第五章：原子结构与元素周期表(2015)教材

第5章原子结构和

元素周期表2024/3/25连续光谱

2024/3/25氢原子光谱(可见光区的四条谱线）电子跃迁释放光子——原子光谱（线光谱）氢光谱2024/3/25

光的波粒二象性：deBroglieLV关系式：物质波（德布罗意波）微观粒子的波粒二象性(wave–particleduality)

荣获1929年诺贝尔物理学奖波动性

粒子性

Einstein

2024/3/25原子结构1、主量子数n1.主量子数n(principalquantumnumber)

一、量子数(quantumnumber)(2)n决定电子在核外空间出现概率最大的区域离核的远近。n的取值：n=1，2，3，…(1)n又称为电子层数,决定电子的能量高低光谱学上：K、L、M、N、O、P、Q…n:1234567…

1s2s3s主量子数示意图2024/3/252.角量子数l

(orbitalangularmomentumquantumnumber)l的取值：l=0,1,2,3,···,(n–1).

s

轨道(l

=

0)不同角量子数的原子轨道的形状l的物理意义：表示亚层，决定原子轨道的形状。角量子数：l=0,l=1,l=2,l=3光谱学符号：

spdfp

轨道(l

=1)d轨道(l

=2)注意：在多电子原子中，l与

n

一起确定原子轨道的能量。2024/3/253.磁量子数m(magneticquantumnumber)S轨道：l=0,m=0

伸展方向是唯一的P轨道：l=1，m=0,1

三个伸展方向d

轨道：l=2,m=0,1,2

五个伸展方向

波函数的角度分布

图中的符号为函数值的符号.物理意义：确定原子轨道的伸展方向：m

的取值:m=0,1,2,···

l,

共可取

2l+1个值s轨道p轨道d轨道

磁量子数与电子的能量无关.注意简并轨道2024/3/25简并轨道或等价轨道(equivalentorbital)简并轨道：具有相同能量的原子轨道(能级)（即n、l相同,m不同的轨道）例如S轨道m=0，有1个简并轨道。P轨道m=0，±1，有3个简并轨道。d轨道,m=0，±1，±2，有5个简并轨道。f轨道m=0，±1，±2，±3，有7个简并轨道。

2024/3/254.自旋角动量量子数s

(spinangularmomentumquantumnumber)

在原子轨道中运动的电子作所谓的自旋运动，因而产生磁矩。两个电子的自旋方向相同时称为平行自旋，反之称为反平行自旋。

一个轨道中的电子可以有两种不同的自旋方向，表明一个原子轨道最多只能有两个电子，且自旋相反。

图

电子自旋运动示意图

自旋量子数的取值仅有两个，分别为+1/2

和

-1/2，或↑和↓。

电子自旋磁矩只有两个方向：2024/3/25小节：原子核外电子运动状态的完全描述

n=12）角量子数

l：电子亚层，表示原子轨道或电子云的形状。

l=01234------（n-1）

spdfg1）主量子数n：电子层，描述电子离核的远近,决定电子能量的高低。n=12345-------KLMNO3）磁量子数m：同一亚层的不同原子轨道，描述原子轨道或电子云在空间的伸展方向

m=0±1±2±3-----±l4）自旋量子数s：描述同一原子轨道电子的不同自旋方向。s=±1/2或“↑↓”2024/3/25

p轨道角度分布图示意图

按同样的方法,可以绘制其它轨道的角度分布函数的图形:

PzPxPy2024/3/25s、p、d轨道电子云的角度分布图（截面图），简称Y2图。s、p、d

轨道电子云的角度分布图注意:

Y2图只表示在空间不同方位角电子出现的概率密度的变化情况，不表示电子出现的概率密度与距离的关系。

s轨道

p轨道

d轨道2024/3/25说明：

一个原子中不允许有两个电子处于完全相同的状态。

一个原子轨道上最多容纳两个自旋方向相反的电子。在同一个原子中不可能有四个量子数完全相同的2个电子同时存在1.Pauli不相容原理(exclusionprinciple)2024/3/25

2.能量最低原理基态多电子原子核外电子排布时，总是先占据能量最低的轨道，当低能量轨道占满后，才排入高能量的轨道，以使整个原子能量最低。电子在原子轨道上的排布，必须使整个原子的能量最低：例1：H：1s1；He：1s2；Li：1s22s1

