普通化学第七章原子结构和元素周期律

普通化学第七章原子结构和元素周期律第1页，课件共66页，创作于2023年2月要求:(1)了解核外电子运动的特殊性,了解波函数和电子云的图形.(2)能运用轨道填充顺序图,按照核外电子排布原理,写出若干常见元素的电子组态.(3)掌握各类元素电子构型的特征.(4)了解电离势、电负性等概念的意义和它们与原子结构的关系。(5)了解元素周期表和核外电子排布的关系第2页，课件共66页，创作于2023年2月第一节核外电子的运动状态

7.1.1氢原子光谱和Bohr理论

19世纪，物理学家Crookes等人在研究稀薄气体放电现象时发现了电子。1897年，Thomson

测定出电子的荷质比(e/me)为1.76×1011C·kg-1。实验表明，电子的荷质比是一个常数，它与电极材料或放电管中气体的性质无关。

第3页，课件共66页，创作于2023年2月

1911年，Rutherford用一束高速运动的α粒子（He2＋）流轰击一块10－6~10－7m厚的金箔。发现绝大多数的α粒子几乎不受阻拦地直线通过，约万分之一的α粒子的运动方向发生偏转，极个别的α粒子甚至被反弹回来。原子像一个行星系，其中心有一个体积很小却几乎集中了原子全部质量的带正电荷的原子核，而带负电荷的电子在核外空间绕核高速运动，就像行星围绕着太阳运动一样。第4页，课件共66页，创作于2023年2月一、氢原子光谱

当一束白光通过石英棱镜时，形成的带状光谱称为连续光谱。

气态原子被火花、电弧或其他方法激发产生的光，经棱镜分光后，得到不连续的线状光谱，这种线状光谱称为原子光谱。

氢原子光谱是最简单的原子光谱。在抽成真空的光电管中充入稀薄纯氢气，并通过高压放电所放出的光经棱镜分光后形成按波长次序排列的不连续的线状光谱。氢原子光谱在可见光区有4条比较明显的谱线，分别用Hα，Hβ，Hγ，Hδ表示。第5页，课件共66页，创作于2023年2月

在某一瞬间一个氢原子只能产生一条谱线，实验中之所以能同时观察到全部谱线，是由于很多个氢原子受到激发，跃迁到高能级后又返回低能级的结果。二、Bohr理论

1913年，丹麦青年物理学家Bohr提出了新的原子结构模型。其要点如下：第6页，课件共66页，创作于2023年2月

（1）电子只能在某些特定的圆形轨道上绕核运动，在这些轨道上运动的电子既不放出能量，也不吸收能量。

（2）电子在不同轨道上运动时，其能量是不同的。在离核越远的轨道上，能量越高；在离核越近的轨道上，能量越低。轨道的这些不同的能量状态称为能级，其中能量最低的状态称为基态，其余能量高于基态的状态称为激发态。原子轨道的能量是量子化的，氢原子轨道的能量为：

第7页，课件共66页，创作于2023年2月

（3）只有当电子在能量不同的轨道之间跃迁时，原子才会吸收或放出能量。当电子从能量较高的轨道(E2)跃迁到能量较低的轨道(E1)时，原子以光子的形式释放出能量，释放出光的频率与轨道能量的关系为：△E=E2-E1=hν第8页，课件共66页，创作于2023年2月7.1.2核外电子的运动特征一、电子的波粒二象性1924年，法国青年物理学家deBroglie大胆地提出电子也具有波粒二象性的假说。并预言：对于质量为me，运动速率为νe的电子，其相应的波长λe可由下式给出：

第9页，课件共66页，创作于2023年2月

1927年，美国物理学家Davisson和Germer用电子束代替X射线做晶体衍射实验，得到了与X射线衍射图象相似的衍射环纹图，确认了电子具有波动性。（a）X射线的衍射图（b）电子衍射图第10页，课件共66页，创作于2023年2月二、测不准原理

