1、第五章 原子结构与元素周期性 恩格斯指出：化学是关于原子运动的科学。原子核外电子层的结构和电子运动的规律是化学领域要研究的重要问题之一。研究方法 简单简单 复杂复杂 （氢原子）（多电子原子）现象现象 本质本质 （氢光谱）（氢原子结构）（其他原子结构）5.1 氢原子结构氢原子结构 5.2 多电子原子结构多电子原子结构 5.3 元素周期律元素周期律本章主要内容：本章主要内容：学习物质结构的基础知识，要特别注意：1.讨论微观结构的基本思路；2.得出的重要结论；3.结论的应用。5.1 氢原子结构一、氢原子光谱氢原子光谱特征氢原子光谱特征:不连续的不连续的,线状的线状的.H（红光）H（绿光）H （蓝光）
2、H （紫光)有规律有规律 n=3,4,5,612215s)121(10289.3nv 1913年，丹麦青年物理学家玻尔（Bohr）,在前人工作的基础上，大胆突破传统，提出了氢原子核外电子运动的新模式玻尔氢原子模型，成功地解释了氢原子的光谱。激发态的氢原子为什么会发光呢？激发态的氢原子为什么会发光呢？二、Bohr的氢原子模型1、定态轨道的概念电子在以原子核为中心，某些能量和半径确定的圆形轨道上运动。轨道的能量不随时间而改变-定态轨道。定态1定态2定态3 2、轨道能级的概念 不同的轨道有不同的能量能级 通常保持能量最低状态基态（n=1）获得能量受激发激发态（n=2,3,4）n=1 E1=-2.17
3、9 x10-18J n=2 E2=-5.45 x10-19J n=3 E3=-2.42 x10-19J .轨道能级是量子化的激发态(n=2,3,4)基态（n=1）3、激发态原子发光的原因电子从激发态回到基态要释放能量光能.h =E高-E低 E：轨道能量 =h：planck 常数 6.626 x 10-34J.S ：光的频率E高-E低 h 当电子从n=3回到n=2时 =（E3-E2）/h -2.42x10-19J-(-5.45x10-19 J）6.626 x 10-34 =4.57x1014 S-1 =c/=3x108/4.57x1014=656.5x109m =656.5nm H（红光）=同理
4、可计算：电子从 n=4 n=2 H（绿光）n=5 n=2 H （蓝光）n=6 n=2 H （紫光）Bohr理论成功的解释了激发态氢原子为何会发光，而且是不连续的线状光谱。直至今天他提出的轨道能级的概念仍然是有用的。=486.1nm=434nm=410.2nm Bohr理论的局限性：只能解释单电子原子的 光谱现象，不能解释 多 电子原子光谱。原因：在牛顿经典力学基础上，加上一点量子化的概念。微观粒子根本不遵守经典力学的运动规律。20世纪世纪20年代量子力学原子模型诞生！年代量子力学原子模型诞生！三、微观粒子及其运动特征 1、波粒二象性1924年：Louis de Broglie认为：质量为 m,
5、运动速度为v 的粒子,相应的波长为：=h/mv电子衍射环纹示意图 2.测不准原理 1927年，德国物理学家海森堡提出：xp h/2 x：粒子位置的不准量 p：动量的不准量 此式表明，要同时测准一个微观粒子的位置和动量是不可能的 3、微观粒子的几率分布规律 微观粒子的运动没有固定途径。用统计学的方法可知它在某一区域出现的几率有多大。基态氢原子：离核越近，几率密度越大；离核越远，几率密度越小。四、Schrdinger方程简介空间直角坐标常数质量势能总能量波函数:,Planck:822222222zyxhmVEVEhmzyx Schrdinger方程的解：波函数波函数（x,y,z）对应的对应的能量能
6、量E=-2.179x10-18Jn2 其中（x,y,z）是描述核外电子在空间运动的数学函数式。此函数和只有在给定一组合理参数（n,l,m）时才有确定的意义。它表示的是一种特定的原子轨道 E是轨道对应的能量。薛定谔方程的物理意义：方程的每个合理的解，就是表示电子运动的某一稳定状态。与这个解相应的常数E就是电子在这一稳定态下的总能量。要得到这个方程的合理解就必须引入三个量子数。例如：当 n=1 l=0 m=0 时意义：意义：氢原子的基态氢原子的基态:1s 00/30/3041,41,:12:,ararear YearRYrRr角度部分径向部分角度部分作图原子轨道41,Y,1rs是一种球形对称分布注
