原子结构与元素周期律

关于原子结构与元素周期律第1页，课件共67页，创作于2023年2月本章学习要求1．了解微观粒子的运动特征、波函数与原子轨道、概率密度与电子云、原子轨道和电子云角度分布图等基本概念；2．掌握四个量子数的物理意义、相互关系及合理组合；3．掌握单电子原子、多电子原子的轨道能级和核外电子排布规律，熟练写出第四周期以内元素原子的核外电子排布式；4．掌握原子结构与周期系的关系,了解元素基本性质的变化规律；第2页，课件共67页，创作于2023年2月物质结构概述物质结构就是要回答：物质的构成?物质结构的三个层次：

物质分子原子原子是由原子核和电子组成的，通常在发生化学反应时，原子核并不发生变化，变化的只是电子，所以讲物质结构就是讲电子是如何运动的。第3页，课件共67页，创作于2023年2月氢原子光谱与Bohr理论Bohr理论假设：(1)核外电子只能沿着一定能量的轨道(稳定轨道)运动(2)通常，电子只有从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才有能量的吸收或放出。处在离核最近的轨道上，能量最低——基态；原子获得能量后，电子被激发到高能量轨道上，原子处于——激发态第4页，课件共67页，创作于2023年2月Bohr理论把宏观的牛顿经典力学用于微观粒子的运动，没有认识到电子等微观粒子的运动必须遵循特有的运动规律和特征，即能量量子化。第5页，课件共67页，创作于2023年2月一

原子核外电子的运动状态电子的波粒二象性(电子衍射实验)1927年，Davisson和Germer应用Ni晶体进行的电子衍射实验证实了电子具有波动性。将一束电子流经过一定的电压加速后通过金属单晶，象单色光通过小圆孔一样发生衍射现象，在感光底片上，得到一系列明暗相间的衍射环纹。第6页，课件共67页，创作于2023年2月第7页，课件共67页，创作于2023年2月微观粒子的主要运动特征是波粒二象性。微观粒子与宏观物体的不同之处在于宏观物体可以用经典力学来描述其运动时的具体位置和速度。但是微观粒子遵循测不准原则，无法准确测定其位置和动量。对于在原子核外运动的电子，虽然无法在某一时刻准确预测其具体位置，但可以用统计学的方法描述在核外出现的频率。其运动规律须用量子力学来描述，它的基本方程是SchrÖdinger方程。2. 波函数及原子轨道第8页，课件共67页，创作于2023年2月SchrÖdinger方程－量子力学中描述核外电子在空间运动的数学函数式，即原子轨道

(x,y,z)波函数，x,y,z为微粒的空间坐标

E－轨道总能量(动能与势能总和)m－

微粒质量，h－

普朗克常数第9页，课件共67页，创作于2023年2月直角坐标与球坐标的转换

(x,y,z)(r,,)(x,y,z)=(r,,)=R(r)Y(,)第10页，课件共67页，创作于2023年2月薛定谔方程解的形式求解薛定谔方程，就是要求出其中的E和为了得到电子运动状态合理的解，必须引用只能取某些整数值的三个参数，就是量子数。主量子数n，角量子数l，磁量子数m第11页，课件共67页，创作于2023年2月s、p轨道角度部分剖面图zx+px－zy－+pypz－zx+zx+s波函数的角度分布图第12页，课件共67页，创作于2023年2月d轨道++－－yxdxy++－－zydyz++－－zxdxz－++－dx2－y2yx－+－+dz2zx四花瓣形第13页，课件共67页，创作于2023年2月(2)电子在空间出现的机会称为概率。在某单位体积内出现的概率称为概率密度。一般认为，波函数ψ表示电子的运动状态，则|ψ|2表示电子在原子内的某点附近出现的概率密度。3. 概率(几率)密度与电子云(1)具有波动性的微观粒子不再服从经典力学规律，它们的运动没有确定的轨道，只有一定的空间几率分布，遵循测不准原则，故对微观粒子的运动状态只能采用统计的方法，做出几率性的判断。第14页，课件共67页，创作于2023年2月不同运动的描述方式宏观物体机械波微观粒子粒子性波动性波粒二象性可准确确定位置和速度波函数，可描述波在空间的分布情况概率波函数，少数粒子表现出粒子性，大量粒子表现出波动性匀速运动的物体第15页，课件共67页，创作于2023年2月波函数的物理意义Ψ2：原子核外出现电子的概率密度。电子云是电子出现概率密度的形象化描述。第16页，课件共67页，创作于2023年2月各种状态的电子云的分布形状第17页，课件共67页，创作于2023年2月微观粒子运动的一般规律有以下特点：微观粒子的运动具有波粒二象性，其运动的不确定性决定了电子的运动状态要用波函数来描述，并用四个量子数来确定。波函数ψ可以描述电子的运动状态，电子在核外出现的概率密度可以用图形来描述。不同运动状态的电子有不同的波函数，其图形也不同。波函数ψ又称为原子轨道。而电子云则是|ψ|2的形象化描述，是电子在空间出现的概率密度分布的形象化表示。波函数表示的原子轨道的图像有正负之分，而电子云的图像则没有。第18页，课件共67页，创作于2023年2月