19K：1s22s22p63s23p64s1电子排布式2024/3/253.Hund规则如：基态碳原子，6C轨道式

电子在能量相同的轨道（即简并轨道）上排布时，将尽可能分占等价轨道，且自旋相同。电子成对能：使两个电子在一个轨道上成对，就要克服相互间的斥力，吸收额外的能量。

每一电子亚层最多容纳的电子数为：s2、p6、d10、f14每一电子层最多能容纳的电子数为原子轨道的2倍，即2n2

2024/3/252s7N轨道式

8O轨道式

9F轨道式

电子排布式11Na1s22s22p63s17N1s22s22p3

8O1s22s22p4

9F1s22s22p5

1s2p2s1s2p2s1s2p2s1s2p11Na轨道式

掌握3s2024/3/25例如：22Ti1s22s22p63s23p63d24s2

26Fe1s22s22p63s23p63d64s2又如：24Cr1s22s22p63s23p63d44s2

实验测定

1s22s22p63s23p63d54s1?洪特规则特例：全充满：S2,

p6,d10,

f14半充满：S1,

p3,d5,

f7全空：

S0,

p0,d0,

f0注意：填入按能级顺序；书写按电子层顺序价层电子注意29Cu1s22s22p63s23p63d94s2

实验测定

1s22s22p63s23p63d104s1

2024/3/25鲍林近似能级图

2024/3/25原子或离子的核外电子排布：电子层12345电子层及亚层(1s)(2s2p)(3s3p3d)(4s4p4d4f)(5s5p5d5f)各层最多容电子数28183232

但能级排列是

1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d…核外电子排布规则：能量最低原理、鲍利不相容原理、洪特规则（首先选择较低能级；尽可能分占不同轨道；全充满、半充满全空最稳定）2024/3/25原子及其离子的核外电子排布：基态原子电子排布表离子最外层电子排布Cr241s22s22p63s23p63d54s1;Cr3+

3d3Mn251s22s22p63s23p63d54s2;Mn2+

3d5Fe261s22s22p63s23p63d64s2;Fe3+

3d5

；

Fe2+

3d6Co271s22s22p63s23p63d74s2;Co2+

3d7

；

Co3+

3d6Ni281s22s22p63s23p63d84s2;Ni2+

3d8Cu291s22s22p63s23p63d104s1;Cu2+

3d9

；Cu+

3d10Zn301s22s22p63s23p63d104s2;Zn2+

3d10

Ag471s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1

Ag+

4d10Pt781s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d96s1

Pt4+

5d62024/3/25元素周期表2024/3/25生命必需元素1.生命必需元素H,Na,K,Mg,Ca,V,Cr,Mn,Mo,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,C,N,O,P,F,Si,S,Cl,Se,Br,I。2.藻类、真菌及绿色植物必需营养成分注：蓝色标记的元素为宏量元素（含量在0.01%上）黑色标记的元素为微量元素（含量小于0.01%）。C,H,O,N,P,S,K,Mg,B,Fe,Zn,Cu,Mn等。2024/3/25有毒元素有毒元素：一些对机体有害且不是机体固有的元素，如：Cd,Pb,Hg,Al,Be,Ga,In,Tl,As,Sb,Bi,Te等。2024/3/25IA~IIA

s区元素

IIIA~VIIIAIIIB~VIIIB

d区元素ds区元素p区元素f区元素

(n-2)f0-14ns2或(n-2)f0~14(n-1)d0~2ns2

(钍例外Th:6d27s2)元素在周期表中的分区

ns1~2ns2np1~6(n-1)d1~9ns1~2据价层电子组态的特征，将周期表分为5个区：(n-1)d10ns1~2IB~IIB2024/3/25s区元素的通性碱金属

(ⅠA):ns1锂钠钾铷铯钫

碱土金属(ⅡA):ns2铍镁钙锶钡镭

原子半径增大金属性、还原性增强电离能、电负性减小原子半径减小金属性、还原性减弱电离能、电负性增大2024/3/25s区元素的通性有金属光泽，密度小，硬度小，熔点低，导电、导热性好的特点。2024/3/25对角线规则

在s区和p区元素中，除了同族元素的性质相似外，还有一些元素及其化合物的性质呈现出“对角线”相似性。LiBeBCNaMgAlSi相应的两元素及其化合物的化学性质有很多相似之处，这种相似性称为对角线规则。2024/3/25s区单质在空气中燃烧，形成相应的氧化物Li2ONa2O2KO2 RbO2 CsO2BeO

