我国农业大学赵士铎版普通化学4.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,*,普通化学,2001-2004,我国农业大学赵士铎版普通化学4,4 原子结构和周期系,4.1,微观粒子的运动特征,4.1.1 量子化和原子的波尔模型,4.1.2 微观粒子的波粒二象性,4.2,核外电子的运动状态,4.2.1 波函数及量子数,4.2.2 原子轨道和电子云的图像,4.3,多电子原子结构,4.3.1 屏蔽效应和钻穿效应,4.3.2 近似能级图,4.3.3 基态原子核外电子的排布,4.4,原子的电子层结构和元素周期系,4.4.1 周期表的结构,4.4.2 影响元素性质的结构因素,4.4.3 元素性质的周期性变化,4 原子结构和周期系,引 言,构成物质的元素到目前为止共有118种(其中109种有正式名称，6种有代号，另有3种仍无)，而世界上的物质则有几千万之多。所以，正是由于物质结构不同而引起物质所具有的性质的不同。因此，物质的结构理论是化学的基本理论。,要研究化学运动的规律并运用这些规律认识和研究化学世界的千变万化的现象，不仅要种宏观角度去认识物质的变化规律，而且，还要研究原子与原子运动密切相关的原子结构，从微观角度寻找化学变化的本质。,从化学角度看，原子是构成物质世界的基石。不同组合得差异的物质；重新组合使其转变(化学变化)。其实质是核外电子运动状态发生了改变。因此，原子结构主要研究原子核外电子运动特性和规律。,4 原子结构和周期系 4.1 微观粒子的运动特征,量子化和原子的玻尔模型,十九世纪末，电子、放射性和X射线等发现后，认识到原子具有较复杂的内部结构。1911年Rutherford E建立了有核原子模型原子核与核外电子组成。,化学变化，原子核不发生改变，只涉及到核外电子运动状态的改变。物质结构与其化学性质紧密相关。因此，原子结构是基础,尤其是原子核外电子的运动状态是关键。,原子的核外电子的排布规律与运动状态的研究及现代原子结构理论的建立，是从对微观粒子的波粒二象性的认识开始的。,4 原子结构和周期系 4.1 微观粒子的运动特征,量子化和原子的玻尔模型,连续光谱和原子光谱(线状光谱),4 原子结构和周期系 4.1 微观粒子的运动特征,量子化和原子的玻尔模型,太阳或白炽灯发出的白光通过棱镜折射分光后，可得到可见光区420700nm所有波长的连续光谱，证明白光为一混合光。,气体原子(或离子)受到激发产生的光线经棱镜折射后，为一系列按一定波长规律排列的独立谱线(属不连续光谱)原子光谱(线状光谱)。任何原子激发后，都可给出原子光谱。不同的原子具有各自不同的特征光谱。,氢原子光谱是最简单的一种原子光谱。在可见光区存在五条明显的谱线。近代的原子结构就是在研究清原子光谱实验的基础上开始建立起来的。,4 原子结构和周期系 4.1 微观粒子的运动特征,量子化和原子的玻尔模型,氢原子光谱4 原子结构和周期系 4.1 微观粒子的运动特征,可见光区(巴尔麦系),656.28nm,486.13nm,434.05nm,410.17;396.93nm,量子化和原子的玻尔模型,可见光区的五条谱线是由Barlmer 在1883年首先发现，称为巴尔麦系，谱线频率符合：(,v,：波数),4 原子结构和周期系 4.1 微观粒子的运动特征,R,H,：里德堡常数(实验值),深入研究后，发现在紫外、红外等区域内都存在谱线，且符合下式(,里德堡公式,)：其中,n,为正整数，且,n,1,n,2,。,R=3.289,10,15,s,-,1,。,n,1,=1紫外(拉曼系);n,1,=2可见(巴尔麦系);n,1,=3近红外(派兴系);,n,1,=4中红外(布拉开特系);n,1,=5远红外(芬特系),量子化和原子的玻尔模型,量子化,(原子光谱波长或频率的改变是跳跃式的非连续变化),微观世界的某些物理量不能连续变化，而只能以某一最小单位的整数倍发生变化的现象,玻尔氢原子模型,(1913,年提出,),在普朗克量子论,0,=,hv,;=,n,0,=,nhv,。