7、意：原子轨道指电子在此空间范围内出现，不是绕此轨道作圆周运动。+S轨道角度部分：Y 2 电子云图波函数的物理意义：原子轨道的数学表达式 的空间图像是原子轨道的空间图像是原子轨道 2:原子核外电子出现的几率密度 2的空间图像是电子云的空间图像是电子云 原子轨道和电子云是数学函数图形。原子轨道和电子云是数学函数图形。五、量子数 1、主量子数n电子层 n=1 2 3 4 5 6.（正整数）K L M N O P 意义：代表电子层，描述原子轨道能量的高低，是决定电子运动时能量高低的主要因素。n越大，电子离核的平均距离越远，能量越高。氢原子的能级只与n有关：E=-2.179x10-18/n2 J n=1
8、 是氢原子的基态，n=2，3，4激发态 2、副（角）量子数 l电子亚层 同一电子层内还存在着能量差别很小的若干亚层，每一个l值代表一个亚层，它的取值受n的制约。l=0 1 2 3 4.(n-1)轨道 s p d f 形状 球形 哑铃 花瓣 意义：描述亚层原子轨道的形状；在多电子原子中，l与 n一起决定轨道能级。n相同,l越大能级越高。如E2sE2p对于氢原子：E2s=E2p n=1 l=0 1s 1个亚层 n=2 l=0,1 2s,2p 2个亚层 n=3 l=0,1,2 3s,3p,3d 3个 亚层 n=4 l=0,1,2,3 4s,4p,4d,4f 4个亚层 3、磁量子数m确定原子轨道的空间
9、伸展方向 同一亚层内包含若干空间伸展方向不同的原子轨道 m=+l.0.-l （m取值受取值受l的限制）的限制）意义：每取一个值，表示一种空间伸展方向的轨道 一个亚层中m有几个可能的取值，该亚层就有几个空间伸展方向不同的轨道。意义：每取一个值，表示一种空间伸展方向的轨道 一个亚层中m有几个可能的取值，该亚层就有几个空间伸展方向不同的轨道。当三个量子数当三个量子数n,l,mn,l,m确定了确定了,电子运动所在的轨电子运动所在的轨道也就确定了，所以说，波函数道也就确定了，所以说，波函数 n,l,mn,l,m和原子轨和原子轨道是同义词。道是同义词。当当n n2 2，l=0=0时，时，m m的取值只能是
10、的取值只能是m=0m=0，（2,0,0 2,0,0）所表示的原子轨道是所表示的原子轨道是2s2s轨道轨道S S轨道的形状呈球形对称。轨道的形状呈球形对称。+S轨道当当n2，l=1时，时，m的取值可以是的取值可以是-1、0、+1，表示，表示2p亚层有三个不同伸展方向的亚层有三个不同伸展方向的 原子轨道原子轨道:（2,1,02,1,0）；2P2Pz z （2,1,-12,1,-1）；2P2Py y（2,1,12,1,1）；2P2Px x氢原子激发态 n=2,l=1,m=0 2pzn=2,l=1,m=1 2pyn=2,l=1,m=-1 2px思考题1:当n为3时,l,m,分别可以取何值?n=3l=0
11、 1 2m=0 0,+1,-1 0,+1,-1,+2,-2轨道 3 s 3px3py3pz 3dz2，3d x2-y2，3dxy,3d yz,3dxz轨道数 1 3 5简并轨道简并轨道:能量相同的原子轨道。能量相同的原子轨道。l=0 1 2 3 m=0 0,+1,-1 0,+1,-1,0,+1,-1 +2,-2 +2,-2,+3,-3轨道 4 s 4px4py4pz 4dz2 ,4d x2-y2 4f 4dxy,4d yz,4dxz轨道数 1 3 5 7思考题2：当n=4时,l,m,分别可以取何值？轨道的 名称怎样?电子层 1 2 3 4 亚层 s s,p s,p,d s,p,d,f轨道数（n
12、2）1 4 9 16最多容纳电 2 8 18 32子数（2n2）思考题3:n=2,l=2 ,m=-1 n=3,l=0,m=+1 是合理的量子数吗？n,l,m相互制约，取值要合理 1925年，荷兰莱顿大学的二个研究生发现，每个轨年，荷兰莱顿大学的二个研究生发现，每个轨道最多可容纳道最多可容纳2个电子，它们的运动状态不完全相个电子，它们的运动状态不完全相同，为表示区别引入第四个量子数同，为表示区别引入第四个量子数 4、自旋量子数ms ：表示顺、逆时针自旋取值范围取值范围：+，-1221通常用符号“”或“”表示 注意：并非真正意义上的自旋，而是区别两种不同的自旋状态，是一种简化了的直观想象。量子力学
