第七章 原子的壳层结构

第七章原子的壳层结构原子性质的周期性变化原子的电子壳层结构原子基态光谱项的确定提纲主要内容原子基态的电子组态思考按周期表顺序排列的元素，其性质呈现周期性变化的原因是什么？描述电子状态的四个量子数（n,l,ml,ms）或（n,l,j,mj）的物理意义是什么？0102元素性质的周期性变化元素周期表1869年俄国化学家门捷列夫经过长期的研究发现元素的性质随着原子量的递增而发生周期性变化，他把当时已发现的63种元素按原子量的递增顺序排成一行，并将性质相似的元素排在一个列中，编成了元素周期表。性质与原子量的递增次序有矛盾时，以元素性质为主预言三种元素的存在,在表中留了空位预言了它们的性质K(钾)和Ar(氩);Co(钴)和Ni(镍);Te(碲)和I(碘)均调换了位置Ga(镓),Sc(钪),

Ge(锗)1875－1886年间被陆续发现。后人又陆续发现了许多新元素，相继填充到周期表中门捷列夫排列周期表周期表现状元素周期表目前统计，共发现114种元素，1994年底是111种。这114种元素中有92种是天然存在的，其余的是人工制造的。这些元素都被人们按照门捷列夫的方法填在了周期表的适当位置上，构成了我们现在使用的元素周期表按周期表排列的元素，原子序数＝核外电子数＝质子数或原子核的电荷数共有七个周期，每个周期元素2,8,8,

18,18,32,28有过渡族元素和稀土元素竖的称为列或族，有8个主族和8个副族每个周期从金属元素开始到惰性气体为止，表中左下部大半是金属，右上半部分是非金属特点元素周期表特点：元素性质的周期性变化按周期表排列的元素，其性质出现周期性变化1．元素的化学性质出现周期性的变化2．元素的光谱性质出现周期性的变化3．元素的物理性质显示周期性的变化元素的电离能原子体积，体胀系数和压缩系数对Z的标绘也都显示出相仿的周期性的变化元素的三种物理量的周期性变化问题为什么每个周期的元素为2,8,8,18,18…为什么元素性质按周期表顺序会出现周期性的变化？为什么有过渡族元素和稀土元素？这些问题都必须从原子结构去了解．只有对原子结构有了彻底的认识，才能从本质上认识元素周期表。确定电子状态的量子数

n=1.2.3

量子数取值范围4个量子数=0,1,2,3……(n-1)m

=0,±1,±2,······，±ms=±1/2

1.主量子数2.轨道角动量量子数

3.轨道磁量子数

4.自旋磁量子数

*一个在原子核的库仑场中运动的核外电子的状态，可用四个量子数来确定。原子的电子壳层结构代表轨道在空间的可能取向，或轨道角动量在某一特殊方向（例如磁场方向的分量-量子力学中代表电子云的伸展方向）。

s=1/2代表自旋角动量，对所有的电子是相同的,不能成为区别电子态的参数。代表电子运动区域的大小和它的总能量的主

要部分,前者按轨道的描述也就是轨道的大小。代表轨道的形状和轨道角动量（按量子力学理论，代表电子云的形状）且也与能量有关。代表自旋的取向，也代表自旋角动量在某一特殊方向（例如磁场方向）的分量。主量子数轨道角量子数轨道磁量子数自旋磁量子数自旋量子数泡利不相容原理能量最低原理在同一个原子中,一个被(n,l,ml,ms)四个量子数表征的态中只能有一个电子；或者说,同一个原子中,不可能有两个或两个以上的电子处在同一个状态；也可以说，不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数。原子在正常状态时，每个电子在不违背泡利不相容原理的前提下，总是趋向占有最低能量的状态，以使原子系统的能量具有最小值。原子中电子分布所遵从的基本原理一个原子中,n,

,m,ms这四个量子数完全相同的电子只能有一个。具有相同量子数n,,m的电子最多能有两个,他们的第四个量子数ms分别为±1/2这是一条实验规律0102泡利不相容原理具有相同量子数n,

的电子最多有2(2+1)个。03推论元素性质的周期性变化具有相同量子数n的电子最多有2n2个

因为对每一个l,ml可取（2l+1）个值，而对每一个ml,ms又可以取两个值。主壳层支壳层我们把原子中n相同的一切电子的集合称为一个主壳层。在每一个主壳层中，具有相同角量子数l的电子的集合称为一个支壳层。原子的电子壳层结构思考元素周期表中，第二和第三周期中都含有8种元素，第四和第五周期都含有18种元素,其原因是什么?原子的3d支壳层按泡利原理一共可以填多少电子？为什么？010256主量子数壳层名称最多电子数2n2角量子数支壳层最多电子数2(2+1)1234KLMNOP2818325072001012301234501201234sspspdspdfspdfghspdfg226

2610

261014

26101418

2610141822

表7.2各壳层可以容纳的最多电子数例题原子中能够有下列量子数相同的最多电子数是多少？

(a)n,l,ml;(b)n,l;(c)n原子中各电子具有下列相同的量子数：(a)ml;(b)ml和ms;试确定原子中填满n

主壳层的电子数目01原子能量的主要部分由n决定，n越小,能量越低原子中各状态能量高低次序02考虑内层电子对原子核的屏蔽作用：E是l的函数：l减小Z*增加。所以,同一主壳层中(n相同而l不同）E(ns)<E(np)<E(nd)<E(nf)当n,l都不相同时，同时考虑n

