第八章原子結(jié)構(gòu)(課本)

1、第八章 原子結(jié)構(gòu)和元素周期律第一節(jié) 氫原子光譜和玻爾理論第二節(jié) 微觀粒子的特征第三節(jié) 氫原子結(jié)構(gòu)第四節(jié) 多電子原子結(jié)構(gòu)第五節(jié) 元素周期表第六節(jié) 元素性質(zhì)的周期性第一節(jié) 氫原子光譜和玻爾理論 一、氫原子光譜 二、玻爾理論 1897 年，英國(guó)物理學(xué)家湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，并確認(rèn)電子是原子的組成部分。 1911年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福在粒子散射實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了行星式原子軌道模型：原子像一個(gè)行星系，中心有一個(gè)體積很小卻幾乎集中了原子全部質(zhì)量的帶正電荷的原子核，而帶負(fù)電荷的電子在核外空間繞核高速運(yùn)動(dòng)，就像行星圍繞著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)。 1913 年，年輕的丹麥物理學(xué)家玻爾在盧瑟福的原子結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用普朗克的

2、量子論和愛因斯坦的光子學(xué)說建立了玻爾原子結(jié)構(gòu)模型，成功地解釋了氫光譜，推動(dòng)了原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展。 一、氫原子光譜 人們用眼睛能觀察到的可見光的波長(zhǎng)范圍是400760 nm。一束白光通過石英棱鏡時(shí)，不同波長(zhǎng)的光由于折射率不同，形成紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等沒有明顯分界線的彩色帶狀光譜，這種帶狀光譜稱為連續(xù)光譜。 連續(xù)光譜 氣態(tài)原子被火花、電弧或其他方法激發(fā)產(chǎn)生的光，經(jīng)棱鏡分光后，得到不連續(xù)的線狀光譜，這種線狀光譜稱為原子光譜。 氫原子光譜是最簡(jiǎn)單的原子光譜，它在可見光區(qū)有四條比較明顯的譜線，分別用 H、H、H、H表示。此外，在紅外區(qū)和紫外區(qū)也有一系列不連續(xù)的光譜。 氫原子光譜及實(shí)驗(yàn)示意圖 19

3、13 年，瑞典物理學(xué)家里德伯總結(jié)出適用氫原子光譜的譜線頻率的通式： 為波數(shù)， ； 為里德伯常數(shù)， ；n1 和 n2 為正整數(shù)，n2 n1。 在某一瞬間一個(gè)氫原子只能產(chǎn)生一條譜線，實(shí)驗(yàn)中之所以能同時(shí)觀察到全部譜線，是由于很多個(gè)氫原子受到激發(fā)，躍遷到高能級(jí)后又返回低能級(jí)的結(jié)果。221211()Rnn1/v cR711.097 10 mR二、玻爾理論 玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型的基本要點(diǎn)如下： （1）電子只能在某些特定的圓形軌道上繞核運(yùn)動(dòng)，在這些軌道上運(yùn)動(dòng)的電子既不放出能量，也不吸收能量。 （2）電子在不同軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的能量是 不同的。電子在離核越遠(yuǎn)的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，其能量越高；在離核越近的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，

4、其能量越低。軌道的這些不同的能量狀態(tài)稱為能級(jí)，其中能量最低的狀態(tài)稱為基態(tài)，其余能量高于基態(tài)的狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。原子軌道的能量是量子化的，氫原子軌道的能量為： 213.6eVnEn （3）當(dāng)電子在能量不同的軌道之間躍遷時(shí)，原子就會(huì)吸收能量或放出能量。當(dāng)電子從能量較高的軌道躍遷到能量較低的軌道時(shí)，原子以光的形式釋放出能量，釋放出光的頻率與軌道能量間的關(guān)系為：21EEvh 玻爾理論成功地解釋了原子穩(wěn)定存在的事實(shí)和氫原子光譜。 在正常狀態(tài)時(shí)，核外電子處于最低的基態(tài)，在該狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)的電子既不吸收能量，也不放出能量，電子的能量不會(huì)減少，因此不會(huì)落到原子核上，原子不會(huì)毀滅。 當(dāng)原子從外界接受能量時(shí)，電子就會(huì)躍