,能量子概念,爱因斯坦光子说,E=,hv,。,光量子概念,卢瑟福原子模型的基础上提出的。,原子中的电子只能沿着某些,特定的、以原子核为中心的圆,形轨道运动，其能量状态不随,时间改变，称为,定态,。,能量最,低的定态叫,基态,，能量较高时,叫,激发态,4 原子结构和周期系 4.1 微观粒子的运动特征,量子化和原子的玻尔模型,4 原子结构和周期系 4.1 微观粒子的运动特征,电子在不同的轨道运动时，电子的能量就不同，且能量是不连续的(即量子化的)，这些不连续的能量值称为,能级,在正常状态下，电子总是尽可能处于能量最低的轨道(基态)上。,电子受激发获得能量就会到较高的轨道(激发态)上，称为,跃迁,。,激发态是极不稳定的，较高能级的电子随时都可能回到低能级轨道上，并释放出多余的能量（,E,=,E,高,-,E,低,），而发射的光的频率就决定于这个能量（,hv,=,E,）。,h,=6.62610,-,34,Js,量子化和原子的玻尔模型,玻尔理论的三点基本假设：,定态轨道：电子在原子内进行核外运动时，只能在符合一定条件的特定的(有确定半径和能量的)圆形轨道上运动，其运动的角动量（M）必须满足下式：,4 原子结构和周期系 4.1 微观粒子的运动特征,v,:电子运动速度;,r,:轨道半径;n:正整数,m,:电子质量9.1,10,-,28,g;,h,:普朗克常数6.62610,-,34,Js,这些特定的圆形轨道都具有各自确定的能量，并且其能量状态不随时间的改变而变化。电子在这些符合量子化条件的轨道上运动时，并不吸收或辐射能量，此时称为电子处于定态。,量子化和原子的玻尔模型,能级：轨道所具有不同的能量状态称为能级。轨道离核愈远，其能量愈高。电子在不同能级的轨道上运动时，所具有的能量不同。,对于氢原子来说：其能量形式符合下式：,4 原子结构和周期系 4.1 微观粒子的运动特征,电子可处于不同的定态。当原子中的电子处在离核最近的轨道时，它们处于最低能量状态，此时称为基态。当原子从外界获得能量，则可跃迁到离核较远的、能量较高的轨道上，这种状态称为激发态。,量子化和原子的玻尔模型,跃迁：只有当电子在两个能量不同的轨道之间跳跃时，原子才能发射或吸收能量，其能量的变化与两轨道间的能量差相关。当电子处于激发态时，可以从高能量状态向低能量状态跃迁，能量差以光辐射形式发射出来。光量子能量的大小取决于两个轨道之间的能量差。,E,=,E,2,-,E,1,hv v,：辐射光的频率,由于轨道是不连续变化的(即轨道能量的量子化)，因此电子跃迁时吸收或发射的能量,E,必然是量子化的，所以，原子光谱为不连续的线状光谱。,4 原子结构和周期系 4.1 微观粒子的运动特征,量子化和原子的玻尔模型,4 原子结构和周期系 4.1 微观粒子的运动特征,量子化和原子的玻尔模型,根据玻尔假设，可推导得到氢原子的各级轨道半径和能量。（代入量子化条件）,半径的推导是：离心力=库仑引力；,能量的推导是根据势能和动能之和。,4 原子结构和周期系 4.1 微观粒子的运动特征,玻尔理论的成功点：引入了量子化条件，得到了能级、主量子数等重要的原子结构概念。,量子力学理论建立在微观粒子的量子性和运动规律的统计性这两个基本特征上的。,微观粒子的波粒二象性,光的本性,既有波动性又具有微粒性,波粒二象性,波动性：干涉、衍射，,0,=,h v,；,粒子性：光电效应，,0,=,m c,2,。,光子具有的动量,p,：光子的动量（代表光的粒子性）；,：光子的波长（代表光的波动性）。