无机化学原子结构与元素周期律

无机化学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1．初步了解原子核外电子运动的近代概念、原子能级、波粒二象性、原子轨道和电子云概念。2．了解四个量子数对核外电子运动状态的描述，掌握四个量子数的物理意义、取值范围。3．熟悉s、p、d

原子轨道的形状和方向。4．理解原子结构近似能级图，掌握原子核外电子排布的一般规则和s、p、d、f

区元素的原子结构特点。5．会从原子的电子层结构了解元素性质，熟悉原子半径、电离能、电子亲和能和电负性的周期性变化。第2页，课件共67页，创作于2023年2月夸克质子中子原子核电子微观（宇观）宇宙星体宏观纳米材料（介观）原子(离子)单质化合物分子5.1.1化学研究的对象哪些是关键性的问题呢？化学反应的性能问题;化学催化的问题;生命过程中的化学问题。当今化学发展的趋势大致是：由宏观到微观，由定性到定量，由稳定态向亚稳态，由经验上升到理论并用理论指导实践，开创新的研究。5.1核外电子的运动状态（1）第3页，课件共67页，创作于2023年2月5.1.2亚原子粒子人们将组成原子的微粒叫亚原子粒子。亚原子粒子曾经也叫基本粒子,近些年越来越多的文献就将其叫粒子。迄今科学上发现的粒子已达数百种之多。与化学相关的某些亚原子粒子的性质名称

符号质量/u电荷/e电子

质子

中子

正电子

α粒子

β粒子γ光子e–p

ne+αβ

γ

5.486×10–41.0073

1.0087

(氦原子的核)

(原子核射出的e-)

(原子核射出的电磁波)–1＋105.486×10–4＋1＋2–105.1核外电子的运动状态（2）第4页，课件共67页，创作于2023年2月1、根据α粒子散射实验现象分析（1）绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进——说明原子是中空的球体（2）极少数α粒子发生了偏转，偏转角超过90°——说明原子核带正电（3）有的α粒子甚至被弹回——说明原子核是一个体积小而坚硬的不能穿透的核（4）带相反电荷的电子并没有落到带正电荷的原子核上——说明电子在核四周作高速运动2、进一步分析：原子中存在着很小的带正电荷的核，原子的全部正电荷及几乎全部质量都集中在核里，只有电量和质量都较大才会这样。

3、结合实验结果和计算提出原子结构的行星模型（solarsystemmodel），即原子是由带正电荷的、质量很集中的、体积很小的原子核和在它周围运动着的带负电荷的电子组成的，就像行星绕太阳运转的一个体系。卢瑟福α粒子散射实验第5页，课件共67页，创作于2023年2月5.1.3夸克名称下夸克上夸克奇夸克粲夸克底夸克顶夸克符号duscbt电荷-1/3+2/3-1/3+2/3-1/3+2/3质量为质子的1/100或1/200质子的200倍发现年代197419771995某些最重要的夸克根据1961年由盖尔-曼（GellM-Mann）建立的新模型，质子和中子都是由更小的粒子夸克组成的，但现有的理论还不能预言(当然更不用说从实验上证明)电子是可分的。5.1核外电子的运动状态（3）第6页，课件共67页，创作于2023年2月5.1核外电子的运动状态（4）连续光谱(自然光)c=电磁波连续光谱连续光谱(实验室)第7页，课件共67页，创作于2023年2月5.1核外电子的运动状态（5）5.1.4氢原子光谱Balmer系红青蓝紫第8页，课件共67页，创作于2023年2月5.1核外电子的运动状态（6）氢原子光谱:线谱第9页，课件共67页，创作于2023年2月5.1核外电子的运动状态（7）巴尔麦(J.Balmer)经验公式(1885)

:谱线波长的倒数,波数(cm-1).n:大于2的正整数.

当n=3,4,5,6分别对应氢光谱中↓↓↓↓

H、H、H、H、Balmer系瑞典物理学家Balmer(1825-1898)第10页，课件共67页，创作于2023年2月5.1核外电子的运动状态（8）n1=1,2…

