1、第六章 原子结构与周期系内容1量子力学的提出； 2原子中电子运动状态的描述；3氢原子波函数和电子云图；4量子数n、l、m的物理意义； 5多电子原子结构和元素周期表。知识点与考核点1 微观粒子的波粒二象性微观粒子（电子、原子、分子等静止质量不为零的实物粒子）集波动性（概率波）与粒子性为一体的特性。2 概率波微观粒子在空间某处出现的可能性，具有统计意义，不是物理学中的经典波，而是波强与微粒出现概率成正比的概率波。3 粒子运动状态的描述宏观物体的运动状态可以同时用准确的坐标和动量来描述；但是对微观粒子（例如电子）却不能同时准确地确定坐标和动量。量子力学对微观粒子的运动状态是用描述概率波的波函数来描述
2、的。4 波函数描述概率波的波函数。一个是描述微观粒子一种状态的某种数学函数式。通过解薛定谔方程可以得到波函数的具体形式。氢原子定态的薛定谔方程为 m是电子的质量，x、y、z是电子的坐标，V是势能，E是总能量，h是普朗克常数，是波函数。 5 主量子数（n）它决定轨道的能量，可反映电子在原子核外空间出现区域离原子核平均距离的量子数。 n = 0， 1， 2， 3， 4， 5 6 光谱学符号为K， L， M， N， O， P， Q。n相同则处于同一电子层。6 角量子数（l）决定电子运动角动量的量子数，也决定电子在空间角度分布的情况，与电子云的形状密切相关，多电子体系中l和能量有关。l可取值为：0，1
3、，2，3，（n1）。当n一定时，共有n个l数值。例如当n=3时，l可取0，1，2（三个数值）。n、l相同时的电子归为同一亚层。例如5个3d轨道（n=3，l=2）属于同一d亚层。与l取值对应的符号及轨道形状如下：角量子数（l） 0， 1， 2， 3，（n1）光谱学符号 s， p， d， f 轨道形状 球型， 哑铃型， 花瓣型7 磁量子数（m）表示角动量在磁场方向的分量。l相同而m不同时，电子云在空间的取向不同。L一定时，m可取的值为：0，1，2，3，l，共（2l+1）个数值，例如，当l=2时，m可取0，1，2五个数值。这也表示d轨道有五个不同的伸展方向。8 自旋量子数（mS）描述原子轨道中电子的
4、自旋状态的量子数，取值只有两个：和。9 概率密度（|2）电子在核外空间某处单位微体积内出现的概率。10电子云电子云是概率密度的形象化描述。用黑点 图61 1s，2s轨道的电子云截面图的疏密表示空间各点的概率密度的大小，黑点密集处，|2大；反之|2小，图61为1s，2s轨道的电子云图。 11波函数角度分布图波函数（原子轨道）的角度部分的图形。该图的作法原则是在球面坐标中，以原子核为坐标原点，在每一个由 确定的方向上引一直线，使其长度等于Y的绝对值。所有不同方向的直线Y的端点在空间构成一曲面，即为波函数的角度分布图(图62所示的是的截面图)。Yl , m()只与l、m有关，与n无关。 图62 角度
5、分布图m决定其在空间的伸展方向。其中有些图形在直角坐标的某方向上有极大值 （ 见下图的）。由于波函数角度分布函数式是与某种三角函数式相关，而三角函数式在直角坐标系的不同象限有正、负之分，所以做出的图形也有正、负之分,此正负号只表示数值的正负 。 图63 s、p轨道波函数角度分布图由于 没有明确的物理意义，所以 的角度分布函数图也没有明确的物理意义，它表示随角度的变化情况。s、p轨道波函数角度分布图如图63所示。12电子云角度分布图电子云|2的角度部分Y 2 ()的图形。 （1）与波函数角度分布图的区别：Y 2 ()图较Y ()“瘦一些”， 图形中没有正负号 （ 因Y 2 ()）均为正值。（2）
6、电子云角度分布图的意义：表示电子 图64 s、p轨道电子云角度分布图在空间不同方向上概率密度的大小和变化情况。图64给出了s轨道和p轨道电子云的角度分布图。13屏蔽效应 在多电子原子中，将其它电子对指定电子的作用归结为抵消一部分核电荷的吸引作用的效应。14钻穿效应外层电子“钻入”内层，出现在离核较近的地方的现象。15核外电子分布规律（1）保利不相容原理：一个原子中不能同时有两个或两个以上四个量子数完全相同的电子。 （2）能量最低原理：多电子原子中，电子尽先占据能量最低的轨道。见图65。（3）洪特规则。 n、l相同时，电子尽先分占不同的轨道，而且自旋平行。例如：第7号元素氮的核外电子排布式为 1
