1、內(nèi)容提要： 1、第六章 元素性質(zhì)的周期性變化； 2、原子的殼層結(jié)構(gòu)。 目的要求： 1、掌握電子殼層填充所遵循的規(guī)律，理解泡利原理和能量最小原理； 重點(diǎn)難點(diǎn)： 1、電子殼層填充所遵循的規(guī)律 教學(xué)內(nèi)容：,回主頁,元素性質(zhì)的周期性變化,一、元素性質(zhì)的周期性變化,元素性質(zhì)的周期性變化大家在中學(xué)化學(xué)中就有了較多的了解，就是1869年，俄國科學(xué)家門捷列夫發(fā)現(xiàn)：元素的性質(zhì)隨著原子量（后來發(fā)現(xiàn)是原子核的電荷數(shù)原子序數(shù)）的增加呈現(xiàn)周期性的變化，在此基礎(chǔ)上，門捷列夫創(chuàng)立了元素周期表。大家看到表7.1，其中列出了103種元素，在98版的新華字典上有109種元素，據(jù)報(bào)道，目前已合成到了116號元素，（93號以后的元素

2、自然界中不存在。美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室10月16日宣布，該實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家與俄羅斯科學(xué)家合作，利用俄方的回旋加速器設(shè)備，成功合成了118號超重元素，并觀察到其存在了不到1毫秒時(shí)間）。元素周期表共列成7個(gè)周期，其中排在同一列的元素稱為同一族元素，它們具有相類似的化學(xué)性質(zhì)，這些大家在中學(xué)時(shí)都已經(jīng)知道了。,我們這里更關(guān)注的是它們的物理性質(zhì)：如光譜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、電離能、原子的體積等。,光譜特點(diǎn)：第四章中我們知道，鋰、鈉、鉀等堿金屬具有相似的 光譜結(jié)構(gòu)（都屬于雙線體系），第5章中我們又學(xué)了氦、鈹、鎂等兩個(gè)價(jià)電子的原子也具有類似的光譜結(jié)構(gòu)（它們都有兩套光譜，一套單線，一套三線）。,電離能、原子體積的周期性如

3、圖7.1和7.2所示。,二、電子殼層結(jié)構(gòu),為了解釋元素這些性質(zhì)的周期規(guī)律，玻爾認(rèn)為原子內(nèi)的電子按一定殼層排列，即第一主殼層電子的主量子數(shù)為1，第二主殼層電子的主量子數(shù)為2，依次類推，分別用大寫的K，L，M，N，O，P，Q表示n=1，2，3，4，5，6，7的主殼層。換句話說：我們前面學(xué)習(xí)的主量子數(shù)其實(shí)是用來描述電子的運(yùn)動區(qū)域或者說軌道的大小，決定了電子能量的主要部分。,在每一個(gè)主殼層中又有若干個(gè)次殼層，也就是說有若干種軌道的形狀。用軌道角量子數(shù)l來描述，l=0，1，2，3，4，5，6分別用小寫的s,p,d,f,g,h,i表示。次殼層的數(shù)量由主殼層決定，共有n個(gè)次殼層，l最大取(n-1)。,每一種

4、形狀的軌道又有若干種軌道的取向。,如：p電子的軌道有3種可取的方向，d電子的軌道有5種可取的方向。用ml表示，ml最大為l,最小為-l，中間依次差1。,而且每個(gè)電子的軌道確定后，還要考慮它的自旋，有兩種取向，一正一負(fù)，用 表示，分別為1/2和-1/2。,以上四個(gè)量子數(shù)知道后才能確定一個(gè)電子的狀態(tài)。,1、根據(jù)泡利不相容原理：在原子中不能有兩個(gè)或兩個(gè)以上電子處在同一狀態(tài)。,比方：在一棟樓中，有不同的樓層（即為主殼層，這是一個(gè)大的范圍）；每層有不同的房間（次殼層，更小一點(diǎn)的范圍），而且第一層，只有一個(gè)房間0號，第二層有兩個(gè)房間0號和1號，第三層3個(gè)0號1號和2號；房間里有些雙人桌（桌子好比軌道，雙人

5、好比電子自旋），0號房間只有一張雙人桌，所以最多坐2個(gè)人，因?yàn)樗挥袃蓚€(gè)位置（不能有兩個(gè)以上的人坐同一個(gè)位置），2號房間則有3張桌子，所以最多能坐6個(gè)人。明白了吧？這里的同一狀態(tài)是指4個(gè)量子數(shù)都相同，好比這里的樓層、房間、桌號以及同一桌子的左和右。我們前面講過的同科電子就好比在同一個(gè)教室的同學(xué)（所處的主量子數(shù)和軌道角量子數(shù)相同）,原子的殼層結(jié)構(gòu),由上表就可以看出：每個(gè)次殼層最多容納的電子數(shù)為 每個(gè)主殼層所能容納的電子最多數(shù) 個(gè) 。,(2l+1)是指同一軌道角動量中有21個(gè)ml的取值，2是指同一ml又有2個(gè)自旋方向。在同一主殼層中所能容納的電子數(shù)即為所有次殼層最大電子數(shù)l之和,剛才我們在討論時(shí)并

