第7講-元素周期表

1、 原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)1803,英國(guó)的道爾頓的原子學(xué)說(shuō)英國(guó)的道爾頓的原子學(xué)說(shuō)1811,意大利的阿佛加德羅的分子假說(shuō)意大利的阿佛加德羅的分子假說(shuō)德謨克里特德謨克里特一、認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的歷史一、認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的歷史1.湯姆遜的原子模型湯姆遜的原子模型 18971897發(fā)現(xiàn)電子發(fā)現(xiàn)電子2.1911年盧瑟福的原子模型行星式原年盧瑟福的原子模型行星式原子的模型子的模型原子是由帶正電的連續(xù)體和在其內(nèi)部運(yùn)動(dòng)原子是由帶正電的連續(xù)體和在其內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的負(fù)電子構(gòu)成的負(fù)電子構(gòu)成散射實(shí)驗(yàn)：帶正電的連續(xù)體其實(shí)是一個(gè)非常小的核，散射實(shí)驗(yàn)：帶正電的連續(xù)體其實(shí)是一個(gè)非常小的核，而核外電子受這個(gè)核的吸引在核的外圍運(yùn)動(dòng)而核外電子受這個(gè)核的吸

2、引在核的外圍運(yùn)動(dòng)與經(jīng)典電磁理論、原子的穩(wěn)定性和線狀光譜發(fā)與經(jīng)典電磁理論、原子的穩(wěn)定性和線狀光譜發(fā)生矛盾生矛盾焰火熱致發(fā)光焰火熱致發(fā)光霓虹燈電致發(fā)光霓虹燈電致發(fā)光1672年牛頓創(chuàng)造了光譜一詞（年牛頓創(chuàng)造了光譜一詞（spectrum）1859年德國(guó)的基爾霍夫和本生發(fā)明了光譜年德國(guó)的基爾霍夫和本生發(fā)明了光譜儀，奠定了光譜學(xué)的基礎(chǔ)。使光譜分析成儀，奠定了光譜學(xué)的基礎(chǔ)。使光譜分析成為認(rèn)識(shí)和鑒定元素的重要手段，如銫、銣、為認(rèn)識(shí)和鑒定元素的重要手段，如銫、銣、氦、鎵、銦等等氦、鎵、銦等等到到20世紀(jì)初，人們只知道物質(zhì)在高溫或電世紀(jì)初，人們只知道物質(zhì)在高溫或電作用下會(huì)發(fā)光，卻不知道發(fā)光機(jī)理：作用下會(huì)發(fā)光，卻不

3、知道發(fā)光機(jī)理：即知即知道每種元素有特定的光譜，卻不知道為什道每種元素有特定的光譜，卻不知道為什么不同元素有不同的光譜么不同元素有不同的光譜氫原子的光譜問(wèn)題氫原子的光譜問(wèn)題一只裝有氫氣的放電管，通過(guò)高壓電流，一只裝有氫氣的放電管，通過(guò)高壓電流，氫原子被激發(fā)后所發(fā)出的光經(jīng)過(guò)分光鏡，氫原子被激發(fā)后所發(fā)出的光經(jīng)過(guò)分光鏡，就得到氫原子的光譜，其特征是就得到氫原子的光譜，其特征是（1）不連）不連續(xù)的線狀光譜（續(xù)的線狀光譜（2）從長(zhǎng)波到短波，譜線間）從長(zhǎng)波到短波，譜線間的距離越來(lái)越小，表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。的距離越來(lái)越小，表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。這是所有元素的光譜中最簡(jiǎn)單的光譜這是所有元素的光譜中最簡(jiǎn)單的光譜 1

