天津大学无机化学原子结构与元素周期性全省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

2024/5/7无机化学第一节原子与元素无机化学多媒体电子教案

第五章原子结构和元素周期性

第一节原子与元素1/712024/5/7无机化学5-1-3原子轨道能级5-1-3

原子轨道能级日光经过棱镜分光，可得到红、橙、黄、绿、青、蓝、紫连续改变谱带装有低压高纯H2(g)放电管所发出光,经过棱镜分光后，在可见光区波长范围内，能够观察到不连续四条谱线aa为连续光谱氢原子光谱

δγβαnm410.2434.1486.1656.3aaHHHH为带状光谱2/712024/5/7无机化学氢原子中电子在原子核周围有确定半径和能量圆形轨道中运动。电子在这些轨道上运动不吸收能量或放出能量波尔氢原子模型nEn/J1-2.179

10-18

2-5.45

10-19

3-2.42

10-19

4-1.36

10-19

5

-8.72

10-20

6-6.05

10-20

n越小,离核越近,轨道能量越低,势能值越负n3/712024/5/7无机化学处于激发态电子不稳定，要跳回到能量较低轨道,以光形式放出能量(即光谱谱线对应能量)正常状态下，原子中电子尽可能在离核最近、能量最低轨道上运动(基态)波尔氢原子模型基态激发态(电子处于能量较高状态)吸收能量(跃迁)放出能量En(2)-En(1)=hν

h—Planck常数ν—光频率4/712024/5/7无机化学

０-0.445-0.605-0.872-1.36-2.42-5.45-21.79E/10-19J∞7654321n121.6nm120.6nm97.25nm94.98nm93.78nm93.14nm656.5nm486.1nm434.1nm410.2nm397.2nmHHHHHα

β

γ

δ

ε如氢原子光谱中Hα线En2-En1=hν

h—Planck常数ν—光频率

ν===4.57

1014s-1

En3-En2

-2.42

10-19J-(-5.45

10-19J)

h

6.626

10-34J·s

λ3→2===656.5nm

ν3→24.57

1014s-1

c(光速)

3

108m·s-1

5/712024/5/7无机化学严重不足。只能解释单电子原子(或离子)光谱普通现象，不能解释多电子原子光谱成功地解释了氢原子和类氢原子(如He+、Li2+)光谱现象,推进了原子结构发展

波尔氢原子模型波尔理论缺点，促使人们去研究和建立能描述原子内电子运动规律量子力学原子模型6/712024/5/7无机化学第二节原子结构近代概念第五章原子结构和元素周期性

第二节原子结构近代概念无机化学多媒体电子教案

7/712024/5/7无机化学原子结构近代概念电子波粒二象性概率和概率密度原子轨道电子云量子数8/712024/5/7无机化学5.2.1电子波粒二象性20世纪初人们已经发觉，光不但有微粒性质，而且有波动性质，即含有波粒二象性。1924年，LouisdeBroglie(德布罗意)认为：质量为m,

运动速度为υ粒子，对应波长为：λ=h/mυ=h/p，h=6.626×10-34J·s，Plank常量。1927年，Davissson和Germer应用Ni晶体进行电子衍射试验，证实电子含有波动性。9/712024/5/7无机化学5.2.2概率和概率密度概率：电子在原子核外空间某处出现机率。

量子力学认为，原子中个别电子运动轨迹是无法确定，亦即没有确定轨道，这一点是与经典力学有标准差异。不过原子中电子在原子核外分布还是有规律：核外空间一些区域电子出现概率较大，而另一些区域电子出现概率较小。概率密度：电子在原子核外空间某处单位体积内出现概率。10/712024/5/7无机化学5.2.3原子轨道1.波函数SchrÖdinger方程11/712024/5/7无机化学直角坐标(x,y,z)与球坐标(r,θ,φ)转换222zyxr++=cosrz=qsinsinry=φqcossinrx=φq()()φq,,

,,

rΨzyxΨ

()()φq,YrR

=12/712024/5/7无机化学

在量子力学中是用波函数和与其对应能量来描述微观粒子运动状态.