5、遷到能量較高的激發(fā)態(tài)。而處于激發(fā)態(tài)的電子是不穩(wěn)定的，它會(huì)躍遷回能量較低的軌道，同時(shí)將能量以光的形式發(fā)射出來，發(fā)射出的光的頻率決定于躍遷前后兩個(gè)軌道間的能量差。由于軌道的能量是不連續(xù)的，發(fā)射出的光的頻率也是不連續(xù)的，因此得到的氫原子光譜是線狀光譜。第二節(jié) 微觀粒子的特性一、微觀粒子的波粒二象性二、不確定原理一、微觀粒子的波粒二象性 1924 年，法國(guó)青年物理學(xué)家德布羅意大膽預(yù)言電子等微粒也具有波粒二象性。并指出質(zhì)量為 m、運(yùn)動(dòng)速率為 的微粒，其相應(yīng)的波長(zhǎng) 為： 1927 年，美國(guó)物理學(xué)家戴維遜和革末用電子束代替 X 射線進(jìn)行晶體衍射實(shí)驗(yàn)，得到了衍射環(huán)紋圖，確認(rèn)了電子具有波動(dòng)性。 1928 年，實(shí)

6、驗(yàn)進(jìn)一步證明分子、原子、質(zhì)子、中子、粒子等微觀粒子也都具有波動(dòng)性。hhmpvv（a）X 射線衍射圖（b）電子衍射圖 X 射線衍射圖和電子衍射圖二、不確定原理 對(duì)于具有波粒二象性的電子，能否同時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)定電子的位置和動(dòng)量呢？1927年，德國(guó)物理學(xué)家海森堡對(duì)此做出了否定回答。他認(rèn)為：不可能同時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)定電子的位置和動(dòng)量。這就是不確定原理，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 不確定原理表明，電子位置確定得越準(zhǔn)確，則電子的動(dòng)量就確定得越不準(zhǔn)確；電子的動(dòng)量確定得越準(zhǔn)確，電子的位置就確定得越不準(zhǔn)確。 xxph 對(duì)于原子中的電子，其運(yùn)動(dòng)速率約為 106 ms1，質(zhì)量為 9.11031 kg，電子的位置至少確定到原子的大小范

7、圍（x 1010 m）才有意義。此時(shí)電子運(yùn)動(dòng)速率的不確定程度為： 電子運(yùn)動(dòng)速率的不確定程度很大，超過了電子本身的運(yùn)動(dòng)速率，顯然是不能忽略的。346131106.6 10J S7 10 m s9.1 10kg 10mxhmx 對(duì)于質(zhì)量為 0.01 kg 的子彈，運(yùn)動(dòng)速率為1000 ms1，若速率的不確定程度為其運(yùn)動(dòng)速率的 0.1% ，則其位置的不確定程度為。 宏觀物體的位置不確定程度 x = 108 m 就已經(jīng)很準(zhǔn)確了，這樣小的位置不確定程度可以忽略不計(jì)。343416.6 10J s6.6 100.01kg(1000m s0.1%)xhxm 第三節(jié) 氫原子結(jié)構(gòu)一、氫原子的薛定諤方程及其解二、四個(gè)

8、量子數(shù)三、氫原子函數(shù)和概率密度的圖形一、氫原子的薛定諤方程及其解 1926 年，奧地利著名的物理學(xué)家薛定諤提出描述氫原子的電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的方程，稱為薛定諤方程：2222222228()0meExyzhr 為了求解氫原子的薛定諤方程，需要進(jìn)行坐標(biāo)變換，把直角坐標(biāo) x、y、z 變換成球坐標(biāo)r 、 。222sincossinsincosxryrzrrxyz 球坐標(biāo)與直角坐標(biāo)的關(guān)系22222222221118p ()(sin)()0sinsin4merErrrrrhr 氫原子在球坐標(biāo)系中的薛定諤方程為： 可以把 看作是由三個(gè)變量分別形成的函數(shù)組成： 常將 和 合并為一個(gè)新函數(shù)： ( , , )( )(

