原子結(jié)構(gòu)與元素周期性課件

1、第一章原子結(jié)構(gòu)和元素周期性 化學(xué)反應(yīng)能否發(fā)生，反應(yīng)速度的快慢，以及反應(yīng)進(jìn)行的程度大小等均與反應(yīng)物和生成物的組成和結(jié)構(gòu)等性質(zhì)有關(guān)，與原子間的結(jié)合方式有關(guān)?；瘜W(xué)反應(yīng)的本質(zhì)反應(yīng)物分子之間原子的重新組合如： H2 + Cl2 2HCl 為了研究反應(yīng)的本質(zhì)、物質(zhì)的性質(zhì)及變化規(guī)律，就必須研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。分子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)和元素周期性固（晶）體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)主要內(nèi)容1. 原子結(jié)構(gòu)的近代概念2. 原子中的電子分布3. 元素周期系與核外電子 分布的關(guān)系4. 元素原子性質(zhì)的周期性變化第一章 原子結(jié)構(gòu)和元素周期性主 要 內(nèi) 容基本要求1. 微觀粒子的波粒二象性2. 波函數(shù)與原子軌道、 幾率密度與電子云3

2、. 四個量子數(shù)6. 元素性質(zhì)的周期性變化4. 原子核外電子分布原理及其分布5. 元素周期系與核外電子分布的關(guān)系第一章 原子結(jié)構(gòu)和元素周期性基 本 要 求第一節(jié)原子與元素第一章 原子結(jié)構(gòu)和元素周期性第一節(jié) 原子與元素第一節(jié) 結(jié)束第一節(jié) 結(jié)束第一章 原子結(jié)構(gòu)和元素周期性第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)的近代概念第一章 原子結(jié)構(gòu)和元素周期性 第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)的近代概念5-1-3 原子軌道能級1-2-1 原子軌道能級日光通過棱鏡分光，可得到紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫連續(xù)變化的譜帶。裝有低壓高純H2(g)的放電管所發(fā)出的光,通過棱鏡分光后，在可見光區(qū)波長范圍內(nèi)，可以觀察到不連續(xù)的四條譜線。aa為連續(xù)光譜氫原子光譜 nm 4

3、10.2 434.1 486.1 656.3aa H H H H為帶狀光譜5-1-3 原子軌道能級1-2-1 原子軌道能級氫原子光譜=3646.00 n2_n2-4巴爾麥系_1 = RH（ ）221n21_里德堡經(jīng)驗(yàn)公式氫原子中的電子在原子核周圍有確定半徑和能量的圓形軌道中運(yùn)動。電子在這些軌道上運(yùn)動不吸收能量或放出能量，稱為定態(tài) 玻爾氫原子模型nEn/J1-2.17910-18 2-5.4510-19 3-2.4210-19 4-1.3610-19 5 -8.7210-20 6-6.0510-20 n越小, 離核越近, 軌道能量越低, 勢能值越負(fù)。處于激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)定，要跳回到能量較低的軌道

4、, 以光的形式放出能量(即光譜譜線對應(yīng)的能量)。 正常狀態(tài)下，原子中的電子盡可能在離核最近、能量最低的軌道上運(yùn)動(基態(tài))。玻爾氫原子模型基態(tài) 激發(fā)態(tài)(電子處于能 量較高的狀態(tài))吸收能量(躍遷)放出能量En(2)-En(1)=hhPlanck常數(shù) 光的頻率 -0.445-0.605-0.872 -1.36 -2.42 -5.45-21.79E/10-19J7 6 54 3 21n121.6nm120.6nm97.25nm94.98nm93.78nm93.14nm656.5nm486.1nm434.1nm410.2nm397.2nmH H H H H 如氫原子光譜中的H線En2-En1=hhPla

