原子結(jié)構(gòu)與原子間結(jié)合鍵培訓(xùn)課件

第二章原子結(jié)構(gòu)與原子間結(jié)合鍵2.1原子結(jié)構(gòu)2.2原子序數(shù)和原子質(zhì)量2.3原子的電子層結(jié)構(gòu)2.4原子的結(jié)合鍵

第二章原子結(jié)構(gòu)與原子間結(jié)合鍵2.1原子結(jié)構(gòu)12.1原子結(jié)構(gòu)

原子組成：原子核和核外電子,原子核內(nèi)又有質(zhì)子和中子。原子電荷：質(zhì)子帶正電荷，中子不帶電荷，因此原子核帶正電荷，通過(guò)靜電吸引，將帶負(fù)電荷的電子束縛在其周圍。每個(gè)質(zhì)子和電子所帶的電荷q均為1.602×10-19庫(kù)侖。因?yàn)樵又匈|(zhì)子和電子的數(shù)目相等，所以從整體看，原子是電中性的。原子尺寸：直徑約為10-10m，但原子核直徑很小，僅為約10-14m，其外部均為電子所包圍。2.1原子結(jié)構(gòu)原子組成：原子核和核外電子,原子核內(nèi)又有質(zhì)2續(xù)上頁(yè)原子質(zhì)量：原子的質(zhì)量大部分集中在原子核內(nèi)。一個(gè)質(zhì)子具有1.673×10-24g質(zhì)量，中子略重于質(zhì)子，質(zhì)量為1.675×10-24g，而一個(gè)電子的質(zhì)量只有9.109×10-28g，僅為質(zhì)子質(zhì)量的1/1836。表2-1質(zhì)子、中子和電子的質(zhì)量與電荷粒子質(zhì)量，g粒子電荷，庫(kù)侖

質(zhì)子中子電子

1.673×10-241.675×10-249.109×10-28

+1.602×10-190-1.602×10-19

續(xù)上頁(yè)原子質(zhì)量：原子的質(zhì)量大部分集中在原子核內(nèi)。粒子質(zhì)量，g32.2原子序數(shù)和原子質(zhì)量

2．2．1原子序數(shù)

元素的原子序數(shù)等于原子核中的質(zhì)子數(shù)或核外電子數(shù)。每種元素均與一定的原子序數(shù)相對(duì)應(yīng)，如鐵的原子序數(shù)為26，其原子核有26個(gè)質(zhì)子和26個(gè)核外電子。

2.2原子序數(shù)和原子質(zhì)量2．2．1原子序數(shù)42．2．2核素與同位素核素：原子核中具有一定質(zhì)子數(shù)和一定中子數(shù)的原子。一種碳原子的原子核中有6個(gè)質(zhì)子和6個(gè)中子，它的質(zhì)量數(shù)是12，這種碳原子稱碳-12核素，寫(xiě)為12C核素；另一種碳原子的原子核里有6個(gè)質(zhì)子和7個(gè)中子，質(zhì)量數(shù)為13，稱碳-13核素，可寫(xiě)為13C核素。多核素元素與單核素元素。同位素：質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的同一元素的不同原子互稱為同位素；即多核素元素中的不同核素互稱為同位素。12C和13C是碳的同位素。穩(wěn)定同位素與放射性同位素。2．2．2核素與同位素核素：原子核中具有一定質(zhì)子數(shù)和一定中52.2.3原子質(zhì)量與相對(duì)原子質(zhì)量

1.原子質(zhì)量指某核素一個(gè)原子的質(zhì)量。由于原子的絕對(duì)質(zhì)量很小,常以12C一個(gè)原子質(zhì)量的1/12作單位，稱為“原子質(zhì)量單位”，用“u”表示（1u=1.66×10-24g），因此12C的原子質(zhì)量也就等于12u。2.2.3原子質(zhì)量與相對(duì)原子質(zhì)量1.原子質(zhì)量6續(xù)上頁(yè)元素原子的原子質(zhì)量：元素的平均原子質(zhì)量與核素12C原子質(zhì)量的1/12之比。所謂元素的平均原子質(zhì)量，是對(duì)一種元素含有多種天然同位素而說(shuō)的，平均原子質(zhì)量可由這些同位素的原子質(zhì)量和豐度（指某同位素在所屬的天然元素中所占的原子百分?jǐn)?shù)）來(lái)計(jì)算。元素的原子質(zhì)量用符號(hào)Ar(E)表示，E代表某元素，如氧的原子質(zhì)量等于16.00，可表示為Ar(O)=16.00。它表示1個(gè)氧原子的平均質(zhì)量是核素12C原子質(zhì)量1/12的16.00倍?？梢?jiàn)，元素的原子質(zhì)量只是一種相對(duì)的比值。它的單位為一。續(xù)上頁(yè)元素原子的原子質(zhì)量：7例題2-1：

自然界的氫元素有兩種同位素，實(shí)驗(yàn)測(cè)得1H的原子質(zhì)量為1.007825u，豐度為99.985%，2H的原子質(zhì)量為2.0140u，豐度為0.015%，試計(jì)算氫元素的平均原子質(zhì)量和相對(duì)原子質(zhì)量。解：氫元素的平均原子質(zhì)量為：1.007825u×99.985%+2.0140u×0.015%=1.0079u

根據(jù)元素的相對(duì)原子質(zhì)量的定義，氫的相對(duì)原子質(zhì)量為：

例題2-1：自然界的氫元素有兩種同位素，實(shí)82.相對(duì)原子質(zhì)量

元素的相對(duì)原子質(zhì)量：1mol某種元素的平均質(zhì)量與1mol12C核素原子質(zhì)量1/12之比，也是該元素6.023×1023個(gè)原子（阿伏伽德羅數(shù)NA）的質(zhì)量，其單位為g/mol。各元素的相對(duì)原子質(zhì)量均示于表2-2元素周期表中元素符號(hào)的下方。

2.相對(duì)原子質(zhì)量元素的相對(duì)原子質(zhì)量：9例題2-2：

(1)根據(jù)銅的相對(duì)原子質(zhì)量，試求1個(gè)銅原子的質(zhì)量。(2)1克銅中有多少銅原子？

解:(1)銅的相對(duì)原子質(zhì)量為63.54g/mol，因63.54g銅有6.023×1023個(gè)原子,因此,一個(gè)銅原子的質(zhì)量為:63.54g/mol/6.023×1023個(gè)原子/mol=1.05×10-22g/原子(2)1克銅的原子數(shù)：6.023×1023個(gè)原子/mol/63.54g/mol=9.48×1021個(gè)原子/g例題2-2：(1)根據(jù)銅的相對(duì)原子質(zhì)量，試求1個(gè)銅原102.3原子的電子層結(jié)構(gòu)

2．3．1核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

原子中核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（或分布情況），要用四個(gè)量子數(shù)加以描述。這四個(gè)量子數(shù)是：

１．主量子數(shù)n２．角量子數(shù)l３．磁量子數(shù)m４．自旋量子數(shù)ms2.3原子的電子層結(jié)構(gòu)2．3．1核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)111．主量子數(shù)n

主量子數(shù)n

是描述核外電子的能量和電子離核平均距離的參數(shù)，是決定電子能量大小的主要量子數(shù)。n

值越大，電子離核的距離越遠(yuǎn)，電子的能量愈高。主量子數(shù)n

可取零以外的正整數(shù)，即n=1,2,3…。每一個(gè)n

值代表一個(gè)電子層或主能級(jí)層（主層），在光譜學(xué)上常用拉丁字母表示電子層：主量子數(shù)n1234567電子層符號(hào)KLMNOPQ1．主量子數(shù)n主量子數(shù)n是描述核外電子的能量和電子離122．角量子數(shù)l角量子數(shù)l用于描述原子軌道或電子云的形狀，并在多電子原子中和主量子數(shù)n一起決定電子的能量，故又稱為副量子數(shù)。n確定后，角量子數(shù)l可取0到n-1，即l=0，1，2…（n-1）。如n=1,l只能取0；n=2，l可取0和1兩個(gè)值。電子亞層或能層常用光譜符號(hào)表示：角量子數(shù)l0123電子亞層符號(hào)spdf2．角量子數(shù)l角量子數(shù)l用于描述原子軌道或電子云的形狀，13l=0表示球形的s原子軌道或電子云；l=1表示啞鈴形的p原子軌道或電子云；l=2表示花瓣形的d原子軌道或電子云，等等。圖2-1是s、p和d原子軌道的平面圖。在多電子原子中，同一電子層中的l數(shù)值越大，該電子亞層的能級(jí)越高，如在第三電子層有s、p和d等3個(gè)電子亞層，其中3d的能級(jí)高于3p的能級(jí)，3p的能級(jí)又高于3s的能級(jí)。圖2-1s、p和d原子軌道的平面圖