9、 )( )rR r ( )( ) ( , )( )( )Y 電子在原子核外空間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以用 來描述，每一個(gè) 就表示電子的一種空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通常把波函數(shù)稱為原子軌道。 利用變量分離法，把含三個(gè)變量的偏微分方程分解為三個(gè)各含一個(gè)獨(dú)立變量的常數(shù)分方程，求解得到 , 就得到波函數(shù) 。( )( )( )R r 、( , , )r 氫原子的某些波函數(shù)、徑向波函數(shù)和角函數(shù) 軌道 （r, , ） R(r) Y( , ) 1s2s2pz2px2py0301er aa03012er aa140230011(2)e42raraa023001(2)e8raraa3cos4023001()e24raraa02300

10、11()ecos42raraa0230011()esin cos42raraa0230011()esin sin42raraa023001()e24raraa023001()e24raraa3sincos43sinsin414二、四個(gè)量子數(shù) （一）主量子數(shù) 主量子數(shù) n 決定原子軌道的能量，它的取值為1、2、3。n 越大，電子離原子核的距離越遠(yuǎn)，電子的能量越高。在一個(gè)原子中，常稱 n 相同的電子為一個(gè)電子層。當(dāng) n1、2、3、4、5、6、7 時(shí)，分別稱為第一、二、三、四、五、六、七電子層，相應(yīng)地用符號(hào) K、L、M、N、O、P、Q 表示。 在氫原子或類氫離子中，電子的能量完全由主量子數(shù) n 決定

11、。 （二）角量子數(shù) 角量子數(shù) 決定原子軌道的形狀，它的取值為 0、1、2.n1。在多電子原子中，當(dāng) n 相同而 l 不同時(shí),電子的能量還有差別. 又常將一個(gè)電子層分為幾個(gè)亞層。當(dāng) l 0、1、2、3 時(shí)，分別稱為 s、p、d、f 亞層。 n1 時(shí)， 0，K 層只有 s 亞層； n2 時(shí)， 0、1，L 層有 s、p 亞層； n3 時(shí)， 0、1、2，M 層有 s、p、d 亞層; n4 時(shí)， 0、1、2、3，N 層有 s、p、d、f 亞層。lllll 在多電子原子中， 也決定著原子軌道的能量。當(dāng) n 相同時(shí)，隨 的增大，原子軌道的能量升高。ll（三）磁量子數(shù) 磁量子數(shù) 決定原子軌道在空間的取向。它的

12、取值為 ，因此有 2 + 1 種取向。 0 時(shí)， 只能取 0，s 亞層只有 1 個(gè)軌道； 1 時(shí)， 可取 1、0、1，p 亞層有 個(gè)軌道。 同理，d 亞層有 5 個(gè)軌道，f 亞層有 7 個(gè)軌道。 n 和 相同，但 不同的各原子軌道的能量相 同，稱為簡(jiǎn)并軌道或等價(jià)軌道。012l、mlmmml ll3lm14313 95 131657 電子層、電子亞層、原子軌道與量子數(shù)之間的關(guān)系1,0, 12, 1,0, 1, 2 1,0, 12, 1,0, 1, 2 3, 2, 1,0, 1, 2, 3 n電子層電子亞層軌道數(shù) 1K 0 1s 0 12 L 0 1 2s 2p 0 1,0,+13M 0 1 2

13、3s 3p 3d 0 4N 0 1 2 3 4s 4p 4d 4f 0 （四）自旋量子數(shù) 自旋量子數(shù) 描述電子的自旋方向，它的取值為 +1/2 和 -1/2，常用箭號(hào) 和 表示電子的兩種自旋方向。 不能從求解薛定諤方程得到，它是后來實(shí)驗(yàn)和理論進(jìn)一步研究中引入的。 綜上所述，n、 、 三個(gè)量子數(shù)可以確定一個(gè) 原子軌道，而 n、 、 四個(gè)量子數(shù)可以確定電子 的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 smmlsmlmsm（一）氫原子基態(tài)電子云的圖形 波函數(shù)的平方 表示電子在核外空間某處附近單位微體積內(nèi)出現(xiàn)的概率, 即概率密度。電子在核外空間某一區(qū)域出現(xiàn)的概率等于概率密度與體積的乘積。 以小黑點(diǎn)的疏密程度表示核外空間各處概率密度

