第7讲-元素周期表

1、 原子结构原子结构1803,英国的道尔顿的原子学说英国的道尔顿的原子学说1811,意大利的阿佛加德罗的分子假说意大利的阿佛加德罗的分子假说德谟克里特德谟克里特一、认识原子结构的历史一、认识原子结构的历史1.汤姆逊的原子模型汤姆逊的原子模型 18971897发现电子发现电子2.1911年卢瑟福的原子模型行星式原年卢瑟福的原子模型行星式原子的模型子的模型原子是由带正电的连续体和在其内部运动原子是由带正电的连续体和在其内部运动的负电子构成的负电子构成散射实验：带正电的连续体其实是一个非常小的核，散射实验：带正电的连续体其实是一个非常小的核，而核外电子受这个核的吸引在核的外围运动而核外电子受这个核的吸

2、引在核的外围运动与经典电磁理论、原子的稳定性和线状光谱发与经典电磁理论、原子的稳定性和线状光谱发生矛盾生矛盾焰火热致发光焰火热致发光霓虹灯电致发光霓虹灯电致发光1672年牛顿创造了光谱一词（年牛顿创造了光谱一词（spectrum）1859年德国的基尔霍夫和本生发明了光谱年德国的基尔霍夫和本生发明了光谱仪，奠定了光谱学的基础。使光谱分析成仪，奠定了光谱学的基础。使光谱分析成为认识和鉴定元素的重要手段，如铯、铷、为认识和鉴定元素的重要手段，如铯、铷、氦、镓、铟等等氦、镓、铟等等到到20世纪初，人们只知道物质在高温或电世纪初，人们只知道物质在高温或电作用下会发光，却不知道发光机理：作用下会发光，却不

3、知道发光机理：即知即知道每种元素有特定的光谱，却不知道为什道每种元素有特定的光谱，却不知道为什么不同元素有不同的光谱么不同元素有不同的光谱氢原子的光谱问题氢原子的光谱问题一只装有氢气的放电管，通过高压电流，一只装有氢气的放电管，通过高压电流，氢原子被激发后所发出的光经过分光镜，氢原子被激发后所发出的光经过分光镜，就得到氢原子的光谱，其特征是就得到氢原子的光谱，其特征是（1）不连）不连续的线状光谱（续的线状光谱（2）从长波到短波，谱线间）从长波到短波，谱线间的距离越来越小，表现出明显的规律性。的距离越来越小，表现出明显的规律性。这是所有元素的光谱中最简单的光谱这是所有元素的光谱中最简单的光谱 1

4、883年，巴尔麦经猜想与尝试，得出年，巴尔麦经猜想与尝试，得出可见光区的经验方程可见光区的经验方程里德堡改写了巴尔麦的经验方程里德堡改写了巴尔麦的经验方程不久人们发现，氢的红外光谱和紫外光不久人们发现，氢的红外光谱和紫外光谱的谱线同样符合里德堡方程谱的谱线同样符合里德堡方程巴尔麦系，巴尔麦系，n1=2 ，可见光谱，可见光谱帕邢系，帕邢系，n1=3，红外光谱，红外光谱莱曼系，莱曼系，n1=1，紫外光谱，紫外光谱只有氢光谱及类氢原子光谱满足只有氢光谱及类氢原子光谱满足1905年爱因斯坦的光子学说年爱因斯坦的光子学说普朗克的量子化条件普朗克的量子化条件电子的波粒二象性电子的波粒二象性1924年德布罗

5、意年德布罗意3.玻尔的原子模型玻尔的原子模型1927年海森堡的测不准原理年海森堡的测不准原理xPh/4=5.2731035kgm2 s-1玻尔理论的四个要点玻尔理论的四个要点1.行星模型行星模型2.定态假设：基态、激发态定态假设：基态、激发态3.量子化条件量子化条件 L=nh/2 n=1,2,3, 跃迁规则跃迁规则 E=-13.6/n2 n=1,2,3, 原子的组成：原子的组成：1、核组成符号：、核组成符号： 的含义。的含义。 XZAA=Z+NN=A-Z二、原子结构：二、原子结构：2351139951920543802UnXeSrn原子的组成：原子的组成：1、核组成符号：、核组成符号： 的含义