l=0表示球形的s原子軌道或電子云；l=1表示啞143．磁量子數(shù)m磁量子數(shù)m決定原子軌道在磁場(chǎng)中分裂，在空間伸展的方向。其取值受角量子數(shù)l的限制，當(dāng)l一定，m可取0，±1，±2，…，±l，共有（2l+1）個(gè)數(shù)值，即原子軌道或電子云可以沿著（2

l+1）個(gè)不同方向伸展，常用符號(hào)○或□表示。l=0時(shí)，m=0，原子軌道或電子云只有一個(gè)伸展方向；l=1時(shí)，m=-1、0、+1，有3個(gè)數(shù)值，p原子軌道或電子云分別沿著x，y和z三個(gè)方向伸展。l=2時(shí)，m=0,±1，±2，有5個(gè)數(shù)值，即d原子軌道或電子云有5個(gè)不同伸展方向的軌道。磁量子數(shù)與電子能量無(wú)關(guān)。l相同，m不同的原子軌道，即形狀相同，空間取向不同的原子軌道，其能量是相同的。3．磁量子數(shù)m磁量子數(shù)m決定原子軌道在磁場(chǎng)中分裂，在空間154．自旋量子數(shù)ms

原子中的電子除了繞核運(yùn)動(dòng)外，還可自旋。用于描述電子自旋方向的量子數(shù)稱為自旋量子數(shù)，用符號(hào)ms表示。自旋方向只有順時(shí)針和逆時(shí)針兩種,故ms=，通常用符號(hào)↑、↓表示。自旋量子數(shù)ms對(duì)電子所處的能量沒(méi)有影響。這樣用四個(gè)量子數(shù)就可以描述電子在原子中的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即四個(gè)量子數(shù)可以確定某一電子在原子核外某一電子層的電子亞層中的運(yùn)動(dòng)，它的電子云或原子軌道在空間的某一方向伸展，且本身有一定的自旋方向。這樣可以近似地把這四個(gè)量子數(shù)看成是電子在空間位置的坐標(biāo)。4．自旋量子數(shù)ms原子中的電子除了繞核運(yùn)動(dòng)外，還可自旋162.3.2多電子原子軌道的能級(jí)能量E

6pOOO5dOOOO4fOOOOOOO6sO

5pOOO4dOOOOO5sO

4pOOO3dOOOOO4sO

3pOOO3sO

2pOOO2sO

lsO能級(jí)組

6(6s4f5d6p)5(5s4d5p)4(4s3d4p)3(3s3p)2(2s2p)1(ls)圖2-2原子軌道近似能級(jí)圖

美國(guó)化學(xué)家鮑林（Pauling）根據(jù)光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)出多電子原子中原子軌道能量高低，并排列給出近似能級(jí)圖，見(jiàn)左圖

2.3.2多電子原子軌道的能級(jí)能量E6pOOO17（1）能級(jí)圖是按能量的高低順序，而不是按原子軌道距核的遠(yuǎn)近排列的。圖中將能量相近的軌道劃為一組（即虛線方框內(nèi)的軌道），稱為能級(jí)組。共有7個(gè)能級(jí)組，它的能量依1、2、3、…能級(jí)組的順序逐次增高。（2）在近似能級(jí)圖中，每個(gè)小圓圈表示一個(gè)原子軌道，如第二能級(jí)組中有四個(gè)小圓圈，它代表有四個(gè)原子軌道。（3）角量子數(shù)l相同的能級(jí)，其能量由主量子數(shù)n決定，n越大，能量越高，如：

s亞層的能量順序是：E1s<E2s<E3s……p亞層的能量順序是：E2p<E3p<E4p……能級(jí)圖說(shuō)明（一）（1）能級(jí)圖是按能量的高低順序，而不是按原子軌道能級(jí)圖說(shuō)明（18能級(jí)圖說(shuō)明（二）（4）主量子數(shù)n相同，而角量子數(shù)l不同的能級(jí)，其能量隨l的增大而升高，如：Ens<Enp<End<Enf（5）同一能級(jí)組中，可能出現(xiàn)不同電子層的能級(jí)。如第5能級(jí)組中，除屬于第5電子層的5s和5p能級(jí)外，還有第4電子層的4d。表明當(dāng)主量子數(shù)n和角量子數(shù)l同時(shí)變化時(shí)，可能出現(xiàn)主量子數(shù)較大的原子軌道的能量，反而比主量子數(shù)較小的某些原子軌道的能量低，這種現(xiàn)象稱為“能級(jí)交錯(cuò)”例如：E4s<E3d，E6s<E4f<E5d等等。能級(jí)圖說(shuō)明（二）（4）主量子數(shù)n相同，而角量子數(shù)l不同的能級(jí)19為了判斷多電子原子中n和l同時(shí)變化時(shí)，軌道能量的高低，除了從鮑林的近似能級(jí)圖中查看外，我國(guó)化學(xué)家徐光憲在總結(jié)了光譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，歸納出（n+0.7l）的規(guī)則，（n+0.7l）值愈大，能量就愈高。例題2-3：試比較6s、6p、4f和5d軌道的能量高低。解：6s軌道：

n=6,l=0，（n+0.7l）=6+0.7×0=66p軌道：

n=6,l=1，（n+0.7l）=6+0.7×1=6.74f軌道：

n=4,l=3，（n+0.7l）=4+0.7×3=6.15d軌道：

n=5,l=2，（n+0.7l）=5+0.7×2=6.4

所以，E6s<E4f<E5d<E6p為了判斷多電子原子中n和l同時(shí)變化時(shí)，軌道能量的202．3．3原子的電子層結(jié)構(gòu)1．

核外電子的排布規(guī)律（1）泡里（Pauli）不相容原理在同一原子中，不可能有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（亦即四個(gè)量子數(shù)）完全相同的兩個(gè)電子存在。這一原理也可表達(dá)為：在同一原子軌道中最多只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子。泡里不相容原理實(shí)際上是對(duì)原子核外電子層上可容納的電子數(shù)目作了限制。各電子層容納的最多電子數(shù)是：(下頁(yè))2．3．3原子的電子層結(jié)構(gòu)1．

核外電子的排布規(guī)律21n=1(K層)l=0(ls)m=01個(gè)軌道m(xù)s=可容納2個(gè)電子n=2(L層)l=0(2s)l=1(2p)m=0-1m=0+14個(gè)軌道

可容納8個(gè)電子n=3(M層)l=0(3s)l=1(3p)l=2(3d)m=0-1m=0+1-2-1m=0+1

+29個(gè)軌道可容納18個(gè)電子所以

各層可容納的最多電子數(shù)為2n2個(gè)，這原理又稱為電子層最大容量原理。

n=1(K層)l=0(ls)22（2）能量最低原理

核外電子總是優(yōu)先占據(jù)能量最低的軌道，然后才依次進(jìn)入能級(jí)較高的原子軌道，使整個(gè)原子體系處于最低的能量狀態(tài)。圖2-3。圖2-3原子軌道近似能級(jí)順序圖

電子進(jìn)入各能級(jí)的先后次序?yàn)椋?s;2s;2p;3s,3p;4s;3d,4p;5s,4d,5p;6s,4f,5d,6p;7s,5f,……。圖中這一順序用圓圈內(nèi)“（

）”中的阿拉伯?dāng)?shù)字表示。

（2）能量最低原理核外電子總是優(yōu)先占據(jù)能23（3）洪特（Hund）規(guī)則

電子在同一亞層能量相同的等價(jià)軌道上排布時(shí)，總是盡可能分占不同的軌道，并且自旋方向相同。例如2p亞層有3個(gè)軌道，若有2個(gè)電子進(jìn)入2p，則各占一個(gè)軌道且自旋平行，可寫(xiě)成，而不是或。（3）洪特（Hund）規(guī)則電子在同一亞層242．原子的電子層結(jié)構(gòu)電子在核外的排布情況稱為電子層結(jié)構(gòu)。通常表示電子層結(jié)構(gòu)有兩種方法。（1）原子軌道式這種表示方式是用一個(gè)小方格或小圓圈代表一個(gè)原子軌道，在方格或圓圈下面注明該軌道的能級(jí)，方格或圓圈內(nèi)用箭頭表示電子的自旋方向。如：7N8O