对于具有波粒二象性的电子，能否同时准确地测定电子的位置和动量呢？1927年，德国物理学家Heisenberg对此做出了否定回答。

Heisenberg认为：不可能同时准确地测定电子的位置和动量。这就是测不准原理，它的数学表达式为：第11页，课件共66页，创作于2023年2月一方程

1926年，奥地利著名的物理学家首先提出描述了电子运动状态的波动方程，称为

方程：方程的每一个解ψ，就表示电子的一种运动状态，与ψ相应的E就是电子在这一运动状态下的能量。7.1.3核外电子运动状态的描述第12页，课件共66页，创作于2023年2月二、波函数

从方程解出来的波函数ψ，是包括n，l，m三个量子数的电子在原子核外空间的运动状态，每一个ψ就表示电子的一种运动状态，通常把波函数称为原子轨道。三、四个量子数（一）主量子数n(principalquantumnumber)主量子数n决定电子出现概率最大的区域距原子核的平均距离，n的取值为1，2，3…第13页，课件共66页，创作于2023年2月主量子数n也是决定电子能量高低的主要因素，n越大，电子的能量越高。在一个原子中，常称n相同的电子为一个电子层。当n＝1，2，3，4，5，6，7时，分别称为第一，二，三，四，五，六，七电子层，相应地用符号K，L，M，N，O，P，Q表示。

在氢原子或类氢离子中，电子的能量完全由主量子数n决定。

第14页，课件共66页，创作于2023年2月（二）角量子数l(azimuthalquantumnumber)

角量子数l决定原子轨道的角动量，确定原子轨道的形状，它反映了电子在空间不同角度的分布情况。l的取值受n的制约，l=0，1，2….n－1。当l＝0，1，2，3时，分别称为s，p，d，f亚层。

n＝1时，l＝0，K层只有s亚层；

n＝2时，l＝0，1，L层有s，p亚层；

n＝3时，l＝0，1，2，M层有s，p，d亚层；

n＝4时，l＝0，1，2，3，N层有s，p，d，f亚层。第15页，课件共66页，创作于2023年2月n=1,只有一个亚层,l只能为0,轨道符号为1sn=3,有三个亚层,当l

=0时,轨道符号为3s,l

=2时,轨道符号为3d,轨道记号为

nlcxc是直角坐标在多电子原子中，n和l共同决定了电子的能量。当n相同时，随l的增大，亚层的能量增大。第16页，课件共66页，创作于2023年2月（三）磁量子数(magneticquantumnumber)

磁量子数m确定原子轨道在空间的伸展方向.m的取值受l的制约，磁量子取值m=0,±1,±2,…±l，在一个亚层内轨道数为2l+1个当l＝0时，m只能取0，s亚层只有1个轨道,叫1s轨道,s轨道(l=0，m

=0）无伸展方向，呈球形对称当l＝1时，m可取－1，0，＋1，p亚层有3

个轨道,叫p轨道.在空间有三个相互垂直伸展方向,即px、py、pz轨道,呈哑铃形对称.

同理，d亚层有5个轨道，f亚层有7个轨道。

n和l相同，但m不同的各原子轨道的能量相同，称为简并轨道或等价轨道。第17页，课件共66页，创作于2023年2月

n电子层l电子亚层m轨道数1K01s012L012s2p0

-1,0,+1

3M0123s3p3d0

4

N01234s4p4d4f0

电子层、电子亚层、原子轨道与量子数之间的关系每层中有轨道n2第18页，课件共66页，创作于2023年2月（四）自旋量子数ms自旋量子数ms用于描述电子的自旋运动状态。取值为+1/2和-1/2，常用箭号↑和↓表示电子的两种自旋方式。不能从求解方程得到

综上所述，n，l，m三个量子数可以确定一个原子轨道，而n，l，m，

ms四个量子数可以确定电子的运动状态。

四、波函数的图形波函数ψ是描述核外电子在空间运动状态的数学函数式,没有明确直观的物理意义.

