1、第第1 1章章 原子構(gòu)造和元素周期律原子構(gòu)造和元素周期律1.1 人類(lèi)對(duì)原子的認(rèn)識(shí)人類(lèi)對(duì)原子的認(rèn)識(shí)1.歷史的回想歷史的回想 Dalton原子學(xué)說(shuō) 1803年 Thomson“西瓜式模型 1904年 Rutherford核式模型 1911年Bohr電子分層排布模型 1913年量子力學(xué)模型1926年 1927年，Davisson和Germer運(yùn)用Ni晶體進(jìn)展電子衍射實(shí)驗(yàn)，證明電子具有動(dòng)搖性。2. 微觀粒子的波粒二象性微觀粒子的波粒二象性3. 不確定原理與微觀粒子不確定原理與微觀粒子 運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律1927年，Heisenberg不確定原理2hpxx微觀粒子位置的丈量偏向p微觀粒子的動(dòng)量

2、偏向微觀粒子的運(yùn)動(dòng)不遵照經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律。 微觀粒子的動(dòng)搖性與粒子行為的統(tǒng)計(jì)性規(guī)律聯(lián)絡(luò)在一同，表現(xiàn)為： 微觀粒子的動(dòng)搖性是大量微粒運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)，即是具有統(tǒng)計(jì)意義的概率波。1.2 核外電子的運(yùn)動(dòng)形狀核外電子的運(yùn)動(dòng)形狀 電子是質(zhì)量極輕、體積極電子是質(zhì)量極輕、體積極小、帶負(fù)電荷的微粒，它在原小、帶負(fù)電荷的微粒，它在原子這樣大小的空間直徑約為子這樣大小的空間直徑約為10-10m內(nèi)做高速運(yùn)動(dòng)。它的內(nèi)做高速運(yùn)動(dòng)。它的運(yùn)動(dòng)和普通寵觀物體不同，它運(yùn)動(dòng)和普通寵觀物體不同，它具有本人的特殊規(guī)律。具有本人的特殊規(guī)律。1.2.1 電子云的概念電子云的概念 概率密度概率密度 現(xiàn)曾經(jīng)證明電子在核外空間所處的位置及現(xiàn)曾

3、經(jīng)證明電子在核外空間所處的位置及其運(yùn)動(dòng)速度不能同時(shí)準(zhǔn)確地確定，也就是不能其運(yùn)動(dòng)速度不能同時(shí)準(zhǔn)確地確定，也就是不能描畫(huà)出它的運(yùn)動(dòng)軌跡。在量子力學(xué)中采用統(tǒng)計(jì)描畫(huà)出它的運(yùn)動(dòng)軌跡。在量子力學(xué)中采用統(tǒng)計(jì)的方法，即對(duì)一個(gè)電子屢次的行為或許多電子的方法，即對(duì)一個(gè)電子屢次的行為或許多電子的一次行為進(jìn)展總的研討，可以統(tǒng)計(jì)出電子在的一次行為進(jìn)展總的研討，可以統(tǒng)計(jì)出電子在核外空間某單位體積中呈現(xiàn)時(shí)機(jī)的多少，這個(gè)核外空間某單位體積中呈現(xiàn)時(shí)機(jī)的多少，這個(gè)時(shí)機(jī)在數(shù)學(xué)上稱(chēng)為概率密度。時(shí)機(jī)在數(shù)學(xué)上稱(chēng)為概率密度。電子云電子云 例如氫原子核外有一個(gè)電子，這個(gè)電子在核例如氫原子核外有一個(gè)電子，這個(gè)電子在核外好似是毫無(wú)規(guī)那么地運(yùn)動(dòng)，

4、但是對(duì)電子的運(yùn)外好似是毫無(wú)規(guī)那么地運(yùn)動(dòng)，但是對(duì)電子的運(yùn)動(dòng)形狀統(tǒng)計(jì)而言，電子在核外空間的運(yùn)動(dòng)是有動(dòng)形狀統(tǒng)計(jì)而言，電子在核外空間的運(yùn)動(dòng)是有規(guī)律的，在一個(gè)球形區(qū)域里經(jīng)常呈現(xiàn)，如一團(tuán)規(guī)律的，在一個(gè)球形區(qū)域里經(jīng)常呈現(xiàn)，如一團(tuán)帶負(fù)電荷的云霧，覆蓋在原子核的周?chē)藗儙ж?fù)電荷的云霧，覆蓋在原子核的周?chē)?，人們稱(chēng)之為電子云。稱(chēng)之為電子云。1.2.2 1.2.2 四個(gè)量子數(shù)四個(gè)量子數(shù)1.1.主量子數(shù)主量子數(shù) 電子層電子層 主量子數(shù)表示電子離核的平均間隔主量子數(shù)表示電子離核的平均間隔 電子電子層層 ，n n 越大，電子離核平均間隔越大，電子離核平均間隔 越遠(yuǎn)。越遠(yuǎn)。 主量子數(shù)主量子數(shù)n n的取值：的取值：1 1、2

