大学原子结构讲解

1、2022-7-52022-7-51 13-1 3-1 核外电子的运动状态核外电子的运动状态3-2 3-2 核外电子的排布和元素周期系核外电子的排布和元素周期系3-3 3-3 元素基本元素基本性质的周期性性质的周期性第三章第三章 原子结构原子结构2022-7-52022-7-52 23-1 3-1 核外电子的运动状态核外电子的运动状态一、氢原子光谱和玻尔理论一、氢原子光谱和玻尔理论二、微观粒子的波粒二象性二、微观粒子的波粒二象性三、波函数和原子轨道三、波函数和原子轨道四、几率密度和电子云四、几率密度和电子云五、波函数与电子云的分布图五、波函数与电子云的分布图2022-7-52022-7-53 3

2、一、氢原子光谱和玻尔理论一、氢原子光谱和玻尔理论2022-7-52022-7-54 4原子原子原子核（正电）原子核（正电）核外电子（负电）核外电子（负电）核反应中发生变化核反应中发生变化化学反应中发生变化化学反应中发生变化1.1.连续光谱与不连续光谱连续光谱与不连续光谱连续连续: :某些物理量的变化没有最小单位某些物理量的变化没有最小单位. .t,l,v,st,l,v,s不连续不连续: :某些物理量的变化有最小单位某些物理量的变化有最小单位. .电量电量q q不连续是微观世界的重要特征，是量子化条件。不连续是微观世界的重要特征，是量子化条件。2022-7-52022-7-55 5白光做光源白光

3、做光源连续光谱：包含所有不同波长的光谱连续光谱：包含所有不同波长的光谱2022-7-52022-7-56 6不连续光谱（原子光谱或线状光谱）不连续光谱（原子光谱或线状光谱） 每种元素的原子都有自己的特征光谱，不每种元素的原子都有自己的特征光谱，不同元素的原子光谱各不相同同元素的原子光谱各不相同-光谱分析。光谱分析。单原子（离子）气体做光源单原子（离子）气体做光源2022-7-52022-7-57 72.2.氢原子光谱氢原子光谱)6 ,5 ,4 ,3n()n121(R22 巴尔麦公式巴尔麦公式700 600 500 400 700 600 500 400 /nm/nmH H H H H HH H

4、4 4条谱线频率分别为：条谱线频率分别为：656.5656.5nm,486.1nm,434.0nm,410.2nmnm,486.1nm,434.0nm,410.2nm2022-7-52022-7-58 8所有区域（红外、紫外、可见）所有区域（红外、紫外、可见） 思考题思考题 ：由公式能看出谱线频率有何特征？：由公式能看出谱线频率有何特征？ 氢原子光谱的谱线频率不是任意变化的，氢原子光谱的谱线频率不是任意变化的，而是随着两个正整数的改变而做跳跃式的变化，而是随着两个正整数的改变而做跳跃式的变化，即氢原子光谱为不连续光谱。即氢原子光谱为不连续光谱。为为里里得得堡堡常常数数均均为为正正整整数数、R,

5、nn,nn)nn(.)nn(R211222211522211110289311 实实验验结结论论2022-7-52022-7-59 9理论要点理论要点3.3.玻尔理论玻尔理论2022-7-52022-7-51010稳定轨道：稳定轨道：核外电子是在一些符合一定条件核外电子是在一些符合一定条件的轨道上运动。这些轨道具有固定的能量的轨道上运动。这些轨道具有固定的能量P=mr= nh/2P=mr= nh/2，称稳定轨道。在此轨道上运称稳定轨道。在此轨道上运动的电子不放出能量，也不吸收能量。动的电子不放出能量，也不吸收能量。轨道能级：轨道能级：不同的稳定轨道能量不同，电子不同的稳定轨道能量不同，电子离核

6、越远，能量越高。离核最近的轨道能量最离核越远，能量越高。离核最近的轨道能量最低，称低，称基态；基态；电子获得能量跃迁到离核较远、电子获得能量跃迁到离核较远、能量较高的状态为能量较高的状态为激发态。激发态。 氢：氢：E=-13.6/nE=-13.6/n2 2(ev)(ev)（n n为正整数）为正整数）2022-7-52022-7-51111n=1,En=1,E1 1=-13.6ev,r=-13.6ev,r1 1=1=12 252.952.9pm(pm(玻尔半径）玻尔半径）n=2,En=2,E2 2=-13.6/4=-13.6/4（evev）,r,r2 2=2=22 252.952.9pmpmn=

7、3,En=3,E3 3=-13.6/9=-13.6/9（evev）,r,r3 3=3=32 252.952.9pmpm 随着随着n n的增加，电子离核越来越远，能量越的增加，电子离核越来越远，能量越来越高，来越高，n n为量子数，当为量子数，当nn，意味着电子完意味着电子完全脱离原子核的电场引力，全脱离原子核的电场引力，E=0E=0（最大）最大）n=1,n=1,电离能电离能=13.6=13.61.61.61010-22-226.026.0210102323 =1311.6 =1311.6kJmolkJmol-1-12022-7-52022-7-51212激发态原子发光的原因激发态原子发光的原因