第19页，课件共66页，创作于2023年2月但粒子运动在某一时间某一点的ψ2却有物理意义,ψ2代表在单位体积内发现一个电子的几率,叫几率密度.用电子云形象地表示电子在核外空间出现的几率密度,电子出现几率大的地方,电子云浓密些.氢原子的s，p，d轨道的角度分布图形第20页，课件共66页，创作于2023年2月氢原子电子云示意图第21页，课件共66页，创作于2023年2月

电子云图电子云界面图

如果画一个封闭的曲面,在这个曲面内电子出现的概率占90％以上,所得到的图形称为电子云界面图。通常将界面图中的小黑点略去。第22页，课件共66页，创作于2023年2月波函数,原子轨道,电子云的关系.

一定的波函数描述电子一定的运动状态,如ψ1s,ψ2p等,量子力学中借助经典力学中“轨道”一词,称原子中一个电子的可能的空间运动状态为原子轨道,这些原子轨道各由一个波函数来描述,ψ1s,ψ2p分别叫1s、2p轨道，氢原子的1s轨道的空间图形是球形，其电子在空间出现的几率密度分布是球形对称的，界面图是球面，平面图为圆。图形不同。电子云图没有正负，且“瘦”第23页，课件共66页，创作于2023年2月第二节核外电子排布和周期系7.2.1氢原子的轨道能轨道能：解薛定谔方程时，所得的每个波函数ψ都对应着一个能量E，叫轨道能。轨道能包括平均势能和电子的动能，电子离核无限远处势能为零，电子向核靠拢时，其势能低于零而为负值。氢原子的轨道能第24页，课件共66页，创作于2023年2月氢原子的轨道能只取决于主量子数n，E2s=E2pE3s=E3p=E3d，它们属于同一能级对于类氢离子（H-likeion），即核外只有一个电子时，如He+，Li2+，Be3+轨道能为如Li2+中，电子由2s跃迁到2p时，△E=0第25页，课件共66页，创作于2023年2月

7.2.2多电子原子的能级（一）屏蔽效应屏蔽作用：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。其余电子对某个指定电子的排斥作用相当于降低了原子核对指定电子的吸引作用。称为屏蔽作用。其他电子屏蔽作用对选定电子产生的效果叫屏蔽效应。

在多电子原子中，对所选定的任何一个电子所受的作用，可以看作是来自一个核电荷为Z-σ的单中心势场，Z-σ叫有效核电荷数，用Z*表示：σ叫屏蔽常数第26页，课件共66页，创作于2023年2月在多电子原子中，主要来自内层电子对外层电子的屏蔽和同层电子间的屏蔽。多电子原子轨道能当电子离核较近时，电子的势能比在远处低，E3s＞

E2s＞E1s第27页，课件共66页，创作于2023年2月（二）钻穿效应

在多电子原子中，每个原子轨道的电子，既有屏蔽它外面电子的作用，又有内层电子对它的屏蔽，为了躲避内层电子的屏蔽，它常会向更靠近核的地方钻进去，钻得越深，轨道平均势能越低，就可以较好地避免其他电子对它的屏蔽，这种现象称为钻穿效应。当n相同时，l越小钻穿能力越强。同一电子层中各亚层的能量高低顺序为：

