无极分析化学原子结构

无极分析化学原子结构2023/7/241第1页，课件共123页，创作于2023年2月普朗克方程：Ｅ＝hνＥ—光子的能量

ν—光的频率h—Planck常量，h=6.626×10-34J·s一、氢原子光谱和波尔氢原子模型§7-1核外电子的运动状态与原子模型1、量子论的提出核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/242第2页，课件共123页，创作于2023年2月2、氢原子光谱核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/243第3页，课件共123页，创作于2023年2月

为解释原子可以稳定存在的问题和氢原子的线状光谱，1913年，丹麦物理学家玻尔总结普朗克的量子论、爱因斯坦的光子论和卢瑟福的原子模型结构，提出了玻尔理论。实验说明：氢原子光谱是不连续的，即线状光谱。经验公式：n=3,4,5,6核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/244第4页，课件共123页，创作于2023年2月（2）正常情况下，原子中电子尽可能处在离核最近的轨道上运动，此时能量最低—原子处于基态（最低能级n1=1）。当原子受到辐射获得能量后，电子可跃迁到离核较远的轨道上—原子处于激发态（较高能级n2）；电子在轨道上运动时所具有的能量只能取某些不连续的数值，即电子的能量是量子化的。3、玻尔氢原子模型（1）核外电子不能沿任意轨道运动，而只能在确定半径和能量的轨道上运动；电子在不同轨道上旋转时可具有不同能量，电子运动时所处的能量状态称为能级。核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/245第5页，课件共123页，创作于2023年2月（3）处于激发态的电子不稳定，可以跃迁到离核较近的轨道上，能量差以电磁波的形式辐射。E：轨道能量(OrbitalEnergy)：频率(Frequency)h：Planck常数(PlanckConstant)核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/246第6页，课件共123页，创作于2023年2月求出氢原子轨道的半径和能量如n=1，Z=1，r=0.0529(nm)，E=-2.17910-18J核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/247第7页，课件共123页，创作于2023年2月应用玻尔理论解释氢原子光谱：当电子从n=3,4,5,6,7等轨道跳回n=2的轨道时，按上式计算出来的波长分别是653.3nm,486.1nm，434.0nm，410.2nm，397.0nm，即为氢光谱中可见光区的红、青、蓝、紫谱线的波长。核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/248第8页，课件共123页，创作于2023年2月成功解释了氢原子光谱的产生（1922年获得诺贝尔物理奖）；证实了里德伯公式（表示氢原子谱线的经验公式）；提出了能级概念；但不能说明多电子原子光谱和氢光谱的精细结构。3.评价玻尔理论的失败促进了量子力学理论的诞生和发展核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/249第9页，课件共123页，创作于2023年2月在光子学说中，爱因斯坦用以下两式表示光的波粒二象性：1、微观粒子的波粒二象性二、微观粒子的特性电子除量子化特征以外，还具有玻尔当时未认识到的“波粒二象性”。1905年，爱因斯坦在普朗克量子论的启发下，成功解释了光电效应，并提出了光子学说，结束了二百年来对光的波动性和粒子性的争论。核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2410第10页，课件共123页，创作于2023年2月

(1).德布罗意波质量为m，运动速度为v的粒子，相应的波长为1924年，年轻的法国物理学家LouisdeBroglie（德布罗意）在光的波粒二象性及有关争论的启发下，大胆提出：一切实物微粒都具有波粒二象性。并提出这种波为德布罗意波或物质波。核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2411第11页，课件共123页，创作于2023年2月证实：电子衍射实验的干涉图纹1927年，美国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的假设。根据电子衍射图计算得到的电子衍射的波长与按德布罗意公式计算出来的波长完全一致，完全证实了实物粒子具有波动性的结论。X射线衍射图电子衍射图核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2412第12页，课件共123页，创作于2023年2月1927年，海森堡（德国）从理论上证明：要想同时测定运动微粒的位置和动量（或速度）是不可能的。如果微粒的运动位置测得越准确，其相应的速度测得越不准确，反之亦然。(2).测不准原理------海森堡测不准原理根据经典力学用准确的位置和速度来描述宏观物体的运动状态，我们可以正确地预测日食发生的时间、地点及持续时间，但对于微观粒子如电子，其运动状态不能用经典力学来描述。核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2413第13页，课件共123页，创作于2023年2月

微观粒子的波动性与粒子行为的统计性规律联系在一起，表现为：

微观粒子的波动性是大量微粒运动表现出来的性质，即是具有统计意义的概率波。核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2414第14页，课件共123页，创作于2023年2月

