第1章原子结构和元素周期律课件.ppt

1、太原师范学院化学系太原师范学院化学系Taiyuan Normal University化学与社会化学与社会1.1 人类对原子的认识人类对原子的认识（1）19世纪初，世纪初，Dalton J.提出原子学说，指出提出原子学说，指出物质由物质由原子组成，原子组成，原子不能创造，也不能毁灭，原子不能创造，也不能毁灭，在化学变化在化学变化中不能分割，中不能分割，且在化学反应中保持本性不变。且在化学反应中保持本性不变。电子的发现电子的发现冲击冲击 19世纪后期，物理学家在研究放电现象时，世纪后期，物理学家在研究放电现象时，发现了电子。发现了电子。（2）电子电子(e)带负电带负电能从不同物质能从不同物质中中

2、 分分 离离 出出 来来ea原子原子(a)呈电中性呈电中性 原子中普遍存在着某种带正电荷的组成部分，原子中普遍存在着某种带正电荷的组成部分，且且q+=q-1）2）3）（3）1911年，年，Rutherford E.通过通过 粒子散射粒子散射实验，提出带核的原子模型，指出实验，提出带核的原子模型，指出原子由原子原子由原子核和核外电子组成，原子核带正电，位于原子核和核外电子组成，原子核带正电，位于原子中心，电子带负电荷，在原子核周围空间做高中心，电子带负电荷，在原子核周围空间做高速运动。速运动。核电荷数核电荷数(z)=质子数质子数=核外电子数核外电子数 原子核所带正电荷数称核电荷数原子核所带正电荷

3、数称核电荷数(z)，因为原子核由带正，因为原子核由带正电荷的质子和不带电荷的中子组成，所以电荷的质子和不带电荷的中子组成，所以 原子内部绝大部分是空的，原子的质量几乎全部集中在原子内部绝大部分是空的，原子的质量几乎全部集中在原子核上。故电子质量可以忽略，那么原子相对质量（取整原子核上。故电子质量可以忽略，那么原子相对质量（取整数部分，即质量数数部分，即质量数A）就等于质子相对质量（取整数，质子）就等于质子相对质量（取整数，质子数数z）与中子相对质量（取整数，中子数）与中子相对质量（取整数，中子数N）之和。）之和。质量数质量数(A)=质子数质子数(z)+中子数中子数(N)例例 已知硫原子的质子数

4、已知硫原子的质子数z 为为16，质量数，质量数A为为32，则其中子数则其中子数=A z=32-16=16 若以若以 表示一个质量数为表示一个质量数为A，质子数为，质子数为z的原子，的原子，那么构成原子的各粒子之间的关系为：那么构成原子的各粒子之间的关系为：AzX原子核原子核质子质子核外电子核外电子中子中子z个个(A-z)个个原子（原子（）AzXz个个 只要知道上述三个数值中的任意两个就可推算出只要知道上述三个数值中的任意两个就可推算出另一个。另一个。具有相同质子数的同一类原子的总称。具有相同质子数的同一类原子的总称。可见，同种可见，同种元素的原子质子数相同，但中子数未必相同。这些元素的原子质子

5、数相同，但中子数未必相同。这些具有具有相同质子数，不同质量数的原子互为同位素。相同质子数，不同质量数的原子互为同位素。例：例：氢有氢有3种同位素种同位素氕氕()、氘氘()和氚和氚()，其中其中，氘和氚氘和氚是制造氢弹的材料。是制造氢弹的材料。铀有铀有3种天然同位素种天然同位素，、和和 ，是制造原子弹的材料和核反应堆的燃料。是制造原子弹的材料和核反应堆的燃料。11H11H21H31H23492U23592U23892U23592U1.1 核外电子的运动状态核外电子的运动状态 1.2.1 电子云的概念电子云的概念 宏观物体的运动宏观物体的运动经典力学经典力学电子运动电子运动如如:汽车的行驶、卫星的

6、发射汽车的行驶、卫星的发射量子力学量子力学测不准原理测不准原理 微观粒子，如：电子等在核外空间所处的位置及运微观粒子，如：电子等在核外空间所处的位置及运动速度不能同时准确地测定，不能描绘它的运动轨迹。动速度不能同时准确地测定，不能描绘它的运动轨迹。研究对象研究对象一个电子的多次行为或许多电子的一次行为一个电子的多次行为或许多电子的一次行为研究方法研究方法统计力学统计力学研究目的研究目的统计统计电子在核外空间单位体积内出现机会的多少电子在核外空间单位体积内出现机会的多少概率密度概率密度 例：例：氢原子核外的电子氢原子核外的电子xyz 图中，红色的原子核位于图中，红色的原子核位于中心，颜色的深浅表