5、nck常數(shù) 光的頻率= = = 4.571014S-1 En-En -2.4210-19J- (-5.4510-19J) h 6.62610-34JS32= = = 656.5nm 32 4.571014S-1 c(光速) 3108mS-1 嚴(yán)重的局限性。只能解釋單電子原子(或離子)光譜的一般現(xiàn)象，不能解釋多電子原子光譜。 成功地解釋了氫原子和類氫原子(如He+、Li2+)的光譜現(xiàn)象, 推動了原子結(jié)構(gòu)的發(fā)展。玻爾氫原子模型玻爾理論的缺陷，促使人們?nèi)パ芯亢徒⒛苊枋鲈觾?nèi)電子運(yùn)動規(guī)律的量子力學(xué)原子模型。 角動量的量子化，鞏固了量子化的概念。5-2-1 電子的波粒二象性1-2-2 電子的波粒二象性

6、 粒子性電子有確定的體積 (d 約為10-15m) 和質(zhì)量(9.109110-31kg) 波動性衍射現(xiàn)象_hP=德布羅意關(guān)系式5-2-2 概率1-2-2 電子的運(yùn)動規(guī)律電子運(yùn)動有規(guī)律但無法確定其運(yùn)動軌跡概率出現(xiàn)機(jī)會多少核外空間某些區(qū)域電子出現(xiàn)的機(jī)會多， 概率大；核外空間某些區(qū)域電子出現(xiàn)的機(jī)會少， 概率小。概率密度電子在原子核外某處單位 體積內(nèi)出現(xiàn)的概率5-2-原子軌道1-2-2 原子軌道薛定諤波動方程：描述微觀粒子運(yùn)動狀態(tài)的基本方程對氫原子來說,波函數(shù) (X、Y、Z)是描述氫原子核外電子運(yùn)動狀態(tài)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。m電子質(zhì)量 h普朗克常數(shù) E體系總能量 V電子的勢能波函數(shù)對薛定諤方程求解，可以得到一

7、系列 波函數(shù)s、s、p. i相應(yīng)的能量值 Es、 Es、 Ep . Ei波函數(shù)方程的每一個解代表電子的一種可能運(yùn)動狀態(tài)在量子力學(xué)中，用波函數(shù)和與其對應(yīng)的能量來描述電子的運(yùn)動狀態(tài)。是描述電子運(yùn)動狀態(tài)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，的空間圖象叫原子軌道，原子軌道的數(shù)學(xué)表達(dá)式就是波函數(shù)。原子軌道的角度分布圖：將波函數(shù)的角度分布部分(Y)作圖所得的圖象。zx+-zzzzzxxxxxxxyyyyspx py pzdxy dyz dxzdz2 dx2-y2原子軌道的角度分布圖5-2-4電子云1-2-3 電子云 概率密度： |2表示電子在原子內(nèi)核外某處出現(xiàn)的概率密度 電子云：|2的空間圖象 用小黑點(diǎn)的疏密表示電子出現(xiàn)概率密度

8、的相對大小小黑點(diǎn)較密的地方，概率密度較大，單位體積內(nèi)電子出現(xiàn)的機(jī)會多。如 1s的電子云電子云角度分布圖： |2角度部分作圖zzzzzzxxxxxxxxyyyyyspx py pzdxy dyz dxzdx2 dx2-y2與原子軌道角度分布圖的不同：原子軌道電子云有正、負(fù)為正(一般不標(biāo))胖瘦5-2-5量子數(shù)1-2-4 量子數(shù)主量子數(shù)(n)表示原子軌道或電子云離核距離和能級高低n=1、2、3、4、5 . 正整數(shù) n12345電子層第一層第二層第三層第四層第五層電子層符號KLMNOn值越小，該電子層離核越近，能級越低。副量子數(shù)()表示原子軌道或電子云的形狀=0、1、2、3 .(n-1) 的正整數(shù) 形