总之，电子是微观粒子，有其特征：量子化、波粒二象性、不可能同时准确测定运动电子的速度和位置。因此，不能用经典力学或旧量子论解释原子结构规律，而要用近代量子力学理论——薛定谔方程描述。核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2415第15页，课件共123页，创作于2023年2月

量子力学最基本的假设就是任何微观粒子系统的运动状态都可用一个波函数

来描述，微观粒子在空间某点出现的概率密度可用2

表示。(x,y,z)可通过薛定谔方程求得。1926年，奥地利物理学家薛定谔从微观粒子具有波粒二象性出发，通过光学和力学方程的类比，提出了薛定谔方程，它是描述微观粒子运动的基本方程，是二阶偏微分方程：二、量子力学原子模型1．波函数与原子轨道核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2416第16页，课件共123页，创作于2023年2月薛定谔方程（1）方程式m：微观粒子的质量；E：总能量，等于势能与动能之和；：波函数，是薛定谔方程的解；h：Planck常数；V：势能，表示原子核对电子的吸引能。其中：x、y、z：空间直角坐标；核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2417第17页，课件共123页，创作于2023年2月所谓求解薛定谔方程，就是求得描述微粒运动状态的波函数以及与该状态相对应的能量

E。（2）意义与目的反映了微观粒子的波粒二象性。核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2418第18页，课件共123页，创作于2023年2月波函数

：描述微观粒子运动的数学函数式。每个

代表电子在原子中的一种运动状态。原子轨道：因为

波函数是x、y、z的函数，故可粗略将看成在三维空间里找到该电子的一个区域；为了通俗化，量子力学借用经典力学的“原子轨道”一词，把原子体系中的每个，就叫作一条原子轨道(或原子轨函)。注意：核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2419第19页，课件共123页，创作于2023年2月此处的原子轨道绝不是玻尔理论的原子轨道，而是指电子的一种空间运动状态，指用统计的方法，可在所代表的区域内找到核外运动的该电子，而该电子在此区域内（即这一轨道）中的运动是随机的、测不准地出现的。核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2420第20页，课件共123页，创作于2023年2月

本身没有明确的物理意义，只能说是描述核外电子运动状态的数学函数式；

2有明确的物理意义：代表电子在核外某处单位体积内出现的概率，即概率密度。单位微体积内出现的概率单位微体积2.概率密度与电子云核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2421第21页，课件共123页，创作于2023年2月为了形象地表示核外电子运动的概率分布情况，化学上惯用小黑点分布的疏密表示电子出现概率密度的相对大小。用这种方法来描述电子在核外出现的概率密度大小所得到的图像称为电子云。波函数不同，电子云图像不同。核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2422第22页，课件共123页，创作于2023年2月1s2s2p核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2423第23页，课件共123页，创作于2023年2月对薛定谔方程求解1(x,y,z）2(x,y,z）...x=rsincosy=rsinsinz=rcosx2+y2+z2=r21(r,,)2(r,,)...

(x,y,z)(r,,)用球坐标代替直角坐标3.波函数的空间图像核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2424第24页，课件共123页，创作于2023年2月球坐标与直角坐标关系核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2425第25页，课件共123页，创作于2023年2月用变量分离法求解，将原有的波函数分解为：

(r,,)=R

(r)·Y

(,)

径向波函数角度波函数它只随电子离核的距离r变化随角度(,)变化核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2426第26页，课件共123页，创作于2023年2月氢原子的若干原子轨道径向波函数和角度波函数轨道(r,,)R

(r)Y

(,)1s2s2pz2023/7/2427第27页，课件共123页，创作于2023年2月例：s轨道角度分布图轨道(r,,)R

(r)Y

(,)（1）表达式：（2）列表：与角度无关（3）作图：（4）结论：所有的s原子轨道角度分布图是一个半径为的球面，符号为正。1szxy+核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构1).原子轨道角度分布图2023/7/2428第28页，课件共123页，创作于2023年2月例：pz轨道角度分布图

轨道

（1）表达式=Ypz(,)=pz核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2429第29页，课件共123页，创作于2023年2月（2）列表：不同θ角的Y值θ0°30°60°90°120°150°180°cosθ10.8660.50-0.5-0.866-10.4890.4230.2440-0.244-0.423-0.489核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2430第30页，课件共123页，创作于2023年2月rp(x,y,z)或(r,,)p'xyzox=rsinө

cosy=rsinөsinz=rcosө（3）作图核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2431第31页，课件共123页，创作于2023年2月2pz轨道轮廓图xyz+-xy节面由于三角函数在不同象限有正负值，导致原子轨道有正负；所有的pz都是双球形。（4）结论核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2432第32页，课件共123页，创作于2023年2月原子轨道角度分布图2023/7/2433第33页，课件共123页，创作于2023年2月2).电子云角度分布图