5、 2、3.3.正整數(shù)正整數(shù) n n 是決議電子能量的主要量子數(shù)。是決議電子能量的主要量子數(shù)。 n n值又代表電值又代表電子層數(shù)，不同的電子層用不同的符號(hào)表示：電子層能子層數(shù)，不同的電子層用不同的符號(hào)表示：電子層能量上下順序：量上下順序： KLMNOP KLMNOP 對(duì)于氫原子，電子能量獨(dú)一決議于對(duì)于氫原子，電子能量獨(dú)一決議于n nJ10179.2218nE不同的不同的n n值，對(duì)應(yīng)于不同的電子層：值，對(duì)應(yīng)于不同的電子層： K L M N O2. 2. 角量子數(shù)角量子數(shù) l l 又稱(chēng)副量子數(shù)又稱(chēng)副量子數(shù) 角量子數(shù)角量子數(shù)l l 是用來(lái)描畫(huà)不同亞層的量子是用來(lái)描畫(huà)不同亞層的量子數(shù)和原子軌道外形。數(shù)

6、和原子軌道外形。 每個(gè)每個(gè)l 值代表一個(gè)亞層值代表一個(gè)亞層 第一電子層只需一個(gè)亞層，第一電子層只需一個(gè)亞層， n =1 l = 0 第二電子層有兩個(gè)亞層，第二電子層有兩個(gè)亞層，n =2 l = 0 、1 以此類(lèi)推。以此類(lèi)推。亞層用光譜符號(hào)亞層用光譜符號(hào) s ， p ， d ， f 等表示。等表示。 l 的取值受 n 的制約，可以取從 0 到 n-1 的正整數(shù) n =1 l = 0 原子軌道外形 s n =2 l = 0 、1 原子軌道外形 s、p n =3 l = 0 、1、2 原子軌道外形 s、p、d n =4 l = 0 、1、2 原子軌道外形 s、p、d、f n = n l = 0 、1

7、、2 n-1 角量子數(shù)角量子數(shù) l 亞層符號(hào)亞層符號(hào) sYxpYypYzpY 原子軌道的角度分布圖：原子軌道的角度分布圖：原子軌道的角度分布圖：xydYyzdYxzdY2zdY22x - ydY3.磁量子數(shù)磁量子數(shù) m 是用來(lái)描畫(huà)原子軌道在空間的伸展方向是用來(lái)描畫(huà)原子軌道在空間的伸展方向 磁量子數(shù)磁量子數(shù) m 的取值的取值: l = 0 m = 01個(gè)空間伸展方向個(gè)空間伸展方向 l = l m = +l、0、-l3個(gè)空間伸展方向個(gè)空間伸展方向l =2 m = +2、 +l、0、-l 、-25個(gè)空間伸展方個(gè)空間伸展方向向l = l m 0 ， 1 ，2 ， l 2 l +1個(gè)個(gè) 4. 自旋量子數(shù)

8、自旋量子數(shù) ms,21sm21sm電子自旋景象的實(shí)驗(yàn)安裝 自旋量子數(shù)自旋量子數(shù): 描畫(huà)電子自旋運(yùn)動(dòng)的量子描畫(huà)電子自旋運(yùn)動(dòng)的量子數(shù)稱(chēng)為自旋量子數(shù)數(shù)稱(chēng)為自旋量子數(shù) 取值為取值為 +1/2 和和 -1/2 ，符，符號(hào)用號(hào)用“和和“表示。由于自旋量子數(shù)只需表示。由于自旋量子數(shù)只需 2 個(gè)取值，因此每個(gè)原子軌道最多能包容個(gè)取值，因此每個(gè)原子軌道最多能包容 2 個(gè)電個(gè)電子。子。主量子數(shù)、角量子數(shù)、磁量子數(shù)、自旋量子數(shù)的關(guān)系主量子數(shù)、角量子數(shù)、磁量子數(shù)、自旋量子數(shù)的關(guān)系 s s 軌道軌道(l = 0, m = 0 ) : (l = 0, m = 0 ) : m m 一種取值一種取值, , 空間一種取向空間一