n2：n2>n1的正整数：谱线的频率(s-1)RH：里得堡(Rydberg)常数1.097×107m-1里得堡(Rydberg)------瑞典1913Rydberg(1854-1919)瑞典物理学家第11页，课件共67页，创作于2023年2月12OxygenCalciumCarbonHeliumHydrogenIronKryptonMagnesiumNeonNitrogenSulfurSodiumXenonAllelementshaveuniqueemissionspectra第12页，课件共67页，创作于2023年2月1913年，丹麦物理学家玻尔总结当时最新的物理学发现（普朗克的黑体理论和量子概念、爱因斯坦的光子论、卢瑟福原子带核模型等）基础上，建立了氢原子核外电子运动模型，解释了氢原子光谱，称为玻尔理论。5.1核外电子的运动状态（8）5.1.5Boher理论①1900年，德国科学家Planck提出了著名的量子论。Planck认为在微观领域能量是不连续的，物质吸收或放出的能量总是一个最小的能量单位的整倍数。这个最小的能量单位称为能量子。②1905年瑞士科学家Einstein在解释光电效应时，提出了光子论。Einstein认为能量以光的形式传播时，其最小单位称为光量子，也叫光子。光子能量的大小与光的频率成正比。第13页，课件共67页，创作于2023年2月5.1核外电子的运动状态（9）E=h式中E为光子的能量，为光子的频率，h为Planck常数，其值为6.62610-34Js。物质以光的形式吸收或放出的能量只能是光量子能量的整数倍。电量的最小单位是一个电子的电量。概括为：在微观领域中能量、电量是量子化的。量子化是微观领域的重要特征。Borh量子化模型第14页，课件共67页，创作于2023年2月5.1核外电子的运动状态（10）Bohr理论的三点假设：(1)核外电子只能在有确定半径和能量的轨道上运动，在同一个轨道中运动时，电子能量固定。轨道角动量P=mur=nh2（2）电子在离核越远的轨道上运动，能量越大。通常，电子处在离核最近的轨道上，能量最低，原子处于基态；原子得能量后，电子被激发到高能轨道上，原子处于激发态。（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。从激发态回到基态释放光能，光的频率取决于轨道间的能量差。h=E2-E1E2-E1=hBohr量子化条件-13.6E=n2ev第15页，课件共67页，创作于2023年2月5.1核外电子的运动状态（11）●计算氢原子的电离能波尔理论的成功之处●解释了H及He+、Li2+、B3+的原子光谱WavetypeHaHbHgHdCalculatedvalue/nm656.2486.1434.0410.1Experimentalvalue/nm656.3486.1434.1410.2●说明了原子的稳定性●对其他发光现象（如Ｘ光的形成）也能解释●不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂波尔理论的不足之处●不能解释氢原子光谱的精细结构●不能解释多电子原子的光谱丹麦物理学家1885-1962第16页，课件共67页，创作于2023年2月5.1核外电子的运动状态（12）5.1.6核外电子运动的波粒二象性1924年，法国年轻的物理学家L.deBroglie(1892—1987)指出，对于光的本质的研究，人们长期以来注重其波动性而忽略其粒子性；与其相反，对于实物粒子的研究中，人们过分重视其粒子性而忽略了其波动性。

L.deBroglie从Einstein的质能联系公式E=mc2和光子的能量公式E=h的联立出发，进行推理：用P表示动量，则P=mc，故有公式第17页，课件共67页，创作于2023年2月5.1核外电子的运动状态（13）电子衍射实验证实了德布罗意的假设微观粒子具有波粒二象性。粒子的波动是大量微粒运动(或者是一个粒子千万次运动)所表现出来的性质，是微粒行为统计规律的表现。

--------物质波又称概率波第18页，课件共67页，创作于2023年2月正是由于波粒二象性这一微观粒子运动区别于宏观物体运动的本质特征，所以描述微观粒子的运动不能使用经典的牛顿力学，而要用量子力学。X-raytube可见光、X射线和电子束的衍射图

5.1核外电子的运动状态（14）第19页，课件共67页，创作于2023年2月5.1核外电子的运动状态（15）5.1.7测不准原理(WernerHeisenberg,1926)

微观粒子，不能同时准确测量其位置和动量。x

－粒子的位置不确定量p－粒子的运动速度不确定量WernerHeisenberg(1901-1976)第20页，课件共67页，创作于2023年2月5.1核外电子的运动状态（16）5.1.8波函数和原子轨道1926年，奥地利物理学家Schrödinger根据波粒二象性的概念，通过光学和力学方程之间的类似和对比，提出微观粒子运动的数学表达式。(x,y,z)－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

