5原子结构与元素周期律(精)

1、5原子结构与元素周期律本章学习要求：1.了解原子核外电子运动状态的基本特点，了解原子轨道和电子云的概念；2.掌握描述核外电子运动状态的四个物理量，掌握能级的概念；3.掌握核外电子排布原理，能够写出常见元素的电子排布；4.掌握有效核电荷、原子半径、电负性等基本概念以及它们与元素性质的关系5.1 核外电子运动状态的描述5.1.1核外电子的运动特征（1）电子的波粒二象性 电子等微观粒子的运动区别于宏观物体的显著特点是它们既具有微粒的特 性又具有波的特性。这种性质称为微观粒子的波粒二象性。（2）原子轨道 原子中电子的波函数是描述电子运动状态的数学表达式， 又是空间坐标的函 数，其空间图像可以形象地理解

2、为电子运动的空间范围，俗称 “原子轨道 ”。 波 函数的空间图像就是原子轨道。将波函数的角度分布部分（Y）作图，所得的图像就称为原子轨道的角度分布图，其中的 “+”-”“号表示波函数的正负性。（3）电子云为了形象地表示核外电子运动的几率分布情况， 化学上惯用小黑点分布的疏 密表示电子出现几率密度的相对大小。小黑点较密的地方，表示几率密度较大， 单位体积内电子出现的机会多。 用这种方法来描述电子在核外出现的几率密度分 布所得到的空间图像称为电子云。将IWI2的角度分布部分作图，所得的图像就称为电子云的角度分布图， 图中自原点至壳表面的长短表示了该方向上几率密 度的大小。【注意】电子云的角度分布图

3、与相应的原子轨道角度分布图基本相似，但 有两点不同：（1）原子轨道分布图带有正、负号，而电子云角度分布图均为正值 （习惯上不标出正号） ；（2）电子云角度分布图比原子轨道角度分布图要 “瘦”些， 这是因为Y值一般是小于1的，所以IYI2值就更小些。5. 1 .2原子核外电子的运动状态（1）电子层电子层表示电子离核的平均距离，用n表示，由近到远，其取值为n=1，2，3,4,等正整数。电子离核的远近，反映出电子能量的高低。n是决定原子中电子能量的主要因素。n越大，电子能量越高。不同的电子层用不同的符号表示：电子层（n）：123456电子层符号：KLMNOP（2）电子亚层和电子云的形状 在同一电子层

4、内电子的能量也有所差别，运动状态也有所不同，即一个电子 层还可分为若干个能量稍有差别、 原子轨道形状不同的亚层（I）,分别用符号s、p、d、f表示。但与电子层n相比，它是决定电子能量的次要因素。n值确定后， I 可取0到n-1的之间的任何正整数。I 数值与亚层符号之间的对应关系为： 电子亚层（ I）：0123电子亚层符号：spdf电子云的形状与丨有关。丨=0表示圆球形的s原子轨道和电子云；丨=1表示 哑铃形的p原子轨道和电子云；丨=2表示花瓣形的d原子轨道和电子云等。n,丨相同的电子具有相同的能量，它们处在同一能级，归为同一亚层。在同一电子层 中，能量依s亚层、p亚层、d亚层、f亚层依次升高。

5、（3）电子云的伸展方向在同一亚层中往往还包含着若干个空间伸展方向不同的原子轨道。m是用来 描述原子轨道或电子云在空间的不同伸展方向的。m的取值决定于 I 值，可取21+1个从 J 到+I 的整数。每一个m值代表一个具有某种空间取向的原子轨道。n，m，I 三个数值决定一个特定原子轨道的大小、形状和伸展方向，规定 了一个原子轨道。n，I 相同，m不同的同一亚层的原子轨道属于同一能级，能 量是完全相等的，叫等价轨道或简并轨道。电子亚层：pdf等价轨道：3个p轨道5个d轨道7个f轨道（4）电子的自旋电子除了绕核的轨道运动外，还有一种特殊的自旋运动。电子自旋运动在磁 场中只取两种不同的形式，用ms来表示