14、大小的圖形稱為電子云圖。 大的地方，小黑點(diǎn)較密集，表示電子出現(xiàn)的概率密度較大； 小的地方，小黑點(diǎn)較稀疏，表示電子出現(xiàn)的概率密度較小。 2三、氫原子波函數(shù)和概率密度的圖形22 1s 電子云圖 等概率密度面 界面圖 將電子云圖中 相等的各點(diǎn)用曲面連接起來，所得空間曲面稱為等概率密度面。圖中每一球面上的數(shù)字表示概率密度的相對(duì)大?。ㄗ畲蟾怕拭芏纫?guī)定為 1)。 若以一個(gè)等概率密度面作為界面，使界面內(nèi)電子出現(xiàn)的概率為 90，所得到的圖形稱為電子云界面圖。通常將界面圖中的小黑點(diǎn)略去。21. 氫原子波函數(shù)的角分布圖 氫原子波函數(shù)的角分布圖是氫原子的角函數(shù) Y( ) 隨角 、 變化的圖形。 ,（二）氫原子波函數(shù)

15、和概率密度的角分布圖 氫原子波函數(shù)的角分布圖的畫法是: 從坐標(biāo)原點(diǎn)（原子核處）出發(fā)，引出不同角 、 的直線，使其長(zhǎng)度等于 ，連接這些線段的端點(diǎn)，在空間構(gòu)成的曲面即為波函數(shù)的角分布圖。由于 與主量子數(shù) n 無關(guān)，因此當(dāng) 、 相同時(shí)，原子軌道的角分布圖相同。 ( , )Y ( ,)Ylm 氫原子波函數(shù)的角分布圖 s pxpypzdxzdyzdxy22dxy2dzxyz+-xyz+-xyz+-xyz+-xyz+-xyz+xyz+-xyz+-xyz+-2. 氫原子電子云的角分布圖 與波函數(shù)一樣，概率密度也可以分解為兩個(gè)函數(shù)的乘積： 以氫原子的角函數(shù)Y 2(, )對(duì)角 、 作圖，所得圖形稱為氫原子電子云

16、的角分布圖。 電子云的角分布圖表示電子的空間出現(xiàn)的概率密度隨角 、 的變化情況, 從角的側(cè)面反映了概率密度分布的方向性。 222( , , )( )( , )rRrY s pxpypzdxzdyzdxy22dxy2dzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyz 氫原子電子云的角分布圖 波函數(shù)的角分布圖與電子云的角分布圖比較相似，但有以下兩點(diǎn)區(qū)別： （1）除 s 軌道外，波函數(shù)的角分布圖有正、負(fù)號(hào)之分，而電子云的角分布圖都是正值。這是因?yàn)閅(, ) 雖有正、負(fù)，但Y 2(, )均為正值。 (2) 電子云的角分布圖比波函數(shù)的角分布要“瘦” 一些，這是因?yàn)?Y(, )小于 1，Y 2(,

17、 ) 則更小。（三）氫原子概率的徑向分布圖 表示在 處電子的概率密度，所以在點(diǎn) 附近的小體積元 d 中電子出現(xiàn)的概率為 。將 在和 全部區(qū)域內(nèi)積分，其結(jié)果表示離核為 r、厚度為 dr 的球殼內(nèi)電子出現(xiàn)的概率。 2( , , )r r、 、2( , , )dr 2( , , )r r、 、22002220022( , , )d ( ) ( ) ( )sin d ddrR r rrdr Rr 令 ，稱為徑向分布函數(shù)。D(r) 是半徑為 r 的單位厚度球殼內(nèi)電子出現(xiàn)的概率。以 對(duì) r 作圖，所得到的圖形稱為概率的徑向分布圖。22( )D rr R( )D r 氫原子概率的徑向分布圖 由氫原子概率的徑