E(ns)<E(np)<E(nd)<E(nf)第28页，课件共66页，创作于2023年2月比较多电子原子的3d

和4s轨道能，3d

由于由于角量子数的升高对轨道能能的升高作用超过了4s主量子数大对轨道能量升高的作用，因此3d

轨道的能量高于4s轨道。一般来说，n≥3，End

﹥E(n+1)sn≥4，Enf

<E(n+2)s多电子原子中，l相同，n越大，能量越高，n相同，l越大，能量越高，因此会出现能级交叉现象。第29页，课件共66页，创作于2023年2月

我国化学家徐光宪提出了多电子原子的原子轨道能级分组的近似规则,将（n＋0.7l）整数相同的轨道划分为一个能级组。

第30页，课件共66页，创作于2023年2月表原子轨道的能级组划分原子轨道n+0.7l

能级组1s1.0Ⅰ2s2p2.02.7Ⅱ3s3p3.03.7Ⅲ4s3d4p4.04.44.7Ⅳ5s4d5p5.05.45.7Ⅴ6s4f5d6p6.06.16.46.7Ⅵ7s5f6d7p7.07.17.47.7Ⅶ第31页，课件共66页，创作于2023年2月Pauling原子轨道的近似能级图第32页，课件共66页，创作于2023年2月7.2.3基态原子核外电子排布规则基态原子核外电子排布遵守Pauli不相容原理、能量最低原理和Hund规则。（1）Pauli不相容原理：在一个原子中，不可能存在四个量子数完全相同的两个电子。由Pauli不相容原理，可知一个原子轨道最多只能容纳两个电子，而且这两个电子的自旋方式必须相反。第33页，课件共66页，创作于2023年2月

（2）能量最低原理：在不违背Pauli不相容原理的前提下，核外电子总是尽先排布在能量最低的轨道上，依次排布在能量较高的轨道上。（3）Hund规则：电子在简并轨道（即n，l相同的轨道）上排布时，总是以自旋平行的方式分占尽可能多的轨道。作为Hund规则的特例，简并轨道在全充满（s2,p6，d10，f14）、半充满（s1,p3，d5，f7）和全空（p0，s0,d0，f0）时是比较稳定的。第34页，课件共66页，创作于2023年2月将电子按照Pauli不相容原理、能量最低原理和Hund规则填充在各个轨道,这种电子的排布叫电子组态(构型)1H1s12He1s23Li1s22s14Be1s22s25B1s22s22p16C1s22s22p27N1s22s22p3第35页，课件共66页，创作于2023年2月8O1s22s22p49F1s22s22p510Ne1s22s22p66C的两个2p电子自旋平行地分占不同轨道,7N的两个3p电子自旋平行地分占不同轨道较温定,因此难失电子.当原子、分子、离子中有单个电子时，为顺磁性，且顺磁性的大小与该物质中单个电子数有关。当物质中电子都成对时，具有反磁性。第36页，课件共66页，创作于2023年2月1、在多电子原子中具有下列量子数的电子，按其能量高低排列先后顺序（2，1，1，-1/2）（2，1，0，-1/2）（3，1，1，-1/2）（3，2，-2，-1/2）2、指出下列各套量子数中所描绘的电子亚层最多容纳几个电子⑴n=5，l=0⑵n=5，l=3⑶n=4，l=3

⑷n=3，l=2

⑸n=2，l=1

第37页，课件共66页，创作于2023年2月3、下列各种外电子层结构中，哪一种相应于原子的激发态，哪种处于基态，哪种是错误的⑴1s22s1⑵1s22s22d1⑶1s22s12p2⑷1s22s22p43d1⑸1s22s42p2⑹1s22s22p63d1第38页，课件共66页，创作于2023年2月7.2.4原子的基态电子组态原子基态电子组态按Pauli不相容原理、能量最低原理和Hund规则可以将电子逐一填在轨道中,即构成了原子的基态电子组态1H1s12He1s23Li1s22s14Be1s22s25B1s22s22p16C1s22s22p27N1s22s22p3第39页，课件共66页，创作于2023年2月8O1s22s22p49F1s22s22p510Ne1s22s22p611Na1s22s22p63s112Mg1s22s22p63s213Al1s22s22p63s23p114Si1s22s22p63s23p215P1s22s22p63s23p316S1s22s22p63s23p417Cl1s22s22p63s23p518Ar1s22s22p63s23p6第40页，课件共66页，创作于2023年2月（1）电子排布式。（2）轨道表示式。（3）量子数表示法。量子数表示是用一套量子数（n，l，m，ms）定义电子的运动状态。如3s2

电子用量子数可以表示为：（3，0，0，±1/2）。（4）“原子实+价层组态”表示法。

第41页，课件共66页，创作于2023年2月充满的稀有气体电子层结构的内层电子(称为原子实或叫核实)；另一部分是原子实以外的外层电子，称之为价层电子。原子实部分可用“[稀有气体元素]”来表示，而价层电子我们常用价层电子结构或价层组态来表示。如11Na[Ne]3s1