7、示核外电中心，颜色的深浅表示核外电子概率密度的大小。子概率密度的大小。电子云是电子在核外空间出现概率密度分电子云是电子在核外空间出现概率密度分布的一种形象描述。布的一种形象描述。1.2.2 四个量子数四个量子数 电子的运动状态可用四个量子数描述电子的运动状态可用四个量子数描述主量子数主量子数n、角量子数、角量子数l、磁量子数、磁量子数m和自旋量子和自旋量子数数ms。其中，。其中，n、l、m确定电子在空间运动的确定电子在空间运动的轨道轨道，即原子轨道。，即原子轨道。注：注：这里轨道的概念与传这里轨道的概念与传统意义上的不同。统意义上的不同。ms确定电子的自旋运动状态。确定电子的自旋运动状态。(1

8、)主量子数主量子数na 决定核外电子离核的远近及电子的能量高低。决定核外电子离核的远近及电子的能量高低。b n可取可取1，2，3，4等正整数。等正整数。n越大，表电子越大，表电子离核越远，能量越高；离核越远，能量越高；n越小，表电子离核越近，越小，表电子离核越近，能量越低。能量越低。c 对应不同的对应不同的电子层电子层：n=1，2，3，4，5，6 K L M N O P(2)角量子数角量子数la 决定原子轨道或电子云的形状。决定原子轨道或电子云的形状。b l 可取小于可取小于n的正整数，即的正整数，即0，1，2，3，n-1。相应的符号是：相应的符号是：s p d f g c n相同，相同，l

9、不同的状态称为不同的状态称为电子亚层电子亚层。一个电子层可一个电子层可分为几个亚层。分为几个亚层。注注 对于对于单电子原子单电子原子，如：，如：H原子，其原子，其轨道能量仅由轨道能量仅由n决定决定。213.6Eevn H原子能量原子能量:对于对于多电子原子多电子原子，其，其轨道能量轨道能量却却由由n 和和l 共同决定共同决定。n相同时，相同时，l 越大，电子能量越高。越大，电子能量越高。例：例：对于一个对于一个n=2的电子层，有两个亚层，即的电子层，有两个亚层，即l=0和和1，相应的原子轨道符号为相应的原子轨道符号为2s、2p。(c)磁量子数磁量子数ma 规定电子运动状态在空间伸展的取向。规定

10、电子运动状态在空间伸展的取向。b m 可取可取 。对某个运动状态有。对某个运动状态有2l+1个伸个伸展方向。展方向。0,1,2,l 例：例：p轨道，轨道，l=1，则则m=，即，即p轨道有轨道有3种取向，种取向，分别用分别用px、py和和pz表示。表示。0,1 l 仅表示轨道的形状，m是在与轨道形状有关的基础上，还和伸展方向有关。l与m的差别例：例：p轨道，轨道，l=1，形状为哑铃型，形状为哑铃型-+0,1m=+-yxzxxyyzz(c)自旋量子数自旋量子数ms 电子除绕原子核运动外，本身还做自旋运电子除绕原子核运动外，本身还做自旋运动。因自旋分顺时针和逆时针两个方向，故常动。因自旋分顺时针和逆

11、时针两个方向，故常用用 和和 ，或，或 和和 表示自旋相表示自旋相反的电子。反的电子。1/2sm 1/2sm 四个量子数的关系四个量子数的关系量子数量子数原子轨道原子轨道电子层可容电子层可容纳纳 电电 子子 数数nlmms名称名称容纳电子数容纳电子数1（K层）层）001s22（L层）层）002s21+10-12p61/21/21/21/21/2222822 12 1.2.3 核外电子排布核外电子排布(1)保里不相容原理保里不相容原理核外电子排布遵循核外电子排布遵循3个原则个原则:一个原子轨道上最多只能排两个电子，且一个原子轨道上最多只能排两个电子，且这两个电子自旋方向必须相反。这两个电子自旋方

