1、大学化学 2013年秋季 原原 子子 结结 构构 教师：冯春华 院系：环境与能源学院 电话：13501543363 E-mail:大学化学课件-原子结构 页码页码 2知识要点l逻辑主线l重点概念原子轨道以及电子云的形状四个量子数n,l,m,ms的规定及物理意义鲍林近似能级图核外电子排布遵循的三个原理多电子原子核外电子排布外围电子层构型以及其与元素周期表的关系元素基本性质如电离能、电子亲和能、电负性的周期性变化规律原子结构的认识波粒二象性薛定谔方程合理解核外电子运动状态核外电子排布元素周期表元素基本性质的周期性 页码页码 3原子的概念及原子论（1）l古希腊德谟克利特提出的原子学说l世界万物都是由
2、微小的、不可分割的微粒-原子组成l原子永恒存在，永不毁灭l古代朴素的原子学说实际上只不过是一种哲学思辨，并无科学依据Democritus(Greece)460 BC 370 BC 页码页码 4原子的概念及原子论（2）l18031803年，道尔顿提出了原子学说：元素是由非常微小的、看不见的、不可再分割的原子组成-近代原子论建立l原子既不能创造，不能毁灭，也不能转变，所以 在一切化学反应中都保持自己原有的性质；l同一种元素的原子其形状、质量及各种性质都相 同，不同元素的原子的形状、质量及各种性质则 不相同，原子的质量(而不是形状)是元素最基本的特征；l不同元素的原子以简单的数目比例相结合，形成 化
3、合物。英国 道尔顿1766-1844 页码页码 519世纪末的物理学三大发现lX X射线，又称伦琴射线射线，(1895(1895，伦琴，德国)l放射性(1896(1896，贝克勒尔，法国)l电子(1897(1897，汤姆逊，英国，)这些发现推翻推翻了原子不可分割的观点，证明证明了原子具有复杂的结构，揭开揭开了物理学革命乃至现代科学革命的序幕，继而创立创立了原子物理学、基本粒子物理学、量子力学、量子化学、核化学、同位素化学、粒子物理学、放射化学等许多新学科，构成构成了整个现代自然科学的新的理论支柱 页码页码 6电子的发现l电子是1919世纪人们在研究低气压下气体的放电现象时发现的，最初称为阴极射
4、线 页码页码 7经典核原子模型l19111911年，卢瑟福（Rutherford)通过粒子散射实验提出了行星系式原子核模型l原子由原子核和电子组成，原子核集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量，带负电荷的电子在核外空间绕核高速运动l能量高的电子在外层轨道运动，能量低的电子在内层轨道运动 Ernest Rutherford(1871-1937)New Zealand Physicist 氦原子 页码页码 8经典物理学（电磁理论）遇到的难题l按经典电磁学理论，电子绕核作圆周运动，原子不断发射连续的电磁波，原子光谱应是连续的；l而且由此电子的能量逐渐降低，最后坠入原子核，使原子不复存在。实际上原子既
5、没有湮灭，其谱线也不是连续的而是线状的。经典物理学的研究对象宏观物体 质量大、体积大、运动速率远小于光速。原因 原子光谱由电子（属微观粒子）产生 质量小、体积小、运动速率等于或接近光速。An unsatisfactory atomic model 页码页码 9The electromagnetic spectrum 微观粒子波粒二象性：光波的微粒性l电磁波是通过空间传播的能量。可见光只不过是电磁波的一种l电磁波在有些情况下表现出连续波的性质，另一些情况下则更像单个微粒的集合体，后一种性质叫作波的微粒性 页码页码 10 爱因斯坦对光电效应的成功解释最终使光的微粒性为人们所接爱因斯坦对光电效应的成
6、功解释最终使光的微粒性为人们所接受受.以波的微粒性概念为基础的一门学科以波的微粒性概念为基础的一门学科叫量子力学叫量子力学(quantum mechanics).).光电效应光电效应1905年,爱因斯坦(Einstein A)成功地解释了光电效应(photoelectric effect),将能量量子化概念扩展到光本身.对某一特定金属而言,不是任何频率的光都能使其发射光电子.每种金属都有一个特征的最小频率(叫临界频率),低于这一频率的光线不论其强度多大和照射时间多长,都不能导致光电效应。只有当入射光的能量（hv）金属的电子逸出功时，就产生光电效应。hv hv e e光波微粒性举例 页码页码 1