主量子数n，角量子数l和磁量子数m。另外，还有一个自旋量子数ms。用这些量子数可以表示原子轨道或电子云离核的远近、形状、在空间的伸展方向以及电子的自旋状态，各量子数必须符合一定的条件。4. 四个量子数第19页，课件共67页，创作于2023年2月1) 主量子数n１与电子能量有关，对于氢原子，电子能量唯一决定于n；２不同的n值，对应于不同的电子层：

取值：１２３４５……..对应：KLMNO……...物理意义：①描述电子层(能层)

②描述电子离核远近

③n是决定电子能量的主要因素第20页，课件共67页，创作于2023年2月2) 角量子数l物理意义：①描述原子轨道或电子云形状；②表示同一电子层中具有不同的亚层；③在多电子原子中，确定能量的次要因素。取值:0，1，2，···，(n-1)第21页，课件共67页，创作于2023年2月对于给定的主量子数n，可能有n个不相同的角量子数l，这些l值表示在同一电子层中不同状态的分层，也叫亚层。主量子数n与角量子数l的关系 n12345l的取值00,10,1,20,1,2,30,1,2,3,4第22页，课件共67页，创作于2023年2月l0123亚层spdf电子云形状球对称哑铃形四花瓣形复杂各电子层的亚层数=电子层的n值第23页，课件共67页，创作于2023年2月

角量子数与波函数的角度部分有关，它决定了电子在空间的角度分布情况，也决定了电子云的形状。当l=0时的s轨道，其电子云的形状是呈球形的，是对称的，电子的运动状况与角度无关；当l=1时的p轨道，其电子云呈哑铃形，是不对称的，电子的运动状况与角度有关；当l=2时的d轨道，其电子云呈花瓣形，是不对称的，电子的运动状况与角度有关。第24页，课件共67页，创作于2023年2月能量相同，处于同一能级的轨道,称为等价轨道(简并轨道)。多电子原子中，轨道能量由n、l

共同决定。

单电子原子：Ens=Enp=End=Enf多电子原子：Ens<Enp<End<Enf第25页，课件共67页，创作于2023年2月3) 磁量子数m取值:0、±1、±2···±l共2l+1个值物理意义：描述同一亚层的原子轨道(电子云)的伸展方向。如2p轨道（n=2，l=1）在空间有三种不同的取向。第26页，课件共67页，创作于2023年2月同一亚层中，有几个不同的m值,就有几条原子轨道。zyx即每一种m的取值，对应一种空间取向。第27页，课件共67页，创作于2023年2月

n

1

2

3

l

0

0

10

1

2

m

0

0

0±10

0±1

0

±1±2轨道1s2s2pz2px2py3s3pz3px3py3dz23dyz3dzx3dxy3dx2-y2电子数

2

2+6=8

2+6+10=18第28页，课件共67页，创作于2023年2月

所以，n，l，m三者共同决定电子云所处的位置离核的远近，能量的高低，电子云的形状和伸展方向。例如，n=3，l=1，m=0所表示的3p原子轨道位于第三层，呈哑铃形，电子云沿z轴方向伸展的轨道。第29页，课件共67页，创作于2023年2月因此，每一原子轨道上最多能容纳2个电子。