1s2s2p1s2s2p2．原子的電子層結(jié)構(gòu)電子在核外的排布情況稱25（2）電子排布式它是在亞層符號(hào)的左邊注明電子層數(shù)，在亞層符號(hào)的右上角用阿拉伯?dāng)?shù)字表示所排列的電子數(shù)。如4p3：

4表示電子層數(shù)n=4，是第4電子層的軌道；p代表亞層的符號(hào)即l=1，表示屬p軌道；3表示在此亞層上的電子數(shù)目。根據(jù)這些原則，我們可以將原子序數(shù)為14的硅元素的原子核外電子排布式列為：1s22s22p63s23p2。（2）電子排布式它是在亞層符號(hào)的左邊注明電子26

有時(shí)為了簡(jiǎn)化，常將內(nèi)層電子構(gòu)型用“原子實(shí)”來(lái)代替。所謂“原子實(shí)”是指原子中的內(nèi)層電子結(jié)構(gòu)與某一稀有氣體元素的電子層結(jié)構(gòu)相同的部分，用該稀有氣體的元素符號(hào)加方括號(hào)來(lái)表示。如Ne(氖)、Ar(氬)和Kr(氪)的電子層結(jié)構(gòu)分別為1s22s22p6、1s22s22p63s23p6和1s22s22p63s23p63d104s24p6，因此：14

Si1s22s22p63s23p2

可表示為：［Ne］3s23p233As1s22s22p63s23p63d104s24p3

可表示為：［Ar］3d104s24p351Sb1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p3

可表示為：［Kr］4d105s25p3有時(shí)為了簡(jiǎn)化，常將內(nèi)層電子構(gòu)型用“原子實(shí)”來(lái)27

2．3．4原子的電子層結(jié)構(gòu)與元素周期律、周期表

元素周期律的內(nèi)容是：元素的性質(zhì)隨著原子序數(shù)（核電荷數(shù)）的遞增而呈周期性地變化。原子結(jié)構(gòu)的研究證明：隨著核電荷數(shù)的遞增各元素原子的外電子層結(jié)構(gòu)呈周期性地重復(fù)排列。因此，原子核外電子排布的周期性變化正是元素性質(zhì)周期性變化的本質(zhì)原因。元素周期表則是各元素原子核外電子排布呈周期性變化的反映。下面分別討論周期表中的周期、族以及組（區(qū)）的劃分與原子中電子層結(jié)構(gòu)的關(guān)系。2．3．4原子的電子層結(jié)構(gòu)與元素周期律、周期表元素周期281.周期與原子電子層結(jié)構(gòu)的關(guān)系

周期表中有七個(gè)橫行，表示七個(gè)周期?？梢钥闯觯?1)每一周期從第1主族1A元素ns1開(kāi)始，到形成穩(wěn)定的稀有氣體特有的ns2np6（He為ls2）電子層結(jié)構(gòu)時(shí)結(jié)束。(2)周期表中每出現(xiàn)一個(gè)周期，外層電子就進(jìn)入一個(gè)新的能級(jí)（見(jiàn)表2-4）。因此，元素所在的周期數(shù)，等于該元素原子所具有的電子層數(shù)（即能級(jí)組數(shù)）。(3)各周期元素的數(shù)目，等于相應(yīng)能級(jí)組中原子軌道所能容納的電子總數(shù)。

1.周期與原子電子層結(jié)構(gòu)的關(guān)系周期表中有七個(gè)橫行，表示七個(gè)29周期與能級(jí)組的關(guān)系

周期相應(yīng)能級(jí)組中原子軌道

新增電子數(shù)

元素?cái)?shù)

一

ls22二2s2p88三3s3p88四4s3d4p1818五5s4d5p1818六6s4f5d6p3232七7s5f6d未滿

未完

周期與能級(jí)組的關(guān)系周期相應(yīng)能級(jí)組中原子軌道新增電子數(shù)元302．族與原子電子層結(jié)構(gòu)的關(guān)系周期表中共有18個(gè)縱行，每1縱行表示1個(gè)族，而族又有主族和副族之分。其中標(biāo)有1A至8A的為第1到第8主族，標(biāo)有1B至8B的為第1到第8副族。周期表中主族和副族各半，但主族是8個(gè)縱行，而副族有10個(gè)縱行。

2．族與原子電子層結(jié)構(gòu)的關(guān)系周期表中共有18個(gè)縱行31族與原子結(jié)構(gòu)中外層電子結(jié)構(gòu)：

（1）同一主族元素具有相同的外層電子結(jié)構(gòu)，所謂外層電子結(jié)構(gòu)是指能參與形成化學(xué)鍵的電子。由于元素的性質(zhì)主要決定于原子的外層電子結(jié)構(gòu)，所以同一主族元素具有相似的性質(zhì)。（2）同一副族元素具有相同或相似的外層電子結(jié)構(gòu)，但次外層電子多數(shù)未填滿?？傮w上講同一副族元素性質(zhì)也具有相似性，但族與族間元素性質(zhì)遞變不明顯，且規(guī)律性較差。族與原子結(jié)構(gòu)中外層電子結(jié)構(gòu)：（1）同一主族元素具有相同的外323.元素分區(qū)與原子電子層結(jié)構(gòu)的關(guān)系

1A8A12A3A4A5A6A7A2s區(qū)

33B4B5B6B7B8B1B2B4d區(qū)

ds區(qū)

p區(qū)

567鑭系

錒系

f區(qū)周期表中的元素可根據(jù)元素原子的核外電子排布的特征，分為五個(gè)區(qū):

3.元素分區(qū)與原子電子層結(jié)構(gòu)的關(guān)系1A8A12A3A4A533從元素在周期表中的位置推斷出原子的電子層結(jié)構(gòu)；知道了原子的電子層結(jié)構(gòu)，也能確定元素在周期表中的位置。例題2-4：

已知某元素的原子序數(shù)為26，寫(xiě)出該元素原子的電子排布式，并指出該元素所屬的區(qū)、周期和族，以及是何元素。答：由原子序數(shù)26可知該無(wú)素原子核外有26個(gè)電子。根據(jù)核外電子排布規(guī)則，其核外的電子排布式為：1s22s22p63s23p63d64s2或[Ar]3d64s2。故該元素屬d區(qū)，位于第四周期，8B族，是鐵（Fe）元素。

從元素在周期表中的位置推斷出原子的電子層結(jié)構(gòu)；知34例題2-5

已知某元素屬于周期表中第四周期，7A族。試寫(xiě)出該元素的電子排布式，并指出它屬于何區(qū)及其原子序數(shù)和元素名稱。答：根據(jù)該元素在第四周期可以斷定最高能級(jí)組數(shù)是4，又因?yàn)閷?A族，所以外電子層構(gòu)型為：4s24p5，它應(yīng)屬于p區(qū)元素。其電子排布式為：1s22s22p63s23p63d104s24p5或[Ar]3d104s24p5，總共有35個(gè)電子，故該元素的原子序數(shù)應(yīng)為35，是元素溴（Br）。例題2-5已知某元素屬于周期表中第四周期，7352．3．5原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)1.原子半徑經(jīng)常用到的原子半徑有原子的共價(jià)半徑、金屬半徑和范德華半徑等。表2-6列出了元素的原子半徑。原子半徑在50~220pm之間。從表2-6可看出，元素的原子半徑呈周期性變化。2．3．5原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)1.原子半徑362.元素的電離能

元素的原子失去電子形成正離子的難易程度，可用電離能來(lái)衡量。使某元素一個(gè)基態(tài)的氣態(tài)原子失去一個(gè)電子成為一價(jià)正離子所需的最低能量，稱為該元素原子的第一電離能，常用符號(hào)I1表示，即：A代表任一元素

氣態(tài)A+再失去一個(gè)電子成為二價(jià)正離子所需的最低能量，稱為第二電離能I2，即：

依此類推，可有第三電離能I3、第四電離能I4等。2.元素的電離能元素的原子失去電子形成37對(duì)于任一元素的原子，其電離能的大小順序是：I1<I2<I3<I4…。電離能中第一電離能I1最重要，對(duì)元素周期性規(guī)律反映最明顯。圖2-4給出了元素的第一電離能數(shù)據(jù)和其周期性。圖2-4元素第一電離能的周期性