(r,,)=R(r)·Y(,)

—概率密度，2的空间分布叫电子云。波函数径向分布函数波函数角度分布函数电子云径向分布函数电子云角度分布函数核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2434第34页，课件共123页，创作于2023年2月原子轨道角度分布图和电子云角度分布图的区别zxyzyxxyzxz-+yzxy-+-zxy+核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2435第35页，课件共123页，创作于2023年2月原子轨道角度分布图较宽大，电子云图形较瘦小。区别：原子轨道角度分布图符号有正有负，电子云图形无正负号；核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2436第36页，课件共123页，创作于2023年2月电子云的角度分布图只能反映出电子在核外空间不同角度的概率密度大小，并不反映电子出现的概率大小与离核远近的关系，通常用电子云的径向分布图来反映电子在核外空间出现的概率离核远近的变化。核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2437第37页，课件共123页，创作于2023年2月—概率密度，2的空间分布叫电子云。电子云径向分布函数电子云角度分布函数3).电子云的径向分布图表示电子活动区域随离核距离r的变化而变化核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2438第38页，课件共123页，创作于2023年2月电子云的径向分布图—指电子在原子核外距离为r、厚度为dr的球形薄壳中出现的概率随半径r变化时的分布图。d＝2dV

＝

4r2drR2(r)

＝

4r2R2(r)dr

一个离核距离为r，厚度为dr的薄球壳，以r为半径的球面面积为4r2，球壳的体积dV为4r2dr。电子在球壳内出现的概率：1s电子云的径向分布图

R为波函数的径向部分核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2439第39页，课件共123页，创作于2023年2月以D(r)对r作图即可得电子云径向分布图

曲线在r＝52.9pm处有一极大值，意指1s电子在离核半径r＝52.9pm的球面处出现的概率最大，球面外或球面内电子都有可能出现，但概率较小。定义D(r)＝4r2R2(r)为径向分布函数1s电子云的径向分布图核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2440第40页，课件共123页，创作于2023年2月52.9pm恰好是玻尔理论中基态氢原子的半径，与量子力学虽有相似之处，但有本质上的区别。玻尔理论认为：电子是在半径为52.9pm的平面圆形轨道上旋转。量子力学认为：电子是在半径为52.9pm的球形薄壳内出现的概率最大，而在半径大于或小于52.9pm的空间区域中电子出现的概率小。核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2441第41页，课件共123页，创作于2023年2月氢原子部分状态电子云径向分布示意图核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2442第42页，课件共123页，创作于2023年2月主量子数1234567电子层符号KLMNOPQ意义：原子中电子出现几率最大的区域离核的远近；是决定电子能级高低的主要因素。取值：n个，从1~∞（任何非零的正整数）。举例：n=1代表电子出现几率最大的区域离核最近；代表能量低的电子层。列表：四、量子数1.主量子数n核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2443第43页，课件共123页，创作于2023年2月n值越大，表示电子离核越远、能量越高。n值相同的电子，大致在同一空间范围内运动，能量相近，故把n值相同的各状态称作一个电子层(如：n=3,称第三电子层,或M层)对于单电子体系,

n值是决定电子能量的唯一因素，即n确定后，同一电子层各亚层的能量均相同，称为“简并轨道”（等价轨道）。对于多电子体系，电子能量由n、l共同决定。核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2444第44页，课件共123页，创作于2023年2月2.角量子数l意义：决定原子轨道符号及形状，标志电子亚层,在多电子原子中，电子能量由n、l共同决定。取值：n个，从0~n-1（n个从零开始的正整数）。l=0的原子轨道，在光谱中规定为s轨道；l=0的原子轨道，说明角动量在各方向无变化，原子轨道呈球形；l=0的原子轨道，又称s亚层。举例：核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2445第45页，课件共123页，创作于2023年2月角量子数的意义角量子数l原子轨道原子轨道形状电子亚层符号0123spdf球形双球形花瓣形spdf核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2446第46页，课件共123页，创作于2023年2月主量子数和角量子数关系电子亚层符号主量子数l个数l取值原子轨道原子轨道形状1101s球形1s2202s球形2s12p双球形2p3303s球形3s13p双球形3p23d花瓣形3d4404s球形4s14p双球形4p24d花瓣形4d34f4f2023/7/2447第47页，课件共123页，创作于2023年2月对于多电子体系，电子能量由n、l共同决定（E=n+0.7l),在n值相同的同一电子层中,l值越大,电子能量越高，如：E