6、。ms只有+1/2和-1/2这两个数值，其中 每一个数值表示电子的一种自旋方向（如顺时针或逆时针方向），符号用“俐 表示。【总结】每个电子可以用四个物理量来描述它的运动状态。n决定了电子的能量和离核的远近；I 决定原子轨道的形状，在多电子原子中也影响电子的能量；m决定原子轨道在空间伸展的方向；ms决定电子自旋的方向。四个数值是相互 联系、相互制约的。表5-1四个参数与核外电子运动状态电子层（n）1(K)2(L)3(M)4(N)电子亚层（I ）0010120 I12 I3电子云的 伸展方向（m）00000020002023亚层轨道数（2I+1）1131351357电子层轨道数（n2）14916电

7、子自旋（ms）1/2/2/21/2状态总数（2n2）2(1s2)8(2s22p6)18(3s23p63d10)32/ A 2 A 6. |10“14(4s 4p 4d 4f)5.2 基态原子核外电子的排布规律5.2.1近似能级图鲍林根据光谱实验结果总结出多电子原子中各轨道能级相对高低的情况，并用图近似地表示出来，称为鲍林近似能级图。相邻能级组之间的能量差比较大，而同一能级组中各原子轨道的能级差较小或很接近，能级组的划分与元素周期系中元素划分为七个周期是相一致的。【特点】(1)同一原子中的同一电子层中，各亚层之间的能量次序为nsvnpvndvnf(2)同一原子中的不同电子层内，相同类型亚层之间的

8、能量次序为1sv2sv3sv4sv5sv6sv 2pv3pv4pv5pv6pv (3)同一原子内不同电子层的不同亚层之间有能级交错现象，如：4sv3dv4p；5sv4dv5p；6sv4fv5dv6p5.2.2基态原子核外电子的排布(1) 能量最低原理因为电子能量越低，原子越稳定，所以核外电子在各原子轨道上的排布方式 应使整个原子能量处于最低的状态。 多电子原子处在基态时，核外电子的分布总 是尽先分布在能量较低的轨道，以使原子处于能量最低的状态。只有当能量最低 的轨道已占满后，电子才能依次进入能量较高的轨道。基态原子外层电子填充顺序： nsf(n-2)ff(n-1)dnp；而基态原子 失去外层电

9、子的顺序： npns(n-1)d(n-2)f。【注意】虽然电子填充按近似能级顺序进行， 但电子排布式必须按电子层 由小到大排列；为简化电子排布式，通常将内层已达到稀有气体电子层结 构的部分，用稀有气体的元素符号加上方括号表示，称为原子芯。女口：Z = 25电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s24s23d5(2) 泡利不相容原理在同一个原子中，不可能有n，1，m，ms完全相同的电子存在。每一个轨道 内最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。女口：Na111s22s22p63s1 0)(3)洪特规则电子在能量相同的轨道(等价轨道)上分布时，总是尽可能分占不同的轨道 且自旋方向相同。这样

10、的排布方式，原子的能量最低，体系较稳定。女口：7N 1s22s22p3电子在轨道上的分布：2卩(4)洪特规则特例电子在轨道的分布:2p63s15.3 原子核外电子排布规律与元素周期律531周期与能级组元素周期表共有7个横行，每一个横行为一个周期，共有7个周期。周期与 最外层能级组的关系见表5-3。表5-3周期与最外层能级组的关系周期能级能级组内各轨道电子排布顺序电子填充数周期内兀素种组数1（特短周期）1彳121s2223（短周期）23c 12c 162sf2pc12c163sf3p888845（长周期）412 110 164sf3df4p1818512- .110l 165sf4df5p181

11、86（特长周期）612.114_ .1-10c 1632326sf4ff5df6p7（未完成周 期）712114177sf5ff6d23（未填满）预测有32种5.3.2族与价电子构型元素原子的价电子层结构决定该元素在周期表中所处的族数。 价电子是指原 子参加化学反应时，能用于成键的电子。周期表中共有18个纵行，分为8个主 族和8个副族。同族元素虽然电子层数不同，但价层电子构型基本相同，所以原 子的价电子构型是元素分族的实质。（1）主族元素如果元素原子最后填入电子的亚层为s或p亚层的，该元素便属于主族元素。书写时，在各族号罗马字旁加A表示主族元素，如U A表示第二主族元素。主 族元素的族数等于最