E－轨道能量（动能与势能总和）m—微粒质量，h

—普朗克常数x,y,z为微粒的空间坐标(x,y,z)波函数第21页，课件共67页，创作于2023年2月5.1核外电子的运动状态（17）(1)电子云（electroncloud）电子在核外空间出现的概率密度大小的形象化描述。Schrödinger波函数（原子轨道）的物理意义：

||2代表电子在空间单位体积内出现的概率密度

||2值大，单位体积内电子出现的概率大

||2值小，单位体积内电子出现的概率小1s2s2p第22页，课件共67页，创作于2023年2月（2）各种电子云的角度分布图zxspzzx电子云的角度分布图比波函数的角度分布图略“瘦”些。电子云的角度分布图没有‘’‘’。dz2zxydx2－y2xydxyx作为波函数的符号，它表示原子轨道的对称性，因此在讨论化学键的形成时有重要作用。波函数的角度分布图有‘’‘’。这是根据的解析式算得的。它不表示电性的正负。5.1核外电子的运动状态（18）第23页，课件共67页，创作于2023年2月各种电子云的角度分布图（立体）第24页，课件共67页，创作于2023年2月5.1核外电子的运动状态（19）（3）

量子数薛定锷方程的数学解很多，而要使所求的解具有特定的物理意义（电子运动状态合理解），必需引用取某些整数值的三个参数（三个量子数），它们只能取如下数值：

主量子数

n=1，2，3，……，

角量子数

l=0，1，2，…，n-1。共可取n个数值。

磁量子数

m=0，1，2，…，

l。共可取2l+1

个数值。

第25页，课件共67页，创作于2023年2月5.1核外电子的运动状态（20）2.描述电子运动状态的四个量子数（1）主量子数n，n=1,2,3…正整数，它决定电子离

核的远近和能级.(2)角量子数l，l=0,1,2,3…n-1，以s，p，d，f

对应的能级表示亚层，它决定了原子轨道或电子

云的形状.

(3)磁量子数m，原子轨道在空间的不同取向，m=0,1,2,3...l,一种取向相当于一个轨道，共可

取2l+1个数值。m值反应了波函数(原子轨道)或

电子云在空间的伸展方向.(4)

自旋量子数ms，ms=1/2,表示同一轨道中电子的二种

自旋状态

(5)根据四个量子数的取值规则，则每一电子层中可容纳的电子总数为2n2.第26页，课件共67页，创作于2023年2月5.1核外电子的运动状态（21）◆与电子能量有关，对于氢原子，电子能量唯一决定于n◆确定电子出现概率最大处离核的距离◆不同的n值，对应于不同的电子壳层１２３４５……..

KLMNO……..（1）主量子数n(principalquantumnumber)第27页，课件共67页，创作于2023年2月5.1核外电子的运动状态（22）◆与角动量有关，对于多电子原子,l

也与E有关◆

l的取值0，1，2，3……n-1(亚层）s,p,d,f…...◆l

决定了ψ的角度函数的形状（2）角量子数l(angularmomentumquantumumber)nl1234(亚层)0000S111p22d3f第28页，课件共67页，创作于2023年2月5.1核外电子的运动状态（23）◆与角动量的取向有关，取向是量子化的◆

m可取0，±1,±2……±l◆取值决定了ψ角度函数的空间取向◆m值相同的轨道互为等价轨道(简并轨道)（3）磁量子数m(magneticquantumnumber)lm轨道数0(s)1(p)2(d)3(f)0＋10－1＋2＋10－1－2＋3＋2＋10－1－2－31357第29页，课件共67页，创作于2023年2月5.1核外电子的运动状态（24）s轨道(l=0,m=0):m一种取值,空间一种取向,一条s轨道

p轨道(l

=1,m=+1,0,-1)

m三种取值,三种取向,三条等价(简并)p轨道第30页，课件共67页，创作于2023年2月5.1核外电子的运动状态（25）d

轨道(l=2,m=+2,+1,0,-1,-2):m五种取值,空间五种取向,五条等价(简并)d

轨道第31页，课件共67页，创作于2023年2月5.1核外电子的运动状态（26）

f

轨道(l=3,m=+3,+2,+1,0,-1,-2,-3):m七种取值,空间七种取向,七条等价(简并)f轨道第32页，课件共67页，创作于2023年2月5.1核外电子的运动状态（27）（4）自旋量子数ms(spinquantumnumber)◆描述电子绕自轴旋转的状态◆自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为◆ms取值+1/2和-1/2，分别用↑和↓表示磁场屏幕窄缝银原子流炉第33页，课件共67页，创作于2023年2月5.1核外电子的运动状态（28）角量子数0123……原子轨道

spdf……例如:n=2,l

=0,m=0,2s

n=3,l

=1,m=0,3pz

n=3,

l

=2,m=0,3dz2核外电子运动轨道运动自旋运动与一套量子数相对应（自然也有1个能量Ei)nlmms第34页，课件共67页，创作于2023年2月写出与轨道量子数n=4,l=2,m=0的原子轨道名称。原子轨道是由n,l,m三个量子数决定的。与l=2

对应的轨道是d

轨道。因为n=4,该轨道的名称应该是4d.