原子中电子波函数ψ既然是描述电子云运动状态数学表示式,而且又是空间坐标函数,其空间图象能够形象地了解为电子运动空间范围,俗称”原子轨道”.为了防止与经典力学中玻尔轨道相混同,又称为原子轨函(原子轨道函数之意),亦即波函数空间图象就是原子轨道,原子轨道数学表示式就是波函数.13/712024/5/7无机化学波函数物理意义Ψ2

：原子核外出现电子概率密度。

电子云是电子出现概率密度形象化描述。14/712024/5/7无机化学2.原子轨道角度分布图

将波函数角度分布部分（Y）作图，所得图象就称为原子轨道角度分布图。

如氢原子1s轨道波函数为：

Ψ1s=(1/πa03)1/2e-r/a0其中径向部分为：R10(r)=2(1/a0)3/2*e-r/a0角度部分为：Y00=(1/4π)1/215/712024/5/7无机化学对于2p轨道16/712024/5/7无机化学+－30°60°θ17/712024/5/7无机化学18/712024/5/7无机化学5.2.4电子云1.概率密度

在光波动方程中，ψ代表电磁波电磁场强度。因为：光强度∝光子数目/V（体积）=光子密度而光强度又与电磁场强度（ψ）绝对值成正比：光强度∝|ψ|2

所以，光子密度是与|ψ|2成正比。同理，在原子核外某处空间，电子出现概率密度（ρ）也是和电子在该处强度（ψ）绝对值平方成正比：ρ∝|ψ|219/712024/5/7无机化学2.电子云

为了形象地表示核外电子运动概率分布情况，化学上惯用小黑点分布疏密表示电子出现概率密度相对大小。小黑点较密地方，表示概率密度较大，单位体积内电子出现机会多。用这种方法来描述电子在核外出现概率密度分布所得空间图象称为电子云。20/712024/5/7无机化学

既然概率密度可直接用|Ψ|2来表示，那么以|Ψ|2作图可得到电子云近似图像。为作图方便讲|Ψ|2分为角度部分|Y|2和径向部分R2。|Y|2图像称为电子云角度分布图。21/712024/5/7无机化学

电子云角度分布图与原子轨道角度分布图相同，但有两点不一样：(1)原子轨道分布图有正、负之分，而电子云角度分布图均为正值；(2)电子云角度分布图比原子轨道角度分布图瘦些，这是因为Y值小于1，所以|Y|2更小。22/712024/5/7无机化学n=3,l=2,m=023/712024/5/7无机化学n=3,l=224/712024/5/7无机化学n=3,l=225/712024/5/7无机化学n=3,l=226/712024/5/7无机化学n=3,l=227/712024/5/7无机化学5.2.5量子数1.主量子数（n）主量子数(n)12345电子层：第一层第二层第三层第四层第五层电子层符号：KLMNOn值越小，该电子层离核越近，其能级越低。n值越大，该电子层离核越远，其能级越高。主量子数(n)为正整数。28/712024/5/7无机化学2.副量子数（l）

n值确定后，副量子数(l)可为零到(n-1)正整数。其中每一个l值代表一个电子亚层，也代表原子轨道一个形状。副量子数（l）：012345电子亚层符号：spdfgh

对于多电子来说，同一电子层中l值越小，该电子亚层能级越低。29/712024/5/7无机化学3.磁量子数(m)

磁量子数(m)取值决定于l值，可取(2l+1)个从-l到+l（包含零在内）整数。每一个m值代表一个含有某种空间取向原子轨道。4.自旋量子数(ms)

自旋量子数(ms)只有+1/2或-1/2这两个数值，其中每一个值表示电子一个自旋方向（如顺时针或逆时针方向）。30/712024/5/7无机化学第三节原子中电子分布第五章原子结构和元素周期性

第三节原子中电子分布无机化学多媒体电子教案

31/712024/5/7无机化学5-３-1基态原子中电子分布原理5-3-1

基态原子中电子分布原理泡利不相容原理——每一个原子轨道，最多只能容纳两个自旋方向相反电子.能量最低原理——原子为基态时，电子尽可能地分布在能级较低轨道上，使原子处于能级最低状态.洪德规则——在同一亚层等价轨道中电子尽可能地单独分布在不一样轨道上,且自旋方向相同.如7N1s22s22p31s2s2p32/712024/5/7无机化学5-3-2多电子原子轨道能级5-3-2多电子原子轨道能级6s5s4s3s2s1s6p5p4p3p2p5d4d3d4fPONMLK1s2p2s3p3s4p3d4s5p4d5s6p5d4f6s1.能级K<L<M<N<O<P3.同一原子，不一样电子亚层有能级交织现象如E5s<E4d<E5p