9、狀球形啞鈴形花瓣形 電子亞層符號spdfg同一電子層,值越小,該電子亞層能級越低。n010120123符號1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f 磁量子數(shù)(m)表示原子軌跡或電子云在空間的伸展方向 m值： - 、0、+ 的正整數(shù), 共(2l+1)個 m0-1、0、+-2、-1、0、+1 、+2原子軌道符號spy、px、pzdxy、dyz、dz2、dxz、 dx2-y2同一亞層內(nèi)的各原子軌道, 在沒有外加磁場下, 能量是相等的,稱等價軌道 (簡并軌道) 。 自旋量子數(shù)(ms) 描述原子中每個電子的運(yùn)動狀態(tài)必須用 四個量子數(shù)： 即 主量子數(shù)(n)：電子所處的電子層副量子數(shù)(l)：電子所處的電子亞

10、層及原子軌道、電子云的形狀磁量子數(shù)(m)：軌道在空間的伸展方向自旋量子數(shù)(ms)：電子自旋方向描述電子的自旋狀態(tài)ms值：+ 、 順時針方向或逆時針方向2121如 n=2、 =1、m=-1、ms=+ 則可知是第二電子層、p亞層、px軌道、自旋方向?yàn)榈碾娮印?212nm軌道數(shù)電子數(shù)(2n2)K1s00122L2s0428p10、 16M3s009218p10、 16d20、1、210N4s0016232p10、 16d20、1、210f3-0、1、2、314小結(jié)電子具有波粒二象性，需按幾率分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律來進(jìn)行研究。波函數(shù)是描述核外電子運(yùn)動狀態(tài)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，其空間圖象為“原子軌道”。概率密度|2 是

11、電子在原子核外空間某處單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率。用小黑點(diǎn)表示其分布所得的空間圖象。描述原子中電子狀態(tài)需用四個量子數(shù)：主量子數(shù)(n)、副量子數(shù)()、磁量子數(shù)(m)、自旋 量子數(shù)(ms)。第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)的近代概念第一章 原子結(jié)構(gòu)和元素周期性 第二節(jié) 結(jié)束第三節(jié)原子中電子的分布第一章 原子結(jié)構(gòu)和元素周期性 第三節(jié)原子中電子的分布5-1基態(tài)原子中電子分布原理1-3-1 基態(tài)原子中電子的分布原理泡利不相容原理每一個原子軌道，最多只能容納兩個自旋方向相反的電子。 能量最低原理原子為基態(tài)時，電子盡可能地分布在能級較低的軌道上，使原子處于能級最低狀態(tài)。洪德規(guī)則在同一亞層的等價軌道中,電子盡可能地單獨(dú)分布在不同的軌

12、道上,且自旋方向相同。如7N 1s22s22p31s 2s 2p5-3-2多電子原子軌道的能級1-3-2多電子原子軌道的能級6s5s4s3s2s1s6p5p4p3p2p5d4d3d4fPONMLK1s2p2s3p3s4p3d4s5p4d5s6p5d4f6s1. 能級KLMNOP3. 同一原子，不同電子亞層有能級交錯現(xiàn)象：如E5s E4d E5p2. 同一電子層：Ens Enp End Enf近似能級圖它是從周期系中各元素原子軌道圖中歸納出的一般規(guī)律，不能反映每種元素原子軌道能級的相對高低，所以是近似的。 對近似能級圖的幾點(diǎn)說明只能反映同一原子內(nèi)各原子軌道能級的相對高低, 不能比較不同元素原子軌

13、道。只能反映同一原子外電子層中原子軌道能級的相對高低，不能反映內(nèi)電子層中原子軌道能級的相對高低。電子軌道上的能級與原子序數(shù)有關(guān)。5- 基態(tài)原子中電子的分布1-3-3 基態(tài)原子中電子的分布(2)2s(4)3s(1)1s(6)4s(9)5s(16) 7s(3)2p(12) 6s(5)3p(8)4p(11) 5p(15) 6p(19) 7p(7)3d(10) 4d(14) 5d(18) 6d(13) 4f(17) 5f應(yīng)用核外電子填入軌道順序圖，根據(jù)泡利不相容原理、能量最低原理、洪德規(guī)則，可以寫出元素原子的核外電子分布式。如 19K 1s22s22p63s23p64s1 26Fe 1s22s22p6