7、1 当用很弱的电子流做衍射实验，电子是一个 一个地通过晶体发生衍射的。因为电子有粒 子性，开始只是落到照相底片的一个一个点 上，每次所落的点都不是重合在一起的。经 过足够长的时间，通过大量的电子后，得到 的衍射图呈现出波动性。若用较强的电子流 可在较短时间内得到同样的电子衍射环纹。微观粒子波粒二象性：微粒的波动性l1927年，戴维森(Davisson)等的电子衍射实验证实了电子的波动性 页码页码 12微观粒子波与机械波不同之处l电子等微观粒子本身并不是波，电子的运动具有波动性是对大量电子无数次行为统计的结果l波强度大的地方，电子出现的机会多；波强度小的地方，电子出 现的机会少l概率波机械波是机
8、械波是介质的质点振动介质的质点振动在空气中传播产生的在空气中传播产生的;电子等粒子的波电子等粒子的波不需要介质不需要介质的传播的传播,更不是介质质点振动更不是介质质点振动所产生的波所产生的波 页码页码 13德布罗依关系式l电子的粒子性：l电子具有质量、速度、动量、能量等l电子的波动性：l电子衍射实验mvhph德布罗依关系通过普朗克常数将物质的波动性和粒子性定量的联系在一起 页码页码 14微观粒子电子：微观粒子电子：让我们选一个微观粒子和一个很小的宏观物体进行一项计算：让我们选一个微观粒子和一个很小的宏观物体进行一项计算：显然，包括宏观物体如运动着的垒球和枪弹等都可按德布罗依公式计算它们的波长.
9、由于宏观物体的波长极短以致无法测量，所以宏观物体的波长就难以察觉，主要表现为粒性，服从经典力学的运动规律.只有象电子、原子等质量极小的微粒才具有与 x射线数量级相近的波长才符合德布罗依公式，然而，如此短的波长在一般条件下仍不易显现出来.宏观物体子弹：宏观物体子弹：m=1.0 10-2 kg,=1.0 103 m s-1,=6.6 10-35 m17631m.s1010kg,1010.9vmm9107.36,1sm710m10107.36,1sm610,mvh由波粒二象性是否只有微观物体才具有？页码页码 15波粒二象性对化学的重要性l原子中核外电子的排布规律和运动状态，以及现代原子结构理论的建立
10、，是从对微观粒子的波粒二象性的认识开始的1926年薛定鳄从量子力学角度出发，以微粒波动性为基础建立起原子的波动力学模型 页码页码 16)(822222222VEhmzyx薛定谔方程微粒的波动方程 l1926年奥地利物理学家薛定谔（Schrdinger）首先提出了描述核外电子运动状态的数学表达式，建立了著名的微观粒子的波动方程薛定谔方程 l式中既包含体现微粒性的物理量 m,也包含体现波动性的物理量式中，m:粒子质量；E:粒子总能量；V:势能；x,y,z:粒子的空间坐标；:描述粒子运动状态的波函数Erwin Schrdinger(1887-1961)Berlin Univ.,Germany 页码页
11、码 17薛定谔方程的求解l这是一个二阶偏微分方程，它的解不是具体的数值，是一系列的波函数的具体函数表达式，即每一个波函数都是描述一个原子轨道，即原子核外电子运动的一种状态的数学表达式l解薛定谔方程的目的，就是求状态函数，以及与这状态相对应的能量E，这样就可以了解电子运动的状态和能量的高低 l求解薛定谔方程要涉及较深的数学知识，在大学一年级的化学中，既没有足够的数理基础，又没有解这个方程的必要 页码页码 18薛定谔方程求解的简单介绍l将直角坐标（x,y,z）变换为球极坐标（r、），它们之间的变换关系l在数学上，与几个变数有关的函数假设可以分成几个只含有一个变数的函数的乘积：(r,)=R（r）（）
12、（）其中R是电子离核距离r的函数，、则分别是角度和的函数，解薛定谔方程就是分别求得这三个函数的解，再将三者相乘就得到波函数。页码页码 19薛定谔方程求解的简单介绍l通常把与角度有关的两个函数合并为Y（,）一个函数，则：(r,)=R（r）Y（,）是r,的函数，分成R（r）和Y（,）两部分后，R（r）只与电子离核半径的大小有关，所以R（r）称为波函数的径向部分径向部分，Y（,）只与两个角度有关，所以Y（,）称为波函数的角度部分角度部分l薛定谔方程有非常多的解，在解薛定谔方程的过程中，为了得到方程合理的解，还需要引入三个只能取某些整数值的参数n、l、m。对应于一组合理的n、l、m 取值，则有一个确定
13、的波函数(r,)n,l,m。n、l、m 称为量子数，它们决定着波函数某些性质的量子化情况l因此，波函数是一个三个变量r，和三个参数n、l、m的函数式，对应于每一个(r,)n,l,m 页码页码 20波函数与原子轨道l每一个由一组量子数所确定的波函数数学式，表示电子的一种运动状态l在量子力学中，把三个量子数都有确定值的波函数，称为一个原子轨道l对于一个质量为m，在势能为V的势场中运动的微粒来说，方程的每一个合理的解，就表示该粒子的某一种运动状态，以及该状态下粒子所具有的能量为E，或能级为E 波函数波函数 =薛定锷方程的合理解薛定锷方程的合理解 =原子轨道原子轨道 页码页码 21三个量子数的取值有如