對(duì)于任一元素的原子，其電離能的大小順序是：383.元素的電子親和能元素的原子結(jié)合電子的難易，可用電子親和能來(lái)衡量。使某元素一個(gè)基態(tài)的氣態(tài)原子獲得一個(gè)電子成為一價(jià)負(fù)離子時(shí)所釋放的能量，稱為該元素的電子親和能，常用Eea表示，即：已有的數(shù)據(jù)仍可大致地看出它們的變化特點(diǎn)?；顫姷姆墙饘僭匾话憔哂休^高的電子親和能（較大的負(fù)值），表明它們易于獲得電子成為負(fù)離子，而活潑的金屬元素電子親和能較小，表明它們難于獲得電子形成負(fù)離子。

3.元素的電子親和能元素的原子結(jié)合電子的394.元素的電負(fù)性

電負(fù)性是指元素的原子，在分子中吸收電子的能力，常記作χ，化學(xué)家鮑林以氟原子電負(fù)性為4.0，并根據(jù)熱化學(xué)的數(shù)據(jù)和分子的鍵能，比較各元素原子吸引電子的能力，得到了其他元素的相對(duì)電負(fù)性，如表2-9所示。元素的電負(fù)性數(shù)值愈大，表示原子在分子中吸引電子的能力愈強(qiáng)，即非金屬性越強(qiáng)。可以看出：在周期系中每一周期元素從左到右有效核電荷逐漸增大，原子半徑逐漸減小，原子在分子中吸引電子的能力逐漸增加，因而元素電負(fù)性逐漸變大，元素的非金屬性也逐漸增強(qiáng)。對(duì)主族元素從上至下隨著原子半徑增大電負(fù)性逐漸減小，元素的非金屬性依次減小。副族元素的電負(fù)性變化規(guī)律不明顯；一般說(shuō)來(lái)，金屬元素的電負(fù)性在2.0以下，非金屬元素的電負(fù)性在2.0以上。

4.元素的電負(fù)性電負(fù)性是指元素的原子，在分子402．4原子的結(jié)合鍵

各種材料都是由不同元素的原子、離子或分子結(jié)合而成。原子、離子或分子間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。原子的結(jié)合鍵對(duì)材料的性能影響很大。根據(jù)結(jié)合力的強(qiáng)弱可把結(jié)合鍵分成兩大類：一次鍵——結(jié)合力較強(qiáng)，包括離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵。二次鍵——結(jié)合力較弱，包括范德華鍵和氫鍵。

2．4原子的結(jié)合鍵各種材料都是由不同元素的412．4．1一次鍵

1．離子鍵金屬元素其原子最外層有少數(shù)價(jià)電子，容易逸出；而非金屬原子的外殼層缺少1~2個(gè)電子。當(dāng)這兩類原子結(jié)合時(shí)，金屬原子的外層電子轉(zhuǎn)移到非金屬原子外殼層上，使兩者都得到穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)，從而降低了體系的能量。此時(shí)，金屬原子和非金屬原子分別形成正離子和負(fù)離子。正、負(fù)離子由靜電引力相互吸引，使原子結(jié)合在一起，這就是離子鍵，如圖2-5所示。圖2-5離子鍵(a)和離子晶體(b)

2．4．1一次鍵1．離子鍵圖2-5離子鍵(a)和離子晶42離子鍵的結(jié)合力很大，因此離子晶體的硬度高，強(qiáng)度大，熱膨脹系統(tǒng)小，但脆性大。離子鍵中很難產(chǎn)生可以自由運(yùn)動(dòng)的電子，所以離子晶體都是良好的絕緣體。在離子鍵結(jié)合中，由于離子的外層電子比較牢固地被束縛，可見(jiàn)光的能量一般不足以使其受激發(fā)，因而不吸收可見(jiàn)光，典型的離子晶體是無(wú)色透明的。陶瓷材料原子間的結(jié)合鍵以離子鍵為主，其具有上述的主要性能特點(diǎn)。

離子鍵特點(diǎn)離子鍵的結(jié)合力很大，因此離子晶體的硬度高，432.共價(jià)鍵

相鄰原子間可以共用價(jià)電子形成滿殼層的方式來(lái)達(dá)到穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)。這種由共用價(jià)電子對(duì)產(chǎn)生的結(jié)合鍵叫共價(jià)鍵[圖2-6（a）]。金剛石為最具有代表性的共價(jià)晶體，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2-6（b）。金剛石由碳原子組成，每個(gè)碳原子的4個(gè)價(jià)電子與周圍的4個(gè)碳原子共有，形成4個(gè)共價(jià)健，達(dá)到穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)。

圖2-6共價(jià)健(a)和共價(jià)晶體(b)

2.共價(jià)鍵相鄰原子間可以共用價(jià)44共價(jià)鍵特點(diǎn)共價(jià)結(jié)合時(shí)由于電子對(duì)之間的強(qiáng)烈排斥力，使共價(jià)鍵具有明顯的方向性。由于方向性，不允許改變?cè)娱g的相對(duì)位置，所以材料不具塑性且比較堅(jiān)硬，像金剛石就是世界上最堅(jiān)硬的物質(zhì)之一。共價(jià)鍵的結(jié)合力很大，熔點(diǎn)高，沸點(diǎn)高和揮發(fā)性低。硅、鍺、錫等元素也可構(gòu)成共價(jià)晶體。屬于共價(jià)晶體的還有SiC、Si3N4、BN等化合物。

共價(jià)鍵特點(diǎn)共價(jià)結(jié)合時(shí)由于電子對(duì)之間的強(qiáng)烈排斥力，453.金屬鍵

原子很容易丟失其價(jià)電子而成為正離子。被丟失的價(jià)電子不為某個(gè)或某兩個(gè)原子所專有或共有，而是為全體原子所公有。這些公有化的電子叫做自由電子，它們?cè)谡x子之間自由運(yùn)動(dòng)，形成所謂電子氣。正離子在三維空間或電子氣中呈高度對(duì)稱的規(guī)則分布。正離子和電子氣之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電吸引力，使全部離子結(jié)合起來(lái)。這種結(jié)合力就叫做金屬鍵。

圖2-7金屬鍵(a)和金屬晶體(b)

3.金屬鍵原子很容易丟失其價(jià)電子而成為正離46金屬鍵特點(diǎn)

在金屬晶體中，價(jià)電子彌漫在整個(gè)體積內(nèi)，所有的金屬離子皆處于相同的環(huán)境之中，全部離子(或原子)均可被看成是具有一定體積的圓球，所以金屬鍵無(wú)所謂飽和性和方向性。

金屬由金屬鍵結(jié)合，因此金屬具有下列特性：①良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。②正的電阻溫度系數(shù)，即隨溫度升高電阻增大。③金屬中的自由電子能吸收并隨后輻射出大部分投射到表面的光能，所以金屬不透明并呈現(xiàn)特有的金屬光澤。

④金屬鍵沒(méi)有方向性，原子間也沒(méi)有選擇性，所以在受外力作用而發(fā)生原子位置的相對(duì)移動(dòng)時(shí)，結(jié)合鍵不會(huì)遭到破壞，使金屬具有良好的塑性變形能力，金屬材料的強(qiáng)韌性好。

金屬鍵特點(diǎn)在金屬晶體中，價(jià)電子彌漫在472．4．2．二次鍵

原子或分子本身已具有穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)，如已具有穩(wěn)定電子殼層的惰性氣體元素，它們的結(jié)合不是依靠電子的得失或共享，而是借原子之間的偶極吸引力結(jié)合而成，這就是二次鍵。

2．4．2．二次鍵原子或分子本身已具有穩(wěn)定的電481.范德華鍵

原子正負(fù)電荷中心會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)不重合，使一端帶正電，另一端帶負(fù)電，形成一個(gè)偶極矩。當(dāng)原子或分子互相靠近時(shí)，一個(gè)原子的偶極矩將會(huì)影響另一個(gè)原子內(nèi)電子的分布，電子密度在靠近第一個(gè)原子的正電荷處更高些，這樣使兩個(gè)原子相互靜電吸引，使之結(jié)合在一起。這種由原子（或分子、原子團(tuán)）的偶極吸引力產(chǎn)生的結(jié)合鍵稱為范德華鍵，見(jiàn)圖2-8。