18、向分布圖，可以得出如下幾點(diǎn)結(jié)論： （1）1 s 軌道在距核52.9 pm 處有極大值，表明基態(tài)氫原子的電子在 r 為 52.9 pm 的薄球殼內(nèi)出現(xiàn)的概率最大。 （2）徑向分布圖中有 個(gè)極大值峰，當(dāng) n 相同時(shí)， 越小，極大值峰就越多。 （3）當(dāng) 相同時(shí)，n 越大，徑向分布曲線的最高峰距核越遠(yuǎn)，但它的次高峰可能出現(xiàn)在距核較近處。當(dāng) n 相同時(shí)，l 越小的軌道，它的第一個(gè)峰離核越近。nlll第四節(jié) 多電子原子結(jié)構(gòu)一、屏蔽效應(yīng)和穿透效應(yīng)二、鮑林能級(jí)圖和科頓能級(jí)圖三、基態(tài)原子的核外電子排布 一、屏蔽效應(yīng)和穿透效應(yīng) （一）屏蔽效應(yīng) 在多電子原子中，每個(gè)電子不僅受到原子核的吸引，而且還受到其他電子的排斥

19、。電子之間的排斥作用與原子核對(duì)電子的吸引作用相反，因此其他電子的存在必然會(huì)減弱原子核對(duì)電子的吸引力。由于電子都在高速地運(yùn)動(dòng)著，要準(zhǔn)確地確定電子之間的排斥作用是不可能的。通常采用一種近似處理方法，把其他電子對(duì)某個(gè)指定電子的排斥作用簡(jiǎn)單地看成是部分地抵消掉核電荷對(duì)此電子的吸引。這種將其他電子對(duì)某個(gè)指定電子的排斥作用歸結(jié)為抵消了部分核電荷的作用稱為屏蔽效應(yīng)。 考慮到屏蔽效應(yīng)，原子核作用在指定電子的核電荷從 Z 減小到 Z - ，其中， 為其他電子抵消的核電荷，稱為屏蔽常數(shù)。剩余的核電荷稱為有效核電荷數(shù)，用 Z* 表示。作用在電子 i 上的有效核電荷為：i*iZZi式中： 為電子j 對(duì)電子 i 的屏蔽

20、常數(shù)。 美國(guó)理論化學(xué)家斯萊特提一個(gè)估算 的半經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。他把多電子原子的原子軌道按 n 和 l 分組：iijjiji(1s), (2s,2p), (3s,3p), (3d), (4s,4p), (4d), (4f), (5s,5p) (1)右邊組內(nèi)的電子對(duì)左邊組內(nèi)的電子沒有屏蔽作用,屏蔽常數(shù)為 0。 （2）1s 組內(nèi)電子之間的屏蔽常數(shù)為 0.30 ，其余各組內(nèi)電子之間的屏蔽常數(shù)均為 0.35 。 （3）對(duì)于 ns、np 組內(nèi)的電子, n1各組內(nèi)電子對(duì)它的屏蔽常數(shù)為 0.85， n2 及更內(nèi)層的各組內(nèi)的電子對(duì)它的屏蔽常數(shù)為 1.00。 （4）對(duì)于 nd 或 nf 組內(nèi)電子，處在左邊各組內(nèi)的電子對(duì)它

21、的屏蔽常數(shù)均為 1.00。例題例 8-1 基態(tài) K 的電子層結(jié)構(gòu)是 1s22s22p63s23p64s1 ，而不是 1s22s22p63s23p63d1 ，試?yán)糜行Ш穗姾烧f明之。解: 若 K 最后一個(gè)電子排布在 4s 軌道上： 若 K 最后一個(gè)電子排布在 3d 軌道上： 計(jì)算結(jié)果表明，作用在 4s 電子上的有效核電荷數(shù)比作用在 3d 電子上的大，所以鉀原子最后一個(gè)電子排布在 4s 軌道上.*19(10 1.00 8 0.85)2.20iZZ *19(1.00 18)1.00iZZ E(1s) E(2s) E(3s) E(2p) E(3p) E(4p) E(3d) E(4d) E(5d) 對(duì)于

22、角量子數(shù)相同的原子軌道，隨著主量子數(shù)的增大，其徑向分布的主峰離核越遠(yuǎn)，原子核對(duì)電子的吸引力減弱，同時(shí)受到其他電子的屏蔽作用增大，其能量也越高。n 不同、l 相同時(shí)各亞層的能級(jí)高低順序?yàn)椋?（二）穿透效應(yīng) 一般說來，若電子在核附近出現(xiàn)的概率較大，就可以較好地避免其他電子對(duì)它的屏蔽作用，而受到較大有效核電荷的吸引，因而其能量較低；同時(shí)，它卻可以對(duì)其他電子起屏蔽作用，使其他電子的能量升高。這種由于電子在核附近處出現(xiàn)的概率不同，因而其能量不同的現(xiàn)象稱為穿透效應(yīng)。當(dāng) n 相同時(shí)， 越小的電子在核附近出現(xiàn)的概率越大，原子核作用在該電子上的有效核電荷越大，其能量也越低。同一電子層中各亞層的能量高低順序?yàn)椋?