14、下规定：主量子数n=1，2，3，4，正整数；轨道角动量量子数l=0，1，2，(n 1)，共可取n个数值；通常用光谱符号表示相对应的li值 l 0 1 2 3 4 光谱符号 s p d f g 磁量子数m=0，1，2，3，li，共可取(2li+1)个数值 页码页码 22l(2，0，0),(2，1，2),(2，1，1),(2，1，1)l(2，2，0),(4，2，0),(3，0，1)下列组合的波函数是否有意义?问题回答 页码页码 23nl m(n，l，m)n相同的轨道数100(1，0，0)11222200(2，0，0)14111+10-1(2，1，1)(2，1，0)(2，1，-1)333333333
15、300(3，0，0)19111+10-1(3，1，+1)(3，1，0)(1，1，-1)322222+2+10-1-2(3，2，+2)(3，2，+1)(3，2，0)(3，2，-1)(3，2，-2)5三个量子数组合允许的状态 页码页码 24三个量子数的组合方式决定了波函数的表达式每一组（n，l，m）对应于一个波函数(n，l，m)，并称之为原子轨道。n相同的原子轨道归为一个主层。如，n=1，第一主层，有1个原子轨道；n=2，第二主层，有4个原子轨道n，l值相同的原子轨道归为一个亚层。如，1s亚层，1个轨道；2p亚层，3个轨道；3d亚层，5个轨道 页码页码 252s 5d 4f 3p 存在下列原子轨道
16、是否存在?如果可能存在,指出其n，l值,并说明轨道可能存在的个数?2s 3f 1p 5d 4f 3p n l轨道个数 2s 2 0 1 5d 5 2 5 4f 4 3 7 3p 3 1 3问题？页码页码 26将将波函数进行波函数进行变量分离：变量分离：径向波函数径向波函数R n,l (r)n,l,m (r,q q,f f)=Y l,m (q q,f f)角度波函数角度波函数原子轨道的形状波函数(r,)的角度部分是Y(,)，它只随和角度变化，是由量子数 l 和 m 决定的，与 n 无关。如果将Y(,)随，的角度变化作图，就可以得到波函数的角度分布图，也就是原子轨道的角度分布图 页码页码 27s
17、轨道角度分布图 利用Y(q,f)随角度(q,f)变化作图，即可得到原子轨道的角度分布图，它所代表的是原子轨道的形状。例如，s原子轨道的角度分布图41sY球形球形 页码页码 28qqcoscos432AYzpq0O15O30O45O60O90O120O150O180Ocos q10.9660.8660.7070.50-0.5-0.866-1Y2pzA0.966A0.866A0.707A0.5A0-0.5A-0.866A-A15O30O45O60O+-z zx xp 轨道角度分布图 页码页码 29不同轨道的角度波函数 页码页码 30p 轨道角度分布图哑铃型哑铃型 页码页码 31d 轨道角度分布图花
18、瓣型花瓣型 页码页码 32注意l这些图象只代表波函数的角度部分，并不代表波函数或原子轨道l图中的正、负号也只代表角度部分的符号，而不代表波函数的正、负号l图中的正、负号不是指电荷的正、负号，而是代表了原子轨道的对称性 页码页码 33波函数的物理意义？l波函数没有很明确的物理意义，但它绝对值的平方 2却有明确的物理意义，表示空间某处单位体积内电子出现的概率，即概率密度。2的空间图像就是电子云的空间分布图像l为了深刻理解波函数，我们需对概率、概率密度、电子云的概念作进一步的了解 页码页码 34概率密度电子在核外空间某处单位体积内出现的概率，称为概率密度。概率密度和|2成正比的。可用|2来表示概率密
19、度的大小。概率=概率密度 体积 页码页码 35氢原子1s电子云小黑点密的地方，概率密度大；小黑点疏的地方，概率密度小。也就是说，2的空间图像就是电子云用小黑点图来形象地描述原子核外电子运动的概率分布情况。这种方法表示的图形称为电子云。电子云注意注意：图中密集的小点只是说明氢原子核外的一个电子在核外空间的一种运动状态，并不代表有这么多个电子在核外运动 页码页码 36电子云角度分布图|2=R2(r)Y2(q,f)以Y2沿着q，f 的方向作图，就得到电子云的角度分布图，它表示概率密度随角度变化的情况。s电子云角度分布图s 页码页码 37p电子云的角度分布图pzpxpy 页码页码 38d电子云的角度分