14、3s23p63d64s2 核外電子填入軌道的順序19種元素原子的外層電子分布有例外 基態(tài)原子電子分布其中：29Cu 1s22s22p63s23p63d104s1 全充滿24Cr 1s22s22p63s23p63d54s1 半充滿同樣有：46Pd、 47Ag、 79Au同樣有：42Mo、 64Gd、 96Cm當(dāng)電子分布為全充滿(p6、d10、f14)、半充滿(p3、 d5、f7)、全空(p0、d0、f0)時, 原子結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。例外的還有： 41Nb、 44Ru、 45Rh、 57La、 58Ce、78Pt、89Ac、90Th、91Pa、92U、 93Np。 A0一11s1AAAAAA21s2二3

15、45678910三1112BBBBBBB131415161718四192021222324252627282930313233343536五373839404142434445464748495051525354六555671727374757677787980818283848586ns12 (n-1)d19ns12 ns2np16(n-1)d10ns12價層價電子所在的亞層價層電子構(gòu)型指價層的電子分布式基態(tài)原子的價層電子構(gòu)型5-3-4 簡單基態(tài)陽離子的電子分布基態(tài)原子外層電子填充順序： ns (n-2)f (n-1)d np 價電子電離順序： np ns (n-1)d (n-2)f1-3-

16、4 簡單基態(tài)陽離子的電子分布例 26Fe 1s22s22p63s23p63d64s2 或 Ar 3d64s2 Fe2+ 1s22s22p63s23p63d6 或 Ar 3d6原子實(shí)原子中除去最高能級組以外 的原子實(shí)體經(jīng)驗(yàn)規(guī)律5-3-5元素周期系與核外電子分布的關(guān)系A(chǔ)0一1AAAAAA2二345678910三1112BBBBBBB131415161718四192021222324252627282930313233343536五373839404142434445464748495051525354六555671*727374757677787980818283848586七8788103*10

17、41051061071081091101111121-3-5元素周期系與核外電子分布的關(guān)系鑭系575859606162636465666768697071錒系8990919293949596979899100101102103Sddspfns12 (n-1)d19ns12(n-1)d10ns12ns2np16(n-2)f014(n-1)d02ns2最后一個電子一般填入次外層d亞層區(qū)最后一個電子一般填入次外層d亞層最后一個電子填入s亞層5-3-5元素周期系與核外電子分布的關(guān)系A(chǔ)0一1AAAAAA2二345678910三1112BBBBBBB131415161718四192021222324252

18、627282930313233343536五373839404142434445464748495051525354六555657*727374757677787980818283848586七878889*1041051061071081091101111121-3-5元素周期系與核外電子分布的關(guān)系鑭系575859606162636465666768697071錒系8990919293949596979899100101102103Sddspfns12 (n-1)d19ns12(n-1)d10ns12ns2np16(n-2)f014(n-1)d02ns2區(qū)最后一個電子填入外層p亞層最后一個電

19、子一般填入外數(shù)第三層 f 亞層5-3-5元素周期系與核外電子分布的關(guān)系1-3-5元素周期系與核外電子分布的關(guān)系區(qū)根據(jù)最后一個電子填入的亞層確定最后一個電子填入的亞層區(qū)最外層的 s 亞層s最外層的 p 亞層p一般為次外層的 d 亞層d一般為次外層的 d 亞層, 且為d10ds一般為外數(shù)第三層的 f 亞層f5-3-5元素周期系與核外電子分布的關(guān)系1-3-5元素周期系與核外電子分布的關(guān)系族根據(jù)區(qū)和最外層、次外層電子數(shù)確定區(qū)族s、p主族(A)，族號最外層電子數(shù)d副族(B)族號(最外層次外層d)電子數(shù)ds副族(B)，族號最外層電子數(shù)f鑭系、錒系5-3-元素周期表1-3-6 元素周期表元素在周期表的位置(