13、模型就是用四个量子数来描述核外每一个电子的运动状态的：(n=2 ,l=1,m=+1 ,ms=+1/2)(n=2,l=1,m=+1,ms=-1/2)表示在2px轨道上的两个电子分别以顺、逆时针自旋。同一原子中，不可能有四个量子数完全相同的电子存在 1.n=?,l=2,m=0 ,ms=+1/2 2.n=2 ,l=?,m=-1 ,ms=+1/2 3.n=4 ,l=2,m=0,ms=?4.n=2 ,l=0,m=?,ms=+1/2 小结：1、氢原子核外电子层的结构：电子层，亚层，不同伸展方向的轨道 2、氢原子核外电子的运动状态：用四个量子数描述 基态：1s 激发态：2s,2p,3s,3p,3d,4s,4
14、p,4d,4f.量子力学模型，克服了玻尔理论的缺陷，不仅能解释氢原子结构，其结论还可用于多电子原子结构。5.2 多电子原子结构一、多电子原子轨道能级轨道: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;多电子原子轨道能量的相对高低，可用光谱实验测定，也可用理论推算 n相同，相同，l不同，不同，l越大，能量越高；越大，能量越高；例如：例如：E3sE3d n不同，不同，l相同，相同，n越大，能量越高；越大，能量越高；例如：例如：E2pE3p n,l不同：不同：n+0.7 l 例如：例如：E4sE3d同一电子亚层内，各原
15、子轨道能量相同（简并或等同一电子亚层内，各原子轨道能量相同（简并或等价轨道）价轨道）Pauling近似能级图近似能级图每个方框内的轨道为一能级组，每个方框内的轨道为一能级组，同一能级组的轨道能量相近同一能级组的轨道能量相近 轨道能级顺序：注意能级交错现象 E1sE2sE2pE3sE3pE4sE3dE4p E5sE4dE5p二、基态原子核外电子排布1:电子排布遵守三个原则(1)最低能量原理最低能量原理 电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道上上,使整个原子系统能量最使整个原子系统能量最 低。低。(2)Pauli不相容原理不相容原理 每个原子轨道中最多容纳两个自旋
16、方式相反每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式相反的电子。的电子。(3)Hund 规则规则在在简并简并轨道上轨道上 分布的电子分布的电子,将尽可能分占将尽可能分占不同的轨道不同的轨道,且自旋相同。这样系统能且自旋相同。这样系统能量最低。量最低。2：基态原子外层电子填充顺序 按Pauling能级图，由低到高 规律：ns （n-2）f （n-1）d np 练习1：写出 7N的轨道表示式和26Fe的电子排布式 练习2：分别写出24Cr 和 29Cu的电子排布式Hund特例：19种元素稍有例外当轨道处于全满当轨道处于全满,半满半满.全空时全空时,原子较稳原子较稳定定14s3dAr 4s3d3p3s2p2s
17、1s:Cr245156262214s3dAr 4s3d3p3s2p2s1s:Cu291011062622 三、价电子电离的顺序 价电子：反应中得失的电子 价电子层：价电子所在的亚层 价层电子：价电子层上的电子 价电子电离的顺序：E高者先失去高者先失去 np ns (n-1)d (n-2)f练习：写出练习：写出Cr3+、Cu2+的电子排布式的电子排布式 E高者先失去高者先失去 np ns (n-1)d (n-2)f练习：写出练习：写出Cr3+、Cu2+的电子排布式的电子排布式 Cr3+：Ar 3d3 4s0 Cu2+：Ar 3d9 4s0 注意：注意：大大 多数元素的电子层结构都是满足核外电多数
18、元素的电子层结构都是满足核外电子排布的三个原则的，只有少数例外。如子排布的三个原则的，只有少数例外。如41Nb、44Ru、45Rh、46Pd、78Pt以及一些镧系和锕系元素，以及一些镧系和锕系元素，这些元素的电子层结构式是由光谱实验得出的，这些元素的电子层结构式是由光谱实验得出的，理论推导与实验结果不一致时，以实验为准。理论推导与实验结果不一致时，以实验为准。5.3 元素周期律元素周期律一、元素周期系和一、元素周期系和 核外电子分布的关系核外电子分布的关系二、元素性质的周期性二、元素性质的周期性原子的电子层结构和元素周期系各周期的元素数目周期 元 素数目相应能级组中原子轨道电 子 最 大容量1