20、布图2zdxydxzdyzd22yxd 页码页码 39比较原子轨道的角度分布图与电子云的角度分布图l相同之处：相同之处：原子轨道的角度分布图与电子云的角度分布图的形状相似l不同之处：不同之处：原子轨道的角度分布图有正、负号，电子云的角度分布图没有正、负号电子云的角度分布图比原子轨道的角度分布图“瘦”一些。页码页码 40n,l,m 三个量子数的局限ln,l,m这三个量子数可以用来描述电子运动状态的原子轨道，能解释一般的原子光谱l但不能解释原子光谱中的精细结构和在磁场中谱线分裂现象l引入第四个量子数-自旋角动量子数m ms s 页码页码 41（1）主量子数主量子数 n(principal quan
21、tum number)与电子能量有关，与电子能量有关，n n越大，轨道能量越高越大，轨道能量越高 确定电子出现几率最大处离核的距离确定电子出现几率最大处离核的距离 不同的不同的n n 值，对应于不同的电子壳层值，对应于不同的电子壳层(也叫电子主层）也叫电子主层）.K L M N O.描述电子运动状态的四个量子数 页码页码 42 与与角动量有关，对于多电子原子角动量有关，对于多电子原子,l 也与也与E 有关有关 l 的取值的取值 0，1，2，3n-1(亚层）亚层）s,p,d,f.l 决定了决定了的角度函数的形状，也就是原子轨的角度函数的形状，也就是原子轨 道的形状道的形状（2）角动量量子数角动量
22、量子数l(angular momentum quantum umber)The allowed values for angular momentum quantum number,lnl1234(subshell symbol0000s111p22d3f)s 轨道轨道球形球形p 轨道轨道哑铃形哑铃形d轨轨道道有有两两种种形形状状 页码页码 43 与角动量的取向有关，描述原子轨道在空间的伸展方向与角动量的取向有关，描述原子轨道在空间的伸展方向 m可取可取 0，1,2l 在一个亚层中有几个在一个亚层中有几个m值值,就有几个不同的就有几个不同的 伸展方向伸展方向 l 值相同的轨道互为等价轨道值相同
23、的轨道互为等价轨道（3）磁量子数磁量子数m (magnetic quantum number)The allowed values for magnetic quantum number,mLmnumber of orbital 0(s)1(p)2(d)3(f)0 1 0 1 2 1 0 1 2 3 2 1 0 1 2 31357 页码页码 44 p p 轨道轨道(l l=1,=1,m m=+1,0,-1)=+1,0,-1)m m 三种取值三种取值,三种取向三种取向,三条等价三条等价(简并简并)p p 轨道轨道.s s 轨道轨道(l l=0,=0,m m=0)=0):m m 一一种取值种取值,
24、空间一种取向空间一种取向,一条一条 s s 轨道轨道.页码页码 45d d 轨道轨道(l l=2,=2,m m=+2,+1,0,-1,-2)=+2,+1,0,-1,-2):m m 五五种取值种取值,空间五种取向空间五种取向,五条等价五条等价(简并简并)d d 轨道轨道.页码页码 46 f f 轨道轨道(l l=3,=3,m m=+3,+2,+1,0,-1,-2,-3)=+3,+2,+1,0,-1,-2,-3):m m 七种取值七种取值,空间七种取向空间七种取向,七条等价七条等价(简并简并)f f 轨道轨道.本课程本课程不要求不要求记住记住 f 轨道轨道具体形状具体形状!页码页码 47（4）自旋
25、量子数自旋量子数 ms(spin quantum number)描述电子绕自轴旋转的状态描述电子绕自轴旋转的状态 自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为 ms 取值取值+1/2和和-1/2，分别用，分别用和和表示表示 想象中的电子自旋想象中的电子自旋 两种可能的自旋方向两种可能的自旋方向:正向正向(+1/2)(+1/2)和反向和反向(-1/2)(-1/2)产生方向相反的磁场产生方向相反的磁场 相反自旋的一对电子相反自旋的一对电子,磁场相互抵消磁场相互抵消.Electron spin visualizedMagnetic fieldscreenSmall cle