3SE

3pE3d，从能量的角度看，亚层也常称为能级。在n值一定的电子层中，可有n个具有不同状态的分层，称为电子亚层。如n=3，l可取0，1，2，分别表示3s、3p、3d亚层，故l标志电子亚层；核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2448第48页，课件共123页，创作于2023年2月3.磁量子数m意义：描述原子轨道在空间的伸展方向，每一个伸展方向相当于一个原子轨道，决定在各亚层中的简并轨道数。取值：2l+1个，从0～l。核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2449第49页，课件共123页，创作于2023年2月l=0，s轨道，m的取值数2l+1=1个，m=0，1个s轨道l=1，p轨道，m的取值数2l+1=3个，m=0，±13个p轨道l=2，d轨道，m的取值数2l+1=5个，m=0，±1，±2

5个d轨道举例：对于n，l相等但m不相等的轨道称为简并轨道或等价轨道，其能量相等：如3个np轨道、5个nd轨和7个nf轨道。

核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2450第50页，课件共123页，创作于2023年2月角量子数与磁量子数关系角量子数l

m个数m取值伸展方向数原子轨道数0(s)

1011个s轨道:s1(p)

303个p轨道:pzpx,py

2(d)505个d轨道:dxz,dyz+1,-1+2,-2+1,-135核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2451第51页，课件共123页，创作于2023年2月1101s球形10112202s球形10112p双球形30,±13

43303s球形10113p双球形30,±1323d花瓣形50,±1,±2594404s球形10114p双球形30,±1324d花瓣形50,±1,±25

主量子数l个数l取值原子轨道原子轨道形状m个数m取值空间取向轨道总数34f7716主量子数、角量子数和磁量子数关系2023/7/2452第52页，课件共123页，创作于2023年2月

解薛定谔方程解出一个波函数，就得到一条原子轨道；但要使其解是合理解，需要指定三个量子数n，l，m为一定值；另外，原子光谱的精细结构表明，电子还有另一种运动形式，称为“自旋运动”，用自旋量子数mS表示，它不是解薛定谔方程得到的。n，l，m，mS称为四个量子数。核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2453第53页，课件共123页，创作于2023年2月

4.自旋角动量量子数（ms）自旋方向相同，自旋方向相反意义：代表电子在原子轨道中的自旋方向。取值：分别代表顺时针方向自旋和反时针方向自旋。每个轨道中允许容纳2个电子，但必须自旋相反。核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2454第54页，课件共123页，创作于2023年2月四个量子数的基本概念量子数符号名称取值主要意义n主量子数1,2,3···l角量子数0,1,2···m磁量子数

0,±1···ms

自旋量子数电子离核远近轨道能级高低轨道形状，符号轨道伸展方向电子的自旋核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2455第55页，课件共123页，创作于2023年2月指定三个量子数n，l，m为一定值，就解出一个波函数，就得到一条原子轨道，因此，可用三个量子数n，l，m描述一条原子轨道；如3,0,0,是3s轨道，3,1,1是3p轨道中的一条。描述一个电子的运动状态，需要四个量子数n，l，m，mS。如：（3，1，0，+1/2）表示在3p轨道上“正旋”的一个电子。总结核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2456第56页，课件共123页，创作于2023年2月例：n=1，l=0，m=0，用四个量子数表示。解：核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2457第57页，课件共123页，创作于2023年2月211243714601252510例：填表原子轨道nlm个数容纳电子数2px4f6s5d核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2458第58页，课件共123页，创作于2023年2月？

(3，0，-2，+1/2)对错?改正；代表哪些轨道?能量？答：(3，0，0，+1/2)；3s，3,0,0

(3，2，-2，+1/2)；3d，3,2,-2，能量高？3,2代表哪些轨道?能量？答：n=3，l=2(3d亚层)；

m=0，1，-1，2，-2（5条能量相等的简并轨道）核外电子的运动状态与原子模型第七章原子结构2023/7/2459第59页，课件共123页，创作于2023年2月氢原子和类氢原子离子核外只有一个电子，它只受到核的吸引作用，其波动方程可精确求解，其原子轨道的能量只取决于主量子数n，在主量子数n相同的同一电子层内，各亚层的能量是相等的。如E2s＝E2p，E3s＝E3p＝E3d，等等。在多电子原子中，电子不仅受核的吸引，电子与电子之间还存在相互排斥作用，相应的波动方程就不能精确求解，电子的能量不仅取决于主量子数n，还与轨道角动量量子数l有关。核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2460第60页，课件共123页，创作于2023年2月