8、 处于激发态的电子极不稳定，它会迅速回处于激发态的电子极不稳定，它会迅速回到能量较低的轨道，并以光子的形式释放出能到能量较低的轨道，并以光子的形式释放出能量。所以激发态原子能发光。量。所以激发态原子能发光。紫外紫外可见光可见光2022-7-52022-7-51313)n1n1(10289.3)n1n1(10626.6106.16.1310626.6106.1)n6.13n6.13(hEEE222115222134193419212212 氢氢原原子子 理论推导与实验结果完全相同。即波尔理论能理论推导与实验结果完全相同。即波尔理论能较好地解释氢原子光谱产生的原因和规律性。较好地解释氢原子光谱产生

9、的原因和规律性。电子运动频率的理论推导电子运动频率的理论推导2022-7-52022-7-51414nm5.656)cm(10565.61057.4103c)s(1057.4)3121(10289.37148114221523 由于由于n n只能取正整数，所以波长是不连续只能取正整数，所以波长是不连续的，即为不连续光谱。的，即为不连续光谱。H H：=656.5nm=656.5nm2022-7-52022-7-51515 波尔理论的缺陷：只能解释单电子原子或波尔理论的缺陷：只能解释单电子原子或离子光谱的一般现象，不能解释谱线的分裂和离子光谱的一般现象，不能解释谱线的分裂和多电子原子光谱，更不能用

10、它进一步研究化学多电子原子光谱，更不能用它进一步研究化学键的形成等键的形成等。2022-7-52022-7-51616二、微观粒子的波粒二象性二、微观粒子的波粒二象性1.1.光的波粒二象性光的波粒二象性2.2.电子的波粒二象性电子的波粒二象性 1924 1924年德布罗意预言：一些实物粒子年德布罗意预言：一些实物粒子 ( (如电子、中子、质子等如电子、中子、质子等) )也具有波粒二象性，也具有波粒二象性，其波长为其波长为 = = h/mh/m hmcpmcchmchE22衍射和干涉衍射和干涉- -波动性波动性光电效应光电效应- -粒子性粒子性2022-7-52022-7-51717 电子衍射实

11、验证明了电子具有粒子性和波动电子衍射实验证明了电子具有粒子性和波动性。波粒二象性是微观粒子的基本属性之一。性。波粒二象性是微观粒子的基本属性之一。电子衍射电子衍射2022-7-52022-7-518183. 3. 测不准原理测不准原理 德国物理学家海森保提出微德国物理学家海森保提出微观粒子的位置与动量之间存在着测不准关系，观粒子的位置与动量之间存在着测不准关系，即即 xx p p h/2 h/2 ， xx h/2m h/2m (h (h为普朗克常数：为普朗克常数：6.626 6.626 10 10 -34 -34 ， x x和和 p p 分分别为位置和动量不确定量别为位置和动量不确定量) )。

12、根据测不准原理，。根据测不准原理，粒子位置的测量准确度越大（粒子位置的测量准确度越大（ x x越小）越小） ，其，其动量的准确度就会愈小（动量的准确度就会愈小（ p p越大）越大） ，反之亦，反之亦然。然。问题：为什么宏观物体不具有波粒二象性？问题：为什么宏观物体不具有波粒二象性？ 如：如：1 1克运动速度为克运动速度为300300米米/ /秒的子弹秒的子弹 表现波动性时波长约为表现波动性时波长约为 10 10-26-26 nmnm。2022-7-52022-7-51919 对于宏观物体对于宏观物体m=10m=10克的物体，克的物体， x = 0.1mmx = 0.1mm（已已相当准确），相当

13、准确）， 10 10-28-28 m.sm.s-1-1，远远小于可测量远远小于可测量的限度范围，的限度范围，表明测不准原理对于宏观物体实际表明测不准原理对于宏观物体实际上不起作用。上不起作用。 对于电子对于电子, ,m=9.11m=9.111010-31-31Kg,Kg,其大小数量级为其大小数量级为1010-10-10 m m，则其位置的合理准确度至少要达到则其位置的合理准确度至少要达到 x10 x10-11-11 m m，根据测不准原理，电子速度的不准根据测不准原理，电子速度的不准确度为确度为 6 6 10 106 6 m.sm.s-1-1，这已与电子的本身速这已与电子的本身速度相当。度相当

14、。2022-7-52022-7-52020 确定电子位置的同时，其速度就测不确定电子位置的同时，其速度就测不准，准，要同时测准其位置和速度是不可能的要同时测准其位置和速度是不可能的表明电子运动的固定轨道已不复存在。表明电子运动的固定轨道已不复存在。 否定了玻尔理论中核外电子运动有固否定了玻尔理论中核外电子运动有固定轨道的观点。定轨道的观点。2022-7-52022-7-52121三、波函数和原子轨道三、波函数和原子轨道1.1.薛定谔方程薛定谔方程- -微观粒子运动所遵循的基本方程微观粒子运动所遵循的基本方程 （波塞）波塞）- -波函数：不是具体的数，而是波函数：不是具体的数，而是描述微观粒子运

15、动状态的数学表达式描述微观粒子运动状态的数学表达式。是空间。是空间坐标坐标x x、y y、z z的函数。的函数。（x x、y y、z)z)。m m：粒子的质量粒子的质量; ;E E：体系的总能量；体系的总能量；V V：势能势能m m、E E、V-V-体现微粒性；体现微粒性；-体现波动性体现波动性0V)(Ehm8zyx222222222022-7-52022-7-52222 解方程就是要解出微观粒子（如电子）每解方程就是要解出微观粒子（如电子）每一种可能的运动状态所对应的波函数一种可能的运动状态所对应的波函数和能量和能量E E，方程的每一个合理的解方程的每一个合理的解就代表体系中电就代表体系中电