26、arance spaceSilver atomic raykiln 页码页码 48量子数和原子轨道 页码页码 49下列各组量子数哪些可能存在？(3,2,2,1/2)(3,0,1,1/2)(2,2,2,2)(1,0,0,0)(2,1,0,1/2)(2,0,2,1/2)问题?页码页码 50写出轨道量子数写出轨道量子数 n=n=4 4,l=,l=2 2,m=,m=0 0 的原子轨道名称的原子轨道名称 原子轨道是由原子轨道是由 n,l,m n,l,m 三个量子数决定的三个量子数决定的.与与 l=l=2 2 对对应的轨道是应的轨道是 d d 轨道轨道.因为因为 n=n=4 4,该轨道的名称应该是该轨道的
27、名称应该是 4 4d.d.磁量子数磁量子数 m=m=0 0 在轨道名称中得不到反映在轨道名称中得不到反映,但根据我们迄今但根据我们迄今学过的知识学过的知识,m=m=0 0 表示该表示该 4 4d d 轨道是不同伸展方向的轨道是不同伸展方向的 5 5 条条 4 4d d 轨道之一轨道之一.Representations of the five d orbitals问题?页码页码 51l多电子原子的特殊性l对众多电子中的某一特定电子而言，除受到原子核的引力之外，还受到其它电子的排斥作用l多电子原子的能级图l决定多电子原子原子轨道能量的是，主量子数（n）和轨道量子数(l)l1939年,鲍林(Paul
28、ing L)从大量光谱实验数据出发,通过理论计算得出多电子原子(Many-electron atoms)中轨道能量的高低顺序,并绘出经验式的多电子原子轨道能级图即所谓的顺序图多电子原子的能级 页码页码 52 Pauling,L.C.(1901-1994)页码页码 53l每一个小圆圈代表一个原子轨道，小圆圈的高低表示该轨道能量的高低l在同一高度上的轨道，能量相同，这些能量相同的轨道称为简并轨道，或等价轨道l简并轨道或等价轨道的主量子数（n）和轨道角动量量子数（l）是相同的例如，np亚层有三个能量相同的简并轨道nd亚层有五个简并轨道nf亚层有七个简并轨道从鲍林的近似能级图可以看出zyxnpnpnp
29、EEE222zyxxzyzxyndndndndndEEEEE 页码页码 54l主量子数（n）不同,角量子数（l）相同时,则主量子数（n）越大，能量越高。E1s E2s E 3s E4sl主量子数（n）相同,轨道角动量量子数（l）不同时,则轨道角动量量子数（l）越大,能量越高 E3s E3p E3d E4s E4p E4d E4fl当主量子数（n）和轨道角动量量子数(l)都不同时,则会出现能级交错的现象 E4sE3d E5sE4d E6sE4f l方框内的轨道能量相近，称为一个能级组,共有七个能级组.能级组之间的能量相差较大从鲍林的近似能级图可以看出 页码页码 55能级交错课外知识l我国化学家徐
30、光宪归纳出这样的规律，即用该轨道的（n+0.7l）值来判断，（n+0.7l）值越小，能级的能量越低。l例如 4s和3d两个能级，它们的（n+0.7l）值分别为（4+0.70）=4.0和（3+0.72）=4.4，因此E4sE3d，从图中可以看出ns能级均低于(n-1)d能级，这种现象称为能级交错 页码页码 56l反应了：l原子的外电子层中原子轨道的能量的相对高低.该能级图反映的是原子外电子排布的一般规律l该能级图中的七个能级组与元素周期表中的七个周期是相对应的l局限：l只是对能级高低的定性判断，无定量意义l该能级图假定所有元素的原子的能级高低的顺序都是一样的，但事实上原子轨道的能量是随着原子序数
31、的变化而变化的 鲍林的近似能级图 页码页码 57核外电子排布遵循三个原理l最低能量原理l核外电子在各原子轨道上的排布方式应使整个原子能量处于最低的状态lPauliPauli不相容原理(Wolfgang Pauli,1926)(Wolfgang Pauli,1926)l“在同一原子中没有4 4个量子数完全相同的电子”。该原理也可表述为：“同一原子轨道仅可容纳2 2个自旋相反的电子”lHundHund规则l“电子在能量相同的轨道上分布时，总是尽可能以自旋相同的方向占不同的轨道”。这样的电子填入方式可使原子能量最低。当轨道被电子半充满或全充满时较为稳定(如p p3,3,d d5,5,f f7 7或p
32、 p6,6,d d10,10,f f14)14)。这些规则称为HundHund规则，实际上属于能量最低原理 页码页码 58问题？l根据能量最低原理以及鲍林的近似能级图描述电子填充顺序 页码页码 59怎样推算出各层(shell)和各亚层(subshell)电子的最大容量?n l Number of orbitals Maximum number of electrons per sublevel Maximum number of electrons per level 1 2 3 4 0 0 1 0 1 2 0 1 2 3 One s orbital One s orbital Three p