原子中每个电子的运动状态可以由n，l，m，ms四个量子数共同描述。四个量子数确定以后，电子在核外空间的运动状态也随之确定。4) 自旋量子数msms物理意义：描述电子的自旋运动。

取值：+1/2，-1/2通常用“”和“”表示。第30页，课件共67页，创作于2023年2月

由量子数的制约条件可以发现，每一电子层离核远近不同，能量不同，每一电子层又有不同的亚层，不同亚层中有若干个不同的伸展方向的原子轨道。每一原子轨道中的电子可能处于不同的自旋状态。因此，各层电子可能出现的运动状态由四个量子数确定。四个量子数、电子层、电子亚层、各层容纳的电子数之间的关系汇列在表中。第31页，课件共67页，创作于2023年2月第32页，课件共67页，创作于2023年2月第33页，课件共67页，创作于2023年2月例: 某一多电子原子，试讨论在其第三层电子层中：亚层数是多少？并用符号表示各亚层；

各亚层上的轨道数是多少？该电子层上轨道总数是多少？

哪些是等价轨道？第34页，课件共67页，创作于2023年2月鲍林（Pauling）近似能级图5. 多电子原子轨道能级第35页，课件共67页，创作于2023年2月▲主量子数n和角量子数均不相同时，出现“能级交错”现象E4s<E3d<E4p......

。

由图可见：▲角量子数相同，能级能量随主量子数的增大而升高，即E1s<E2s<E3s<E4s......。▲主量子数相同，能级能量随角量子数l的增大而升高，即Ens<Enp<End<Enf......。核外电子排布规律第36页，课件共67页，创作于2023年2月(2)

Pauli不相容原理:在同一原子中没有四个量子数完全相同的两个电子存在。于是每个原子轨道中只能容纳两个自旋方向相反的电子。每个电子层可以容纳2n2个电子。

(1)最低能量原理：在不违反Pauli不相容原理的前提下,电子总是尽先占据能量最低的轨道（ns<(n-2)f<(n-1)d<np），使原子的能量处于最低状态。二

原子中电子的排布第37页，课件共67页，创作于2023年2月(3)

Hund规则：在等价轨道上，电子总是尽可能以自旋相同的方向分占不同的轨道。

Hund规则的特例：在等价轨道上，电子处于全充满(p6

、d10、f14)半充满(p3

、d5

、f7)和全空(p0

、d0

、f0)时原子能量较低，体系较稳定。第38页，课件共67页，创作于2023年2月将原子核外电子按上述顺序排布后，再按轨道电子从内层到外层写出。即为原子的电子结构式或电子排布式（电子组态）。如Mn:1s22s22p63s23p63d54s2电子填充顺序为：1s，2s2p，3s3p,4s3d4p，5s4d5p，6s4f5d6p···第39页，课件共67页，创作于2023年2月例1：碳原子6C的电子排布为1s22s22p2，此时轨道上的电子排布。24Cr：1s22s22p63s23p63d54s129Cu：1s22s22p63s23p63d104s1例2：24Cr和29Cu的电子排布:第40页，课件共67页，创作于2023年2月此外，为方便起见，将24Cr写成〔Ar〕3d54s1，29Cu写成〔Ar〕3d104s1,这是由于〔Ar〕表示24Cr中的原子内层电子结构与Ar这种稀有气体的原子结构一样，称之为原子芯。如11Na：1s22s22p63s1，可以写成11Na:〔Ne〕3s137Rb：1s22s22p63s23p63d104s24p65s1，可以写成37Rb：〔Kr〕5s1第41页，课件共67页，创作于2023年2月

上述三条原则是对原子核外电子排布的一种理论约定，后来经实验证实它们符合量子力学的原理。运用上述三条原理对1～109号原子中的核外电子进行排布，其中绝大多数与光谱实验得到的数据一致。第42页，课件共67页，创作于2023年2月第43页，课件共67页，创作于2023年2月元素原子的电子层结构呈周期性变化，导致元素性质周期性变化,这就是元素周期律。周期的划分与能级组的划分完全一致，每个能级组都独自对应一个周期。共有七个能级组，所以共有七个周期。1. 元素周期律2. 元素的周期三