1.范德華鍵原子正負(fù)電荷中心會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)不重合49范德華鍵特點(diǎn)范德華鍵力遠(yuǎn)低于上述三種化學(xué)鍵。因此，由范德華鍵結(jié)合的固體材料熔點(diǎn)低、硬度也很低，因無(wú)自由電子而有良好的絕緣性。高分子材料大分子內(nèi)的原子之間為共價(jià)鍵結(jié)合，而大分子與大分子之間的結(jié)合則為范德華鍵。

2-8范德華鍵范德華鍵特點(diǎn)范德華鍵力遠(yuǎn)低于上述三種化學(xué)鍵。因此502.氫鍵

氫鍵與范德華鍵一樣，也是靠原子（或分子、原子團(tuán)）的偶極吸引力結(jié)合起來(lái)的，只是氫鍵中氫原子起了關(guān)鍵作用。

2.氫鍵氫鍵與范德華鍵一樣，也是靠原子（或分512．4．3混合鍵

大部分材料的原子結(jié)合鍵往往是不同鍵的混合。例如：金鋼石（4A族C）具有單一的共價(jià)鍵，而同族元素的Si、Ge、Sn元素的結(jié)合是共價(jià)鍵與金屬鍵的混合，金屬鍵的比例按此順序遞增，到Pb時(shí)，由于電負(fù)性已很低，成為完全的金屬鍵結(jié)合。金屬主要是金屬鍵，但也會(huì)出現(xiàn)一些非金屬鍵，如過(guò)渡族元素（特別是高熔點(diǎn)過(guò)渡族金屬W、Mo等）的原子結(jié)合中也會(huì)出現(xiàn)少量的共價(jià)結(jié)合，這正是過(guò)渡金屬具有高熔點(diǎn)的內(nèi)在原因。2．4．3混合鍵大部分材料的原子結(jié)合鍵往52陶瓷化合物中常出現(xiàn)離子鍵與共價(jià)鍵混合的情況。表2-10給出了某些陶瓷化合物中混合鍵的相對(duì)比例。表2-10某些陶瓷化合物的混合鍵特征

化合物

結(jié)合原子對(duì)

電負(fù)性差

離子鍵比例/%共價(jià)鍵比例/%

MgOMg-O2.136832Al2O3Al-O1.835743SiO2Si-O1.544555

Si3N4Si-N1.142872

SiCSi-C0.651090陶瓷化合物中常出現(xiàn)離子鍵與共價(jià)鍵混合的情況。表2532.2.4結(jié)合鍵的本質(zhì)及原子間距

圖2-10雙原子作用模型

2.2.4結(jié)合鍵的本質(zhì)及原子間距圖2-10雙原子作用模542．4．5結(jié)合鍵與性能

1.物理性能熔點(diǎn)的高低代表了材料穩(wěn)定性的程度。物質(zhì)加熱時(shí)，當(dāng)熱振動(dòng)能足以破壞相鄰原子間的穩(wěn)定結(jié)合時(shí)，便會(huì)發(fā)生熔化，所以熔點(diǎn)與鍵能值有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由表2-11可見(jiàn)：

表2-11不同材料的鍵能和熔

鍵型

物質(zhì)

鍵能

熔點(diǎn)

鍵型

物質(zhì)

鍵能

熔點(diǎn)

KJ·mol-1

℃

KJ·mol-1

℃

離子

NaClMgO64010008012800金屬

FeW40684915383410共價(jià)

SiC(金剛石)4507131410>3550范德華

ArCl2

7.73.1-189-101金屬

HgAl68324-39660氫鍵

NH3H2O3551-7802．4．5結(jié)合鍵與性能1.物理性能鍵型物質(zhì)鍵能熔55各鍵特點(diǎn)比較共價(jià)鍵、離子鍵化合物的熔點(diǎn)較高，其中純共價(jià)鍵的金剛石具有最高的熔點(diǎn)，金屬的熔點(diǎn)相對(duì)較低，這是陶瓷材料比金屬具有更高熱穩(wěn)定性的根本原因。

各鍵特點(diǎn)比較共價(jià)鍵、離子鍵化合物的熔點(diǎn)較高，其中56大多數(shù)金屬有高的密度，如鉑、鎢、金的密度達(dá)到工程材料中的最高值。金屬的高密度有兩個(gè)原因：

第一，金屬元素有較高的相對(duì)原子質(zhì)量；第二，金屬鍵沒(méi)有方向性；所以金屬原子總是趨于密集排列，常得到簡(jiǎn)單的原子密排結(jié)構(gòu)。相反，對(duì)于離子鍵或共價(jià)鍵結(jié)合的情況，原子排列不可能很致密，共價(jià)結(jié)合時(shí)，相鄰原子的個(gè)數(shù)要受到共價(jià)鍵數(shù)目的限制，離子結(jié)合則要滿足正、負(fù)離子間電荷平衡的要求，它們的相鄰原子數(shù)都不如金屬多，所以陶瓷材料的密度較低。聚合物由于其二次鍵結(jié)合，分子鏈堆垛不緊密，加上組成原子的質(zhì)量較?。–、H、O），在工程材料中具有最低的密度數(shù)據(jù)。

此外，金屬鍵使金屬材料具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，而由非金屬鍵結(jié)合的陶瓷、聚合物則在固態(tài)下不導(dǎo)電，它們可以作為絕緣體或絕熱體在工程上應(yīng)用。

大多數(shù)金屬有高的密度，如鉑、鎢、金的密度達(dá)到工程572.力學(xué)性能

彈性模量是材料應(yīng)力－應(yīng)變曲線上彈性變形段的斜率，以E表示之，其意義為：即E相當(dāng)于發(fā)生單位彈性變形所需的應(yīng)力?？砂言咏Y(jié)合比喻成很多小彈簧的連結(jié)（圖2-11）。結(jié)合鍵能是影響彈性模量的主要因素，結(jié)合鍵能越大，則“彈簧”越“硬”，原子之間距離的移動(dòng)所需的外力就越大，即彈性模量越大。結(jié)合鍵能與彈性模量?jī)烧唛g有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.力學(xué)性能彈性模量是材料應(yīng)力－應(yīng)變曲58工程材料的強(qiáng)度與結(jié)合鍵能也有一定的聯(lián)系，一般來(lái)說(shuō)，結(jié)合鍵能高的，強(qiáng)度也高一些;材料的塑性與結(jié)合鍵類型有關(guān)，金屬鍵賦予材料良好的塑性，而離子鍵、共價(jià)鍵結(jié)合，使塑性變形困難，所以陶瓷材料的塑性很差。

圖2-11原子間結(jié)合力性質(zhì)的模型

工程材料的強(qiáng)度與結(jié)合鍵能也有一定的聯(lián)系，一般來(lái)說(shuō)59小結(jié)(一)原子由質(zhì)子、中子和電子三種粒子構(gòu)成。原子核帶正電荷，通過(guò)靜電吸引，將帶負(fù)電荷的電子束縛在其周圍，從整體看，原子是電中性的。原子核直徑很小，但原子質(zhì)量大部分集中在原子核內(nèi)；電子占據(jù)了幾乎所有原子體積，但只占據(jù)了很小的原子質(zhì)量。電子，特別是外層電子，決定了原子的電子、力學(xué)、化學(xué)和熱性能等主要性能。原子中核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（或分布情況），用四個(gè)量子數(shù)加以描述。這四個(gè)量子數(shù)是：主量子數(shù)n，角量子數(shù)l，磁量子數(shù)m和自旋量子數(shù)ms。多電子的原子中原子軌道的能量高低由近似能級(jí)圖給出。原子處于基態(tài)時(shí)，核外電子的排布必須三條規(guī)律：泡里（Pauli）不相容原理、能量最低原理和洪特（Hund）規(guī)則。據(jù)此可以確定大多數(shù)元素基態(tài)原子中電子的排布情況，即其電子層結(jié)構(gòu)。通常表示電子層結(jié)構(gòu)有兩種方法：原子軌道式和電子排布式。

小結(jié)(一)原子由質(zhì)子、中子和電子三種粒子60小結(jié)(二)元素周期律即元素的性質(zhì)隨著原子序數(shù)（核電荷數(shù)）的遞增而呈周期性地變化。隨著核電荷數(shù)的遞增各元素原子的外電子層結(jié)構(gòu)呈周期性地重復(fù)排列。因此，原子核外電子排布的周期性變化正是元素周期律的本質(zhì)原因，元素周期表則是各元素原子核外電子排布呈周期性變化的反映。元素周期表中的周期、族和元素分區(qū)等均與元素原子的外電子層結(jié)構(gòu)有關(guān)。原子、離子或分子間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。一般把結(jié)合鍵分為離子鍵、共價(jià)健、金屬鍵和分子鍵四種。不同的結(jié)合鍵具有不同的結(jié)合力，因而具有不同結(jié)合鍵的材料具有不同的性能特點(diǎn)。