33、 orbitals One s orbital Three p orbitals Five d orbitals One s orbital Three p orbitals Five d orbitals Seven f orbitals 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 8 18 32 由由泡利不相容原理泡利不相容原理并结合三个轨道量子数之间的关系并结合三个轨道量子数之间的关系,能够推能够推知各电子层和电子亚层的最大容量知各电子层和电子亚层的最大容量.各层最大容量与主量子数之间各层最大容量与主量子数之间的关系为：最大容量的关系为：最大容量2n2.问题？页码页码 60 根据H
34、und规则,下列三种排布中哪一种是氮原子的实际电子构型?1 s 2 s 2 px 2 py 2 pz 1 s 2 s 2 px 2 py 2 pz 1 s 2 s 2 px 2 py 2 pz问题？页码页码 61基态原子的电子层结构举例说明1.7N：电子填充的顺序 1s2 2s2 2p3 正确的书面表达式 7N 1s22s22p32.26Fe：电子填充的顺序 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 正确的书面表达式 26Fe 1s22s22p63s23p63d64s2 页码页码 623.47Ag：电子填充的顺序 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6
35、5s1 4d10 正确的书面表达式 47Ag 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1 4.53I：电子填充的顺序 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p5 正确的书面表达式 53I 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p5 页码页码 63原子实 “原子实”是指原子的内电子层构型中与某一稀有气体的电子构型相同的那一部分实体，一般用该稀有气体的符号加放括弧表示，用来代替原子的部分内层电子构型。7N：He2s22p326Fe：Ar3d64s247Ag：Kr4d105s153I：Kr4d105s2
36、5p5 页码页码 64l将电子最后步入的能量最高的能级组称为外围电子层l原子在参与化学反应时，其外层结构中能够发生变化的那一部分电子构型，称为原子的价层电子构型（外围电子构型）元素基态电子构型价层电子构型7NHe2s22p32s22p326FeAr3d64s23d64s247AgKr4d105s14d105s153I Kr4d105s25p54d105s25p5外围电子层 基态原子的价层电子构型 页码页码 65用四个量子数来描述价层电子构型上的电子如：17Cl：Ne3s23p5 价层电子构型：3s23p5 （3，0，0，1/2）（3，0，0，-1/2）（3，1，-1，1/2）（3，1，-1，-
37、1/2）（3，1，0，1/2）（3，1，0，-1/2）（3，1，1，1/2）用轨道式来描述价层电子构型上的电子 3s3p 页码页码 6624Cr：Ar3d54s1，价层电子构型：3d54s1 （3，2，-2，1/2）（3，2，-1，1/2）（3，2，0，1/2）（3，2，1，1/2）（3，2，2，1/2）（4，0，0，1/2）用轨道式来描述价层电子构型上的电子。3d5 4s1 页码页码 67 Mendeleevs periodic law(1869)The elements if arranged according to their atomic weights,show a distinc