如前所述，量子力学可以正确解释氢原子及类氢离子光谱和谱线的精细结构。对于多电子原子，借助“中心力场模型”近似处理——近似认为多电子的相互影响是球形对称的、可认为某电子只受带正电的原子核的作用，则可按单电子原子处理。所以，可用薛定谔方程对多电子原子近似求解。即由n，l，m可解出多电子原子的原子轨道；n，l，m，mS决定电子的运动状态；n，l决定原子轨道的能量高低。核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2461第61页，课件共123页，创作于2023年2月但电子是按何规律进入轨道的？是任意的吗？光谱实验表明：基态原子核外电子的排布有规律——能量最低原理。为此，先要知道原子轨道的能级顺序，再讨论电子排布的基本原理。美国化学家鲍林根据大量光谱实验数据及理论计算，得出了多电子原子中轨道能级图。一、原子轨道近似能级图鲍林鲍林：1954年获諾贝尔化学奖，1963年获諾贝尔和平奖，世界至今两次独自获諾贝尔奖的唯有鲍林。§7-2核外电子排布与元素周期表核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2462第62页，课件共123页，创作于2023年2月1.鲍林近似能级图能量6s6p5d4f6p5d4f6s5s5p4d4s4p3d3s3p2s2p1s654321能级组5p4d5s4p3d4s3p3s2p2s1s2023/7/2463第63页，课件共123页，创作于2023年2月鲍林近似能级图每个方框为一能级组，能量相近，且由下至上能量增高。徐光宪电子能级分组法：E=n+0.7l，整数相同的为一能级组。相邻能级组之间能量差较大，能级组的划分与元素周期表中划分的七个周期一致，体现了元素周期系中元素划分为周期的本质原因是原子轨道的能量关系。核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2464第64页，课件共123页，创作于2023年2月1sPauling近似能级图表示的顺序（1）意义反映了原子轨道能级高低、电子填充的顺序。2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p必须指出：鲍林近似能级图仅仅反映了多电子原子中原子轨道能量的近似高低，不能认为所有元素原子的能级高低都是一成不变的。核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2465第65页，课件共123页，创作于2023年2月（2）特点其一，按能级高低而不是按电子层的顺序排列。原子轨道1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p能级组一二三四五六七周期1234567电子最大容量288181832未满其二，原子轨道与能级组、周期、电子最大容量的关系：核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2466第66页，课件共123页，创作于2023年2月l相同，n不相同：n越大，能量越高；n相同，l不相同：l越大，能量越高；

（除氢原子外）n,l都不同：能级交错。其四，各原子轨道的能级由n，l共同决定。其三，对n，l相同的轨道(等价轨道)，其能量相同。E1s<E2s<E3sE2p<E3p<E4pE3s<E3p<E3dEns<Enp<End<EnfE6s<E4f<E5d<E6pE4s<E3d<E4p核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2467第67页，课件共123页，创作于2023年2月其五，划分：(n+0.7l)第一位数字相同为一组；(n+0.7l)大，能级高。原子轨道1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7pn+0.7l1.02.02.73.03.74.04.44.75.05.45.766.16.46.777.17.47.7能级组一二三四五六七核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2468第68页，课件共123页，创作于2023年2月核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2.科顿原子轨道能级图n相同的氢原子轨道的简并性。原子轨道的能量随原子序数的增大而降低。随着原子序数的增大，原子轨道产生能级交错现象。2023/7/2469第69页，课件共123页，创作于2023年2月二．屏蔽效应和钻穿效应——解释E1s<E2s<E3s，

E2p<E3p<E4p1、屏蔽效应核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2470第70页，课件共123页，创作于2023年2月表示式

Z*=Z-

其中：Z*，有效核电荷数；Z：核电荷数；： 屏蔽常数，相当于被抵消了的那部分核电荷。故可认为其它电子屛蔽或减弱了原子核对该电子的吸引作用，则实际作用在该电子上的核电荷减小。用下式表示实际作用情况：定义：由于其它电子对某一个电子的排斥作用，而抵消一部分核电荷，从而使有效核电荷降低，削弱了核电荷对该电子的吸引，这种作用称为屏蔽效应。核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2471第71页，课件共123页，创作于2023年2月氢原子系统的总能量利用中心力场模型的建立，得到多电子原子中每个电子的能量为在原子中，值越大，屏蔽效应越大，指定电子感受到的有效电荷减少得越多，电子的能量越高。核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2472第72页，课件共123页，创作于2023年2月粗略地说：