20Ca[Ar]4s2

第42页，课件共66页，创作于2023年2月写出29Cu、24Cr、30Zn、26Fe的基态原子的电子组态1s22s22p63s23p63d104s11s22s22p63s23p63d54s11s22s22p63s23p63d104s21s22s22p63s23p63d64s2第43页，课件共66页，创作于2023年2月7.2.5、原子的电子层结构和周期系一、原子的电子层结构和周期系1.元素周期表共有七个横行，每一横行为一个周期，共有七个周期。元素在周期表中所属周期数等于该元素基态原子的电子层数，也等于元素原子的最外电子层的主量子数。2.各周期所包含的元素的数目，等于相应能级组中的原子轨道所能容纳的电子总数。第44页，课件共66页，创作于2023年2月

各周期中元素的数目与相应能级组的原子轨道的关系

周期能级组能级组内原子轨道元素数目电子最大容量1Ⅰ1s222Ⅱ2s2p883Ⅲ3s3p884Ⅳ4s3d4p18185Ⅴ5s4d5p18186Ⅵ6s4f5d6p32327Ⅶ7s5f6d(未完)23(未完)

未满第45页，课件共66页，创作于2023年2月3.为什么每周期元素的原子最外层电子数不超过8个,次外层电子数不超过18个,而不都是各个电子层电子最大容纳数2n2？二、原子的电子结构和族

主族元素在周期表中的族次等于元素基态原子的最外电子层的电子数，等于主族元素的最高氧化数;在同一主族内，最外电子层上的电子数都是相同的。第46页，课件共66页，创作于2023年2月元素周期表共有18个纵行，除第八，九，十3个纵行为第Ⅷ族外，其余15个纵行，每一个纵行为一个族。元素周期表共有16个族，除了稀有气体（0族）和Ⅷ族外，还有七个A(主)

族和七个B(副)族。A族由长周期元素和短周期元素组成，叫主族；B族只由长周期元素组成，叫副族。第47页，课件共66页，创作于2023年2月

第一主族(IA)碱金属，它们的价层电子构型为ns1。第二主族(IIA)为碱土金属，价层电子构型为ns2。IIIA为硼族，价层电子构型为ns2np1。IVA为碳族，价电子构型为ns2np2.

VA族为氮族，价电子构型为ns2np3，p轨道上电子排布为半充满.VIA族为氧族，价电子构型为ns2np4.第48页，课件共66页，创作于2023年2月VIIA族为卤素，价电子构型为ns2np5。0族是稀有气体元素（以前也称作惰性气体），包括He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn六种元素。除He为1s2，其余价电子构型均为ns2np6

副族元素基态原子的最外电子层有1个或2个电子，次外层上有9~18个电子。第49页，课件共66页，创作于2023年2月IIIB族至VIIB族族数等于最外层s电子与次外层d电子的总数，即等于其价层电子数.VIII族为ns和(n-1)d电子总数等于8、9、10的元素

IB族与IIB族的族数为最外层的s电子的数目，且(n-1)d电子数目为10

。第50页，课件共66页，创作于2023年2月三、原子的外层电子构型和元素的分区镧系

f锕系s第51页，课件共66页，创作于2023年2月（1）s区元素：包括IA族元素和ⅡA族元素，外层电子构型为。（2）p区元素：包括ⅢA~ⅦA族元素和0族元素，除He元素外，外层电子构型为。（3）d区元素：d区元素又称过渡元素，包括

ⅢB~ⅦB族元素和Ⅷ族元素，外层电子构型为（4）ds区元素：包括ⅠB和ⅡB族元素，外层电子构型为。（5）f区元素：包括镧系和锕系元素，外层电子构型为。。第52页，课件共66页，创作于2023年2月d区元素和ds区元素又叫过渡元素例:推测49号元素在周期表中的位置22810818183618543286第53页，课件共66页，创作于2023年2月一、原子半径

原子半径，是指分子或晶体中相邻同种原子的核间距离的一半。稀有气体原子在低温下可以认为是依靠范德华力形成的单原子分子，相邻两个稀有气体原子间的核间距的一半称为分子接触半径(范德华半径)第54页，课件共66页，创作于2023年2月ⅠA