23、E(ns) E(np) E(nd) E(nf)l 利用穿透效應(yīng)還可以解釋當(dāng) n、 都不同時(shí)某些原子軌道發(fā)生的能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象。 參考?xì)湓拥?3d 和 4s 的徑向分布圖，4s 有小峰鉆到離核很近處，對(duì)降低軌道能量影響較大，超過了主量子數(shù)大對(duì)軌道能量升高的作用，因此 4s 軌道的能量低于 3d 軌道。 l二、鮑林能級(jí)圖和科頓原子軌道能級(jí)圖 （一）鮑林能級(jí)圖 美國(guó)化學(xué)家鮑林根據(jù)光譜實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，總結(jié)出多電子原子的原子軌道的近似能級(jí)高低順序。 圖中每個(gè)虛線方框代表一個(gè)能級(jí)組，相當(dāng)于周期表中的一個(gè)周期；虛線方框內(nèi)的每一橫排圓的數(shù)目表示各能級(jí)組中的原子軌道數(shù)；虛線方框和圓的位置高低表示各能級(jí)組和原子軌道能量

24、的相對(duì)高低。相鄰兩個(gè)能級(jí)組之間的能量差較大，而每個(gè)能級(jí)組中的能級(jí)之間的能量差則比較小。 鮑林的原子軌道能級(jí)圖 （二） 科頓能級(jí)圖 1962 年，美國(guó)無機(jī)結(jié)構(gòu)化學(xué)家科頓提出了原子軌道的能量與原子序數(shù)的關(guān)系圖。 科頓的原子軌道能級(jí)圖概括了理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，反映了隨原子序數(shù)增大，多電子原子的原子軌道能量變化的情況。 科頓的原子軌道能級(jí)圖 從科頓能級(jí)圖可看出，對(duì) Z = 1 的氫原子，主量子數(shù)相同、角量子數(shù)不同的軌道的能量均相同；在 Z 2 的原子中，主量子數(shù)相同的軌道的能級(jí)發(fā)生了分裂，且隨原子序數(shù)增大，分裂程度隨之增大。多電子原子的 1s、2s、2p、3s、3p 軌道的能量高低順序?yàn)椋篍(1s) E

25、(2s) E(2p) E(3s) 30 后，3d 軌道的能量繼續(xù)下降,并與 4s 軌道的能量差距拉大，最終下降到與 3p 軌道的能量接近。 4d 軌道與 5s 軌道之間也有類似的現(xiàn)象，在 Z 24 時(shí)，5s 軌道的能量高于 4d 軌道；在 Z = 24 36 時(shí)，4d 軌道的能量高于 5s 軌道；在 Z = 37 39間，4d 軌道的能量急劇下降到接近 5s 軌道的能量;在 Z = 39 49 間，4d 軌道的能量接近并略小于 5s 軌道的能量；到 Z 49 時(shí)，4d 軌道的能量繼續(xù)下降，并與 5s 軌道的能量差距拉大，最終下降到與 4p 軌道的能量接近。三、基態(tài)原子的核外電子排布 基態(tài)原子的

26、核外電子排布遵守泡利不相容原理、能量最低原理和洪德規(guī)則。 （1）泡利不相容原理：在一個(gè)原子中，不可能存在四個(gè)量子數(shù)完全相同的兩個(gè)電子。由泡利不相容原理，可知一個(gè)原子軌道最多只能容納兩個(gè)電子，而且這兩個(gè)電子的自旋必須相反。主量子數(shù)為 n 的電子層中最多能容納的電子數(shù)：12e02(21)2 1 (21)22nlnNlnn （2）能量最低原理：在不違背泡利不相容原理的前提下，核外電子總是盡可能排布在能量最低的軌道上，當(dāng)能量最低的軌道排滿后，電子才依次排布在能量較高的軌道上。 （3）洪德規(guī)則：電子在簡(jiǎn)并軌道上排布時(shí)，總是以自旋相同的方式分占盡可能多的軌道。作為洪德規(guī)則的補(bǔ)充，簡(jiǎn)并軌道在全充滿、半充滿和