4、883年，巴爾麥經(jīng)猜想與嘗試，得出年，巴爾麥經(jīng)猜想與嘗試，得出可見(jiàn)光區(qū)的經(jīng)驗(yàn)方程可見(jiàn)光區(qū)的經(jīng)驗(yàn)方程里德堡改寫(xiě)了巴爾麥的經(jīng)驗(yàn)方程里德堡改寫(xiě)了巴爾麥的經(jīng)驗(yàn)方程不久人們發(fā)現(xiàn)，氫的紅外光譜和紫外光不久人們發(fā)現(xiàn)，氫的紅外光譜和紫外光譜的譜線同樣符合里德堡方程譜的譜線同樣符合里德堡方程巴爾麥系，巴爾麥系，n1=2 ，可見(jiàn)光譜，可見(jiàn)光譜帕邢系，帕邢系，n1=3，紅外光譜，紅外光譜萊曼系，萊曼系，n1=1，紫外光譜，紫外光譜只有氫光譜及類(lèi)氫原子光譜滿(mǎn)足只有氫光譜及類(lèi)氫原子光譜滿(mǎn)足1905年愛(ài)因斯坦的光子學(xué)說(shuō)年愛(ài)因斯坦的光子學(xué)說(shuō)普朗克的量子化條件普朗克的量子化條件電子的波粒二象性電子的波粒二象性1924年德布羅

5、意年德布羅意3.玻爾的原子模型玻爾的原子模型1927年海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理年海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理xPh/4=5.2731035kgm2 s-1玻爾理論的四個(gè)要點(diǎn)玻爾理論的四個(gè)要點(diǎn)1.行星模型行星模型2.定態(tài)假設(shè)：基態(tài)、激發(fā)態(tài)定態(tài)假設(shè)：基態(tài)、激發(fā)態(tài)3.量子化條件量子化條件 L=nh/2 n=1,2,3, 躍遷規(guī)則躍遷規(guī)則 E=-13.6/n2 n=1,2,3, 原子的組成：原子的組成：1、核組成符號(hào)：、核組成符號(hào)： 的含義。的含義。 XZAA=Z+NN=A-Z二、原子結(jié)構(gòu)：二、原子結(jié)構(gòu)：2351139951920543802UnXeSrn原子的組成：原子的組成：1、核組成符號(hào)：、核組成符號(hào)： 的含義

6、。的含義。 XZA2、結(jié)構(gòu)示意圖、結(jié)構(gòu)示意圖(原子、離子原子、離子)：要標(biāo)明核電荷數(shù)。要標(biāo)明核電荷數(shù)。注意原子與離子結(jié)注意原子與離子結(jié)構(gòu)示意圖的不同。構(gòu)示意圖的不同。原子的組成：原子的組成：1、核組成符號(hào)：、核組成符號(hào)： 的含義。的含義。 XZA2、結(jié)構(gòu)示意圖、結(jié)構(gòu)示意圖(原子、離子原子、離子)：3、同位素、同位素質(zhì)子數(shù)相同質(zhì)子數(shù)相同_化化學(xué)性質(zhì)基本相同。學(xué)性質(zhì)基本相同。中子數(shù)不同中子數(shù)不同_有些有些物理性質(zhì)、核反應(yīng)中物理性質(zhì)、核反應(yīng)中的性質(zhì)、用途可能不的性質(zhì)、用途可能不同。同。同位素同位素質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的同一元素的不不同的同一元素的不同原子的互稱(chēng)。同原子的互稱(chēng)。原子

7、原子質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù)相同相同!中子數(shù)不同，中子數(shù)不同，即質(zhì)量數(shù)不同即質(zhì)量數(shù)不同!：具有一定數(shù)目的質(zhì)子和一：具有一定數(shù)目的質(zhì)子和一定數(shù)目的中子的一種定數(shù)目的中子的一種。：同一元素的不同核素之：同一元素的不同核素之間的互稱(chēng)。即質(zhì)子數(shù)相同中子數(shù)間的互稱(chēng)。即質(zhì)子數(shù)相同中子數(shù)不同的一類(lèi)原子的互稱(chēng)。不同的一類(lèi)原子的互稱(chēng)。怎樣區(qū)別？怎樣區(qū)別？三、相對(duì)原子質(zhì)量與相對(duì)分子質(zhì)量三、相對(duì)原子質(zhì)量與相對(duì)分子質(zhì)量同位素（核素）的相對(duì)原子質(zhì)量：同位素（核素）的相對(duì)原子質(zhì)量：指同位素（核素）的一個(gè)原子質(zhì)量指同位素（核素）的一個(gè)原子質(zhì)量與一個(gè)與一個(gè)1212C C原子質(zhì)量的原子質(zhì)量的1/121/12的相對(duì)比的相對(duì)比值。值。 元素的