16、子的一种可能的运动状态。子的一种可能的运动状态。 为解方程，将直角坐标为解方程，将直角坐标（x x、y y、z)z)转化转化为球坐标为球坐标（r r、)2022-7-52022-7-52323222zyxrcosrzsinsinrycossinrx (x(x、y y、z)z)（r r、） =R =R（r) Yr) Y（ 、)波函数径波函数径向部分向部分波函数角波函数角度部分度部分2022-7-52022-7-524242.2.波函数和原子轨道波函数和原子轨道 波函数波函数的空间图象为原子轨道的空间图象为原子轨道，它指的是，它指的是电子在原子核外运动的某个空间范围。或者说电子在原子核外运动的某个

17、空间范围。或者说原子轨道的数学表达式是波函数。原子轨道的数学表达式是波函数。2022-7-52022-7-52525 为了得到电子运动状态的合理解，必需引为了得到电子运动状态的合理解，必需引进几个参数进几个参数n n、l l、m,m,称它们为量子数称它们为量子数（表征微（表征微观粒子运动状态的一些特定的数字）观粒子运动状态的一些特定的数字），每个量，每个量子数都有其确定的取值范围。子数都有其确定的取值范围。 对应于一组合理的对应于一组合理的n n、l l、m m取值，必有一个取值，必有一个确定的波函数确定的波函数(r(r、)n n、l l、m m对应，也就是对应，也就是有一个确定的原子轨道。有

18、一个确定的原子轨道。1 1、0 0、0 0 代表代表1 1s s原子轨道原子轨道, ,2 2、1 1、0 0 代表代表2 2p pz z原子轨道原子轨道确定一个电子的运动状态还需加一个确定一个电子的运动状态还需加一个m mS S量子数。量子数。2022-7-52022-7-526262022-7-52022-7-52727* *3.3.四个量子数四个量子数 电子在核外的运动不是任意的，而只能取一定的电子在核外的运动不是任意的，而只能取一定的运动状态，一般需要四个量子数才能确定一个电子的运动状态，一般需要四个量子数才能确定一个电子的运动状态。运动状态。（1 1）主量子数）主量子数n n 意义：描

19、述电子层能量的高低次序和离核的远近。意义：描述电子层能量的高低次序和离核的远近。 取值：取值： 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6正整数正整数 符号：符号： K L M N O P K L M N O P n=1 n=1表示能量最低、离核最近的第一电子层。表示能量最低、离核最近的第一电子层。n n越越大，该电子层离核平均距离越远，能级越高。大，该电子层离核平均距离越远，能级越高。2022-7-52022-7-52828（2 2）角量子数）角量子数l l 意义：表示同一电子层中有不同的分层（亚层）；意义：表示同一电子层中有不同的分层（亚层）；确定原子轨道的形状并在多电子原子中和主量子

20、数一确定原子轨道的形状并在多电子原子中和主量子数一起决定电子的能量。起决定电子的能量。取值：取值：0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 （n n1 1）正整数正整数 符号：符号：s p d f g s p d f g n n取值取值: 1 : 1 2 2 3 3 4 4l l取值取值: 0 : 0 0 10 1 0 1 2 0 1 2 0 1 2 30 1 2 3轨轨 道道: 1: 1s s 2s 2p2s 2p 3s 3p 3d 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f4s 4p 4d 4f2022-7-52022-7-52929 每个每个n n值最多对应值最多对应n n个不相同的角量子数

21、个不相同的角量子数l l，即每即每个电子层最多有个电子层最多有n n个亚层。个亚层。 l l的每个值还可表示一种形状的原子轨道的每个值还可表示一种形状的原子轨道 l=0 l=0，s s轨道，球形；轨道，球形；l=1l=1，p p轨道，亚铃形；轨道，亚铃形； l=2 l=2，d d轨道，花瓣形轨道，花瓣形 单电子体系（氢原子或类氢离子），各种状态的单电子体系（氢原子或类氢离子），各种状态的电子能量只与电子能量只与n n有关有关. . n n不同，不同，l l相同相同 E E1s1sE E2s2sE E3s3sE E4s4s n n相同，相同，l l不同不同 E E4S4S=E=E4p4p=E=E

22、4d4d=E=E4f4f2022-7-52022-7-530302022-7-52022-7-53131磁量子数磁量子数m m ( (同一亚层中往往还包含着若干空间伸展方同一亚层中往往还包含着若干空间伸展方向不同的原子轨道。向不同的原子轨道。) )意义意义: :决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向取值：与取值：与l l有关，给定有关，给定l l，m m有有2 2l+1l+1个值个值 - -l 0 +ll 0 +l2022-7-52022-7-53232l m l m 轨道符号轨道符号 轨道数量轨道数量0 0 0 0 s 1s 11 -1,0,+1 1 -1,

