《无机化学》2原子结构与元素周期律

LOREMIPSUMDOLORLOREMIPSUMDOLOR无机化学第二章原子结构与元素周期律无机化学本章主要内容第一节核外电子运动状态第二节核外电子的排布第三节元素周期表第四节元素周期律无机化学本章教学目标【知识目标】1.初步了解原子核外电子运动的概念；2.掌握四个量子数的物理意义及取值范围；3.掌握原子核外电子排布的一般规则；4.理解元素性质的周期性变化规律与原子结构的关系。【能力目标】1.能熟练写出元素的原子和简单离子的核外电子排布式；2.能判断主族元素及常见副族元素在周期表中的位置；3.会从原子的电子层结构分析元素的性质。迄今为止，人类已发现了一百多种元素，而这些元素形成了数以百万计的物质，组成了丰富多彩的物质世界。要了解这些物质的性质和变化规律，就必须要认识其结构，从原子、分子水平上研究物质结构、性质及其变化规律之间的关系。第二章原子结构与元素周期律第一节核外电子运动状态研究原子结构的主要实验方法是原子光谱。每种原子都有它自己的特征光谱。1913年，玻尔在氢原子光谱和普朗克量子理论的基础上提出了如下理论。(1)定态轨道(2)轨道能级(3)从激发态回到基态释放光能一、氢原子光谱和玻尔理论第二章原子结构与元素周期律光在传播过程中的干涉、衍射等现象说明光具有波动性；而光电效应、原子光谱等现象又说明光具有粒子性。所以光既有波动性又具有粒子性，称为光的波粒二象性。二、波粒二象性第二章原子结构与元素周期律三、波函数量子力学借用经典力学描述宏观物体运动的轨道概念，把波函数Ψ称为原子轨道函数或简称原子轨函，甚至就叫原子轨道。它反映了核外电子运动状态表现出的波动性和统计规律。波函数Ψ没有明确的、直观的物理意义，而有明确的物理意义，它表示电子在原子核外空间某点附近微体积内出现的概率。如果用小黑点的疏密程度表示电子在原子中的概率密度分布情况，就会发现，电子仿佛是分散在核周围空间的云雾一样，所以形象地将这种概率分布称为电子云。四、概率密度与电子云第二章原子结构与元素周期律为了描述电子的运动状态，1926年薛定谔把电子运动和光的波动理论联系起来，提出了一种波动方程，该方程称为薛定谔方程。

五、薛定谔方程和四个量子数第二章原子结构与元素周期律为了得到电子运动状态合理的解，必须引用三个参数，主量子数n、角量子数l和磁量子数m，它们的取值是相互制约的。此外，还有用来描述电子自旋运动的自旋量子数ms。主量子数表示电子离核的平均距离，n越大，电子离核平均距离越远，n相同的电子离核平均距离比较接近，即所谓电子处于同一电子层。电子层能量高低顺序：K<L<M<N<O<P。（一）主量子数n第二章原子结构与元素周期律光谱实验证明，同一个电子层还可以分为若干个能量稍有差别、原子轨道形状不同的亚层。角量子数l就是用来描述不同亚层的量子数，每个l值代表一个亚层。亚层用光谱符号s，p，d，f等表示。（二）角量子数l第二章原子结构与元素周期律光谱线在磁场中会发生分裂的现象说明原子轨道不仅有一定的形状，而且还有不同的空间伸展方向。磁量子数m表示原子轨道在空间的伸展方向。m的取值为：m=0，±1，±2，…，±l，共有（2l+1)个。（三）磁量子数m第二章原子结构与元素周期律精密观察强磁场存在下的原子光谱，发现大多数谱线是由靠得很近的两条谱线组成的。这是因为电子除绕核运动外，本身还作两种相反方向的自旋运动。描述电子自旋运动的量子数称为自旋量子数ms。取值为+1/2和-1/2（四）自旋量子数ms

第二章原子结构与元素周期律表2-4n、l、m的关系用图形把原子轨道能级高低顺序表示出来，就是原子轨道能级图。六、多电子原子轨道的能级第二章原子结构与元素周期律第二节核外电子的排布多电子原子中，电子不仅受核的吸引，而且还存在电子间的相互排斥，这些都影响到原子核外电子的排布，而核外电子的排布又直接决定着元素的性质。因此，核外电子排布是多电子原子结构中的一个重要问题。人们根据光谱实验结果，并结合对元素周期律的分析，归纳、总结出基态原子核外电子排布的三个基本原理。第二章原子结构与元素周期律泡利提出：同一轨道上最多只能容纳2个电子，而且，这两个电子的自旋方向要相反。或者是说，在同一原子中不可能有两个电子的运动状态完全相同，即描述电子运动状态的四个量子数(n、l、m、ms)不可能完全相同。一、泡利不相容原理第二章原子结构与元素周期律自然界任何体系总是能量越低，所处状态越稳定，这个规律称为能量最低原理。原子核外电子的排布也遵循这个原理。所以，在不违背泡利不相容原理的前提下，随着原子序数的递增，电子总是优先进入能量最低的轨道，基本上可依鲍林近似能级图逐级填入。二、能量最低原理第二章原子结构与元素周期律洪德根据大量光谱实验数据提出：在同一亚层的等价轨道上，电子将尽可能占据不同的轨道，且自旋方向相同（这样排布时总能量最低）。此外，光谱实验结果还表明：当等价轨道中的电子处于全充满、半充满或全空的状态时，能量较低，因而是较稳定的状态比较稳定的。三、洪德规则第二章原子结构与元素周期律第三节元素周期表按原子序数递增的顺序将元素依次排列，原子的最外层电子呈现出周期性变化。除第一横行外，最外层电子总是从ns1开始至ns2np6为止的周期性变化。核外电子排布的周期性变化，引起元素性质的周期性变化。这种性质的周期性变化称为元素周期律。元素周期律的图表形式称为元素周期表。第二章原子结构与元素周期律第二章原子结构与元素周期律周期表共有七个横行，每一横行是一个周期。其中，第一周期有2种元素，称为特短周期；第二、三周期各有8种元素，称为短周期；第四、五周期各有18种元素，称为长周期；第六周期有32种元素，称为特长周期；第七周期尚未填满，称为不完全周期。