8、相對(duì)原子質(zhì)量：元素的相對(duì)原子質(zhì)量： 指某元素各天然同位素的相對(duì)原子質(zhì)量指某元素各天然同位素的相對(duì)原子質(zhì)量與該同位素原子所占的原子個(gè)數(shù)百分比與該同位素原子所占的原子個(gè)數(shù)百分比（豐度）的乘積之和。（豐度）的乘積之和。Ar1n1%+ Ar2n2%+元素的近似相對(duì)原子質(zhì)量：元素的近似相對(duì)原子質(zhì)量： 指某元素各天然同位素的質(zhì)量數(shù)與該指某元素各天然同位素的質(zhì)量數(shù)與該同位素原子所占的原子個(gè)數(shù)百分比同位素原子所占的原子個(gè)數(shù)百分比（豐度）的乘積之和。（豐度）的乘積之和。A1n1%+ A2n2%+ 34.969_ 34.969_35_35_ 24.23%_ 24.23%_ 35.453_ 35.453_ 35.4

9、85_ 35.485_例例1.1.據(jù)文獻(xiàn)記載，氯元素的相對(duì)原子據(jù)文獻(xiàn)記載，氯元素的相對(duì)原子質(zhì)量有關(guān)數(shù)據(jù)如下表，分析其中數(shù)據(jù)質(zhì)量有關(guān)數(shù)據(jù)如下表，分析其中數(shù)據(jù)含義。含義。35.485平均平均35.453平均平均24.23%3737Cl24.23%36.96637Cl75.77%3535Cl75.77%34.96935Cl原子相對(duì)原子質(zhì)量原子相對(duì)原子質(zhì)量質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)原子個(gè)數(shù)百分比原子個(gè)數(shù)百分比元素近似相對(duì)原子質(zhì)量元素近似相對(duì)原子質(zhì)量元素相對(duì)原子質(zhì)量元素相對(duì)原子質(zhì)量C例例2.2. 銻元素的相對(duì)原子質(zhì)量為銻元素的相對(duì)原子質(zhì)量為121.760 121.760 已知銻有已知銻有 與與 兩種天然同位素，下兩種

10、天然同位素，下列說(shuō)法正確的是（列說(shuō)法正確的是（ ）A. 121.760A. 121.760是一個(gè)銻原子的質(zhì)量與一個(gè)是一個(gè)銻原子的質(zhì)量與一個(gè)1212C C原子質(zhì)量的原子質(zhì)量的1/121/12的比值的比值B. 121.760B. 121.760是按銻的兩種天然同位素的質(zhì)是按銻的兩種天然同位素的質(zhì)量數(shù)與它們的原子百分比算出來(lái)的平均值量數(shù)與它們的原子百分比算出來(lái)的平均值C. C. 天然存在的銻元素天然存在的銻元素 與與 的原子個(gè)的原子個(gè)數(shù)比約為數(shù)比約為31193119D. D. 的原子質(zhì)量與的原子質(zhì)量與1212C C的原子質(zhì)量的比值的原子質(zhì)量的比值是是1231123112151Sb12351Sb121

11、51Sb12351Sb12351Sb例例3 研究證明，在活的生物體中研究證明，在活的生物體中C的放射性同位的放射性同位素，素，14C的含量保持不變，當(dāng)此生物體死去后，的含量保持不變，當(dāng)此生物體死去后，14C會(huì)在其體內(nèi)不斷衰變而減少。因此，考古人會(huì)在其體內(nèi)不斷衰變而減少。因此，考古人員可通過(guò)測(cè)定古生物化石中員可通過(guò)測(cè)定古生物化石中14C的含量而確定古的含量而確定古生物生活的年代。下列有關(guān)生物生活的年代。下列有關(guān)14C的敘述中正確的的敘述中正確的是是( ) （A）與）與C60為同素異形體為同素異形體 （B）與）與12C互為同位素互為同位素 （C）與）與14N含的中子數(shù)相同含的中子數(shù)相同 （D）與）