,4 原子结构和周期系 4.1 微观粒子的运动特征,微观粒子的波粒二象性,德布罗依的预言,表征波动性的波长和表征粒子性的动量之间存在如下关系：,4 原子结构和周期系 4.1 微观粒子的运动特征,这种实物粒子的波称为德布罗依波(又称物质波或实物波),例如一个电子,m,=9.1110,-,11,g,=6,10,5,m.s,-,1,按德布洛依关系此电子的波长,=1.21nm,波长与物质的质量成反比。,微观粒子的波粒二象性,单位体积,内电子,出现几率,（概率）的大小称为,几率密度,。空间任何一点电子波的强度和电子在该处出现的几率密度成正比。,海森堡测不准原理:,x,p,h,p=m,v,；,微观粒子运动的两个基本特征：,量子化,和,波粒二象性,电子衍射实验,1927,年应用,Ni,晶体进行,的,电子衍射实验,说明,波粒二象性在微观世界中具有普遍意义,。,实物粒子的波动性是大量微粒行为（或少量粒子的极多次行为）所表现出来的,统计性的结果,。,4 原子结构和周期系 4.1 微观粒子的运动特征,微观粒子的波粒二象性,例：,质量为,m,=10g的子弹运动，其位置能准确地测定到,x,=0.01cm，求,v,解：,4 原子结构和周期系 4.1 微观粒子的运动特征,例：电子的,质量为,m,=9.11,10,-,28,g，原子的直径为10,-,8,cm，因此，电子位置的合理准确度至少需要精确到,x,=10,-,9,cm。求,v,解：,波函数及量子数,波函数和原子轨道,薛定谔方程,4 原子结构和周期系 4.2 核外电子的运动状态,解此方程可得：,描述电子运动状态的数学函数式,波函数,对应的能量,E,每一个波函数都描述着电子的一种可能运动状态,“,原子轨道,”,波函数,(,x.y.z,),中自然引入三个常数项n,、,l,、,m,，,称为,量子数,。,n,、,l,、,m,均有确定的值时，波函数才能表示电子运动的某一确定状态。,波函数,是量子力学中描述核外电子在空间运动状态的数学表达式，是空间坐标的函数。只有当,山的量子数,n,l,m,均有确定值时，波函数,n,l,m,(,r,)才能表示核外电子运动的某一稳定状态。,原子轨道(原子轨函)：量子力学借用经典力学中的轨道名词。表示波函数,的空间图像,即所谓的原子轨道,(,函,),。,如果说电子在某个原子轨道上运动，也就是说其运动状态可以用相应的波函数,n,l,m,(,r,)来描述。,所以，,原子轨道,和,波函数,是同义词。其一旦确定，则能量,E,以及在空间各处出现的几率等性质也就随之而定。,4 原子结构和周期系 4.2 核外电子的运动状态,波函数及量子数,波函数及量子数,薛定谔方程的来源,1926年薛定谔根据微观离子波粒二象性的概念运用德布罗依关系式，联系光的波动方程提出了电子的波动方程式。一般微粒的大小是有限的，因此相应的电子波也就局限在一定的空间。与经典力学中的驻波（具有端点的谐振波）类似。对于三维空间，相应的驻波方程为：,4 原子结构和周期系 4.2 核外电子的运动状态,波函数及量子数,设微观粒子的总能量,E,是动能,T,和位能,V,之和：,4 原子结构和周期系 4.2 核外电子的运动状态,代入前式得：,波函数及量子数,薛定谔方程的合理解必须满足如下三个条件：,应是,x,、,y,、,z,的连续函数，,对,x,、,y,、,z,的一级偏微商也是连续函数。因为,|,|,2,既然是代表微粒在空间分布的概率密度，则这种分布必然是连续的。,必须是单值的。薛定谔方程一般可有很多个解，但每个合理解的,必须是有确定的单值，也就是说：,应是,x,、,y,、,z,的单值函数，在空间某点,(,x,、,y,、,z,),上，,只能是一个确定的数值。这样，在这点上才能有确定的概率密度,|,|,2,。,|,|,2,值应该可以积分，并且在整个空间的积分值等于,1,即：,4 原子结构和周期系 4.2 核外电子的运动状态,波函数及量子数,因为，|,|,2,d,代表微粒在微体积,d,中出现的概率，所以，在全部空间中（即,x、y、z,从,-,到+），概率的总和等于1。称为薛定谔方程的,归一化条件,。