1、關(guān)于原子結(jié)構(gòu)與元素周期律第1頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四本章學(xué)習(xí)要求1了解微觀粒子的運(yùn)動特征、波函數(shù)與原子軌道、概率密度與電子云、原子軌道和電子云角度分布圖等基本概念；2掌握四個量子數(shù)的物理意義、相互關(guān)系及合理組合；3掌握單電子原子、多電子原子的軌道能級和核外電子排布規(guī)律，熟練寫出第四周期以內(nèi)元素原子的核外電子排布式；4掌握原子結(jié)構(gòu)與周期系的關(guān)系,了解元素基本性質(zhì)的變化規(guī)律；第2頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四物質(zhì)結(jié)構(gòu)概述 物質(zhì)結(jié)構(gòu)就是要回答：物質(zhì)的構(gòu)成? 物質(zhì)結(jié)構(gòu)的三個層次： 物質(zhì)分子原子原子是由原子核和電子組成的，通常在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，原

2、子核并不發(fā)生變化，變化的只是電子，所以講物質(zhì)結(jié)構(gòu)就是講電子是如何運(yùn)動的。第3頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四氫原子光譜與Bohr理論Bohr理論假設(shè)： (1)核外電子只能沿著一定能量的軌道(穩(wěn)定軌道)運(yùn)動 (2)通常，電子只有從一個軌道躍遷到另一個軌道時，才有能量的吸收或放出。處在離核最近的軌道上，能量最低基態(tài)；原子獲得能量后，電子被激發(fā)到高能量軌道上，原子處于激發(fā)態(tài)第4頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四 Bohr理論把宏觀的牛頓經(jīng)典力學(xué)用于微觀粒子的運(yùn)動，沒有認(rèn)識到電子等微觀粒子的運(yùn)動必須遵循特有的運(yùn)動規(guī)律和特征，即能量量子化。第5頁，共67頁，

3、2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四一原子核外電子的運(yùn)動狀態(tài)電子的波粒二象性(電子衍射實(shí)驗(yàn)) 1927年，Davisson和Germer應(yīng)用Ni晶體進(jìn)行的電子衍射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電子具有波動性。將一束電子流經(jīng)過一定的電壓加速后通過金屬單晶，象單色光通過小圓孔一樣發(fā)生衍射現(xiàn)象，在感光底片上，得到一系列明暗相間的衍射環(huán)紋。 第6頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四第7頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四 微觀粒子的主要運(yùn)動特征是波粒二象性。微觀粒子與宏觀物體的不同之處在于宏觀物體可以用經(jīng)典力學(xué)來描述其運(yùn)動時的具體位置和速度。但是微觀粒子遵循測不準(zhǔn)原則，無法準(zhǔn)

4、確測定其位置和動量。對于在原子核外運(yùn)動的電子，雖然無法在某一時刻準(zhǔn)確預(yù)測其具體位置，但可以用統(tǒng)計學(xué)的方法描述在核外出現(xiàn)的頻率。其運(yùn)動規(guī)律須用量子力學(xué)來描述，它的基本方程是Schrdinger方程。2.波函數(shù)及原子軌道第8頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四Schrdinger方程 量子力學(xué)中描述核外電子在空間運(yùn)動的數(shù)學(xué)函數(shù)式，即原子軌道 (x, y, z)波函數(shù) ，x, y, z 為微粒的空間坐標(biāo) E 軌道總能量 (動能與勢能總和)m 微粒質(zhì)量，h 普朗克常數(shù)第9頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四直角坐標(biāo)與球坐標(biāo) 的轉(zhuǎn)換 ( x,y,z)(r,)(x,

5、y,z)= (r,)=R(r)Y(,)第10頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四薛定諤方程解的形式求解薛定諤方程，就是要求出其中的E和為了得到電子運(yùn)動狀態(tài)合理的解，必須引用只能取某些整數(shù)值的三個參數(shù)，就是量子數(shù)。主量子數(shù)n，角量子數(shù)l，磁量子數(shù)m第11頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四s、p軌道角度部分剖面圖zx+pxzy+pypzzx+zx+s波函數(shù)的角度分布圖第12頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四d 軌道+yxdxy+zydyz+zxdxz+d x2y2yx+d z2zx四花瓣形第13頁，共67頁，2022年，5月20日，2