0H32He93Li123Be89B82C77N70O66F64Ne112Na154Mg136Al118Si117P110S104Cl99Ar154K203Ca174Sc144Ti132V122Cr118Mn117Fe117Co116Ni115Cu117Zn125Ga126Ge122As121Se117Br114Kr169Rb216Sr191Y162Zr145Nb134Mo130Tc127Ru125Rh125Pd128Ag134Cd148In144Sn140Sb141Te137I133Xe190Cs235Ba198La169Hf144Ta134W130Re128Os126Ir127Pt130Au134Hg144Tl148Pb147Bi146Po146At145Rn222原子半径ⅡAⅢBⅣB

ⅤBⅥB ⅦB

ⅧⅠB ⅡBⅢA ⅣA ⅤAⅥA ⅦA共价半径＜金属半径＜范德华半径第55页，课件共66页，创作于2023年2月

原子半径在周期表中的变化规律:（1）同一周期主族元素，从左到右，原子半径明显减小.每增加一个电子,核内也增加一个正电荷,同层电子之间的屏蔽作用不大,有效核电荷数显著增加，原子核对外层电子的引力逐渐增强。（2）同一周期副族元素，从左到右，半径略有减小,当次外层的d轨道全部充满形成18电子构型时，原子半径突然增大。第56页，课件共66页，创作于2023年2月因为每增加一个电子,是填在次外层的d轨道,对外层电子的屏蔽作用不太显著,使得有效核电荷数增加不多，原子半径减小比较缓慢。但(n-1)d轨道全充满后对外层电子屏蔽作用较大，使得有效核电荷数减小而引起的。La系收缩是指La系元素随核电荷数增大，原子半径缓慢减小的现象。第五周期和第六周期非常接近，这主要是La系收缩所致。如(Hf,Zr),(Nb,Ta),(Mo,W)第57页，课件共66页，创作于2023年2月（3）同一族的主族元素，从上到下，原子半径显著增大。由于电子层数增加.从上到下,有效核电荷数增加不多.同一族的副族元素，原子半径的变化趋势与主族元素相同，但原子半径增大的幅度较小。

第58页，课件共66页，创作于2023年2月二、元素的电离能（势）

基态的气态原子失去1个电子成为+1价阳离子所需的最低能量称为元素的第一电离能I1；由+1价气态阳离子失去1个电子成为+2价气态阳离子所需的能量称为元素的第二电离能I2

。随着原子失去电子的增多，所形成的阳离子的正电荷越来越多，对电子的吸引力增强，使电子很难失去。因此，同一元素的各级电离能依次增大。通常所说的电离能是指第一电离能。其单位为kJ·mol-1第59页，课件共66页，创作于2023年2月元素的第一电离能与原子序数的关系,第60页，课件共66页，创作于2023年2月在同一周期中，（1）从碱金属到稀有气体，电离能呈增大趋势，（2）长周期的过渡元素，从左到右，电离能增加不显著，且没有规律，（3）稀有气体原子具有稳定的电子层结构，在同一周期中电离能最大，（4）虽然同一周期元素的电离能呈增大的趋势，但Be（2s2)、Mg、Zn、Cd、Hg都有全充满的内层和最外层为ns2的稳定结构;N、P、As有半充满的外层稳定结构，因而难失电子。同一主族的元素，从上到下，电离能减小。第61页，课件共66页，创作于2023年2月三、元素的电子亲合能

基态的气态原子获得1个电子成为-1价阴离子所放出的能量称为原子的电子亲合能，用EA或Y表示，单位为kJ·mol-1

。

电子亲合能可以衡量原子获得电子的难易程度。亲合能数值越大，原子变成负离子的倾向也越大，表明其非金属性越强。同一周期中自左向右，元素的原子半径逐渐减小，EA值逐渐增大。同一族元素的原子半径由上而下逐渐增大，EA值则依次减小。第62页，课件共66页，创作于2023年2月

H-72.9

He+21Li-59.8Be+240B-23C-122N+58O-141.0F-322