无机化学第6章原子结构和元素周期律 课件.pdf

第6章原子结构科元素周期律教常牛2013-3-11本章内容6.1 原子核外电子的运动状态6.2 原子核外电子排布和元素周期律6.3 元素基本性质的周期性变化规律7学课本要求 1.了解电子的波粒二象性，理解测不准原理；了 解波函数与原子轨道、概率密度与电子云等概 念，理解原子轨道、电子云的角度分布图的意义 及区别；2.理解、八根、四个量子数的物理意义、掌 握其取值规律及其与电子运动状态的关系。理解 并掌握多电子原子轨道的能级；1学课件2013-3-11 3.掌握基态原子中电子的排布原理，能够书 写一些基态原子的电子排布式；4.熟悉核外电子排布式与元素周期表的关 系；5.基本掌握有效核电荷、原子半径、电离 能、电子亲和能、电负性、元素的氧化数等元 素性质周期性变化规律。1学课件2013-3-116.1原子核外电子的运动状态6.1.1微观粒子的基本属性6.1.2波函数与原子轨道6.1.3概率密度与电子云6.1.4四个量子数6.1.5多电子原子轨道的能级7学课2013-3-116.1.1微观粒子的基本属性1.电子等微观粒子的波粒二象性1924年，法国年轻的物理学家德布罗意大胆地提出了微观粒 子也具有波、粒二象性的假设。并且预言微观粒子运动的人 和它的动量也可通过普朗克常数联系起来，即德布罗意关系P mv式中：入一物质波的波长或德布罗意波长 m 一电子的质量=9.1 X10 31kg2013-3-11微观粒子波动性的假设很快得到证实。1927年，德布罗意的波动性假设由戴维逊和革末的电子衍射实 验所证实。由于X光通过晶体能得到衍射图像。于是 戴维逊和革末将电子束通过晶体，结果在屏幕上观察 到的不是一个黑点，而是一系列明暗交替的同心圆 环，和X射线衍射图像完全相似，从而证明了电子确 有波动性。2013-3-11电子束物质波的确认，微观粒子波粒二象性的发现,为正确地描述观粒子的运动规律指明了方向。2013-3-112.测不准原理要同时准确地测定微观粒子的动量（或速度）和 坐标（或位置）是不可能的。如果它的位置测得 越准确，动量（或速度）就越不准确；反之亦 然。测不准关系式为：Ax-APr（6-2）/V测不准原理是微观粒子波动性的必然结果。2013-3-116.1.2波函数与原子轨道1.波函数的基本概念1926年奥地利物理学家薛定娉(Schrodinger)提出 T描述微观粒子运动状态的波动方程薛定谓方 程，它是一个二阶偏微分方程。其基本形式是：教常牛2013-3-11氢原子体系的w和与之对应的可以通过 解薛定调方程得到，解出的每一个合理的四 和,就代表体系中电子运动的一种状态。可 见，在量子力学中是波函数来描述微观粒子的 运动状态。教学课件2013-3-11z为了解的方便，常把直角 坐标X、八z换成极坐标r 6、0表示，换算关系是：x=rsinOcos。y=r sin。sin。2=r cos3。（x,y,z）-。（y,07学课2013-3-11在解方程时，为了使解出的函数有合理的物理意义，还必须引入一套参数Z、7W作为限制条件。这一套参 数在量子化学中称为量子数。其取值规则为：w=l,2,3,，8 为自然整数I n-1/=m I 帆=0,1,2,，土/每一组轨道量子数、I、m,可以确定一个函数，即:1PHim(r,仇 9)=Rni(r)g匕冽(d cp)2013-3-11波函数W（r,，0）：代表电子运动的一种稳定状态，俗称原子轨道。径向波函数R（r）:由和/决定，它描述波函数随电子 离核远近的变化情况.角度波函数Y（。，6）:由/和加决定，描述波函数随 电子在核的不同方向的变化情况，通常将1=0,1,2,3,的轨道分别称为s轨道、p轨 道、d轨道、f轨道、教学课件2013-3-11通过求解薛定谓方程得到的P轨道的角度分布图如下:P轨道的角度分布图7学课2013-3-11通过求解薛定调方程得到的d轨道的角度分布图如下:d轨道的角度分布图（剖面图）教常牛2013-3-11波函数勿是薛定谓方程的解，是描述核外电子 空间运动状态的数学表达式，实际上是表示电 子波振幅与坐标的函数。7学课2013-3-112.