6、。的含义。 XZA2、结构示意图、结构示意图(原子、离子原子、离子)：要标明核电荷数。要标明核电荷数。注意原子与离子结注意原子与离子结构示意图的不同。构示意图的不同。原子的组成：原子的组成：1、核组成符号：、核组成符号： 的含义。的含义。 XZA2、结构示意图、结构示意图(原子、离子原子、离子)：3、同位素、同位素质子数相同质子数相同_化化学性质基本相同。学性质基本相同。中子数不同中子数不同_有些有些物理性质、核反应中物理性质、核反应中的性质、用途可能不的性质、用途可能不同。同。同位素同位素质子数相同而中子数质子数相同而中子数不同的同一元素的不不同的同一元素的不同原子的互称。同原子的互称。原子

7、原子质子数质子数相同相同!中子数不同，中子数不同，即质量数不同即质量数不同!：具有一定数目的质子和一：具有一定数目的质子和一定数目的中子的一种定数目的中子的一种。：同一元素的不同核素之：同一元素的不同核素之间的互称。即质子数相同中子数间的互称。即质子数相同中子数不同的一类原子的互称。不同的一类原子的互称。怎样区别？怎样区别？三、相对原子质量与相对分子质量三、相对原子质量与相对分子质量同位素（核素）的相对原子质量：同位素（核素）的相对原子质量：指同位素（核素）的一个原子质量指同位素（核素）的一个原子质量与一个与一个1212C C原子质量的原子质量的1/121/12的相对比的相对比值。值。 元素的

8、相对原子质量：元素的相对原子质量： 指某元素各天然同位素的相对原子质量指某元素各天然同位素的相对原子质量与该同位素原子所占的原子个数百分比与该同位素原子所占的原子个数百分比（丰度）的乘积之和。（丰度）的乘积之和。Ar1n1%+ Ar2n2%+元素的近似相对原子质量：元素的近似相对原子质量： 指某元素各天然同位素的质量数与该指某元素各天然同位素的质量数与该同位素原子所占的原子个数百分比同位素原子所占的原子个数百分比（丰度）的乘积之和。（丰度）的乘积之和。A1n1%+ A2n2%+ 34.969_ 34.969_35_35_ 24.23%_ 24.23%_ 35.453_ 35.453_ 35.4

9、85_ 35.485_例例1.1.据文献记载，氯元素的相对原子据文献记载，氯元素的相对原子质量有关数据如下表，分析其中数据质量有关数据如下表，分析其中数据含义。含义。35.485平均平均35.453平均平均24.23%3737Cl24.23%36.96637Cl75.77%3535Cl75.77%34.96935Cl原子相对原子质量原子相对原子质量质量数质量数原子个数百分比原子个数百分比元素近似相对原子质量元素近似相对原子质量元素相对原子质量元素相对原子质量C例例2.2. 锑元素的相对原子质量为锑元素的相对原子质量为121.760 121.760 已知锑有已知锑有 与与 两种天然同位素，下两种

10、天然同位素，下列说法正确的是（列说法正确的是（ ）A. 121.760A. 121.760是一个锑原子的质量与一个是一个锑原子的质量与一个1212C C原子质量的原子质量的1/121/12的比值的比值B. 121.760B. 121.760是按锑的两种天然同位素的质是按锑的两种天然同位素的质量数与它们的原子百分比算出来的平均值量数与它们的原子百分比算出来的平均值C. C. 天然存在的锑元素天然存在的锑元素 与与 的原子个的原子个数比约为数比约为31193119D. D. 的原子质量与的原子质量与1212C C的原子质量的比值的原子质量的比值是是1231123112151Sb12351Sb121

11、51Sb12351Sb12351Sb例例3 研究证明，在活的生物体中研究证明，在活的生物体中C的放射性同位的放射性同位素，素，14C的含量保持不变，当此生物体死去后，的含量保持不变，当此生物体死去后，14C会在其体内不断衰变而减少。因此，考古人会在其体内不断衰变而减少。因此，考古人员可通过测定古生物化石中员可通过测定古生物化石中14C的含量而确定古的含量而确定古生物生活的年代。下列有关生物生活的年代。下列有关14C的叙述中正确的的叙述中正确的是是( ) （A）与）与C60为同素异形体为同素异形体 （B）与）与12C互为同位素互为同位素 （C）与）与14N含的中子数相同含的中子数相同 （D）与）