2.同一电子层：

Ens<Enp<End<Enf

近似能级图33/712024/5/7无机化学它是从周期系中各元素原子轨道图中归纳出普通规律,不能反应每种元素原子轨道能级相对高低,所以是近似。对近似能级图几点说明只能反应同一原子内各原子轨道能级相对高低,不能比较不一样元素原子轨道。

只能反应同一原子外电子层中原子轨道能级相对高低，不能反应内电子层中原子轨道能级相对高低。电子在轨道上能级与原子序数相关。34/712024/5/7无机化学5-３-３基态原子中电子分布5-3-3基态原子中电子分布(2)2s(4)3s(1)1s(6)4s(9)5s(16)7s(3)2p(12)6s(5)3p(8)4p(11)5p(15)6p(19)7p(7)3d(10)4d(14)5d(18)6d(13)4f(17)5f应用核外电子填入轨道次序图，依据泡利不相容原理、能量最低原理、洪德规则，能够写出元素原子核外电子分布式.如19K1s22s22p63s23p64s1

26Fe1s22s22p63s23p63d64s2核外电子填入轨道次序35/712024/5/7无机化学19种元素原子外层电子分布有例外基态原子电子分布其中：29Cu1s22s22p63s23p63d104s1全充满24Cr1s22s22p63s23p63d54s1半充满一样有：46Pd、47Ag、79Au一样有：42Mo、64Gd、96Cm当电子分布为全充满(p6、d10、f14)、半充满(p3、

d5、f7)、全空(p0、d0、f0)时,原子结构较稳定

例外还有：41Nb、44Ru、45Rh、57La、58Ce、78Pt、89Ac、90Th、91Pa、92U、93Np36/712024/5/7无机化学基态原子价层电子构型价层——价电子所在亚层价层电子构型——指价层电子分布式ⅠA0一11s1ⅡAⅢAⅣAⅤAⅥAⅦA21s2二345678910三1112ⅢBⅣBⅤBⅥBⅦBⅧⅠBⅡB131415161718四192021222324252627282930313233343536五373839404142434445464748495051525354六555671727374757677787980818283848586ns1~2

(n-1)d1~9ns1~2

ns2np1~6(n-1)d10ns1~237/712024/5/7无机化学5-3-4简单基态阳离子电子分布基态原子外层电子填充次序：→ns→(n-2)f→(n-1)d→np价电子电离次序：→np→ns→(n-1)d→(n-2)f5-3-4

简单基态阳离子电子分布例26Fe1s22s22p63s23p63d64s2或[Ar]3d64s2

Fe2+1s22s22p63s23p63d6或[Ar]3d6原子实——原子中除去最高能级组以外原子实体经验规律38/712024/5/7无机化学5-3-5元素周期系与核外电子分布关系ⅠA0一1

ⅡAⅢAⅣAⅤAⅥAⅦA2

二345678910三1112ⅢBⅣBⅤBⅥBⅦBⅧⅠBⅡB131415161718四192021222324252627282930313233343536五373839404142434445464748495051525354六555671*727374757677787980818283848586七8788103*1041051061071081091101111125-3-5元素周期系与核外电子分布关系镧系575859606162636465666768697071锕系8990919293949596979899100101102103Sddspfns1~2

(n-1)d1~9ns1~2

(n-1)d10ns1~2ns2np1~6

(n-2)f0~14(n-1)d0~2ns2

最终一个电子普通填入次外层d亚层区最终一个电子普通填入次外层d亚层最终一个电子填入s亚层39/712024/5/7无机化学ⅠA0一1

ⅡAⅢAⅣAⅤAⅥAⅦA2

二345678910三1112ⅢBⅣBⅤBⅥBⅦBⅧⅠBⅡB131415161718四192021222324252627282930313233343536五373839404142434445464748495051525354六555671*727374757677787980818283848586七8788103*1041051061071081091101111125-3-5元素周期系与核外电子分布关系镧系575859606162636465666768697071锕系8990919293949596979899100101102103Sddspfns1~2

(n-1)d1~9ns1~2

(n-1)d10ns1~2ns2np1~6

(n-2)f0~14(n-1)d0~2ns2

区最终一个电子填入外层p亚层最终一个电子普通填入外数第三层f亚层40/712024/5/7无机化学5-3-5元素周期系与核外电子分布关系区依据最终一个电子填入亚层确定最终一个电子填入亚层区最外层s亚层s最外层p亚层p普通为次外层d亚层d普通为次外层d亚层,且为d10ds普通为外数第三层f亚层f41/712024/5/7无机化学5-3-5元素周期系与核外电子分布关系族依据区和最外层、次外层电子数确定区族s、p主族(A)，族数＝最外层电子数d副族(B)族数＝(最外层＋次外层d)电子数ds副族(B)，族数＝最外层电子数f镧系、锕系