磁量子数m=0

在轨道名称中得不到反映,但根据我们迄今学过的知识,m=0表示该4d

轨道是不同伸展方向的5条4d

轨道之一。第35页，课件共67页，创作于2023年2月5.2原子核外电子的排布和元素周期系（1）5.2.1多电子原子能级1.L.Pauling原子轨道近似能级图（牢记）1s;2s2p;3s3p;4s3d4p;5s4d5p;

6s4f5d6p;7s5f6d第36页，课件共67页，创作于2023年2月5.2原子核外电子的排布和元素周期系（2）（1）原子轨道近似能级图

Pauling，美国著名结构化学家，根据大量光谱实验数据和理论计算，提出了多电子原子的原子轨道近似能级图。第一组1s

第二组2s2p

第三组3s3p

第四组4s3d4p

第五组5s4d5p

第六组6s4f5d6p

第七组7s5f6d7p其中除第一能级组只有一个能级外，其余各能级组均以ns开始，以np结束。所有的原子轨道，共分成七个能级组第37页，课件共67页，创作于2023年2月各能级组之间的能量高低次序，以及能级组中各能级之间的能量高低次序，在下页的图示中说明。5.2原子核外电子的排布和元素周期系（3）(1s)1s(2s,2p)2p2s(3s,3p)3p3s(4s,3d,4p)4p3d4s(5s,4d,5p)5p4d5s(6s,4f,5d,6p)6p5d6s4f(7s,5f,6d,7p)7p6d7s5f近似能级图能级图能量E第38页，课件共67页，创作于2023年2月5.2原子核外电子的排布和元素周期系（4）原子轨道能级由低到高的顺序（1）l相同，n越大，能级越高，1s<2s<3s<4s1s;2s,2p;3s,3p;4s,3d,4p;5s,4d,5p;6s,4f,5d,6p;

7s,5f,6d,……多电子原子轨道的能级与主量子数和角量子数有关（2）n相同，l越大，能级越高，ns<np<nd<nf（3）n不同，l不同，有时出现能级交错，4s<3d，5s<4d,6s<4f<5d,…..第39页，课件共67页，创作于2023年2月5.2原子核外电子的排布和元素周期系（5）2.徐光宪先生的近似规律:（1）多电子原子体系外层电子的能级与(n+0.7l)有关,(n+0.7l)

值越大,能级越高;（2）对于离子的外层电子,(n+0.4l)

值越大,能级越高;（3）对于原子或离子来说,能级高低基本上由主量子数确定。以第七能级组为例进行讨论7p（n+0.7l）=7+0.71=7.76d（n+0.7l）=6+0.72=7.45f（n+0.7l）=5+0.73=7.17s（n+0.7l）=7+0.70=7.0因此，各能级均属于第七能级组，能级顺序为E7s

E5f

E6d

E7p第40页，课件共67页，创作于2023年2月5.2原子核外电子的排布和元素周期系（6）

n=1

n=2

n=3

n=4原子序数z能量2s1s3s4s3p2p4p3d4f4d

CuE4s>E3d，形成Cu+时，先失去

4s电子；

KE4s<E3d，先填充

4s。如何解释这种现象？科顿能级图讨论了原子轨道的能量与原子序数之间的关系。3.Cotton原子轨道能级图第41页，课件共67页，创作于2023年2月5.2原子核外电子的排布和元素周期系（7）核外电子分布三规则：最低能量原理：电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道上,使整个原子系统能量最低。Pauli不相容原理：每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式相反的电子。Hund规则在n和l相同的轨道上分布的电子,将尽可能分占m值不同的轨道,且自旋平行。第42页，课件共67页，创作于2023年2月5.2原子核外电子的排布和元素周期系（8）第43页，课件共67页，创作于2023年2月5.2原子核外电子的排布和元素周期系（9）Z=7，N：1s22s22p3Z=26Fe：1s22s22p63s23p63d64s2Z=17

Cl：1s22s22p63s23p5Z=19

K：1s22s22p63s23p64s21原子

能级排列序列

光谱实验序列

Cr

Mo

Cu

Ag

Au

[Ar]3d

44s

2

[Kr]4d

45s

2

[Ar]3d

94s

2

[Kr]4d

95s

2

[Xe]4f

145d

96s

2

[Ar]3d

54s

1

[Kr]4d

55s

1

[Ar]3d

104s

1

[Kr]4d

105s

1

[Xe]4f14

5d106s

1

第44页，课件共67页，创作于2023年2月共七个周期,对应于顺序图中的七个能级组。各周期均以填充

s轨道的元素开始,并以填充p轨道的元素告终。你能联系起周期与能级顺序图之间的关系吗?5.2原子核外电子的排布和元素周期系（10）第45页，课件共67页，创作于2023年2月