6、點(diǎn)42分，星期四(2)電子在空間出現(xiàn)的機(jī)會稱為概率。在某單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率稱為概率密度。一般認(rèn)為，波函數(shù)表示電子的運(yùn)動狀態(tài)，則 |2表示電子在原子內(nèi)的某點(diǎn)附近出現(xiàn)的概率密度。3.概率(幾率)密度與電子云(1) 具有波動性的微觀粒子不再服從經(jīng)典力學(xué)規(guī)律，它們的運(yùn)動沒有確定的軌道，只有一定的空間幾率分布，遵循測不準(zhǔn)原則，故對微觀粒子的運(yùn)動狀態(tài)只能采用統(tǒng)計的方法，做出幾率性的判斷。第14頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四不同運(yùn)動的描述方式宏觀物體機(jī)械波微觀粒子粒子性波動性波粒二象性可準(zhǔn)確確定位置和速度波函數(shù)，可描述波在空間的分布情況概率波函數(shù)，少數(shù)粒子表現(xiàn)出粒子性，大量粒子表

7、現(xiàn)出波動性勻速運(yùn)動的物體第15頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四波函數(shù)的物理意義2 ：原子核外出現(xiàn)電子的概率密度。 電子云是電子出現(xiàn)概率密度的形象化描述。第16頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四各種狀態(tài)的電子云的分布形狀第17頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四微觀粒子運(yùn)動的一般規(guī)律有以下特點(diǎn)：微觀粒子的運(yùn)動具有波粒二象性，其運(yùn)動的不確定性決定了電子的運(yùn)動狀態(tài)要用波函數(shù)來描述，并用四個量子數(shù)來確定。波函數(shù)可以描述電子的運(yùn)動狀態(tài)，電子在核外出現(xiàn)的概率密度可以用圖形來描述。不同運(yùn)動狀態(tài)的電子有不同的波函數(shù)，其圖形也不同。波函數(shù)又稱為原

8、子軌道。而電子云則是|2的形象化描述，是電子在空間出現(xiàn)的概率密度分布的形象化表示。波函數(shù)表示的原子軌道的圖像有正負(fù)之分，而電子云的圖像則沒有。第18頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四主量子數(shù)n，角量子數(shù)l和磁量子數(shù)m。另外，還有一個自旋量子數(shù)ms。用這些量子數(shù)可以表示原子軌道或電子云離核的遠(yuǎn)近、形狀、在空間的伸展方向以及電子的自旋狀態(tài)，各量子數(shù)必須符合一定的條件 。4.四個量子數(shù)第19頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四1)主量子數(shù)n與電子能量有關(guān)，對于氫原子，電子能量唯一決定于n；不同的n值，對應(yīng)于不同的電子層：取值： .對應(yīng)： K L M N O.

9、物理意義： 描述電子層(能層) 描述電子離核遠(yuǎn)近 n 是決定電子能量的主要因素 第20頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四2)角量子數(shù) l物理意義： 描述原子軌道或電子云形狀； 表示同一電子層中具有不同的亞層； 在多電子原子中，確定能量的次要因素。取值: 0，1， 2， ，(n-1)第21頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四對于給定的主量子數(shù)n，可能有n個不相同的角量子數(shù)l，這些l值表示在同一電子層中不同狀態(tài)的分層，也叫亞層。主量子數(shù)n與角量子數(shù)l的關(guān)系n 1 2 3 4 5 l的取值 0 0,1 0,1,2 0,1,2,3 0,1,2,3,4第22頁，

10、共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四l0123亞層spdf電子云形狀球?qū)ΨQ啞鈴形四花瓣形復(fù)雜各電子層的亞層數(shù)=電子層的 n值第23頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四角量子數(shù)與波函數(shù)的角度部分有關(guān)，它決定了電子在空間的角度分布情況，也決定了電子云的形狀。當(dāng)l=0時的s軌道，其電子云的形狀是呈球形的，是對稱的，電子的運(yùn)動狀況與角度無關(guān)；當(dāng)l=1時的p軌道，其電子云呈啞鈴形，是不對稱的，電子的運(yùn)動狀況與角度有關(guān)；當(dāng)l=2時的d軌道，其電子云呈花瓣形，是不對稱的，電子的運(yùn)動狀況與角度有關(guān)。第24頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四能量相同，處于