MgO

CaO

SrO BaO22024/3/25S区元素与水反应及颜色反应LiKM+H2O→MOH[M(OH)2]+H2碱土金属与水的反应远不如相邻碱金属那样剧烈，镁和铍在水和空气中因生成致密的氧化物保护膜而显得十分稳定。2024/3/25p区元素在周期表中的位置p区元素的通性2024/3/25p区元素的通性1.唯一同时包括金属和非金属元素的一个区。2.无机非金属材料库人造金刚石纳米半导体材料分子筛高能燃料太阳能电池材料光子带隙材料2024/3/25硼和铝的重要化合物(1)硼在自然界主要以硼酸和硼酸盐存在。硼酸钠盐的年消耗量约占总硼消耗量的80%。硼砂：Na2B4O7·10H2O

硼砂的用途很广，可用做洗衣粉和肥皂的填料，也是制造光学玻璃、瓷釉的原料，也可制造人造宝石、焊药等。经提炼精制后可做清热解毒药，可治咽喉肿痛、牙疳、口疮等症。硼砂也常用作金属除锈剂，在农业上，硼砂可充当硼肥。硼的化合物硼烷还可作用高能火箭燃料。2024/3/25硼和铝的重要化合物(2)氧化铝刚玉，硬度大，不溶于水、酸、碱a-Al2O3活性氧化铝，可溶于酸、碱，可作为催化剂载体，有些氧化铝晶体透明、因含有杂质而呈现鲜明颜色.g

-Al2O3低温、快速加热2024/3/25硼和铝的重要化合物(3)铝盐

Al2(SO4)3·nH2OKAl(SO4)2·12H2O其饱和溶液可应用于泡沫灭火器可作印染工业的媒染剂硼砂的用途很广，可用做洗衣粉和肥皂的填料，也是制造光学玻璃、珐琅和瓷釉的原料，也可制造人造宝石、焊药等。经提炼精制后可做清热解毒药，性凉、味甘咸，可治咽喉肿痛、牙疳、口疮、目生翳障等症。硼砂也常用作金属除锈剂，在农业上，硼砂可充当硼肥。硼的化合物硼烷还可作用高能火箭燃料。

2024/3/25氮族元素

NH3HCNNH3COCl2

O2H2OHNO3NH4XHX(NH2)2COCH4X=

SO4,H2PO4肥料，塑料肥料塑料，颜料肥料，炸药2024/3/25氮族元素硝酸是重要的工业三酸之一，是制造炸药、硝酸盐和许多其他化学品的重要原料。工业上利用NH3

的氧化产物NO2制HNO3。硝酸是相当强的氧化剂，可以氧化许多金属和非金属。硝酸和金属铜的反应2024/3/25氮族元素常见氮肥①铵态氮肥：硫酸铵、氯化铵、碳酸氢铵、氨水②硝态氮肥：硝酸铵、硝酸钙、硝酸钾③尿素氮肥：尿素④氰胺氮肥：石灰氮（氰胺化钙）2024/3/25氮族元素

As2O3为白色粉末状剧毒物，微溶于水，在热水中溶解度稍大，溶解后生成亚砷酸溶液。用于制造杀虫剂、除草剂和含砷的药物。氮、磷是动、植物组织构成的最基本成分。锑是人和动物的有毒元素。2024/3/25氧族元素

过氧化氢（H2O2）的使用依赖于其氧化性，不同浓度的过氧化氢具有不同的用途：一般药用双氧水的含量为3%，美容用品中双氧水的含量为6%，试剂级双氧水的含量为30%，食用级双氧水的含量为35%，含量在90%以上的双氧水可用于火箭燃料的氧化剂，若90%以上浓度的双氧水遇热或受到震动就会发生爆炸。在食品工业中，它主要用于软包装纸的消毒、罐头厂的消毒、奶和奶制品杀菌、面包发酵、食品纤维的脱色、饮用水处理等。2024/3/25美丽的致命一族——卤素在元素周期表里有这么一族，他们个个身怀绝技又极难相处。为了提纯老大，无数化学家付出了身体乃至生命的代价；老二在家家户户都能见到，并且被称赞着，但在二战时期，它却是被世人咒骂的非人道武器；老三在防火方面功不可没；老四则是一种消毒药品的主要成分。