内层电子对外层电子的屛蔽作用较大；

同层电子间的屛蔽作用较小；

外层电子对内层电子的屛蔽作用可略。Slater经验规则(可以估算σ值)（参看教材p163）核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2473第73页，课件共123页，创作于2023年2月具体应用：E1s<E2s<E3sE2p<E3p<E4p

l相同，n越大，内层电子越多，屏蔽效应越大，有效核电荷越小，核外电子受到吸引力小，电子能级高。解释核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2474第74页，课件共123页，创作于2023年2月

2n,l,m(r,θ,)=R2n,l(r)·Y2l

m(θ,)2．钻穿效应(PenetrationEffect)Ens<Enp<End<Enf（能级分裂现象）E4s<E3d<E4p（能级交错现象）电子云径向分布函数电子云角度分布函数（1）产生解释核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2475第75页，课件共123页，创作于2023年2月径向几率离核距离离核距离径向几率钻穿钻穿离核最远处出现的几率最大3s电子云径向

分布图3s3p3d电子云径向分布图3s3p3dOO核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2476第76页，课件共123页，创作于2023年2月（2）定义从量子力学观点看，电子可以出现在原子内任何地方，因此，外层电子也有可能出现在离核很近处，这种电子渗入原子内部而更靠近核的本领称为钻穿，电子钻到核附近、回避其他电子屛蔽、使其能量降低的作用，称为钻穿效应（穿透效应）。（3）意义

峰越多（峰数=n

l），钻入内层的小峰越多，穿透效应越大，屏蔽效应越小，Z*越大，E越低。

核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2477第77页，课件共123页，创作于2023年2月Ens<Enp<End峰的数目越多，钻入内层的小峰就越多，穿透效应越大，屏蔽效应越小，能量越低。（4）具体应用峰的数目(n-l)穿透效应

Z*E3s3大小大低3p2次之次之次之次之3d1小大小高4s4大小大低3d1小大小高E4s<E3d解释核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2478第78页，课件共123页，创作于2023年2月径向几率离核距离3d4s离核最远处出现的几率最大能级交错由径向分布图知：

n相同时，l越小，峰越多，主峰虽离核越远，但小峰离核越近，即“钻穿效应”强。如4s第一小峰钻到比3d离核更近处，能量降低许多。则能级交错：

E4sE3d核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2479第79页，课件共123页，创作于2023年2月能级分裂同一主层，n相同时，l越小，峰越多，钻穿效应越强，则：

E3s

E3p

E3d（即同一主层、不同亚层能级分裂）核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2480第80页，课件共123页，创作于2023年2月l相等、n越大，电子离核越远、内层电子屛蔽效应越大、能量越高：E1sE2s

E3s

E4s；

n相同时，l越小，钻穿效应越强，能量降低许多，能级分裂E4sE4p

E4d

E4fn、l均不相同时，如钻穿效应显著，则能级交错：E4sE3d重点：记住能级顺序结论屛蔽效应和钻穿效应是决定能级高低的两个方面核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2481第81页，课件共123页，创作于2023年2月1).能量最低原理电子总是优先占据能量最低的轨道，使整个原子能量处于最低状态，这就是能量最低原理。三、多电子原子核外电子的排布核外电子排布与元素周期表第七章原子结构1、核外电子排布原则2023/7/2482第82页，课件共123页，创作于2023年2月三种表达方式（1）在同一原子中，不可能存在所处状态完全相同的电子；（2）在同一原子中，不可能存在四个量子数完全相同的电子；（3）每一轨道只能容纳自旋方向相反的两个电子。2.保里不相容原理核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2483第83页，课件共123页，创作于2023年2月核外电子排布与元素周期表第七章原子结构(Z=6)C：1s22s22p22p有三个轨道，两个电子如何填充?思考：2023/7/2484第84页，课件共123页，创作于2023年2月3.洪特规则能量相同的轨道（如3条p轨道，5条d轨道，7条f轨道）叫等价轨道。电子分布到等价轨道时，总是优先占据不同轨道，且平行自旋。特例：等价轨道处于全满、半满或全空状态时能量较低，比较稳定。核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2485第85页，课件共123页，创作于2023年2月2.基态多电子原子核外电子的排布原则：核外电子排布三原则，近似能级图电子排布式(全排法、简排法）

全排法——所有能级均写出，体现排布全貌；

简排法——“原子实”用稀有气体代替，用相应稀有气体元素符号加方括号表示。核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2486第86页，课件共123页，创作于2023年2月举例：