原子核外电子排布与元素周期律第44页，课件共67页，创作于2023年2月周期的划分和轨道能级组的关系周期数原子

序数元素数目最高能级组最大电子容量11~221s第一能级组223~1082s,2p第二能级组8311~1883s,3p第三能级组8419~36184s,3d,4p第四能级组18537~54185s,4d,5p第五能级组18655~86326s,4f,4d,6p第六能级组32787~109(未完)237s,5f,5d,7p第七能级组32第45页，课件共67页，创作于2023年2月族主族(IA------VIIA,0)原子最后一个电子填外层ns、np轨道副族(IIIB------IIB,IB)最后一个电子填在(n-1)d或(n-2)f轨道上2)元素的族1)周期数＝元素电子层数＝能级组中最高主量子数元素周期系第46页，课件共67页，创作于2023年2月1SHHe235673S4S5S6S7S3d4d5d2p3p4p5p6p4f5f4)元素的区元素周期系s区p区d区ds区2Sf区第47页，课件共67页，创作于2023年2月习题：P1244、7、9第48页，课件共67页，创作于2023年2月1有效核电荷数2原子半径r3电离能 I4电子亲和能Y5电负性x四

元素性质的周期性第49页，课件共67页，创作于2023年2月

屏蔽效应在多电子原子中，每个电子不仅受到原子核的吸引，而且还受到其他电子的排斥。

采用一种近似的处理方法，把其余电子对某个指定电子的排斥作用简单地看成是它们抵消了一部分核电荷。这种将其他电子对某个指定电子的排斥作用归结为对核电荷的抵消作用称为屏蔽效应。第50页，课件共67页，创作于2023年2月1有效核电荷数同一周期主族元素，从左到右，随着核电荷的增加，最外层电子逐一增加。由于增加的电子都在同一层上，彼此间的屏蔽作用较小,使有效核电荷数依次显著增加。第51页，课件共67页，创作于2023年2月2 原子半径

共价半径同种元素的两个原子，以共价单键相连时，核间距的一半，为共价半径。d核间距为d，共价半径r共=

金属半径

金属晶体中，金属原子被视为刚性球体，彼此相切，其核间距的一半，为金属半径。第52页，课件共67页，创作于2023年2月

vandeWaals半径

在分子晶体中，分子间以范德华力相结合，这时相邻分子间两个非键结合的同种原子，其核间距离的一半，称为该原子的范德华半径。AA’CO2CO2第53页，课件共67页，创作于2023年2月原子半径的递变规律①同一主族，从上到下原子半径逐渐增大②同一副族从上到下变化幅度小，第五、六周期元素的原子半径非常接近。③同一周期中：长周期过渡元素：从左到右原子半径减小程度不大。短周期：从左到右原子半径逐渐减小

变化幅度较大。第54页，课件共67页，创作于2023年2月ⅠA0H32He93Li123Be89B82C77N70O66F64Ne112Na154Mg136Al118Si117P110S104Cl99Ar154K203Ca174Sc144Ti132V122Cr118Mn117Fe117Co116Ni115Cu117Zn125Ga126Ge122As121Se117Br114Kr169Rb216Sr191Y162Zr145Nb134Mo130Tc127Ru125Rh125Pd128Ag134Cd148In144Sn140Sb141Te137I133Xe190Cs235Ba198La169Hf144Ta134W130Re128Os126Ir127Pt130Au134Hg144Tl148Pb147Bi146Po146At145Rn220原子半径ⅡAⅢBⅣB

ⅤBⅥB ⅦB ⅧⅠB ⅡBⅢA ⅣA ⅤAⅥA ⅦA第55页，课件共67页，创作于2023年2月原子半径的递变规律第56页，课件共67页，创作于2023年2月镧系元素从左到右，原子半径减小幅度更小，这是由于新增加的电子填入外数第三层上，对外层电子的屏蔽效应更大，外层电子所受到的有效核电荷数

增加的影响更小。镧系元素从镧到镱整个系列的原子半径减小不明显的现象称为镧系收缩。第57页，课件共67页，创作于2023年2月

第一电离能（I1）：A(g)-e—A+(g)

第二电离能：由气态+1价离子再失去一个电子成为+2价离子所需的能量I1<I2<I3

电离能越小，说明原子在气态时越易失去电子，金属性越强。Mg（g）-e—Mg+（g）I1=738kJ·mol-1

气态原子在基态时失去一个电子成为+1价气态阳离子时所需的能