和Z*l

的影响，则出现能级交错现象。即n大l小的能级，低于

n

小l大的能级。E(4s)<E(3d)<E(4p)E(5s)<E(4d)<E(5p)E(6s)<E(4f)E(5d)<E6p03能级交错的经验公式（n+0.7l）值大的能级较高（n+0.7l）值小的能级较低通常，当n>3时，由n，l决定的状态，可由经验公式：（n+0.7l）值的大小来判断能级的高低2s4f4f5d5d6s6s5p5p4d4d5s5s4p4p3d3d4s4s3p3p3s3s2p2p2sn=6n=5n=4n=3n=2Z~20Z~90456

周周周

期期期图7.3能级交错情况能量最低原理的补充同一支壳层中当电子数为半满、全满、全空时能量最低。在同一支壳层中（l相同）的电子排布时，将首先占据磁量子数ml不同的状态、且使自旋平行。3原子基态的电子组态第一周期1.H

2.He原子处于基态时，核外电子的排布情况1s11s2第二周期3.Li4.Be5.B6.C7.N8.O9.F10.Ne1s22s11s22s21s22s22p11s2s2p1s22s22p21s22s22p31s22s22p41s22s22p51s22s22p6第三周期11.Na1s22p63s112.Mg1s22p63s213.Al1s22p63s23p114.Si1s22p63s23p215.P1s22p63s23p316.S1s22p63s23p4

17.Cl1s22p63s23p5

18.Ar1s22p63s23p6因为3d空着,所以第三周期只有8个元素而不是18个元素从K（钾）开始填充4s特点因为能级交错现象,E(4s)<E(3d)<E(4p)所以K开始了第四个主壳层的填充,也就开始了第四周期各元素的原子都占有四个主壳层。多出一组填充3d支壳层的10个元素，它们大多有两个未满壳层，未满壳层上的电子数是1+2=3,列为第三族。到第36号元素氪为止填满4p支壳层。

共有18个元素。第四周期从元素铷(Ru,

Z=37)开始填充特点又因为能级交错现象(4d支壳层10个,4f

支壳层14个空着)在n壳层留下24个空位,而开始填充第五壳层,所以Rn开始了第五个主壳层的填充,也就开始了第五周期。各元素的原子都占有五个主壳层，多出一组填充4d支壳层的10个元素。到氙(Z=54)元素为止填满5p支壳层。共有18个元素。第五周期从元素铯(Cs,

Z=55)

开始填充特点又因为能级交错现象(4f支壳层、5d等支壳层空着)开始了第六个主壳层的填充，也就开始了第六周期，所以铯是第六周期的第一个元素。各元素的原子都占有六个主壳层。比第4、第5周期多出一组填充4f

支壳层的14个元素，称为稀土族元素或称为镧系元素，到氡(Z=86)Rn元素为止填满6p支壳层，共有32个元素。第六周期从元素钫(Fr,

Z=87)

开始填充特点又因为能级交错现象

(5f支壳层14个空着，所以在O壳层留下14个空位，6d支壳层10个空着，在P壳层留下10个空位)所以Fr开始了第七个主壳层的填充，也就开始了第七周期。各元素的原子都占有七个主壳层。多出一组填充5f

支壳层的14个元素，称为锕系元素。第七周期周期表元素分组p组元素:包括其余A族元素和O族的元素,

外电子层的结构是s2px

(x=1至5)和s2p6型。s组元素:包括ⅠA族和ⅡA族的元素,外电子层的结构是s1型和s2，s里的符号表示外电子层有一个或两个电子,

以下符号的意义类同。d组元素:包括从ⅡB起的B族元素和VⅡ族的元素,外电子层的结构:s2dx或s1dx+1型或s0dx+2(x=1~8)型f组元素:包括la镧系和锕系元素,电子层的结构是fx型。系内元素的差别主要在x的值不同ds组元素:包括ⅠB族和Ⅱ

B族元素和VⅡ族的元素,外电子层的结构:d10s1或d10s2型从横向看从纵向看周期表中的每个周期(除第一周期和不完全的第七周期外)都是从有一个价电子的碱金属开始,随着价电子的依次增加,金属性逐渐减弱而非金属性增强,到有8个价电子(形成满壳层或满支壳层)的惰性气体为止,这是由于元素最外电子层结构的周期性变化造成的。同族元素具有类似的化学，物理性质，这是由于原子最外电子层结构的相似性决定的，其性质上的递变，则决定于原子的电子层数的增加周期表反映元素性质变化的规律性由此可确定元素在周期表中的位置，并写出其电子壳层结构和基态电子组态和光谱项。元素所在的周期数=填充的主壳层数s+p电子数(p

组元素)d+s电子数（d

组元素Co,Ni除外）等于元素所在族数。元素周期律的实质在于：随着原子序数的递增，原子核外的电子在原子的各个能级上周期性有规律的排列，便造成了元素的化学和物理性质的周期性变化。表5.4给出了各种元素原子的外电子壳层结构。元素周期表排布的规律原子在基态时的电子排布和光谱项原子外层电子结构满壳层的电子不考虑考虑泡利原理4原子基态光谱项的确定基本原则考虑能