12、與12C化學(xué)性質(zhì)不同化學(xué)性質(zhì)不同B例例4 正電子、負(fù)質(zhì)子等都屬于反粒子，它們跟普正電子、負(fù)質(zhì)子等都屬于反粒子，它們跟普通電子、質(zhì)子的質(zhì)量相等、電性相反。科學(xué)家設(shè)通電子、質(zhì)子的質(zhì)量相等、電性相反。科學(xué)家設(shè)想在宇宙中可能存在完全由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)即想在宇宙中可能存在完全由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)即反物質(zhì)。你推測(cè)下列說(shuō)法正確的是反物質(zhì)。你推測(cè)下列說(shuō)法正確的是( )(A)反氫原子由一個(gè)帶負(fù)電荷的質(zhì)子和一個(gè)帶正反氫原子由一個(gè)帶負(fù)電荷的質(zhì)子和一個(gè)帶正電荷的電子構(gòu)成電荷的電子構(gòu)成(B)反氫原子可表示為反氫原子可表示為H(C)反氫原子是新發(fā)現(xiàn)的氫元素的一種同位素反氫原子是新發(fā)現(xiàn)的氫元素的一種同位素(D)若由兩個(gè)反氫原

13、子形成的分子其相對(duì)質(zhì)量與若由兩個(gè)反氫原子形成的分子其相對(duì)質(zhì)量與重氫原子形成的重氫原子形成的D2分子相對(duì)質(zhì)量相等。分子相對(duì)質(zhì)量相等。(E)反物質(zhì)酸堿中和反應(yīng)的通式的是反物質(zhì)酸堿中和反應(yīng)的通式的是 H+OH=H2O AE1.1926年的薛定諤方程年的薛定諤方程四、核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)四、核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)波函數(shù)波函數(shù)1926年薛定諤根據(jù)波粒二象性的概年薛定諤根據(jù)波粒二象性的概念提出了一個(gè)描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的基念提出了一個(gè)描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的基本方程本方程薛定諤波動(dòng)方程，它是一薛定諤波動(dòng)方程，它是一個(gè)二階偏微分方程。個(gè)二階偏微分方程。式中：式中： Y Y叫波函數(shù)，叫波函數(shù)，E為體系的總能量，為體系的總能量

14、，V為微粒勢(shì)能為微粒勢(shì)能，h為普朗克常數(shù)，為普朗克常數(shù)，m為微粒的質(zhì)量，為微粒的質(zhì)量，x、y、z為空間直角為空間直角坐標(biāo)。坐標(biāo)。 對(duì)氫原子體系來(lái)說(shuō)，對(duì)氫原子體系來(lái)說(shuō)， Y Y是描述氫原子核外電子運(yùn)動(dòng)是描述氫原子核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)表示式，是空間直角坐標(biāo)狀態(tài)的數(shù)學(xué)表示式，是空間直角坐標(biāo)(x.y.z)的函數(shù)。的函數(shù)。 Y Y =f(x.y.z)；E為氫原子為氫原子H的總能量；的總能量；V為電子的勢(shì)能（即核為電子的勢(shì)能（即核對(duì)電子的吸引能）；對(duì)電子的吸引能）；m為電子質(zhì)量。為電子質(zhì)量。VEhmzyx)(822222222 可見(jiàn)，可見(jiàn)，量子力學(xué)是用波函數(shù)和與其對(duì)應(yīng)的能量量子力學(xué)是用波函數(shù)和與其對(duì)應(yīng)的