23、0,+1 p 3p 32 -2,-1,0,+1,+2 2 -2,-1,0,+1,+2 d 5d 53 -3,-2,-1,0,+1,+2,+3 3 -3,-2,-1,0,+1,+2,+3 f 7f 7 没有外加磁场时，同一亚层中的原子轨道能量相没有外加磁场时，同一亚层中的原子轨道能量相等（等（3 3个个p p轨道，轨道，5 5个个d d轨道，轨道，7 7个个f f轨道轨道），称），称简并轨道简并轨道或等价轨道。或等价轨道。 在外界强磁场的作用下，因轨道的空间伸展方向在外界强磁场的作用下，因轨道的空间伸展方向不同，能量上会显示出微小的差别，这是线状光谱在不同，能量上会显示出微小的差别，这是线状光谱

24、在磁场中发生分裂的根本原因。磁场中发生分裂的根本原因。2022-7-52022-7-53333综上所述：综上所述： 一组合理的一组合理的n n、l l、m,m,可确定一个原子轨道可确定一个原子轨道离核的远近、形状和伸展方向。离核的远近、形状和伸展方向。n=3,l=1,m=0 n=3,l=1,m=0 3,1,0 3,1,0 对应对应3 3p pz z轨道。轨道。思考：思考：n=4,l=0,m=o n=4,l=0,m=o 代表什么轨道？代表什么轨道？4 4s s轨道，轨道，4,0,04,0,02022-7-52022-7-53434自旋量子数自旋量子数电子除绕核运动外电子除绕核运动外,还绕着自身的

25、轴作自旋运动还绕着自身的轴作自旋运动意义：描述核外电子的自旋状态意义：描述核外电子的自旋状态取值：取值：+1/2+1/2，-1/2 -1/2 ；， 四个量子数四个量子数 n,l,m,mn,l,m,ms s可确定一个电子在原可确定一个电子在原子核外的运动状态子核外的运动状态 练习：用合理的量子数表示练习：用合理的量子数表示3 3d d能级；能级；2 2p pZ Z轨道；轨道；4 4s s1 1电子电子2022-7-52022-7-535353d3d能级能级 n=3,l=2; n=3,l=2; 2p2pZ Z轨道轨道 n=2,l=1,m=0n=2,l=1,m=04 4s s1 1电子电子 n=4,

26、l=1,m=0,mn=4,l=1,m=0,ms s=+1/2=+1/2或或-1/2-1/2 结论：同一原子中，不可能有运动状态完结论：同一原子中，不可能有运动状态完全相同的电子存在，即同一原子中各个电子的全相同的电子存在，即同一原子中各个电子的四个量子数不可能完全相同。四个量子数不可能完全相同。 一个轨道中只能容纳一个轨道中只能容纳2 2个自旋相反的电子；个自旋相反的电子； 各电子层的轨道数各电子层的轨道数= =n n2 2 各电子层电子的最大容量各电子层电子的最大容量=2=2n n2 22022-7-52022-7-53636四、几率密度和电子云四、几率密度和电子云1.1.几率密度几率密度几

27、率：电子在核外空间出现机会的多少几率：电子在核外空间出现机会的多少 射击射击10001000次次中十环中十环500500次次几率几率50%50%或或0.50.5中九环中九环250250次次几率几率25%25%或或0.250.25脱靶脱靶1 1次次几率几率0.1%0.1%或或0.0010.001几率密度：是指空间某处单位体积几率密度：是指空间某处单位体积中出现的几率。用中出现的几率。用2表示，表示， 2V=几率几率2022-7-52022-7-537372.2.电子云：电子云： 用小黑点的疏密来描述电子在核外空间各处用小黑点的疏密来描述电子在核外空间各处的几率密度分布所得到的空间图象称为电子云。

28、的几率密度分布所得到的空间图象称为电子云。-几率密度几率密度2 2的空间图象是电子云的空间图象是电子云电子云等密度面图电子云等密度面图 包含电子出现几包含电子出现几率的率的90%90%或或95%95%哪个电哪个电子云等密度面来表示子云等密度面来表示电子云的形状叫电子电子云的形状叫电子云的界面图。云的界面图。电子云界面图电子云界面图2022-7-52022-7-53838 处于不同运动状态的电子，波函数处于不同运动状态的电子，波函数各不各不相同，所以相同，所以2 2也不相同，其对应的空间图也不相同，其对应的空间图象象- -原子轨道和电子云也不相同。原子轨道和电子云也不相同。s,ps,p原子轨道示

29、意图原子轨道示意图s,ps,p电子云轮廓图电子云轮廓图2022-7-52022-7-53939五、波函数与电子云的分布图五、波函数与电子云的分布图 1.1.波函数的径向分布与角度分布波函数的径向分布与角度分布 波函数波函数( x( x、y y、z)z)表示电子在核外空间表示电子在核外空间的运动状态，其空间图象是原子轨道。的运动状态，其空间图象是原子轨道。 (x (x、y y、z)= z)= （r r、) = R = R（r r） Y Y（、） 径向部分径向部分 角度部分角度部分2022-7-52022-7-54040氢原子基态氢原子基态(1S)1S)： 00ar30ar30ea412,r 41

30、,Yea12rR:,YrR,r角角度度部部分分径径向向部部分分: 2022-7-52022-7-54141 玻玻尔尔半半径径）pm(9.52a ea12rR0ar-300 氢原子波函数的径向分布图（氢原子波函数的径向分布图（1 1s)s)径向波函数图径向波函数图 R(r)-rR(r)-r 0120030 R,raR,r2022-7-52022-7-54242同理同理2 2s sr rR(r(r)2022-7-52022-7-54343* 波函数或原子轨道的角度分布图波函数或原子轨道的角度分布图2022-7-52022-7-544442.2.电子云的径向与角度分布图电子云的径向与角度分布图 几率