一、周期与能级组第二章原子结构与元素周期律第二章原子结构与元素周期律元素划分为周期的本质在于能级组的划分。元素性质周期性的变化，是原子核外的电子排布周期性变化的反映。周期表中共有十八个纵行，分为八个主(A)族和八个副(B)族。

二、族与价层电子构型第二章原子结构与元素周期律（一）主族元素在各族号罗马字旁加A表示主族。周期表中共有8个主族，即IA～ⅧA。凡原子核外最后一个电子填入ns或np亚层上的元素，都是主族元素。同主族元素价层电子构型相同，性质相似。在各族号罗马字旁加B表示副族。周期表中共有8个副族，即ⅢB～ⅧB～ⅡB。凡是原子核外最后一个电子填入(n-l)d或(n-2)f亚层上的元素，都是副族元素，也称过渡元素。（二）副族元素第二章原子结构与元素周期律根据周期、族和原子结构特征的关系，将周期表中的元素划分成五个区域。s区元素：包括IA碱金属、ⅡA碱土金属元素。d区元素：包括ⅢB～ⅧB族元素。ds区元素：包括ⅠB、ⅡB族元素。d区和ds区元素又称为过渡元素。p区元素：ⅢA～ⅧA族元素。f区元素：包括镧系、锕系元素。也称为内过渡元素。三、周期表元素分区第二章原子结构与元素周期律第四节元素周期律原子核外电子排布的周期性变化，造成元素的基本性质，如有效核电荷、原子半径、电离能、电子亲和能、电负性等也呈现出明显的周期性。第二章原子结构与元素周期律一、有效核电荷(Z*)斯莱脱提出：内层电子和同层电子对选定电子的排斥作用，势必削弱原子核对该电子的吸引，这种作用称为屏蔽效应。屏蔽效应的结果，使该电子实际上受到的核电荷（有效核电荷Z*）的引力比原子序数(Z)所表示的核电荷的引力要小。①有效核电荷随原子序数增加而增加，并呈周期性变化。②同一周期的主族元素，从左到右随原子序数的增加，Z*有明显增加；而副族元素Z*增加的幅度要小许多。造成这种差别的原因是前者为同层电子之间的屏蔽，屏蔽作用较小；而后者是内层电子对外层电子的屏蔽，屏蔽作用较大。③同族元素由上到下，虽然核电荷增加得较多，但上下相邻两元素的原子依次增加一个电子层，屏蔽作用大，故有效核电荷增加得并不多。

有效核电荷的周期性变化第二章原子结构与元素周期律(1)金属半径把金属晶体看成是由金属原子紧密堆积而成。(2)共价半径同种元素的两个原子以共价键结合时，测得它们核间距离的一半，称为该原子的共价半径。(3)范德华半径在分子晶体中，分子间以范德华力相结合，这时相邻分子间两个非键结合的同种原子，其核间距离的一半，称为该原子的范德华半径。

二、原子半径(r)第二章原子结构与元素周期律（一）原子半径(1)同周期原子半径的变化总趋势随着原子序数的增大，原子半径自左至右减小。第二章原子结构与元素周期律（二）原子半径变化规律(2)同族元素原子半径的变化趋势同族元素原子半径自上而下增大，原因是电子层依次增加。基态气体原子失去最外层一个电子成为气态+1价离子所需的最小能量叫第一电离能，再从正离子相继逐个失去电子所需的最小能量则叫第二、第三、…电离能。通常I1<I2<I3……同一主族元素从上而下有效核电荷增加不明显，但原子的电子层数相应增多，原子半径增大显著，因此，核对外层电子的引力逐渐减弱，电子移去就较为容易，故电离能逐渐减小。三、电离能(I)第二章原子结构与元素周期律电子亲和能是指在标准状态时，气态原子在基态时得到一个电子形成-1价气态阴离子所放出的能量。用符号Y表示，其SI的单位也为kJ/mol。四、电子亲和能(Y)第二章原子结构与元素周期律在形成化合物时，有些原子并没有得失电子，而只是发生电子偏移。为了综合