11、同一能級的軌道,稱為等價軌道(簡并軌道)。多電子原子中，軌道能量由n 、 l 共同 決定。 單電子原子： Ens= Enp= End= Enf多電子原子： Ens Enp End Enf第25頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四3) 磁量子數(shù)m取值: 0 、 1 、 2 l 共2l+1 個值物理意義：描述同一亞層的原子軌道 (電子云) 的伸展方向。如 2 p 軌道（ n = 2 ，l = 1 ）在空間有三種不同的取向。第26頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四同一亞層中，有幾個不同的m值,就有幾條原子軌道。zyx即每一種 m 的取值，對應(yīng)一種空間取向。第

12、27頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四 n 1 2 3 l 0 0 10 1 2 m 0 0 010 01 0 1 2 軌 道1s2s2pz2px2py3s3pz3px3py3dz23dyz 3dzx 3dxy 3dx2-y2 電子數(shù) 2 2 + 6 = 8 2 + 6 + 10 = 18第28頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四所以，n，l，m三者共同決定電子云所處的位置離核的遠(yuǎn)近，能量的高低，電子云的形狀和伸展方向。例如，n=3，l=1，m=0所表示的3p原子軌道位于第三層，呈啞鈴形，電子云沿z軸方向伸展的軌道。第29頁，共67頁，2022年，5月

13、20日，2點(diǎn)42分，星期四因此，每一原子軌道上最多能容納2個電子。原子中每個電子的運(yùn)動狀態(tài)可以由n，l，m，ms四個量子數(shù)共同描述。四個量子數(shù)確定以后，電子在核外空間的運(yùn)動狀態(tài)也隨之確定。4) 自旋量子數(shù)msms物理意義：描述電子的自旋運(yùn)動。 取值： +1/2， -1/2通常用 “ ” 和 “ ” 表示。第30頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四 由量子數(shù)的制約條件可以發(fā)現(xiàn)，每一電子層離核遠(yuǎn)近不同，能量不同，每一電子層又有不同的亞層，不同亞層中有若干個不同的伸展方向的原子軌道。每一原子軌道中的電子可能處于不同的自旋狀態(tài)。因此，各層電子可能出現(xiàn)的運(yùn)動狀態(tài)由四個量子數(shù)確定。四個

14、量子數(shù)、電子層、電子亞層、各層容納的電子數(shù)之間的關(guān)系匯列在表中。第31頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四第32頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四第33頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四例: 某一多電子原子，試討論在其第三層電子層中：亞層數(shù)是多少？并用符號表示各亞層； 各亞層上的軌道數(shù)是多少？該電子層上軌道總數(shù)是多少？ 哪些是等價軌道？第34頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四鮑林（Pauling）近似能級圖5.多電子原子軌道能級第35頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四 主量子數(shù)n和角量子

15、數(shù)均不相同時，出現(xiàn) “能級交錯”現(xiàn)象E4s E3d E4p . 。 由圖可見： 角量子數(shù)相同，能級能量隨主量子數(shù)的增 大而升高，即E1s E2s E3s E4s . 。 主量子數(shù)相同，能級能量隨角量子數(shù)l的增 大而升高，即Ens Enp End Enf . 。核外電子排布規(guī)律第36頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四(2) Pauli 不相容原理: 在同一原子中沒有四個量子數(shù)完全相同的兩個電子存在。于是每個原子軌道中只能容納兩個自旋方向相反的電子。每個電子層可以容納2n2個電子。 (1) 最低能量原理：在不違反Pauli不相容原理的前提下,電子總是盡先占據(jù)能量最低的軌道（

16、ns (n-2)f (n-1)d np ），使原子的能量處于最低狀態(tài)。 二原子中電子的排布第37頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四(3) Hund 規(guī)則：在等價軌道上，電子總是盡可能 以自旋相同的方向分占不同的軌道。 Hund 規(guī)則的特例：在等價軌道上，電子處于全充滿( p6 、 d10 、 f14 )半充滿( p3 、 d5 、 f7 ) 和全空( p0 、 d0 、 f0 ) 時原子能量較低，體系較穩(wěn)定。第38頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四將原子核外電子按上述順序排布后，再按軌道電子從內(nèi)層到外層寫出。即為原子的電子結(jié)構(gòu)式或電子排布式（電子組態(tài)

17、）。如Mn: 1s22s22p63s23p63d54s2電子填充順序?yàn)椋?s，2s 2p，3s 3p , 4s 3d4p，5s 4d 5p，6s 4f 5d 6p 第39頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四例1：碳原子6C的電子排布為1s22s22p2，此時軌道上的電子排布。24Cr：1s22s22p63s23p63d54s129Cu：1s22s22p63s23p63d104s1例2： 24Cr和29Cu的電子排布:第40頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四 此外，為方便起見，將24Cr寫成Ar3d54s1，29Cu寫成Ar3d104s1,這是由于Ar表