20、周期、區(qū)、族)取決于該元素原子核外電子的分布例 20Ca寫出電子排布式 1s22s22p63s23p64s2周期數(shù)電子層數(shù)四周期最后一個電子填入s亞層s區(qū)元素族數(shù)最外層電子數(shù)2ACa 為第四周期、A族元素元素在周期表的位置(周期、區(qū)、族)取決于該元素原子核外電子的分布例 24Cr寫出電子排布式 1s22s22p63s23p63d54s1周期數(shù)電子層數(shù) 四周期最后一個電子填入次外層d亞層 d區(qū)元素族數(shù)(最外層+次外層d)電子數(shù) (1+5)=6BCr 為第四周期、 B族元素元素在周期表的位置(周期、區(qū)、族)取決于該元素原子核外電子的分布例 47Ag寫出電子排布式 Kr4d105s1周期數(shù)電子層數(shù)

21、五周期最后一個電子填入次外層d亞層，而d電子數(shù)為10 ds區(qū)元素族數(shù)最外層電子數(shù)1 BAg 為第五周期、 IB族元素元素在周期表的位置(周期、區(qū)、族)取決于該元素原子核外電子的分布例 已知某副族元素A原子，最后一個電子 填入3d軌道，族號3。電子排布式 1s22s22p63s23p63d24s1周期數(shù)電子層數(shù)=4最后一個電子填入次外層d亞層，為d區(qū)元素，最外層電子數(shù)2族數(shù)(最外層+次外層)電子數(shù)3 則d電子數(shù)=3-2=1第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)的近代概念第一章 原子結(jié)構(gòu)和元素周期性 第三節(jié) 結(jié)束第四節(jié)原子性質(zhì)的周期性第一章 原子結(jié)構(gòu)和元素周期性 第四節(jié)原子性質(zhì)的周期性原子的電子層結(jié)構(gòu)隨核電荷的遞增呈周期

22、性變化，促使原子的某些性質(zhì)呈周期性變化。 (如原子半徑、電離能、電子親合能、電負(fù)性)5-1 原子半徑1-4-1 原子半徑共價半徑兩個相同原子形成共價鍵 時，其核間距離的一半。 定義d=198pmr(Cl)=99pmd=154pmr(C)=77pm1-4-1 原子半徑金屬半徑金屬單質(zhì)晶體中，兩個相鄰金屬原子核間距離的一半。 定義d=256pmr(Cu)=128pm1-4-1 原子半徑范德華半徑分子晶體中，兩個相鄰分子核間距離的一半。 定義d=320pmr(Ne)=160pmIA0一H37IIAAIVAAVIAAHe122二Li152Be111B88C77N70O66F64Ne160三Na168M

23、g160BIVBVBVIBBIBIIBAl143Si117P110S104Cl99Ar191四K227Ca197Sc161Ti145V132Cr125Mn124Fe124Co125Ni125Cu128Zn133Ga122Ge122As121Se117Br114Kr198五Rb248Sr215Y181Zr160Nb143Mo136Tc136Ru133Rh135Pa138Ag144Cd149In163Sn141Sb141Te137I133Xe217六Cs265Ba217La173Hf159Ta143W137Re137Os134Ir136Pt136Au144Hg160Tl170Pb175Bi155P

24、o153AtRn變化規(guī)律非金屬為共價半徑、金屬為金屬半徑、稀有氣體為范德華半徑260210160110 60原子半徑/pm族號同一周期的主族元素, 自左到右, 隨核電荷的增加, 原子半徑逐漸減小。260210160110 60原子半徑/pm族號同一周期的d區(qū)元素, 自左到右, 隨核電荷的增加, 原子半徑略有減小。IB族開始，反而有所增加。鑭系元素, 自左到右, 隨核電荷的增加, 原子半徑總的趨勢緩慢減小，即鑭系收縮。210200190180170原子半徑/pm原子序數(shù)260210160110 60原子半徑/pm族號由于鑭系收縮，至使后面五、六周期同族元素(如Zr與Hf、Nb與Ta、 Mo與W)

