1、第五章第五章 原子结构与元素周期律原子结构与元素周期律 第一节第一节 原子核外电子的运动状态原子核外电子的运动状态 第二节第二节 原子中电子的排布原子中电子的排布第三节第三节 原子核外电子排布与元素原子核外电子排布与元素 周期律周期律第四节第四节 元素性质的周期性元素性质的周期性 第一节 原子核外电子的运动状态 1. 早期原子结构模型的建立 2. 电子的波粒二象性 3. 波函数与原子轨道 4. 概率密度与电子云 5.四个量子数 6.多电子原子轨道能级1.早期原子轨道模型的建立 1) 公元前约四百年,古希腊Democritus提出万物由”原子”产生.”Atum” 不可分割,主要是臆测. 2)十八
2、世纪末,随着质量守恒定律,定组成定律,倍比定律等相应确定,Dolton提出了原子论. 3)十九世纪,由于法国盖吕萨克对气体研究,原子论不能解释;意大利的阿佛加德罗提出分子概念,从而建立了分子原子论. 4) 十九世纪末二十世纪初,随着电子的发现,质子的发现,提出了带核原子模型. .原子由原子核和核外电子组成 核位于中心,电子带一个负电 原子核= 中子+质子 整个原子呈电中性 但是,没有说明电子在核外做何种运动.Bohr原子光谱 原子在强电场,高温时发光,经三棱镜,得到分散光线. 如氢原子光谱:Bohr理论(1)核外电子只能在有确定半径和能量的轨道上运动,且不辐射能量;(2)通常保持能量最低-基态
3、(3)获能量激发-激发态(4)从激发态回到基态释放光能hEEEEh1212 E: 轨道的能量：光的频率 h: Planck常数 成功在于: 相同原子发相同的光谱,不同原子发不同的光谱, 能很好解释氢原子的光谱,但不能解释多电子的原子和氢光谱的精细结构. 没有完全摆脱经典力学的束缚.2 电子的波粒二象性电子的波粒二象性1924年：de Broglie Louis(德布罗意、法)认为： 质量为 m ,运动速度为v 的粒子,相应的波长为：常量PlancksJ10626.6/34hphmvh 1927年，Davissson（戴维森）和Germer（杰尔曼）应用Ni晶体进行电子衍射实验，证实电子具有波动
4、性。 Heisenberg 的测不准原理 像光子、电子、质子、中子等微观粒子具有波粒二象性，很难用经典力学来描述。 xph空间直角坐标常数质量势能总能量波函数:, Planck: : : : : 822222222zyxhmVEVEhmzyx3 波函数与原子轨道1 Schrdinger方程 波函数是量子力学描述核外电子运动状态的数学函数式， 其解的形式包含三个常量n,l,m.n主量子数，l角量子数，m磁量子数，取值为整数。 例如：n=1,l=0,m=0时的波函数为 100（x,y,z ). 借用经典力学轨道的概念，波函数就称为原子轨道函数，简称原子轨道。直角坐标( x,y,z)与球坐标 的转换
5、 , r222cossinsincossinzyxrrzryrx ,YrR, , rzyx 经过这样的转化，波函数就可以用径向分布函数和角度分布函数来表示。 3 3d态:n=3, l=2, m=0,2, 12d3zn=3, l=2, m=022d3yx n=3, l=2n=3, l=2xyd3n=3, l=2xzd3n=3, l=2yzd33 波函数的物理意义：描述原子核外电子运动的方式2 :原子核外发现电子的几率密度2 四个量子数四个量子数(1) 主量子数主量子数 n n=1, 2, 3,(2) 角量子数角量子数 1,.2, 1 ,0nl(3) 磁量子数磁量子数 m (4) 自旋量子数自旋量
6、子数 ms,21smllm.,0,.21sm主量子数n（层）与电子能量有关，表示电子离核的平均距离， n越大表示离核越远。取值从1开始。不同的n值，对应于不同的电子壳层：.K L M N O.角量子数 (亚层) 1 与角动量有关，对于多电子原子， l 也与n有关，取值从0到n-1。 2 l 的取值 0，1，2，3n-1 s, p, d, f. 球 哑铃 花瓣 花瓣 形 形 形 形 3 表示同一层内，电子的能量的差别磁量子数m1 与角动量的取向有关，取值不同表示不同的空间伸展方向；一个值代表一个方向。2 m可取 0，1, 2l （2l+1）3 等价轨道（简并轨道）4 如：n=3 l=2时m=0，
7、1, 2,表示第三电子层 上p亚层有5个空间伸展方向不同的d轨道.量子数量子数,电子层电子层,电子亚层之间的关系电子亚层之间的关系 每个电子层最多每个电子层最多 容纳的电子数容纳的电子数 主量子数主量子数 n 1 2 3 4 电子层电子层 K L M N 角量子数角量子数 l 0 1 2 3 电子亚层电子亚层 s p d f 每个亚层中每个亚层中 轨道数目轨道数目 1 3 5 7 每个亚层最多每个亚层最多 容纳电子数容纳电子数 2 6 10 1422n1 3 5 72 6 10 142 8 18小结:量子数与电子云的关系(1) n: 决定电子云的大小(2) l: 描述电子云的形状(3) m:
8、描述电子云的伸展方向 轨道:与氢原子类似,其电子运动状态可描 述为1s, 2s, 2px, 2py, 2pz, 3s能量:与氢原子不同, 能量不仅与n有关, 也与l有关; 在外加场的作用下, 还 与m有关5 多电子原子轨道能级1 Pauling近似能级图说明 1.这是多原子的核外电子排布式的依据。 2.n相同l不同：E(ns)E(np) E(nd)E(nf) 3.l相同n不同：E(1s)E(2s)E(3s) 4.原子轨道的能级交错现象，由于屏蔽效应和钻穿效应两因素来说明。 屏蔽效应 多电子原子受到原子核和其他电子的相互作用，使核电荷对外层电子的引力减弱。称为屏蔽效应。 Slater提出经验规则
9、： Z * =Z （ Z *有效核电荷 ） 1）外层电子对内层 无屏蔽作用，=0。 2）同组中每一个其他电子对被屏蔽电子的=0.35，（1s， =0.3） 3) (n-1)电子层中每个电子对n层被屏蔽的s、p电子的=0.85；（n-2）层以及更内层的电子对n层的为1.00 4) 如被屏蔽电子为（nd)或（nf）组中电子，同组中其他电子对被屏蔽的 为0.35,内组电子对被屏蔽电子的为1.00例;钾原子的电子层结构1s22s22p63s23p64s1 而不是1s22s22p63s23p63d1,即4s能级低于3d，试从有效核电荷说明之。 解：假定填入的1个电子是在4s; Z * =Z =19-(0
10、.85x8 + 1.00 x10) = 2.20 假如填入的1个电子是在3d; Z * =Z =19- 1.00 x18 = 1.00 结果：核对4s电子有效核电荷大于3d,即4s 能级低于3d，所以钾原子的最后1个电子应填充在4s轨道上。钻穿效应 外层电子在某种程度上渗透入内部空间，出现在原子核附近，避开其余电子的屏蔽。 当n一定，l愈小的原子轨道的电子，穿过内层到核附近的几率就大，避开其余电子的屏蔽也较好，而感受有效核电荷也较多。因而轨道能量也较低。即：4s 3d 4p .第二节 核外电子排布 (1)最低能量原理 电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道上, 使整个原子系统能量最 低。 (2)
11、Pauli不相容原理 每个原子轨道中最多容纳两个自旋式相反的电子。 (3)Hund 规则 在n和 m相同的轨道上, 分布电子,将尽可能得分布m值不同的轨道, 且自旋相同。14s3dAr 4s3d3p3s2p2s1s:Cr245156262214s3dAr 4s3d3p3s2p2s1s:Cu291011062622N:Hund特例 当轨道处于全满,半满.全空时,原子较稳定26号Fe:1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2第三节第三节 原子核外电子排布与原子核外电子排布与元素周期律元素周期律 1.元素周期表是按原子结构排列的。 2.原子序数 = 原子核电荷数= 核外电子数 3.周期
12、数= 电子层数 = 能级组数 4.元素性质周期性是由于原子随着原子序数的增大，周期地重复着近似的电子层结构的缘故。 5.主族元素所填的电子是在最外层的s轨道和p轨道；若是在此外层即d轨道则是过度元素（副族元素）；若是在外数第三层的f轨道上，则称为内过渡元素。 6.元素周期表分为s、p、d、f四区。 7.同族元素中，电子层结构相似，所以性 质相似。 8.元素的性质，决定于它的结构，通过原子结构才能从本质上了解元素的性质。元素的性质主要有原子得失电子难易以及能够使用多少电子去成键两方面。第四节 元素性质的周期性1 原子半径(1) 共价半径 (2) 金属半径 (3) van der Waals 半径
13、 主族元素：从左到右 r 减小 从上到下 r 增大过渡元素：从左到右 r 缓慢减小 从上到下 r略有增大 镧系收缩 主族元素主族元素 元素的原子半径变化元素的原子半径变化2 电离能E (g) = E+ (g) + e- I 1E+ (g) =E 2+ (g) + e- I 2（1）主族元素同周期 从左到右 I1增大 同族 从上到下 I1减小（2）过渡元素 I 1变化不大 总趋势：从左到右 I1 略有增加 电离能变化3 电子亲和能 X(g) + e- = X- (g) mrHAX- (g) + e- = X 2- (g) 2AO- (g) + e- = O2- (g) A2 = -780 kJ . mol-1电子亲和能变化电负性变化有了坚定的意志，就等于给双脚添了一对翅膀。有了坚定的意志，就等于给双脚添了一对翅膀。一个人的价值在于他的才华，而不在他的衣饰。一个人的价值在于他的才华，而不在他的衣饰。生活就像海洋，只有意志坚强的人，才能到达彼岸。生活就像海洋，只有意志坚强的人，才能到达彼岸。读一切好的书，就是和许多高尚的人说话。读一切好的书，就是和许多高尚的人说话。最聪明的人是最不愿浪费时间的人。最聪明的人是最不愿浪费时间的人。