12、外层电子数，即ns和np能级上的电子总数。（2）副族元素如果元素原子最后填入电子的亚层为d或f亚层的，该元素便属于副族元素， 又称过渡元素（其中填入f亚层的又称内过渡元素）。书写时在各族号罗马旁加B表示副族元素，如川B表示第三副族。（n-1）d110ns12为过渡元素的价层电子构 型。川B到B元素原子的价层电子总数等于其族数。 毗B族有三个纵行， 它们 的价电子构型为（n-1） d610ns2,其中多数元素在化学反应中表现出的价电子数并 不等于其族数。I B，n B族元素的（n-1）d亚层都已经充满，它们的最外层（即ns）上的电子数等于其族序数。（3）元素的分区nnS1ddsp作为洪特规则的特

13、例,当等价轨道被电子半充满、全充满或全空时比较稳定全充满:半充满:全空:2s1s0s6p3p0pd10d5d0如：Cr24根据前两个原理，应为：1s22s22p63s23p63d44s2而实际上：1s22s22p63s23p63d54s1特例，都为半充满。根据周期、族和原子结构特征的关系可将周期表中的元素划分为四个区域: 价电子构型12s区：IA、UA,ns,nsd区：过渡元素：川B -Vffl(B),(n-1)d110ns12IB、UB,ds区：(n-1)d10ns-22 16p区：川A-VfflA,nsnpf区：镧系，锕系【例5-1】已知某元素的原子序数为22，试写出该原子的电子排布式，并

14、指 出该元素在周期表中所属周期、族和区。解：该元素的原子序数为22，根据电子的填充顺序，其电子排布式为：1s22s22p63s23p63d24s2或 Ar 3d24s2因为最外层电子层数n=4，所以该元素属于第四周期。最后一个电子填入到3d轨道，且3d电子数等于2,(n-1)d + ns电子总数为2+2 =4,所以它属于WB族，d轨道未满，属d区元素，是金属钛Ti。【例5-2】已知某元素位于第五周期A族，试写出该元素的电子排布式和 原子序数。解：该元素属于第五周期，最外层电子数n=5,WA族，则最外层电子应是5s25p5的排布，主族元素内层全满，所以，该元素的电子排布式为：2 2 6 2 6

15、10 2 6 10 2 5 10 2 51s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 5s 5p或 Kr 4d 5s 5p原子序数等于核外电子总数，即为2+8+18+18+7=53。所以该元素为53号元素：碘I。5.4 元素性质的周期性5.4.1有效核电荷(Z*)元素的有效核电荷Z*=Z-(7(Z为原子序数，c为电子的屏蔽常数)同一周期的主族元素从左向右，Z*显著增大，因为增加的电子填充在同一最 外层上，其屏蔽作用弱；同一周期的副族元素从左向右，Z*增加不大，因为电子增加在次外层上，对外层电子屏蔽作用较强。同族元素由上到下，Z*显著增大，因为相邻周期的同族元素相隔8或18种元素，原子序

16、数显著增大。5.4.2原子半径(r)原子半径在周期表中的变化规律:(1) 同一周期主族元素：从左到右，随着核电荷数的增加，电子层数不变， 新增加的电子进入最外层， 产生的屏蔽效应较小， 有效核电荷数逐渐增加， 因此 原子半径逐渐减小。 最后稀有气体元素的原子半径突然增大是因为它们是范德 华半径。同一周期副族元素： 从左到右， 随着核电荷数的增加， 电子填充在次外层的d轨道上，对原子核的屏蔽作用较大，使得有效核电荷增加不明显，所以原子半 径逐渐减小，但减小的幅度比主族元素小。(2) 同一族的主族元素，由上到下随着核电荷数的增加，新增加的电子进 入内层，屏蔽效应明显加大，有效核电荷数变化不大，但电子层数增多，使得原 子半径依次增大。 副族元素的情况较复杂， 但总的来说， 同一副族元素从上到下， 原子半径略有增大但不如主族元素变化明显。原子半径越大，核对外层电子的引力越弱，原子就越易失去原子；相反，原 子半径越小，核对外层电子的引力越强，原子就越易得到电子。【注意】 难失去电子的原子， 不一定容易得到电子。 例如，稀有气体原子得、 失电子都不容易。543电负性（X元素的金属性、氧化值（1）电负性、元素的金属性 同一周期元素， 从左至右电负性递增， 元素的金属性逐渐减弱， 非金属性逐 渐增强；同一主族元素，从上至下电负性递减，元素的金属性逐渐增强，非金属 性逐渐