31、密度几率密度2 2的空间图象是电子云的空间图象是电子云 * * 径向分布图径向分布图D D（r)-rr)-r 几率几率=2 2V=V=2 24r4r2 2dr=Ddr=D（r)drr)dr D D（r)drr)dr代表在半径为代表在半径为r r，厚度为厚度为drdr的球壳内的球壳内找到电子的几率。找到电子的几率。球壳薄层球壳薄层drdr2022-7-52022-7-54545几率几率=2 2dV=dV=2 24r4r2 2dr =Ddr =D（r)drr)dr2022-7-52022-7-54646D(r)D(r)D(r)D(r)D(r)D(r)D(r)D(r)D(r)D(r)曲线的峰数曲线的

32、峰数= = n-n-个个2022-7-52022-7-54747径向径向密度图密度图R R2 2(r) (r) r r 2 2=R=R2 2（r r）YY2 2( (、)2022-7-52022-7-54848* * 电子云角度分布图电子云角度分布图Y Y2 2（,）- ,- , Y Y（,）与主量子数无关，所以只要与主量子数无关，所以只要l l和和m m相同，电子云角度分布图就相同。相同，电子云角度分布图就相同。2022-7-52022-7-549493.3.电子云的总体空间分布图象电子云的总体空间分布图象 将将2 2的径向部分的径向部分R R2 2与角度部分与角度部分Y Y2 2结合起来，

33、结合起来，就可得到完整的电子云就可得到完整的电子云2 2的空间分布图。的空间分布图。2022-7-52022-7-550504 1)-2(8102/-0302sareara2022-7-52022-7-55151 2 2p p态态: :n n =2 , =2 , l l =1 , =1 , m m = +1,0,-1= +1,0,-1cos43e)ar(a2410za2/r030p2 -0.5A-0A5.0A877.0AY5.005.0866.01cos1209060300cosAcos43),(YZ2P 2022-7-52022-7-55252XYXY平面上的电子云密度为平面上的电子云密度为

34、0 02022-7-52022-7-553532022-7-52022-7-554543 3d d态态: :n n=3, =3, l l=2=20m2l3nd32z 2l3nd322yx 2022-7-52022-7-555552l3nd3xy 2l3nd3xz 2022-7-52022-7-556562l3nd3yz 2022-7-52022-7-55757* *3-2 3-2 核外电子的排布和元素周期系核外电子的排布和元素周期系一、多电子原子的能级一、多电子原子的能级二、核外电子排布的原则二、核外电子排布的原则三、原子的电子层结构和元素周期系三、原子的电子层结构和元素周期系2022-7-5

35、2022-7-55858一、多电子原子的能级一、多电子原子的能级1.1.鲍林的原子轨道近似能级图鲍林的原子轨道近似能级图A. A. 对于氢原子对于氢原子（单电子原子（单电子原子) ) 核外的一个电子只受核的吸引，核外的一个电子只受核的吸引，E E只与只与n n有关有关)eV(13.613.6E222n1nZ电子E E1 1EE2 2EE3 3EE4 4 E En n E Ensns=E=Enpnp=E=Endnd=E=Enfnf2022-7-52022-7-55959B B、多电子原子多电子原子 核外电子不仅受到核的吸引，而且彼此间核外电子不仅受到核的吸引，而且彼此间也存在着相互排斥。也存在着

36、相互排斥。E E与与n,ln,l有关，其能级的高有关，其能级的高低次序由光谱实验确定。低次序由光谱实验确定。鲍鲍林林近近似似能能级级图图2022-7-52022-7-56060 说明说明1.1.能级组与周期对应；能级组与周期对应；2.2.此能级图只反映了此能级图只反映了同同一原子内一原子内各原子轨道的各原子轨道的能级高低顺序。能级高低顺序。鲍林近似能级图鲍林近似能级图2022-7-52022-7-56161特点：特点： 能级组间能量差大，能级组内能量差小能级组间能量差大，能级组内能量差小 简并轨道能量相同（简并轨道能量相同（3 3个个p p，5 5个个d d，7 7个个f f） l l相同，相

37、同，n n越大能量越高。例：越大能量越高。例：E E2P2PEE3P3PEE4P4P n n相同，相同，l l越大能量越高。例：越大能量越高。例：E E4s4sEE4p4pEE4d4dEE4f4f n n和和l l同时变动时，发生能级交错同时变动时，发生能级交错 E EnsnsEE(n-2)f(n-2)fEE(n-1)d(n-1)dEEnpnp E E6s6sEE4f4fEE5d5dEEE4s4s 能级交错能级交错2022-7-52022-7-56969电子能级分组表电子能级分组表- -徐光宪的（徐光宪的（n+0.7l)n+0.7l)近似规律近似规律原子轨道原子轨道n+0.7ln+0.7l能级

38、组能级组组内状态数组内状态数1 1s s1.01.02 22 2s s2p2p2.02.02.72.78 83 3s s3p3p3.03.03.73.78 84 4s s3d3d4p4p4.04.04.44.44.74.718185 5s s4d4d5p5p5.05.05.45.45.75.718186 6s s4f4f5d5d6p6p6.06.06.16.16.46.46.76.732327 7s s5f5f6d6d7.07.07.17.17.47.4未完未完2022-7-52022-7-570704.4.科顿原子轨道能级图科顿原子轨道能级图52022-7-52022-7-57171 随原子