9、種取向, , 一條一條 s s 軌道軌道. .p 軌道軌道 l = 1, m = +1, 0, -1 m 三種取值三種取值, 三種取向三種取向, 三條等價(jià)簡(jiǎn)并三條等價(jià)簡(jiǎn)并 p 軌道軌道. d 軌道l = 2, m = +2, +1, 0, -1, -2 m 五種取值, 空間五種取向, 五條等價(jià)d 軌道.f 軌道軌道 l = 3, m = +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3 m 七種取值七種取值, 空間七種取向空間七種取向, 七條等價(jià)七條等價(jià)f 軌道軌道.小結(jié)： n：決議電子云的大小 l：決議電子云的外形 m：決議電子云的伸展方向 一個(gè)原子軌道可由n,l,m 3個(gè)量子數(shù)確定。 一

10、個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)形狀必需用n,l,m,ms 4個(gè)量子數(shù)描畫(huà)。1.Pauling近似能級(jí)圖1.2.3 1.2.3 核外電子排布核外電子排布 E1s E2s E3s E4s Ens Enp End Enf “能級(jí)分裂 E4s E3d E4p “能級(jí)交錯(cuò)。 l 一樣的能級(jí)的能量隨 n 增大而升高。 n 一樣的能級(jí)的能量隨 l 增大而升高。 徐光憲的能級(jí)上下的近似原那么： n + 0.7l 例如：第四能級(jí)組 4s 3d 4pn + 0.7l 4.0 4.4 4.7 第六能級(jí)組 6s 4f 5d 6pn + 0.7l 6.0 6.1 6.4 6.72.屏蔽效應(yīng)屏蔽效應(yīng)+2e-e-He+2e-He+2-e-假

11、想He由核外電子云抵消一些核電荷的作用。屏蔽效應(yīng)：J)(10179.22218nZE為屏蔽常數(shù)，可用為屏蔽常數(shù)，可用 Slater 閱歷規(guī)那么算得閱歷規(guī)那么算得Z= Z*，Z* 有效核電荷數(shù) 電子進(jìn)入原子內(nèi)部空間，遭到核的較強(qiáng)的吸引作用。3.鉆穿效應(yīng)鉆穿效應(yīng)n一樣時(shí)，l愈小的電子，鉆穿效應(yīng)愈明顯：nsnpndnf，EnsEnpEnd Enf 。鈉原子的電子云徑向分布圖4. 基態(tài)原子的核外電子排布原那么基態(tài)原子的核外電子排布原那么 最低能量原理 電子在核外陳列應(yīng)盡先分布在低能級(jí)軌道上, 使整個(gè)原子系統(tǒng)能量最 低。 Pauli不相容原理 每個(gè)原子軌道中最多包容兩個(gè)自旋方式相反的電子。 Hund 規(guī)

12、那么 在 n 和 l 一樣的軌道上分布的電子,將盡能夠分占 m 值不同的軌道, 且自旋平行。2262651Cr 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s：半滿(mǎn)全滿(mǎn)規(guī)那么：C：1s2 2s2 2p2154s3dArHe、Ar原子芯101Ar 3d 4s N：He 2s2 2p31s2s2pZ=24Z=29Cu：全滿(mǎn)：p6，d10，f14；半滿(mǎn)：p3，d5，f7；全空：p0，d0，f0。5. 基態(tài)原子的核外電子排布基態(tài)原子的核外電子排布 基態(tài)原子的核外電子在各原子軌道上排布順序：1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,7s,5f,6d,7p呈現(xiàn)d軌

13、道時(shí)，按照ns,n-1d,np順序排布；d,f軌道均呈現(xiàn)時(shí)，按照ns, n-2f,n-1d,np順序排布。Z=11，Na：1s22s22p63s1或Ne 3s1 ，Z=20，Ca：1s22s22p63s23p64s2或Ar 4s2 ，Z=50，Sn： Kr 5s2 5p2，Z=56，Ba： Xe 6s2 。價(jià)電子：例如：Sn的價(jià)電子排布式為： 5s2 5p2 。1.3 1.3 元素的周期律元素的周期律1.元素周期律：元素周期律： 元素的性質(zhì)隨著核電荷數(shù)遞增而呈現(xiàn)周元素的性質(zhì)隨著核電荷數(shù)遞增而呈現(xiàn)周期性遞變的規(guī)律。期性遞變的規(guī)律。2.元素周期律產(chǎn)生的緣由元素周期律產(chǎn)生的緣由 元素性質(zhì)的周期性來(lái)源