27、全空時(shí)是比較穩(wěn)定的。 第五節(jié) 元素周期表一、元素的電子層結(jié)構(gòu)與周期的關(guān)系二、元素的電子層結(jié)構(gòu)與族的關(guān)系三、元素的外層電子組態(tài)與元素的分區(qū)元 素 周 期 表一、元素的電子層結(jié)構(gòu)與周期的關(guān)系 元素周期表共有七個(gè)橫行，每一橫行為一個(gè)周期，共有七個(gè)周期。元素在周期表中所屬周期數(shù)等于該元素基態(tài)原子的電子層數(shù)，也等于元素基態(tài)原子的最外電子層的主量子數(shù)。 元素周期表中各周期所包含元素的數(shù)目，等于相應(yīng)能級(jí)組中的原子軌道所能容納的電子總數(shù)。 周期與能級(jí)組的關(guān)系 周期能級(jí)組能級(jí)組內(nèi)原子軌道 元素?cái)?shù)目電子最大容量 1 1s 2 2 2 2s 2p 8 8 3 3s 3p 8 8 4 4s 3d 4p 18 18 5

28、 5s 4d 5p 18 18 6 6s 4f 5d 6p 32 32 7 7s 5f 6d (未完) 26 (未完) 未滿二、元素的電子層結(jié)構(gòu)與族的關(guān)系 一種劃分方法是 1986 年 IUPAC 推薦，每一個(gè)縱行為一族，分為 18 個(gè)族，從左到右用阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)明族數(shù)。 另外一種劃分方法是分為 16 個(gè)族，除第 8、9、10 三個(gè)縱行為一個(gè)族外，其余 15 個(gè)縱行，每一個(gè)縱行為一個(gè)族。第 1 縱行和第 2 縱行分別為 IA 族和 IIA 族，第 3 7 縱行分別為 IIIB VIIB 族，第 810 縱行為 VIII 族，第 11 縱行和第 12 縱行分別為 IB 族和 IIB 族，第 131

29、7 縱行分別為 IIIAVIIA 族，第 18 縱行為 0 族。 A 族由長(zhǎng)周期元素和短周期元素組成，也稱主族；B 族只由長(zhǎng)周期元素組成，也稱副族。 （1）s 區(qū)元素：包括 1 族和 2 族元素，外層電子組態(tài)為 。 （2）p 區(qū)元素：包括 1318 族元素，除 He 元素外，外層電子組態(tài)為 。 （3）d 區(qū)元素：包括 3 10 族元素，外層電子組態(tài)為 （4）ds 區(qū)元素：包括 11 族和 12 族元素，外層電子組態(tài)為 。 （5）f 區(qū)元素：包括鑭系和錒系元素，外層電 子組態(tài)為 。12sn216spn n1912(1)dsnn1012(1)dsnn114022(2)f(1)dsnnn。三、元素的

30、外層電子組態(tài)與元素的分區(qū)第六節(jié) 元素性質(zhì)的周期性一、有效核電荷數(shù)二、原子半徑三、元素的電離能四、元素的電子親和能五、元素的電負(fù)性一、有效核電荷 原子核作用在最外層電子上的有效核電荷數(shù)在周期表中的變化規(guī)律: 同一周期 1 族、2 族、1318 族元素，從左到右，隨著核電荷的增加，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，每增加一個(gè)電子，有效核電荷數(shù)增加 0.65。 同一周期 3 12 族元素，從左到右，隨著核電荷數(shù)的增加，次外層 d 軌道的電子逐一增加。由于次外層電子對(duì)最外層電子的屏蔽作用較大,有效核電荷增加不多。每增加一個(gè)電子，有效核電荷增加 0.15。 隨核