,为了满足以上条件，波函数,中的某些数值就不能是任意的，这就自然得到了,量子化条件,。,当将薛定谔方程应用于某系统时，对其求解，就可得到代表系统运动状态的波函数,和系统的相应能量E。能满足上述条件的,称为本征函数，方程式中的E也只能是某些特殊的值，这些特殊的能量称为本征值。,4 原子结构和周期系 4.2 核外电子的运动状态,波函数及量子数,求解时应将直角坐标表示的,(,x,y,z,),变换为以球极坐标表示的,(,r,)。,4 原子结构和周期系 4.2 核外电子的运动状态,(,x、y、z,),=,R,(,r,),Y,(,),解薛定谔方程得到,(,r,),的具体函数形式是一个包含,n,，,l,，,m,三个常量和三个变量,r,的函数，而解得的能量,E,却只与,n,有关。,n,，,l,，,m,是薛定谔方程有合理解的必要条件，称为三个量子数。,波函数及量子数,主量子数,n,取值范围,n,=1、2、3、4、5、,K、L、M、N、O、（光谱符号）,描述原子中电子出现的几率最大区域离核的远近。,电子的能量主要决定于,n，,对于单电子系统(如氢原子)，电子能量,唯一,决定于,n,。,电子离核的平均距离,电子层,n,值越大，轨道离核越远，能量越高。,4 原子结构和周期系 4.2 核外电子的运动状态,波函数及量子数,角量子数,l,l,=0、1、2、3、4,n,-,1（共,n,个）,s,、,p,、,d,、,f,、,g,确定波函数的形状和几率的径向分布情况,多电子系统中，同一电子层的电子在能量上还会有所差别,电子亚层,电子绕核运动的角动量的量子化条件。决定原子轨 道的形状，即波函数的角度函数部分(空间的形状)由其决定。,l,=0,s,轨道球星对称；,l,=1,p,轨道哑铃型轴向对称；,l,=2，,d,轨道花瓣形。,能级,一组确定的,n,、,l,值决定一个能级。,能级符号：,n,值用数字，,l,值用字母。,如,1,s,、2,s,、3,p,、5,f,4 原子结构和周期系 4.2 核外电子的运动状态,波函数及量子数,磁量子数,m,m,=0、1、2、,l,（共 2,l,+1 个）,决定波函数(原子轨道)的空间取向，与能量无关,n,、,l,相同，但,m,不同的轨道能量均相等，称为,简并轨道,。|,m,|,l,，,m,只能取到,l,m,的取值个数决定了同一能级中所能拥有的轨道数。一组确定的,n,、,l,、,m,值唯一地确定一条原子轨道。,实验证明原子运动的角动量是量子化的，且角动量在磁场方向上的分量也是量子化的。表明同一亚层往往还包含若干个空间伸展方向不同的轨道(间并)。,4 原子结构和周期系 4.2 核外电子的运动状态,自旋量子数,m,s,描述电子自旋状态的参数,m,s,=;,小结,知道 描述,n,电子层（离核远近）,n,、,l,多电子系统能级,n,、,l,、,m,原子轨道（电子在核,外空间的运动状态）,n,、,l,、,m,、,m,s,一个电子的全部信息,波函数及量子数,4 原子结构和周期系 4.2 核外电子的运动状态,，;,符号,：,波函数及量子数,例：,(210)=,210,=,2,p,n,=2,第二电子层；,l,=1,2,p,能级；,m,=0,2,p,z,轨道，沿z轴取向。,三个量子数的取值相关性如下：,n,l,|,m,|,；,l,的取值地位较为特殊，既受制于,n,，又制约,m,。所以当,n,和,m,已确定，则,l,的取值需左顾右盼。,4 原子结构和周期系 4.2 核外电子的运动状态,根据等差级数的求和公式第,n,电子层的轨道总数等于下,式：所容纳的电子数为,2,n,2,。,类别 K,L,n 1,2,l 0,0 1,m 0,0 +1 0,-,1,m,s,亚层 1,s,2,s,2,p,x,2,p,y,2,p,z,n,l,m,1,0,0,2,0,0,2,1,1,2,1,0,2,1,-1,轨道数 1,4,电子数 2,8,4 原子结构和周期系 4.2 核外电子的运动状态,波函数及量子数,原子轨道和电子云的图像,几率密度和电子云,具有波粒二象性的微观粒子不能求得其运动的准确位置和动量。