39、序数的增加，核电荷对电子的引力随原子序数的增加，核电荷对电子的引力增强，轨道能量降低。增强，轨道能量降低。15-2015-20号元素：号元素：E E4s4sEEE3d3d 一些元素的原子轨道能级排列顺序与鲍一些元素的原子轨道能级排列顺序与鲍林的近似能级图不一致林的近似能级图不一致. .2022-7-52022-7-57272二、核外电子排布三原则二、核外电子排布三原则1.1.能量最低原理：能量最低原理：电子在原子轨道上的分布，要尽可电子在原子轨道上的分布，要尽可能地使电子的能量为最低。能地使电子的能量为最低。2.2.保里不相容原理：保里不相容原理：每个原子轨道最多只能容纳每个原子轨道最多只能容

40、纳2 2个个自旋方向相反的电子。或者自旋方向相反的电子。或者, ,同一原子中同一原子中, ,不可能有不可能有两个电子处于完全相同的状态。两个电子处于完全相同的状态。3.3.洪特规则：洪特规则：在在n n和和l l相同的简并轨道上分布的电子，相同的简并轨道上分布的电子，将尽可能分占将尽可能分占m m不同的轨道。不同的轨道。 洪特规则特例：洪特规则特例：同一亚层，当电子分布为全满、半同一亚层，当电子分布为全满、半满或全空时，原子最稳定。满或全空时，原子最稳定。 全充满全充满 p p6 6，d d1010，f f14 14 半充满半充满 p p3 3， d d5 5， f f7 7 全全 空空 p

41、p0 0， d d0 0， f f0 02022-7-52022-7-57373思考思考: : 2424Cr 1sCr 1s2 2 2s2s2 2 2p 2p6 6 3s3s2 2 3p3p6 6 3d 3d4 4 4s 4s2 2 ？ 2929Cu 1sCu 1s2 2 2s2s2 2 2p 2p6 6 3s3s2 2 3p3p6 6 3d 3d9 9 4s 4s2 2 ？ 24 24Cr 1sCr 1s2 2 2s2s2 2 2p 2p6 6 3s3s2 2 3p3p6 6 3d 3d5 5 4s 4s1 1 2929Cu 1sCu 1s2 2 2s2s2 2 2p 2p6 6 3s3s2

42、 2 3p3p6 6 3d 3d1010 4s 4s1 17 7N:1sN:1s2 22s2s2 22p2p3 3 电子分布式电子分布式1 1s s 2 2s s 2 2p p 轨道表示式轨道表示式2022-7-52022-7-57474 为了方便和突出电子的排布特点，常将内为了方便和突出电子的排布特点，常将内层已达到稀有气体电子结构的部分写成层已达到稀有气体电子结构的部分写成“原子原子实实”，用稀有气体元素符号加括号表示。如：，用稀有气体元素符号加括号表示。如： 2626Fe Fe 1s1s2 2 2s2s2 2 2p 2p6 6 3s3s2 2 3p3p6 6 3d 3d6 6 4s 4s

43、2 2 Ar 3d Ar 3d6 6 4s 4s2 2 3d3d6 6 4s 4s2 2- -为价电子层构型为价电子层构型价电子层价电子层- -价电子价电子 ns+np,(n-1)d+nsns+np,(n-1)d+ns 所在亚层所在亚层4747Ag:Ag:4d4d10105s5s1 12022-7-52022-7-57575 电子分布式电子分布式 价电子层构型价电子层构型8282Pb:Xe4fPb:Xe4f14145d5d10106s6s2 26p6p2 2 6s6s2 26p6p2 23535Br:Ar3dBr:Ar3d10104s4s2 24p4p5 5 4s4s2 24p4p5 5注：价

44、电子层中的电子并非全是价电子注：价电子层中的电子并非全是价电子价电子的电离顺序：价电子的电离顺序：npns(n-1)d(n-2)fnpns(n-1)d(n-2)f价电子的填充顺序：价电子的填充顺序：ns(n-2)f(n-1)dnpns(n-2)f(n-1)dnp练习：练习：P P118118 13 132022-7-52022-7-57676三、原子的电子层结构和元素周期系三、原子的电子层结构和元素周期系周期周期能级组能级组能级组内各原子轨道能级组内各原子轨道元素数目元素数目1 11 1s s2 22 22 2s,2ps,2p8 83 33 3s,3ps,3p8 84 44 4s,3d,4ps

45、,3d,4p18185 55 5s,4d,5ps,4d,5p18186 66 6s,4f,5d,6ps,4f,5d,6p32327 77 7s,5f,6d,7ps,5f,6d,7p未完未完2022-7-52022-7-57777周期数周期数= =最外电子层的主量子数最外电子层的主量子数= =最高能级组最高能级组所在的组数。所在的组数。2626Fe: Ar 3dFe: Ar 3d6 6 4s 4s2 2 各周期元素的数目各周期元素的数目= =相应能级组中原子轨道所相应能级组中原子轨道所能容纳的电子总数。能容纳的电子总数。思考：思考：为什么原子的最外层最多只有为什么原子的最外层最多只有8 8个电子

