上 p 电子数是D原子最外层上 s 电子数的2倍。试回答： 这四种元素分别是A_B_C_D_； 这四种元素单质的熔点由高到低的顺序是：_； 写出A、B、D组成的化合物与B、C组成的化合物相互反应的化学方程式： _。5今有A、B、C、D四种元素，其中A元素为1826年法国

9、青年所发现，他在研究海水制盐时，于剩余的副产物苦卤中通入氯气后发现溶液颜色变深，若进一步提取，可得一种红棕色液体，有刺鼻的臭味。B、C、D均为短周期元素。D原子核内的质子数正好等于C原子核内质子数的两倍，而它们最外电子层上的p电子数恰相等，D原子的最内电子层上电子数是B原子核外电子数的2倍。 则四种元素是：A_、B_、C_、D_。 写出由上述元素组成的单质或化合物相互作用生成沉淀的两个反应方程式： _、_。6A、B、C、D是短周期元素，A元素的最高价氧化物的水化物与它的气态氢化物反应得到离子化合物，1摩该化合物含有42摩电子，B原子的最外层电子排布式为nsnnp2n，C、D两原子的最外层电子数

10、分别是内层电子数的一半，C元素是植物生长的营养元素之一。 试写出：A、B元素形成的酸酐的化学式：_；D元素的单质与水反应的化学方程式：_； A、C元素气态氢化物的稳定性大小_ < _（用分子式表示）。7有V、W、X、Y、Z五种元素，它们的原子序数依次增大，且都小于20。其中X和Z是金属元素。V和Z属同一族，它们原子的最外电子层上只有1个电子。W和Y也属同一族，它们原子最外电子层的p亚层电子数是s亚层电子数的二倍。X原子最外电子层上电子数等于Y原子最外电子层上电子数的一半。由此可知：V是_、W是_、X是_、Y是_、Z是_。由这五种元素组成的一种化合物是_。8W、X、Y、Z四种元素都位于短周

11、期内，它们的原子序数依次递增。W 原子核内仅有一个质子，X原子的电子总数与Z原子的最外层电子数相等，W原子与X原子的最外层电子数之和与Y原子的最外层电子数相等。Z 原子s电子总数与p电子总数相等，且Z只能形成阴离子。由此推断它们的元素符号是： W_、X_、Y_、Z_。已知W、X、Y、Z可组成一个化合物，其原子个数之比为4:1:2:1，该化合物的名称是_。9假定某个星球上的元素服从量子数限制：n = 1，2，3 ；l = 0，1，2n-1；m = ±1；ms = 1/2；则该星球上前四个惰性元素的原子序数份别是_。10在我们这个三维空间世界里的周期系是根据4个量子数建立的，即n = 1

12、，2，3，···；l = 0，1，···（n-1）；m = 0，±1，±2，···±l；ms =±1/2。 如果我们搬到一个想象的“平面世界”去，那是一个二维世界，那里的周期系是根据三个量子数建立的，即n = 1，2，3，···；m = 0，±1，±2，···±（n-1）；ms =±1/2。第二节 元素周期表一、原子的电子层结构和周期律1.随核电荷增大电子呈周期性分布

13、每个周期的电子由SP逐个增入2.新周期开始出现新电子层。 周期序数=原子的电子层数n几周期中元素的数目等于相应能级组中原子轨道所能容纳的电子的总数。3.主族元素的族序数=原子最外层电子数 副族元素的族序数=原子次外层d电子数与最外层s电子数之和（B、B、B除外）4.周期表按电子层结构分五个区，s、p、d、ds、f元素金属性和非金属性的递变：从左到右 金属性逐渐减弱从上到下 金属性逐渐增强 周期律：元素的性质随元素原子序数的增加而呈周期性变化的规律。二、元素基本性质的周期性 原子结构与原子参数的关系 1.有效核电荷，Z* 2.原子半径 两个原子核间距的一半金属半径、共价半径、范德华半径原子半径/

14、pmH He37 122Li Be B C N O F Ne123 89 80 77 70 66 64 160Na Mg Al Si P S Cl Ar157 136 125 117 110 104 99 191K Ca203 174La系收缩结果使镧系以后的元素原子半径与下一周期相应的同族元素原子半径非常接近。故性质相似，难分离自然界共生。3.电离能（势）I定义：元素的气态原子在基态时失去一个电子成为一价气态正离子所需要的能量，称元素的第一电离能。 基态M（g）M+(g) M2+(g) 例Al(g) Al+(g)第一电离能I1（578）第二电离能I2（1823） 第三电离能 I3=2751K

15、J·mol-1I大 难失电子 I小 易失电子 金属性强规律：同周期Z* 增大 半径减小 稍有起伏（半充满、全满结构稳定） 同族元素Z*增加不多半径增大起主导 长周期中也有起伏 I增大不如短周期明显4.电子亲合能定义：一个基态的气态原子得到一个电子形成一价气态负离子所放出的能量。称该原子的第一电子亲合能。习惯上把放出能量的电子亲合能EA用正号表示。O（g）+eO-（g） EA=141.8 KJ·mol-1EA反映原子得电子难易程度。EA大，易得电子，非金属性强。规律：自左向右Z*核电荷大，半径减小，易与电子形成8电子稳定结构。半充满，全充满时EA小，例如氮族，稀有气体。同一主

16、族自上而下EA变小，但第二周期例外F、O、N比Cl、S、P小。5.电负性 原子在分子中吸引电子的能力。鲍林（pauling）提出 F的负电性为4.0 其它原子为相对值，以Xp表示。Xp值大表示原子在分子中吸引电子的能力愈强。H2.11.Z*大半径小，吸引电子能力强2.Xp值>2.0为非金属，两性元素界线3.对角线规则4.同一元素不同价态电负性值不同。例：Fe2+和Fe3+（1.8和1.9）Cu+和Cu2+（1.9和2.0）Li Be B C N O F 大1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0Na Mg Al Si P S Cl0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.5 3.0 小K Ca Ga Ge As Se Br0.8 1.0 1.6 1.8 2.0 2.4 2.8 Sn Sb Te I 1.8 1.9 2.1 2.56.氧化值 Sc