Z=29Cu按近似能级图写出原子轨道的能级顺序按照核外电子排布的规则填充电子，电子数目以数字形式写在轨道的右上角，直至所有电子全部填充完全。按主量子数由低到高整理1s2s2p3s3p4s3d1s22s22p63s23p64s23d93d104s1Cu：1s22s22p63s23p63d104s1[Ar]3d104s1核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2487第87页，课件共123页，创作于2023年2月把相同电子层的能级放在一起，便于看出价电子层结构。价电子是原子发生化学反应时容易参与形成化学键的电子，价电子所处的电子层称为价电子层，原子实以外的电子排布称为价电子构型。价电子：主族：ns、np电子；副族：(n-1)d、ns电子镧系、锕系元素：(n-2)f、(n-1)d、ns电子核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2488第88页，课件共123页，创作于2023年2月离子的电子排布：当原子失去电子成为阳离子时，其电子是按照npns(n-1)d(n-2)f的顺序失去电子，如：26Fe[Ar]3d64s2

Fe2+[Ar]3d6

Fe3+[Ar]3d5

价电子构型价电子构型Cr3d54s1

Cl3s23p5Cu3d104s1

K4s1Pb

6s26p2

Br4s24p5

核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2489第89页，课件共123页，创作于2023年2月发生化学反应时，仅外层价电子发生变化。只有在极大能量的激发下才能再失去(3d)电子。33As[Ar]4s23d104p3As3+[Ar]4s23d10As5+[Ar]3d10对绝大多数元素的原子来说，按电子排布规则得出的电子排布式与光谱实验的结论是一致的。然而有些副族元素如W74([Xe]4f145d46s2)等，不能用上述规则予以完满解释，这种情况在第6，7周期元素中较多。核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2490第90页，课件共123页，创作于2023年2月各亚层的电子填充顺序帮助记忆图核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2491第91页，课件共123页，创作于2023年2月核外电子排布练习361s22s22p63s23p63d104s24p6291s22s22p63s23p63d104s1341s22s22p63s23p63d104s24p4261s22s22p63s23p63d64s2241s22s22p63s23p63d44s23d54s1Kr4s23d9CuSeFeCr核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2492第92页，课件共123页，创作于2023年2月四、原子的电子层结构与元素周期系反映元素周期律的元素排布成为元素周期表，也称元素周期系。元素性质随原子的价电子结构周期性变化的规律----元素周期律核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2493第93页，课件共123页，创作于2023年2月核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2494第94页，课件共123页，创作于2023年2月核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2495第95页，课件共123页，创作于2023年2月核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2496第96页，课件共123页，创作于2023年2月核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2497第97页，课件共123页，创作于2023年2月幻岛核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/2498第98页，课件共123页，创作于2023年2月0IIAIAIIBIVBIIIBVBVIBVIIBVIIIIBVIIAIIIAIVAVAVIAH

氢He氦Li

锂Be铍B硼C碳N氮O氧F氟Ne氖Na钠Mg镁Al铝Si硅P磷S硫Cl氯Ar氩K钾Ca钙Sc钪Ti钛V钒Cr铬Mn锰Fe铁Co钴Ni镍Cu铜Zn锌Ga镓Ge锗As砷Se硒Br溴Kr氪Rb铷Sr锶Y钇Zr锆Nb铌Mo钼Tc锝Ru钌Rh铑Pd钯Ag银Cd镉In铟Sn锡Sb锑Te碲I碘Xe氙Cs铯Ba钡Lu镥Hf铪Ta钽W钨Re铼Os锇Ir铱Pt铂Au金Hg汞Tl铊Pb铅Bi铋Po钋At砹Rn氡Fr钫Ra镭Lr铹RfDbSgBhHsMtUunUunUun镧系La镧Ce铈Pr镨Nd钕Pm钷Sm钐Eu铕Gd钆Tb铽Dy镝Ho钬Er铒Tm铥Yb镱锕系Ac锕Th钍Pa镤U铀Np镎Pu钚Am镅Cm锔Bk锫Cf锎Es锿Fm镄Md钔No锘族周期1234567元素周期表p区s区d区f区核外电子排布与元素周期表第七章原子结构Lu镥Lr铑2023/7/2499第99页，课件共123页，创作于2023年2月周期与能级组的关系周期能级组能级组内原子轨道能级组内轨道能容纳电子数各周期中元素种数1234567一二三四五六七1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d（未完）288181832未满28818183223(未完)1、周期核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/24100第100页，课件共123页，创作于2023年2月2、族主族元素的族数＝最外电子层电子数(ns+np)副族元素的族数：(n-1)d+ns电子数＝IIIB~VIIB族数(n-1)d+ns电子数＝8,9,10为VIII族(VIIIB族)ns电子数＝IB、IIB族数副族元素的价电子可以部分或全部参加成键，故可呈现多种氧化数。核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/24101第101页，课件共123页，创作于2023年2月1234567ⅠAⅦBⅡAⅢBⅣBBBBⅤⅥⅧⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦBAAAAALa*Ac*La*Ac*周期、族与原子的电子层结构0核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/24102第102页，课件共123页，创作于2023年2月3、元素的分区价层电子构型族区ns1-2ⅠA,ⅡAsns2np1-5ⅢA-ⅦApns2np6零族p(n-1)d10ns1-2ⅠB,ⅡBds(n-1)d1-5ns1-2ⅢB-ⅦBd(n-1)d6-8ns1-2Ⅷd(n-2)f1-14(n-1)d0-2ns2f(maingroupelements)主族元素(transitionelements)过渡元素(innerTransitionelements)内过渡元素区与原子结构的关系根据原子的价电子构型把周期表分成五个区核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/24103第103页，课件共123页，创作于2023年2月01234ds区(n-1)d10ns1-2567镧系锕系长式周期表元素分区示意图ⅠAⅦBⅡAⅢBⅣBBBBⅤⅥⅧⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦBAAAAA(n-2)f1-14(n-1)d0-2ns2f区d区s区p区ns1-2(n-1)d1-9ns1-2ns2np1-6核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/24104第104页，课件共123页，创作于2023年2月s区