15、能量來(lái)描述微粒粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的。來(lái)描述微粒粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的。原子中既然是描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)表示式，原子中既然是描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)表示式，而且又是空間坐標(biāo)的函數(shù)，而且又是空間坐標(biāo)的函數(shù)， Y Y =f(x.y.z)可以用其作可以用其作圖，圖，其空間圖象可以形象地理解為電子運(yùn)動(dòng)的空其空間圖象可以形象地理解為電子運(yùn)動(dòng)的空間范圍間范圍俗稱(chēng)俗稱(chēng)“原子軌道（又稱(chēng)原子軌函）原子軌道（又稱(chēng)原子軌函）”。波函數(shù)的空間圖像就是原子軌道，原子軌道的波函數(shù)的空間圖像就是原子軌道，原子軌道的數(shù)學(xué)表示式是波函數(shù)數(shù)學(xué)表示式是波函數(shù)，故波函數(shù)和原子軌道常作，故波函數(shù)和原子軌道常作同義語(yǔ)使用。同義語(yǔ)使用。 對(duì)氫原子對(duì)氫原子

16、0/3011arsea，JEs18110179. 22、原子軌道角度分布圖、原子軌道角度分布圖Y Y =f(x.y.z)，有四個(gè)量在空間不便作圖（即四維，有四個(gè)量在空間不便作圖（即四維的）的），將直角坐標(biāo)變?yōu)榍虬霃剑?，將直角坐?biāo)變?yōu)榍虬霃剑╮.）然后利用數(shù)）然后利用數(shù)學(xué)中的變量分離法，將學(xué)中的變量分離法，將Y Y =f(r.)分解為三個(gè)獨(dú)立分解為三個(gè)獨(dú)立函數(shù)方程再進(jìn)行角度部分合并，即函數(shù)方程再進(jìn)行角度部分合并，即Y Y =R(r)Y(.)。波函數(shù)就分成了徑向分布部分。波函數(shù)就分成了徑向分布部分R(r)和角度分布部和角度分布部分（分（Y）。）。分布用的角度部分分布用的角度部分Y(.)作的圖稱(chēng)為原

17、子軌道的作的圖稱(chēng)為原子軌道的角度分布圖。角度分布圖。注意圖中的注意圖中的“+”“”不是正、負(fù)電，而是不是正、負(fù)電，而是Y函數(shù)函數(shù)為正負(fù)值。為正負(fù)值。3、電子云、電子云 為了形象地表示核外電子運(yùn)動(dòng)的概率分布情為了形象地表示核外電子運(yùn)動(dòng)的概率分布情況，化學(xué)上常用黑點(diǎn)分布的疏密來(lái)表示電子出現(xiàn)況，化學(xué)上常用黑點(diǎn)分布的疏密來(lái)表示電子出現(xiàn)概率密度的相對(duì)大小。概率密度的相對(duì)大小。密密概率密度大，平均體積內(nèi)電子出現(xiàn)的機(jī)會(huì)概率密度大，平均體積內(nèi)電子出現(xiàn)的機(jī)會(huì)多，多，用這種方法（小黑點(diǎn)的疏密）來(lái)描述電子在用這種方法（小黑點(diǎn)的疏密）來(lái)描述電子在核外出現(xiàn)的概率密度分布所得的空間圖像稱(chēng)電子核外出現(xiàn)的概率密度分布所得的空

18、間圖像稱(chēng)電子云。云。 由于概率密率由于概率密率 ，若以，若以 作圖，可得到作圖，可得到電子云的近似圖象。電子云的近似圖象。將的角度分布部分（將的角度分布部分（ ）作圖，所得圖象稱(chēng)為電）作圖，所得圖象稱(chēng)為電子云角度分布圖。子云角度分布圖。222 要比較具體描述原子中各電子的狀態(tài)（電子所在的電要比較具體描述原子中各電子的狀態(tài)（電子所在的電子層，原子軌道能級(jí)，形狀，方向及電子自旋的方向等）子層，原子軌道能級(jí)，形狀，方向及電子自旋的方向等）則需要四個(gè)參數(shù)才行。則需要四個(gè)參數(shù)才行。1、主量子數(shù)（、主量子數(shù)（n） 含義：（含義：（1）描述電子層離核的遠(yuǎn)近；）描述電子層離核的遠(yuǎn)近； （2）描述電子層能量的高