7、s22s22p3 （2px12py12pz1） 电子排布处于全充满、半充满或全空状态时，原子体系具有较低的能量。 图65 原子中电子排布顺序图多电子原子中的电子排布顺序如图65所示。例如：24号元素铬(Cr)的核外电子排布式为：1s22s22p63s23p63d 54s129号元素铜(Cu)的核外电子排布式为：1s22s22p63s23p63d 104s1例题：写出第80号元素汞（Hg）的核外电子排布式。解：80号元素核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d 104s24p64d104f145s25p65d106s216基态与激发态原子电子按核外电子分布三原则排布时，其原子处于基态，
8、而电子处于较高能量轨道时，原子处于激发态。例如：第6号元素碳的基态原子电子排布式为：1s22s22p2；而1s22s12p3则是该元素的一种激发态。17外层电子主族元素的外层电子是指其最外层电子； 副族元素的外层电子一般是指最外层电子加次外层d 电子；镧系、锕系的还要考虑外数第三层的f 电子。18周期表的分区根据各元素原子外层电子构型的特点，将周期表分为五个区，每个区的名称、范围和外层电子构型为s 区：A，A， ns12；p 区：A，族， ns2np16；d 区：，族，(n1)d 1ns（有例外）；ds 区：B，B， （n 1）d10 s12；f 区：镧系、锕系，（2）f ns1 2（有例外）
9、19原子半径晶体（或分子）中的两个原子核间距的（1/2）。共价半径：某元素的两个原子以共价单键结合时，核间距的一半；金属半径：金属晶体中相邻金属原子核间距的一半；范德华半径：两个原子只靠分子间力互相吸引时，核间距的一半。20第一电离能使基态的气态原子失去一个最外层电子时所需要的最低能量。21第一电子亲和能基态的气态原子获得一个电子生成一价气态负离子时所放出的能量。22电负性原子在分子中吸引电子的能力。23镧系收缩镧系元素的原子半径依次更缓慢收缩的积累。其原因是这些元素新增加的电子填入(n 2)f亚层, f电子对外层电子的屏蔽效应更大，外层电子受到核的引力增加的更小，而且镧系元素占据周期表中的一
10、个格位。思考题与习题解答1. 下列说法是否正确？如不正确，请说明原因。 （1） 原子轨道是指原子核外电子出现概率最大的区域。答：不正确。原子轨道是核外电子的一种可能的运动状态，不仅仅是指概率最大的区域。（2）因为波函数有一定的物理意义，因此n、l、m三个量子数的取值有一定限制，只有满足一定关系的取值得到的函数才能描述电子的运动状态。答：正确。（3）因为p轨道是8字形的，所以处于该轨道的电子是沿着8字形的轨道运动。答：错。电子运动没有固定轨迹，只有概率分布的规律，8字型是p轨道的角度分布图形。它只表示原子轨道在不同方向上的概率分布。例如的图形为，它说明轨道在x轴的方向有极大值。 （4）波函数角度
11、分布图中的正负号，是代表所带电荷的正负。答：错。角度分布图中的正负号表示波函数角度部分的数值是正或负。（5）因为第三周期只有8个元素，因此第三电子层最多可容纳8个电子。答：不正确。第三周期只有8个元素，是因为电子填充3s23p6后就进入4s轨道（而不是进入3d轨道），其元素进入第四周期，当第四周期开始之后，电子即使开始进入3d轨道，其元素已经属于第四周期。例如21号元素钪（Sc）的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d 14s2，它位于周期表的第四周期，第B族。（6）所谓镧系收缩是指，镧系元素的原子半径随着原子序数的递增而逐渐减小的现象。答：不确切。镧系收缩是指镧系元素的原子半径随
12、原子序数的递增而更缓慢减小的现象。（7）由于屏蔽效应和钻穿效应等因素的影响，4s轨道的能级总是低于3d的能级。 答：不正确。在某些原子中4s轨道的能量比3d的高（例如46号元素Pd）。 （8）对于多电子原子中的电子，其轨道运动状态仍可用nlm（r）来描述，只是其波函数的具体形式不同，但其波函数的角度部分与氢原子是相同的。答：正确。 （9）电子云密度大的地方，电子出现的概率也大。答：不正确。虽概率与概率密度有关（概率密度为单位体积的概率），但是二者的概念不同。例如，1s原子轨道距核越近，其电子云密度越大，而1s原子轨道的径向分布函数图在玻尔半径（52.9pm）处概率最大。2写出下列各题中缺少的量
13、子数。 （1）n=?，l=2，m=0，mS=+1/2 （2）n=2，l=？，m=1，mS=1/2 （3）n=4，l=3，m=0，mS=？ （4）n=3，l=1，m=？，mS=+1/2答：（1）n3， （2）l=1, （3）ms = +1/2 (1/2)， （4）m=0, (+1, 1)3假设有下列各套量子数，指出哪几种不能存在。 （1）3，3，2，1/2 （2）3，1，1，1/2 （3）2，2，2，2 （4）1，0，0，0 （5）2，1，0，1/2 （6）2，0，2，1/2答：仅（2）可以存在， 其它均不能存在。4在下列电子构型中，哪一种属于基态？哪一种属于激发态？哪一种纯属错误构型？ （1）