46、，个电子， 次外层最多只有次外层最多只有1818个电子？个电子？ 1.1.原子的电子层结构与周期的关系原子的电子层结构与周期的关系2022-7-52022-7-578782.2.原子的电子层结构与族的关系原子的电子层结构与族的关系7 7个主族（个主族（A A），），7 7个副族（个副族（B B），），零族，零族，族族2022-7-52022-7-57979主族元素：族数主族元素：族数= =原子最外电子层的电子数原子最外电子层的电子数( (ns+np)=ns+np)=该族元素的最高氧化数（化合价）该族元素的最高氧化数（化合价）副族元素副族元素 B-BB-B族数族数=(=(n-1)d+nsn-1)

47、d+ns的电子数的电子数 B B、B B族数族数= =最外层电子数最外层电子数nsns1-21-2 参加反应的电子除了最外层的参加反应的电子除了最外层的nsns电子外，还电子外，还有次外层的有次外层的d d电子。电子。2022-7-52022-7-580803.3.原子的电子层结构与元素的分区原子的电子层结构与元素的分区IAIAIIAIIABB VIIBVIIB、VIIIVIIIIBIB BBO OA A VIIA VIIALa 系系Ac 系系S S区区d d区区dsds区区p p区区f f区区2022-7-52022-7-581812022-7-52022-7-58282s s区元素：区元素

48、：最后一个电子排在最后一个电子排在s s轨道上，价电子构型为轨道上，价电子构型为 nsns1 1 2 2，包括碱金属和碱土金属包括碱金属和碱土金属. .p p区元素：区元素：最后一个电子排在最后一个电子排在p p轨道上，价电子构型为轨道上，价电子构型为nsns2 2npnp1 1 6 6，包括包括A A A A 和零族。和零族。d d区元素：区元素：最后一个电子排在次外层的最后一个电子排在次外层的d d轨道上，价电子轨道上，价电子构型为构型为 ( (n-1)dn-1)d1 1 9 9nsns1 1 2 2，包括包括B B BB和和。dsds区元素：区元素：价电子构型为价电子构型为( (n-1)

49、dn-1)d1010nsns1 1 2 2，包括包括IBIB、B B ，它与它与s s区不同，它的次外层区不同，它的次外层d d轨道上充满电子。轨道上充满电子。f f区元素：区元素：最后一个电子排在倒数第三层的最后一个电子排在倒数第三层的f f轨道上，价轨道上，价电子构型一般为电子构型一般为( (n-2)fn-2)f1 1 1414nsns2 2，包括包括LaLa系和系和AcAc系。系。2022-7-52022-7-583833-3 3-3 元素基本性质的周期性元素基本性质的周期性 由于原子电子层结构呈现周期性，因此与由于原子电子层结构呈现周期性，因此与电子层结构有关的元素的基本性质如：原子半

50、电子层结构有关的元素的基本性质如：原子半径、电离能、电子亲合能、电负性等也呈现明径、电离能、电子亲合能、电负性等也呈现明显的周期性。显的周期性。一、原子半径一、原子半径 理论上，原子半径是指最外层电子到原子理论上，原子半径是指最外层电子到原子核的距离。因电子的运动无固定轨道，无法测核的距离。因电子的运动无固定轨道，无法测单个原子半径，测整块物质。单个原子半径，测整块物质。2022-7-52022-7-584841.1.原子半径的类型原子半径的类型 原子的共价半径：同种元素的两个原子原子的共价半径：同种元素的两个原子以共价单键连接时，它们核间距离的一半叫原以共价单键连接时，它们核间距离的一半叫原

51、子的共价半径。子的共价半径。 金属半径：把金属晶体看成是由球状的金金属半径：把金属晶体看成是由球状的金属原子堆积而成，假定相邻两原子彼此接触，属原子堆积而成，假定相邻两原子彼此接触，则其核间距的一半就是该原子的金属半径。则其核间距的一半就是该原子的金属半径。2022-7-52022-7-58585共价半径共价半径 d = 2 rd = 2 r共共金属半径金属半径 d = 2 rd = 2 r金金范德华半径范德华半径 d = 2 rd = 2 r范范 范德华半径：当两个原子之间只靠分子范德华半径：当两个原子之间只靠分子间作用力相互接近时（如稀有气体的单原子分间作用力相互接近时（如稀有气体的单原子

52、分子），两原子之间核间距离的一半就叫范德华子），两原子之间核间距离的一半就叫范德华半径。半径。2022-7-52022-7-586862.2.原子半径的周期性原子半径的周期性2022-7-52022-7-58787 同周期的主族元素同周期的主族元素, ,自左向右，元素的有效自左向右，元素的有效核电荷数核电荷数 ，原子半径，原子半径 同周期的副族元素同周期的副族元素, ,自左向右，元素的有效自左向右，元素的有效核电荷数核电荷数 ( ( 增大的幅度较小增大的幅度较小 ) )，原子半径，原子半径 （减小的幅度比主族小得多）（减小的幅度比主族小得多） 同主族元素由上而下，同主族元素由上而下，n n （