对于电子在核外的运动，只能用统计的方法指出其在原子核外某处出现的可能性几率的大小，其在各处出现的几率不等。,根据波恩的统计解释电子在核外空间的某点附近出现的几率,与波函数绝对值的平方,|,|,2,成正比。,4 原子结构和周期系 4.2 核外电子的运动状态,|,|,2,表示电子在原子体系中空间某一位小体积内出现的几率,几率密度。,电子云：形象地将电子在空间某点附近的几率密度分布称为“,电子云,”，是电子运动行为统计型的形象化描述。电子云与几率密度为同义词。,电子云的表示图形常用的是界面图，如氢原子的1,s,轨道的电子云图表示：在,5.3,(53,pm,),为半径的球体的空间区域内电子出现的几率占95,%。所以，一般认为氢原子的,1,s,轨道半径等于,5.3,(53,pm,),玻尔半径。,4 原子结构和周期系 4.2 核外电子的运动状态,原子轨道和电子云的图像,原子轨道和电子云的图像,电子云,图像,2,反映电子在空间特定位置上的几率密度。以小点的疏密来表示几率密度分布的图形称为,电子云,。,径向,函数,角度,函数,原子轨道图像,界面图,以几率为,90,-,95,%,的等密度面作为,“,界面,”,4 原子结构和周期系 4.2 核外电子的运动状态,原子轨道和电子云的图像,n,l,m,(,x,y,z,),=,R,n,l,(,r,),Y,l,m,(,)。,R,n,l,(,r,)为径向波函数，仅与,n,l,有关；,Y,l,m,(,)为角度波函数，与,l,m,有关。,角度分布：表示波函数在空间不同角度上的伸展情况。P.137表7,-,1列出了氢原子的解，,s,轨道的角度分布具有相同的形式；,p,轨道形式相同，但角度最大伸展方向不同。轨道的角度分布图有正负波向之分，而电子云则无。,径向分布：表示在任意给定的角度方向上波函数随,r,变化情况。一般以径向分布函数D(,r,)表示：,D(,r,)=4,r,2,R,2,(,r,),。,4 原子结构和周期系 4.2 核外电子的运动状态,4 原子结构和周期系 4.2 核外电子的运动状态,原子轨道和电子云的图像,p,轨道及电子云的图形,s,轨道及,电子云的图形,4 原子结构和周期系 4.2 核外电子的运动状态,原子轨道和电子云的图像,d,轨道及电子云的图形,4 原子结构和周期系 4.2 核外电子的运动状态,原子轨道和电子云的图像,f,轨道及电子云的图形,原子轨道和电子云的图像,概率=概率密度,体积 见,P.142,研究在半径,r,的球面，厚度为,dr,的薄层球壳内电子出现的概率。薄层球壳的体积,dV,=4,r,2,dr,。则在此薄层球壳内电子出现的概率为：,=|,R,(,r,),|,2,dV,=,4,r,2,|,R,(,r,),|,2,dr,令,D(,r,)=4,r,2,R,2,(,r,),以,D(,r,),r,以及,R,2,(,r,),r,作,图。,4 原子结构和周期系 4.2 核外电子的运动状态,原子轨道和电子云的图像,对于1,s,电子径向分布的最大球壳是,r,=0.53,(52.9pm)此处恰好等于波尔半径,a,0,。从,D(,r,),r,图中可以得出以下结论:,曲线高峰的数目(峰数),=,n l,个；,节点数(谷数)，既电子密度为零处=,n,-,l,-,1个；,n,值越大出现最大峰值(最高峰)离核越远。