18、示24Cr中的原子內(nèi)層電子結(jié)構(gòu)與Ar這種稀有氣體的原子結(jié)構(gòu)一樣，稱之為原子芯。如11Na：1s22s22p63s1，可以寫成11Na:Ne3s137Rb：1s22s22p63s23p63d104s24p65s1，可以寫成37Rb：Kr5s1第41頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四上述三條原則是對原子核外電子排布的一種理論約定，后來經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)它們符合量子力學(xué)的原理。運(yùn)用上述三條原理對1109號原子中的核外電子進(jìn)行排布，其中絕大多數(shù)與光譜實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)一致。第42頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四第43頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星

19、期四元素原子的電子層結(jié)構(gòu)呈周期性變化，導(dǎo)致元素性質(zhì)周期性變化, 這就是元素周期律。周期的劃分與能級組的劃分完全一致，每個能級組都獨(dú)自對應(yīng)一個周期。共有七個能級組， 所以共有七個周期。1.元素周期律2.元素的周期三原子核外電子排布與元素周期律第44頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四周期的劃分和軌道能級組的關(guān)系周期數(shù)原子序數(shù)元素數(shù)目最高能級組最大電子容量11221s第一能級組2231082s,2p第二能級組83111883s,3p第三能級組841936184s,3d,4p第四能級組1853754185s,4d,5p第五能級組1865586326s,4f,4d,6p第六能級組3

20、2787109(未完)237s,5f,5d,7p第七能級組32第45頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四族主族(IA-VIIA,0)原子最后一個電子 填外層 ns、np軌道 副族(IIIB-IIB,IB)最后一個電子填在 (n-1)d或 (n- 2)f 軌道上2) 元素的族1) 周期數(shù)元素電子層數(shù)能級組中最高主量子數(shù)元素周期系第46頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四1SH He235673S4S5S6S7S3d4d5d2p3p4p5p6p4f5f4) 元素的區(qū)元素周期系s區(qū)p區(qū)d區(qū)ds區(qū)2Sf區(qū)第47頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星

21、期四習(xí)題：P124 4、7、9第48頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四1 有效核電荷數(shù) 2 原子半徑 r3 電離能I4 電子親和能 Y5 電負(fù)性 x四元素性質(zhì)的周期性第49頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四 屏蔽效應(yīng) 在多電子原子中，每個電子不僅受到原子核的吸引，而且還受到其他電子的排斥。 采用一種近似的處理方法，把其余電子對某個指定電子的排斥作用簡單地看成是它們抵消了一部分核電荷。這種將其他電子對某個指定電子的排斥作用歸結(jié)為對核電荷的抵消作用稱為屏蔽效應(yīng)。第50頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四1 有效核電荷數(shù) 同一周期主族元

22、素，從左到右，隨著核電荷的增加，最外層電子逐一增加。由于增加的電子都在同一層上，彼此間的屏蔽作用較小,使有效核電荷數(shù)依次顯著增加。第51頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四2原子半徑 共價半徑 同種元素的兩個原子， 以共價單鍵相連時，核間距的一 半，為共價半徑。 d核間距為d，共價半徑 r共= 金屬半徑 金屬晶體中，金屬原子被視為剛性球體，彼此相切，其核間距的一半，為金屬半徑。 第52頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四 van de Waals半徑 在分子晶體中，分子間以范德華力相結(jié)合，這時相鄰分子間兩個非鍵結(jié)合的同種原子，其核間距離的一半，稱為該原子

23、的范德華半徑。AACO2CO2第53頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四 原子半徑的遞變規(guī)律 同一主族，從上到下原子半徑逐漸增大 同一副族從上到下變化幅度小，第五、六周期元素的原子半徑非常接近。 同一周期中：長周期過渡元素：從左到右原子半徑 減小程度不大。短周期：從左到右原子半徑逐漸減小 變化幅度較大。第54頁，共67頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)42分，星期四A 0 H32 He 93 Li123 Be 89 B82 C77 N70 O66 F64 Ne112 Na154Mg136 Al118 Si117 P110 S104 Cl99 Ar154 K203 Ca174 Sc144 Ti132 V122 Cr118Mn117 Fe117 Co116 Ni115 Cu117 Zn125 Ga126 Ge122 As121 Se117 Br114 Kr169 Rb216 Sr191 Y162 Zr14