53、即电子层数即电子层数增加），原子半径增加），原子半径 同副族元素由上而下半径增大的幅度较小，同副族元素由上而下半径增大的幅度较小，特别是第五、六周期的同族元素，原子半径很特别是第五、六周期的同族元素，原子半径很相近相近( (镧系收缩，镧系收缩，P P107107）。）。2022-7-52022-7-588881.1.定义定义 某元素一个某元素一个基态的气态原子基态的气态原子失去一个失去一个电子形成正一价的电子形成正一价的气态离子气态离子时所需要的能量叫时所需要的能量叫做这种元素的第一电离能。常用符号做这种元素的第一电离能。常用符号I I1 1表示，表示，单位单位kJmolkJmol-1-1。

54、M(g)-e M(g)-e- -M M+ +(g) I(g) I1 1 ；M M+ +(g)- e(g)- e- - M M2+2+(g(g）I I2 22.2.作用作用I I是衡量元素金属性的一种尺度。是衡量元素金属性的一种尺度。I I越小表示越小表示元素的原子越易失电子，金属性越强。元素的原子越易失电子，金属性越强。用于说明元素通常呈现的价态用于说明元素通常呈现的价态 同一元素的电离能：同一元素的电离能： I I1 1 I I2 2 I I3 3 二、电离能二、电离能2022-7-52022-7-58989根据各级电离能差值的大小确定氧化态。根据各级电离能差值的大小确定氧化态。P P111

55、1112022-7-52022-7-590903.3.影响电离能大小的因素影响电离能大小的因素 电离能的大小主要取决于原子的核电荷、电离能的大小主要取决于原子的核电荷、原子半径及原子的电子层结构原子半径及原子的电子层结构2022-7-52022-7-59191 核电荷及原子半径核电荷及原子半径主族元素：同周期，从左到右，主族元素：同周期，从左到右，I I1 1增大增大 同族，从上到下，同族，从上到下，I I1 1减小减小过渡元素：过渡元素：I I1 1变化不大，总趋势是从左到变化不大，总趋势是从左到右右I I1 1 略有增加略有增加 * * 电子层结构的影响电子层结构的影响A A 各周期末尾的

56、稀有气体电离能最大；各周期末尾的稀有气体电离能最大；B B 同周期，同周期，I I总趋势增大，但有反常总趋势增大，但有反常2022-7-52022-7-59292I I1 1（B B）I I1 1（Be) IBe) I1 1（O O）I I1 1（N) N) 2s2s2 22p2p1 1 2s 2s2 2 2s2s2 22p2p4 4 2s2s2 22p2p3 3 B B、O O等失电子后最外层轨道成为全满、半满等失电子后最外层轨道成为全满、半满或全空的结构，所需能量小。或全空的结构，所需能量小。 Be Be、N N等因结构稳定失电子难等因结构稳定失电子难, ,故需能量高。故需能量高。 总之：

57、稀有气体（总之：稀有气体（s s2 2p p6 6) )、碱土金属碱土金属( (s s2 2) )、BB元素元素( (d d1010s s2 2) )具有反常高的电离能。具有反常高的电离能。重点重点2022-7-52022-7-59393三、电子亲合能三、电子亲合能1.1.定义定义 某元素的一个某元素的一个基态的气态原子基态的气态原子得到一个得到一个电子形成负一价的气态离子时所电子形成负一价的气态离子时所放出放出的能量叫的能量叫做该元素的第一电子亲合能。做该元素的第一电子亲合能。 F(g)+e F(g)+e- -F F- -(g) E(g) E1 1=322kJmol=322kJmol-1-1

58、; ; 意义：意义：1 1molmol气态气态F F原子得到原子得到1 1molmol电子转变为电子转变为1 1molmol气态气态F F- -时，放出能量时，放出能量322322kJkJ。 非金属元素一般具有较大的电子亲合能，非金属元素一般具有较大的电子亲合能，E E越大表示得电子倾向越大。越大表示得电子倾向越大。2022-7-52022-7-594942.E2.E的正负值所代表的意义的正负值所代表的意义E E1 10,0,表示元素的原子得到电子时放出能量表示元素的原子得到电子时放出能量; ;E E1 10(0(如如A),A),表示原子得电子时需吸收能量表示原子得电子时需吸收能量; ;一般一

59、般E E2 20,0,说明负一价离子变成负二价离子要吸热说明负一价离子变成负二价离子要吸热. .O(g)+O(g)+- -OO- -(g) E(g) E1 1=141kJmol=141kJmol-1-1O O- -(g)+(g)+- -OO2-2-(g) E(g) E2 2=-780kJmol=-780kJmol-1-1O(g)+2O(g)+2- -OO2-2-(g) E=-639kJmol(g) E=-639kJmol-1-1 （吸热）吸热）2022-7-52022-7-595953.3.电子亲合能的周期性电子亲合能的周期性F FCICIBrBrI I E E是用来衡量元素原子得电子的难易，

60、半径越是用来衡量元素原子得电子的难易，半径越小，越容易得电子，小，越容易得电子，E E越大。越大。同周期从左到右，同周期从左到右，E E呈增大趋势（放热多）；呈增大趋势（放热多）；同族从上到下同族从上到下E E呈减小趋势。呈减小趋势。2022-7-52022-7-59696* * 思考：解释思考：解释E E1 1（O O）EE1 1(S),E(S),E1 1(F)E(F)2.0,2.0,金属金属的电负性的电负性2.0.2.0.2022-7-52022-7-5101101本章小结本章小结3-1 3-1 核外电子的运动状态核外电子的运动状态一、氢原子光谱和玻尔理论一、氢原子光谱和玻尔理论玻尔理论要