12、与12C化学性质不同化学性质不同B例例4 正电子、负质子等都属于反粒子，它们跟普正电子、负质子等都属于反粒子，它们跟普通电子、质子的质量相等、电性相反。科学家设通电子、质子的质量相等、电性相反。科学家设想在宇宙中可能存在完全由反粒子构成的物质即想在宇宙中可能存在完全由反粒子构成的物质即反物质。你推测下列说法正确的是反物质。你推测下列说法正确的是( )(A)反氢原子由一个带负电荷的质子和一个带正反氢原子由一个带负电荷的质子和一个带正电荷的电子构成电荷的电子构成(B)反氢原子可表示为反氢原子可表示为H(C)反氢原子是新发现的氢元素的一种同位素反氢原子是新发现的氢元素的一种同位素(D)若由两个反氢原

13、子形成的分子其相对质量与若由两个反氢原子形成的分子其相对质量与重氢原子形成的重氢原子形成的D2分子相对质量相等。分子相对质量相等。(E)反物质酸碱中和反应的通式的是反物质酸碱中和反应的通式的是 H+OH=H2O AE1.1926年的薛定谔方程年的薛定谔方程四、核外电子的运动状态四、核外电子的运动状态波函数波函数1926年薛定谔根据波粒二象性的概年薛定谔根据波粒二象性的概念提出了一个描述微观粒子运动的基念提出了一个描述微观粒子运动的基本方程本方程薛定谔波动方程，它是一薛定谔波动方程，它是一个二阶偏微分方程。个二阶偏微分方程。式中：式中： Y Y叫波函数，叫波函数，E为体系的总能量，为体系的总能量

14、，V为微粒势能为微粒势能，h为普朗克常数，为普朗克常数，m为微粒的质量，为微粒的质量，x、y、z为空间直角为空间直角坐标。坐标。 对氢原子体系来说，对氢原子体系来说， Y Y是描述氢原子核外电子运动是描述氢原子核外电子运动状态的数学表示式，是空间直角坐标状态的数学表示式，是空间直角坐标(x.y.z)的函数。的函数。 Y Y =f(x.y.z)；E为氢原子为氢原子H的总能量；的总能量；V为电子的势能（即核为电子的势能（即核对电子的吸引能）；对电子的吸引能）；m为电子质量。为电子质量。VEhmzyx)(822222222 可见，可见，量子力学是用波函数和与其对应的能量量子力学是用波函数和与其对应的

15、能量来描述微粒粒子运动状态的。来描述微粒粒子运动状态的。原子中既然是描述电子运动状态的数学表示式，原子中既然是描述电子运动状态的数学表示式，而且又是空间坐标的函数，而且又是空间坐标的函数， Y Y =f(x.y.z)可以用其作可以用其作图，图，其空间图象可以形象地理解为电子运动的空其空间图象可以形象地理解为电子运动的空间范围间范围俗称俗称“原子轨道（又称原子轨函）原子轨道（又称原子轨函）”。波函数的空间图像就是原子轨道，原子轨道的波函数的空间图像就是原子轨道，原子轨道的数学表示式是波函数数学表示式是波函数，故波函数和原子轨道常作，故波函数和原子轨道常作同义语使用。同义语使用。 对氢原子对氢原子

16、0/3011arsea，JEs18110179. 22、原子轨道角度分布图、原子轨道角度分布图Y Y =f(x.y.z)，有四个量在空间不便作图（即四维，有四个量在空间不便作图（即四维的）的），将直角坐标变为球半径（，将直角坐标变为球半径（r.）然后利用数）然后利用数学中的变量分离法，将学中的变量分离法，将Y Y =f(r.)分解为三个独立分解为三个独立函数方程再进行角度部分合并，即函数方程再进行角度部分合并，即Y Y =R(r)Y(.)。波函数就分成了径向分布部分。波函数就分成了径向分布部分R(r)和角度分布部和角度分布部分（分（Y）。）。分布用的角度部分分布用的角度部分Y(.)作的图称为原