38、t periodicity of their properties.原子电子层结构与元素周期表l1869年前后，俄国化学家门捷列夫发现元素的性质随它们的相对原子量呈周期性变化l元素性质呈周期性的内在原因l当原子的核电荷依次增大时，原子的最外层经常重复着同样的电子构型。因此由于原子结构的周期性变化，使得元素的性质亦发生周期性的变化。页码页码 68阅读教材后面的元素周期表，归纳原子电子层结构与周期表的关系1.元素在周期表所处的周期数 2.各周期中元素的数目3.原子的电子层结构与族的划分4.原子的电子层结构与元素的分区 页码页码 69阅读教材后面的元素周期表，归纳原子电子层结构与周期表的关系1.元素
39、在周期表所处的周期数 例，19K：Ar4s1，位于第四周期 最大主量子数 n=4，共有4个能级组，最大能级组序号为4。=该元素的电子层数=最外电子层的主量子数=原子的能级组数 页码页码 702.各周期中元素的数目 周 期能级组能级组中的原子轨道元素数目一（特短周期）11s2二（短周期）22s2p8三（短周期）33s3p8四（长周期）44s3d4p18五（长周期）55s4d5p18六（特长周期）66s4f5d6p32七（不完全周期）77s5f6d（未完）尚未布满=相应能级组中原子轨道所能容纳的电子总数 页码页码 713.原子的电子层结构与族的划分 周期表中每一个列为一族，共有18个族 元素所在的
40、族号=元素外围电子数的总和 （He、镧系、锕系元素除外）短周期p区元素因无(n-1)d电子，故应加10 页码页码 724.原子的电子层结构与元素的分区 区外围电子构型最后电子填入的亚层包括的元素（族）sns1-2ns1,2pns1-2np1-6或(n 1)d10ns1-2np1-6np1318d(n 1)d1-10ns1-2(n-1)d312f(n 2)f0-14(n 1)d0-2ns2(n-2)f镧系元素锕系元素 页码页码 73 元素外围电子构型周期族区11Na40Zr29Cu51Sb18Ar问题？页码页码 74 元素外围电子构型周期族区11Na3s1三1s40Zr4d25s2五4d29Cu
41、3d104s1四11d51Sb4d105s25p3五15p18Ar3s23p6三18p例题 页码页码 75元素周期表 LrRaFr7RnAtPoBiPbTlHgAuPtIrOsReWTaHfLuBaCs6XeITeSbSnInCdAgPdRhRuTcMoNbZrYSrRb5KrBrSeAsGeGaZnCuNiCoFeMnCrVTiScCaK4ArClSPSiAlMgNa3NeFONCB 3 4 5 6 7 (8 9 10)11 12 B BB B B (B)B BBeLi2He 2 13 14 15 16 17 A A A A A AH1 1（s区）（d区）（p区）18A A族周期f区NoMd
42、FmEsCfBkCmAmPuNpUPaThAc锕系(Lr)YbTmErHoDyTbGdEuSmPmNdPrCeLa镧系(Lu)页码页码 76你要熟练掌握IUPAC 推荐的族号系统，但不能对传统系统完全陌生！Groups(or families):vertical columns in the periodic table.本教材采用本教材采用IUPAC推荐的族编号系统推荐的族编号系统,自左至右依次编为第自左至右依次编为第1至第至第18族族.国际化学界不满意传统的编号系统国际化学界不满意传统的编号系统,但对但对IUPAC推荐的系统也存在争论推荐的系统也存在争论.对主族元素对主族元素,本书同时保留
43、了用罗马数字编号的传统方法本书同时保留了用罗马数字编号的传统方法.IUPAC 是是 the International Union of Pure and Applied Chemistry (国际国际 纯粹化学与应用化学联合会）纯粹化学与应用化学联合会）的英语缩写的英语缩写.它负责推荐全世界统一使用它负责推荐全世界统一使用 的化学术语的化学术语,化学符号化学符号,单位和正、负号使用习惯单位和正、负号使用习惯.为了规范无机物和周为了规范无机物和周 期表术语的用法期表术语的用法,IUPAC编辑了一本名为编辑了一本名为“Nomenclature of Inorganic Chemistry”的出版
44、物的出版物.该出版物的封面为红色该出版物的封面为红色,化学界口语将其称之为化学界口语将其称之为 “Red Book”.页码页码 77元素基本性质的周期性l原子半径l电离能l电子亲和能l电负性 页码页码 78 适用金属元素 固体中测定两个最邻近原子的核间距一半 适用非金属元素 测定单质分子中两个相邻原子的核间距一半金属半径(metallic radius)共价半径(covalent radius)原子半径 页码页码 79 页码页码 80 原子半径越大，核对外层电子的吸引力越小，电子越容易失去，元素的金属性越强。原子半径越小，核对外层电子的吸引力越大，电子越难失去，元素的非金属性越强。原子半径周期