6、沒有考慮電子自旋與軌道運(yùn)動之間的相互作用。不過即使考慮這一作用也不會影響到結(jié)論。只不過這時(shí)用的是n,l,j,mj四個(gè)量子數(shù)來描述，其本質(zhì)是一樣的，因?yàn)橛蓛煞N自旋的取向，所以產(chǎn)生了兩個(gè)j=l+1/2,l-1/2，而此時(shí)總角動量的取向又有 種，即mj=j,j-1,-j,所以每個(gè)次殼層所能容納的最多電子數(shù)仍為2l+1,每一個(gè)主殼層能容納的電子數(shù)仍為 個(gè)。第1主殼層為2個(gè)，第2主殼層8個(gè)，第3主殼層能容納18個(gè)電子，第四主殼層能容納32個(gè)電子，,周期表中第一周期兩個(gè)元素，第二周期8個(gè)元素，這剛好和主殼層容納的電子數(shù)相符，但從第三周期開始就不相符了，這是什么原因呢?,原子中每一個(gè)殼層能容納這么多個(gè)電子，

7、那么如果原子中的電子不能排滿時(shí)，這些電子處在什么養(yǎng)成呢？比如說，你去看演出，你進(jìn)場的時(shí)候先坐哪個(gè)位置呢？你會在剩余的位置中找一個(gè)視覺效果最好的位置對吧。原子中電子的排列也是類似的。,2、能量最小原理,在滿足泡利不相容原理的基礎(chǔ)上還應(yīng)滿足能量最小原理：基態(tài)時(shí)原子中電子的排布總是使整個(gè)原子的能量最小。,因?yàn)轶w系的能量越低，系統(tǒng)越穩(wěn)定，這是物理學(xué)中的普遍規(guī)律。換句話說，電子在原子中排布時(shí)，總是先占據(jù)能量最低的殼層和位置。（好比你看電子影時(shí)總是在不和別人爭位置的基礎(chǔ)上找一個(gè)最好的位置。）,那么哪個(gè)位置最好呢？前先肯定靠前一點(diǎn)的更好，但并不是說前面的就比后面的好，第一排最邊上的位置肯定沒有第二排中間的位

8、置好。,原子的能級高低也一樣，并不是完全由主量子數(shù)決定，軌道角量子數(shù)也會影響能級的大小，某些n小而l大的能級可能要高于n大而l小的能級。從而打亂了能級的正常次序，電子的填充次序也跟著改變。,只考慮主量子數(shù)和軌道角量子數(shù)時(shí)徐光憲總結(jié)出一條規(guī)律：能級的高低可由n+0.7l來決定。也就是原子中的電子是按n+0.7l值的大小依次填充到殼層中。電子的填充順序是：1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,為便于記憶，列成如下圖表的順序。,從這個(gè)圖表中可以得出元素周期表中各個(gè)周期的元素種數(shù)，分別為2，8，8，18，18，32，與周期表中的數(shù)據(jù)完

9、全相同。,有了以上的知識，我們可對任求出任意一種元素處在基態(tài)時(shí)的電子組態(tài)（確定它的主殼層我次殼層），至于更精細(xì)的能級結(jié)構(gòu)，則可依據(jù)洪特定則。,內(nèi)容提要： 1、 原子基態(tài)的電子組態(tài) 目的要求： 1、掌握原子基態(tài)的電子組態(tài)和原子基態(tài)確定； 2、對原子結(jié)構(gòu)有一個(gè)較全面的了解。 重點(diǎn)難點(diǎn)： 1、原子基態(tài)確定 教學(xué)內(nèi)容：,三、原子基態(tài)的電子組態(tài),元素原子中的電子處在第1主層，只有一個(gè)支殼層，能容納兩個(gè)電子，所以只有兩種元素，氫和氦，氫只有一個(gè)電子，基態(tài)的組態(tài)是1s由此得到的原子態(tài)是 。氦有兩個(gè)電子，在基態(tài)時(shí)，都在1s態(tài)，L=0這是沒問題的，S=0是為什么呢？所以J=0，形成原子態(tài) ,第一周期：,第二周期