小結(jié)(二)元素周期律即元素的性質(zhì)隨著原子序61演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！62第二章原子結(jié)構(gòu)與原子間結(jié)合鍵2.1原子結(jié)構(gòu)2.2原子序數(shù)和原子質(zhì)量2.3原子的電子層結(jié)構(gòu)2.4原子的結(jié)合鍵

第二章原子結(jié)構(gòu)與原子間結(jié)合鍵2.1原子結(jié)構(gòu)632.1原子結(jié)構(gòu)

原子組成：原子核和核外電子,原子核內(nèi)又有質(zhì)子和中子。原子電荷：質(zhì)子帶正電荷，中子不帶電荷，因此原子核帶正電荷，通過(guò)靜電吸引，將帶負(fù)電荷的電子束縛在其周圍。每個(gè)質(zhì)子和電子所帶的電荷q均為1.602×10-19庫(kù)侖。因?yàn)樵又匈|(zhì)子和電子的數(shù)目相等，所以從整體看，原子是電中性的。原子尺寸：直徑約為10-10m，但原子核直徑很小，僅為約10-14m，其外部均為電子所包圍。2.1原子結(jié)構(gòu)原子組成：原子核和核外電子,原子核內(nèi)又有質(zhì)64續(xù)上頁(yè)原子質(zhì)量：原子的質(zhì)量大部分集中在原子核內(nèi)。一個(gè)質(zhì)子具有1.673×10-24g質(zhì)量，中子略重于質(zhì)子，質(zhì)量為1.675×10-24g，而一個(gè)電子的質(zhì)量只有9.109×10-28g，僅為質(zhì)子質(zhì)量的1/1836。表2-1質(zhì)子、中子和電子的質(zhì)量與電荷粒子質(zhì)量，g粒子電荷，庫(kù)侖

質(zhì)子中子電子

1.673×10-241.675×10-249.109×10-28

+1.602×10-190-1.602×10-19

續(xù)上頁(yè)原子質(zhì)量：原子的質(zhì)量大部分集中在原子核內(nèi)。粒子質(zhì)量，g652.2原子序數(shù)和原子質(zhì)量

2．2．1原子序數(shù)

元素的原子序數(shù)等于原子核中的質(zhì)子數(shù)或核外電子數(shù)。每種元素均與一定的原子序數(shù)相對(duì)應(yīng)，如鐵的原子序數(shù)為26，其原子核有26個(gè)質(zhì)子和26個(gè)核外電子。

2.2原子序數(shù)和原子質(zhì)量2．2．1原子序數(shù)662．2．2核素與同位素核素：原子核中具有一定質(zhì)子數(shù)和一定中子數(shù)的原子。一種碳原子的原子核中有6個(gè)質(zhì)子和6個(gè)中子，它的質(zhì)量數(shù)是12，這種碳原子稱碳-12核素，寫(xiě)為12C核素；另一種碳原子的原子核里有6個(gè)質(zhì)子和7個(gè)中子，質(zhì)量數(shù)為13，稱碳-13核素，可寫(xiě)為13C核素。多核素元素與單核素元素。同位素：質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的同一元素的不同原子互稱為同位素；即多核素元素中的不同核素互稱為同位素。12C和13C是碳的同位素。穩(wěn)定同位素與放射性同位素。2．2．2核素與同位素核素：原子核中具有一定質(zhì)子數(shù)和一定中672.2.3原子質(zhì)量與相對(duì)原子質(zhì)量

1.原子質(zhì)量指某核素一個(gè)原子的質(zhì)量。由于原子的絕對(duì)質(zhì)量很小,常以12C一個(gè)原子質(zhì)量的1/12作單位，稱為“原子質(zhì)量單位”，用“u”表示（1u=1.66×10-24g），因此12C的原子質(zhì)量也就等于12u。2.2.3原子質(zhì)量與相對(duì)原子質(zhì)量1.原子質(zhì)量68續(xù)上頁(yè)元素原子的原子質(zhì)量：元素的平均原子質(zhì)量與核素12C原子質(zhì)量的1/12之比。所謂元素的平均原子質(zhì)量，是對(duì)一種元素含有多種天然同位素而說(shuō)的，平均原子質(zhì)量可由這些同位素的原子質(zhì)量和豐度（指某同位素在所屬的天然元素中所占的原子百分?jǐn)?shù)）來(lái)計(jì)算。元素的原子質(zhì)量用符號(hào)Ar(E)表示，E代表某元素，如氧的原子質(zhì)量等于16.00，可表示為Ar(O)=16.00。它表示1個(gè)氧原子的平均質(zhì)量是核素12C原子質(zhì)量1/12的16.00倍?？梢?jiàn)，元素的原子質(zhì)量只是一種相對(duì)的比值。它的單位為一。續(xù)上頁(yè)元素原子的原子質(zhì)量：69例題2-1：

自然界的氫元素有兩種同位素，實(shí)驗(yàn)測(cè)得1H的原子質(zhì)量為1.007825u，豐度為99.985%，2H的原子質(zhì)量為2.0140u，豐度為0.015%，試計(jì)算氫元素的平均原子質(zhì)量和相對(duì)原子質(zhì)量。解：氫元素的平均原子質(zhì)量為：1.007825u×99.985%+2.0140u×0.015%=1.0079u

根據(jù)元素的相對(duì)原子質(zhì)量的定義，氫的相對(duì)原子質(zhì)量為：

例題2-1：自然界的氫元素有兩種同位素，實(shí)702.相對(duì)原子質(zhì)量

元素的相對(duì)原子質(zhì)量：1mol某種元素的平均質(zhì)量與1mol12C核素原子質(zhì)量1/12之比，也是該元素6.023×1023個(gè)原子（阿伏伽德羅數(shù)NA）的質(zhì)量，其單位為g/mol。各元素的相對(duì)原子質(zhì)量均示于表2-2元素周期表中元素符號(hào)的下方。

2.相對(duì)原子質(zhì)量元素的相對(duì)原子質(zhì)量：71例題2-2：

(1)根據(jù)銅的相對(duì)原子質(zhì)量，試求1個(gè)銅原子的質(zhì)量。(2)1克銅中有多少銅原子？

解:(1)銅的相對(duì)原子質(zhì)量為63.54g/mol，因63.54g銅有6.023×1023個(gè)原子,因此,一個(gè)銅原子的質(zhì)量為:63.54g/mol/6.023×1023個(gè)原子/mol=1.05×10-22g/原子(2)1克銅的原子數(shù)：6.023×1023個(gè)原子/mol/63.54g/mol=9.48×1021個(gè)原子/g例題2-2：(1)根據(jù)銅的相對(duì)原子質(zhì)量，試求1個(gè)銅原722.3原子的電子層結(jié)構(gòu)

2．3．1核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

原子中核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（或分布情況），要用四個(gè)量子數(shù)加以描述。這四個(gè)量子數(shù)是：

１．主量子數(shù)n２．角量子數(shù)l３．磁量子數(shù)m４．自旋量子數(shù)ms2.3原子的電子層結(jié)構(gòu)2．3．1核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)731．主量子數(shù)n