14、于原子電子層元素性質(zhì)的周期性來(lái)源于原子電子層構(gòu)造的周期性。每一周期都從開(kāi)場(chǎng)到終構(gòu)造的周期性。每一周期都從開(kāi)場(chǎng)到終了，周期性的反復(fù)這一變化了，周期性的反復(fù)這一變化 。元素的周期表元素的周期表元素周期表中的七個(gè)周期分別對(duì)應(yīng)7個(gè)能級(jí)組周期特點(diǎn)能級(jí)組對(duì)應(yīng)的能級(jí)原子軌道數(shù)元素?cái)?shù)一二三四五六七特短周期短周期短周期長(zhǎng)周期長(zhǎng)周期特長(zhǎng)周期不完全周期12345671s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p144991616288181832應(yīng)有323.3.元素的族元素的族 第1，2，13，14，15，16和17列為主族，即,A,A,A,A,A,A,A。主族元素的族數(shù)=原子的最外層

15、電子數(shù)=主族元素的最高化和價(jià)數(shù) 稀有氣體He除外8e為A,通常稱(chēng)為零族， 第37，11和12列為副族。即, B,B,B,B,B,B和B。 前5個(gè)副族的價(jià)電子數(shù)=族序數(shù)。 1.3.1 元素的周期性質(zhì)元素的周期性質(zhì)共價(jià)半徑 van der Waals 半徑 主族元素：從左到右 r 減?。?從上到下 r 增大。過(guò)渡元素：從左到右r 緩慢減?。?從上到下r略有增大。 金屬半徑1.1.原子半徑原子半徑rrr主族元素半徑變化主族元素半徑變化 元素的原子半徑變化趨勢(shì)11molkJ2 .520 )g(LieLi(g)I 基態(tài)氣體原子失去電子成為帶一個(gè)正電荷的氣態(tài)正離子所需求的能量稱(chēng)為第一電離能，用 I 1表示

16、。 由+1價(jià)氣態(tài)正離子失去電子成為帶+2價(jià)氣態(tài)正離子所需求的能量稱(chēng)為第二電離能，用 I 2表示。E+ g E 2+ g + e- I 2E g E+ g + e- I 1例如：1332molkJ11815 )g(Lie(g)LiI122molkJ1 .7298 )g(Lie(g)LiI2.2.電離能電離能:加呈現(xiàn)出周期性變化電離能隨原子序數(shù)的增同一周期：同一周期： 短周期：短周期： I 增大。增大。 I1A最小，最小， I1 稀有氣體最大。稀有氣體最大。 長(zhǎng)周期的前半部分長(zhǎng)周期的前半部分I添加緩慢。添加緩慢。 N,P,As,Sb,Be,Mg電離能較大半滿(mǎn)、全電離能較大半滿(mǎn)、全滿(mǎn)滿(mǎn)同一族：同一族

17、：I 變小。變小。 元素的氣態(tài)原子在基態(tài)時(shí)獲得一個(gè)電子成為一價(jià)氣態(tài)負(fù)離子所放出的能量稱(chēng)為電子親和能。當(dāng)負(fù)一價(jià)離子再獲得電子時(shí)要抑制負(fù)電荷之間的排斥力，因此要吸收能量。O g + e - O- g A1 =-140.0 kJ . mol-1O- g + e - O2- g A2 =844.2 kJ . mol-1例如：3.3.電子親和能電子親和能同一周期：從左到右，同一周期：從左到右， A 的負(fù)值添加，鹵素的負(fù)值添加，鹵素的的 A 呈現(xiàn)最大負(fù)值。呈現(xiàn)最大負(fù)值。 A A為正值，為正值， A稀有氣體稀有氣體 為最大為最大正值。正值。同一族：從上到下，大多同一族：從上到下，大多 A的負(fù)值變小。的負(fù)值變

18、小。 AN為正值。為正值。 A 的最大負(fù)值不出如今的最大負(fù)值不出如今 F 原子而在原子而在 Cl 原子。原子。 原子在分子中吸引電子的才干稱(chēng)為元素的電負(fù)性，用 表示。電負(fù)性大小規(guī)律：4.4.電負(fù)性電負(fù)性同一周期：從左到右，同一周期：從左到右， 增大。增大。同一主族：從上到下，同一主族：從上到下， 變小。變小。APMAR 電負(fù)性的標(biāo)度有多種，常見(jiàn)的有 ：Pauling標(biāo)度( )， Mulliken標(biāo)度 ( ) ，Allred-Rochow 標(biāo)度( )，Allen標(biāo)度( )。電負(fù)性( )P復(fù)習(xí)題復(fù)習(xí)題1.寫(xiě)出決議原子構(gòu)造的寫(xiě)出決議原子構(gòu)造的n，l，m 和和ms 四個(gè)量子數(shù)取值規(guī)定四個(gè)量子數(shù)取值規(guī)定及其物理意義。及其物理意義。2.當(dāng)當(dāng)n4 時(shí)，角量子數(shù)可以取哪些值？用原子軌道符號(hào)表時(shí)，角量子數(shù)可以取哪些值？用原子軌道符號(hào)表示之。示之。3.原子