区

价电子构型

s区

ns1~2

ns2np1~6

记住元素所在的周期号和族号

p区

d区

f区(n–1)d1~10ns1~2(n–2)f1~14(n–1)d

0~1ns2价电子构型相似的元素在周期表中分别集中在5个区(block)就能够写出原子的价电子组态5.2原子核外电子的排布和元素周期系（11）ds区(n-1)d10ns2第46页，课件共67页，创作于2023年2月2.元素周期律DmitriMendeleev(1834-1907)

1869,63个已知元素按化学、物理性质的相似性分组5.2原子核外电子的排布和元素周期系（12）第47页，课件共67页，创作于2023年2月5.2原子核外电子的排布和元素周期系（13）元素周期律：元素以及由它形成的单质和化合物的性质，随着元素的原子序数(核电荷数)的依次递增，呈现周期性的变化。元素周期表(长表)：周期号数等于电子层数。各周期元素的数目等于相应能级组中原子轨道所能容纳的电子总数。主族元素的族号数等于原子最外层电子数。第48页，课件共67页，创作于2023年2月5.4元素的基本性质及周期性的变化规律(1)5.4.1.原子半径（r）共价半径同种元素的两个原子以共价单键结合时，其核间距离的一半金属半径金属单质的晶体中，相邻两原子的核间距离的一半范德华半径当原子间没有形成化学键而只靠分子间的作用力互相接近时，相邻两原子的核间距离的一半第49页，课件共67页，创作于2023年2月金属半径：金属晶体中测定两个最邻近原子的核间距一半原子半径：测定单质分子中两个相邻原子的核间距一半5.4元素的基本性质及周期性的变化规律(2)第50页，课件共67页，创作于2023年2月5.4元素的基本性质及周期性的变化规律(3)主族元素：从左到右r减小;从上到下r增大。过渡元素：从左到右r缓慢减小;从上到下r略有增大。主族元素第51页，课件共67页，创作于2023年2月5.4元素的基本性质及周期性的变化规律(4)同B族变化不明显，特别是第五和第六周期的B族元素、原子半径非常接近，以致于它们的性质非常相似，在自然界中常常共生在一起，难以分离。第52页，课件共67页，创作于2023年2月同周期原子半径的变化趋势(一)总趋势：随着原子序数的增大,原子半径自左至右减小解释:电子层数不变的情况下,有效核电荷的增大导致核对外层电子的引力增大5.4元素的基本性质及周期性的变化规律(5)第53页，课件共67页，创作于2023年2月5.4元素的基本性质及周期性的变化规律(6)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Z*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。镧系收缩第54页，课件共67页，创作于2023年2月5.4元素的基本性质及周期性的变化规律(7)第55页，课件共67页，创作于2023年2月5.4元素的基本性质及周期性的变化规律(8)5.4.2电离能

基态气体原子失去电子成为带一个正电荷的气态正离子所需要的能量称为第一电离能，用I

1表示。由+1价气态正离子失去电子成为带+2价气态正离子所需要的能量称为第二电离能，用I

2表示。E(g)

E+(g)+e-I

1第56页，课件共67页，创作于2023年2月5.4元素的基本性质及周期性的变化规律(9)同族总趋势：自上至下减小,与原子半径增大的趋势一致同周期总趋势:自左至右增大,与原子半径减小的趋势一致第57页，课件共67页，创作于2023年2月5.4元素的基本性质及周期性的变化规律(10)第58页，课件共67页，创作于2023年2月5.4元素的基本性质及周期性的变化规律(11)5.4.3电子亲和能X(g)+e-=X-(g)

X-

(g)+e-

=X

2-

(g)例如，O-(g)

+e-==O2-(g)A2=-780kJ.mol-1指一个气态原子得到一个电子形成负离子时放出或吸收的能量。常以符号Eea表示，也有第一、第二、…之分。元素第一电子亲和能的正值表示放出能量,负值表示吸收能量。元素的电子亲和能越大,原子获取电子的能力越强,即非金属性越强。第59页，课件共67页，创作于2023年2月元素非金属性愈强,第一电子亲合能愈大5.4元素的基本性质及周期性的变化规律(12)第60页，课件共67页，创作于2023年2月5.4元素的基本性质及周期性的变化规律(13)第61页，课件共67页，创作于2023年2月5.4.4电负性而在许多反应中，并非单纯的电子得失，单纯的形成