s区元素最后一个电子填充在s轨道，价电子构型为ns1或ns2，位于周期表的左侧，包括ⅠA和ⅡA族。p区p区元素最后一个电子填充在p轨道，价电子构型为ns2np1-6，位于长周期表的右侧。共有ⅢA～ⅧA六族元素。s区和p区元素为主族元素，其共同特点是最后一个电子都填入最外电子层，最外层电子总数等于族数。核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/24105第105页，课件共123页，创作于2023年2月d区d区元素最后一个电子基本填充在次外层(倒数第二层)(n－1)d轨道(个别例外)，它们具有可变氧化态，包括ⅢB～ⅧB共六族。ds区ds区元素的价电子构型为(n－1)d10ns1-2。与d区元素的区别在于它们的(n－1)d轨道是全满的；与s区元素的区别在于它们有(n－1)d10电子层，即它们的次外层d轨道已全充满。所以ds区元素的性质既不同于d区元素也不同于s区元素，在周期表中的位置介于d区和p区之间。核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/24106第106页，课件共123页，创作于2023年2月f区f区元素最后一个电子填充在f亚层，价电子构型为(n－2)f0-14(n－1)d0-2ns2，包括镧系和锕系元素，位于周期表下方。d，ds区：副族，过渡金属元素，第四、五、六周期过渡元素称为第一、第二、第三过渡系元素。副族，镧系、锕系元素，内过渡金属元素，都是活泼金属。核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/24107第107页，课件共123页，创作于2023年2月例题:

根据电子结构式，确定42，47，80号元素在周期表中位置。42号

1s22s22p63s23p63d104s24p64d55s1

[Kr]4d55s1

n=5---第五周期；价电子构型4d55s1-----d区；价电子数5+1=6----ⅥB族；是过渡金属元素Mo47号[Kr]4d105s1

n=5---第五周期价电子构型4d105s1-----ds区IB族，是过渡金属元素Ag。核外电子排布与元素周期表第七章原子结构2023/7/24108第108页，课件共123页，创作于2023年2月§7-3元素基本性质的周期性一、原子半径ddr=d/2共价半径同种元素的两个原子以共价单键结合成分子时，其核间距的一半。金属半径r=d/2在金属晶格中金属原子紧密堆积，相邻两金属原子核间距离的一半。§7-3元素基本性质的周期性第七章原子结构d范德华半径r=d/2在稀有气体组成的分子晶体中，相邻两个同种原子核间距的一半。共价半径<金属半径<范德华半径2023/7/24109第109页，课件共123页，创作于2023年2月同一主族元素从上到下，原子半径增大；1.变化规律原子半径在同族中的变化同一副族元素半径增加的幅度减小，镧系收缩所致。短周期：从左到右，原子半径减小。原子半径在同周期中的变化§7-3元素基本性质的周期性第七章原子结构2023/7/24110第110页，课件共123页，创作于2023年2月特点：缓慢，积累。导致结果：ⅢB族后第五、六周期各对