原子轨道核外电子的运动没有具体的轨道，通常所说 的原子轨道，其真正的含义是指单电子波函数。用量子力学的方法，研究电子在核外空间运动的概率分布来描述电子运动的规律性。借用经 典力学中“轨道”一词，把电子的可能空间运动 状态称为原子轨道。2013-3-116.1.3概率密度与电子云1.概率密度波函数绝对值的平方I”I2表示在原子核 外空间电子出现的概率密度，即单位体积中电子出 现的概率。电子在原子核外空间某处单位体积内出现的 概率称为概率密度。7学课2013-3-112.电子云电子云是电子在核外空间各处出现概率密度大小 的形象化描述。概率密度=IWP,IWP的图象称为电 子云。用丫2（6，0）-夕，0作图即得到电子云的角 度分布图。其图形与原子轨道角度分布图相似，不同 之处有两点：由于Y 1,Y2 Y（更小），所以电子云角度 分布图瘦些。原子轨道角度分布有+、号之分，（Y有正负 号，代表波函数的对称性并不代表电荷），电子云的角 度分布图没有正向号。牧学课小332013-3-11假想将核外一个电子每个瞬间的运动状态，进行摄影。并 将这样数百万张照片重叠，得到如下的统计效果图，形象地称为电子云图。2013-3-11电子云常用小黑 点的疏密程度表示。等概率密度面核外空 间电子出现概率密度相 等的点所组成的曲面。把占9095%的概率 分布用线框起莱，形 炭电子云的界南图，故也可用电子云的界 面图来表示电子出现 的几率分布。卜电子云的四种表示图教学课件2013-3-11注意：由于微观粒子具有波粒二象性，不仅其物理量是量子 化的，而且从电子云概念可知，微观粒子在空间的分 布还具有统计性规律。即电子虽不循着有形的轨道或 途径运动但它在空间的分布总有一个概率密度较大的 范围。2013-3-11AVAY.ys、p、d电子云的角度分布（剖面图）字魂2013-3-116.1.4四个量子数主量子数角量子数/磁量子数相 自旋量子数强教常牛2013-3-111.主量子数n姆理意义：主量子数表示电子离核远近和轨道能量的 局低-值越小，电子离核越近，能量越低值越大，电子离核越远，能量越高主量子数与电子层的对应关系主量子数1234567 电子层 四五六七 A-/r 口 付节KLMN0PQ 学课2013-3-112.角量子数/物理意义：表示原子轨道或电子云的形状；表示同一电子层中具有不同能量的亚层；多电子原子中电子的能量决定于主量子数勿和角量子数7学课2013-3-11角量子数角量子数与电子亚层、轨道形状的对应关系角量子数01234 亚层符号SPdfg 轨道形状球形哑铃型花瓣型 主量子数与角量子数的关系n1234电子层KLMNI00 10 1 20 12 3亚层Is2s 2p3s 3p 3d4s 4p 4d 4f7学课2013-3-11角量子数 相同，/越大能量越高 2s E2P*3s 3p E3d*E4s E4p E4d E4f7学课2013-3-113.磁量子数加物理意义:表示原子轨道或电子云在空间的伸 展方向。磁量子数与能量无关同一亚层，/相同），原子轨道能量相同，称 为等价轨道或简并轨道。P、d、f分别有3、5、7个等价轨道在第勿个电子层上，有M个轨道7学课2013-3-11磁量子数冽取值与轨道名称的关系FTIm轨道名称轨道符号亚层轨道数00S匕110+1Pz Px，PyWpzW Px，W Py320+1+2d 2 Zd XZ,d yzd XV)d 2 2xy x-y丹2 z也，-252013-3-11三个量子数的取值关系:n=1/=0 m=0I 受 n 的限制 y n=2/=0,1/w=0;0,ln=3 Z=0,1,2 m的取值受/的限制：如Z=0/w=01=1 m=-1,0,+11=2 m=-2,-1,0,+1,+2三个量子数的一种组合形式决定一个W,而每一个 中又代表一个原子轨道，所以三个量子数都有确定值 时，即确定核外电子的一种电子运动状态。学课2013-3-114.自旋量子数次物理意义：表示电子运动的自旋方向自旋只有两个方向：顺时针、逆时针+1/2-1/2自旋方向顺时针逆时针箭头ZF怠f17学课2013-3-11量子数 结 原子轨道是由三个量子数，/,m确定的电子运动区域，原子中 每个电子的运动状态用四个量子数%八m.