25、性質(zhì)極為相似。260210160110 60原子半徑/pm族號同一主族元素，自上往下，原子半徑逐漸增大。260210160110 60原子半徑/pm族號同一副族元素(除B外),自上往下,原子半徑一般略有增大。五、六周期同族元素原子半徑十分相似。5-2 電離能和電子親合能1-4-2 電離能和電子親合能第一電離能(I1)基態(tài)的中性氣態(tài)原子失去一個電子形成氣態(tài)陽離子所需的能量。Mg(g) - e- Mg+(g) I1=H1=738kJmol-1第二電離能(I2)氧化數(shù)為+1的氣態(tài)陽離子失去一個電子形成氧化數(shù)為 +2的氣態(tài)陽離子所需的能量。Mg+(g) - e- Mg2+(g) I2=H2=1451k

26、Jmol-1 其余依次類推.基態(tài)氣態(tài)原子失去電子變?yōu)闅鈶B(tài)陽離子，克服核電荷對電子的引力所消耗的能量。 電離能(I)氣態(tài)原子失去電子變?yōu)闅鈶B(tài)陽離子，克服核電荷對電子的引力所消耗的能量。 電離能(I)Mg(g) - e- Mg+(g)InIn/(kJmol-1)I1737.7I21450.7I37732.8I410540I513628I617905I721704I825856I1 I2 I3 I4.Mg+(g) - e- Mg2+(g).電離能用來衡量氣態(tài)原子失去電子的難易電離能越小，原子越易失去電子；電離能越大，原子越難失去電子。電離能(I)2160186015601260 960 660 36

27、0I1/(kJmol-1)原子序數(shù)HeNeLiXeNaArKrKRbCsHNPSbAs同一周期主族元素，從左到右，電離能逐漸增大。同一周期副族元素，從左到右，電離能變化不規(guī)律。電離能(I)2160186015601260 960 660 360I1/(kJmol-1)原子序數(shù)HeNeLiXeNaArKrKRbCsHNPSbAs同一主族元素，從上往下，電離能逐漸減小。同一副族元素，從上往下，電離能略有增大。第一電子親合能(EA1)基態(tài)氣態(tài)原子得到一個電子形成氣態(tài)陰離子所放出的能量。O(g) + e- O-(g) EA1=-141 kJmol-1第二電子親合能(EA2)氧化數(shù)為-1的氣態(tài)陰離子得到

28、一個電子形成氧化數(shù)為-2的氣態(tài)陰離子所放出的能量。O-(g) + e- O2-(g) EA2=+780 kJmol-1其余依次類推.基態(tài)氣態(tài)原子得到電子變?yōu)闅鈶B(tài)陰離子，所放出的能量。 電子親合能(EA)電子親合能用來衡量氣態(tài)原子得電子的難易電子親合能代數(shù)值越小, 原子越易得到電子;電子親合能代數(shù)值越大, 原子越難得到電子.5-4-3 電負(fù)性1-4-3 電負(fù)性(p)分子中元素原子吸引電子的能力以最活潑非金屬元素原子p(F)=4.0為基礎(chǔ)，計(jì)算其它元素原子的電負(fù)性值。 電負(fù)性越大, 元素原子吸引電子能力越強(qiáng),即元素原子越易得到電子,越難失去電子;電負(fù)性越小, 元素原子吸引電子能力越弱,即元素原子越

29、難得到電子,越易失去電子。A一H2.1AAAAAA二Li1.0Be1.5B2.0C2.5N3.0O3.5F4.0三Na0.9Mg1.2BBBBBBBAl1.5Si1.8P2.1S2.5Cl3.0四K0.8Ca1.0Sc1.3Ti1.5V1.6Cr1.6Mn1.5Fe1.8Co1.9Ni1.9Cu1.9Zn1.6Ga1.6Ge1.8As2.0Se2.4Br2.8五Rb0.8Sr1.0Y1.2Zr1.4Nb1.6Mo1.8Tc1.9Ru2.2Rh2.2Pa2.2Ag1.9Cd1.7In1.7Sn1.8Sb1.9Te2.1I2.5六Cs0.7Ba0.9Lu1.2Hf1.3Ta1.5W1.7Re1.9Os2.2Ir2.2Pt2.2Au2.4Hg1.9Tl1.8