14、1s22s22p7 （2） 1s22s22p63s23d1 （3） 1s22s22p63s23p1 （4） 1s22s22p53s1答：（1）纯属错误构型； （2）和（4）为激发态； （3）为基态。 5下列各元素原子的电子分布式写成下面形式，各自违背了什么原理，并写出改正的电子分布式（假设它们都处于基态）。 （1）硼（1s）2（2s）3 （2）氮（1s）2（2s）2（2pX）2（2py）1 （3）铍（1s）2（2p）2 答：（1）硼(ls)2(2s)3，违背保里不相容原理，应为(ls)2(2s)2(2p)1（2）违背洪特规则，应为(ls)2(2s)2(2px)1(2py)1(2pz)1（3）违
15、背能量最低原理，应为(ls)2(2s)26已知某元素在氪前，当此元素的原子失去3个电子后，它的角量子数为2的轨道内电子恰巧为半充满，试推断该元素的名称。答：角量子数为2对应的是d轨道，半充满时有5个电子，该元素3价离子的核外电子排布式为 1s22s22p63s2 3p6 3d5 ，可推断该元素是第26号元素 Fe 1s22s22p6 3s2 3p6 3d6 4s2 。7试讨论Se、Sb和Te三元素在下列性质方面的递变规律： （1）金属性； （2）电负性； （3）原子半径； （4）第一电离能。答：由元素在周期表中的相对位置可以推断：（1）金属性Sb Te Se； （2）电负性Se Te Sb；（
16、3）原子半径Sb Te Se； （4）第一电离能SeTeSb。8设有元素A、B、C、D、E、G、L和M，试按下列所给予的条件，推断出它们的符号及在周期表中的位置（周期、族），并写出它们的外层电子构型。 （1）A、B、C为同一周期的金属元素，已知C有三个电子层，它们的原子半径在所属周期中为最大，且A B C； （2）D、E为非金属元素，与氢化合生成HD和HE，在室温时D的单质为液态，E的单质为固体； （3）G是所有元素中电负性最大的元素； （4）L单质在常温下是气态，性质很稳定，是除氢以外最轻的气体； （5）M为金属元素，它有四个电子层，它的最高化合价与氯的最高化合价相同。答：（1）有三个电子层
17、，半径最大是第三周期的前三个元素，A： Na，IA族,3s1； B：Mg, IIA族, 3s2； C： Al, IIIA族, 3s23p1；（2）由题意分析，D和E为VIIA元素， D室温液态为Br, 第三周期，VIIA族, 3s23p5；而E室温固态为碘（I）, 第四周期,VIIA族,4s24p5。（3）G：电负性最大是氟（F）, 第二周, VIIA族, 2s22p5。（4）L：He, 第一周期, 零族, 1s2。（5）M：金属，第四周期，可显七价，只有锰（Mn）, VIIB族, 3d54s2。9填充下表元素外层电子构型未成对电子数周期族区金属或非金属甲乙丙3d14s23三三VIIA元素外层
18、电子构型未成对电子数周期族区金属或非金属甲乙丙3d14s23s23p53s23p3113四三三IIIBVIIAVAdpp金属非金属非金属10今有A、B、C、D四种原子，已知 （1）它们最外层电子数相应为2、2、1、7； （2）A、B、C、D四元素处于同一周期，此周期的稀有气体最外层电子构型为4s24p6； （3）A、C原子的次外层电子数均为8，B、D原子的次外层电子数均为18。 问：（1）A、B、C、D四元素所处周期？ （2）A、B、C、D四元素所处的族？ （3）A、B、C、D分别是什么元素？ 答：ABCD周期族元素名称四IIACa四IIBZn四IAK四VIIABr11填空题 （1）氧的电离能
19、稍低于氮，这是因为_。（2）副族元素都是金属，这是因为_.。（3）如果氢原子的一个电子处于2Px1/2状态，则该电子处于第_电子层，_亚层，_轨道，其波函数角度分布图为_，电子云角度分布图的图形为_，电子云图的图形为_，该电子离核的平均距离用_图来描述，该电子具有的能量为_，自旋状态用_来描述。答：（1）氮为半充满，氧去掉一个电子达到半充满结构。（2）副族元素的有效核电荷都较小，一般最外层最多只有2个电子。（3）（氢）处于第二电子层，2p亚层，2轨道，波函数角度分布图形为； 电子云角度分布图形为 电子云的图形为 该电子离核的平均距离用径向分布函数D(r)图来描述， 该电子具有的能量为E = = 328 kJmol 1； 自旋状态+1/ 2来描述。