%描述，四个量子 数确定之后，电子在核外空间的运动状态也就确定了。泡利不相容原理：在同一原子中，不可能有四个量子数完全相同 的两个电子；即同一原子中无运动状态完全相同的电子。电子层最大容量原理：同一轨道上只能容纳两个自旋方向相反的 电子；第几个电子层上有层个轨道，最多可容纳2层个电子。叶浮课件2013-3-11量子数小结主量子数n决定原子轨道的大小（即电子层）和 电子的能量。角量子数I决定原子轨道或电子云的形状同时也影 响电子的能量。磁量子数血决定原子轨道或电子云在空间的伸展方 向。自旋量子数%决定电子的自旋方向。1学课件2013-3-116.L5多电子原子轨道的能级1、屏蔽效应在多电子原子中，其他电子对某一电子的排斥 作用而抵消了一部分核电荷，从而引起有效核 电荷的降低，削弱了核电荷对该电子的吸引，这种作用称为屏蔽作用或屏蔽效应。而把被其 他电子屏蔽后的核电荷称为有效核电荷，用符 号Z*表示：Z*=Z-o教常牛2013-3-11Slater经验规贝将原子中的轨道按以下顺序分组：(Is)(2s,2p)(3s,3p)(3d)(4s,4p)(4d)(4f)(5s,5p).右边组的电子对左边组电子的屏蔽常数1s轨道上2个电子之间的。=0.30,而其他各组同组内电子之间的o=0.35；主量子数为-1的各电子对w s,p电子的o-0.85；左边各组电子对m d,m f电子的。=1；主量子数-2的各电子对n电子的。=1。某个电子总的屏蔽常数等于该电子受到的所有。之和2013-3-112、钻穿效应在多电子原子中，每个电子既屏蔽其他电子，也被其 他电子所屏蔽（忽略外层电子对内层电子的屏蔽），决定二者大小的主要因素是电子在空间的概率分布。电子在核附近出现的概率大，则其势能低，原子轨道 能量低。电子云径向分布函数图中出现不同的峰和节 面，表明原子轨道是可以相互钻穿的。通常把外层电 子向内穿过内层电子靠近原子核的现象叫原子轨道的 钻穿作用或钻穿效应。2013-3-11钻穿作用的大小对轨道的能量有明显的影响。电子 钻得越深，它受其它电子的屏蔽作用就越小，而受 核的吸引力越大，因而本身能量也就越低。所以 说，钻穿作用越大的电子能量越低。因此能级分裂 结果：EEEE由于钻穿效应的存在，会使得一些能量相近的能 级发生交错现象。*ns V(a-l)d 三4Ens 2)中，能量与、/有关。相同，/不同，贝Mt,Et4口：ns 石叩 石业 月就/相同，不同，则 t,E t如：E2P 3p4p/d E4d?4)、半充满(p3、d f 7)、或全空(pO、d。、f)状态时，原子结构比较稳定。教学课件2013-3-11为了书写方便，以上两例的电子排布式可简写成：24Cr：Ar3d54sl 29Cu：Ar3d104sl元素正确的电子排布式错误的电子排布式2401S22s22P63s23P63d54sl1S22s22P63 s23P63d44s229。11 s22s22P63s23P63d104sl1S22s22P63 s23P63d94s2方括号中所列稀有气体表示该原子内层的电子结构与此 稀有气体原子的电子结构一样，Ar,Kr,Xe等称 为原子芯或原子实。2013-3-116.2.2基态原子中的电子排布1.电子排布式表示原子电子构型的形式称为电子排布式，它是将电子亚 层按能量由低到高依次排列，用轨道符号表示，在亚层符 号前用数字注明电子层数，在其右上角标上数字，代表能 级上的电子数。排列的电子数/80 Is22s22P4/电子层数 亚层符号7学课2013-3-11基态原子的电子排布式多电子原子中电子进入轨道的能级顺序是ls2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d25最外层电子的有效核电荷的周期性变化同族元素，由上到下，随着电子层数的增加，对外层电子而言，增加了一层屏蔽作用大的内层电子,所以有效核电荷增加不明显。例如Li原子中2个1s电 子的总屏蔽常数为1.7,故1个2s电子受到的有效核电 荷为1.3。