,从轨道和电子云的角度分布及径向分布,对四个量子数的更深理解;,物理意义 通常的描述,主量子数,n,决定原子轨道的 轨道的大小既离核的远近,能量(能级)(电子层),角量子数,l,决定轨道的角动量 轨道的形状(电子亚层),磁量子数,m,决定轨道角动量在 轨道在空间的取向,z轴上的分量 (亚层中轨道的方向),自旋量子数,m,s,决定电子自旋角动量 电子的自旋方向,4 原子结构和周期系 4.2 核外电子的运动状态,原子轨道和电子云的图像,s,、,p,、,d,的原子轨道角度分布图 和对应的电子云角度分布图,4 原子结构和周期系 4.2 核外电子的运动状态,原子轨道和电子云的图像,1s、2s、2p电子云及其径向分布图,4 原子结构和周期系 4.2 核外电子的运动状态,多电子原子核外电子运动状态,氢原子核外只存在一个电子，其仅受到核的吸引作用。氢原子的波动方程可精确求解，且原子轨道能级的高低，只取决于主量子数。,既,E,1,s,E,2,s,=,E,2,p,E,3,s,=,E,3p,=,E,3,d,；,但对于多电子原子来说，电子除受核的吸引作用外，还受到其他电子的排斥作用。因此原子轨道的能级次序发生改变，轨道能级不仅与主量子数相关，还与角量子数有关。多电子原子的波动方程无法精确求解，只能作近似处理或根据光谱数据，找出一定规律。,鲍林根据大量的光谱实验数据，得到多电子原子的近似能级图。,4 原子结构和周期系 4.3 多电子原子结构,屏蔽效应和钻穿效应,屏蔽效应,核对某一电子的吸引力由于其余电子的排斥作用而被减弱的现象。,有效核电荷,扣除屏蔽作用后，电子实际所受的核电荷,4 原子结构和周期系 4.3 多电子原子结构,钻穿效应,外层电子避过内层电子的屏蔽，而进入到原子内部空间的作用。,屏蔽效应和钻穿效应,有效核电荷相当于核电荷的减少Z,*,=Z,:,屏蔽常数因此多电子原子的电子能量,E,=,-,13.6(Z,-,)/,n,2,(,e,V)。,屏蔽常数计算的斯莱脱规则：,将轨道分组(1,s,),(2,s,2,p,),(3,s,3,p,),(3,d,),(4,s,4,p,),(4,d,),(4,f,),只考虑内层电子对外层电子的屏蔽效应。,屏蔽常数值的规定原则：,(1,s,),组时,同组间电子的,=0.30,(,n,s,n,p,),组时，同组间电子的,=0.35,，,(n,-,1),组对其产生的,=0.85,，,(n,-,2),组则为,=1.00,(,n,d,),和,(,n,f,),组时，同组间电子的,=0.35,，,位于左侧各组对其产生的,=1.00,4 原子结构和周期系 4.3 多电子原子结构,屏蔽效应和钻穿效应,例：23号元素钒的电子结构为:1,s,2,2,s,2,2,p,6,3,s,2,3,p,6,3,d,3,4,s,2,应用斯莱脱规则计算3,d,和4,s,的电子能量E值。,解：钒原子中4,s,电子所受有效核电荷Z,*,4,s,=23,-,=0.351+0.8511+1.0010=19.7;,Z,*,4,s,=3.3,4 原子结构和周期系 4.3 多电子原子结构,3,d,电子所受到的有效核电荷Z,*,3,d,=23,-,=0.352+1.0018=18.7;,Z,*,3,d,=4.3,屏蔽效应和钻穿效应,例：解释19号元素钾最后一个电子进入4,s,能级，而不进入3,d,能级。,解：K：1,s,2,2,s,2,2,p,6,3,s,2,3,p,6,（3,d,1,）或（4,s,1,）,Z,*,4,s,=19,-,(0.858+1.0010)=2.2;,E,4,s,=,-,6.6,10,-19,J,=,-,4.11eV,Z,*,3,d,=19,-,(1.0018)=1;E,3,d,=,-,2.4210,-,19,J=,-,1.51eV,所以E,4,s,E,3,d,，出现能级交错,K元素的电子层结构为：,1,s,2,2,s,2,2,p,6,3s,2,3,p,6,4,s,1,4 原子结构和周期系 4.3 多电子原子结构,近似能级图,鲍林(,Pauling,)能级图,4 原子结构和周期系 4.3 多电子原子结构,近似能级图,鲍林(,Pauling,)能级图,l,相同,时，轨道能级随,n,而增；,n,相同,时，轨道能级随,l,而增；,第四能级组开始出现“,能级交错,”现象,(,n,+0.7,l,)规则,如:,6,s,4,f,5,d,6,p,6.0,6.1,6.4,6.7,每个能级组以,ns,开始，以,np,结束。