19、低。）描述電子層能量的高低。 取值：取零以外的正整數(shù)，其中每一個(gè)數(shù)代表一個(gè)取值：取零以外的正整數(shù)，其中每一個(gè)數(shù)代表一個(gè)電子層。電子層。主量子數(shù)（主量子數(shù)（n）：）：1 2 3 4 5 電子層：電子層： 第一層第一層 第二層第二層 第三層第三層 第四層第四層 第五層第五層 電子層符號(hào)：電子層符號(hào)： K L M N O n值越小，電子層離核越近，能量越低。值越小，電子層離核越近，能量越低。2、副（角）量子數(shù)（、副（角）量子數(shù)（l）含義：（含義：（1）在多電子原子中與）在多電子原子中與n一起決定電子亞層的能一起決定電子亞層的能量，量，l值值 越小，亞層能量越低。越小，亞層能量越低。 （2）每一個(gè)）每

20、一個(gè)l 值決定電子層中的一個(gè)亞層；值決定電子層中的一個(gè)亞層； （3）每一個(gè)）每一個(gè)l值代表一種電子云或原子軌道的形值代表一種電子云或原子軌道的形狀。狀。取值：從取值：從0開(kāi)始一直取到開(kāi)始一直取到(n-1)的正整數(shù)的正整數(shù)副量子數(shù)副量子數(shù)(l) : 0 1 2 3 （n-1）電子亞層符號(hào)電子亞層符號(hào): s p d f 原子軌道（或亞層）：球形原子軌道（或亞層）：球形 啞鈴形啞鈴形 花瓣形花瓣形3、磁量子數(shù)、磁量子數(shù)(m)含義：描述原子含義：描述原子軌道或電子云在軌道或電子云在空間取向?？臻g取向。4、自旋量子數(shù)（、自旋量子數(shù)（ms）含義：描述核外電子的自旋狀態(tài)含義：描述核外電子的自旋狀態(tài) (繞電子

21、自繞電子自身的軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）。身的軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）。綜合上述，對(duì)原子核外的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)綜合上述，對(duì)原子核外的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可用四個(gè)參數(shù)結(jié)合描述。可用四個(gè)參數(shù)結(jié)合描述。 根據(jù)原子光譜實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和對(duì)元素周根據(jù)原子光譜實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和對(duì)元素周期系的分析、歸納，總結(jié)出核外電子分布期系的分析、歸納，總結(jié)出核外電子分布的基本原理（兩個(gè)原理一個(gè)規(guī)則）：的基本原理（兩個(gè)原理一個(gè)規(guī)則）：1、泡利（、泡利（Pauli）不相容原理）不相容原理在同一原子中，不可能有四個(gè)量子數(shù)完在同一原子中，不可能有四個(gè)量子數(shù)完全相同的電子存在。即每一個(gè)軌道內(nèi)最多全相同的電子存在。即每一個(gè)軌道內(nèi)最多只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子。只能容納兩個(gè)自旋

22、方向相反的電子。五、核外電子的排布規(guī)律五、核外電子的排布規(guī)律2、能量最低原理、能量最低原理多電子原子處于基態(tài)時(shí)，核外電子多電子原子處于基態(tài)時(shí)，核外電子的分布在不違反泡利原理前提下，的分布在不違反泡利原理前提下，總是盡先分布在能量較低的軌道，總是盡先分布在能量較低的軌道，以使原子處于能量最低狀態(tài)。以使原子處于能量最低狀態(tài)。如如N原子的電子排布式：原子的電子排布式：1s22s22p33、洪特、洪特(Hund)規(guī)則規(guī)則原子在同一亞層的等價(jià)軌道上分布電子原子在同一亞層的等價(jià)軌道上分布電子時(shí)，盡可能單獨(dú)分布在不同的軌道，而時(shí)，盡可能單獨(dú)分布在不同的軌道，而且自旋方向相同（或稱(chēng)自旋平行）。這且自旋方向相同（或稱(chēng)自旋