19、21S2282S 2P8383S 3P84184S 3d 4P185185S 4d 5P186326S 4f 5d 6P32723（未完）7S 5f 6d（未完）未满一、元素周期系与核外电子分布的关系一、元素周期系与核外电子分布的关系 1、周期：每一横行 七个（3短，2长，2超长）周期号数=电子层数 各周期元素个数=相应能级组容纳电子总数 2、族：每一竖列 主族主族(A)：最后填入的电子：ns或或np 副族副族(B)：最后填入的电子:(n-1)d或或(n-2)f（1）主族：八个（A VII A；零族）族号数族号数=最外层电子数最外层电子数 A、IIA：ns12 金属（除氢）IIAVIIA：ns
20、2 np 15 金属和非金属（22种）零族：惰性气体 如13Al:1s22s22p63s23p1 IIIA 结构特征结构特征 B,IIB (n-1)d10 ns12（2）副族副族：IIB VIIB (n-1)d15 ns2 第第VII族（族（3列）列）(n-1)d ns无规律无规律 族号数族号数：ns电子数电子数 （B,IIB）ns+(n-1)d电子数（电子数（IIB VIIB）副族元素又叫过渡元素，都是金属副族元素又叫过渡元素，都是金属 如如:25Mn:Ar3d54s2 VIIB 30Zn:Ar3d104s2 IIB 3、区、区 划分为划分为5个区个区 s区：区：A、IIA ns12 金属（
21、除氢）金属（除氢）p区：区：IIAVIIA,零族零族 ns2np16 非金属和金属非金属和金属 d区：区：IIB VIIB、第、第VII族族 (n-1)d19 ns12 ds区：区：B,IIB (n-1)d10 ns12 f区：第六周期，区：第六周期，IIB La系系 一般一般 第七周期，第七周期，IIB Ac系系 (n-3)f 014过渡金属 要求：要求：原子序数原子序数 电子排布式电子排布式 位置位置 练习1：某原子Z=35 ，写出核外电子排布式、所在周期、族、区，是金属还是非金属？Z=35 Ar3d104s24p5 第四周期第四周期 VIIA p区区 非金属非金属 练习练习2：某元素为第
22、五周期：某元素为第五周期IIB族，写出核族，写出核外电子排布式；外电子排布式；Z=?区？金属还是非金属？区？金属还是非金属？1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s2 Z=48(Cd)ds区区 金属金属二二 元素性质的周期性元素性质的周期性1、原子半径原子半径(1)共价半径 (2)金属半径 (3)van der Waals 半径 主族元素：r 减小 过渡元素：r 缓慢减小 镧系收缩 ：从左到右r减小的幅度更小（r接近）r 增大 r 略有增大2、电离能电离能 衡量元素金属性的尺度衡量元素金属性的尺度E(g)=E+(g)+e-I 1E+(g)=E 2+(g)+e-I 2 一般
23、 I 10 极性键极性键 如如:HCl电负性变化5、元素的氧化数、元素的氧化数氧化数：形成化合物时，价电子得失的氧化数：形成化合物时，价电子得失的 数目数目 主族：失最外层电子，主族：失最外层电子，最高氧化值等于所最高氧化值等于所 在在 族数族数副族：除失最外层电子外，与其能量接近的副族：除失最外层电子外，与其能量接近的次外层电子也可失去次外层电子也可失去 氧化数均为正值，大多有可变的氧化值。氧化数均为正值，大多有可变的氧化值。6.金属性和非金属性 递变规律本章基本要求本章基本要求 1、了解氢原子光谱和能级的概念、了解氢原子光谱和能级的概念 2、了解波函数、原子轨道、电子云等概念。、了解波函数
24、、原子轨道、电子云等概念。熟悉四个量子数的名称、符号、取值和意义；熟悉四个量子数的名称、符号、取值和意义；熟悉熟悉s,p,d原子轨道与电子云的形状和空间的伸原子轨道与电子云的形状和空间的伸展方向。展方向。3、掌握多电子原子轨道近似能级图和核外电、掌握多电子原子轨道近似能级图和核外电子排布的规律；能熟练写出常见元素原子的核子排布的规律；能熟练写出常见元素原子的核外电子排布，并能确定它们在周期表中的位置。外电子排布，并能确定它们在周期表中的位置。4、掌握周期表中元素的分区、结构特征；熟、掌握周期表中元素的分区、结构特征；熟悉原子半径、电离能、电子亲和能和电负性的悉原子半径、电离能、电子亲和能和电负性的变化规律。变化规律。