31、電荷的增加，f 區(qū)元素增加的電子填充在（n2）層的 f 軌道上。由于（n2）層電子對(duì)最外層電子的屏蔽作用大，有效電荷數(shù)幾乎沒有增加。 同一族元素，從上至下，相鄰的兩元素之間增加了一個(gè) 8 電子或 18 電子的內(nèi)層，每個(gè)內(nèi)層電子對(duì)外層電子的屏蔽作用較大，有效核電荷數(shù)增加不多。二、原子半徑 所說的原子半徑，是指分子或晶體中相鄰?fù)N原子的核間距離的一半。原子半徑可分為共價(jià)半徑、金屬半徑和范德華半徑。 同種元素的原子以共價(jià)單鍵結(jié)合成分子或晶體時(shí)，相鄰兩個(gè)原子核間距離的一半稱為共價(jià)半徑。 在金屬單質(zhì)晶體中，兩個(gè)相鄰金屬原子核間距離的一半稱為金屬半徑。 在稀有氣體的單原子分子晶體中，兩個(gè)同種原子核間距離的

32、一半稱為范德華半徑。 一般來說，共價(jià)半徑比金屬半徑小，這是因?yàn)樾纬晒矁r(jià)單鍵時(shí)，軌道重疊程度較大；而范德華半徑總是較大，因?yàn)榉肿娱g作用力較小，分子間距離較大。 在討論原子半徑的變化規(guī)律時(shí)，通常采用的是原子的共價(jià)半徑，但稀有氣體元素只能采用范德華半徑。 原子半徑在周期表中的變化規(guī)律: （1）同一周期 1族、2 族、1318 族元素，從左到右，原子核作用在最外層電子上的有效核電荷數(shù)顯著增加，而電子層數(shù)并不增加，原子核對(duì)外層電子的引力逐漸增強(qiáng)，原子半徑明顯減小。 （2）同一周期 312 族元素，從左到右，由于原子核作用在最外層電子上的有效核電荷數(shù)增加不多，且電子層數(shù)并不增加，使得原子半徑減小比較緩慢。

33、但當(dāng)次外層的 d 軌道全部充滿形成 18 電子組態(tài)時(shí)，原子半徑突然增大。這是由于 (n-1)d 軌道全充滿后對(duì)外層電子屏蔽作用較大，使得原子核作用在最外層電子上的有效核電荷數(shù)減小而引起的。 （3）同一族的 1 族、2 族、1318 元素，從上到下，原子核作用在最外層電子上的有效核電荷數(shù)增加不多，由于電子層數(shù)增加，原子核對(duì)外層電子引力減弱，使原子半徑顯著增大。 （4）同一族的 3 12 元素，原子半徑的變化趨勢(shì)與 1 族、2族、3 18 族元素相同，但原子半徑增大的程度較小。 （5）第六周期的 f 區(qū)元素，從左到右，隨著原子序數(shù)的增大，原子核作用在最外層電子上的有效核電荷增加很少，使原子半徑減少

34、的程度更小。鑭系元素從鑭到镥，原子半長(zhǎng)只減小 11 pm。三、元素的電離能 元素基態(tài)氣態(tài)原子失去 1 個(gè)電子成為 +1 價(jià)陽(yáng)離子所消耗能量稱為元素的第一電離能。 +1 價(jià)氣態(tài)陽(yáng)離子再失去 1 個(gè)電子成為 +2 價(jià)氣態(tài)陽(yáng)離子所消耗的能量稱為元素的第二電離能。 隨著原子失去電子的增多，所形成的陽(yáng)離子的正電荷越來越多，對(duì)電子的吸引力增強(qiáng)，使電子很難失去。因此，同一元素的各級(jí)電離能依次增大。 通常所說的電離能是指第一電離能。 在同一周期中，從堿金屬到稀有氣體，原子核作用在最外層電子上的有效核電荷逐漸增大，原子半徑逐漸減小，原子核對(duì)最外層電子的吸引力逐漸增強(qiáng)，電離能呈增大趨勢(shì)。長(zhǎng)周期的 312 元素，從左到右，由于增加的電子排在次外層的 d 軌道上，有效核電荷增加不多，原子半徑減小緩慢，電離能增加不顯著，且沒有規(guī)律。18 族元素具有穩(wěn)