10、：,電子開始排第二殼層時(shí)進(jìn)入第二周期，第一種是鋰鋰原子的原子序數(shù)是3，具有三個(gè)電子在基態(tài)時(shí)這三個(gè)電子中的兩個(gè)填滿了第一殼層，第三個(gè)電子必須進(jìn)入第二殼層，并盡可能填在最低能級，所以是個(gè)2s電子這樣，電子組態(tài)是 ,所以J=1/2，,因此鋰原子的基態(tài)應(yīng)為 ，光譜的觀察證實(shí)了這樣的情況,原子的基態(tài)應(yīng)該是：,第二周期的第二種元素是鈹，它有四個(gè)電子，請寫出它的基態(tài)的電子組態(tài)和原子態(tài)？,做一做,形成的原子態(tài)是 ，這時(shí)第二殼層(n2)的第一次殼層(l0)已填滿,當(dāng)一個(gè)次守殼層被填滿時(shí)，其總的S=0，L=0，J=0，也就是說，這些電子的軌道角動量的和為0，自旋角動量的和也為0（原因就在于不同方向的角動量剛好完全

11、相互抵消）。由此可見，在推斷原子態(tài)時(shí)，滿殼層的電子可以不加考慮。如硼有5個(gè)電子，電子組態(tài)為1s22s22p，前面四個(gè)電子滿殼層，總角動量為0，對原子態(tài)起作用的只有一個(gè)p電子，所以其原子態(tài)為 （J=3/2，1/2，用正常次序，所以J取1/2）。,結(jié)論：,如果原子中的電子剛好填滿一個(gè)次殼層，而無多余的電子時(shí)，原子態(tài)必定為 。如表7.3中的10號元素、12號元素、18號、20號元素原子的基態(tài)都是 .,第三周期：,也有八種元素、從鈉起到氬止鈉有十一個(gè)電子，其中十個(gè)填入第一、第二殼層，構(gòu)成如氖原子一樣的完整結(jié)構(gòu)所以第十一個(gè)電子最低必須進(jìn)入第三殼層，在基態(tài)時(shí)這是3s電子鈉的基態(tài)是 ，它具有同鋰相似的性質(zhì)，

12、這以后七種原子中電子逐一填補(bǔ)的情況同第二周期的原子相同，只是現(xiàn)在填補(bǔ)在第三殼層到了氬，第三殼層的第一、第二次殼層已填滿、它的基態(tài)是 ，氬具有同氖和氦相仿的性質(zhì)，它也是惰性氣體。,從表72和表73中可以看到，在第三殼層中，到現(xiàn)在為止還有第三次殼層(3d電子3完全空著下一個(gè)元素是周期表中第十九位的鉀，它的 第十九個(gè)電子是否填補(bǔ)在3d上呢？光譜的觀察和它的其他性質(zhì)都顯示出最后填補(bǔ)的不是3d電子鉀原子中十八個(gè)電子已經(jīng)構(gòu)成一個(gè)完整的殼層體系，第19個(gè)電子就要決定原子態(tài)的性質(zhì)，如果這是3d電子，原子的基態(tài)就得是2D，但由實(shí)驗(yàn)得出基態(tài)是 。足見鉀的最外邊的電子已經(jīng)進(jìn)入第四殼層開始一個(gè)新周期第三周期到氬已結(jié)束

13、。共有八種元素。,第四周期：,有十八種元素，開始是鉀、上文指出、鉀的第十九個(gè)電子不進(jìn)入3d態(tài)而填補(bǔ)在4s態(tài)，這是什么理由呢?這是由于4s的能量低于3d的能量按照基態(tài)是能量最低的狀態(tài)，所以在基態(tài)隊(duì)這個(gè)電子先補(bǔ)在4s態(tài)，那么為什么4s會低于3d呢？按照以前的討論，4s的軌道是一個(gè)偏心事很高的橢圓軌道，它大原子實(shí)中的貫穿和引起原子實(shí)的極化都能使它的能級下降3d是圓形軌道、不會有貫穿，極化作用也小，它的能級應(yīng)該接近氫原于的能級，因此4s能級低于3d是完全可以理解的,這樣結(jié)束了第四周期,如表7.3所示，第四周期中元素從鈧（Z=21）到鎳（Z=28）是陸續(xù)填充3d電子的過程，這些元素是這個(gè)周期的過渡元素，

14、到銅(Z29)，3d電子填滿（本來輪到9個(gè)），留下一個(gè)4s電子，所以成為1價(jià)的元素下一種元素是鋅。4s補(bǔ)滿兩個(gè)以后從鎵到氪共六種元素、是陸續(xù)填補(bǔ)4p的過程這些元素同第二、三周期中填補(bǔ)p電子的那些元素行相傳的性質(zhì)氪是惰性氣體，在這原子中4s和4p部已填滿，形成原子態(tài),第五周期：,到了氪，第四殼層中還有4d和4f的地位完全空著下一種元素是銣(z37)由于同鉀相仿的理由，它的第三十七個(gè)電子不進(jìn)入4d而填5s態(tài)這就開始了第五周期這個(gè)周期也有十八種元素情況同第四周期相仿在頭兩種，銣和鍶中填補(bǔ)了5s電子從釔(z39)起到鈀(Z=46)陸續(xù)填補(bǔ)4d電子，這些是這個(gè)周期的過渡元素在第四十七元素銀中，4d填滿而