虽然Li比H多2个核电荷，但对外层电子 的有效核电荷仅增加0.3 o2013-3-11Li：o 2s=0.85X2=1.7,Z*=3-1.7=1.3,Na：a 3s=0.85X8+1.0X2=8.8,Z*=11-8.8=2.2,K：o4s=0.85 X 8+1.0X 10=16.8,Z*=19-16.8=2.2O：0 2P=0.35 X5+0.85 X2=3.45,Z*=8-3.45=4.55S：0 3P=0.35X5+0.85X8+1.0X2=10.55,Z*=16-10.55=5.457学课2013-3-11副族:Ti:0 4s=0-35+0.85 X 10+1.0 X10=18.85,Z*=22-18.85=3.15.Zr:=0.35+0.85X 10+1.0X28=36.85,Z*=40-36.85=3.15.Hf:o 6=0.35+0.85 X 10+1.0 X 60=68.85,Z*=72-68.85=3.15.7学课2013-3-11632原子半径r1.金属半径把金属晶体看成是由球状的金属原子紧密堆 积而成，相邻两个原子彼此互相接触，其核间距离的一 半，称为该金属原子的金属半径。2.共价半径同种元素的两个原子以共价单键结合时，其原子核间距离的一半，称为该元素原子的共价单键半 径，简称共价半径。3.范德华半径在分子晶体中，分子间以范德华力相结 合，这时相邻分子间两个非键结合的同种原子，其核间 距离的一半，称为该原子的范德华半径。学课2013-3-11原子半径的大 主要决定于核外电子层数和有效核电荷同一元素r（负离子）r（原子）r（正离子）同一周期短周期中长周期中r逐渐减小Z*增加r减小缓慢，IB,HB略有增大,IVA后r逐渐减小Z*增大不多，IB,IIB屏蔽效应 大，Z*减小，IVA后Z*增加7学课2013-3-11原子半径变化规律同一族-同一A族中依次增大 用子层增加-V-同一B族中变化不明显特别是第五和第六周期的元素、原子半径非常接 近，以致于它们的性质非常相似，在自然界中常 常共生在一起，难以分离。教学课2013-3-11原子半径变化的规律（总结）：1.同一周期：原子的电子层数不变，从左倒右，主族元素 的半径因有效核电荷显著地增加而明显地减小（邻近元素 相差约10pm）,副族元素的原子半径则因有效核电荷增 加不多而减小不明显（邻近元素间相差小于5Pm）。2.同族元素：由上至下，原子半径则因电子层数增加而增 加。但是副族元素中，原子半径增加规律仅体现在III B 族和每一副族的前两种元素上，从IV B族开始，每组后 两种副族元素的原子半径近似相等，这是由于锢系收缩造 成的。教常牛2013-3-113.镯系收缩：镯系元素因新增电子填入(-2)f亚 层,而使有效核电荷Z*增加得更为缓慢，故镯系元 素的原子半径自左而右的递减更趋缓慢，从镯到错 半径总共减小Upm。镯系元素原子半径的这种缓 慢递减的现象称为铺系收缩。镯系收缩可以抵消增加一个电子层的影响，从而使III B族及其后每族的后两种副族元素的半径 相近，性质相似。2013-3-11CszH10 20 30 40 50 57 72 80r原子序数（Z）原子半径的周期性变化633电离能I基态的气态原子失去电子形成气态阳（正）离子所 需要的能量，称为电离能。单位物质的量的基态气态 原子失去第一个电子成为气态1价阳离子所需要的能 量称为该元素的第一电离能，以4表示，其si单位为 kj-mol-1 o从气态1价阳离子再失去一个电子成为气 态2价阳离子所需要的能量，称为第二电离能，以4 表示，余类推。同一元素原子的各级电离能的大小顺 序为：111213 2.0非金属Z 2.0为非金属元素。(2)判断化学键的类型根据分子中元素电负性差值丫判断化学键的类型。一般地，X1.7为离子键；X 4s24px 3s23P4、5s25P5,它们各属于第 几周期？第几主族？最高正氧化数是多少？2、根据元素在周期表中的位置，判断下列各组化合物 的水溶液，哪个酸性较强？哪个碱性较强？(1)H2cO3 和 H3BO3(2)H3PO3 和 HNO3(3)Ca(OH)2 和 Mg(OH)2(4)A1(OH)3 和 Mg(OH)2学课件2013-3-11