主量子數(shù)n

是描述核外電子的能量和電子離核平均距離的參數(shù)，是決定電子能量大小的主要量子數(shù)。n

值越大，電子離核的距離越遠(yuǎn)，電子的能量愈高。主量子數(shù)n

可取零以外的正整數(shù)，即n=1,2,3…。每一個(gè)n

值代表一個(gè)電子層或主能級(jí)層（主層），在光譜學(xué)上常用拉丁字母表示電子層：主量子數(shù)n1234567電子層符號(hào)KLMNOPQ1．主量子數(shù)n主量子數(shù)n是描述核外電子的能量和電子離742．角量子數(shù)l角量子數(shù)l用于描述原子軌道或電子云的形狀，并在多電子原子中和主量子數(shù)n一起決定電子的能量，故又稱為副量子數(shù)。n確定后，角量子數(shù)l可取0到n-1，即l=0，1，2…（n-1）。如n=1,l只能取0；n=2，l可取0和1兩個(gè)值。電子亞層或能層常用光譜符號(hào)表示：角量子數(shù)l0123電子亞層符號(hào)spdf2．角量子數(shù)l角量子數(shù)l用于描述原子軌道或電子云的形狀，75l=0表示球形的s原子軌道或電子云；l=1表示啞鈴形的p原子軌道或電子云；l=2表示花瓣形的d原子軌道或電子云，等等。圖2-1是s、p和d原子軌道的平面圖。在多電子原子中，同一電子層中的l數(shù)值越大，該電子亞層的能級(jí)越高，如在第三電子層有s、p和d等3個(gè)電子亞層，其中3d的能級(jí)高于3p的能級(jí)，3p的能級(jí)又高于3s的能級(jí)。圖2-1s、p和d原子軌道的平面圖

l=0表示球形的s原子軌道或電子云；l=1表示啞763．磁量子數(shù)m磁量子數(shù)m決定原子軌道在磁場(chǎng)中分裂，在空間伸展的方向。其取值受角量子數(shù)l的限制，當(dāng)l一定，m可取0，±1，±2，…，±l，共有（2l+1）個(gè)數(shù)值，即原子軌道或電子云可以沿著（2

l+1）個(gè)不同方向伸展，常用符號(hào)○或□表示。l=0時(shí)，m=0，原子軌道或電子云只有一個(gè)伸展方向；l=1時(shí)，m=-1、0、+1，有3個(gè)數(shù)值，p原子軌道或電子云分別沿著x，y和z三個(gè)方向伸展。l=2時(shí)，m=0,±1，±2，有5個(gè)數(shù)值，即d原子軌道或電子云有5個(gè)不同伸展方向的軌道。磁量子數(shù)與電子能量無(wú)關(guān)。l相同，m不同的原子軌道，即形狀相同，空間取向不同的原子軌道，其能量是相同的。3．磁量子數(shù)m磁量子數(shù)m決定原子軌道在磁場(chǎng)中分裂，在空間774．自旋量子數(shù)ms

原子中的電子除了繞核運(yùn)動(dòng)外，還可自旋。用于描述電子自旋方向的量子數(shù)稱為自旋量子數(shù)，用符號(hào)ms表示。自旋方向只有順時(shí)針和逆時(shí)針兩種,故ms=，通常用符號(hào)↑、↓表示。自旋量子數(shù)ms對(duì)電子所處的能量沒(méi)有影響。這樣用四個(gè)量子數(shù)就可以描述電子在原子中的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即四個(gè)量子數(shù)可以確定某一電子在原子核外某一電子層的電子亞層中的運(yùn)動(dòng)，它的電子云或原子軌道在空間的某一方向伸展，且本身有一定的自旋方向。這樣可以近似地把這四個(gè)量子數(shù)看成是電子在空間位置的坐標(biāo)。4．自旋量子數(shù)ms原子中的電子除了繞核運(yùn)動(dòng)外，還可自旋782.3.2多電子原子軌道的能級(jí)能量E

6pOOO5dOOOO4fOOOOOOO6sO

5pOOO4dOOOOO5sO

4pOOO3dOOOOO4sO

3pOOO3sO

2pOOO2sO

lsO能級(jí)組

6(6s4f5d6p)5(5s4d5p)4(4s3d4p)3(3s3p)2(2s2p)1(ls)圖2-2原子軌道近似能級(jí)圖

美國(guó)化學(xué)家鮑林（Pauling）根據(jù)光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)出多電子原子中原子軌道能量高低，并排列給出近似能級(jí)圖，見(jiàn)左圖

2.3.2多電子原子軌道的能級(jí)能量E6pOOO79（1）能級(jí)圖是按能量的高低順序，而不是按原子軌道距核的遠(yuǎn)近排列的。圖中將能量相近的軌道劃為一組（即虛線方框內(nèi)的軌道），稱為能級(jí)組。共有7個(gè)能級(jí)組，它的能量依1、2、3、…能級(jí)組的順序逐次增高。（2）在近似能級(jí)圖中，每個(gè)小圓圈表示一個(gè)原子軌道，如第二能級(jí)組中有四個(gè)小圓圈，它代表有四個(gè)原子軌道。（3）角量子數(shù)l相同的能級(jí)，其能量由主量子數(shù)n決定，n越大，能量越高，如：

s亞層的能量順序是：E1s<E2s<E3s……p亞層的能量順序是：E2p<E3p<E4p……能級(jí)圖說(shuō)明（一）（1）能級(jí)圖是按能量的高低順序，而不是按原子軌道能級(jí)圖說(shuō)明（80能級(jí)圖說(shuō)明（二）（4）主量子數(shù)n相同，而角量子數(shù)l不同的能級(jí)，其能量隨l的增大而升高，如：Ens<Enp<End<Enf（5）同一能級(jí)組中，可能出現(xiàn)不同電子層的能級(jí)。如第5能級(jí)組中，除屬于第5電子層的5s和5p能級(jí)外，還有第4電子層的4d。表明當(dāng)主量子數(shù)n和角量子數(shù)l同時(shí)變化時(shí)，可能出現(xiàn)主量子數(shù)較大的原子軌道的能量，反而比主量子數(shù)較小的某些原子軌道的能量低，這種現(xiàn)象稱為“能級(jí)交錯(cuò)”例如：E4s<E3d，E6s<E4f<E5d等等。能級(jí)圖說(shuō)明（二）（4）主量子數(shù)n相同，而角量子數(shù)l不同的能級(jí)81為了判斷多電子原子中n和l同時(shí)變化時(shí)，軌道能量的高低，除了從鮑林的近似能級(jí)圖中查看外，我國(guó)化學(xué)家徐光憲在總結(jié)了光譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，歸納出（n+0.7l）的規(guī)則，（n+0.7l）值愈大，能量就愈高。例題2-3：試比較6s、6p、4f和5d軌道的能量高低。解：6s軌道：

n=6,l=0，（n+0.7l）=6+0.7×0=66p軌道：

n=6,l=1，（n+0.7l）=6+0.7×1=6.74f軌道：

n=4,l=3，（n+0.7l）=4+0.7×3=6.15d軌道：

n=5,l=2，（n+0.7l）=5+0.7×2=6.4

所以，E6s<E4f<E5d<E6p為了判斷多電子原子中n和l同時(shí)變化時(shí)，軌道能量的822．3．3原子的電子層結(jié)構(gòu)1．

核外電子的排布規(guī)律（1）泡里（Pauli）不相容原理在同一原子中，不可能有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（亦即四個(gè)量子數(shù)）完全相同的兩個(gè)電子存在。這一原理也可表達(dá)為：在同一原子軌道中最多只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子。泡里不相容原理實(shí)際上是對(duì)原子核外電子層上可容納的電子數(shù)目作了限制。各電子層容納的最多電子數(shù)是：(下頁(yè))2．3．3原子的電子層結(jié)構(gòu)1．

核外電子的排布規(guī)律83n=1(K層)l=0(ls)m=01個(gè)軌道m(xù)s=可容納2個(gè)電子n=2(L層)l=0(2s)l=1(2p)m=0-1m=0+14個(gè)軌道

可容納8個(gè)電子n=3(M層)l=0(3s)l=1(3p)l=2(3d)m=0-1m=0+1-2-1m=0+1

+29個(gè)軌道可容納18個(gè)電子所以

各層可容納的最多電子數(shù)為2n2個(gè)，這原理又稱為電子層最大容量原理。

n=1(K層)l=0(ls)84（2）能量最低原理

核外電子總是優(yōu)先占據(jù)能量最低的軌道，然后才依次進(jìn)入能級(jí)較高的原子軌道，使整個(gè)原子體系處于最低的能量狀態(tài)。圖2-3。圖2-3原子軌道近似能級(jí)順序圖

電子進(jìn)入各能級(jí)的先后次序?yàn)椋?s;2s;2p;3s,3p;4s;3d,4p;5s,4d,5p;6s,4f,5d,6p;7s,5f,……。圖中這一順序用圓圈內(nèi)“（