15、有一個(gè)5s電子，它同銅有相仿的電子結(jié)構(gòu)，因而也有相仿的性質(zhì)下一元素鎘中5s填滿從銦(Z=49)到氙(z54)陸續(xù)填補(bǔ)5p電子這些元素具有同前幾個(gè)周期中相應(yīng)元素的性質(zhì)氙已是第五周期的最后一個(gè)元素。,第六周期：,到第五周期末，第四殼層的4f和第五完層的5d，5f，5g都還空著但由于以前說過的理由，6s的能量比這些態(tài)還要低所以在氙之后，元素銫(Z55)的最外邊個(gè)電子進(jìn)入6s態(tài)，開始了第六周期這周期有三十二種元素在頭兩種元素銫和鋇中，補(bǔ)滿了6s電子鑭(Z=57)中補(bǔ)了一個(gè)5d，此后從鈰(z58)到镥(Z71)十四種元素中陸續(xù)填補(bǔ)4f電子，而5s，5p，6s維持不變這就是為什么這些元素自成一集體，具有相

16、仿性質(zhì)這就是稀土元素，接著從鉿(Z72)起到鉑(Z78)，5d電子被填補(bǔ)起來這些就是第六周期的過渡元素到金(Z79)，5d電子補(bǔ)齊而余一個(gè)6s，所以它具有同銀和銅相仿的性質(zhì)下一元素是汞，6s填滿鉈到氡有規(guī)則地填補(bǔ)6P電子。氡是第六周期最后一種元素,第七周期,盡管第五和第六殼層中還合空位很多，鈁(Z87)的最外邊一個(gè)電子卻補(bǔ)在盡可能最低能量的7s態(tài)，開始了第七周期在鐳原中，7s補(bǔ)齊錒(Z89)補(bǔ)了一個(gè)6d電子釷(Z90)又補(bǔ)了一個(gè)6d電子以后直到鐒(z103)主要是補(bǔ)5f電子因此這些元素同稀土元素相仿，自成一組，具有相似的性質(zhì)第七周期只有五種，鐳(Z88)到鈾(Z92)，是自然界在的，其余是人工

17、制造的。,等電子體系光譜的比較研究,等電子體系是指原子核不同但核外具有相同電子數(shù)的體系，如氫原子與氦離子以及鋰的二價(jià)離子，它們核電荷數(shù)不同但核外電子數(shù)相同，因此稱為等電子體系。,現(xiàn)在考慮K，Ca+, Sc2+, Ti3+, V4+, Cr5+, Mn6+這樣一個(gè)等電子體系，它們都是由一個(gè)原子核和19個(gè)電子組成。結(jié)構(gòu)相似，可看成是由一個(gè)原子實(shí)（一個(gè)原子核與18個(gè)電子）加一個(gè)價(jià)電子組成，這個(gè)價(jià)電子在原子實(shí)形成的電場中運(yùn)動。這樣一個(gè)系統(tǒng)和我們在第四章學(xué)習(xí)的堿金屬系統(tǒng)是一樣的。如果不考慮精細(xì)結(jié)構(gòu)，則光譜項(xiàng)可表達(dá)為：,Z*是有效電荷數(shù)，它已經(jīng)把軌道貫穿和原子實(shí)極化等效果都包含在內(nèi)，Z*的數(shù)值對中性原子在1和Z之間，Z是原于核的電荷數(shù)對一次電離的離子，Z*在2和Z之間;對二次電離的離子，在3和Z之間余類推注意等電子離子的Z是不同的這樣，Z*可以表達(dá)為Z- ，則(1)式可改列為Z*是有效電荷數(shù)，它已經(jīng)把軌道貫穿和原子實(shí)極化等效果都包含在內(nèi)，Z*的數(shù)值對中性原子在1和Z之間，Z是原于核的電荷數(shù),由上式可以看出，n和（反映角量子數(shù)）相同時(shí)， 與原子核電荷數(shù)成正比。把等電子體各種離子價(jià)電子處在3d態(tài)時(shí)（n和確定）對應(yīng)的光譜項(xiàng)可以測出，則它們與Z的關(guān)系為一條真線，斜率就為1/n。,對一次電離的離子，Z*在2和Z之間，對二次電離的離子，在3和Z之間余,同樣可以測出價(jià)電子處在其它態(tài)時(shí)