,鲍林,(,Pauling,),能级图只适用于基态中性原子。,4 原子结构和周期系 4.3 多电子原子结构,近似能级图,Cotton原子轨道能级图,能级的高低及顺序是可变的,4 原子结构和周期系 4.3 多电子原子结构,基态原子核外电子的排布,基态原子核外电子排布三原则,能量最低原理,：基态原子中，电子总是,尽先,占据能量,最低,的原子轨道,保里,(Pauli),不相容原理,：同一原子中，,不可能,存在运动状态,完全相同,的两个电子,洪特,(Hund),规则,：电子在,等价轨道,上分布时，将尽先,分占,不同轨道，且自旋,平行,例：,7,N的电子排布式:,洪特,(,Hund,),规则,特例,：,电子处于,全满,(,s,2,p,6,d,10,f,14,),、,半满,(,s,1,p,3,d,5,f,7,),、,全空,(,s,0,p,0,d,0,f,0,),时较稳定,1,s,2,2,s,2,2,p,3,4 原子结构和周期系 4.3 多电子原子结构,基态原子核外电子的排布,电子结构式,26,Fe,1,s,2,2,s,2,2,p,6,3,s,2,3,p,6,4,s,2,3,d,6,1,s,2,2,s,2,2,p,6,3,s,2,3,p,6,3,d,6,4,s,2,外层,(,价,),电子构型,26,Fe,3,d,6,4,s,2,18,Ar,1,s,2,2,s,2,2,p,6,3,s,2,3,p,6,26,Fe,Ar,3,d,6,4,s,2,原子实,外层电子构型,离子的电子构型,Fe,2+,3,d,6,4,s,0,Fe3+,3,d,5,用量子数描述电子构型,例：,基态,S,的最外层电子,1,s,2,2,s,2,2,p,6,3,s,2,3,p,4,n,m,l,m,s,3,0,0,+,3,0,0,-,3,1,0,+,3,s,2,3,p,4,3,1,0,-,3,1,+1,+,3,1,-,1,+,4 原子结构和周期系 4.3 多电子原子结构,基态原子核外电子的排布,所谓的外层电子是指对参与反应有重要意义的外层价电子。,主族元素和零族元素最外层,s,电子+,最外层,p,电子,外层电子 过渡元素最外层,s,电子+次外层,d,电子,镧系、锕系元素最外层,s,电子+,次外层,d,电子+(,n,-,1)层,f,电子,4 原子结构和周期系 4.3 多电子原子结构,周期表的结构,4 原子结构和周期系 4.4 原子的电子层结构和元素周期系,周期表的结构,周期,由,能级组,决定,周期数=,n,(最外层),各周期元素数目=对应能级组所能容纳电子总数,4 原子结构和周期系 4.4 原子的电子层结构和元素周期系,1869年门捷列夫建立了最早的周期表。1913年英国物理学家莫斯莱通过X,-射线研究发现，元素的原子序数就是元素所带的核电荷数。现代元素周期律认为：,元素性质随原子序数（既核电荷数）的增大而呈现周期性的变化,。,原子序数=核电荷数=核外电子数,周期表的结构,族,由价电子层构型决定,族数 =,ns,、,np,电子数之和主族及、副族）=,ns,、(,n,-,1),d,电子数之和（副族）,族(三个纵列),n,s、(,n,-,1),d,电子数之和=8,9,10,零族最外层有8个电子(He为2)，呈稳定结构。,4 原子结构和周期系 4.4 原子的电子层结构和元素周期系,周期表的结构,周期表的分区,s,区n,s,12,A、A,p,区n,s,2,n,p,16,AA、,0,(He除外),d,区(n,-,1),d,19,n,s,12,B B、,(Pd例外),ds,区(n,-,1),d,10,n,s,12,B、B,f,区(n,-,2),f,114,(n,-,1),d,02,n,s,2,镧系、锕系,(La,Ac,Th例外),4 原子结构和周期系 4.4 原子的电子层结构和元素周期系,影响元素性质的结构因素,核外电子构型,s,区元素：失去最外层电子的趋势强烈；,p,区元素：AA，失去最外层电子得到电子；,0 族元素：化学性质极不活泼；,过渡及内过渡元素(,d,区、,ds,区、,f,区)：失去最外层电子，且(n,-,1),d,轨道甚至(n,-,2),f,轨道也可参加化学反应。