）”中的阿拉伯?dāng)?shù)字表示。

（2）能量最低原理核外電子總是優(yōu)先占據(jù)能85（3）洪特（Hund）規(guī)則

電子在同一亞層能量相同的等價(jià)軌道上排布時(shí)，總是盡可能分占不同的軌道，并且自旋方向相同。例如2p亞層有3個(gè)軌道，若有2個(gè)電子進(jìn)入2p，則各占一個(gè)軌道且自旋平行，可寫(xiě)成，而不是或。（3）洪特（Hund）規(guī)則電子在同一亞層862．原子的電子層結(jié)構(gòu)電子在核外的排布情況稱為電子層結(jié)構(gòu)。通常表示電子層結(jié)構(gòu)有兩種方法。（1）原子軌道式這種表示方式是用一個(gè)小方格或小圓圈代表一個(gè)原子軌道，在方格或圓圈下面注明該軌道的能級(jí)，方格或圓圈內(nèi)用箭頭表示電子的自旋方向。如：7N8O

1s2s2p1s2s2p2．原子的電子層結(jié)構(gòu)電子在核外的排布情況稱87（2）電子排布式它是在亞層符號(hào)的左邊注明電子層數(shù)，在亞層符號(hào)的右上角用阿拉伯?dāng)?shù)字表示所排列的電子數(shù)。如4p3：

4表示電子層數(shù)n=4，是第4電子層的軌道；p代表亞層的符號(hào)即l=1，表示屬p軌道；3表示在此亞層上的電子數(shù)目。根據(jù)這些原則，我們可以將原子序數(shù)為14的硅元素的原子核外電子排布式列為：1s22s22p63s23p2。（2）電子排布式它是在亞層符號(hào)的左邊注明電子88

有時(shí)為了簡(jiǎn)化，常將內(nèi)層電子構(gòu)型用“原子實(shí)”來(lái)代替。所謂“原子實(shí)”是指原子中的內(nèi)層電子結(jié)構(gòu)與某一稀有氣體元素的電子層結(jié)構(gòu)相同的部分，用該稀有氣體的元素符號(hào)加方括號(hào)來(lái)表示。如Ne(氖)、Ar(氬)和Kr(氪)的電子層結(jié)構(gòu)分別為1s22s22p6、1s22s22p63s23p6和1s22s22p63s23p63d104s24p6，因此：14

Si1s22s22p63s23p2

可表示為：［Ne］3s23p233As1s22s22p63s23p63d104s24p3

可表示為：［Ar］3d104s24p351Sb1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p3

可表示為：［Kr］4d105s25p3有時(shí)為了簡(jiǎn)化，常將內(nèi)層電子構(gòu)型用“原子實(shí)”來(lái)89

2．3．4原子的電子層結(jié)構(gòu)與元素周期律、周期表

元素周期律的內(nèi)容是：元素的性質(zhì)隨著原子序數(shù)（核電荷數(shù)）的遞增而呈周期性地變化。原子結(jié)構(gòu)的研究證明：隨著核電荷數(shù)的遞增各元素原子的外電子層結(jié)構(gòu)呈周期性地重復(fù)排列。因此，原子核外電子排布的周期性變化正是元素性質(zhì)周期性變化的本質(zhì)原因。元素周期表則是各元素原子核外電子排布呈周期性變化的反映。下面分別討論周期表中的周期、族以及組（區(qū)）的劃分與原子中電子層結(jié)構(gòu)的關(guān)系。2．3．4原子的電子層結(jié)構(gòu)與元素周期律、周期表元素周期901.周期與原子電子層結(jié)構(gòu)的關(guān)系

周期表中有七個(gè)橫行，表示七個(gè)周期?？梢钥闯觯?1)每一周期從第1主族1A元素ns1開(kāi)始，到形成穩(wěn)定的稀有氣體特有的ns2np6（He為ls2）電子層結(jié)構(gòu)時(shí)結(jié)束。(2)周期表中每出現(xiàn)一個(gè)周期，外層電子就進(jìn)入一個(gè)新的能級(jí)（見(jiàn)表2-4）。因此，元素所在的周期數(shù)，等于該元素原子所具有的電子層數(shù)（即能級(jí)組數(shù)）。(3)各周期元素的數(shù)目，等于相應(yīng)能級(jí)組中原子軌道所能容納的電子總數(shù)。

1.周期與原子電子層結(jié)構(gòu)的關(guān)系周期表中有七個(gè)橫行，表示七個(gè)91周期與能級(jí)組的關(guān)系

周期相應(yīng)能級(jí)組中原子軌道

新增電子數(shù)

元素?cái)?shù)

一

ls22二2s2p88三3s3p88四4s3d4p1818五5s4d5p1818六6s4f5d6p3232七7s5f6d未滿

未完

周期與能級(jí)組的關(guān)系周期相應(yīng)能級(jí)組中原子軌道新增電子數(shù)元922．族與原子電子層結(jié)構(gòu)的關(guān)系周期表中共有18個(gè)縱行，每1縱行表示1個(gè)族，而族又有主族和副族之分。其中標(biāo)有1A至8A的為第1到第8主族，標(biāo)有1B至8B的為第1到第8副族。周期表中主族和副族各半，但主族是8個(gè)縱行，而副族有10個(gè)縱行。

2．族與原子電子層結(jié)構(gòu)的關(guān)系周期表中共有18個(gè)縱行93族與原子結(jié)構(gòu)中外層電子結(jié)構(gòu)：

（1）同一主族元素具有相同的外層電子結(jié)構(gòu)，所謂外層電子結(jié)構(gòu)是指能參與形成化學(xué)鍵的電子。由于元素的性質(zhì)主要決定于原子的外層電子結(jié)構(gòu)，所以同一主族元素具有相似的性質(zhì)。（2）同一副族元素具有相同或相似的外層電子結(jié)構(gòu)，但次外層電子多數(shù)未填滿?？傮w上講同一副族元素性質(zhì)也具有相似性，但族與族間元素性質(zhì)遞變不明顯，且規(guī)律性較差。族與原子結(jié)構(gòu)中外層電子結(jié)構(gòu)：（1）同一主族元素具有相同的外943.元素分區(qū)與原子電子層結(jié)構(gòu)的關(guān)系

1A8A12A3A4A5A6A7A2s區(qū)

33B4B5B6B7B8B1B2B4d區(qū)

ds區(qū)

p區(qū)

567鑭系

錒系

f區(qū)周期表中的元素可根據(jù)元素原子的核外電子排布的特征，分為五個(gè)區(qū):

3.元素分區(qū)與原子電子層結(jié)構(gòu)的關(guān)系1A8A12A3A4A595從元素在周期表中的位置推斷出原子的電子層結(jié)構(gòu)；知道了原子的電子層結(jié)構(gòu)，也能確定元素在周期表中的位置。例題2-4：

已知某元素的原子序數(shù)為26，寫(xiě)出該元素原子的電子排布式，并指出該元素所屬的區(qū)、周期和族，以及是何元素。答：由原子序數(shù)26可知該無(wú)素原子核外有26個(gè)電子。根據(jù)核外電子排布規(guī)則，其核外的電子排布式為：1s22s22p63s23p63d64s2或[Ar]3d64s2。故該元素屬d區(qū)，位于第四周期，8B族，是鐵（Fe）元素。

從元素在周期表中的位置推斷出原子的電子層結(jié)構(gòu)；知96例題2-5

已知某元素屬于周期表中第四周期，7A族。試寫(xiě)出該元素的電子排布式，并指出它屬于何區(qū)及其原子序數(shù)和元素名稱。答：根據(jù)該元素在第四周期可以斷定最高能級(jí)組數(shù)是4，又因?yàn)閷?A族，所以外電子層構(gòu)型為：4s24p5，它應(yīng)屬于p區(qū)元素。其電子排布式為：1s22s22p63s23p63d104s24p5或[Ar]3d104s24p5，總共有35個(gè)電子，故該元素的原子序數(shù)應(yīng)為35，是元素溴（Br）。例題2-5已知某元素屬于周期表中第四周期，7972．3．5原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)1.原子半徑經(jīng)常用到的原子半徑有原子的共價(jià)半徑、金屬半徑和范德華半徑等。表2-6列出了元素的原子半徑。原子半徑在50~220pm之間。從表2-6可看出，元素的原子半徑呈周期性變化。2．3．5原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)1.原子半徑982.元素的電離能

元素的原子失去電子形成正離子的難易程度，可用電離能來(lái)衡量。使某元素一個(gè)基態(tài)的氣態(tài)原子失去一個(gè)電子成為一價(jià)正離子所需的最低能量，稱為該元素原子的第一電離能，常用符號(hào)I1表示，即：A代表任一元素

氣態(tài)A+再失去一個(gè)電子成為二價(jià)正離子所需的最低能量，稱為第二電離能I2，即：

依此類推，可有第三電離能I3、第四電離能I4等。2.元素的電離能