42/712024/5/7无机化学5-3-６元素周期表5-3-6元素周期表元素在周期表位置(周期、区、族)取决于该元素原子核外电子分布例20Ca写出电子排布式1s22s22p63s23p64s2周期数＝电子层数第四面期最终一个电子填入s亚层s区元素族数＝最外层电子数＝2

ⅡA

Ca为第四周期、ⅡA族元素43/712024/5/7无机化学元素在周期表位置(周期、区、族)取决于该元素原子核外电子分布例24Cr写出电子排布式1s22s22p63s23p63d54s1周期数＝电子层数第四面期最终一个电子填入次外层d亚层d区元素族数＝(最外层+次外层d)电子数＝(1+5)=6

ⅥBCr为第四周期、ⅥB族元素44/712024/5/7无机化学元素在周期表位置(周期、区、族)取决于该元素原子核外电子分布例47Ag写出电子排布式[Kr]4d105s1周期数＝电子层数第五周期最终一个电子填入次外层d亚层，而d电子数为10ds区元素族数＝最外层电子数＝1

IBAg为第五周期、IB族元素45/712024/5/7无机化学元素在周期表位置(周期、区、族)取决于该元素原子核外电子分布例已知某副族元素A原子，最终一个电子填入3d轨道，族号＝3电子排布式1s22s22p63s23p63d14s2周期数＝电子层数=4最终一个电子填入次外层d亚层为d区元素，最外层电子数＝2族数＝电子数(最外层+次外层d)＝3

则d电子数=3-2=146/712024/5/7无机化学第四节原子性质周期性第五章原子结构和元素周期性

第四节原子性质周期性无机化学多媒体电子教案

47/712024/5/7无机化学原子电子层结构随核电荷递增呈周期性改变，促使原子一些性质呈周期性改变

如原子半径、电离能、电子亲合能、电负性48/712024/5/7无机化学5-４-1原子半径5-４-1

原子半径共价半径——两个相同原子形成共价键时，其核间距离二分之一定义d=198pmr(Cl)=99pmd=154pmr(C)=77pm49/712024/5/7无机化学5-４-1

原子半径金属半径——金属单质晶体中，两个相邻金属原子核间距离二分之一定义d=256pmr(Cu)=128pm50/712024/5/7无机化学5-４-1

原子半径范德华半径——分子晶体中，两个相邻分子核间距离二分之一定义d=320pmr(Ne)=160pm51/712024/5/7无机化学改变规律IA0一H37IIAⅢAIVAⅤAVIAⅦAHe122二Li152Be111B88C77N70O66F64Ne160三Na168Mg160ⅢBIVBVBVIBⅦBⅧIBIIBAl143Si117P110S104Cl99Ar191四K227Ca197Sc161Ti145V132Cr125Mn124Fe124Co125Ni125Cu128Zn133Ga122Ge122As121Se117Br114Kr198五Rb248Sr215Y181Zr160Nb143Mo136Tc136Ru133Rh135Pa138Ag144Cd149In163Sn141Sb141Te137I133Xe217六Cs265Ba217La173Hf159Ta143W137Re137Os134Ir136Pt136Au144Hg160Tl170Pb175Bi155Po153AtRn非金属为共价半径、金属为金属半径、稀有气体为范德华半径52/712024/5/7无机化学26021016011060原子半径/pm族号同一周期d区元素,自左到右,随核电荷增加,原子半径略有减小。IB族开始，反而有所增加53/712024/5/7无机化学镧系元素,自左到右,随核电荷增加,原子半径总趋势迟缓减小，即镧系收缩210200190180170原子半径/pm原子序数铕4f76s254/712024/5/7无机化学26021016011060原子半径/pm族号因为镧系收缩，至使后面五、六周期同族元素(如Zr与Hf、Nb与Ta、Mo与W)性质极为相同55/712024/5/7无机化学26021016011060原子半径/pm族号同一主族元素，自上往下，原子半径逐步增大56/712024/5/7无机化学26021016011060原子半径/pm族号同一副族元素(除ⅢB外),自上往下,原子半径普通略有增大。五、六周期同族元素原子半径十分相同57/712024/5/7无机化学5-４-2电离能和电子亲合能5-４-2