,有效核电荷,同周期主族元素：左右，有效核电荷明显增大；,同周期的过渡及内过渡元素：左右，有效核电荷增加不显著；,同族元素：上下，有效核电荷增加不显著。,4 原子结构和周期系 4.4 原子的电子层结构和元素周期系,影响元素性质的结构因素,原子半径主族元素,:,左,右,r,减小,上,下,r,增大,过渡元素,:,左,右,r,缓慢减小,上,下,r,略有增大,镧系收缩,三种原子半径：,共价半径,金属半径,范德华半径,4 原子结构和周期系 4.4 原子的电子层结构和元素周期系,元素性质的周期性变化,电离能,I,基态气态原子失去电子成为气态离子所需的能量,I,反映原子失去电子的难易,主族元素：,左右,I,1,增大,上下,I,1,减小,半充满时，较相邻元素大,I,1,I,2,I,3,4 原子结构和周期系 4.4 原子的电子层结构和元素周期系,元素性质的周期性变化,电子亲合能,Y,(,E,),基态气态中性原子获得电子形成负价气态离子所放出的能量,衡量原子获得电子的难易程度，表现为元素的非 金属性。随着原子半径的减小而增大,一般,Y,1,为放出能量，,Y,2,，,Y,3,为吸收能量。在历史的延用中，规定,Y,1,取值为正。,电负性,X,元素原子在化合物中吸引电子的能力，F的,X=,4,主族元素:左右,由小大;上下,由大小。,一般以2.0作为金属性的分界,4 原子结构和周期系 4.4 原子的电子层结构和元素周期系,元素性质的周期性变化,氧化数,元素的最高氧化数对应于所在族数(B和族例外),非金属元素的最低负氧化数=族数,-,8,4 原子结构和周期系 4.4 原子的电子层结构和元素周期系,金属性增强,非金属性增强,非金属性增强,金属性增强,原子半径增大,电离能减小,电子亲和能减小,电负性减小,原子半径减小,电离能增大,电子亲和能增大,电负性增大,例1：,写出,30,A的 1)电子分布式、2)外层电子构型、3)周期和族、4)分区、5)金属性、6)最高氧化值。,答：,例,2,：,已知,I,位于第,5,周期,A,族。写出,I,的,1),分区、,2),外层电子构型、,3),电子分布式、,4),最高氧化值、,5),最低氧化值。,例 题,30,A,1,s,2,2,s,2,2,p,6,3,s,2,3,p,6,4,s,2,3,d,10,1),1,s,2,2,s,2,2,p,6,3,s,2,3,p,6,3,d,10,4,s,2,=,Ar,3,d,10,4,s,2,2)3,d,10,4,s,2,3)4周期 B族,4),ds,区,5)金属,6)+2,Zn,1),p,区,2)5,s,2,5,p,5,3),Kr,4,d,10,5,s,2,5,p,2,=1,s,2,2,s,2,2,p,6,3,s,2,3,p,6,3,d,10,4,s,2,4,p,6,4,d,10,5,s,2,5,p,5,4)+7,5),-,1,4 原子结构和周期系 4.4 原子的电子层结构和元素周期系,第四章小结,基本要求,电子的运动特征；,原子核外电子的排布规律（根据原子序数写出电子结构式或价电子构型或反之）；,周期律与原子结构的关系（根据电子构型判断元素在周期表中的位置或反之）;,元素基本性质的周期性变化。,基本概念,量子化、基态、波粒二象性、波函数（或原子轨道）、四个量子数的物理意义及取值规则、电子云、近似能级图、基态原子核外电子排布的原则、周期表的结构 、周期表的分区、电离能、电负性,4 原子结构和周期系,