45、性规律 页码页码 81 例如：Mg（g）-eMg+（g）I1=738kJmol-1 Mg+（g）-e Mg2+（g）I2=1451kJmol-1 Mg2+（g）-e Mg3+（g）I3=7731kJmol-1电离能l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l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l各级电离能符号分别用I1、I2、I3 等表示,它们的数值关系为I1I2I3.这种关系不难理解,因为从正离子离出电子比从电中性原子离出电子难得多,而且离子电荷越高越困难 页码页码 82l电离能越大，原子越难失去电子l电离能越小，原子越容易失去电子
46、l决定电离能大小的因素：l原子半径l原子结构电离能可衡量原子失去电子的能力 页码页码 83表表1 1-8 8 元元素素的的第第一一电电离离能能/(k kJ J.m mo ol l-1 1)H1312Li520Na496K419Rb403Cs376FrBe899Mg738Ca590Sr550Ba503Ra509LrLu523Y616Se631Hf675Zr660Ti658V650Nb664Ta761Cr623Mo685W770Re760Tc702Mn717Rn1041Xe1170He2372Ne2081Ar1521Kr1351F1631Cl1251Br1140I1008AtFe759Ru711O
47、s839O1314S1000Se941Te869Po812Co758Rh720Ir878Ni737Pd805Pt868Cu745Ag804Au890Zn906Cd868Hg1007B801Al578Ga579In558Tl589C1086Si786Ge762Sn709Pb716Bi703Sb834As947N1402P1012 页码页码 84同族总趋势：自上至下减小,与原子半径增大的趋势一致同周期总趋势：自左至右增大,与原子半径减小的趋势一致 页码页码 85s区和p区元素：同周期从左到右，原子的电离能逐渐增大。同一族从上到下，原子的电离能逐渐减少。d区元素：同周期从左到右，原子的电离能略有增大
48、。同族从上到下，原子的电离能呈增大的趋势。但是，d区元素的变化规律不很明显。页码页码 86 各周期中稀有气体原子的电离能最高各周期中稀有气体原子的电离能最高.第第 2 族元素族元素 Be 和和 Mg，第，第15 族元素族元素N和和P，第，第12族元素族元素Zn、Cd 和和 Hg 在电离能曲线上出现的小高峰在电离能曲线上出现的小高峰.能从亚层全满、半满结构的相对稳定性说明下述事实吗？问题?页码页码 87例如例如，O-(g)+e-=O2-(g)A2=-780 kJ.mol-1 电子亲和能是气态原子获得一个电子过程中能量变化的一种量度 与电离能相反,电子亲和能表达原子得电子难易的程度 元素的电子亲和
49、能越大,原子获取电子的能力越强,即非金属性越强.电子亲和能l电子亲和能是指一个气态原子得到一个电子形成负离子时放出或吸收的能量,常以符号EA表示.像电离能一样,电子亲和能也有第一、第二、之分 l元素第一电子亲和能的正值表示放出能量,负值表示吸收能量。学过“化学热力学初步”一章后您会发现,这里对正、负号的规定与热化学的规定恰好相反!页码页码 88表表1 1-9 9 元元素素的的电电子子亲亲和和能能/(k kJ J.m mo ol l-1 1)H72.375Li 59.83Na 53.075K 48.25Rb 47.285Cs 45.355Fr(44.39)Be(-241.25)Mg(-231.6
50、)Ca(-156.33)Sr(-119.66)Ba(-52.11)Cu 123.52Ag 125.45Au 222.915B 23.16Al 44.39Ga 35.705In 33.775Tl 48.25Pb 101.325Sn 120.625Ge 115.8Si 119.66C 122.555Rn(-40.53)Xe(-40.53)Kr(-38.6)Ar(-34.74)Ne(-28.95)He(-21.23)Bi 101.325Sb 101.325As 77.2P 74.305N 0.0O 141.855S 200.72Se 194.93Te 190.105Po(173.7)F 322.31