这一族就是卤素。2024/3/25美丽的致命一族——卤素卤素家族的老大F2，与接触到的几乎所有东西发生剧烈的反应，而它的氢化物的水溶液，即氢氟酸，是少数几种能腐蚀玻璃（二氧化硅）的物质。氟的化合物很稳定，含氟塑料、含氟橡胶、氟碳高聚物都有特别优良的性能，而聚四氟乙烯这种物质就是最好的例子，它可以用来承装氢氟酸；它在200°C的条件下常年盛放强酸也不会因此变色，得名“塑料王”。别名叫特富龙——就是不粘锅涂层的有效成分。聚四氟乙烯化学性质稳定，但不代表它物理性质也很坚定，所以不能用钢丝球刷不粘锅，会把涂层刷下来的。2024/3/25美丽的致命一族——卤素氯：过去给自来水消毒都会采取氯气，如今变成了次氯酸钠，但氯还是主角。在工业上，氯用于有机合成，以生产塑料、合成橡胶、合成纤维、染料、农药、漂白剂、消毒剂、溶剂，以及其他氯化物。真正让氯遭人咒骂的是在一战时，弗里茨•哈伯亲自指导德国士兵用氯气袭击迎面而来的英国人。很难想象因氯气中毒而死的士兵到底经受了多大的苦难。食盐主要成分就是氯化钠；84消毒液里也有氯元素；为抵御蔬菜害虫而使用的农药里也有好几种含有氯；有好些塑料袋的成分是聚氯乙烯。2024/3/25美丽的致命一族——卤素溴不怎么用于生活。不过，四溴双酚A处理的布料具有很好的阻燃性，因而被用于儿童睡衣；而溴化的植物油则能使柑橘味汽水不至于分层。溴身为卤素，具有很强的氧化性和腐蚀性，能腐蚀皮肤；被液溴泼伤所带来的伤害与浓硫酸相比有过之而无不及。而其可怕之处在于溴能破坏修复系统，换句话说，被腐蚀的皮肤不能再生，除非植皮。2024/3/25美丽的致命一族——卤素碘的发现和牛顿发现万有引力有异曲同工之妙。药店的碘酒，就是碘的乙醇溶液。碘有一定的氧化性，但又不至于太强而伤害人体，于是碘当仁不让地成为消毒元素。因为缺乏碘元素而导致的“大脖子病”，即甲状腺肿大，已经成为国家重点对付的疾病之一。这也是加碘食盐的来历。不过碘太多也不好，碘过多会导致“甲亢”，也是一种由碘引发的病症。而当你心脏出现问题时，含碘的造影剂还能使心脏在CT扫描中成像2024/3/25美丽的致命一族——卤素在卤素的最下面是砹。这种放射性元素是1940年一帮科学家在加利福尼亚大学，用阿尔法粒子轰击209Bi靶发现的。他们把砹命名为“Astatine”，源自希腊文，意为“不稳定的”。没错，砹的半衰期只有8.3个小时，不过相比第七周期那些人造元素已经很长寿了。2024/3/25

d区元素的电子分别填充在3d亚层、4d亚层和5d亚层上。1996年2月德国科学家宣布发现112号元素，使第四过渡系的空格终于被填满。d区元素在周期表中的位置2024/3/25d区元素的通性1.独特的相似性：都是金属，是电和热的良导体，有较高的熔、沸点。

2.氧化态的可变性3.有形成配合物的倾向性2024/3/25f区元素在周期表中的位置

2024/3/25f区元素：包括除镧、锕以外的所有镧系（58~71号）及锕系（90~103号）元素。共28种元素。稀土元素：稀土的英文是“RareEarths”，18世纪得名，“稀”原指稀贵，“土”是指其氧化物难溶于水的“土”性。其实稀土元素在地壳中的含量并不稀少，性质也不像土，而是一组活泼金属，“稀土”之称只是一种历史的习惯，以RE表示。2024/3/25镧系元素的电子排布及颜色元素价电子结构常见氧化态EӨ/V三价离子颜色57La58Ce59Pr60Nd61Pm62Sm63Eu64Gd65Tb66Dy67Ho68Er69Tm70Yb71Lu4f05d16s24f15d16s24f36s24f4