12、向必须相反。一个一个s轨道最多只能有轨道最多只能有2个电子，个电子，一个一个p轨道最多可容纳轨道最多可容纳6个电子。个电子。第第n个电子层能容纳的电子总数为个电子层能容纳的电子总数为2n2个个(2)能量最低原理能量最低原理 在不违反保里原理的条件下，电子优先占据能在不违反保里原理的条件下，电子优先占据能量较低的原子轨道，使整个原子体系能量最低。量较低的原子轨道，使整个原子体系能量最低。原子轨道的能量（能级）主要由原子轨道的能量（能级）主要由n和和l 决定。当决定。当n相同相同时，时，l 越大，能级越高；越大，能级越高；l 相同时，相同时，n越大，能级越高。越大，能级越高。E3sE3pE3d，E

13、1sE2sE3s注：注：当当n、l 都不同时，会发生都不同时，会发生能级交错。能级交错。E4sE3d，E5sE6d Pauling根据光谱实验数据，提出根据光谱实验数据，提出多电子原子轨道的能级近似图。多电子原子轨道的能级近似图。1s2s 2p3s 3p4s 3d 4p5s 4d 5p6s 4f 5d 6p7s 5f 6d 7pE第一能级组第一能级组第四能级组第四能级组第三能级组第三能级组第五能级组第五能级组第六能级组第六能级组第七能级组第七能级组第二能级组第二能级组28181832328原子轨道能级近似图原子轨道能级近似图 能级近似图是从下到上按能量由低到高的顺序能级近似图是从下到上按能量由

14、低到高的顺序排列的，并将能量相近的轨道放在同一方框中组成排列的，并将能量相近的轨道放在同一方框中组成一个能级组，共分一个能级组，共分7个能级组。个能级组。注：能级组与电子层概念不同。注：能级组与电子层概念不同。第三能级组：第三能级组：3s、3p轨道；轨道；第三电子层：第三电子层：3s、3p、3d轨道。轨道。(3)洪特规则洪特规则 为保证能量最低原理，在能量相等的轨道为保证能量最低原理，在能量相等的轨道上，电子尽可能自旋平行地分占不同的轨道。上，电子尽可能自旋平行地分占不同的轨道。补充规则：补充规则：能量相同的轨道全充满、半充满或全空的能量相同的轨道全充满、半充满或全空的状态比较稳定。状态比较稳

15、定。综合考虑上述三原则后，电子在原子轨道中的填综合考虑上述三原则后，电子在原子轨道中的填充顺序是：充顺序是：1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s、4f、5d、6p、例例1：N核外有核外有7个电子，其电子排布方式为：个电子，其电子排布方式为：1s22s22p3。用量子数用量子数n和和l 表示的电子排布方式，称为表示的电子排布方式，称为电子构型电子构型或或电子组态电子组态。右上角的数字为轨道中的电子数目。右上角的数字为轨道中的电子数目。还可用下式形象地表明这些电子的还可用下式形象地表明这些电子的m和和ms：1s2px2s2py2pz例例2：Ne核外有核外有10个电

16、子，其电子构型为：个电子，其电子构型为：1s22s22p6。这种最外层为这种最外层为8电子的结构，通常是一种比较稳电子的结构，通常是一种比较稳定的结构，称为定的结构，称为稀有气体结构稀有气体结构。例例3：K 核外核外19个电子，因个电子，因4s和和3d轨道发生能级交错，最轨道发生能级交错，最后一个电子填在后一个电子填在4s轨道，而不是轨道，而不是3d轨道，其电子构型轨道，其电子构型为为1s22s22p63s23p64s1。为避免上述书写的麻烦，可把内层电子已达稀有为避免上述书写的麻烦，可把内层电子已达稀有气体结构的部分写成气体结构的部分写成“原子实原子实”，以稀有气体元素符以稀有气体元素符号外

17、加方括号表示号外加方括号表示，如：上式也可写为，如：上式也可写为Ar4s1。例例4：Cr 核外有核外有24个电子，最高能级组中有个电子，最高能级组中有6个，个，其电子其电子构型为构型为Ar3d54s1，而不是而不是Ar3d44s2。因为的半充。因为的半充满结构是一种能量较低的稳定结构。满结构是一种能量较低的稳定结构。电子排布原理只是一个一般规律，对于不电子排布原理只是一个一般规律，对于不能用电子排布原理解释的现象，应以光谱实验能用电子排布原理解释的现象，应以光谱实验结果为主。结果为主。注注1.3 元素周期率元素周期率原子量的概念原子量的概念元素周期律的提出元素周期律的提出预言了预言了3种新元素