17、子轨道的作的图称为原子轨道的角度分布图。角度分布图。注意图中的注意图中的“+”“”不是正、负电，而是不是正、负电，而是Y函数函数为正负值。为正负值。3、电子云、电子云 为了形象地表示核外电子运动的概率分布情为了形象地表示核外电子运动的概率分布情况，化学上常用黑点分布的疏密来表示电子出现况，化学上常用黑点分布的疏密来表示电子出现概率密度的相对大小。概率密度的相对大小。密密概率密度大，平均体积内电子出现的机会概率密度大，平均体积内电子出现的机会多，多，用这种方法（小黑点的疏密）来描述电子在用这种方法（小黑点的疏密）来描述电子在核外出现的概率密度分布所得的空间图像称电子核外出现的概率密度分布所得的空

18、间图像称电子云。云。 由于概率密率由于概率密率 ，若以，若以 作图，可得到作图，可得到电子云的近似图象。电子云的近似图象。将的角度分布部分（将的角度分布部分（ ）作图，所得图象称为电）作图，所得图象称为电子云角度分布图。子云角度分布图。222 要比较具体描述原子中各电子的状态（电子所在的电要比较具体描述原子中各电子的状态（电子所在的电子层，原子轨道能级，形状，方向及电子自旋的方向等）子层，原子轨道能级，形状，方向及电子自旋的方向等）则需要四个参数才行。则需要四个参数才行。1、主量子数（、主量子数（n） 含义：（含义：（1）描述电子层离核的远近；）描述电子层离核的远近； （2）描述电子层能量的高

19、低。）描述电子层能量的高低。 取值：取零以外的正整数，其中每一个数代表一个取值：取零以外的正整数，其中每一个数代表一个电子层。电子层。主量子数（主量子数（n）：）：1 2 3 4 5 电子层：电子层： 第一层第一层 第二层第二层 第三层第三层 第四层第四层 第五层第五层 电子层符号：电子层符号： K L M N O n值越小，电子层离核越近，能量越低。值越小，电子层离核越近，能量越低。2、副（角）量子数（、副（角）量子数（l）含义：（含义：（1）在多电子原子中与）在多电子原子中与n一起决定电子亚层的能一起决定电子亚层的能量，量，l值值 越小，亚层能量越低。越小，亚层能量越低。 （2）每一个）每

20、一个l 值决定电子层中的一个亚层；值决定电子层中的一个亚层； （3）每一个）每一个l值代表一种电子云或原子轨道的形值代表一种电子云或原子轨道的形状。状。取值：从取值：从0开始一直取到开始一直取到(n-1)的正整数的正整数副量子数副量子数(l) : 0 1 2 3 （n-1）电子亚层符号电子亚层符号: s p d f 原子轨道（或亚层）：球形原子轨道（或亚层）：球形 哑铃形哑铃形 花瓣形花瓣形3、磁量子数、磁量子数(m)含义：描述原子含义：描述原子轨道或电子云在轨道或电子云在空间取向。空间取向。4、自旋量子数（、自旋量子数（ms）含义：描述核外电子的自旋状态含义：描述核外电子的自旋状态 (绕电子

21、自绕电子自身的轴旋转运动）。身的轴旋转运动）。综合上述，对原子核外的电子运动状态综合上述，对原子核外的电子运动状态可用四个参数结合描述。可用四个参数结合描述。 根据原子光谱实验的结果和对元素周根据原子光谱实验的结果和对元素周期系的分析、归纳，总结出核外电子分布期系的分析、归纳，总结出核外电子分布的基本原理（两个原理一个规则）：的基本原理（两个原理一个规则）：1、泡利（、泡利（Pauli）不相容原理）不相容原理在同一原子中，不可能有四个量子数完在同一原子中，不可能有四个量子数完全相同的电子存在。即每一个轨道内最多全相同的电子存在。即每一个轨道内最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。只能容纳两个自旋

22、方向相反的电子。五、核外电子的排布规律五、核外电子的排布规律2、能量最低原理、能量最低原理多电子原子处于基态时，核外电子多电子原子处于基态时，核外电子的分布在不违反泡利原理前提下，的分布在不违反泡利原理前提下，总是尽先分布在能量较低的轨道，总是尽先分布在能量较低的轨道，以使原子处于能量最低状态。以使原子处于能量最低状态。如如N原子的电子排布式：原子的电子排布式：1s22s22p33、洪特、洪特(Hund)规则规则原子在同一亚层的等价轨道上分布电子原子在同一亚层的等价轨道上分布电子时，尽可能单独分布在不同的轨道，而时，尽可能单独分布在不同的轨道，而且自旋方向相同（或称自旋平行）。这且自旋方向相同（或称自旋