电离能和电子亲合能第一电离能(I1)——基态中性气态原子失去一个电子形成气态阳离子所需能量Mg(g)-e-→Mg+(g)I1=

H1=738kJ·mol-1

第二电离能(I2)——氧化数为+1气态阳离子失去一个电子形成氧化数为+2气态阳离子所需能量Mg+(g)-e-→Mg2+(g)I2=

H2=1451kJ·mol-1其余依次类推...基态气态原子失去电子变为气态阳离子，克服核电荷对电子引力所消耗能量电离能(I)58/712024/5/7无机化学气态原子失去电子变为气态阳离子，克服核电荷对电子引力所消耗能量电离能(I)Mg(g)-e-→Mg+(g)InIn/(kJ·mol-1)I1737.7I21450.7I37732.8I410540I513628I617905I721704I825856I1<I2<I3<I4<...Mg+(g)-e-→Mg2+(g)...电离能用来衡量气态原子失去电子难易电离能越小，原子越易失去电子电离能越大，原子越难失去电子59/712024/5/7无机化学电离能(I)2160186015601260960660360I1/(kJ·mol-1)原子序数HeNeLiXeNaArKrKRbCsHNPSbAs同一周期主族元素，从左到右，电离能逐步增大同一周期副族元素，从左到右，电离能改变不规律60/712024/5/7无机化学电离能(I)2160186015601260960660360I1/(kJ·mol-1)原子序数HeNeLiXeNaArKrKRbCsHNPSbAs同一主族元素，从上往下，电离能逐步减小同一副族元素，从上往下，电离能略有增大61/712024/5/7无机化学第一电子亲合能(EA1)——基态气态原子得到一个电子形成气态阴离子所放出能量

O(g)+e-→O-(g)EA1=-141kJ·mol-1

第二电子亲合能(EA2)——氧化数为-1气态阴离子得到一个电子形成氧化数为-2气态阴离子所放出能量

O-(g)+e-→O2-(g)EA2=+780kJ·mol-1其余依次类推...基态气态原子得到电子变为气态阴离子，所放出能量。电子亲合能(EA)电子亲合能用来衡量气态原子得电子难易电子亲合能代数值越小,原子越易得到电子62/712024/5/7无机化学5-4-3电负性5-４-3

电负性(χp)

分子中元素原子吸引电子能力以最活泼非金属元素原子χp(F)=4.0为基础，计算其它元素原子电负性值。电负性越大,元素原子吸引电子能力越强,即元素原子越易得到电子,越难失去电子；电负性越小,元素原子吸引电子能力越弱,即元素原子越难得到电子,越易失去电子。

63/712024/5/7无机化学电负性ⅠA一H2.1ⅡAⅢAⅣAⅤAⅥAⅦA二Li1.0Be1.5B2.0C2.5N3.0O3.5F4.0三Na0.9Mg1.2ⅢBⅣBⅤBⅥBⅦBⅧⅠBⅡBAl1.5Si1.8P2.1S2.5Cl3.0四K0.8Ca1.0Sc1.3Ti1.5V1.6Cr1.6Mn1.5Fe1.8Co1.9Ni1.9Cu1.9Zn1.6Ga1.6Ge1.8As2.0Se2.4Br2.8五Rb0.8Sr1.0Y1.2Zr1.4Nb1.6Mo1.8Tc1.9Ru2.2Rh2.2Pa2.2Ag1.9Cd1.7In1.7Sn1.8Sb1.9Te2.1I2.5六Cs0.7Ba0.9Lu1.2Hf1.3Ta1.5W1.7Re1.9Os2.2Ir2.2Pt2.2Au2.4Hg1.9Tl1.8Pb1.9Bi1.9Po2.0At2.2说明：1.鲍林电负性是一个相对值,无单位

2.现已经有多套电负性数据,应尽可能采取同一套数据64/712024/5/7无机化学4.03.53.02.52.01.51.00.5χp原子序数HLiFNaBrClKIRbAtCs

同一周期，从左到右,

电负性逐步增大

同一主族，从上到下,

电负性逐步减小

同一副族，从上到下,

ⅢB~ⅤB电负性逐步减小，ⅥB~ⅡB电负性逐步增大65/712024/5/7