18、种新元素(Ga、Sc、Ge)及特性及特性Ga、Sc、Ge的发现与周期律的预言惊人相似的发现与周期律的预言惊人相似周期率的正确性获得举世公认周期率的正确性获得举世公认 1882年，年，Mendeleev D.L.和和Meyer J.L.共获英国共获英国皇家会最高荣誉皇家会最高荣誉戴维奖章戴维奖章。现已完善的周期表，横向分为现已完善的周期表，横向分为7个周期，纵向分为个周期，纵向分为18列。其中列。其中12，1318列为主族元素，列为主族元素，312列为副族列为副族元素。元素。周期表按价电子构型不同，可分为周期表按价电子构型不同，可分为s、p、d、ds和和f五个区。五个区。s区元素：区元素：A、A

19、族族（第（第1、2列），价电列），价电子构型为子构型为ns12。p区元素：区元素：AA族族（第（第1318列），价电列），价电子构型为子构型为ns2np16。d区元素：区元素：BB族族（第（第310列），价电列），价电子构型为子构型为ns12(n-1)d110。ds区元素：区元素：B、B族族（第（第11、12列），列），价电子构型为价电子构型为ns12(n-1)d10。f区元素：镧系和锕系元素区元素：镧系和锕系元素，价电子构型为，价电子构型为(n-2)f114(n-1)d02ns2。主族元素的族数主族元素的族数=原子的最外层电子数目原子的最外层电子数目=主族元素的最高化合价主族元素的最高化合价

20、适用范围：主族元素适用范围：主族元素 元素的化学性质很大程度上取决于价电子数。元素的化学性质很大程度上取决于价电子数。在同一族中，各元素具有相同的价电子数，故表现在同一族中，各元素具有相同的价电子数，故表现出相似的物理化学性质。出相似的物理化学性质。气态原子失去一个电子成为一价气态正离子所需气态原子失去一个电子成为一价气态正离子所需吸收的能量吸收的能量第一电离能（第一电离能（I1）。1.3.1 元素的周期性质元素的周期性质(1)电离能电离能(I)A(g)+I1 A+(g)+e-主族元素，主族元素，同一周期的电离能同一周期的电离能I1基本上基本上随原子序随原子序数的增加而增加，同族元素的数的增加

21、而增加，同族元素的I1则随原子序数的增加则随原子序数的增加而减小。而减小。注注 同一周期元素的同一周期元素的I1从左至右从左至右并非单调地并非单调地上升。上升。如：如：Be、N及及Mg、P都较相邻元素的高。都较相邻元素的高。原因：原因：电子填充时，出现了全充满、半充满或全空。电子填充时，出现了全充满、半充满或全空。副族元素，副族元素，最外层价电子相同，最外层价电子相同，I1差别不大，差别不大，无无明显规律。明显规律。气态原子获得一个电子成为一价负离子时放出的气态原子获得一个电子成为一价负离子时放出的能量能量电子亲和能（电子亲和能（Y）。(2)电子亲合能电子亲合能(Y)A(g)+e-A-(g)+

22、Y Y实验测定比较困难，数据可靠性差，我们不常实验测定比较困难，数据可靠性差，我们不常用。用。越大表明吸引成键电子的能力越强，反之越越大表明吸引成键电子的能力越强，反之越小。小。同一周期元素，由左至右电负性逐渐增大；同同一周期元素，由左至右电负性逐渐增大；同一族元素，由上到下，电负性逐渐降低。一族元素，由上到下，电负性逐渐降低。电负性的概念最早由电负性的概念最早由Pauling L.提出，用以度量提出，用以度量分子中原子对成键电子吸引能力的大小。分子中原子对成键电子吸引能力的大小。(3)电负性电负性()金属元素易失电子，故其电负性较小，非金属金属元素易失电子，故其电负性较小，非金属元素电负性较

23、大。元素电负性较大。电负性是判断元素金属性的重要电负性是判断元素金属性的重要参数。参数。电负性差别大的元素之间化合，易生成电负性差别大的元素之间化合，易生成离子键离子键；电负性相同或相近的非金属元素化合易形成电负性相同或相近的非金属元素化合易形成共价键共价键；电负性相等或相近的金属元素化合易形成电负性相等或相近的金属元素化合易形成金属键金属键。插花插花习题：习题：课后课后1.2.3.4.5.8.正确运用周期率对开展化学研究至关重要。正确运用周期率对开展化学研究至关重要。1987年发现钡、钇、铜的复合氧化物具有高温超导年发现钡、钇、铜的复合氧化物具有高温超导性，那么在它们的同族元素中进行搜索，极有可能找到性，那么在它们的同族元素中进行搜索，极有可能找到新的高温超导体。新的高温超导体。